Waterstof

Waterstof is een scheikundig element met symbool H en atoomnummer 1. Het is een kleurloos niet-metaal. Men spreekt ook wel van waterstofgas, wat een pleonasme is, want waterstof is bij normale temperatuur en druk altijd een gas.

Inhoud

1 Ontdekking
2 Toepassingen
3 Chemische eigenschappen
4 Fysische Eigenschappen
5 Verschijning
6 Productie
7 Isotopen
8 Toxicologie en veiligheid
9 Externe links

[bewerk] Ontdekking

In 1671 beschreef de Britse chemicus Robert Boyle in een publicatie een brandbaar gas dat vrijkwam bij een reactie tussen ijzer en verdund zuur. Veel later pas ontdekte de Britse wetenschapper Henry Cavendish in 1766 dat het een chemisch element betrof toen hij experimenten uitvoerde met kwik. Hoewel hij veel eigenschappen zeer nauwkeurig wist te beschrijven, vermoedde hij dat in plaats van het zuur, het metaal de bron van het gas was. Daarom noemde hij zijn nieuw ontdekte element brandbaar gas van metalen. Enkele jaren later gaf Antoine Lavoisier waterstof de huidige naam. De naam waterstof is afkomstig van de Griekse termen hydrogenium en genes welke vertaald kunnen worden als watermaker.

[bewerk] Toepassingen

Voor industriële toepassingen zijn grote hoeveelheden waterstof nodig in zogenaamde hydrogenatie-reacties, onder andere in het Haber-Boschproces waarin ammoniak geproduceerd wordt, het harden van vetten en oliën en de productie van methanol.

Ander toepassingen waar waterstof voor nodig is:

Hydro-alkylatie, hydro-ontzwaveling, hydro-kraken.
Productie van zoutzuur, lassen, als raketbrandstof, en voor reductie van metaalertsen.
Vloeibaar waterstof wordt gebruikt bij cryogeen onderzoek, onder meer in studies naar supergeleiding,
Tritium wordt geproduceerd in kernreactoren en is nodig voor de fabricatie van een waterstofbom.
Waterstofgas weegt slechts 1/14 van een gelijk volume aan lucht. Om die reden werd het in het verleden veel toegepast als vulling in ballonnen en zeppelins. Vanwege de brandbaarheid wordt dit tegenwoordig veel minder gedaan.
Deuterium wordt in nucleaire toepassingen gebruikt als moderator om neutronen te vertragen. Deuteriumverbindingen vinden ook toepassingen in de chemie en biologie bij studies naar isotoopeffecten op reacties, en voor gebruik in NMR-experimenten en neutronenverstrooiing waar gewoon waterstof de meting zou verstoren.
Tritium wordt in biologische en biomedische wetenschappen gebruikt als isotooplabel, en als stralingsbron in lichtgevende verf.
Waterstofgas wordt gebruikt voor het koelen van generatoren met een vermogen groter dan 200 MW.

Waterstof kan als brandstof dienen in een verbrandingsmotor. Waterstofbrandstofcellen worden beschouwd als een manier om in de toekomst goedkoop en milieuvriendelijk elektrische energie te produceren.

[bewerk] Chemische eigenschappen

Waterstof komt bij standaard temperatuur en druk voor als een kleurloos, reukloos en zeer ontvlambaar twee-atomig gas (H₂). Waterstof is éénwaardig en behoort tot de niet-metalen. Onder extreem hoge druk, zoals bijvoorbeeld voorkomt in gasreuzen, zoals de planeten Jupiter en Saturnus, komt metallisch waterstof voor. Dit komt doordat de moleculen onder extreem hoge druk hun identiteit verliezen. Het waterstof wordt dan een vloeibaar metaal. Bij extreem lage druk, zoals voorkomt in de ruimte tussen de sterren, komt waterstof vooral voor in de vorm van losse atomen, eenvoudig omdat er geen gelegenheid is om tot een molecuul te combineren.

Waterstof kan met de meeste andere elementen verbindingen aangaan. De elektronegativiteit van waterstof is 2,2, daarom kan het in verbindingen zowel de meer metallische als de meer niet-metallische component zijn. Eerstgenoemde verbindingen worden hydriden genoemd, waarbij waterstof ofwel als H^- ionen deelneemt ofwel als atomen tussen het rooster van een ander element als opgeloste stof (zoals bijvoorbeeld in Palladium hydride). In de laatstgenoemde verbindingen kan het waterstof worden gezien als covalent gebonden.

Het H⁺ ion komt in de chemie nooit alleen voor. Dit zou slechts een kern zonder elektronenschil zijn die daarom sterk de neiging heeft elektronen aan te trekken. In een zure oplossing, die vaak wordt beschreven als een oplossing waarin vrije H⁺ ionen voorkomen, zijn die ionen echter gebonden in ionen als H₃O⁺ omdat de protonen zo reactief zijn.

Waterstof kan samen met zuurstof water vormen, H₂O. Hierbij komt veel energie vrij. Daarom is een mengsel van waterstof en zuurstof, dat ook wel bekend staat als knalgas, explosief.

Dideuteriumoxide, of D₂O, wordt meestal zwaar water genoemd.

Waterstof kan ook veel verschillende verbindingen met koolstof aangaan. Dergelijke verbindingen worden organische verbindingen genoemd, omdat veel ervan in levende organismen voorkomen. Het onderzoek naar de eigenschappen van deze verbindingen wordt organische chemie genoemd.

Het waterstofatoom met één proton en één elektron

[bewerk] Fysische Eigenschappen

Waterstof vormt het lichtste gas en heeft bij normale druk een kookpunt van slechts 20,27 K en een smeltpunt van 14,02 K.

Waterstof is het meest voorkomende element in het heelal. Water, organische stoffen en levende organismen bestaan onder andere uit waterstof. Wolken van waterstof staan aan de oorsprong van stervorming. Sterren bestaan een groot deel van hun bestaan vooral uit waterstof in de plasmafase.

Waterstof speelt een vitale rol in het op gang houden van processen in het universum door de kernfusie processen tussen waterstofatomen waarbij helium kernen worden gevormd. Hierbij komen enorme hoeveelheden energie vrij.

Onder normale omstandigheden is waterstofgas een mengsel van twee verschillende soorten moleculen die van elkaar verschillen in de draairichting die de atoomkernen hebben, ook wel 'spin' genoemd. Deze twee vormen worden ortho- en parawaterstof genoemd (niet te verwarren met isotopen, zie hier onder). Bij normale temperatuur en druk bestaat waterstof voor 25% uit de para- en 75% uit de orthovorm. De orthovorm kan niet in zuivere vorm bereid worden. De twee vormen hebben een ongelijk energieniveau en daarmee licht verschillende fysische eigenschappen. Zo zijn bijvoorbeeld de smelt- en kookpunten van parawaterstof ongeveer 0,1 K lager dan die van orthowaterstof (de zogenaamde 'normale' verschijningsvorm).

[bewerk] Verschijning

Het element waterstof is het meest voorkomende element in het heelal. Meer dan 90% van de atomen in het heelal zijn waterstofatomen, zij vormen meer dan 75% van de atomaire massa in het universum.

Het element wordt in kolossale hoeveelheden aangetroffen in sterren en reusachtige gasplaneten. In de aardatmosfeer daarentegen is waterstof als element nauwelijks aanwezig (1 ppm), het is als gas zo licht dat het langzaam maar zeker naar de ruimte ontsnapt.

Een groot deel van de waterstofatomen die op aarde voorkomen is gebonden in water. Een watermolecuul bestaat uit twee waterstofatomen en een zuurstofatoom (H₂O). Verder komen waterstofatomen veel voor in organische verbindingen en fossiele brandstoffen. Methaan (CH₄), dat als bijproduct ontstaat bij de afbraak van organisch materiaal, is een belangrijke leverancier van waterstof voor de industrie.

[bewerk] Productie

Zie Waterstofproductie voor het hoofdartikel over dit onderwerp.

Waterstofgas kan op verschillende manieren worden gemaakt:

reforming van aardgas;
elektrolyse van water;
stoom over verhit koolstof;
koolwaterstoffen op hoge temperatuur af te breken in de elementaire bestanddelen;
natrium- of kaliumhydroxide met aluminium te laten reageren;
door zuren met metalen te laten reageren.

[bewerk] Isotopen

Meest stabiele isotopen
Iso	RA (%)	Halveringstijd	VV	VE (MeV)	VP
¹H	99,985	stabiel met 0 neutronen
²H	0,015	stabiel met 1 neutron
³H	syn	12,33 j	β	0,019	³He

De meest voorkomende stabiele isotoop van waterstof (¹H) bestaat uit slechts één proton en wordt soms wel protium genoemd. Deuterium (²H of D) is een andere stabiele isotoop die naast een proton ook een neutron in de kern bevat en maakt ongeveer 0,0184% tot 0,0082% van de totale waterstofvoorraad uit. Het derde waterstofisotoop is tritium (³H of T). Dit is een radioactief isotoop dat twee neutronen bevat en een halfwaardetijd van 12,33 jaar heeft.

Waterstof is het enige element dat voor zijn verschillende isotopen ook aparte namen heeft.

[bewerk] Toxicologie en veiligheid

Waterstofgas is licht ontvlambaar. De benodigde ontstekingsenergie bij waterstof (0,02 mJ) is meer dan een factor 10 kleiner dan bij methaan (0,29 mJ).
In de omgeving van waterstof geldt vanwege de lage benodigde ontstekingsenergie: geen open vuur, geen vonken en niet roken. Bij installaties is het aanbevolen om een elektrische aarding aan te brengen. (Zie ATEX).

Waterstof is relatief veiliger dan benzine. De energiedichtheid in volume is lager: vloeibare waterstof 2,36 kWh of 8,5 MJ per liter, benzine 8,76 kWh of 31.5 MJ per liter. Waterstof wordt vloeibaar bij een temperatuur van -253 graden Celsius.

Het brandpunt van waterstof ligt hoger dan bij benzine. Bij vrijkomen, (het is 14 maal lichter dan lucht) stijgt het op, waardoor het explosiegevaar minder is.

Op kamertemperatuur is bij gelijke energiewaarde het volume van waterstof circa 4 maal groter dan dat van benzine.

De grenswaarden waartussen een mengsel van waterstof en lucht ontvlambaar is ligt tussen de 4 en 75 vol %.
De temperatuur voor een spontane zelfontbranding van een waterstofluchtmengsel ligt op 585 °C.