Hydrogen

Fra Wikipedia, den frie encyklopedi

Hydrogen er det grunnstoffet i periodesystemet som har symbolet H og atomnummer 1. Ved standard temperatur og trykk er den en fargeløs, luktfri, ikke-metallisk, enverdig, særdeles brennbar, to-atomig gass. Hydrogen er det letteste og mest vanlige grunnstoffet i universet. Det finnes i vann, i alle organiske elementer og alle organismer. Hydrogen kan reagere med de fleste andre grunnstoffer.

Så godt som alle stjernene i hovedserien består av hydrogen i plasma-fase.

Grunnstoffet brukes i ammoniakk-produksjon, alternativt drivstoff og i den siste tiden som drivstoff for brenselceller.

I laboratoriet kan hydrogen fremstilles ved å la syrer reagere med et metall, f.eks. sink. For kommersiell produksjon blir hydrogen vanligvis fremstilt ved å bryte ned naturgass. Elektrolyse av vann er en enkel, men lite effektiv metode. Forskere prøver nå å utvikle nye metoder som benytter grønne alger for hydrogenproduksjon.

Innhold 1 Spesielle egenskaper 2 Anvendelser 3 Etymologi 4 Forekomst 5 Kjemiske forbindelser 6 Tilstandsformer 7 Isotoper 8 Forsiktighetsregler 9 Se også 10 Eksterne lenker

[rediger] Spesielle egenskaper

Hydrogen er det letteste grunnstoffet der den vanligste isotopen består av kun ett proton og ett elektron. Under STP danner hydrogen en to-atomig gass, H₂, med et kokepunkt på bare 20,27 K og et smeltepunkt på 14,02 K. Under ekstremt høyt trykk, som finnes i sentrum av gasskjemper, går hydrogen over til å bli et flytende metall (se metallisk hydrogen). Under det ekstremt lave trykket man finner i verdensrommet, har hydrogen en tendens til å eksistere som enkeltatomer siden det rett og slett ikke er mulig for dem å gå sammen.

Det kan dannes skyer av H₂ og blir forbundet med stjernefødsler.

Dette grunnstoffet spiller en viktig rolle ved å tilføre universet energi gjennom proton-proton-reaksjon og karbon-nitrogen-syklusen. (Dette er kjernefusjon-prosesser som avgir enorme mengder energi ved å kombinere to hydrogenatomer til ett helium-atom.)

[rediger] Anvendelser

Store mengder hydrogen trengs industrielt, særlig i Haberprosessen i ammoniakk-produksjon, i hydrogenerering av fett og oljer, og i produksjonen av metanol (tresprit). Hydrogen brukes også i hydrodealkylering, avsvovling med hydrogen og hydrokrakking.

Andre anvendelser:

• Grunnstoffet brukes i produksjonen av saltsyre, sveising, og reduksjon av metallisk malm.
• Det blir brukt som rakettdrivstoff.
• Flytende hydrogen er brukt i kryogenisk forskning, bl.a. superkonduktivitetsforskning.
• Siden hydrogen er fjorten og en halv gang lettere enn luft, ble det tidligere ofte brukt som løftekraften i ballonger og zeppelinere. Dette ble derimot sterkt innskrenket når Hindenburgkatastrofen viste offentligheten at gassen var alt for farlig til dette formålet.
• Deuterium, en isotop (hydrogen-2) av hydrogen brukes i kjernereaksjoner som en moderator for å bremse ned nøytroner. Deuteriumsammensetninger brukes også innen kjemi og biologi i studier av isotopeffekter.
• Tritium (hydrogen-3), som blir produsert i kjernereaktorer, brukes i bygging av hydrogenbomber. Det blir også brukt som en strålingskilde i selvlysende maling.

Hydrogen kan bli brukt i forbrenningsmotorer, og en flåte av hydrogenbiler blir vedlikeholdt av Chrysler-BMW. Det forskes på forurensingsfrie brenselceller som kan bruke hydrogen som drivstoff. På det viset kan energi distribueres med hydrogen som energibærer. Hvis hydrogenet produseres på en miljøvennlig måte, kan dette i framtiden bidra til en grønnere bilpark enn den vi har i dag.

[rediger] Etymologi

Hydrogen er fransk for vann-skaper, fra gresk hudôr, «vann» og gennen, «generere» og ble først oppdaget som et eget stoff i 1776 av Henry Cavendish. Antoine Lavoisier ga grunnstoffet sitt navn.

[rediger] Forekomst

Hydrogen er det mest vanlige grunnstoffet i universet, og utgjør 75% av normal materie etter masse og over 90% etter antall atomer. Grunnstoffet finnes i store mengder i stjerner og kjempe-gassplaneter. I forhold til den store forekomsten ellers er hydrogen veldig sjeldent i Jordas atmosfære (ppm etter volum). Den mest vanlige kilden for dette grunstoffet er vann som består av to deler hydrogen og en del oksygen (H₂O). Andre kilder er de fleste former av organisk materie (for tiden alle livsformer), kull, fossilt brensel og naturgass. Metan (CH₄), som er et biprodukt av organisk forråtnelse, blir en viktigere kilde til hydrogen.

Hydrogen kan oppstå på flere måter: damp fra oppvarmet karbon, spaltning av hydrokarboner vha varme, reaksjon mellom natriumhydroksid (kaustisk soda) eller kaliumhydroksid (KOH) og aluminum, vann elektrolyse, eller det spaltes av syrer ved reaksjon med visse metaller.

I kommersiell produksjon blir naturgass vanligvis spaltet.

[rediger] Kjemiske forbindelser

Som den letteste av alle gasser danner hydrogen kjemiske forbindelser med de fleste andre grunnstoffer. Hydrogen har en middels elektronegativitet på 2,2 og kan være det minst metalliske eller det mest metalliske i sine forbindelser. Førstnevnte kalles hydrider og er oftest forbindelser mellom hydrogen og metaller, der hydrogen foreligger enten som H^- ioner eller som et oppløst stoff inni det andre grunnstoffet (f.eks. palladium-hydrid). Sistnevnte er helst kovalente forbindelser, da H⁺ ionet bare ville være en kjerne bestående av et proton som ville ha en sterk tendens til å tiltrekke seg elektroner. Begge varianter danner syrer, men i sure løsninger ses ioner som H₃O⁺ idet protoner fester seg til andre molekyler.

I luft reagerer hydrogen med oksygen og danner vann, H₂O. Det frigjøres mye energi, og reaksjonen er eksplosjonsartet. Deuterium-oksid, eller D₂O, kalles vanligvis tungtvann. Hydrogen inngår også i en mengde forbindelser med karbon. Fordi slike forbindelser utgjør hovedbestanddelen av alle kjente levende organismer kalles de organiske forbindelser, og læren om disse kalles organisk kjemi.

[rediger] Tilstandsformer

Under normale betingelser er hydrogengass en blanding av to ulike slags molekyler som har forskjellig spinn i atomkjernene. De to formene kalles orto- og para-hydrogen (som ikke er det samme som isotoper, se nedenfor). I orto-hydrogen er kjernespinnet parallelt (danner en triplett), mens det i para-hydrogen er antiparallelt (danner en singlett). Ved standardbetingelser består hydrogen av ca. 25% av para-formen og 75% av orto-formen, den såkalt normale formen. Likevektsforholdet mellom de to er temperaturavhengig, men fordi orto-formen har høyere energi er den ikke stabil i ren tilstand. Ved lave temperaturer, omkring kokepunktet til hydrogen, foreligger nesten utelukkende para-formen.

Forvandlingen mellom de to formene er en treg prosess, og hvis hydrogen nedkjøles og kondenseres raskt, opprettholdes en høy andel av orto-formen. Dette har stor betydning ved industriell fremstilling og lagring av flytende hydrogen fordi orto-para forvandlingen frigjør mer varme enn fordampningsvarmen, og mye hydrogen kan gå tapt ved fordampning gjennom flere dager etter kondenseringen. Derfor brukes katalysatorer for orto-para forvandlingen under nedkjøling av hydrogen. De to formene har også litt forskjellige fysiske egenskaper. For eksempel er smeltepunktet og kokepunktet til para-hydrogen omtrent 0,1 K lavere enn for orto-hydrogen.

[rediger] Isotoper

Det er tre alminnelig kjente isotoper av hydrogen:

1. Den vanligste isotopen, protium (¹H), har ett proton og ingen nøytroner i kjernen. Denne isotopen er stabil og utgjør 99,985% av naturlig hydrogen.
2. Tungt hydrogen, deuterium (²H eller D), har ett proton og ett nøytron. Denne isotopen er også stabil og utgjør ca. 1/6000 eller 0,015% av naturlig hydrogen. Forholdstallet mellom deuterium og protium bestemmes ut fra VSMOW standard vann. Ca. 1/6000 av naturlig vann er «halvtungt» vann, DHO, og en enda mindre andel er tungtvann, D₂O.
3. Supertungt hydrogen, den radioaktive isotopen tritium (³H eller T), har ett proton og to nøytroner. I naturlig hydrogen finnes ett atom tritium blant 10¹⁷ – 10¹⁸ atomer vanlig hydrogen. Halveringstiden for tritium er 12,35 år.

Hydrogen er det eneste grunnstoffet med forskjellige navn for sine isotoper. Symbolene D og T er imidlertid ikke offisielt anerkjent.

[rediger] Forsiktighetsregler

Hydrogen er en svært brennbar gass. Den reagerer også voldsomt med klor og fluor.

[rediger] Se også

• Periodesystemet
• Isotoptabell
• Hydrogenbinding
• Hydrogenatomet
• Antihydrogen
• Brenselcelle

[rediger] Eksterne lenker

• WebElements.com - Hydrogen
• EnvironmentalChemistry.com - Hydrogen
• It's Elemental - Hydrogen