Getið þið leyst úr deilu milli mín og pabba um það hvort frumefnið vetni sé búið til úr vatni?

Nafn þitt

Netfang þitt

Netfang móttakanda

Ruslpóstvörn =

Svar

Getið þið leyst úr deilu milli mín og pabba um það hvort frumefnið vetni sé búið til úr vatni?
Spurningin í heild sinni hljóðaði svona:

Ég og pabbi minn erum búin að vera í deilum í langan tíma vegna vetnis. Mér datt í hug að láta Vísindavefinn útkljá vandamálið. Vetni er frumefni. Vetni + súrefni búa til vatn, ekki satt? En vetni er ekki búið til úr vatni er það nokkuð?

Efnaformúla vatns er H₂O sem þýðir að vatnssameind samanstendur af einni súrefnisfrumeind (efnatáknið O) og tveimur vetnisfrumeindum (efnatáknið H) eins og sjá má á myndinni hér fyrir neðan.

Það er rétt hjá spyrjanda að það er hægt að mynda vatn úr vetni og súrefni; það er gert með því að bera eld eða neista að vetnisgasi í súrefnisríku umhverfi. Alþjóðlega orðið fyrir vetni er einmitt „hydrogen“, sem kemur úr grísku og þýðir „vatnsmyndandi“^[1]. Efnajafnan fyrir myndun vatnsins er eftirfarandi:

$$ 2H_{2 (g)} + O_{2 (g)} \rightarrow 2H_{2}O _{(l)} $$

þar sem g stendur fyrir lofttegund (e. gas) og l stendur fyrir vökva (e. liquid).

En er hægt að snúa efnahvarfinu við og mynda vetni úr vatni? Og er sú aðferð notuð til að framleiða vetni í heiminum? Lítum nánar á það.

Vetni er algengasta frumefnið í heiminum, um 92% af fjölda atóma og um 74% af heildarmassa allra atómanna. Helín er það næst algengasta (um 8% af fjölda og 23-25% af massa)^[2] og í þriðja sæti er súrefni. Allt vetni sem til er í heiminum í dag varð til skömmu eftir Miklahvell (e. Big Bang) enda einfaldasta og léttasta frumefnið með einungis eina róteind (e. proton) í kjarnanum og eina rafeind (e. electron) sem sveimar í kringum kjarnann. Helín er næst léttasta frumefnið en í kjarna þess eru tvær róteindir og tvær nifteindir (e. neutron) og í kringum þessar eindir sveima tvær rafeindir. Helín myndaðist á svipuðum tíma og vetni eftir Miklahvell.

Öll frumefni heimsins (fyrir utan vetni) myndast við kjarnasamruna í sólum eða þegar stjörnur springa. Hluti af því helíni sem er til í heiminum hefur til dæmis myndast við kjarnasamruna vetnis í sólum og því fara vetnisbirgðir heimsins sífellt minnkandi á meðan helín og öðrum frumefnum (meðal annars súrefni) fjölgar.

Eins undarlega og það kann að hljóma þá er vatn eitt algengasta efnasamband sólkerfisins okkar. Vatn var til staðar þegar sólkerfið okkar og vetrarbrautin mynduðust og því einnig þegar jörðin myndaðist. Það er þó talið að stærsti hluti vatns jarðarinnar hafi borist með hnöttum utan úr sólkerfinu eins og til dæmis halastjörnum og smástirnum.

Einungis um 0.00005%^[3] af andrúmslofti jarðarinnar er vetnisgas og er nánast allt vetnið á jörðinni bundið í efnasamböndum. Vetnisgas þarf því að framleiða með því að einangra vetni úr efnasamböndum. Um 96% vetnis á jörðinni er framleitt út jarðgasi (e. natural gas), olíu og kolum, en lífmassi (e. biomass) er einnig notaður^[4][5][6]; þessar leiðir þurfa mikinn hita við vetnisframleiðslu. Afganginn af vetnisframleiðslu jarðarinnar, um 4%, má rekja til rafgreiningar (e. electrolysis) á vatni en þá er vatn klofið í vetni og súrefni með því að hleypa rafstraumi í gegnum vatnið eins og sjá má á eftirfarandi efnajöfnu:

$$ 2H_{2}O _{(l)} \rightarrow 2H_{2 (g)} + O_{2 (g)} $$

Við þessa aðgerð myndast vetnisgas við katóðuna (e. cathode) og súrefnisgas við anóðuna eins og lýst er í svarinu Hversu mikla orku þarf til að rafgreina vetni úr vatni? Við hvaða straum næst besta nýtnin?

Vetnisframleiðsla er mikilvæg á heimsvísu enda vetni nauðsynlegt í ýmis konar iðnaðarferla, eins og til dæmis við olíuhreinsun, framleiðslu á ammóníaki (NH₃), metanóli (CH₃OH) og saltsýru (HCl), en einnig sem eldsneyti fyrir farartæki.

Eitthvað er um vetnisframleiðslu á Íslandi og er vetnið allt framleitt með rafgreiningu enda nóg af rafmagni til staðar hér. Ein af framleiðslustöðvunum er Hellisheiðarvirkjun og er næturtíminn þá nýttur í vetnisframleiðsluna því þá er nóg af umframrafmagni til staðar.

Stutta svarið við spurningunni er því, 4% af vetni hér á jörðinni er búið til úr vatni en meginhluti þess er búinn til með öðrum leiðum.

Tilvísanir:

1. ^ Hydrogen - Wikipedia. (Sótt 28.04.2020).
2. ^ Abundance of the chemical elements - Wikipedia. (Sótt 28.04.2020).
3. ^ Table of gaseous composition of dry air. (Sótt 28.04.2020).
4. ^ A comparative overview of hydrogen production processes - ScienceDirect. (Sótt 28.04.2020).
5. ^ Hydrogen production - Wikipedia. (Sótt 28.04.2020).
6. ^ Vetnisframleiðsa. Kynning á fagþingi Samorku 22. – 24. maí 2019. (Sótt 28.04.2020).

Myndir:

• File:Water-3D-balls.png - Wikipedia. (Sótt 15.04.2020).
• Rafgreining vatns, unnið af ritstjórn úr glósum Guðbjarts Kristóferssonar. (Sótt 24.03.20).

Aðrir spyrjendur sem hafa spurt sambærilegrar spurningar eru: Árni Friðrik Guðmundsson, E.L. og Salóme Ólafsdóttir.

...