Väte

Från Wikipedia

- väte - helium H Li    Periodiska systemet
Allmänt
Namn, kemiskt tecken, nummer	väte, H, 1
Kemisk serie	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 energinivå	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)
Elektrisk ledningsförmåga	__ 106 S/m (Ω−1·m−1)
Värmeledningsförmåga	0,1815 W/(m·K)
1a jonisationspotential	1312 kJ/mol
Mest stabila isotoper
Isotop Förekomst Halv.tid Typ Energi (MeV) Prod. 1H 99,985 % H, stabil isotop med 0 neutroner 2H 0,015 % H, stabil isotop med 1 neutron 3H nat. förek. 12,33 år β− 0,019 MeV 3He 4H syntetisk okänd n 2,910 MeV 3H
SI-enheter & STP används om ej annat angivits

Denna artikel handlar om grundämnet; för andra betydelser se Väte (olika betydelser).

Väte (latin: hydrogenium) är det enklaste, lättaste, vanligaste och tidigast bildade grundämnet i universum efter Big Bang. Vid högt tryck kan väte även uppträda i metallisk form. 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.

Innehåll 1 Väteatomen 2 Isotoper 2.1 1H 2.2 2H 2.3 3H 2.4 4H 2.5 5H 3 Former 4 Användning 4.1 Väte som energibärare 5 Förekomst 6 Föreningar 7 Produktion 7.1 Produktion i laboratorier 7.2 Produktion i industrin 8 Historia 9 Se även 10 Källor

[redigera] 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. Avståndet från elektronen till kärnan varierar och kan inte bestämmas exakt, men uppskattningar säger att den i genomsnitt kan uppmätas befinna sig på avståndet 25–50 pm från kärnan; avståndet ökar om atomen tillförts energi. 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).

[redigera] Isotoper

Väte är det enda atomslag förutom radon 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.

[redigera] ¹H

¹H är den allra vanligaste isotopen. Den kallas ibland för protium. Den är stabil, och har en kärna som bara består av en enda proton.

[redigera] ²H

Den andra stabila isotopen är deuterium, vilken har en extra neutron i atomkärnan. Deuterium utgör ungefär 0,015 % av allt väte. 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 det tunga vattnet.

[redigera] ³H

Den tredje isotopen som förekommer i naturen är tritium som är radioaktiv och sönderfaller med en halveringstid på 12,33 år, och har en kärna som innehåller två neutroner förutom protonen. Den produceras genom inverkan av kosmisk strålning på deuterium i de övre skikten av atmosfären.

[redigera] ⁴H

Väte-4 är mycket kortlivad.

[redigera] ⁵H

2001 upptäcktes för första gången väte-5, som framställdes genom att bombardera ett mål av väte med tunga joner.

[redigera] Former

Renframställd vid normalt tryck består vätgas av tvåatomiga molekyler (H₂). Detta beror på att på jorden så dimeriserar väteatomerna.

[redigera] 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. 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.

[redigera] 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.

[redigera] 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 kolcykeln.

[redigera] 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.

[redigera] Produktion

Väte produceras ofta i laboratorier som biprodukt vid framställning av kemiska föreningar och inom industrin för bland annat att mätta omättade fettsyror.

[redigera] 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).

Zn + H₂SO₄ → ZnSO₄ + H₂

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

[redigera] Produktion i industrin

Industriellt produceras vätgas genom sönderdelning av kolväten, oftast genom sönderdelning av naturgas med vattenånga och en nickelkatalysator vid 800°C.

CH₄ + H₂O → CO + 3H₂

Kolmonoxiden som bildas kan också användas för att tillverka vätgas tillsammans med vattenånga över en järnoxidkatalysator.

CO + H₂O → CO₂ + H₂

[redigera] 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.

[redigera] Se även

• antiväte
• bränslecell
• periodiska systemet
• stjärna
• vätebindning
• hydrid
• Metanolekonomi

[redigera] Källor

• 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)