Vety

Historia

Vedyn löytäminen

Sveitsiläistä 1500-luvulla elänyttä alkemistia Paracelsusta pidetään ensimmäisenä vedyn havaitsijana. Paracelsus kuitenkin sekoitti vedyn muihin herkästi syttyviin kaasuihin. Ennen vedyn toteamista alkuaineeksi, englantilainen Robert Boyle tuotti vetyä sekoittamalla rautaviilajauhoa laimeaan happoon. Boyle kuvasi vetyä tulenaraksi kaasuksi.

Puhdasta vetyä valmisti ensimmäisenä englantilainen kemisti ja fyysikko Henry Cavendish 1766 antamalla sinkin reagoida suolahapon 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'. 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 vedeksi. Cavendishia pidetään vedyn löytäjänä, mutta Antoine Lavoisier antoi sille nimen. }}

Ranskalainen kemisti Antoine Lavoisier todisti vuonna 1783, että vesi sisältää Cavendishin aiemmin löytämää 'palavaa ilmaa' sekä happea. Lavoisier antoi vedylle nimen hydrogene. Nimen lähtökohtana ovat kreikankieliset sanat hydro, vesi ja genes, synnyttävä eli vedenmuodostaja. Tämä tulee siitä, että vedyn palaessa syntyy vettä.

Kylmätutkimus

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 olivat 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 oli helpottanut hänen aiempi keksintö vakuumikryostaatti eli termospullo. 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. Nesteyttämisen jälkeen Dewar halusi saada valmistettua kiinteätä vetyä. Siinä hän onnistui jo seuraavana vuonna.

Rooli atomimallin kehittymisessä

Vety on 1900-luvulla kehittyneen atomimallin keskeisin alkuaine. Vety on rakenteeltaan kaikista yksinkertaisin aine; ytimessä on yksi protoni ja sitä kiertää alimmalla energiatasolla yksi elektroni. Vedyn yksinkertainen rakenne mahdollisti vedyn tuottaman spektrin ja spektrissä näkyvien spektriviivojen mahdollisimman yksinkertaisen tutkimisen.

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. 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 spektriviivojen aallonpituudet. Samanlaisia kaavoja yritettiin kehitellä muillekin alkuaineille, mutta mitään yhtenäistä kaavaa, jota kaikki alkuaineet tottelisivat, ei pystytty rakentamaan. Spektriviivojen syytä ei kuitenkaan osattu vieläkään selittää tyhjentävästi.

Niels Bohr kuitenkin kykeni selittämään omalla atomimallillaanllelle 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 energiataso. 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. Emissioviivoja eli kirkkaita viivoja tumman pohjan päällä esiintyy kaasuilla. Tavallisesti tukittavat 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.

Esiintyminen

Taivaankappaleiden kuvia useimmiten manipuloidaan, jotta niistä saadaan tietyt yksityiskohdat näkyviin. Esimerkiksi tämän kuvan (Kissansilmäsumu) violetti on happea, vihreä vetyä ja punainen typpeä. Todellisuudessa jokainen lähettää punaista valoa eri sävyissä

Maailmankaikkeudessa

Vety on maailmankaikkeuden yleisin alkuaine ja sitä uskotaan olevan 73 % maailmankaikkeudessa esiintyvän materiaalin massasta. Tieteellisten kokeiden avulla on saatu selville, että maailmankaikkeuden atomeista 90 % on vetyä, 9 % heliumia ja 1 % muita aineita. Spektroskopisilla laitteilla tehdyillä mittauksilla on saatu selville, että Auringosta, ja muista tähdistä, suurin osa on vetyä. }} Aurinko fuusiossassai jatkuvasti vetyä heliumiksi. Reaktio on Maa olevan elämän kannalta elintärkeä, sillä ilman Auringon tuottamaa energiaa Maahan saapuisi niin vähän lämpöä, ettei Maassa olisi lainkaan edellytyksiä elämälle. Suurin osa tiedemiehistä on sitä mieltä, että vety oli ensimmäinen alkuaine maailmankaikkeudessa ja muut alkuaineet syntyivät myöhemmin vedyn fuusioituessa.

Maapallolla

Maapallolla vety kymmenenneksi yleisin alkuaine ja on selvästi harvinaisempi Maassa kuin maailmankaikkeudessa. Vedyn keveydestä johtuen sen massallinen osuus Maan kokonaismassasta on vain yhden prosentin luokkaa. Vapaana vety on harvinainen ja sitä tavataankin lähes poikkeuksetta sitoutuneena aineessa. Puhdas vetykaasu on myös suhteellisen harvinainen luonnossa, mutta tulivuorenpurkauksissa ja öljynporauksen yhteydessä saattaa vapautua pieniä määriä vetykaasua.

Mineraaleissa ja organismeissa esiintyy hyvin yleisesti vetysidoksia eli sidoksia, joissa toisena muodostajana on vetyatomi. Vetyä esiintyy ihmiskehossa joka puolella. Esimerkiksi kitiinissä, hiusten ja kynsien pääraaka-aine, ja entsyymeissä, jotka sulattavat ruokaa, esiintyy vetyä. Vetyä esiintyy myös DNA-molekyylissä. Myös ihmisen energiatalouden ja kasvun kannalta tärkeissä molekyyleissä esiintyy vetyä. Tällaisia aineita ovat: proteiinit, rasvat ja hiilihydraatit.

Vetyä esiintyy myös lähes jokaisessa orgaanisessa yhdisteessä. Rasvat, proteiinit ja hiilihydraatit ovat juuri orgaanisia yhdisteitä. Monia hiilivetyjä käytetään polttoaineena, tällaisia ovat metaani, etaani, propaani ja butaani. Alkoholeja, joissa on myös vetyä, käytetään monissa eri käyttötarkoituksessa: desinfiointiaineena, polttoaineena sekä päihteenä. Päihteenä ainoastaan etaani on sopivaa, metaani tappaa jo muutaman millilitran annoksena. Epäorgaanisissa vedyn esiintyminen on myös yleistä. epäorgaanisia vety-yhdisteitä ovat vesi, ammoniakki, suolahappo ja natriumhydroksidi.

Suurin osa maapallon vedystä on vedessä ja paljon sitä esiintyy myös fossiilisissa polttoaineissa.Häussinger, P.; Lohmüller, R.; Watson, A: Hydrogen, Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, John Wiley & Sons, New York, 2000 Merivedestä on tulossa polttoainelähde tulevaisuudessa kun hallittu fuusiorektio saadaan maanpäällä aikaiseksi. Merivedestä saadaan vetyä fuusioreaktion polttoaineeksi.http://www.verkkouutiset.fi/arkisto/Arkisto_2000/13.lokakuu/fuus4100.htm

Vedyllä on keskeinen rooli kemosynteesissä. Rikki-tt ja typpibakteeri tuottavat energiaa hapettamalla epäorgaanisia yhdisteitä. Tuotetun energian avulla bakteerit hajottavat vesimolekyylejä, saadakseen vetyä ja liittämällä vetyä ja hiilidioksidia ne tuottavat glukoosia.http://edu.ouka.fi/~eppu/solu/sitominen.html

Ominaisuudet

Fysikaaliset ominaisuudet

Puhdas vety on normaalioloissa olomuodoltaan kaasua. Vetykaasu (H₂) on huomattavasti ilmaa keveämpää, 0 °C 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.}}

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.http://physicsweb.org/articles/news/7/3/3

HREF="http://scitation.aip.org/getabs/servlet/GetabsServlet?prog=normal&id=APCPCS000610000001000920000001&idtype=cvips&gifs=yes" class="external" rel="nofollow" target="_blank">American Institute of Physics

¹H eli protium () eli tavallinen vety on kaikista yleisin vedyn isotooppi, sitä esiintyy 99,98 % kaikista vetyatomeista. Isotoopissa on vain yksi protoni, josta nimi protium tulee.
²H, deuterium, toinen, on toisiksi yleinen vedyn isotooppi, ja sitä on noin 0,2 % Maassa olevasta vedystä. Deuterium ei ole radioaktiivinen eikä se aiheuta merkittävää myrkytysvaaraa. Vesimolekyyliä, jossa tavallisen vedyn sijasta on deuteriumia kutsutaan raskaaksi vedeksi. Raskasta vettä käytetään esimerkiksi ydinvoimaloissa hidastimena. Deuteriumia tullaan käyttämään tulevaisuudessa myös fuusioreaktoreissa polttoaineena. Deuteriumia merkitään usein kirjaimella D.
³H, tritium, kolmas, on vedyn hyvin harvinainen isotooppi. Kaikesta vedystä sitä on 1/10 000. Tritium on radioaktiivinen ja se hajoaa beetahajoamisen kautta helium-3:ksi. Tritiumin puoliintumisaika on noin 12,32 vuotta. Pieniä määriä tritiumia esiintyy yläilmakehässä kosmisen säteilyn takia. Myös ydinkokeiden jälkeen on löydetty koepaikalta pieniä määriä tritiumia. Tritiumia merkitään usein merkillä T

Kemialliset ominaisuudet

Sijainti jaksollisessa järjestelmässä

Vakiintunut käytäntö on katsoa vety kuuluvaksi alkalimetalleihin. Vety kuitenkin poikkeaa monilta osin muista ryhmään kuuluvista alkuaineista, se ei esimerkiksi reagoi veden kanssa kuten litium, natrium tai kalium. Vety katsotaan myös olevan epämetalli, ja se onkin ainoa epämetalli, joka kuuluu alkalimetalleihin.

Tavallisin hapetusluku vedylle on +I, mutta vety saattaa tehdä metallihydridejä, milloin sen hapetusluku on -I. +I on kuitenkin kaikista tavallisin hapetusluku. Tämän takia vedyn ionisoitumisenergia on poikkeuksellisen suuri verrattuna muihin alkalimetalleihin. Vedyn ionisoitumisenergia yhden elektronin poistamiseen on noin 1 310 kJ/mol kun se muilla alkalimetalleilla on noin 400–500 kJ/mol. Tältä osin se muistuttaa enemmän halogeenejä, joihin se hyvin harvoin katsotaan kuuluvaksi. Vedyn elektronegatiivisuus eroaa myös hyvin paljon muista alkalimetalleista.

Vetyä yhdistää alkalimetalleihin kuitenkin sen elektroaffiniteetin suuruus. Elektroaffiniteetti on energia joka vapautuu tai sitoutuu, kun atomiin (alkuaine kaasumainen) lisätään yksi elektroni. Vedyn elektroaffiniteetti on 73 kJ/mol eli vetyyn sitoutuu energiaa 73 kJ/mol. Muilla alkalimetalleilla vastaava arvo on 46–60 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.

Hapettumis-pelkistymisreaktio ja palaminen

Normaalissa huoneenlämpötilassa vetykaasu ei juurikaan reagoi minkään aineen kanssa. Kuumennettaessa se kuitenkin reagoi hyvin voimakkaasti ilmassa olevan happikaasun kanssa. Jonkin orgaanisen yhdisteen palaessa syntyy aina vettä, mikäli yhdisteessä on vetyatomeja. Yhdisteen palaessa syntyy myös hiilidioksidia kun palaminen on täydellistä.

CH₃CH₂OH + 3 O₂ → 2 CO₂+ 3 H₂O

Orgaanisen yhdisteen hapettuessa (reagenssilla esim. kaliumpermanganaatti ja kaliumdikromaatti), yhdisteeseen liittyy happea tai yhdisteestä irtaantuu vetyä. Päinvastaisessa tilanteessa aine pelkistyy ja siitä irtaantuu happea tai liittyy vetyä.

Sidokset

Vety muodostaa itsensä ja muiden alkuaineiden kanssa kovalenttisen sidoksen, koska vedyn elektronegatiivisuus on niin 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 poikkeus siinä mielessä, että vedyn atomiorbitaali ei hybridisoidu muun orbitaalin kanssa.

Vety on olennaisessa osassa myös vetysidoksen synnyssä molekyylien välille. Vetysidos on vahvin heikkosidos, joka syntyy poolisessa molekyylissä olevien vedyn ja hapen, typen tai fluori (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 suuri sulamis- sekä kiehumispiste on vedellä, sillä vesimolekyyli muodostaa neljä vetysidosta. Divetysulfidin on muodoltaan ja molekyylikaavaltaan hyvin samanlainen kuin vesimolekyyli. Divetysulfidin kiehumispiste on silti lähes 160 °C astetta alhaisempi kuin veden. Eroina ovat kuitenkin divetysulfidin alhaisempi poolisuus sekä se, että divetysulfidi ei muodosta vetysidoksia. Elämän kannalta veden korkea sulamis- ja kiehumispiste ovat elintärkeitä.

Hapot ja emäkset

Happo ja emäs on 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 ja emäksisyys riippuu liuoksessa olevien oksonium- ja hydroksidi-ionien lukumäärästä.

Valmistus

Suurin osa teollisesti käytetystä vedystä valmistetaan maakaasusta höyryreformoinnissa.

Maakaasu, joka on lähes yksinomaan metaania, sekoitetaan vesihöyryn kanssa ja johdetaan nikkelikatalysaattorin yli. Reaktio vaati korkeaa painetta ja kuumuutta. Tuotteina reaktiossa syntyy hiilimonoksidia ja vetyä.

Epäjalon metallin ja suolahapon reagoidessa keskenään syntyy klorideja ja vetyä.

Vetyä voidaan valmistaa myös vedestä elektrolyysillä.

Vedestä vetyä voidaan valmistaa myös pelkistämällä vesihöyryä hehkuvalla hiilellä.

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. 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 %.Häussinger, P.; Lohmüller, R.; Watson, A: Hydrogen, Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, John Wiley & Sons, New York, 2000

Vetyä on käytetty muun muassa ilmapallojen täytteenä. Sitä käytettiin aikaisemmin heliumin rinnalla ilmalaivojen täyttökaasuna. Vedyn vaarallisuus tuli esille muun muassa ilmalaiva Hindenburgin tuhossa – tuolloin Yhdysvalloillallelle oli heliumin teollisen valmistuksen monopoli eikä se myynyt heliumia esim. Saksa. Nykyään tosin vaikuttaa siltä, että onnettomuuden todellinen syy olikin ilmalaivan ulkokuoren erittäin tulenarka kyllästeaine.

Nestevety on nestemäistä ajoainetta käyttävien kantorakettien tehokkaimpia polttoaineita. Hapettimena on yleensä nestehappi. Tällaisia ajoaineita kutsutaan kryogeenisiksi, koska niitä voidaan varastoida vain kylmänä ja siten vain rajallisen ajan ennen laukaisua.

Vetyä käytetään ammoniakin teollisessa valmistuksessa. Valmistus tapahtuu Haber-Boschin menetelmällä, jossa vety ja typpi yhdistyvät ammoniakiksi.