fem spännande fakta om Mighty Hydrogen

5 intressanta fakta om väte:

1. Element nummer ett var inte det första elementet som upptäcktes.
2. väte är det enda ”neutronfria” elementet i universum.
3. vätgas närvaro i vatten är inte den enda anledningen till att det är viktigt för livet.
4. väte driver redan allt du använder.
5. metalliskt väte kan vara en superledare vid rumstemperatur…och trotsa tyngdkraften.

förra veckan tog vi dig tio vetenskap och teknik ”första” möjliggjort av mäktigt väte. Den här veckan följer vi upp med en annan lista: fem intressanta fakta som kan trotsa dina vanliga övertygelser om det enklaste av alla atomer. Väte är fullt av överraskningar eftersom det beter sig som inget annat element i universum. Du kan hitta det rasande brinnande i stjärnor, försiktigt hålla livets molekyler tillsammans, eller inte hitta det alls—även om det är praktiskt taget överallt.

närbild på solens vätefläckar. Solar Dynamics Observatory, NASA. Creative Commons Licensiering.

här är fem nyfikna fakta om väte som jag tycker är spännande och värt att notera i veckans inlägg.

Element nummer ett var inte det första elementet som upptäcktes

det sitter i Nummer ett i det periodiska systemet. Dess atomnummer av ett betyder att det har en enda proton i sin kärna. Ändå bedrar denna position nummer ett: det tog oss tusentals år att upptäcka väte. Det är svårt att föreställa sig, men 18 andra element identifierades innan vi upptäckte den vanligaste av dem alla. Här är en intressant tidslinje för de element som upptäckts före väte. Koppar, bly, guld, silver, järn, kol, tenn, svavel, kvicksilver, zink, arsenik och antimon upptäcktes alla i antiken. Detta är inte förvånande, eftersom de flesta av dessa element är fasta och lätt kan hittas i naturen i sin rena form. När civilisationen gjorde framsteg hittades fler element när människor extraherade dem från sina naturliga tillstånd. Detta var fallet för de kommande sex elementen-alla upptäcktes efter 16-talet: fosfor, kobolt, platina, nickel, vismut, och magnesium. Tiden för väte kom 1766 när Henry Cavendish var den första som isolerade och karakteriserade väte som en diskret substans och namngav gasen ”brandfarlig luft.”Det var först 15 år senare som han upptäckte att när väte brann, kombinerades det med syre för att producera vatten. Cavendish insåg att han faktiskt hade upptäckt ett element, inte bara ett ämne.

väte är det enda ”neutronfria” elementet i universum

vi studerade det alla i skolan: ett diagram med en enda sfärisk proton som bildar kärnan och en ensam elektron som beskriver banan runt den. Ingen neutron. Som ett solsystem på en planet är väteatomen elegant och enkel. Det är faktiskt denna eleganta enkelhet (och brist på neutron) som skiljer den från varandra, vilket gör väte till det go-to-element som forskare har använt i århundraden för att förstå den subatomära världen. Ändå är inte allt väte skapat lika. 1910 upptäckte den brittiska radiokemisten Frederick Soddy isotoper medan han observerade den naturliga strålningsprocessen som förekommer i alla element. Han noterade att denna process kan leda till atomer som skilde sig åt i deras vikter (antalet protoner och neutroner som bildar atomens kärna) men var kemiskt identiska. Soddy arbetade med väte och upptäckte Deuterium, som är en isotop av väte som har en neutron (och kallas också tungt väte). Den vanligaste formen av väte (H1) har en proton i kärnan och en elektron som kretsar runt den. I sin sällsynta form har Deuterium (H2) tre partiklar: en proton, en elektron och en neutron. Deuterium förekommer naturligt, innefattande 0.015% av allt väte i universum. Intressant är att förekomsten av deuterium vid en låg, men konstant, primordial fraktion i alla väteämnen är ett av huvudargumenten till förmån för Big Bang-teorin.

vätgas närvaro i vatten är inte den enda anledningen till att det är viktigt för livet

vatten är viktigt för livet som vi känner det. När vi söker efter liv någon annanstans följer vi vattnet. Dussintals rymdprober har lanserats efter upptäckten av vatten på Mars och flera av månarna som kretsar kring Jupiter och Saturnus. Här på jorden tror forskare att livet började när en blandning av primordiala aminosyror i vatten antändes av någon elektrokemisk reaktion. Från det ögonblicket använder allt liv på vår planet vatten. Eftersom varje vattenmolekyl har två väteatomer för varje syreatom följer det att väte är nödvändigt för livet. Väte spelar emellertid en annan lika avgörande roll för att stödja livet, bokstavligen. Väte är viktigt för DNA. Molekylens dubbla spiralstruktur hålls samman av vätebindningar. Specifikt stannar de två DNA-strängarna tillsammans med vätebindningar som uppstår mellan komplementära nukleotidbaspar. Två vätebindningar förekommer mellan adenosin-och tyminbasparen; och mellan cytosin-och guaninbasparen finns tre vätebindningar. Utan dessa vätebindningar som limar molekylens två armar tillsammans, skulle det inte finnas någon dubbel helix; och utan det, inget liv.

väte driver redan allt du använder

på ett sätt är väteekonomin redan här: du kan omedvetet använda väte för att driva allt—från ditt hem till din bil. Detta gäller oavsett om du använder traditionell eller alternativ energi, om du har en gashungrig Hummer eller en elektrisk Nissan Leaf, och om du har solpaneler på ditt tak eller använder nätet. Allt börjar i mitten av solen. Solens kärnbränder omvandlar väte till helium och frigör energi i form av fotoner som kommer hit på bara åtta minuter. För miljontals år sedan användes dessa fotoner av gamla växter för fotosyntes. Dinosaurier och andra organismer som matas från dessa växter, och när de dog, förblir deras kol kombinerat med vatten och sönderdelas i kolväten (olja, kol och naturgas) som driver våra bilar och fabriker idag. Om dessa fotoner träffade din solpanel var det väte som producerade dem i första hand. Detsamma gäller för el som laddar elbilar och apparater: den produceras antingen av vatten i dammar (H2O), produceras med turbiner som drivs av bensin eller naturgas (kolväten) eller produceras i en kärnreaktor vars bränsle tillverkades när väte gjorde sin magi i mitten av de flesta stjärnor. Detta ständigt närvarande, mäktiga element har potentialen att gå ännu längre—att driva vårt samhälle på egen hand, som vätgasbränsle, på ett rent och hållbart sätt.

metalliskt väte kan vara en superledare vid rumstemperatur…och trotsa tyngdkraften

för några månader sedan sprang Scientific American en intressant artikel med titeln ”loppet att förvandla Gasigt väte till fast metall.”Artikeln undersökte några av de okonventionella egenskaper som metalliskt väte skulle ha om det kunde produceras i labbet. Rent väte är en gas. För att göra det till en vätska krävs högt tryck och super kalla temperaturer; det är därför det är så dyrt att lagra och transportera. Att göra väte metalliskt skulle kräva enorma tryck-liknande de tryck som finns i mitten av stjärnor—vilket är det enda stället där väte tros vara metalliskt. Artikeln förklarar hur flera vetenskapsteam börjar utforska användningen av diamanter och lasrar för att tillämpa de tryck som krävs. Hittills har de kunnat replikera trycket i mitten av planeterna, men de har ett sätt att gå innan vi kan se metalliskt väte i form av en superfluid. Denna superfluidmetall skulle ha några spännande egenskaper. Till att börja med, som artikeln säger, ”om metalliskt väte är en superfluid, kan forskare ha ett material på sina händer som trotsar förståelsen. Alla superledare som vi vet är solida … och alla superfluider är isolatorer. Detta flytande väte skulle vara en superledare och superfluid samtidigt—inget som detta har någonsin observerats.”Det finns också vetenskapliga spekulationer om att den andra okonventionella egenskapen hos denna superfluid skulle ”trotsa gravitationen” men det skulle ta oss in i ren spekulations rike. Så, låt oss bara lämna metalliskt väte som en superledande vätska, vilket är ganska imponerande och unikt på egen hand.

sedan den första observationen av Schweizisk alkemist Paracelsus 1536 har väte fascinerat och förvånat forskare i nästan 500 år. Det ”väsentliga elementet” som den amerikanska fysikern och författaren John Rigden kallade det, trotsar kontinuerligt våra arbetsantaganden och utmanar vetenskapen att gräva vidare för att främja vår förståelse för den naturliga världens inre verkningar. Det första elementet tillåter oss inte bara att se långt in i kosmos och djupt in i vårt eget DNA, men det har också potential att bli den rena och rikliga energikällan som kan hjälpa oss att ta itu med den pressande hållbarhetsfrågan vi står inför idag.