Waterstof
vanuit Wikipedia, die vrye ensiklopedie.
|
|||||||||||||||||||||||||||||||
| Algemeen | |||||||||||||||||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Naam, Simbool, Getal | Waterstof, H, 1 | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Chemiese reeks | nie-metale | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Reeks, Periode, Blok | 1 (IA), 1 , s | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Digtheid, Hardheid | 0.0899 kg/m3, NA | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Voorkoms | kleurloos |
||||||||||||||||||||||||||||||
| Atomiese eienskappe | |||||||||||||||||||||||||||||||
| Atoommassa | 1.00794 ame | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Atoomradius (bereken) | 25 (53) pm | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Kovalente radius | 37 pm | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Van der Waalsradius | 120 pm | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Elektronkonfigurasie | 1s1 | ||||||||||||||||||||||||||||||
| e- per energie vlak | 1 | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Oksidasietoestand (Oksied) | 1 (amfoteries) | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Kristalstruktuur | heksagonaal | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Fisiese eienskappe | |||||||||||||||||||||||||||||||
| Toestand van materie | gas | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Smeltpunt | 14.025 K (−434°F) | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Kookpunt | 20.268 K (−423 °F) | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Molêre volume | 11.42 ×10-6 m3/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Latente verdampingswarmte | 0.44936 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Latente smeltingswarmte | 0.05868 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Dampdruk | 209 Pa at 23 K | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Spoed van klank | 1270 m/s teen 298.15 K | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Diverse | |||||||||||||||||||||||||||||||
| Elektronegatiwiteit | 2.2 (Paulingskaal) | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Spesifieke warmte kapasiteit | 14304 J/(kg*K) | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Elektriese geleidingsvermoë | __ 106/(m·ohm) | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Termiese geleidingsvermoë | 0.1815 W/(m*K) | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Ionisasie potentiaal | 1312 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Mees stabiele isotope | |||||||||||||||||||||||||||||||
|
|||||||||||||||||||||||||||||||
| SI eenhede & STD word gebruik tensy anders vermeld. | |||||||||||||||||||||||||||||||
Waterstof (Latyn: hydrogenium), is die chemiese element in die periodieke tabel met die simbool H en atoomgetal 1.
By standaard temperatuur en druk (STD) is dit 'n kleurlose, reuklose nie-metaal, univalente, en hoogs ontvlambare diatomiese gas. Waterstof is die ligste element wat die meeste voorkom in die heelal. Dit is teenwoordig in water en in al die organiese stowwe en lewende organismes. Waterstof kan chemies reageer met die meeste ander elemente. Sterre in hul hoofstadium, se samestelling is hoofsaaklik waterstof in die plasmatoestand. Die element word gebruik in ammoniak produksie, as 'n dryfgas, 'n alternatiewe brandstof en meer onlangs as 'n kragbron deur middel van brandstofselle.
In die laboratorium word waterstof voorberei deur die reaksie van sure met metale soos sink. Vir kommersiële massaproduksie-doeleindes word waterstof vervaardig deur die omsetting van natuurlike gas deur 'n metaanhervormingsproses. Elektroliese van water is 'n eenvoudige dog oneffektiewe metode. Wetenskaplikes doen tans navorsing op nuwe metodes vir waterstofproduksie. Een van die metodes maak van groen alge gebruik. 'n Ander belowende metode behels die omsetting van bio-massa derivate soos glukose of sorbitol by lae temperature deur gebruik te maak van 'n nuwe katalis.
Inhoud |
[wysig] Kenmerkende Eienskappe
Waterstof is die ligste chemiese element en die algemeenste isotoop bestaan uit slegs 'n enkele proton en 'n elektron. By STD toestande vorm waterstof 'n diatomiese gas, H2, met 'n kookpunt so laag as 20.27 K en 'n smeltpunt van 14.02 K. Onder uitsonderlik hoë drukke, soos die wat mens by die kern van gasreuse vind verloor die molekules hulle identiteit en word die waterstof 'n vloeibare metaal (sien metallic hydrogen). Onder uitsonderlik lae druktoestande wat in die ruimte ervaar word, is Waterstof geneig om as enkele atome te bestaan, om die eenvoudige rede dat daar nie ander atome is om mee te kombineer nie; wolke H2 vorm in die ruimte en is is betrokke by stervorming.
Die element speel 'n noodsaaklike rol in die energie opwekking in die heelal deur die proton-proton reaksie asook die koolstof-stikstof siklus (Daar is kernfusie prosesse wat groot hoeveelhede energie vrystel deur die kombinasie van twee Waterstof atome om een helium atoom te vorm).
[wysig] Die Waterstof atoom
Die waterstof atoom is 'n atoom van die element Waterstof. Dit bestaan uit 'n enkele negatief gelaaide elektron, wat rondom 'n positief gelaaide proton wentel, wat die kern van die waterstof atoom vorm. Die elektron word aan die proton gebind deur Coulombiese kragte.
[wysig] Gebruike
Groot hoeveelhede waterstof word benodig in die chemiese nywerheid, veral in die Haberproses vir die vervaardiging van ammoniak, die hidrogenasie van vette en olies en die produksie van metanol. Verder word Waterstof gebruik in hidro-dealkielering,hidro-ontswaeling en hidrokrakingsprosesse.
Ander gebruike van Waterstof is:
- Die element word gebruik in die vervaardiging van soutsuur, sweiswerk en die reduksie van metaal erts.
- Dit word gebruik as vuurpylbrandstof.
- Vloeibare Waterstof word in kriogeniese navorsing gebruik, insluitende supergeleier-studies.
- Aangesien waterstof veertien en 'n half keer ligter as lug is, was dit eens algemeen gebruik as 'n dryfgas in lugballonne en lugvaartuie. Die gebruik daarvan is egter gestaak na die Hindenburg-ramp die publiek oortuig het dat die gas te gevaarlik was vir die doeleinde. Nogtans oorweeg deskundiges ná die oliekrisis van die jaar 1973 om waterstofaangedrewe passasiersvliegtuie as 'n alternatief tot kerosienenjins te ontwikkel. Die eerste Russiese passasiersvliegtuig, wat vloeibare waterstof as brandstof gebruik, die Tupolev-155 ('n gemodifiseerde Tupolev-154-straler), is op 15 April 1988 suksesvol getoets.
- Deuterium, 'n waterstof isotoop (waterstof-2) word gebruik in kernfissie aanwendings as 'n moderator om neutrone te vertraag en word ook gebruik in kernfusie reaksies.
- Deuterium bevattende stowwe vind ook toepassing in chemie en biologie asook in studies van isotoop effekte in reaksies.
- Tritium (waterstof-3), word vervaardig in kernreaktore en word gebruik om waterstofbomme te vervaardig.
- Dit word ook gebruik as 'n isotoop merker in die biologiese wetenskappe en as 'n bestralingsbron in weerkaatsende verwe.
- Waterstof kan verbrand word in interne verbrandingsmotors, en 'n vloot waterstof brandende motors word tans deur Chrysler-BMW aangehou. Waterstof in brandstofselle word ondersoek as moontlike goedkoop, besoedelingsvrye kragbronne.
[wysig] Geskiedenis
Waterstof is die eerste keer as 'n suiwer chemiese stof geïdentifiseer in 1776 deur Henry Cavendish. Antoine Lavoisier het die element in 1787 sy naam gegee in Frans, naamlik Hydrogen wat letterlik watermaker beteken. Deur middel van 'n spektraalanalise bewys die Duitse navorsers Kirchhoff en Bunsen in 1861 dat waterstof 'n bestanddeel van die son is - en gevolglik dié element moet wees wat die meeste in ons sonnestelsel voorkom.
[wysig] Voorkoms
Waterstof is die element wat die meeste in die natuur voorkom en meer as 75% van die massa van alle materie en meer as 90% van al die atome bestaan uit Waterstof. Die element kom in oorvloed voor in sterre en in planete wat ook gasreuse genoem word.
Relatief tot sy groot oorvloed elders in die heelal is suiwer waterstof baie skaars in die aarde se atmosfeer (1 dpm op 'n volumebasis). Die algemeenste bron vir die element op aarde is water wat bestaan uit twee dele waterstof en een deel suurstof (H2O). Ander bronne sluit in die meeste vorms van organiese stowwe (insluitende alle lewende wesens), fossielbrandstowwe nl (steenkool en ru-olie) asook natuurlike gas. Metaan (CH4) wat verkry kan word as byproduk uit die ontbinding van organiese materiaal en wat ook 'n hoofkomponent van natuurlike gas is, is 'n toenemend belangrike energiebron en is 'n belangrike bron van waterstof.
Waterstof kan voorberei word op verskeie maniere: stoom wat met verhitte koolstof reageer, koolwaterstof ontbinding deur blootstelling aan hitte, reaksie van 'n sterk basis in 'n waterige oplossing met aluminium, elektrolise van water, of die verplasing van sure met sekere metale.
Kommersiële massaproduksie van waterstof geskied hoofsaaklik deur die ontbinding van natuurlike gas teen hoë temperature in die teenwoordigheid van stoom en suurstof. Die proses staan bekend as metaanhervorming.
[wysig] Verbindings
Waterstof vorm verbindings met die meeste elemente. Waterstof het 'n elektronegatiwiteit van 2.2 dus vorm dit verbindings waar dit die meer nie-metaalagtige, asook waar dit die meer metaalagtige element is. Eersgenoemde verbindings word hidriede genoem, waar waterstof bestaan uit H- ione of slegs as 'n opgeloste stof binne-in 'n ander element soos in palladium hidried. Laasgenoemde verbinding neig egter na 'n kovalente verbinding, aangesien die H+ ioon 'n ontblote kern met geen elektrone sal wees, het dit 'n sterk geneigdheid om elektrone na homself aan te trek. Beide die tipe verbindings vorm sure. Dus sal 'n mens selfs in 'n suuroplossing ione soos hidronium (H3O+) kry vanweë die proton se sterk geneigdheid om aan iets te bind.
Waterstof verbind met suurstof om water te vorm, H2O, en die reaksie stel baie energie vry, soveel so dat die verbranding van waterstof in lug eerder as 'n ontploffing beskryf kan word. Deuterium Oksied, of D2O, word ook dikwels swaar water genoem. Waterstof vorm ook 'n groot verskeidenheid verbindings met koolstof. As gevolg van hulle noue verbintenis met lewendige organismes, word hierdie stowwe organiese verbindings genoem en die studie van die verbindings word organiese chemie genoem.
[wysig] Vorms
Onder normale toestande is waterstofgas 'n mengsel van twee verskillende soorte molekules wat van mekaar verskil ten opsigte van die relatiewe spin van die nukleone. Die twee vorms staan bekend as orto en para-waterstof (dit verskil van isotope soos hieronder beskryf). In orto-waterstof is die spin van die nukleone parallel, terwyl dit in para-waterstof anti-parallel is. Teen standaard toestande bestaan waterstof uit ongeveer 25% van die para-vorm en 75% van die orto-vorm (ook bekend as die "normale" vorm). Die ewewigsverhouding tussen die twee vorms hang van temperatuur af maar aangesien die orto-vorm 'n hoër energie vlak het, kan dit nie stabiel wees in die suiwer vorm nie. Teen lae temperature (omtrent by kookpunt), bestaan die ewewigsamestelling amper uitsluitlik uit die para-vorm.
Die omsettingsproses tussen die vorms is stadig en as waterstof vinnig verkoel en gekondenseer word, kan dit nog groot hoeveelhede van die para-vorm atome bevat. Die verskynsel is belangrik vir die voorbereiding en stoor van vloeibare waterstof aangesien die orto-para omsetting meer hitte genereer as die verdampingshitte van waterstof en kan 'n groot hoeveelheid waterstof verloor word deur verdamping etlike dae na vervloeiing. Daarom word kataliste ingespan om die orto-para omsetting te versnel tydens die waterstof verkoelingproses. Daar is ook 'n effense verskil tussen die fisiese eienskappe van die twee vorms. Die smelt en kookpunte van para-waterstof is byvoorbeeld ongeveer 0.1 K laer as die van die "normale" orto-vorm.
[wysig] Isotope
Die mees algemene isotoop van waterstof is 1H. Dié stabiele isotoop het 'n kern wat bestaan uit 'n enkele proton; daarvandaan die beskrywende term (selde gebruik) protium vir 1H.
Die ander stabiele isotoop is deuterium, 2H, met 'n ekstra neutron in die kern. Deuterium beslaan 0.0184-0.0082% van alle waterstof (IUPAC); verhoudings van deuterium tot protium word gerapporteer relatief tot die VSMOW standaard verwysingswater.
Die derde waterstof isotoop is die radioaktiewe tritium, 3H. Die tritium kern bevat twee neutrone en 'n proton.
Waterstof is die enigste element met verskillende name vir sy isotope. Die simbole D en T (i.p.v. 2H and 3H) word somtyds gebruik vir deuterium en tritium, hoewel dit nie amptelik goedgekeurde gebruik is nie (Die simbool P word reeds gebruik om die element Fosfor aan te dui en kan dus nie gebruik word vir protium nie).
[wysig] Voorsorgmaatreëls
Waterstof is 'n hoogs ontvlambare gas wat brand teen konsentrasies so laag as 4% in lug. Dit reageer ook heftig met chloor en fluoor. Wanneer waterstof met suurstof gemeng word brand dit met 'n ontploffing.
[wysig] Sien Ook
- Periodieke tabel
- waterstofbinding
- waterstof atoom
- waterstof voertuig
- fotowaterstof
