Väte (H) – egenskaper, isotoper, användningar och betydelse i universum

Vätgas klassas som en reaktiv icke-metall, till skillnad från de andra grundämnena i första kolumnen i det periodiska systemet, som klassas som alkalimetaller. Vätets fasta form förväntas dock bete sig som en metall.

När väte är ensamt binder det vanligtvis till sig själv för att bilda diväte (H₂ ) som är mycket stabilt på grund av sin höga bindningsdissociationsenergi på 435,7 kJ/mol. Vid standardtemperatur och standardtryck har denna vätgas (H₂ ) ingen färg, lukt eller smak. Den är inte giftig. Den är en icke-metall och brinner mycket lätt.

Förbränning

Molekylärt väte är brandfarligt och reagerar med syre:

2 H₂ (g) + O₂ (g) → 2 H₂ O(l) + 572 kJ (286 kJ/mol)

Vid temperaturer över 500 grader Celsius antänds väte spontant i luften.

Föreningar

Vätgas i ren form är inte reaktiv, men den bildar föreningar med många grundämnen, särskilt halogener, som är mycket elektronegativa. Vätgas bildar också stora nätverk med kolatomer och bildar kolväten. Studiet av kolvätenas egenskaper kallas organisk kemi.

Anjonen H^- (negativt laddad atom) kallas hydrid, även om termen inte används allmänt. Ett exempel på en hydrid är litiumhydrid (LiH), som används som tändstift i kärnvapen.

Syror

Syror som är lösta i vatten innehåller vanligtvis höga halter av vätejoner, med andra ord fria protoner. Nivån av dem används vanligtvis för att bestämma pH, vilket i princip innebär innehållet av vätejoner i en viss volym. Saltsyra, som finns i människors magar, kan till exempel dissociera till en kloridanjon och en fri proton, och den fria protonens egenskap är hur den kan smälta mat genom att fräta den.

Även om katjonen H₃⁺ är sällsynt på jorden är den en av de vanligaste jonerna i universum.

Isotoper

Huvudartikel: isotoper av väte

Vätgas har sju kända isotoper, varav två är stabila (¹ H och² H), vilka vanligen kallas protium och deuterium. Isotopen³ H kallas tritium och har en halveringstid på 12,33 år och produceras i små mängder av kosmisk strålning. De övriga fyra isotoperna har halveringstider på skalan yoktosekunder.

I sin rena form på jorden är väte vanligtvis en gas. Väte är också en av de delar som ingår i en vattenmolekyl. Vätgas är viktigt eftersom det är det bränsle som driver solen och andra stjärnor. Vätgas utgör ungefär 74 procent av hela universum. Vätgasens symbol i det periodiska systemet för grundämnen är H.

Rent väte består normalt av två väteatomer som är sammankopplade med varandra. Forskarna kallar dessa för tvåatomiga molekyler. Väte reagerar kemiskt när det blandas med de flesta andra grundämnen. Det har ingen färg eller lukt.

Rent väte är mycket ovanligt i jordens atmosfär, eftersom nästan allt ursprungligt väte skulle ha flyttat ut i rymden på grund av sin vikt. I naturen finns det vanligtvis i vatten. Väte finns också i alla levande varelser, som en del av de organiska föreningar som levande varelser består av. Dessutom kan väteatomer kombinera sig med kolatomer för att bilda kolväten. Petroleum och andra fossila bränslen består av dessa kolväten och används vanligen för att skapa energi för mänskligt bruk.

Några andra fakta om väte:

• Det är en gas vid rumstemperatur.
• Den fungerar som en metall när den är fast.
• Det är det lättaste elementet i universum.
• Det är det vanligaste grundämnet i universum.
• Det brinner eller exploderar över 528 °C / 1000 °F, till exempel i en brand.
• lyser lila när den är i plasmatillstånd.

Vätgas separerades för första gången 1671 av Robert Boyle. År 1776 identifierade Henry Cavendish den som ett eget grundämne och kallade den "brandfarlig luft". År 1781 insåg han att vatten uppstår vid förbränning av väte.

Antoine Lavoisier gav vätgas sitt namn från det grekiska ordet för vatten, 'υδορ (uttalas /HEEW-dor/) och gennen som betyder "generera" eftersom det bildar vatten i en kemisk reaktion med syre.

Den används främst inom petroleumindustrin och vid framställning av ammoniak genom Haber-processen. En del används även på andra ställen inom den kemiska industrin. En liten del används som bränsle, t.ex. i raketer för rymdfarkoster. Det mesta av det väte som människor använder kommer från en kemisk reaktion mellan naturgas och ånga.

Kärnfusion

Kärnfusion är en mycket kraftfull energikälla. Den bygger på att atomer tvingas samman för att skapa helium och energi, precis som i en stjärna som solen eller i en vätebomb. Detta kräver en stor mängd energi för att komma igång och är inte lätt att göra ännu. En stor fördel jämfört med kärnklyvning, som används i dagens kärnkraftverk, är att den ger mindre kärnavfall och inte använder ett giftigt och sällsynt bränsle som uran. Mer än 600 miljoner ton väte genomgår fusion varje sekund på solen.

Användning av väte

Vätgas används främst inom petroleumindustrin för att omvandla tunga petroleumfraktioner till lättare, mer användbara fraktioner. Den används också för att framställa ammoniak. Mindre mängder förbränns som bränsle. Den mesta vätgasen framställs genom en reaktion mellan naturgas och ånga.

Vid elektrolys av vatten delas vatten upp i väte och syre med hjälp av elektricitet. Brinnande väte förenas med syremolekyler för att skapa ånga (ren vattenånga). I en bränslecell kombineras väte med en syremolekyl, varvid en elektron frigörs som elektricitet. Av dessa skäl tror många att vätgas kommer att ersätta andra syntetiska bränslen.

Vätgas kan också brännas för att producera värme för ångturbiner eller förbränningsmotorer. I likhet med andra syntetiska bränslen kan vätgas framställas av naturliga bränslen som kol eller naturgas eller av elektricitet och utgör därför ett värdefullt komplement till elnätet, i samma roll som naturgas. Ett sådant nät och en sådan infrastruktur med bränslecellsfordon planeras nu av ett antal länder, däribland Japan, Korea och många europeiska länder. Detta gör att dessa länder kan köpa mindre olja, vilket är en ekonomisk fördel. Den andra fördelen är att när den används i en bränslecell eller förbränns i en förbränningsmotor, som i en vätgasbil, orsakar inte motorn några föroreningar. Endast vatten och en liten mängd kväveoxider bildas.