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.