Vety

Maailmankaikkeudessa

Vety on maailmankaikkeuden yleisin alkuaine ja sitä on noin 74 % maailmankaikkeudessa esiintyvän aineen massasta. Maailmankaikkeuden atomeista 90 % on vetyä, 9 % heliumia ja 1 % muita aineita. Spektroskooppisilla laitteilla tehdyillä mittauksilla on saatu selville, että Auringosta ja muista tähdistä suurin osa on vetyä. Auringossa vetyä fuusioituu jatkuvasti heliumiksi. Reaktio on Maassa olevan elämän kannalta elintärkeä, sillä ilman Auringon tuottamaa energiaa Maassa ei olisi riittävästi lämpöä elämälle. Vety (ja helium) oli ensimmäinen alkuaine maailmankaikkeudessa, ja muut alkuaineet syntyivät myöhemmin tähdissä vedyn fuusioituessa .
Metallinen vety on ainakin teoriassa mahdollinen suuressa paineessa kuten suurten planeettojen ytimissä, esimerkiksi Jupiterissa. On yritetty tosin saada aikaan kokeellisesti suprajohtavaa vetyä myös laboratorio-olosuhteissa alentamalla vaadittavaa painetta tuottamalla litium- ja natriumhydridejä.

Maapallolla

Maapallolla vety on kymmenenneksi yleisin alkuaine, joten se on selvästi harvinaisempaa kuin muualla maailmankaikkeudessa. Vedyn keveyden vuoksi sen osuus Maan kokonaismassasta on vain 0,9 prosentin luokkaa ja maankuoren massasta vieläkin vähemmän, noin 0,15 %. Universumin massasta vedyn osuuden on arveltu olevan jopa 73 %. Vapaana alkuaineena vety on maapallolla harvinainen, ja se esiintyy lähes aina sitoutuneena kemiallisiksi yhdisteiksi. Tulivuorenpurkauksissa ja öljynporauksen yhteydessä saattaa kuitenkin vapautua pieniä määriä vetykaasua.
Suurin osa maapallolla esiintyvästä vedystä on sitoutuneena veteen, joka on vedyn ja hapen yhdiste. Muita luonnossakin esiintyviä epäorgaanisia vety-yhdisteitä ovat muun muassa maaperässä esiintyvät ammoniumsuolat.
Vetyä esiintyy myös lähes jokaisessa orgaanisessa yhdisteessä. Hiilivedyissä on vain hiili- ja vetyatomeja. Muissakin orgaanisissa yhdisteissä osa vetyatomeista on sitoutunut yleensä suoraan hiiliatomiin, mutta osa esimerkiksi happiatomiin, kuten alkoholeissa ja karboksyylihapoissa, tai typpiatomiin kuten amiineissa. Monimutkaisempia hiiltä, vetyä ja muitakin alkuaineita sisältäviä orgaanisia yhdisteitä ovat esimerkiksi sellaiset biologisesti tärkeät aineet kuin proteiinit, rasvat ja hiilihydraatit sekä myös DNA.
Vetyä on sitoutuneena myös fossiilisissa polttoaineissa, joista maaöljy ja maakaasu ovat pääosin hiilivetyjä. Myös kivihiilen huokosissa on yleensä metaania (kaivoskaasua), joka on yksinkertaisin hiilivety.
Merivedestä voi tulla polttoainelähde, jos hallittu fuusiorektio saadaan maan päällä aikaan. Merivedestä saadaan vetyä fuusioreaktion polttoaineeksi.

Fysikaaliset ominaisuudet

Puhdas vety on normaalioloissa olomuodoltaan kaasua. Vetykaasu (H₂) on huomattavasti ilmaa keveämpää: 0 °C:n lämpötilassa ja normaalissa ilmanpaineessa vedyn tiheys on noin 0,09 g/dm³, kun ilman tiheys vastaavissa olosuhteissa on 1,3 g/dm³. Myös nestemäisenä ja kiinteänä vedyn tiheys on huomattavasti pienempi kuin muiden alkuaineiden tiheydet vastaavissa olomuodoissa. Nestemäisen vedyn tiheys kiehumispisteessään on noin 0,07 g/cm³ ja kiinteän vedyn tiheys sulamispisteessään on 0,0763 g/cm³.
Vedyn sulamis- ja kiehumispiste ovat alkuaineista toiseksi alhaisimmat, sillä ainoastaan heliumilla on vetyä alhaisempi sulamis- ja kiehumislämpötila. Vedyn sulamispiste 1,013 baarin paineessa on −259,4 °C ja kiehumispiste −252,9 °C. Nestemäinen vety, jota tuotti ensimmäisen kerran brittiläinen kemisti James Dewar vuonna 1898, on väritöntä muuten paitsi suurina määrinä, jolloin se näyttää vaalean siniseltä. Kiinteä vety on väritöntä.

Orto- ja paravety

Useampiatomisilla molekyyleillä voi olla niin kutsuttuja spin-isomeerejä. Vedyllä niitä on kaksi: orto- ja paravety. Niiden olemassaolon havaitsi R. Mecke vuonna 1924 spektroskooppisesti, ja Werner Heisenberg selitti ne kvanttimekaniikan avulla vuonna 1927. Ortovedyssä vetymolekyylin atomien spinit ovat toisiinsa nähden samansuuntaiset ja paravedyssä vastakkaiset. Näiden isomeerien fysikaalisissa ominaisuuksissa on eroja, ja niiden sulamis- ja kiehumispisteet, höyrystymislämmöt ja lämpökapasiteetit eroavat toisistaan. Esimerkiksi ortovedyn kiehumispiste on 0,24 °C korkeampi kuin paravedyllä. Myös vety-yhdisteillä, kuten vedellä on orto- ja paraisomeerinsä.
Huoneenlämpötilassa vedystä 75 % on ortomuodossa ja loput on paravetyä. Nestemäisessä vedyssä paramuoto on sen sijaan vallitseva, koska se on silloin stabiilimpi, ja absoluuttisessa nollapisteessä kaikki vety on paravetynä. Orto- ja paravety ovat kineettisessä tasapainossa. Ortovety voi muuntua para-isomeerikseen. Muuntuminen on eksotermistä eli lämpöä vapauttavaa, minkä vuoksi vetykaasua haihtuu säilytyspulloistaan. Häviön minimoimiseksi vetykaasu johdetaan nesteytysvaiheessa vesipitoisen rauta(III)oksidin lävitse. Rauta(III)oksidi, platina, palladium tai typpimonoksidi toimivat katalyytteinä ja muuntavat ortovedyn paravedyksi.

Sijainti jaksollisessa järjestelmässä

Vakiintuneen käytännön mukaan vety sijoitetaan jaksollisessa järjestelmässä ensimmäiseen eli alkalimetallien sarakkeeseen.  Vety kuitenkin poikkeaa monella tavalla muista ryhmään kuuluvista alkuaineista: esimerkiksi se ei reagoi veden kanssa kuten litium, natrium tai kalium, ja sitä pidetään yleensä epämetallina. Kemialliselta kannalta vedyllä kuitenkin on myös metallimaisia ominaisuuksia kuten positiivinen hapetusluku. Joskus vety on sijoitettu halogeeneihin eli 17. ryhmään, koska vedyn rakenne on lähellä halogeenien rakennetta eli yhden elektronin päässä täydestä elektronikuoresta. IUPAC suosittelee nykyään vedyn sijoitettavaksi niin, että se on ensimmäisen jakson alkuaineena jaksollisen järjestelmän ylimmällä rivillä, taulukon keskellä niin ettei se kuulu mihinkään pääryhmistä. 
Vedyn tavallisin hapetusluku on +I, mutta muutamat metallit voivat yhtyä vedyn kanssa hydrideiksi, joissa sen hapetusluku on poikkeuksellisesti −I. Vedyn ionisoitumisenergia on noin 1 310 kJ/mol, siis paljon suurempi kuin varsinaisilla alkalimetalleilla, joilla se on noin 400–500 kJ/mol. Tässä suhteessa vety muistuttaa enemmänkin halogeeneja. Myös vedyn elektronegatiivisuus on paljon suurempi kuin varsinaisten alkalimetallien.
Vetyä yhdistää alkalimetalleihin kuitenkin sen alhainen elektroniaffiniteetti, toisin sanoen energia, joka vapautuu tai sitoutuu, kun kaasumaisessa muodossa olevan alkuaineen atomiin lisätään yksi elektroni. Vedyn elektroniaffiniteetti on 73 kJ/mol eli vetyyn sitoutuu energiaa 73 kJ/mol. Muilla alkalimetalleilla vastaava arvo on 46–60 kJ/mol ja halogeeneilla se on −270 – −349 kJ/mol. Yhdistävänä tekijänä on myös se, että vedyn uloin atomiorbitaali on alkalimetallien tapaan s-orbitaali, mutta halogeeneilla uloin orbitaali on p-orbitaali.

Reaktiivisuus

Vety esiintyy kaksiatomisena molekyylinä, joka on tavallisissa lämpötiloissa hyvin pysyvä, eikä kovin reaktiivinen. Tämä johtuu osittain vetymolekyylin vetyatomien välisen kovalenttisen sidoksen suuresta sidosenergiasta, joka on 436 kJ/mol. Molekyylin hajottamiseen tarvitaan suuri määrä energiaa, eivätkä kaikki vetymolekyylit ole hajonneet vetyatomeiksi edes yli 4 700 °C:n lämpötilassa. Hapen ja halogeenien kanssa se kuitenkin reagoi hyvin voimakkaasti, jopa räjähdysmäisesti, muodostaen vettä tai vetyhalogenideja.
Atomaarinen vety sen sijaan on hyvin reaktiivista. Se on voimakas pelkistin, joka pelkistää jopa natriummetallia natriumsuoloista, ja erityisen voimakkaasti se reagoi halogeenien ja muiden voimakkaiden hapettimien kanssa. Siksi atomaarista vetyä ei esiinny luonnossa vapaana.

Sidokset

Vety muodostaa itsensä ja muiden alkuaineiden kanssa kovalenttisen sidoksen, koska vedyn elektronegatiivisuus on korkea 2,1. Vety muodostaa niin sanotun σ-sidoksen eli yksinkertaisen sidoksen. Sidos on pyörähdyssymmetrinen: vety pystyy pyörimään sidoksen suhteen ilman, että sidos katkeaa. Hybridisaatiomallissa vety on poikkeus siinä mielessä, että vedyn atomiorbitaali ei hybridisoidu muun orbitaalin kanssa.
Vety on olennaisessa osassa myös vetysidoksen synnyssä molekyylien välille. Vetysidos on vahvin heikko sidos, joka syntyy poolisessa molekyylissä olevien vedyn ja hapen, typen tai fluorin (N, O, F) välille. (Molekyylin vety muodostaa vetysidoksen toisen molekyylin N, O, F-atomin kanssa.) Yhdisteillä, joilla esiintyy vetysidoksia, on poikkeuksellisen korkea sulamis- ja kiehumispiste. Tämä johtuu vetysidosten voimakkuudesta. Erityisen korkea sulamis- ja kiehumispiste on vedellä, sillä vesimolekyyli muodostaa neljä vetysidosta. Elämän kannalta veden korkea sulamis- ja kiehumispiste ovat elintärkeitä.

Hapot ja emäkset

Happo ja emäs on Brønsted–Lowry-teoriassa määritelty siten, että happo on aine, joka luovuttaa positiivisen vetyionin (H⁺) eli protonin emäkselle. Emäs taas on aine, joka vastaan­ottaa vetyionin hapolta. Happamat vesiliuokset syntyvät, kun happo luovuttaa yhden protonin vedelle, jolloin liuokseen syntyy oksoniumioneja (H₃O⁺). Oksoniumionit aiheuttavat liuoksen happamuuden. Emäksiset vesiliuokset syntyvät, kun emäs reagoi veden kanssa muodostaen hydroksidi-ioneja (OH⁻). Happamuus tai emäksisyys riippuu liuoksessa olevien oksonium- ja hydroksidi-ionien lukumäärästä.

Vedyn löytäminen

Sveitsiläistä, 1500-luvulla elänyttä alkemistia Paracelsusta pidetään ensimmäisenä vedyn havaitsijana. Liuottaessaan rautaa rikkihappoon hän huomasi kehittyvän kaasua, jota hän kuvaili sanoin ”ilmaa nousee ja hajoaa kuin tuuli”. Paracelsus ei ollut varma, mitä oli tuottanut, eikä hän myöskään selvittänyt vedyn ominaisuuksia. Vuonna 1670 englantilainen Robert Boyle tuotti vetyä sekoittamalla rautaviilajauhoa laimeaan suolahappoon ja rikkihappoon. Boyle kuvasi vetyä tulenaraksi kaasuksi, jonka vertaista hän ei ollut koskaan aiemmin havainnut, ja nimitti sitä ”Marsin palavaksi liuokseksi”. Boyle huomasi syntyneen kaasun palavan ainoastaan, jos ilmaa oli saatavilla. Hän myös havaitsi, että palamisessa kului ilmaa ja palamistuotteet painoivat enemmän kuin palaneet aineet.
Puhdasta vetyä valmisti ensimmäisenä englantilainen kemisti-fyysikko ja Britannian rikkaimpiin kuulunut Henry Cavendish vuonna 1766 antamalla raudan reagoida laimean rikkihapon kanssa. Hän itse ei kuitenkaan uskonut löytäneensä vetyä, vaan oletti sen olevan flogistonia. Hän arveli kaasun lähtevän metallista eikä haposta, ja käytti siitä nimeä ”metallien palava ilma”. Tutkimuksissaan Cavendish havaitsi vedyn ja ilman seoksen räjähtävän, ja hän päätti myös laskea vedyn tiheyden. Laskelmissaan hän pääsi lopputulokseen, että vety on keveämpää kuin ilma. Tutkittuaan räjähdyksessä tiivistynyttä pisaraa hän totesi sen olevan vettä. Tämän vuonna 1781 tehdyn kokeen ansiosta hän tuli todistaneeksi Aristoteleen ja muiden antiikin luonnonfilosofien olleen väärässä, kun nämä väittivät veden olevan alkuaine.
Cavendishia pidetään vedyn löytäjänä, mutta nimen sille antoi ranskalainen kemisti Antoine Lavoisier. Lavoisier todisti vuonna 1783, että vesi sisältää Cavendishin aiemmin löytämää ”palavaa ilmaa” ja happea. Lavoisier antoi vedylle nimen hydrogène. Nimen lähtökohtana ovat kreikankieliset sanat ὕδωρ (hydor, vesi) ja γίγνομαι (gignomai, muodostaa, synnyttää) eli vedenmuodostaja. Nimi tulee vedyn palamisreaktiosta, josta syntyy reaktiotuotteena vettä. Myös suomenkielinen sana vety viittaa veden muodostamiseen; se esiintyi ensimmäisen kerran kirjakielessä vuonna 1851.

Kylmätutkimus

Vielä 1900-luvun alussa vedylle oli keksitty vain muutamia käyttökohteita: sitä käytettiin niin sanotuissa kalkkivaloissa, jotka olivat teatterien parrasvaloja, ja ilmalaivojen täyttökaasuna.
Kryogeniikka eli matalien lämpötilojen tutkiminen alkoi vuoden 1880 tienoilla. Ranskalainen kaivosinsinööri Louis Cailletet ilmoitti vuonna 1877 havainneensa nestemäisiä happipisaroita. Muutamaa päivää aiemmin sveitsiläinen fyysikko Raoul Pictet oli ilmoittanut myös onnistuneensa hapen nesteyttämisessä, mutta eri tavalla. Matalien lämpötilojen tutkimus oli 1900-luvun vaihteessa hyvin kallista, ja vain harvat yliopistot kykenivät tarjoamaan tarvittavia laboratorio-olosuhteita. Hapen nesteyttämisen jälkeen alkoi kansainvälinen kilpailu siitä, kuka onnistuisi ensimmäisenä vedyn nesteyttämisessä. Kilpailua käytiin lähinnä Euroopassa, sillä suurin osa fyysikoista oli siihen aikaan eurooppalaisia. Kilpailu oli riitojen ja prioriteettikysymysten värittämää alusta alkaen, ja hätäiset tulokset olivat tavallisia arvovallasta kilpailtaessa. Ensimmäisenä onnistui vuonna 1898 skotlantilainen kemisti James Dewar, jonka työtä helpotti hänen aiempi keksintönsä vakuumikryostaatti eli termospullo. Termospullo johtaa huonosti lämpöä, koska siinä on kaksi hopeoitua lasiseinää, joiden välissä on tyhjiö. Dewar käytti sitä pitääkseen hyvin kylmät nesteet kylminä ja onnistui valmistamaan nestemäistä vetyä yhteensä 20 millilitraa. Sen jälkeen Dewar halusi valmistaa kiinteää vetyä, missä hän onnistuikin jo seuraavana vuonna.
Harold Urey havaitsi Columbian yliopiston kollegoidensa kanssa spektroskooppisissa tutkimuksissaan höyrystyneessä vedyssä poikkeavaa ainetta, jonka rakenne oli muuten sama kuin vedyn, mutta sillä oli ytimessään yksi neutroni. Deuteriumiksi nimetyn aineen atomimassa oli kaksinkertainen verrattuna vetyyn. Ureyn johdolla tutkijat tuottivat elektrolyysin avulla kahdesta deuteriumatomista ja yhdestä happiatomista koostuvaa raskasta vettä. Raskaalla vedellä on sovelluksia muun muassa ydinvoimaloissa.

Käyttö

Tällä hetkellä vetyä käytetään eniten kemianteollisuudessa, kun kidevedetöntä ammoniakkia tehdään osana lannoitteiden valmistusprosessia. Valmistus tapahtuu Haber–Bosch-menetelmällä, jossa vety ja typpi yhdistyvät ammoniakiksi.
Toinen huomattava käyttäjä on öljynjalostus, jossa vedyn avulla voidaan kasvattaa hiilivetyjen vety–hiilisuhdetta ja saada ne palamaan puhtaammin. Muita käyttökohteita ovat muun muassa oksidien poisto rautamalmeista, rikin poisto öljystä ja metanolin valmistus hiilimonoksidista. Yhteensä vetyä käytetään noin 50 miljoonaa tonnia vuodessa, ja kulutus kasvaa nykyisin noin 4–10 % vuodessa.
Suuria määriä vetyä käytetään myös tyydyttymättömien kasvirasvojen kovettamiseen vedyttämällä. Vety liittyy tyydyttymättömien rasvojen kaksoissidoksiin, jolloin niistä tulee yksinkertaisia sidoksia ja rasvahapot muuttuvat tyydyttyneiksi.
Vetyä on käytetty myös muun muassa ilmapallojen täytteenä ja heliumin rinnalla ilmalaivojen täyttökaasuna. Vedyn vaarallisuus tuli esille muun muassa ilmalaiva Hindenburgin tuhossa. Hindenburgissa käytettiin vetyä, koska Yhdysvalloilla oli heliumin teollisen valmistuksen monopoli eikä se myynyt heliumia esim. Saksalle. Nykyään tosin vaikuttaa siltä, että onnettomuuden todellinen syy olikin ilmalaivan ulkokuoren erittäin tulenarka kyllästeaine.
Nestevety on nestemäistä ajoainetta käyttävien kantorakettien tehokkaimpia polttoaineita. Hapettimena on yleensä nestehappi. Komponenttien pysymiseksi nestemäisinä tulee lämpötilan olla kylmä, vähintään −183 °C. Tällaista seosta kutsutaan kryogeeniseksi ajoaineeksi. Koska polttoaine tulee pitää hyvin kylmänä, sen pitkäaikainen säilyttäminen on hankalaa.