Divesinik

Divesinik ehk molekulaarne vesinik ehk vesinik on lihtaine, mille molekul koosneb kahest vesinikuaatomist.

Divesinik

Keemiline valem on H₂. SMILES-i tähistus on [HH], InChI tähistus 1/H2/h1H. Tema CAS-i number on 1333-74-0, EG-number on 215-605-7, PubChemi number on 783.

Normaaltingimustes on see väga kergesti süttiv, värvitu, lõhnatu ja maitsetu gaas, gaasiline vesinik. Vesinik põleb õhus, andes saaduseks vee. Vesiniku keemistemperatuur on 20,27 K ja sulamistemperatuur 14,02 K. Väga kõrgetel rõhkudel, nagu näiteks hiidplaneetide keskmes, selle molekulid dissotsieeruvad ning vesinikust saab vedel metall.

Vesinik on kerge gaas, mida Maa gravitatsioon ei hoia kinni. Kosmoses saab divesiniku pilvedest (molekulipilvedest) alguse täheteke.

Laboratoorselt saadakse seda metallide (näiteks tsingi) reageerimisel hapetega, tööstuslikult vee elektrolüüsi teel.

Divesinikku toodetakse 99,9% ulatuses süsivesinikest (metaan, nafta, kivisüsi) ja vaid 0,04% ulatuses vee elektrolüüsi teel. Selle tootmisega kaasnes 2021. aastal umbes 900 miljonit tonni süsinikdioksiidi heitmeid, mis moodustas umbes 2% süsinikdioksiidi emissioonist maailmas.

Eri viisidel toodetud vesinikku nimetatakse erinevalt. Maagaasist toodetud vesinikku nimetatakse halliks vesinikuks ja elektrokatalüüsiga veest toodetut roheliseks vesinikuks. Maagaasist vesiniku tootmisel eraldub aga süsinikdioksiid. Kui see protsessis kinni püütakse, siis nimetatakse nii toodetud vesinikku siniseks vesinikuks.^[1]

Vesinikku kasutati tsepeliini tüüpi õhulaevades, mis püsivad õhus tänu Archimedese seadusele. Hiljem asendati see vähem ohtliku, mittesüttiva heeliumiga. Vesiniku kasutamist kütusena uurib vesinikuenergeetika. Samuti leiab vesinik kasutamist keemiatööstuses. Aastal 2021 tarbiti maailmas 94 miljonit tonni vesinikku. Suurem osa vesinikutootmisel saadud divesinikust tarbitakse kohapeal, peamiselt keemiatööstuses ja naftakeemiatööstuses: ammoniaagi sünteesiks (50%), süsivesinike rafineerimiseks ja [[desulfureerimine|desulfureerimiseks (37%) ning metanooli sünteesiks (12%). Vesinikku on kasutatud liha säilitamiseks.

Füüsikalised omadused

Tavatingimustel on ta värvitu, lõhnatu ja maitsetu gaas.

Molekulmass on 2,01589 aatommassiühikut. See on Maal looduslikult levinud gaaside seas kõige väiksem ehk vesinik on nende seas kõige kergem. Molaarmass on 2,01588 g/mol.

Keemistemperatuuril 20,268 K (−252,882 °C) kondenseerub kahest prootiumiaatomist koosneva molekuliga diprootium (H₂) vedelikuks, mis tahkub temperatuuril 14,025 K (−259,125 °C).

Väga kõrge rõhu all (näiteks vesinikust koosnevate suurte taevakehade tuumas) muutub divesinik metalliliseks vedelikuks (metalliline vesinik). Väga madala rõhu all (näiteks maailmaruumis) kipub vesinik esinema atomaarse vesinikuna, sest vesinikuaatomite kohtumise tõenäosus on väike; niisugune ühinemine on tekitanud vesinikupilved, millest on alguse saanud tähed.

Aurustumissoojus on 0,891 kJ/mol, sulamissoojus 0,117 kJ/mol. Erisoojusmahtuvus on 14304 J/(kg · K). Soojusjuhtivus on 0,1815 W/(m · K).

Tihedus on 0,0899 kg · m⁻³ (273 K juures).

Molaarruumala on 22,42 · 10⁻³ m³/mol.

Aururõhk on 209 · 103 Pa (23 K juures).

Divesinik on diamagnetik magnetilise vastuvõtlikkusega 8 · 10⁻⁹. Elektrijuhtivus on 0 S/m.

Helikiirus divesinikus on 1314 m/s (298,15 K juures).

Aatomite vaheline kaugus on 74,14 pikomeetrit.

Orto- ja paravorm

 Pikemalt artiklis Divesiniku spinniisomeeria

Vesiniku molekuli energiatasemed olenevad sellest, kas tuumade spinnid on samasuunalised või erisuunalised. Erineva spinnide jaotusega olekute vaheline üleminek on aeglane.

Divesinik on kahe isomeeri segu. Neid nimetatakse ortovesinikuks ja paravesinikuks. Ortovesinik (spinnid paralleelsed ehk ühesuunalised, triplettolek) vastab ergastatud olekule, mida puhta ainena stabiilses olekus ei esine. Normaaltingimustel sisaldab divesinik soojusergastuse tõttu umbes 75% ortovesinikku ja 25% paravesinikku. 77 K juures on tasakaalulises segus umbes pool ortovesinikku ja pool paravesinikku (tasakaal tekib mõne ööpäeva jooksul, katalüsaatorite abiga mõne tunni jooksul). Väga madalal temperatuuril muutub kogu ortovesinik lõpuks paravesinikuks (spinnid vastassuunalised ehk antiparalleelsed, singlettolek).

Kummagi vormi füüsikalised omadused on pisut erinevad, näiteks on paravesinikul umbes 0,1 K võrra madalam keemis- ja sulamistemperatuur kui ortovesinikul.

Keemilised omadused

Video. Kooniline anum on täidetud gaasilise vesinikuga, mis antud katses süüdatakse. Koonuse alumises osas asuvast avausest hakkab sisenema õhku, mis vesinikuga seguneb. Lähenemisel kriitilisele kontsentratsioonile muutub põlemine järjest ebastabiilsemaks ja gaaside segu võnkumine anumas kutsub esile langeva sagedusega heli. Kui vesiniku ja õhu omavahelise suhe muutub selleks sobivaks, siis leiab aset plahvatus

Kuumutamisel reageerib vesinik paljude ainetega. Reaktsioon dihapnikuga eraldab soojust, mistõttu vesinik õhus või dihapnikus põleb ja ta segud hapnikuga või õhuga süütamisel plahvatavad. Ta on kergesti süttiv aine.

Tõestamine

Selleks et kontrollida divesiniku kohalolu, viiakse põlev tikk divesinikku sisaldava katseklaasi juurde. Dihüdrogeeni põlemisreaktsioon õhus oleva dihapnikuga, mille vallandab soojusallikas, tekitab iseloomuliku heli ("klähvimise").

Põlemine

Divesiniku põlemine dihapnikus, mis tekitab vee, on:

2H₂ + O₂ → 2H₂O

See on eriti äge ja väga eksotermiline reaktsioon: divesiniku eripõlemissoojus (kütteväärtus) on 141,86 MJ/kg [või 141,79 MJ/kg] temperatuuril 25 °C [või 15 °C] rõhu 1 atm juures, mis vastab standardsel temperatuuril (25 °C) põlemisentalpiale −285,84 kJ/mol või temperatuuril 100 °C põlemisentalpiale −283,45 kJ/mol (siin on divesinik ja dihapnik gaasilised, kuid vesi vedel, nii et tegu on ülemise kütteväärtusega). Kui aga eeldada, et tekib veeaur (nii et tegu on alumise kütteväärtusega), siis eripõlemissoojus on 120,1 MJ/kg [või 119,93 MJ/kg], vastav entalpia on −242,8 kJ/mol (võttes 40,660 kJ/mol vee aurustumiseks temperatuuril 100 °C). Võrdluseks: butaani kütteväärtus on ainult 49,51 MJ/kg. Seetõttu oleks divesinik väga hea raketikütus, kuid selle ladustamine on ohtlik.

Sedasama redoksreaktsiooni aeglasemal kujul kasutatakse elektrivoolu tootmiseks kütuseelementides.

Esinemine looduses

Vaba vesinik (divesinik) on Maal suhteliselt vähe levinud. Et see on väga väikese tihedusega, ei suuda Maa gravitatsioon seda kinni pidada, nii et see väljub atmosfäärist. Õhus on seda ainult jälgedena: Maa atmosfääri alumises osas vaid umbes 0,000005 mahuprotsenti^[2]. Kõrguse kasvades vesinikusisaldus kasvab. 100 km kõrgusel on väga hõre atmosfäär, mis koosneb peaaegu ainult divesinikust.^[3]

Maal on siiski mõned nähtused, mille puhul looduslikult eraldub divesinikku.^[4]. Nendes kohtades tekkivat divesinikku nimetatakse looduslikuks vesinikuks.^[5].

Väljaspool Päikesesüsteemi esineb divesinik hiiglaslikes gaasipilvedes (molekulipilvedes), nimelt H-I-aladel, kus ta on ioniseerimata. Need alad kiirgavad sagedusega umbes 1420 MHz, mis vastab 21 cm joonele. See kiirgus tuleneb koguspinni üleminekutest. Selle kiirguse järgi leitakse ja uuritakse vesiniku esinemist Universumis.

Saamine

Divesinikku saadakse põhiliselt veest ja süsivesinikest.

Tugevalt elektropositiivsete metallide reageerimisel veega tekivad divesinik ja metallhüdroksiidi lahus:

2Na + 2H₂O → H₂ + 2Na⁺ + 2OH^–

Ca + 2H₂O → H₂ + Ca²⁺ + 2OH^–[6]

Uurimislugu

Esimene teadaolev teadlane, kes kirjeldas divesiniku saamist, oli Paracelsus. Ta sai selle, valades väävelhapet rauapulbrile, kuid ta ei saanud täpselt, mis gaas selle reaktsiooni käigus eraldus.

Aastal 1671 avastas Robert Boyle reaktsiooni raua viilipuru ja happelahuste vahel, mille saadus on divesinik, ja kirjeldas seda^[7][8]: "Olles hankinud soolavaimu [vesinikkloriidhappe], mis oli ebahariliku valmistamisviisi teel tehtud teravaks ja läbitungivaks, panime kolbi, mis mahutab kolm või neli untsi vett, sobiva koguse raua viilipuru, mis ei olnud niisugune, nagu tavaliselt müüakse poodides farmatseutidele ja apteekritele, (sest see ei ole harilikult piisavalt roostevaba) vaid niisuguse, mille ma mõne aja eest olin pannud meelega pudenema hea terase tükilt. Pärast niisutamist kolvis vähese vedelikuga niisutati seda hiljem suurema koguse vedelikuga; seepeale läks segu väga kuumaks ja paiskas välja rikkalikult haisvat suitsu; seda, kas see koosnes täielikult lenduvast Marsi väävlist [rauast?] või väävliloomusest osasaavatest metalliaurudest ning ühines vedeliku soolaaurudega, ei ole siin tarvis arutada. Aga kust see haisev suits ka ei pärinenud, see oli piisavalt süttiv, et süüdatud küünla lähendamisel sellele olla piisavalt valmis tuld võtma ning mõnda aega põlema kolvisuu juures sinaka ja pisut roheka leegiga; ja seda mitte vähese valgusega, küll aga suurema jõuga, kui kergesti oleks võinud kahtlustada." Sõna "väävliloomus" (sulfureous) võib olla mõnevõrra eksitav, eriti kuna Boyle tegi sarnase katse raua ja väävelhappega^[9]. Ent tõenäoliselt tähendab see sõna siin 'süttiv'^[10].

Henry Cavendish kordas Paracelsuse katset mitme metalliga (raud, tsink ja tina) ning mitme happega. Ta avastas 1766, et niiviisi saadav gaas on õhust erinev, süttiv ja väikese tihedusega. Ta pidas seda esimesena eralf aineks, mistõttu teda peetakse divesiniku avastajaks. Cavendish nimetas sealjuures tekkinud gaasi happe ja metalli reatsiooni tõttu kergesti süttivaks õhuks (inflammable air). Ta uuris seda gaasi põhjalikult ning avaldas oma tulemused. Ta oletas, et see kergesti süttiv õhk on flogiston^[11][12].^[13] Dihapniku nimetas ta vitaalseks õhuks.

Täpsemalt analüüsis kergesti süttivat õhku aga alles Antoine Laurent de Lavoisier, kes kordas Cavendishi katseid ning tegi kindlaks, et selle gaasi põlemisel tekib vesi, ning andis kergesti süttivale õhule seetõttu nimeks hydrogène (ladina hydrogenium 'vett tekitav aine'). Cavendish oli Joseph Priestley tähelepanekule toetudes 1781 juba kindlaks teinud, et vesiniku põlemisel tekib vesi (avaldatud alles 1784)^[14]. Lavoisier sai Cavendishi eksperimentidest teada, kui ta 1783. aastal külastas Cavendishi assistenti Charles Blagdenit. Cavendish oli flogistoniteooria pooldaja ning divesinik oli tema silmis üks selle hüpoteetilise aine kandidaate. Lavoisier aga näitas oma tähelepanu äratanud katsetega, et see gaas moodustab omaette elemendi, mis on tol ajal sageli veel nelja elemendi teooria järgi elemendiks peetud vee koostisosa. Lavoisier tegi kvantitatiivseid katseid, tuginedes oma massi jäävuse seadusele. Ta juhtis veeauru suletud süsteemis üle hõõguvate raualaastude ning laskis tekkinud gaasidel teises kohas kondenseeruda. Ta tegi kindlaks, et kondenseerunud vee mass oli pisut väiksem kui algse gaasi mass. See-eest oli tekkinud gaas, mille mass koos oksüdeerunud raua massi juurdekasvuga vastas "kaduma läinud" veekoguse massile.

Vesiniku avastaja Henry Cavendish

Antoine Laurent de Lavoisier, kes pani divesinikule nime hydrogène

Lavoisier jätkas tekkinud gaasi uurimist ning tegi paukgaasiproovi all tuntud katse, mille käigus gaas põles ära. Selle pärast nimetas ta gaasi algul süttivaks õhuks (air inflammable). Kui hilisemates katsetes ilmnes, et sellest gaasist on võimalik saada vett, panigi ta sellele nimeks "vesinik" (hydrogène).

Allikad

• Arnold F. Holleman, Egon Wiberg, Nils Wiberg. Lehrbuch der anorganischen Chemie, Walter de Gruyter, 1995.
• Erwin Riedel, Christoph Janiak. Anorganische Chemie, 7. trükk, 2007. Google'i raamat
• Ахметов Н. С. Общая и неорганическая химия, Высшая школа 1988.