Vesinik (H) — universumi kergim element: omadused, isotoobid, kasutus

Vesinik on keemiline element sümboliga H ja aatominumbriga 1. Tema standardne aatommass on 1,008, mis tähendab, et ta on perioodilisustabelis kõige kergem element. Vesinik on kõige levinum keemiline element Universumis, 75% kogu baryoonilisest massist moodustab vesinik. Tähed koosnevad peamiselt vesinikust. Vesiniku kõige levinumas isotoobis on üks prooton, mille ümber tiirleb üks elektron.

Standardtemperatuuril ja -rõhul ei ole vesinikul värvi, lõhna ega maitset, ta ei ole mürgine, on mittemetall ja põleb väga kergesti. Kui ta on üksi, seob end tavaliselt endaga, moodustades H ₂

Füüsikalised ja keemilised omadused

Vesinik esineb tavatingimustes kaheaatomilise gaasina H ₂. Ta on väga kerge ja vähese tihedusega (umbes 0,0899 g·L−1 standardtingimustel), mistõttu kipub tõusma ülespoole. Elektronkonfiguratsioon on 1s1, mistõttu vesinikule on iseloomulik tugev kalduvus kaotada või jagada ühte elektroni sõltuvalt keelduvast partnerist. H-H sideme sidemurdumisenergia on ligikaudu 436 kJ·mol−1.

Olulised füüsikalised parameetrid:

Sulamispunkt: −259,16 °C (13,99 K)
Keemispunkt: −252,87 °C (20,28 K)
Esimese ionisatsiooni energia: ~1312 kJ·mol−1
Explosiveeriski piirid õhus: umbes 4–75 % H ₂ mahuliselt

Keemiline reaktiivsus ja ühendid

Vesinik reageerib paljude elementidega ja moodustab suure hulga ühendite klasse: hüdriidid, happed (nt vesinikkloorhape HCl), hüdrokarboonid (orgaanilised ühendid sisaldavad vesinikku) ja vesi (H ₂O) — eluks hädavajalik ühend. Vesinik toimib sageli redutseerijana (antud elektronide doonorina) ning on hädavajalik näiteks raua tootmisel ja keemiatööstuse protsessides.

Isotoobid

Vesinikul on kolm peamist isotoopi:

Protium (1H) — stabiilne ja tüüpiline isotoop, kus tuumas on üks prooton ja pole neutroneid; moodustab suurema osa looduslikust vesinikust.
Deuteerium (2H või D) — tuumas üks prooton ja üks neutron; stabiilne. Deuteeriumi sisaldavaid veemolekule nimetatakse raskveeks (D ₂O) ja neid kasutatakse teadusuuringutes ning tööstuses.
Tritium (3H või T) — radioaktiivne isotoop, millel on üks prooton ja kaks neutronit; poolestusaeg ~12,32 aastat. Tritium tekib atmosfääris kosmiliste kiirte mõjul ja ka tuumareaktorites ning seda kasutatakse näiteks radiomeetrites, tuumafusioonikatsetes ja sildistusainetena.

Kasutusvaldkonnad

Vesinikul on mitmekesine rakendusvaldkond:

Keemia- ja naftakeemia: ammoniaagi tootmine Haber–Boschi protsessis, metanooli süntees, hüdrokrakkimine ja desulfuriseerimine.
Energiasüsteemid: kütusena rakutüüpides (kütuseelemendid), vedelkütus kosmoselendudel (vedel H ₂ koos hapnikuga) ja potentsiaalne puhas energiaallikas (nn roheline vesinik) elektrolüüsi teel toodetuna.
Metallurgias: reduktiivse ainese roll raua ja teiste metallide töötlemisel.
Tootmistehnoloogiad: pooljuhtide tööstus, keemilised sünteesid ning külmutusaine ja jahutusvedelik (vedel vesinik kui kriogeenne aine).
Mõned spetsiifilised kasutusalad: tritium valgusallikates, deuteerium teadusuuringutes ja meditsiinis (kinetilised isotopi-efektid), ning vesiniku kandmine keemilisteks „vedudeks“ (näiteks ammoniaak või vedelad orgaanilised vesinikukandjad).

Tootmine ja „värvid”

Vesinikut toodetakse erinevate meetoditega ja neid kirjeldatakse sageli värvimetaforitega:

Hall vesinik — tavaliselt toodetud fossiilkütustest (näiteks maagaasist) ilma süsiniku sidumise (CCS) meetmeteta.
Sinine vesinik — toodetud fossiilkütustest, kuid koos süsiniku sidumise ja salvestamise tehnoloogiaga (CCS).
Roheline vesinik — toodetud vee elektrolüüsil taastuvatest energiaallikatest ilma süsinikuheitmeta; see on kõige keskkonnasõbralikum variant.

Ohutus ja ladustamine

Vesinik on kõrge plahvatus- ja süttimisriskiga, kuna moodustab laia plahvatuspiirkonna õhuga ning selle süttimiseraldusenergia on väga väike. Kuna vesinik on lõhnatu ja värvitu, on lekkeid raske avastada ilma andurita. Seetõttu kasutatakse ladustamisel ja transportimisel ventilatsiooni, gaasiandureid ning rangeid ohutusstandardeid.

Peamised ladustamisviisid:

Survega gaasiballoonid (tavaliselt 350–700 bar).
Vedeldatud vesinik (cryogenic) — väga madalatel temperatuuridel (20 K), mahutab suurema hulga energiat ruumiühiku kohta, kuid nõuab keerukat isolatsiooni.
Keemilised ja materjalipõhised lahendused — metallhüdriidid, vedelad orgaanilised vesinikukandjad (LOHC), ammoniaak kui vesiniku kandja.

Roll universumis ja elus

Vesinik on kosmoses domineeriv element: see tekkis peagi pärast suurepõhjust (Big Bang) ning osaleb täheenergia tootmises (tuumafusioon, näiteks prooton-prooton ahelates päikese sarnastes tähtedes), muutes selle tähtsaks nii astrofüüsikas kui ka kosmoloogias. Neutraliseerunud vesinik (H I) ja ioniseeritud vesinik (H II) nähtavad erinevate spektrijoonte kaudu (nt 21 cm radioline ja Balmeri jooned) on olulised tööriistad universumi struktuuri ja tähtede tekkimise uurimisel.

Maise elu jaoks on vesinik eluliselt tähtis: vesi (H ₂O) on elusorganismide peamine lahusti ning orgaanilised ühendid sisaldavad laialdaselt vesinikku; seega on vesinikudetailid keskmes biokeemias.

Kokkuvõte

Vesinik on universumi kergim ja enimlevinud element, millel on ainulaadsed füüsikalised ja keemilised omadused. Tema roll ulatub tähtede sisemuses toimuvast tuumafusioonist kuni maa peal toimuva tööstusliku keemiatöötlemiseni ja potentsiaalselt süsinikuneutraalse energia majanduse võimaldamiseni. Samas kaasnevad vesinikuga olulised tehnilised ja ohutuslikud väljakutsed, eriti ladustamise ja transportimise vallas.

Vesinik looduses

Maal on vesinik puhtal kujul tavaliselt gaasiline. Vesinik on ka üks vee molekuli moodustavatest osadest. Vesinik on oluline, sest see on kütus, mis toidab Päikest ja teisi tähti. Vesinik moodustab umbes 74% kogu universumist. Vesiniku sümbol elementide perioodilisustabelis on H.

Puhas vesinik koosneb tavaliselt kahest omavahel ühendatud vesinikuaatomist. Teadlased nimetavad neid kaheaatomilisteks molekulideks. Enamiku teiste elementidega segunemisel toimub vesiniku keemiline reaktsioon. Sellel ei ole värvi ega lõhna.

Puhas vesinik on Maa atmosfääris väga haruldane. Looduses on see tavaliselt vees. Vesinik on olemas ka kõigis elusolendite orgaaniliste ühendite osana, millest elusolendid koosnevad. Lisaks võivad vesiniku aatomid ühenduda süsiniku aatomitega, et moodustada süsivesinikke. Nafta ja muud fossiilsed kütused on valmistatud nendest süsivesinikest ja neid kasutatakse tavaliselt energia tootmiseks inimtarbimiseks.

Vesinikul on kolm isotoopi; teisi nimetatakse deuteeriumiks ja triitiumiks. Nagu tavalisel vesinikul, on neil mõlemal ainult üks prooton ja üks elektron, kuid deuteeriumil on ka üks neutron ja triitiumil kaks. Need teised vesiniku liigid on olulised tuumaenergia ja orgaanilise keemia reaktsioonides.

Mõned muud faktid vesiniku kohta:

See on toatemperatuuril gaas
See käitub nagu metall, kui see on tahke.
See on kõige kergem element Universumis.
See on kõige levinum element Universumis.
See põleb või plahvatab, kui see puudutab leeki.
hõõgub lillana, kui see on plasma olekus.

Vesiniku ajalugu

Vesinik eraldati esmakordselt 1671. aastal Robert Boyle'i poolt. Henry Cavendish tuvastas selle 1776. aastal eraldi elemendina ja avastas, et selle põletamisel tekib vesi.

Antoine Lavoisier andis vesinikule oma nime, mis tuleneb kreekakeelsest sõnast υδορ (hääldatakse /HEEW-dor/) ja gennen, mis tähendab "tekitada", kuna see moodustab vee keemilises reaktsioonis hapnikuga.

Vesiniku kasutamine

Peamised kasutusalad on naftatööstus ja ammoniaagi tootmine Haaberi protsessi abil. Osa sellest kasutatakse mujal keemiatööstuses. Väikest osa sellest kasutatakse kütusena, näiteks kosmosesõidukite rakettides. Enamik vesinikust, mida inimesed kasutavad, tekib maagaasi ja auru keemilise reaktsiooni tulemusena.

Tuumasüntees

Tuumasüntees on väga võimas energiaallikas. See põhineb aatomite kokkusurumisel, et tekitada heeliumi ja energiat, täpselt nii, nagu see toimub Päikese taolises tähe või vesinikupommi puhul. Selle käivitamiseks on vaja suurt energiakogust ja seda ei ole veel lihtne teha. Suur eelis tuumalõhustumise ees, mida kasutatakse tänapäeva tuumaelektrijaamades, on see, et see tekitab vähem tuumajäätmeid ja ei kasuta mürgist ja haruldast kütust nagu uraan. Päikesel toimub igal sekundil üle 600 miljoni tonni vesiniku termotuumasünteesi.

Vesiniku põletamine

Vee elektrolüüs lõhustab vee vesinikuks ja hapnikuks, kasutades selleks elektrit. Põlev vesinik ühendub hapniku molekulidega, et tekitada auru (puhas veeaur). Kütuseelement ühendab vesiniku hapniku molekuliga, vabastades elektrina elektroni. Neil põhjustel usuvad paljud inimesed, et vesinikuenergia asendab lõpuks muud sünteetilised kütused.

Vesinikku saab kasutada ka kütusena kütuseelemendis või põletada auruturbiinide või sisepõlemismootorite soojuse tootmiseks. Vesinikku saab toota paljudest allikatest, nagu kivisüsi, maagaas või elekter, ning seetõttu on see väärtuslik täiendus elektrivõrgule; samasuguses rollis nagu maagaas. Sellist võrku ja infrastruktuuri koos kütuseelemendiga sõidukitega kavandavad praegu mitmed riigid, sealhulgas Jaapan, Korea ja paljud Euroopa riigid. See võimaldab neil riikidel osta vähem naftat, mis on majanduslik eelis. Teine eelis on see, et kütuseelemendis või sisepõlemismootoris põletatuna, nagu vesinikautos, ei tekita mootor reostust. Tekib ainult vesi ja väike kogus lämmastikoksiide.

Küsimused ja vastused

K: Mis on vesiniku sümbol?

V: Vesiniku sümbol on H.

K: Mis on vesiniku aatomiarv?

V: Vesiniku aatomiarv on 1.

K: Milline on vesiniku standardne aatommass?

V: Vesiniku standardne aatommass on 1,008, mis teeb sellest kõige kergema elemendi perioodilisustabelis.

K: Kui suure osa tavalisest ainest (massi järgi) moodustab vesinik?

V: Vesinik moodustab 75% kogu tavalisest (baryoonilisest) ainest (massi järgi).

K: Kas vesinik on universumis tavaline keemiline element?

V: Jah, vesinik on kõige levinum keemiline element Universumis.

K: Mitu prootonit ja elektroni on vesiniku kõige levinumal isotoobil?

V: Vesiniku kõige levinumal isotoobil on üks prooton, mille ümber tiirleb üks elektron.

K: Kas tähed koosnevad enamasti vesinikust?

V: Jah, enamik tähti koosneb peamiselt vesinikust.