Vesinik (1)

VESINIK
Grete Ojandu
TT1
Olustvere TMK 2009a.
Vesinik on keemiline element järjenumbriga 1[1]. Ta on lihtsaima aatomiehitusega ning väikseima aatommassiga element[2].
Keemiliste elementide perioodilisuse süsteemis kuulub ta 1. perioodi ja s-blokki. Teda paigutatakse mõnikord I rühma, mõnikord VII rühma, mõnikord mitte ühessegi rühma[3]. Elektronkonfiguratsioon on 1s1[4].
Vesinik on tüüpiline mittemetall[5].
Vesinik on Universumis (kuid mitte maakoores) kõige sagedasem element. Ta esineb vees ja peaaegu kõigis orgaanilistes ühendites, seega seotud kujul kõigis organismides.
Vesinik on kõige väiksema aatommassiga element; kõige sagedasema isotoobi prootiumi aatom koosneb ainult ühest prootonist ja ühest elektronist. Vesiniku aatommass on 1,00794±0,00007 g·mol−1.
Maal ei esine tavalistes looduslikes tingimustes üheaatomilise molekuliga monovesinikku ehk atomaarset vesinikku H, küll aga divesinik ehk molekulaarne vesinik H2, mis on normaaltingimustel värvitu ja lõhnatu gaas . Mõne keemilise reaktsiooni ajal esineb atomaarne vesinik siiski väga lühikese aja vältel.

Aatomi suurust iseloomustavad näitajad

Vesiniku aatommass on 1,00794 aatommassiühikut.
Arvutuslik aatomiraadius on 25 (53) pm.
Kovalentne raadius on 120 pm.

Koht perioodilisussüsteemis

Kuigi vesinik paigutatakse tavaliselt I rühma, ei ole tema koht perioodilisussüsteemis üheselt määratav[6], sest ta on elementide seas erandlikul kohal[7]. Mõnikord paigutatakse ta VII rühma, mõnikord mitte ühessegi rühma[8].
I rühma arvatakse vesinik sellepärast, et tal on üks valentselektron (nagu leelismetallidel). Tal on leelismetallidega sarnane aatomispekter. Nagu leelismetallid , nii ka vesinik annab vesilahustes hüdrateeritud ühekordse positiivse elektrilaenguga iooni (hüdrooniumiooni H30–)[9]. Vesiniku vaba ioon on aga prooton , mis on väga erinev leelismetallide vabadest ioonidest. Kondenseeritud faasides ei esine H+- ioonid üldse kunagi isoleerituna, vaid assotsiatsieerununa teiste molekulide või aatomitega[10]. Ka on vesinikuaatomi ionisatsioonienergia poole suurem kui leelismetallidel[11] ning palju suurem elektronegatiivsus [12].
Lähtudes sellest, et elektronkatte väliskihi täitmiseks (väärisgaasikonfiguratsiooniga iooni saamiseks[13]) on vesinikuaatomil puudu üks elektron nagu halogeenide aatomitelgi[14], võib vesiniku paigutada VII rühma. Nagu halogeenide aatomitelgi, on vesinikuaatomil suur ionisatsioonienergia.[15] Halogeenidest erineb vesinik aga väiksema elektronafiinsuse ja elektronegatiivsuse poolest[16]. Vesiniku mittemetallilisus ei ole nii väljendunud nagu halogeenidel[17]. Nõnda moodustavad ühendeid H–-ioonidega ainult väga elektropositiivsed metallid nagu kaalium ja kaltsium (kaaliumhüdriid KH ja kaltsiumhüdriid CaH2)[18].

Ionisatsioonienergia, elektronafiinsus ja oksüdatsiooniastmed

Vesinikuaatomi ionisatsioonienergia on 13,6 eV[19] ehk 1312 kJ/mol.
Suure ionisatsioonienergia poolest sarnaneb vesinik VII rühma elementidega.
Vesiniku ionisatsioonienergia on nii suur, et isegi vesiniku (I) ühendid niisuguste tugevate oksüdeerijatega nagu fluor ja hapnik ei saa olla ioonilised. Kui ühendites tekiksidki positiivsed vesinikuioonid, siis moodustuks nende väga suure polariseeriva toime tõttu ikkagi kovalentne side. Samal põhjusel ei saa tavalistes keemilistes nähtustes esineda ioonid H+ vabas olekus. Vesiniku aatomi ehituse eripära tõttu esineb vesinikuühenditele eripärane keemilise sideme liik vesinikside.[20]
Negatiivne vesinikuioon H– moodustub vesinikuaatomist eksotermilises protsessis (elektronafiinsus 0,75 eV). Seetõttu on oksüdatsiooniastmega –1 vesiniku ühendite puhul võimalik iooniline side.[21]
Vesinik on mittemetall, mille võimalikud oksüdatsiooniastmed keemilistes ühendites on –1 või +1.[22]

Isotoobid

Tal on kaks stabiilset isotoopi massiarvudega 1 ja 2.
Erinevalt muudest elementidest on keemilised ja füüsikalised erinevused vesiniku isotoopide vahel suhteliselt suured. Seetõttu on neil erinimetused ja mitteametlikud, ent laialdaselt kasutatavad erisümbolid. Isotoopi massiarvuga 1 nimetatakse prootiumiks ja keemiline sümbol H käib eriti selle isotoobi kohta. Isotoopi massiarvuga 2 nimetatakse deuteeriumiks, mille keemiline sümbol 2H (mitteametlikult D).
Vesinikul on ka radioaktiivne isotoop massiarvuga 3 ja poolestusajaga 12,3 aastat. Selle nimetus on triitium ja sümbol 3H (mitteametlikult T). (Erinimetused ja -sümbolid on ka isotoopidel, mis kuuluvad radioaktiivsetesse ridadesse.)
Prootiumi aatomi tuum on prooton, mis on elementaarosake . Deuteeriumi aatomi tuum on deuteron, mis koosneb ühest prootonist ja ühest neutronist. Triitiumi aatomi tuum on triiton , mis koosneb ühest prootonist ja kahest neutronist.

Esinemine looduses

Vesinik kosmoses

Juba varsti pärast Universumi tekkimist Suures Paugus oli tohutu palju prootoneid ja neutroneid. Kõrge temperatuuri tingimustes ühinesid need kergetest aatomituumadeks (eriti D ja 4He). Enamik prootoneid jäid siiski ühinemata ning neist said edaspidi 1H- tuumad .
Umbes 380 000 aasta pärast, kui kiirgustihedus oli jäänud piisavalt väikseks, said vesinikuaatomid moodustuda lihtsalt tuumade ja elektronide kokkusaamise teel, ilma et mõni footon neid kohe jälle lahutaks. Sellest ajast saadik on olemas reliktkiirgus ning Universum on vesinikuga täidetud. Universumi aatomitest koosnevas aines (välja jääb tume aine) oli 3/4 massiosa vesinikku, 1/4 massiosa heeliumi ja mõni miljardik massiosa liitiumi . Teised keemilised elemendid on tuumareaktsioonide saadustena hiljem tekkinud.
Kui Universum veelgi jahtus , jagunes mass asümmeetriliselt ning moodustusid vesinikupilved. Gravitatsiooni toimel tihenesid need pilved algul galaktikateks ning hiljem prototähtedeks. Gravitatsiooni toimel tihenes aine niivõrd, et tuumasünteesis hakkasid vesinikutuumadest moodustuma heeliumituumad. Nii moodustusid esimesed tähed. Prootium saab heelium -4-ks peamiselt deuteeriumi ja triitiumi kui vaheastmete kaudu. Seejuures vabanev energia on tähtede energiaallikas .
Hiljem tekkisid väga suurtes tähtedes samuti tuumasünteesi teel raskemad elemendid süsinik, lämmastik ja hapnik, mis on kõikide tuntud eluvormide põhikomponendid.
Osa materjali väljus tähtedest tähetuulena, supernoovade plahvatustena või muul moel ning nendest koos säilinud gaasiga tekkisid uued tähed, jne. Siiski on algsest vesinikust ja heeliumist tuumasünteesis ära "põlenud" vaid väike osa. Umbes kolm neljandikku keemilistest elementidest koosnevast ainest (või kaks kolmandikku Universumi massist[23]) moodustab endiselt vesinik gaasipilvede ja tähtede kujul. Peajada tähed koosnevad peamiselt plasmaolekus vesinikust.[24][25]
Universumis on vesinik kaugelt levinuim element. Päikese massist moodustab üle poole vesinik. See moodustab ka suurema osa Päikesesüsteemi massist. Aatomituumade arvu järgi arvestatuna on vesinikku Päikeses 80%.[26] Vesinik moodustab ka suurema osa Jupiteri, Saturni, Uraani ja Neptuuni koostisest, mis Päikesesüsteemi vesinikusisaldust veelgi suurendab. Tohutute rõhkude juures Jupiteri ja Saturni sügavustes võib vesinik esineda metallilise vesinikuna. Tõenäoliselt on metallilise vesiniku osatähtsus taevakehades suurem, kui seni arvatud. Oletatavasti on elektrit juhtiv metalliline vesinik ka planeetide magnetväljade põhjuseks. 93% Päikesesüsteemi aatomitest on vesinikuaatomid.
Väljaspool Päikesesüsteemi esineb vesinik ka hiiglaslikes gaasipilvedes. H-I-aladel esineb ioniseerimata molekulaarne vesinik. 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.
Atomaarse vesinikuga ioniseeritud gaasipilvi nimetatakse H-II-aladeks. Neil aladel kiirgavad suured tähed suurel hulgal ioniseerivat kiirgust. See kiirgus võimaldab teha järeldusi tähtedevahelise aine koostise kohta. Aatomite pideva ioniseerumise ja rekombineerumise tõttu kiirgavad nad vahel nähtavat valgust, mis on sageli nii tugev, et neid gaasipilvi võib näha suhteliselt väikese pikksilmaga.

Vesinik Maal

Seotud olekus on vesinik Maa peal väga levinud.
Maa massist moodustab vesinik umbes umbes 0,12%.
Maakoores ning hüdrosfääris ja atmosfääris kokku[27]) on umbes 1/6 aatomitest vesinikuaatomid[28][29]. Nad moodustavad 0,74% nende kogumassist. Levinuima vesinikuühendi[30] Vee massist moodustab vesinik 11,9%[31] või 11,2%[32]. Vesinik esineb ka näiteks savides, kivi- ja pruunsöes ja naftas, samuti kõigis organismides.

Prootium

Prootium on universumis, tähtedes ja hiidplaneetides kõige tavalisem elemendi isotoop.
Sisaldus maakoores on massi järgi väike (0,87%), aatomite arvu järgi suur (17%). Vesinik on leviku poolest Maal 9. kohal, universumis kõige levinum element.

Deuteerium

Deuteeriumi leidub maailmameres keskmiselt üks 2H aatom 6400 H aatomi kohta ehk umbes 0,156 ‰.
Lihtainena esineb deuteerium äärmiselt väikestes kogudes. See on omadustelt diprootiumi H2 sarnane gaas valemiga 2H2 või D2.
Deuteeriumi levinuim ühend universumis on ühend tavalise 1H aatomiga ehk 2H 1H või DH.

Triitium

Looduses esineb triitiumi väga väikestes kogustes . Ta tekib enamasti atmosfääri ülakihtides kosmilise kiirguse mõju tõttu atmosfääris leiduvatele gaasidele.
Levinuim triitiumi tekke mehhanism toimib, kui lämmastiku molekulid on avatud kosmilisele neutronivoole. Saades juurde ühe neutroni, laguneb lämmastiku tuum süsiniku ja triitiumi tuumaks. Triitiumi lühike poolestusaeg (12,32 aastat) ei võimalda looduslike varude kogunemist.

Molekulaarne vesinik

Vesinik moodustab kaheaatomilised lihtaine (divesiniku) molekulid.

Füüsikalised omadused

Tavatingimustel on ta värvitu, lõhnatu ja maitsetu gaas, väikseima molekulmassiga kõigist gaasidest . Temperatuuril 20 kelvinit kondenseerub kahest prootiumiaatomist koosneva molekuliga diprootium (H2) vedelikuks, mis tahkub temperatuuril 14 kelvinit.
Vesiniku molekuli energiatasemed olenevad sellest, kas tuumade spinnid on samasuunalised või erisuunalised. Erineva spinnide jaotusega olekute vaheline üleminek on aeglane.

Keemilised omadused

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

Toime inimesele ja ohud

Inimese organism vesinikku lihtainest ei omasta, sest ta on inimorganismis biokeemiliselt inertne.
Suures kontsentratsioonis sisse hingatuna on vesinik lämmatav; vesinikku sisaldavad gaasisegud, milles on piisavalt hapnikku, on tervisele ohutud.
Muidugi kaasneb vesinikuga suur tule- ja plahvatusoht.
Deuteeriumi ühendid on imetajatele, sealhulgas inimestele mürgised: umbes 15 protsendi vee asendamine raske veega (2H2O) tekitab rottidel tervisehäireid ja 25...30 % asendamine on surmav. Väikestes kogustes (paar grammi inimese puhul, enam-vähem võrdne raske vee loomulikku sisaldusega kehas) kasutatakse deuteeriumi meditsiinis ainevahetuse jälgimiseks.
Triitium on ohtlik oma radioaktiivsuse tõttu. Väikese energia (maksimaalselt 18 keV) tõttu ei läbi 3H beetakiirgus nahka, aga ühendites omastatuna on triitium ohtlik.

Keemilised ühendid

Kovalentne side

Et vesinikuaatomil on ainult üks valentselektron, saab ta moodustada ainult ühe kovalentse sideme[33].
Molekulaarses vesinikus H2 on vesinikuaatomid seotud ühe σ-sidemega[34].

Vesinikside

Vesinikside on omane ainult vesinikuühenditele.
Väga polaarsete molekulide (nagu HF ja H2O) vahel on vesiniksidemed[35].

Saamine

Vesinikku saadakse divesinikuna põhiliselt veest, samuti süsivesinikest.

Ajalugu

Paracelsus

On arvatud, et vesinikku tundis juba Paracelsus, kuid see on vaieldav.[36]

Boyle

Arvatavasti esimesena sai vesinikku Robert Boyle, kes 1671 kirjeldas rauapulbri toimel lahjendatud väävelhappele saadud "kergesti põlevat auru".[37]

Cavendish

Henry Cavendish
Vesiniku avastajaks ( 1766 ) loetakse inglise füüsik ja keemik Henry Cavendishi, kes isoleeris metallidest ja hapetest saadud "põleva õhu" (divesiniku) ning kirjeldas ja uuris seda põhjalikult[38]. Elavhõbeda ja happe segus tekkisid väikesed gaasimullid, mille koostist ei õnnestunud tal samastada ühegi tuntud gaasiga. Kuigi ta ekslikult arvas , et vesinik on elavhõbeda (mitte happe) koostisosa , suutis ta selle omadusi hästi kirjeldada.

Lavoisier

Antoine Laurent de Lavoisier, kes andis vesinikule nime.
Antoine Laurent de Lavoisier avastas vesiniku 1766 sõltumatult Cavendishist, kui ta tahtis katseliselt näidata, et keemiliste reaktsioonide käigus massi ei kao ega teki juurde. Ta soojendas vett suletud aparatuuris ja laskis aurul teises kohas kondenseeruda. Selgus, et kondendeerunud vee mass on pisut väiksem kui vee algne mass. See-eest tekkis gaas H2, mille mass võrduski puuduva massiga, nii et katse oli edukas.
Gaasi edasi proovides põletas ta seda tänapäeval paukgaasiprooviga nimetatud uuringus ning nimetas teda seejärel põlevaks õhuks. Aastal 1783 pani ta ette nime hydrogène ('veetekitaja, veemoodustaja'). Selle nime (ladina Hydrogenium) lühendist tuleb ka vesiniku keemiline sümbol H.[39]
Vesiniku ja vesinikuühendite uurimine on aidanud kaasa aatomi ja molekuli mõiste arengule ning aatomite ja molekulide ehituse ja muundumise mõistmisele.