Waterstof
Uit Wikipedia, de vrije encyclopedie
Waterstof is een chemisch element met symbool H (La: Hydrogenium) en atoomnummer 1. Waterstofgas (Diwaterstof, H2) is een kleurloos, brandbaar, doorzichtig niet-metaal bij kamertemperatuur.
Losse atomen waterstof komen in vrije vorm vrijwel niet voor, hoewel vanaf het eind van de twintigste eeuw veel onderzoek is gedaan aan atomair waterstof. Losse atomen van dit element zijn zeer reactief en verbinden zich direct met andere waterstofatomen. Hierbij wordt meestal waterstofgas gevormd (H2).
De eigenschappen die in dit artikel worden genoemd gelden dan ook vooral voor deze stof, dat bij kamertemperatuur een gas (H2) is.
Losse atomen waterstof worden ook wel "in statu nascendi" genoemd.
Inhoud[verbergen] |
[bewerk] Ontdekking
In 1671 beschreef de Iers-Engelse 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 Latijnse naam hydrogenium.
Het woord hydrogenium is een samenstelling van de Griekse termen hydor (water) en genes (vormen, maken). Hydrogenium kan dus vertaald worden als watermaker.
[bewerk] Toepassingen
Voor industriële toepassingen zijn grote hoeveelheden waterstof nodig in zogenaamde hydrogenatiereacties, 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:
- Hydroalkylatie, hydro-ontzwaveling, hydrokraken.
- Productie van zoutzuur, lassen, als raketbrandstof, en voor reductie van metaalertsen.
- Vloeibaar waterstof wordt gebruikt bij cryogeen onderzoek, onder meer in studies naar supergeleiding,
- Waterstof 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.
- Waterstof wordt gebruikt voor het koelen van generatoren met een vermogen groter dan 200 MW.
- Het waterstofisotoop 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.
- Het waterstofisotoop tritium wordt geproduceerd in kernreactoren en is nodig voor de fabricage van een waterstofbom, in biologische en biomedische wetenschappen gebruikt als isotooplabel, en als stralingsbron in lichtgevende verf.
Waterstof kan als brandstof dienen in een verbrandingsmotor. BMW heeft een brandstofmotor, de Hydrogen 7, ontwikkeld die zowel op benzine als op waterstof loopt. Een andere toepassing is het waterstofvliegtuig. Waterstofbrandstofcellen worden beschouwd als een manier om in de toekomst goedkoop en milieuvriendelijk elektrische energie te produceren. Er moet dan echter eerst waterstof geproduceerd worden, en daar is energie voor nodig - ten minste zo veel energie als er naderhand door het waterstof geleverd wordt. Het spreekt vanzelf dat deze energie op een milieuvriendelijke manier opgewekt moet worden.
[bewerk] Chemische eigenschappen
Waterstof komt bij standaardtemperatuur en -druk voor als een kleurloos, reukloos en zeer ontvlambaar tweeatomig gas (H2). Waterstof is eenwaardig en behoort tot de niet-metalen. Onder extreem hoge druk, bijvoorbeeld 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 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 koolwaterstoffen genoemd, een klasse van de organische verbindingen. Het onderzoek naar de eigenschappen van deze verbindingen wordt organische chemie genoemd.
[bewerk] Fysische eigenschappen
Waterstof is 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 (dus) levende wezens bevatten 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 waterstof 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, ze 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 zuivere waterstof 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. |
Waterstof 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
| Stabielste 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 aparte namen heeft.
[bewerk] Toxicologie en veiligheid
- Waterstof is licht ontvlambaar. Zo verbrandde de Hindenburg onder andere doordat de waterstof in het luchtschip vlam vatte. Het was echter het de buitenhuid die voor de eerste ontsteking en grote snelheid van de brand zorgde. Desalniettemin is de benodigde ontstekingsenergie bij waterstof (0,02 mJ). In perspectief tot methaan (0,29 mJ) is dit een factor 10x zo klein.
- 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.
- De ontstekingstemperatuur van waterstof (565°C) ligt hoger dan bij benzine (450°C). Bij vrijkomen, (het is 14 maal zo licht als lucht) stijgt het op, waardoor het explosiegevaar minder is.
- Op kamertemperatuur is bij gelijke energiewaarde het volume van waterstof circa 4 maal zo groot als dat van benzine.
- Op kamertemperatuur is bij gelijke gewicht de energiewaarde van waterstof circa 3 maal zo groot als 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.
- Op waterstofinstallaties zijn ATEX-voorschriften van toepassing.
[bewerk] Zie ook
[bewerk] Externe links
International Chemical Safety Card van Waterstof- PeriodiekSysteem.com over: Waterstof
- Lenntech over: Waterstof
- (en) EnvironmentalChemistry.com over: Waterstof
- (en) WebElements.com over: Waterstof
- (en) ATEX - EU
 |
Meer afbeeldingen die bij dit onderwerp horen, zijn te vinden in de categorie Waterstof van Wikimedia Commons. |
| Chemische elementen en isotopen |
|---|
|
Periodiek systeem: Standaard · Alternatief · Elektronenconfiguratie |
