Vety
 |
Tätä artikkelia on pyydetty vertaisarvioitavaksi. Voit auttaa Wikipediaa lukemalla ensin vertaisarviointipyynnön ja sen jälkeen osallistumalla keskusteluun tai muokkaamalla tätä artikkelia. |
| |||||
| Yleistä | |||||
| Nimi | Vety | ||||
| Tunnus | H | ||||
| Järjestysluku | 1 | ||||
| Luokka | Epämetalli | ||||
| Lohko | s-lohko | ||||
| Ryhmä | Luokitellaan yleensä kuuluvaksi alkalimetallien kanssa samaan ryhmään | ||||
| Jakso | 1 | ||||
| Tiheys | 0,0000899 · 103 kg/m3 | ||||
| Väri | Väritön | ||||
| Löytövuosi, löytäjä | 1766, Henry Cavendish | ||||
| Atomiominaisuudet | |||||
| Atomipaino (Ar) | 1,00794 | ||||
| Atomisäde, mitattu (laskennallinen) | 25 (53) pm | ||||
| Kovalenttisäde | 37 pm | ||||
| Van der Waalsin säde | 120 pm | ||||
| Orbitaalirakenne | 1s1 | ||||
| Elektroneja elektronikuorilla | 1 | ||||
| Hapetusluvut | +1, -1 | ||||
| Kiderakenne | Heksagonaalinen | ||||
| Fysikaaliset ominaisuudet | |||||
| Olomuoto | Kaasu | ||||
| Sulamispiste | 14,01 K (-259,14 °C) | ||||
| Kiehumispiste | 20,28 K (-252,87 °C) | ||||
| Moolitilavuus | 11,42 · 10−3 m3/mol | ||||
| Höyrystymislämpö | 0,904 kJ/mol | ||||
| Sulamislämpö | 0,117 kJ/mol | ||||
| Höyrynpaine | 209 Pa 23 K:ssa | ||||
| Äänen nopeus | 1310 m/s 300 K:ssa | ||||
| Muuta | |||||
| Elektronegatiivisuus | 2,1 (Paulingin asteikko) | ||||
| Ominaislämpökapasiteetti | 14,304 (H2) kJ/(kg K) | ||||
| Lämmönjohtavuus | 0,1805 W/(m·K) | ||||
| CAS-numero | 1333-74-0 | ||||
| Tiedot normaalilämpötilassa ja -paineessa | |||||
Vety on jaksollisen järjestelmän ensimmäinen alkuaine. Sitä merkitään kirjainsymbolilla H. Vety on epämetalli, mutta jaksollisessa järjestelmässä se on sijoitettu ensimmäiseen pääryhmään yhdessä alkalimetallien kanssa, koska sillä on alkalimetalleille tyypillinen elektronien jakautuminen energiatasoille: sillä on vain yksi elektroni, joka on siis sen valenssielektroni. Normaalissa ilmanpaineessa huoneenlämmössä vety on väritön, hajuton ja mauton, tulenarka, ilmaa huomattavasti kevyempi kaasu, joka esiintyy luonnossa kaksiatomisina molekyyleinä (H2). Vedyn sulamispiste on −259 celsiusastetta ja kiehumispiste on −253 celsiusastetta (n. 14 ja 20 K). Vedyn moolimassa on 1,00794 g/mol.
Ehkä parhaiten tunnettu vety-yhdiste on vesi, jonka molekyylikaava on H2O. Vedelle on ominaista se, että keveydestään huolimatta se esiintyy huoneenlämpötilassa nesteenä, mikä johtuu vesimolekyylien välisistä vetysidoksista. Veden korkean kiehumispisteen ansiosta nykyisen kaltainen elämän muodostuminen on ollut mahdollista. Vetyä esiintyy maapallolla eniten nimenomaan vesimolekyyleissä, ja sitä on maapallon maaperän kokonaismassasta 0,14 %.[1] Muualla maailmankaikkeudessa vety on kaikkein yleisin alkuaine, ja se toimii tähtien polttoaineena niissä tapahtuvissa fuusioreaktioissa.
Esiintyminen
Maailmankaikkeudessa
Vety on maailmankaikkeuden yleisin alkuaine, ja sitä on noin 73 % maailmankaikkeudessa esiintyvän aineen massasta. Maailmankaikkeuden atomeista 90 % on vetyä, 9 % heliumia ja 1 % muita aineita. Spektroskooppisilla laitteilla tehdyillä mittauksilla on saatu selville, että Auringosta ja muista tähdistä suurin osa on vetyä.[2] Auringossa vetyä fuusioituu jatkuvasti heliumiksi. Reaktio on Maassa olevan elämän kannalta elintärkeä, sillä ilman Auringon tuottamaa energiaa Maassa ei olisi riittävästi lämpöä elämälle. Vety (ja helium) oli ensimmäinen alkuaine maailmankaikkeudessa ja muut alkuaineet syntyivät myöhemmin tähdissä vedyn fuusioituessa [3].
Maapallolla
Maapallolla vety on kymmenenneksi yleisin alkuaine ja selvästi harvinaisempi kuin muualla maailmankaikkeudessa. Vedyn keveyden vuoksi sen osuus Maan kokonaismassasta on vain 0,14 prosentin luokkaa. Universumin massasta vedyn osuuden on arveltu olevan jopa 76 %.[1] Vapaana alkuaineena vety on maapallolla harvinainen, ja se esiintyy lähes aina sitoutuneena kemiallisiksi yhdisteiksi. Tulivuorenpurkauksissa ja öljynporauksen yhteydessä saattaa kuitenkin vapautua pieniä määriä vetykaasua.[2]
Suurin osa maapallolla esiintyvästä vedystä on sitoutuneena veteen, joka on vedyn ja hapen yhdiste. Muita luonnossakin esiintyviä epäorgaanisia vety-yhdisteitä ovat muun muassa maaperässä esiintyvät ammoniumsuolat.
Vetyä esiintyy myös lähes jokaisessa orgaanisessa yhdisteessä. Hiilivedyissä on vain hiili- ja vetyatomeja. Muissakin orgaanisissa yhdisteissä on yleensä osa vetyatomeista sitoutunut suoraan hiiliatomiin, mutta osa myös esimerkiksi happiatomiin kuten alkoholeissa ja karboksyylihapoissa tai typpiatomiin kuten amiineissa. Monimutkaisempia hiiltä, vetyä ja muitakin alkuaineita sisältäviä orgaanisia yhdisteitä ovat esimerkiksi sellaiset biologisesti tärkeät aineet kuin proteiinit, rasvat ja hiilihydraatit sekä myös DNA.[2]
Vetyä on sitoutuneena myös fossiilisissa polttoaineissa[4], joista maaöljy ja maakaasu ovat pääosin hiilivetyjä. Myös kivihiilen huokosissa on yleensä metaania (kaivoskaasua), joka on yksinkertaisin hiilivety.
Merivedestä on tulossa tulevaisuudessa polttoainelähde, jos hallittu fuusiorektio saadaan maan päällä aikaan. Merivedestä saadaan vetyä fuusioreaktion polttoaineeksi.[5]
Vedyllä on keskeinen rooli kemosynteesissä. Rikki- ja typpibakteerit tuottavat energiaa hapettamalla epäorgaanisia yhdisteitä. Tuotetun energian avulla bakteerit hajottavat vesimolekyylejä saadakseen vetyä, ja liittämällä vetyä ja hiilidioksidia ne tuottavat glukoosia.[6]
Ominaisuudet
Fysikaaliset ominaisuudet
Puhdas vety on normaalioloissa olomuodoltaan kaasua. Vetykaasu (H2) on huomattavasti ilmaa keveämpää: 0°C:n lämpötilassa ja normaalissa ilmanpaineessa vedyn tiheys on noin 0,09 g/dm³, kun ilman tiheys vastaavissa olosuhteissa on 1 g/dm³.
Vedyn sulamis- ja kiehumispiste ovat alkuaineista toisiksi alhaisimmat, ainoastaan heliumilla on vetyä alhaisemmat sulamis- ja kiehumislämpötilat. Vedyn sulamispiste 1,013 baarin paineessa on −259,4 °C ja kiehumispiste −252,9 °C. Nestemäinen vety, jota tuotti ensimmäisen kerran brittiläinen kemisti James Dewar vuonna 1898, on väriltään väritöntä, mutta suurissa määrissä väritykseltään vaalean sinistä. Kiinteä vety on väritöntä.[7]
Isotoopit
Vetyä esiintyy luonnossa kolmena isotooppina. Vedyn isotoopit ovat 1H, ²H ja ³H. Laboratorioissa on kuitenkin pystytty syntetisoimaan myös muita vedyn isotooppeja: 4H, 5H, 6H ja 7H. Nämä ovat hyvin epävakaita, eikä niitä esiinny luonnossa.[8][9]
- 1H eli protium (kreik. πρῶτον, proton, ”ensimmäinen”) eli tavallinen vety on kaikista yleisin vedyn isotooppi, jota on 99,98 % kaikista vetyatomeista. Isotoopissa on vain yksi protoni, josta nimi protium tulee. Isotoopin ytimessä ei siis ole ainoatakaan neutronia.
- ²H tai D, deuterium, (”toinen”), on toiseksi yleisin vedyn isotooppi, jota on noin 0,2 % Maassa olevasta vedystä. Isotoopin ytimessä on yhden protonin lisäksi yksi neutroni. Deuterium ei ole radioaktiivista eikä se aiheuta merkittävää myrkytysvaaraa. Vesimolekyyliä, jossa tavallisen vedyn sijasta on deuteriumia kutsutaan raskaaksi vedeksi. Raskasta vettä käytetään esimerkiksi ydinvoimaloissa CANDU-reaktoreissa hidastimena.[10] Monia deuteroituja orgaanisia yhdisteitä, kuten deuteroitua kloroformia, käytetään liuottimina NMR-spektroskopiassa. [11] Deuteriumia tullaan käyttämään tulevaisuudessa myös fuusioreaktoreissa polttoaineena.[12]
- ³H tai T, tritium (”kolmas”), on vedyn hyvin harvinainen isotooppi, jonka ytimessä on yksi protoni ja kaksi neutronia. Kaikesta vedystä sitä on 1/10 000. Tritium on radioaktiivista, ja se hajoaa beetahajoamisen kautta helium-3:ksi. Tritiumin puoliintumisaika on noin 12,32 vuotta.[13] Tämän vedyn isotoopin löysivät Ernest Rutherford, M. L. Oliphant ja Harteck vuonna 1934 pommittaessaan deuterium-atomeja deuteroneilla eli deuterium-atomin ytimillä. Pieniä määriä tritiumia muodostuu yläilmakehässä, kun kosmiset säteet iskeytyvät typpimolekyyleihin.[13] Tritiumia voidaan myös valmistaa reaktoreissa pommittamalla litium-6:ta neutroneilla.[12] Tritium voi esiintyä kaasumaisena, mutta yleisimmin tritium esiintyy muodossa, jossa yksi vesimolekyylin protium-atomeista on korvautunut sillä.[13] Tritiumin hajoamisessa syntyvät elektronit voivat virittää muiden aineiden elektroneja, joten sitä käytetään itsevalaisevana aineena rannekellojen näytöissä ja poistumistiekylteissä.[14] Tritiumia voidaan käyttää myös merkkiaineena isotooppigeokemiassa[15] ja lääketieteessä tutkittaessa lääkeaineiden metaboliaa[13]. Yksi energiantuotannon kannalta lupaavimmista fuusioreaktioista on deuteriumin ja tritiumin fuusio. Siinä vapautuu energiaa 16 MeV, mutta se vaatii tapahtuakseen noin 40 miljoonan kelvinin lämpötilan.[12]
Orto- ja paravety
Useampiatomisilla molekyyleillä voi olla niin kutsuttuja spin-isomeerejä. Vedyllä niitä on kaksi:Orto- ja paravety. Ortovedyssä vetymolekyylin atomien spinit ovat toisiinsa nähden samansuuntaiset ja paravedyssä vastakkaiset. Näiden isomeerien fysikaalisissa ominaisuuksissa on eroja. Esimerkiksi niiden kiehumispisteet, höyrystymislämmöt ja lämpökapasiteetit eroavat toisistaan. Myös vety-yhdisteillä, kuten vedellä on orto- ja paraisomeerinsä.[16]
Huoneenlämpötilassa vety on pääosin ortomuodossa ja paramuodon osuus on noin neljäsosa. Sen sijaan nestemäisen vedyn lämpötiloissa paramuoto on vallitseva, koska se on silloin stabiilimpi. Orto- ja paravety ovat tällöin kineettisessä tasapainossa. Ortovety voi muuntua para-isomeerikseen. Tämä muuntuminen on eksoterminen eli lämpöä vapauttava ja aiheuttaa sen että vetykaasua haihtuu säilytyspulloistaan. Häviön minimoimiseksi vetykaasu johdetaan nesteytysvaiheessa vesipitoisen rauta(III)oksidin lävitse. Rauta(III)oksidi toimii katalyyttinä ja muuntaa ortovedyn paravedyksi.[17][18]
Kemialliset ominaisuudet
Sijainti jaksollisessa järjestelmässä
Vakiintunut käytäntö on sijoittaa vety jaksollisessa järjestelmässä ensimmäiseen eli alkalimetallien sarakkeeseen. Vety kuitenkin poikkeaa monilta osin muista ryhmään kuuluvista alkuaineista, se ei esimerkiksi reagoi veden kanssa kuten litium, natrium tai kalium. Muista ryhmän alkuaineista poiketen vetyä pidetään yleensä epämetallina. Kemialliselta kannalta sillä kuitenkin on myös metallimaisia ominaisuuksia kuten positiivinen hapetusluku. Joskus vety on sijoitettu halogeeneihin eli 17. ryhmään. Perusteena tälle on se, että vedyn rakenne on lähellä halogeenien rakennetta eli yhden elektronin päässä täydestä elektronikuoresta.[19][20] Vety esiintyy luonnossa myös kaksiatomisena yhdisteenä halogeenien tapaan.
Vedyn tavallisin hapetusluku on +I, mutta muutamat metallit voivat yhtyä vedyn kanssa hydrideiksi, joissa sen hapetusluku on poikkeuksellisesti −I. Vedyn ionisoitumisenergia on noin 1 310 kJ/mol, siis paljon suurempi kuin varsinaisilla alkalimetalleilla, joilla se on noin 400–500 kJ/mol. Tässä suhteessa vety muistuttaa enemmänkin halogeeneja. Myös vedyn elektronegatiivisuus on paljon suurempi kuin varsinaisten alkalimetallien.
Vetyä yhdistää alkalimetalleihin kuitenkin sen alhainen elektroniaffiniteetti, toisin sanoen energia, joka vapautuu tai sitoutuu, kun kaasumaisessa muodossa olevan alkuaineen atomiin lisätään yksi elektroni. Vedyn elektroniaffiniteetti on 73 kJ/mol eli vetyyn sitoutuu energiaa 73 kJ/mol. Muilla alkalimetalleilla vastaava arvo on 46–60 kJ/mol ja halogeeneilla se on −270–349 kJ/mol. Yhdistävänä tekijänä on myös se, että vedyn uloin atomiorbitaali on alkalimetallien tapaan s-orbitaali, mutta halogeeneilla uloin orbitaali on p-orbitaali.
Tärkeitä epäorgaanisia vety-yhdisteitä ovat esimerkiksi vesi, kaikki epäorgaaniset hapot, ammoniakki, natriumhydroksidi.[2]
Reaktiivisuus
Vety esiintyy kaksiatomisena molekyylinä, joka on tavallisissa lämpötiloissa varsin inertti. Molekyylin hajottamiseen tarvitaan suuri määrä energiaa, eivätkä kaikki vetymolekyylit ole hajonneet vetyatomeiksi edes yli 4 700 °C:n lämpötilassa. Atomaarinen vety sen sijaan on hyvin reaktiivista. Se on voimakas pelkistin, joka pelkistää jopa natriummetallia natriumsuoloista. Erityisen voimakkaasti se reagoi halogeenien ja muiden voimakkaiden hapettimien kanssa. Siksi atomaarista vetyä ei esiinny luonnossa vapaana.[21]
Hapettumis-pelkistymisreaktio ja palaminen
Normaalissa huoneenlämpötilassa vetykaasu on kemiallisesti melko passiivista. Fluorin ja kloorin kanssa se kuitenkin reagoi kiivaasti ja runsaasti jo huoneenlämmössä muodostaen vetyfluoridia tai vetykloridia. Kuumennettuna se reagoi hyvin voimakkaasti myös ilmassa olevan hapen kanssa, jonka kanssa se yhtyy vedeksi (vesihöyryksi).
Jos orgaaninen yhdiste hapetetaan reagenssilla, kuten kaliumpermanganaatilla tai kaliumdikromaatilla, yhdisteeseen liittyy happea tai yhdisteestä irtaantuu vetyä. Päinvastaisessa tilanteessa aine pelkistyy ja siitä irtaantuu happea tai siihen liittyy vetyä.
Sidokset
Vety muodostaa itsensä ja muiden alkuaineiden kanssa kovalenttisen sidoksen, koska vedyn elektronegatiivisuus on korkea 2,1. Vedyn muodostama sidos on niin sanottu σ-sidos eli yksinkertainen sidos. Sidos on pyörähdyssymmetrinen, eli vety pystyy pyörimään sidoksen suhteen ilman, että sidos katkeaa. Hybridisaatiomallissa vety on poikkeus siinä mielessä, että vedyn atomiorbitaali ei hybridisoidu muun orbitaalin kanssa.
Vety on olennaisessa osassa myös vetysidoksen synnyssä molekyylien välille. Vetysidos on vahvin heikko sidos, joka syntyy poolisessa molekyylissä olevien vedyn ja hapen, typen tai fluorin (N, O, F) välille (Huom. molekyylin vety muodostaa vetysidoksen toisen molekyylin N, O, F-atomin kanssa). Yhdisteillä, joilla esiintyy vetysidoksia, on poikkeuksellisen korkea sulamis- ja kiehumispiste. Tämä johtuu vetysidosten voimakkuudesta. Erityisen korkea sulamis- sekä kiehumispiste on vedellä, sillä vesimolekyyli muodostaa neljä vetysidosta. Elämän kannalta veden korkea sulamis- ja kiehumispiste ovat elintärkeitä.
Divetysulfidi on muodoltaan ja molekyylikaavaltaan hyvin samanlainen kuin vesimolekyyli. Divetysulfidin kiehumispiste on silti lähes 160 astetta alhaisempi kuin veden. Eroina ovat divetysulfidin alhaisempi poolisuus sekä se, että divetysulfidi ei muodosta vetysidoksia.
Hapot ja emäkset
Happo ja emäs on Brønsted-Lowry-teoriassa määritelty siten, että happo on aine, joka luovuttaa positiivisen vetyionin (H+) eli protonin emäkselle. Emäs taas on aine, joka vastaan ottaa vetyionin hapolta. Happamat vesiliuokset syntyvät, kun happo luovuttaa yhden protonin vedelle, jolloin liuokseen syntyy oksoniumioneja (H3O+). Oksoniumionit aiheuttavat liuoksen happamuuden. Emäksiset vesiliuokset syntyvät, kun emäs reagoi veden kanssa muodostaen hydroksidi-ioneja (OH−). Happamuus tai emäksisyys riippuu liuoksessa olevien oksonium- ja hydroksidi-ionien lukumäärästä.
Historia
Vedyn löytäminen
Sveitsiläistä 1500-luvulla elänyttä alkemistia Paracelsusta pidetään ensimmäisenä vedyn havaitsijana. Liuottaessaan rautaa rikkihappoon hän huomasi kehittyvän kaasua, jota hän kuvaili sanoin ”ilmaa nousee ja hajoaa kuin tuuli”. Paracelsus ei ollut varma, mitä oli tuottanut, eikä hän myöskään selvittänyt vedyn ominaisuuksia.[22][23] Ennen vedyn toteamista alkuaineeksi englantilainen Robert Boyle tuotti vetyä vuonna 1670 sekoittamalla rautaviilajauhoa laimeaan suolahappoon ja rikkihappoon, jolloin reaktiotuotteina syntyi vetykaasua. Boyle kuvasi vetyä tulenaraksi kaasuksi, jonka vertaista hän ei ollut koskaan aiemmin havainnut ja nimitti sitä ”Marsin palavaksi liuokseksi”. Boyle huomasi syntyneen kaasun palavan ainoastaan, jos ilmaa oli saatavilla. Hän myös havaitsi, että palamisessa kului ilmaa ja syntynyt tuote, vesi, painoi enemmän kuin lähtöaineet.[23][24]
Puhdasta vetyä valmisti ensimmäisenä englantilainen kemisti-fyysikko ja Britannian rikkaimpiin kuulunut Henry Cavendish vuonna 1766 antamalla sinkin reagoida laimean rikkihapon kanssa. Hän itse ei kuitenkaan väittänyt löytäneensä vetyä, vaan oletti sen olevan flogistonia. Hän arveli kaasun lähtevän metallista eikä haposta, ja käytti kaasusta nimeä ”metallien palava ilma”. Tutkimustensa aikana Cavendish havaitsi vedyn ja ilman seoksen räjähtävän. Cavendish päätti myös laskea vedyn tiheyden. Laskelmissaan hän pääsi lopputulokseen, että vety on keveämpää kuin ilma. Tutkittuaan räjähdyksessä tiivistynyttä pisaraa hän totesi sen olevan vettä. Tämän vuonna 1781 tehdyn kokeen ansiosta hän tuli todistaneeksi Aristoteleen ja muiden antiikin luonnonfilosofien olleen väärässä, kun nämä väittivät veden olevan alkuaine. Cavendishia pidetään vedyn löytäjänä, mutta nimen aineelle antoi ranskalainen kemisti Antoine Lavoisier.[25]
Lavoisier todisti vuonna 1783, että vesi sisältää Cavendishin aiemmin löytämää ”palavaa ilmaa” sekä happea. Lavoisier antoi vedylle nimen hydrogène. Nimen lähtökohtana ovat kreikankieliset sanat ὕδωρ (hydor, vesi) ja γίγνομαι (gignomai, muodostaa, synnyttää) eli vedenmuodostaja. Nimi tulee vedyn palamisreaktiosta, josta syntyy reaktiotuotteena vettä. Myös suomenkielinen nimi vety viittaa veden muodostamiseen; nimi esiintyy kirjakielessä vuonna 1851.[26]
Kylmätutkimus
Vielä 1900-luvun alussa vedylle oli keksitty vain muutamia käyttökohteita. Vetyä käytettiin niin sanotuissa kalkkivaloissa, jotka olivat teatterien parrasvaloja, ja ilmalaivojen täyttökaasuna.
Kryogeniikka eli matalien lämpötilojen tutkiminen alkoi noin vuoden 1880 tienoilla. Ranskalainen kaivosinsinööri Louis Cailletet ilmoitti vuonna 1877 havainneensa nestemäisiä happipisaroita. Muutamaa päivää aiemmin sveitsiläinen fyysikko Raoul Pictet oli ilmoittanut myös onnistuneensa hapen nesteyttämisessä, mutta eri tavalla. Matalien lämpötilojen tutkimus oli 1900-luvun vaihteessa hyvin kallista, ja vain harvat yliopistot kykenivät tarjoamaan tarvittavia laboratorio-olosuhteita. Hapen nesteyttämisen jälkeen heräsi kansainvälinen kilpailu siitä, kuka onnistuisi ensimmäisenä vedyn nesteyttämisessä. Kilpailu painottui lähinnä Eurooppaan, sillä suurin osa 1900-luvun vaihteen fyysikoista oli eurooppalaisia. Kilpailu oli riitojen ja prioriteettikysymysten värittämää alusta alkaen, ja hätäiset tulokset olivat tavallisia arvovallasta kilpailtaessa. Ensimmäisenä tehtävässä onnistui vuonna 1898 skotlantilainen kemisti James Dewar, jonka työtä helpotti hänen aiempi keksintönsä vakuumikryostaatti eli termospullo.[27] Dewar itse käytti sitä pitääkseen hyvin kylmät nesteet kylminä. Termospullo johtaa huonosti lämpöä, koska siinä on kaksi hopeoitua lasiseinää, joiden välissä on tyhjiö. Dewar onnistui sen avulla valmistamaan nestemäistä vetyä yhteensä 20 millilitraa. Sen jälkeen Dewar halusi saada valmistettua kiinteää vetyä, missä hän onnistuikin jo seuraavana vuonna.[28]
Harold Urey havaitsi Columbian yliopiston kollegoidensa kanssa spektroskooppisissa tutkimuksissaan höyrystyneessä vedyssä poikkeavaa ainetta, jonka rakenne oli muuten sama kuin vedyn, mutta sillä oli ytimessään yksi neutroni. Deuteriumiksi nimetyn aineen atomimassa oli kaksinkertainen verrattuna vetyyn. Ureyn johdolla tutkijat tuottivat elektrolyysin avulla kahdesta deuteriumatomista ja yhdestä happiatomista koostuvaa raskasta vettä.[29] Raskaalla vedellä on sovelluksia muun muassa ydinvoimaloissa.
Rooli atomimallin kehittymisessä
- Pääartikkeli: Vedyn spektri
Vety on 1900-luvulla kehittyneen atomimallin keskeisin alkuaine. Vety on rakenteeltaan aineista yksinkertaisin: ytimessä on yksi protoni, jota kiertää alimmalla energiatasolla yksi elektroni. Vedyn yksinkertaisen rakenteen ansiosta vedyn tuottamaa spektriä ja spektrissä näkyviä spektriviivoja oli helppo tutkia.
Valon hajaantuminen spektriin on tiedetty jo keskiajalta asti. William Wollaston tutki vuonna 1802 Auringon spektriä. Hän havaitsi spektrissä muutamia pieniä tummia viivoja, mutta luuli niitä värien rajoiksi eikä kiinnittänyt asiaan sen enempää huomiota.[30] Kaksitoista vuotta myöhemmin Joseph von Fraunhofer havaitsi Auringon spektriä tutkiessaan satoja viivoja. Tutkiessaan Kuun ja planeettojen heijastaman valon spektriä hän totesi niidenkin spektreissä esiintyvän samoja viivoja. Tutkiessaan tähtien spektriä hän havaitsi, että niissäkin esiintyi vastaavia viivoja, mutta niiden paikka ja voimakkuus olivat toisistaan poikkeavia. Fraunhoferin havainnot osoittivat, että spektriviivat liittyivät valonlähteen ominaisuuksiin.
Spektroskopian perusperiaatteet loivat 1850-luvun lopulla Robert Bunsen ja Gustav Kirchhoff. Johann Balmer keksi vuonna 1885 yksinkertaisen kaavan, jonka avulla voitiin laskea vedyn spektriviivojen aallonpituudet. Samanlaisia kaavoja yritettiin kehitellä muillekin alkuaineille, mutta mitään yhtenäistä kaavaa, jota kaikki alkuaineet noudattaisivat, ei pystytty rakentamaan.[31] Spektriviivojen syytä ei myöskään osattu vielä selittää tyhjentävästi.
Niels Bohr kuitenkin kykeni selittämään omalla atomimallillaan vedyn spektriviivat. Bohrin mukaan elektronit kulkivat tietyillä radoilla atomin ytimen ympärillä. Elektronien ei kuitenkaan tarvinnut pysyä tietyllä radalla, vaan ne pystyivät siirtymään korkeammalle ja alemmalle energiatasolle. Elektronin absorboidessa fotonin, elektroni siirtyy ylempään energiatilaan, jos sen absorboima energia on näiden kahden energiatilojen vaatimien energioiden erotus. Atomin sanotaan virittyneen. Tämän seurauksena havaitsijaa kohti tuleva säteily heikkenee sellaisilla aallonpituuksilla, jotka vastaavat perustilan ja viritystilojen energioiden erotuksia. Spektriin ilmestyy joukko tummia viivoja, absorptioviivoja.[32] Emissioviivoja eli kirkkaita viivoja tumman pohjan päällä esiintyy kaasuilla. Tavallisesti tutkittavat kaasut ovat hyvin kuumia, jolloin ne ovat virittäytyneitä. Viritystila ei kuitenkaan kestä kauan, ja elektroni siirtyy alemmalle energiatasolle luovuttaen fotonin. Tämä havaitaan emissioviivana. Bohrin malli kykeni ensimmäistä kertaa selittämään vedyn spektriviivat.[33]
Valmistus
Vetyä valmistetaan teollisuudessa usealla tavalla. Pääasiallisesti käytettyjä tapoja on viisi:
1) Maakaasusta tai maaöljystä sekä vesihöyrystä katalyytin, joka on usein nikkeliä, läsnä ollessa, jolloin syntyy hiilimonoksidia ja vetyä. Reaktio tapahtuu 800–1 000 °C:n lämpötilassa ja 10–50 ilmakehän paineessa. Suurin osa teollisesti tuotetusta vedystä valmistetaan tällä tavoin metaanista.[34]
- maakaasu (metaani) CH4 + H2O → CO + 3H2
- maaöljy C12H26 + 12H2O → 12CO + 25H2
2) Hehkuvan hiilen joukkoon johdetaan vesihöyryä, jolloin syntyy hiilimonoksidin ja vedyn seos, niin kutsuttu vesikaasu[35]
- C + H2O → CO + H2
3) Vety voidaan erottaa vesikaasusta tai vesikaasu voidaan johtaa katalyyttiä sisältävän putken läpi noin 400 °C:n lämpötilassa. Putkessa hiilimonoksidi reagoi vesihöyryn kanssa, jolloin muodostuu vedyn ja hiilidioksidin seos.[35]
- CO + H2O → CO2 + H2
4) Vetyä muodostuu myös maaöljyn sisältämien hiilivetyjen krakkauksessa. Lisäksi muodostuu alkuaine hiiltä[35].
5) Vetyä voidaan valmistaa myös vedestä elektrolyysillä[35]:
- Anodireaktio: 4[OH]- → O2 + 2H2O + 4e-
- Katodireaktio: 2[H3O]+ + 2e- → H2 + 2H2O
- Yleisesti: [OH]- + [H3O]+ → O2 + 2H2
Suuressa mittakaavassa veden tuottaminen elektrolyyttisesti ei ole kannattavaa johtuen sähköenergian korkeasta hinnasta.[34]
6) Epäjalon metallin reagoidessa jonkin hapon kanssa syntyy suolaa, ja samalla vety vapautuu, esimerkiksi:
7) Vetyä on laboratoriossa valmistettu myös fotolyysin avulla hajottamalla vettä galliumnitridin ja auringonvalon avulla.
Käyttö
Tällä hetkellä vetyä käyttää eniten kemianteollisuus, jossa vetyä käytetään kidevedettömän ammoniakin tekemiseen osana lannoitteiden valmistusprosessia. Valmistus tapahtuu Haber-Bosch menetelmällä, jossa vety ja typpi yhdistyvät ammoniakiksi.[34]
Toinen huomattava käyttäjä on öljynjalostus, jossa vetyä voidaan käyttää vety-hiilisuhteen kasvattamiseen hiilivedyissä puhtaamman palamisen saavuttamiseksi polttoaineessa. Muita käyttökohteita ovat muun muassa oksidien poisto rautamalmeista, rikin poisto öljystä ja metanolin valmistus hiilimonoksidista. Yhteensä vetyä kuluu noin 50 miljoonaa tonnia vuodessa. Vuotuinen kasvu kulutuksessa on nykyisin noin 4–10 %.[4]
Suuria määriä vetyä käytetään myös tyydyttymättömien kasvirasvojen kovettamiseen vedyttämällä. Vety liittyy tyydyttymättömien rasvojen kaksoissidoksiin, jolloin niistä tulee yksinkertaisia sidoksia ja rasvahapot muuttuvat tyydyttyneiksi.[34]
Vetyä on käytetty muun muassa ilmapallojen täytteenä. Sitä käytettiin aikaisemmin heliumin rinnalla ilmalaivojen täyttökaasuna. Vedyn vaarallisuus tuli esille muun muassa ilmalaiva Hindenburgin tuhossa – tuolloin Yhdysvalloilla oli heliumin teollisen valmistuksen monopoli eikä se myynyt heliumia esim. Saksalle.lähde? Nykyään tosin vaikuttaa siltä, että onnettomuuden todellinen syy olikin ilmalaivan ulkokuoren erittäin tulenarka kyllästeaine.[36]
Nestevety on nestemäistä ajoainetta käyttävien kantorakettien tehokkaimpia polttoaineita. Hapettimena on yleensä nestehappi. Komponenttien pysymiseksi nestemäisinä tulee lämpötilan olla kylmä, vähintään −183 °C. Tällaista seosta kutsutaan kryogeeniseksi ajonaineeksi. Koska polttoaine tulee pitää hyvin kylmänä on sen pitkäaikainen säilyttäminen hankalaa.[37]
Käyttö polttokennoissa
- Pääartikkeli: polttokenno
Polttokennot muuntavat vedyn sisältämän kemiallisen energia sähkö- ja lämpöenergiaksi. Polttokenno koostuu positiivisesta katodista ja negatiivisesta anodista. Näitä elektrodeja yhdistää elektrolyytti. Polttokennoon syötetään vety- ja happikaasuja, jolloin vetymolekyylit kulkeutuvat anodille ja happiatomit katodille ja kennossa tapahtuva energiaa vapauttava kokonaisreaktio on
- 2 H2 + O2 → 2 H2O
ja hyötysuhteeseen Polttokennot voidaan jakaa ryhmiin elektrolyytin mukaan. Elektrolyytti vaikuttaa polttokennon toimintalämpötilaan ja hyötysuhteeseen. Polttokennotyyppejä ovat alkalipolttokenno, sulakarbonaattipolttokenno, fosforihappopolttokenno, protoninvaihtopolttokenno ja kiinteäoksidipolttokenno. Näistä autojen energianlähteeksi lupaavimmaksi on osoittautunut protoninvaihtopolttokenno.[38]
Suurimmat ongelmat polttokennojen soveltamiseen laajaan käyttöön energianlähteenä liittyvät kustannuksiin ja polttokennojen kestävyyteen. Polttokennojen kallis hinta johtuu suurelta osin katalyyttinä käytettävästä kalliista platinasta.[39]
Lähteet
- ↑ a b Hydrogen : The most common gas Aga Suomi. Viitattu 3.1.2010.
- ↑ a b c d Hydrogen (Kohdassa ”II Occurrence”) MSN. Viitattu 28. kesäkuuta 2007. (englanniksi)
- ↑ Robert E. Krebs: The history and use of our earth's chemical elements, s. 2. Greenwood Publishing Group, 2006. ISBN 978-0313334382. Kirja Googlen teoshaussa (viitattu 23.01.2010). (englanniksi)
- ↑ a b Häussinger, P.; Lohmüller, R.; Watson, A: Hydrogen, Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, John Wiley & Sons, New York, 2000
- ↑ Raili Leino: Isoa kalaa kannattaa pyytää Tekniikka & Talous. 3.5.2007. Viitattu 17.4.2010.
- ↑ http://edu.ouka.fi/~eppu/solu/sitominen.html
- ↑ Hydrogen (Kohdassa ”III Physical Properties”) MSN. Viitattu 30. kesäkuuta 2007. (englanniksi)
- ↑ Hydrogen-7 makes its debut physicsworld.com. 7.3.2003. Viitattu 31.1.2010.
- ↑ Hydrogen-4 and Hydrogen-5 from t+t and t+d transfer reactions studied with a 57.5-MeV triton beam 2.4.2002. American Institute of Physics. Viitattu 31.1.2010.
- ↑ H. Honkanen: Ydinvoimalatekniikkaa (PDF) Kajaanin ammattikorkeakoulu. Viitattu 10.1.2010.
- ↑ Donald L. Pavia,Gary M. Lampman,George S. Kriz: Introduction to spectroscopy, s. 199. Cengage Learning, 2008. ISBN 978-0495114789. Kirja Googlen teoshaussa (viitattu 10.01.2010). (englanniksi)
- ↑ a b c Nuclear Fusion Georgia State University. Viitattu 6.1.2010. (englanniksi)
- ↑ a b c d Tritium U.S. Enviromental Protection Agemcy. Viitattu 6.1.2010. (englanniksi)
- ↑ The Tritium Laboratory University of Miami. Viitattu 6.1.2010. (englanniksi)
- ↑ Carol Kendall & Eric A. Caldwell: Fundamentals of Isotope Geochemistry U. S. Geological Survey. Viitattu 6.1.2010. (englanniksi)
- ↑ Vladimir I. Tikhonov & Alexander A. Volkov: Separation of Water into Its Ortho and Para Isomers. Science, 2002, 296. vsk, nro 5577, s. 2363. Artikkelin verkkoversio. Viitattu 25.5.2010. (englanniksi)
- ↑ Jesper Lundbom: Teknillisen korkeakoulun teknillisen fysiikan julkaisuja: Vetyteknologiat (PDF) (s.68) 2003. Teknillinen korkeakoulu. Viitattu 25.5.2010.
- ↑ Interesting Facts and Information about Hydrogen (H2) Universal Industril Gases, Inc. Viitattu 25.5.2010. (englanniksi)
- ↑ A Central Position for Hydrogen in the Periodic Table 24. heinäkuuta 2004. IUPAC. Viitattu 28.6.2007. (englanniksi)
- ↑ VETY (Hydrogen) Helsingin normaalilyseo. Viitattu 28.6.2007.
- ↑ Ram B. Gupta: Hydrogen fuel: Production, transport and storage, s. 8. CRC Press, 2008. ISBN 978-1-4200-4575-8.
- ↑ Ebbe Almqvist: History of industrial gases, s. 3. Springer, 2003. ISBN 978-0-306-47277-0. Kirja Googlen teoshaussa (viitattu 4.1.2010). (englanniksi)
- ↑ a b Gavin D. J. Harper: Fuel Cell Projects for the Evil Genius, s. 1. McGraw-Hill Professional, 2008. ISBN 978-0071496599. Kirja Googlen teoshaussa (viitattu 4.1.2010). (englanniksi)
- ↑ Hydrogen Element Facts Chemicool. Viitattu 4.1.2010. (englanniksi)
- ↑ History of Hydrogen web1.caryacademy.org. Viitattu 29.6.2007. (englanniksi)
- ↑ Kaisa Häkkinen: Nykysuomen etymologinen sanakirja, s. 1478. Hakusana vety. WSOY, 2004.
- ↑ Helge Kragh: Kvanttisukupolvet. Terra Cognita, 2002. ISBN 952-5202-53-4.
- ↑ James Dewar undiscoveredscotland.co.uk. Viitattu 31.1.2010. (englanniksi)
- ↑ John Daintith: Biographical Encyclopedia of Scientists, s. 759. CRC Press, 2008. ISBN 9781420072716. Kirja Googlen teoshaussa (viitattu 06.02.2010). (englanniksi)
- ↑ Rami Rekola: Spektroskopia 2002. Ursa. Viitattu 29.6.2007.
- ↑ Hannu Karttunen: Spektroskopia Ursa. Viitattu 29.6.2007.
- ↑ Hannu Karttunen: Spektriviivat Ursa. Viitattu 29.6.2007.
- ↑ Richard Wolfson: Essential University Physics:Volume 2, s. 617-618. Pearson Education, 2007. ISBN 0-321-43565-6. (englanniksi)
- ↑ a b c d Steven S. Zumdahl, Susan A. Zumdahl: Chemistry, s. 914-915. 8. painos. Brooks Cole. ISBN 978-0-495-82992-8. (englanniksi)
- ↑ a b c d E.M.Karamäki: Epäorgaaniset kemikaalit, s. 67. Kustannusliike Tietoteos, 1983. ISBN 951-9035-61-3.
- ↑ Vedyn käytön turvallisuus Teknillinen korkeakoulu, Energiatekniikan laboratorio. Viitattu 11.5.2010.
- ↑ Cryogenic NASA. Viitattu 11.5.2010. (englanniksi)
- ↑ Gupta s.17
- ↑ Gupta s. 20
Katso myös
Aiheesta muualla
- Vedyn kansainvälinen kemikaalikortti
- Human Metabolome Database: Hydrogen (englanniksi)
- KEGG: Hydrogen (englanniksi)
- ChemBlink: Hydrogen (englanniksi)
argon (E 398) | butaani (E 943a) | happi (E 948) | helium (E 939) | hiilidioksidi (E 290) | isobutaani (E 943b) | propaani (E 944) | typpi (E 941) | typpimonoksidi (E 942) | vety (E 949)
Malline:Link FA Malline:Link FA Malline:Link FA Malline:Link FA Malline:Link FA Malline:Link GA