Vety

Vety on jaksollisen järjestelmän ensimmäinen alkuaine. Sen kemiallinen merkki on H (). Vety on epämetalli, mutta jaksollisessa järjestelmässä se on sijoitettu ensimmäiseen pääryhmään yhdessä alkalimetallien kanssa. Vedyn elektronit nimittäin jakautuvat energiatasoille samalla tavoin kuin alkalimetalleillakin yleensä: 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 °C ja kiehumispiste on −253 °C (n. 14 ja 20 K). Vedyn moolimassa IUPACin standardin mukaisesti on [1,00784; 1,00811] g/mol .

Tunnetuin vety-yhdiste on vesi, jonka molekyylikaava on H2O. Keveydestään huolimatta vesi esiintyy huoneenlämpötilassa nesteenä, mikä johtuu vesimolekyylien välisistä vetysidoksista. Vedellä on korkea kiehumispiste, mikä on tehnyt mahdolliseksi nykyisen kaltaisen elämän syntymisen. Vetyä on maapallolla eniten nimenomaan vesimolekyyleissä, ja sitä on maapallon maankuoren kokonaismassasta 0,14 %. Vety on maailmankaikkeuden yleisin alkuaine, ja se toimii tähtien polttoaineena niissä tapahtuvissa fuusioreaktioissa.

Esiintyminen pienoiskuva|left|NGC 604 on suurikokoinen ionisoituneesta vedystä koostuva alue Kolmion galaksissa

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. 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 .

Metallinen vety on ainakin teoriassa mahdollinen suuressa paineessa kuten suurten planeettojen ytimissä, esimerkiksi Jupiterissa. On yritetty tosin saada aikaan kokeellisesti suprajohtavaa vetyä myös laboratorio-olosuhteissa alentamalla vaadittavaa painetta tuottamalla litium- ja natriumhydridejä.

Maapallolla Maapallolla vety on kymmenenneksi yleisin alkuaine, joten se on selvästi harvinaisempaa kuin muualla maailmankaikkeudessa. Vedyn keveyden vuoksi sen osuus Maan kokonaismassasta on vain 0,9 prosentin luokkaa ja maankuoren massasta vieläkin vähemmän, noin 0,15 %. Universumin massasta vedyn osuuden on arveltu olevan jopa 75 %.N.N. Greenwood & A. Earnshaw, s. 32 Vapaana alkuaineena vety on maapallolla harvinainen, ja se esiintyy lähes aina sitoutuneena kemiallisiksi yhdisteiksi. Maakaasu sisältää kuitenkin yleensä pieniä määriä vapaata vetykaasua, ja sitä saattaa vapautua pieniä määriä myös tulivuorenpurkauksissa ja öljynporauksen yhteydessä.

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 osa vetyatomeista on sitoutunut yleensä suoraan hiiliatomiin, mutta osa 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.

Vetyä on sitoutuneena myös fossiilisissa polttoaineissaHäussinger, P. & Lohmüller, R. & Watson, A: Hydrogen, Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, John Wiley & Sons, New York, 2000, joista maaöljy ja maakaasu ovat pääosin hiilivetyjä. Myös kivihiilen huokosissa on yleensä metaania (kaivoskaasua), joka on yksinkertaisin hiilivety.

Merivedestä voi tulla polttoainelähde, jos hallittu fuusiorektio saadaan maan päällä aikaan. Merivedestä saadaan vetyä fuusioreaktion polttoaineeksi.

Ominaisuudet Fysikaaliset ominaisuudet pienoiskuva|Ultrapuhtaalla vedyllä on violetti hohde 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 1,3 g/dm3. Myös nestemäisenä ja kiinteänä vedyn tiheys on huomattavasti pienempi kuin muiden alkuaineiden tiheydet vastaavissa olomuodoissa. Nestemäisen vedyn tiheys kiehumispisteessään on noin 0,07 g/cm3 ja kiinteän vedyn tiheys sulamispisteessään on 0,0763 g/cm3.Wiberg, Wiberg & Holleman, s. 240

Vedyn sulamis- ja kiehumispiste ovat alkuaineista toiseksi alhaisimmat, sillä ainoastaan heliumilla on vetyä alhaisempi sulamis- ja kiehumislämpötila. 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 väritöntä muuten paitsi suurina määrinä, jolloin se näyttää vaalean siniseltä. Kiinteä vety on väritöntä.

Isotoopit

Vetyä esiintyy luonnossa kolmena isotooppina: 1H, 2H ja 3H. Laboratorioissa on kuitenkin pystytty syntetisoimaan myös muita vedyn isotooppeja, joita ovat 4H, 5H, 6H ja 7H. Ne ovat hyvin epävakaita, eikä niitä esiinny luonnossa. 1H eli protium () eli tavallinen vety on 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 0,015 % Maassa olevasta vedystä. Isotoopin ytimessä on yhden protonin lisäksi yksi neutroni. Deuterium ei ole radioaktiivista, eikä se aiheuta merkittävää myrkytysvaaraa. Vesimolekyyliä, jossa on tavallisen vedyn sijasta deuteriumia, kutsutaan raskaaksi vedeksi. Raskasta vettä käytetään esimerkiksi ydinvoimaloissa CANDU-reaktoreissa hidastimena. Monia deuteroituja orgaanisia yhdisteitä, kuten deuteroitua kloroformia, käytetään liuottimina NMR-spektroskopiassa. Deuteriumia käytetään tulevaisuudessa myös fuusioreaktoreissa polttoaineena. 3H tai T, tritium (”kolmas”), on hyvin harvinainen vedyn isotooppi, jonka ytimessä on yksi protoni ja kaksi neutronia. Kaikesta vedystä sitä on . Tritium on radioaktiivista, ja se hajoaa beetahajoamisen kautta helium-3:ksi. Tritiumin puoliintumisaika on noin 12,32 vuotta. Tritiumin 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. Tritiumia voidaan myös valmistaa reaktoreissa pommittamalla litium-6:ta neutroneilla. Tritium voi esiintyä kaasumaisena, mutta yleisimmin muodossa, jossa yksi vesimolekyylin protium-atomeista on korvautunut sillä. Tritiumin hajoamisessa syntyvät elektronit voivat virittää muiden aineiden elektroneja, joten sitä käytetään itsevalaisevana aineena rannekellojen näytöissä ja poistumistiekylteissä. Muita käyttökohteita ovat merkkiaineena isotooppigeokemiassa ja lääketieteessä tutkittaessa lääkeaineiden metaboliaa. Yksi energiantuotannon kannalta lupaavimmista fuusioreaktioista on deuteriumin ja tritiumin fuusio. Siinä vapautuu energiaa 16 MeV, mutta se vaatii noin 40 miljoonan kelvinin lämpötilan.

Orto- ja paravety

Useampiatomisilla molekyyleillä voi olla niin kutsuttuja spin-isomeerejä. Vedyllä niitä on kaksi: orto- ja paravety. Niiden olemassaolon havaitsi R. Mecke vuonna 1924 spektroskooppisesti, ja Werner Heisenberg selitti ne kvanttimekaniikan avulla vuonna 1927. Ortovedyssä vetymolekyylin atomien spinit ovat toisiinsa nähden samansuuntaiset ja paravedyssä vastakkaiset. Näiden isomeerien fysikaalisissa ominaisuuksissa on eroja, ja niiden sulamis- ja kiehumispisteet, höyrystymislämmöt ja lämpökapasiteetit eroavat toisistaan. Esimerkiksi ortovedyn kiehumispiste on 0,24 °C korkeampi kuin paravedyllä. Myös vety-yhdisteillä, kuten vedellä on orto- ja paraisomeerinsä.Greenwood & Earnshaw s. 35–36Greenwood & Earnshaw s. 33

Huoneenlämpötilassa vedystä 75 % on ortomuodossa ja loput on paravetyä. Nestemäisessä vedyssä paramuoto on sen sijaan vallitseva, koska se on silloin stabiilimpi, ja absoluuttisessa nollapisteessä kaikki vety on paravetynä. Orto- ja paravety ovat kineettisessä tasapainossa. Ortovety voi muuntua para-isomeerikseen. Muuntuminen on eksotermistä eli lämpöä vapauttavaa, minkä vuoksi vetykaasua haihtuu säilytyspulloistaan. Häviön minimoimiseksi vetykaasu johdetaan nesteytysvaiheessa vesipitoisen rauta(III)oksidin lävitse. Rauta(III)oksidi, platina, palladium tai typpimonoksidi toimivat katalyytteinä ja muuntavat ortovedyn paravedyksi.

Kemialliset ominaisuudet Sijainti jaksollisessa järjestelmässä thumb|375px|Jaksollinen järjestelmä, jossa vety on sijoitettu IUPACin suosituksen mukaisesti keskelle. Vakiintuneen käytännön mukaan vety sijoitetaan jaksollisessa järjestelmässä ensimmäiseen eli alkalimetallien sarakkeeseen. Vety kuitenkin poikkeaa monella tavalla muista ryhmään kuuluvista alkuaineista: esimerkiksi se ei reagoi veden kanssa kuten litium, natrium tai kalium, ja sitä pidetään yleensä epämetallina. Kemialliselta kannalta vedyllä kuitenkin on myös metallimaisia ominaisuuksia kuten positiivinen hapetusluku. Joskus vety on sijoitettu halogeeneihin eli 17. ryhmään, koska vedyn rakenne on lähellä halogeenien rakennetta eli yhden elektronin päässä täydestä elektronikuoresta. IUPAC suosittelee nykyään vedyn sijoitettavaksi niin, että se on ensimmäisen jakson alkuaineena jaksollisen järjestelmän ylimmällä rivillä, taulukon keskellä niin ettei se kuulu mihinkään pääryhmistä. 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 36–60 kJ/mol ja halogeeneilla se on −270 – −337 kJ/mol. Yhdistävänä tekijänä on myös se, että vedyn uloin atomiorbitaali on alkalimetallien tapaan s-orbitaali, mutta halogeeneilla uloin orbitaali on p-orbitaali.

Reaktiivisuus Vety esiintyy kaksiatomisena molekyylinä, joka on tavallisissa lämpötiloissa hyvin pysyvä, eikä kovin reaktiivinen. Tämä johtuu osittain vetymolekyylin vetyatomien välisen kovalenttisen sidoksen suuresta sidosenergiasta, joka on 436 kJ/mol. Molekyylin hajottamiseen tarvitaan suuri määrä energiaa, eivätkä kaikki vetymolekyylit ole hajonneet vetyatomeiksi edes yli 4 700 °C:n lämpötilassa. Hapen ja halogeenien kanssa se kuitenkin reagoi hyvin voimakkaasti, jopa räjähdysmäisesti, muodostaen vettä tai vetyhalogenideja.Rayner-Canham & Overton, s.Ram B. Gupta, s. 8

Atomaarinen vety sen sijaan on hyvin reaktiivista. Se on voimakas pelkistin, joka pelkistää jopa natriummetallia natriumsuoloista, ja erityisen voimakkaasti se reagoi halogeenien ja muiden voimakkaiden hapettimien kanssa. Siksi atomaarista vetyä ei esiinny luonnossa vapaana.

Sidokset