Vesinik ja elektrolüüs

Vesinik asub perioodilisussüsteemis ainulaadselt: sellel on üksainus elektron ja see võib selle kas kaotada, moodustades H⁺ (käitudes mõneti nagu leelismetalli katioon), või saada ühe juurde, moodustades H⁻ (käitudes nagu halogeniidi anioon), ja see kahene iseloom avaldub otseselt tema moodustatavates ühendites. Tugevalt elektropositiivsete metallidega nagu leelis- ja leelismuldmetallid lubab suur elektronegatiivsuse lõhe vesinikul vastu võtta elektroni, moodustades ioonseid hüdriide (nagu NaH), mis sisaldavad eraldiseisvat hüdriidianiooni, H⁻ — need ühendid on soolataolised, kõrge sulamistemperatuuriga tahked ained, mis reageerivad veega ägedalt, vabastades vesinikgaasi. Mittemetallidega nagu süsinik, lämmastik, hapnik ja halogeenid jagab vesinik selle asemel elektrone, moodustades kovalentseid hüdriide (nagu CH4, NH3, H2O ja HCl), mille omadused ulatuvad läbi kogu perioodilisussüsteemi pidevalt, süttivatest gaasidest kuni tugevalt happeliste lahusteni vees. Vesiniku ühendid siirdemetallidega moodustavad kolmanda, muutlikuma kategooria, mida sageli kirjeldatakse interstitsiaalsete või metalliliste hüdriididena, kus vesinikuaatomid hõivavad metallvõres olevaid tühikuid.

Elektrolüüs on protsess, mis kasutab elektrienergiat, et käivitada mitteiseeneslikult kulgevat keemilist reaktsiooni, kõige sagedamini vee lagunemist vesinikuks ja hapnikgaasiks, või sulasoola lagunemist tema elementideks. Väline vooluallikas sunnib elektronid ühele elektroodile (katoodile) ja tõmbab need teiselt (anoodilt) ära; katoodil käivitab elektronide ülejääk redutseerumise — vee elektrolüüsis saavad vesinikkatioonid (sisuliselt H3O⁺ või H2O) elektrone ja redutseeruvad vesinikgaasiks — samal ajal kui anoodil käivitab elektronide puudujääk oksüdeerumise — veemolekulid või hüdroksiidiioonid loovutavad elektrone ja oksüdeeruvad hapnikgaasiks. Seda elektroodide jaotust elektrolüüsis tasub kindlalt meelde jätta: redutseerumine toimub alati katoodil ja oksüdeerumine alati anoodil, nii elektrolüütilistes kui galvaanilistes (iseeneslikes) elementides, kuigi see, kumb elektrood on positiivselt või negatiivselt laetud, erineb kahe elemenditüübi vahel.

Elektrolüüs ja vesinikukeemia kohtuvad otseselt kütuseelemendi tehnoloogias, seadmes, mis käitab vee elektrolüüsi vastupidises suunas: vesinikgaas oksüdeerub ühel elektroodil ja hapnikgaas redutseerub teisel, kusjuures kogureaktsioon vabastab otse elektrienergiat, mitte soojust, mis muudab vesiniku kütuseelemendid aktiivselt uuritavaks puhta energiamuundamise teeks.