Väte
Från Rilpedia
- Denna artikel handlar om grundämnet; för andra betydelser se Väte (olika betydelser).
|
|||||||||||||||||||||||||||||||
| Allmänt | |||||||||||||||||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Namn, kemiskt tecken, nummer | väte, H, 1 | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Ämnesklass | icke-metaller | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Grupp, period, block | 1, 1, s | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Densitet | 0,0899 kg/m3 (273 K) | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Utseende | I gasform färglös |
||||||||||||||||||||||||||||||
| Atomens egenskaper | |||||||||||||||||||||||||||||||
| Atommassa | 1,00794 u | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Atomradie (beräknad) | 25 (53) pm | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Kovalent radie | 37 pm | ||||||||||||||||||||||||||||||
| van der Waalsradie | 120 pm | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Elektronkonfiguration | 1s1 | ||||||||||||||||||||||||||||||
| e− per skal | 1 | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Oxidationstillstånd (oxid) | 1, −1 (amfoterisk) | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Kristallstruktur | hexagonal | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Ämnets fysiska egenskaper | |||||||||||||||||||||||||||||||
| Aggregationstillstånd | gas | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Magnetiska egenskaper | icke magnetisk | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Smältpunkt | 14,025 K (−259 °C) | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Kokpunkt | 20,268 K (−253 °C) | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Molvolym | 22,42 ·10-3 m3/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Ångbildningsvärme | 0,44936 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Smältvärme | 0,05868 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Ångtryck | 209 Pa vid 23 K | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Ljudhastighet | 1270 m/s vid 293,15 K | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Diverse | |||||||||||||||||||||||||||||||
| Elektronegativitet | 2,2 (Paulingskalan) | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Värmekapacitet | 14 304 J/(kg·K) | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Värmeledningsförmåga | 0,1815 W/(m·K) | ||||||||||||||||||||||||||||||
| 1a jonisationspotential | 1312 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Mest stabila isotoper | |||||||||||||||||||||||||||||||
|
|||||||||||||||||||||||||||||||
| SI-enheter & STP används om ej annat angivits | |||||||||||||||||||||||||||||||
Väte (latin: hydrogenium) är det enklaste, lättaste, vanligaste och tidigast bildade grundämnet i universum efter Big Bang. Vid standardtryck och -temperatur är väte en tvåatomig, lukt-, färg- och smaklös men mycket lättantändlig gas. Väte förekommer i form av ett flertal isotoper. Vätejonen, som är grunden för bland annat syrabaskemin, kan förekomma som både anjon och katjon. Den enkla väteatomen har varit mycket viktig för framväxten av kvantmekaniken. Vanligtvis brukar väte placeras ovanför alkalimetallerna i det periodiska systemet eftersom det bara har en valenselektron. En mindre vanlig placering är att sätta det ovanför halogenerna eftersom det bara krävs en till elektron för ädelgaskonfiguration. [1]
Innehåll |
Väteatomen
En väteatom är en atom av grundämnet väte. Den består av en ensam negativt laddad elektron som befinner sig runt en positivt laddad proton. Eventuellt kan det även finnas en eller flera neutrala neutroner tätt bundna till protonen. Bohrs atommodell ger att atomens diameter är ungefär 10-10 m, hundratusen gånger så stor som kärnan. Genom att väteatomen är såpass enkel så finns för väteatomen, som enda atom, exakta lösningar till både Schrödingerekvationen och den mer exakta Diracekvationen, vilka bestämmer elektronens beteende och var man kan tänkas hitta den. Inom fysik och kemi talar man även om "väteliknande" atomer, som endast har en ensam elektron (men kan en kärna som har mer än en positiv proton).
Isotoper
Väte är det enda atomslag förutom radon och torium som har egna namn för några av sina isotoper. Symbolerna D och T används ibland, inofficiellt, för deuterium (2H) respektive tritium (3H). Protium, deuterium och tritium finns naturligt. Ytterligare några kortlivade isotoper har producerats i partikelacceleratorer, nämligen 4H, 5H och 7H.
Vanligvis brukar inte ett grundämnes kemi ändras nämnvärt beroende på vilken isotop som används, men eftersom väte är såpass lätt så påverkas dess massa betydligt då en eller fler neutroner finns i kärnan och bindningarna blir starkare. Deuterat vatten kokar till exempel vid 101,42 grader celsius, i stället för vid 100,00 grader som vanligt vatten. Bindningsentalpin för H2 är 436 kJ/mol medan den för D2 är 444,3 kJ/mol. I kemiska reaktioner kan en D-atom reagera upp till tio gånger långsammare än en H-atom. Bindningar med tungt väte kan i IR-spektroskopi skiljas från vanligt väte genom att de vibrerar med en lägre frekvens. [2]
1H
1H är den allra vanligaste isotopen. Den kallas ibland för protium. Den är stabil, och har en kärna som endast består av en proton. Inom NMR och MRI är det vanligt att 1H används att göra mätningar på. Eftersom de allra flesta organiska molekyler innehåller väte och 1H är mycket vanligare förekommande än 13C (12C, den vanligaste kolisotopen går inte att göra mätningar på då den inte har något kärnspinn) så är 1H den vanligaste atomkärnan som studeras med tekniken.
2H
Den andra stabila isotopen är deuterium, vilken har en extra neutron i atomkärnan. Deuterium utgör ungefär 0,015 % av allt väte. Rent deuterium framställs genom långvarig elektrolys av vatten, detta beror på att bindningarna mellan deuterium och syre är starkare än de mellan vanligt väte och syre, vilket gör att det vanliga vattnet försvinner och lämnar kvar tungt vatten. Inom NMR används deuterade lösningsmedel för att signalerna från lösningsmedlet inte helt skall överrösta den molekyl som studeras.[3] Detta beror på att deuteriums kärna har spin 1, och inte spin en halv, som protonen har.
3H
Den tredje isotopen som förekommer naturligt är tritium som är radioaktiv och sönderfaller med en halveringstid på 12,33 år Dess kärna består av två neutroner förutom protonen. Den produceras genom inverkan av kosmisk strålning på deuterium i de övre skikten av atmosfären. Tritium är populär i vissa forskningssammanhang eftersom det går att märka en kemisk förening med tritium och sedan påvisa spår av den eftersom den är radioaktiv.
4H
Väte-4 är mycket kortlivad.
5H
2001 upptäcktes för första gången väte-5, som framställdes genom att bombardera ett mål av väte med tunga joner.
Aggregationstillstånd för rent väte
Väte förekommer normalt i gasform. Vid låg temperatur/högt tryck förekommer väte som vätska. Fast väte förekommer vid ännu högre tryck och lägre temperatur har hittills hittats i 3 olika faser. Någon trippelpunkt för väte är ännu inte experimentellt bestämd. (år 2004)
Tvåatomiga vätemolekyler kan förekomma i två olika tillstånd beroende på atomkärnornas spinn. [4] Detta gäller för alla vätets tvåatomiga aggregationstillstånd. I ortoväte har båda protonerna samma spin och i paraväte har protonerna olika spin. Fördelningen mellan orto-och paraväte beror på temperaturen. Eftersom ortoväte är ett exciterat tillstånd går det inte att isolera rent ortoväte. Omvandlingen från ortoväte till paraväte är exoterm och kan förånga flytande väte.
Gasformigt väte
Renframställd vid normalt tryck består vätgas av tvåatomiga molekyler (H2). Vätemolekylen binds samman av en kovalent sigmabindning.
Flytande väte
Vid normalt tryck är väte flytande mellan 14,025 K (−259 °C) och 20,268 K (−253 °C). Flytande väte används bland annat i bubbelkammare och som kylmedel i laboratorier.
Fast väte
Precis som att fast kol kan uppträda både som diamant och grafit uppvisar fast väte olika egenskaper vid olika tryck och temperatur. Dessa olika tillstånd kallas faser. Experimentella data har visat att fast väte inte leder elektricitet och därmed är icke-metalliskt, och detta motsäger tidigare teorier om metalliskt väte. Fast väte är ett spännande forskningsområde, men problemen med studiet av fast väte är dels att det krävs höga tryck för att överhuvudtaget få väte i fast form, och dels att de lätta atomkärnorna ogärna växelverkar med röntgenstrålning, vilket resulterar i diffraktionsmönster med låg upplösning.
Teorier om fast metalliskt väte
1926 föreslog forskaren J.D. Bernard att alla ämnen vid tillräckligt högt tryck kommer att anta en metallisk form. 1935 föreslog två forskare att väte borde övergå i metallisk form vid ett tryck på omkring 250 000 atmosfärer.[5] Metalliskt väte har antagits vara supraledande vid normal rumstemperatur, och detta i kombination med en nyfikenhet över vad som sker inuti de stora gasplaneterna (som till stor del består av väte under väldigt högt tryck) har gjort metalliskt väte till ett intressant forskningsområde.
Icke-metalliskt fast väte i olika faser
Det som hänt då väte pressats ihop under högt tryck är att ett icke-metalliskt fast ämne, fas I, bildas där de tvåatomiga vätemolekylerna sitter i ett hexagonalt tätpackat kristallgitter och roterar fritt. Vid temperaturer under 120K fryses molekylerna i en (slumpvis) bestämd riktning. Detta kallas fas II. Vid tryck över 1,5 miljoner atmosfärer uppstår en fast III av fast väte där växelverkan med infraröd strålning antyder att den tvåatomiga molekylen polariseras till en permanent dipol. Om någon fler fasändring kommer att ske vid ännu högre tryck råder det delade meningar om. Vissa tror att polariseringen kommer att ökas så att strukturen kan beskrivas av joner av typen H+ och H-, medan andra tror att vätet kommer att bli en fast metall.[6] Ett tredje förslag är att vätet vid högre tryck och låg temperatur kommer att omvandlas till en vätska som beroende på omgivningens magnetiska fält kan vara antingen en supervätska eller en supraledare.[7] En teoretisk studie från 2007 förutsäger att en modell för fast väte som överensstämmer med empiriska data för fas III bör vara stabil upp till 4.2 miljoner atmosfärer.[8]
Användning
Väte är lätt brännbart och bildar tillsammans med syre den explosiva gasen knallgas. Precis som namnet antyder så blir det en stor knall när gasen antänds, restprodukten från den våldsamma reaktionen är vattenånga. Vid förbränning av väte i luft bildas förutom vatten en del andra ämnen, främst kväveföreningar. I en bränslecell kan man omhänderta energin som bildas vid reaktionen med luftens syre utan att få andra restprodukter än vatten. Flytande väte används i raketmotorer, med flytande syre som oxideringsmedel.
En hel del väte används inom petroleumindustrin när man "uppgraderar" fossila bränslen. I Fischer-Tropsch-processen framställs kolväten från vätgas och kolmonoxid. Ett annat stort användningsområde för väte är vid produktion av ammoniak, i den så kallade Haber-Boschprocessen blandar man kväve och väte som utsätts för högt tryck och hög temperatur varvid ammoniak bildas.
2N2 + 3H2 → 4NH3
Ammoniaken kan sedan användas för att tillverka till exempel gödsel. Väte används även när man producerar saltsyra, metanol och när man härdar fetter.
Vätes mer sällsynta isotoper har också enskilda användningar. Deuterium används inom kärnkraftverk för att stoppa neutroner och kanske kan få stor användning i framtiden inom fusion, för när deuterium och tritium kolliderar vid höga temperaturer bildas helium, en neutron och mycket energi.
2H + 3H → 4He + 1n + energi
Tritium behövs också vid fusionen som beskrivs ovan. Men tritiums vanligaste användningsområde är i självlysande färg (tidigare användes radium men det visade sig vara farligt och förbjöds på 1950-talet). I färgen blandas tritium och fosfor för när fosforn träffas av beta-strålningen exciteras en elektron i fosforns elektronskal och när den sedan snabbt hoppar tillbaka utsänds en foton i form av synligt ljus.
Väte som energibärare
Väte är ingen energikälla eftersom det inte finns några större naturliga förekomster och det krävs energi för att producera gasen men vätet kan användas för att "lagra energi" som sedan kan användas i till exempel en bilmotor. Flera olika sätt att använda vätgas i motorer är under utveckling, men flera av sätten har komplikationer. Om man bara har vätgasen i en trycktank skulle man inte kunna frakta större mängder gas åt gången. Om man istället fraktar vätet i flytande form kommer det behövas en så stark behållare att behållarens tyngd ger problem på bilens energiförbrukning och dessutom behöver man släppa ut lite av vätgasen då och då så att behållaren inte exploderar. Ett alternativ är att frakta vätet i form av natriumborhydrid (NaBH4) som med vatten bildar vätgas. När väte förbränns bildas i princip bara vatten som till skillnad från utsläpp av koldioxid inte har någon förstärkande verkan på växthuseffekten. Den totala miljöbelastningen avgörs dock av vilken primärenergi som används vid framställning av vätgasen. Vid produktion av vätgas med naturgas eller olja som råvara förekommer dock koldioxidutsläpp.
Vätgasens främsta nackdelar är förknippade med lågt energiinnehåll per volymsenhet (ca en tredjedel jämfört med biogas) vilket ger upphov till stora kompressionsförluster vid högtryckslagring och -distribution, att den ger upphov till vätgasförsprödning vilket ställer höga och kostnadskrävande materialkrav vid lagring, distribution och användning av vätgasen, att den är lättantändlig, har ett stort brännbarhetsområde i luft och brinner med osynlig låga vilket ur olycksrisk- och säkerhetssynpunkt ej är gynnsamt. Vidare krävs det utveckling av i princip hela kedjan: produktion, lagring, distribution och användning.
Förekomst
Under extremt lågt tryck, i den interstellära rymden, kan enatomig "gas" finnas eftersom sannolikheten för att två atomer ska kollidera och därmed kunna reagera med varandra är så liten. Vid extremt högt tryck, exempelvis i gasjättarna Jupiters och Saturnus inre tros förhållandena vara sådana att det finns flytande metalliskt väte. I universum som helhet utgör väte 90 % av antalet atomer, motsvarande 75 % av den sammanlagda massan. Större delen av resterande del utgörs av helium. Stjärnorna består till en överväldigande del av väte, som även är det ämne som står för stjärnornas energiproduktion genom fusion.
Föreningar
På jorden förekommer väte mest bundet till vatten (diväteoxid H2O) och inte till så stor del i atmosfären eftersom när jorden bildades åkte troligen den lätta vätgasen iväg från planeten, men på till exempel jupiter och saturnus finns troligen väte i metallisk form på grund av det höga trycket. Organiska föreningar består till stor del av väte och till metaller binder sig väte främst i hydrider och hydroxider. Deuterium finns i liten halt bland vanligt väte. I vatten finns tungt vatten (D2O) det vill säga deuteriumoxid men det finns också halvtungt vatten (HDO) det vill säga en blandning av deuteriums och vanligt vätes oxid. Väte förekommer även i kolväte.
Produktion
Väte produceras ofta i laboratorier som biprodukt vid framställning av kemiska föreningar och inom industrin för bland annat att mätta omättade fettsyror.
Produktion i laboratorier
I laboratorier produceras ofta vätgas genom reaktion mellan en metall som till exempel zink eller aluminium och en ganska stark syra som till exempel saltsyra eller svavelsyra (svavelsyra är bättre eftersom saltsyra ger gasformig väteklorid).
Vätgas kan också produceras genom elektrolys av vatten.
2H2O + elektricitet → 2H2 + O2
Eller genom reaktion mellan natriumhydroxid och aluminium som producerar natriumaluminat och vätgas.
2Al + 2NaOH → 2NaAlO2 + H2
Produktion i industrin
Industriellt produceras vätgas genom sönderdelning av kolväten, oftast genom sönderdelning av naturgas med vattenånga och en nickelkatalysator vid 800°C.
Kolmonoxiden som bildas kan också användas för att tillverka vätgas tillsammans med vattenånga över en järnoxidkatalysator.
CO + H2O → CO2 + H2
Historia
År 1766 framställde engelsmannen Henry Cavendish en brännbar gas genom att lösa metaller, till en början kvicksilver, i syra. 1783 visade han att denna förbränning bildade vatten; 1784 gick fransmannen Antoine Lavoisier omvända vägen genom att framställa vätgas från vattenånga som han ledde genom ett glödande järnrör. Lavoisier gav den brännbara gasen namnet hydrogéne (från grekiska ὕδορ [hydor], vatten, och γεννάω [gennaô], jag bildar). Pehr von Afzelius och Anders Gustaf Ekeberg föreslog 1795 det svenska namnet väte.
Ett av dess första användningsområden var ballonger, och den producerades då i stor skala genom att blanda svavelsyra med järn. Deuterium påvisades först av Harold C Urey, som framställde det genom att destillera en mängd vatten flera gånger om. Han fick 1934 ett nobelpris för denna upptäckt. Samma år upptäcktes tritium av Ernest Rutherford.
Se även
Wikimedia Commons har media som rör Väte
Källor
- ↑ D. F. Shriver, P. W. Atkins Inorganic Chemistry, sidan 253, 3rd edition 1999 Oxford University Press ISBN 0-19-850331-8
- ↑ D. F. Shriver, P. W. Atkins Inorganic Chemistry sidan 254-255, 3rd edition 1999 Oxford University Press ISBN 0-19-850331-8
- ↑ http://www.cem.msu.edu/~reusch/VirtualText/Spectrpy/nmr/nmr1.htm
- ↑ ”Hydrogen: Orto and Para Hydrogen”. http://nautilus.fis.uc.pt/st2.5/scenes-e/elem/e00140.html. Läst 20 november 2008.
- ↑ Peter P. Edwards and Friedrich Hensel "Will solid hydrogen ever be metal?, artikel i Nature sidorna 621 - 622 (14 Aug 1997)"
- ↑ Peter P. Edwards and Friedrich Hensel "Will solid hydrogen ever be metal?, artikel i Nature sidorna 621 - 622 (14 Aug 1997)"
- ↑ Egor Babaev, Asle Sudbø, N. W. Ashcroft "A superconductor to superfluid phase transition in liquid metallic hydrogen" Nature 431, 666 - 668 (07 Oct 2004)
- ↑ Chris J. Pickard1, Richard J. Needs2"Structure of phase III of solid hydrogen" artikel i Nature Physics 3, sidorna 473 - 476 (2007)
- Los Alamos National Laboratory's Chemistry Division: Periodic Table of the Elements, hydrogen
- WebElements Periodic Table: Hydrogen, Historical information
- Per Enghag: Jordens grundämnen och deras upptäckt (2000, Industrilitteratur)
