Vodik je kemijski element čije bismo otkriće mogli smjestiti u 1789. godinu, kada mu je Lavoisier dao ime (hydrogéne) te ga uvrstio u „Tablicu jednostavnih tvari“, no da je kemijska formula plinovitog vodika H₂ saznat će kemičari tek poslije sedam desetljeća, 1860. godine. Kako je to moguće kada se sumporna kiselina (oleum vitrioli) proizvodi poluindustrijski još od sredine 16. stoljeća, a nije potrebno napraviti ništa više nego u nju staviti komadić željeza, cinka ili kositra da nastane vodik? Kako je moguće da to nitko kroz mnoga desetljeća nije primijetio? Moguće je, moguće, jer čovjek vidi ono što želi vidjeti ili očekuje da vidi: „Oči i uši su loši svjedoci ljudima koji imaju barbarske duše“, reče Heraklit. Neki je moj kolega, profesor kemije na jednoj zagrebačkoj gimnaziji, tvrdio da demonstracijski pokus ne služi tome da se učenici uvjere u istinitost onoga što uče, nego da ih pokus treba sam podučiti, da oni iz njega moraju sami izvesti zaključak. Stoga je naš profesor postavio Hofmannov aparat za elektrolizu vode, uključio ga te potom pustio učenike da napišu što vide. Svašta su napisali, ali baš nitko nije napisao da vidi kako na elektrodama nastaju mjehurići plina! Tako je bilo i s (al)kemičarima.

Za alkemičare su plinovi i pare bili nešto neuhvatljivo i neshvatljivo, nešto tajnovito što se nalazi između materijalnog i duhovnog svijeta, pa su svaku paru ili plin zvali spiritus (lat. duh). Time se nisu udaljili od pučkih predodžbi jer – da se prisjetimo Gudnulićeva stiha (Suze sina razmetnoga, 2:XV) – „vjetar, magla, sjen, dim, ništa“, sve što je bilo u zraku ili je zraku nalikovalo, kao da nije postojalo – zapravo je bilo ništa. Fizičari su se počeli zanimati plinovima tek početkom 17. stoljeća (s Torricellijem), a da su plinovi nešto tvarno, nešto čime bi se i kemičari trebali baviti obznanio je istom 1621. godine Joan Baptista van Helmont, holandski liječnik kojemu dugujemo riječ gas. No i kada su se kemičari počeli baviti vodikom, nisu znali što bi s njime, smatrali su ga nekom vrstom zraka, poput Boylea koji je 1660. godine prvi njime napunio bočicu. U svijetlu tadašnje flogistonske teorije, Henry Cavendish je smatrao vodik („inflammable air“) čistim flogistonom. Rezultate svojih istraživanja vodika objavio je 1766. godine.

Danas znamo što je vodik, ne samo H₂, nego i H. Vodik je najjednostavniji kemijski element, element čija se atomska jezgra sastoji od samo jedne čestice, pozitivno nabijenog protona, a elekronski omotač od samo jedne negativno nabijene čestice, elektrona. Pri tome mislim dakako samo na obični, laki vodik (¹H, procij), no vodik ima još dva izotopa: teški vodik ili deuterij (²H ili D) te superteški, radioaktivni vodik koji se zove tricij (³H ili T). Kako je redni broj elementa u periodnom sustavu jednak broju protona u jezgri njegova atoma, vodiku pripada prvo mjesto.

Sva svojstva vodika određena su tom njegovom izuzetno malom masom. Oduzmemo li atomu vodika elektron, on postaje proton. To znači da je isto pišemo li H⁺ ili p, pa se stoga često reakcije kiselina i baza zovu reakcijama protonacije (npr. OH^- + H⁺ → H₂O)  ili deprotonacije (HCl → H⁺ + Cl^-). Gledajući tako na kemiju, možemo reći da se većina kemijskih reakcija svodi na razmjenu subatomskih čestica, protona (kiseline, baze) ili elektrona (redoks reakcije) između molekula ili pak dijelova iste molekule. Druga posljedica lakoće vodika je da je H₂ najlakši plin: vodik je 15 puta lakši od zraka, a dva puta od helija. Lakoća vodika je omogućila razvoj balonistike, sve dok vodik zbog zapaljivosti nije zamijenjen skupljim i težim helijem. No iznimna lakoća vodika otežava razvoj najčišćeg pogona, pogona na vodik.

Bolje gorivo od vodika ne može se ni zamisliti jer njegovim izgaranjem nastaje samo čista voda – nema dima, nema ugljikova dioksida ni monoksida, nema čađe ni lebdećih čestica, nema kancerogenih poliaromatskih ugljikovodika. To naročito vrijedi za gorivne ćelije jer se u njima vodik i kisik (iz zraka) spajaju u vodu dajući izravno električnu struju. Tu leži budućnost, a ne u motorima s unutrašnjim izgaranjem pogonjenih vodikom. Problem s takvim motorima je da iz njihovih ispušnika ne izlazi samo voda, jer pri visokim temperaturama koje se u motoru stvaraju nastaju i dušikovi oksidi. Drugi je problem, još veći, što vodik reagira s ugljikom iz čelika, pa uništava klip motora. To govorim zato jer je svojedobno bilo popularno čišćenje motora vodikom, što su serviseri s pravom zabranili, a još se više govorilo, a i danas se često čuje, o „autu koji vozi na vodu“. Koje li gluposti!

Izgaranjem vodika nastaje, već smo rekli, voda (2 H₂ + O₂ → 2 H₂O). Vodik se može dobiti elektrolizom vode, a to nije ništa drugo nego rastavljanje vode na vodik i kisik (2 H₂O→ 2 H₂ + O₂). Kako je riječ o identičnim reakcijama, ali suprotnog smjera, energija oslobođena u prvoj reakciji mora biti jednaka energiji utrošenoj u drugoj reakciji. No to je samo u idealnom slučaju, jer kada se uzmu u obzir gubitci, energija utrošena u drugoj reakciji veća je od energije oslobođene u prvoj reakciji. „Auto na vodu“ ima u prtljažniku uređaj za elektrolizu vode koji se napaja električnom strujom iz motora, a ta se električna struja dobiva izgaranjem smjese benzina i vodika. Jasno je da će „auto na vodu“ voziti dok ne potroši benzin, a onda će stati kao i svaki drugi auto. Da nije tako bio bi to perpetuum mobile.

Neka se svojim „autom na vodu“ voze (dok im ne stane) oni koji ne znaju fiziku, a mi ćemo se pozabaviti vodikom koji izgara u gorivnim ćelijama. Takvi automobili, automobili s vodikovim ćelijama, već voze, no nisu problem vodikove ćelije same po sebi nego gorivo koje koriste. Ono što vodik čini prikladnim plinom za punjenje balona, čini ga neprikladnim za napajanje gorivnih ćelija. Energijska vrijednost vodika je velika (120 MJ/kg), dva puta je veća od energijske vrijednosti benzina (52 MJ/kg), no to je energijska vrijednost po masi, po kilogramu. Litra plinovitog vodika ima samo 0,082 grama. Njegovim pretvaranjem u tekućinu ne dobiva se mnogo jer je gustoća tekućeg vodika 0,07 g/cm³, što znači da je 14 puta lakši od vode, a usto ga treba držati na vrlo niskoj temperaturi (-253 ^oC). Problem se ne može riješiti ni stlačivanjem, jer koliko se dobiva na povećanju gustoće plina toliko se gubi na masi spremnika, jer spremnik mora, razumije se, biti napravljen tako da podnese visok tlak.

I tako smo, eto, našu priču o vodiku priveli kraju. O kemijskom elementu u kojem se ogleda povijest kemije i vidi budućnost tehnologije. A sve to zahvaljujući sitnoći njegova atoma koji je – da damo brzu usporedbu – 16 puta lakši od atoma kisika i 207 puta lakši od atoma olova. Sitnoća nije uvijek mana, pogotovo ne za onoga koji je jedinstven u svojoj vrsti.  

Nenad Raos, rođen u Zagrebu 1951., je kemičar, znanstveni savjetnik u trajnome zvanju, sada u mirovini. Bio je pročelnik Sekcije za izobrazbu Hrvatskog kemijskog društva, glavni urednik časopisa Priroda i urednik rubrike Kemija u nastavi u časopisu Kemija u industriji. Još od studentskih dana bavi se popularizacijom znanosti. Piše za časopis Čovjek i svemir, te mrežne stranice Panopticum i, naravno, Bug-online. Autor je 16 znanstveno-popularnih knjiga, od kojih treba izvojiti „Kemijski leksikon u stripu“, „Metali života – metali smrti“ te „Kemičar u kući – kemija svakodnevnog života“.