Waterstof (element) | chemisch element

Eigenschappen

Waterstof wordt geclassificeerd als een reactief niet-metaal, in tegenstelling tot de andere elementen in de eerste kolom van het periodiek systeem, die worden geclassificeerd als alkalimetalen. Van de vaste vorm van waterstof wordt echter verwacht dat het zich gedraagt als een metaal.

In zijn eentje bindt waterstof zich meestal met zichzelf tot diwaterstof (H₂ ), dat zeer stabiel is vanwege zijn hoge bindingsontbindingsenergie van 435,7 kJ/mol. Bij normale temperatuur en druk heeft dit waterstofgas (H₂ ) geen kleur, geur of smaak. Het is niet giftig. Het is een niet-metaal en brandt zeer gemakkelijk.

Verbranding

Moleculaire waterstof is brandbaar en reageert met zuurstof:

2 H₂ (g) + O₂ (g) → 2 H₂ O(l) + 572 kJ (286 kJ/mol)

Bij temperaturen boven 500 graden Celsius ontbrandt waterstof spontaan in lucht.

Verbindingen

Hoewel waterstofgas in zijn pure vorm niet reactief is, vormt het verbindingen met veel elementen, met name halogenen, die zeer elektronegatief zijn. Waterstof vormt ook grote verbindingen met koolstofatomen, waarbij koolwaterstoffen worden gevormd. De studie van de eigenschappen van koolwaterstoffen staat bekend als organische chemie.

Het H^- anion (negatief geladen atoom) wordt een hydride genoemd, hoewel de term niet algemeen wordt gebruikt. Een voorbeeld van een hydride is lithiumhydride (LiH), dat wordt gebruikt als "bougie" in kernwapens.

Zuren

In water opgeloste zuren bevatten doorgaans veel waterstofionen, met andere woorden vrije protonen. Het niveau daarvan wordt gewoonlijk gebruikt om de pH te bepalen, wat in feite het gehalte aan waterstofionen in een bepaald volume betekent. Zoutzuur bijvoorbeeld, dat in de maag van mensen wordt aangetroffen, kan dissociëren in een chloride-anion en een vrij proton, en de eigenschap van het vrije proton is hoe het voedsel kan verteren door het aan te tasten.

Hoewel zeldzaam op aarde, is het kation H₃⁺ een van de meest voorkomende ionen in het heelal.

Isotopen

Hoofdartikel: isotopen van waterstof

Waterstof heeft 7 bekende isotopen, waarvan er twee stabiel zijn (¹ H en² H), die gewoonlijk protium en deuterium worden genoemd. De isotoop³ H staat bekend als tritium en heeft een halfwaardetijd van 12,33 jaar, en wordt in kleine hoeveelheden geproduceerd door kosmische straling. De overige 4 isotopen hebben een halfwaardetijd in de orde van yoctoseconden.

Waterstof in de natuur

In zijn zuivere vorm op aarde is waterstof meestal een gas. Waterstof is ook een van de onderdelen waaruit een watermolecuul bestaat. Waterstof is belangrijk omdat het de brandstof is die de zon en andere sterren aandrijft. Waterstof maakt ongeveer 74% van het hele universum uit. Het symbool van waterstof in het Periodiek Systeem der Elementen is H.

Zuivere waterstof bestaat normaal gesproken uit twee waterstofatomen die met elkaar verbonden zijn. Wetenschappers noemen dit diatomische moleculen. Waterstof heeft een chemische reactie wanneer het met de meeste andere elementen wordt gemengd. Het heeft geen kleur of geur.

Pure waterstof is zeer zeldzaam in de atmosfeer van de aarde, omdat bijna alle oerwaterstof door zijn gewicht in de ruimte zou zijn ontsnapt. In de natuur bevindt het zich meestal in water. Waterstof zit ook in alle levende wezens, als onderdeel van de organische verbindingen waaruit levende wezens bestaan. Bovendien kunnen waterstofatomen zich verbinden met koolstofatomen om koolwaterstoffen te vormen. Aardolie en andere fossiele brandstoffen zijn gemaakt van deze koolwaterstoffen en worden gewoonlijk gebruikt om energie op te wekken voor menselijk gebruik.

Enkele andere feiten over waterstof:

• Het is een gas bij kamertemperatuur
• Het gedraagt zich als een metaal wanneer het massief is.
• Het is het lichtste element in het heelal.
• Het is het meest voorkomende element in het heelal.
• Het brandt of explodeert boven 1000°F / 528°C, zoals bij brand.
• gloeit paars wanneer het in plasmatoestand is.

Geschiedenis van waterstof

Waterstof werd in 1671 voor het eerst gescheiden door Robert Boyle. In 1776 identificeerde Henry Cavendish het als een eigen element en noemde het "ontvlambare lucht". Hij realiseerde zich in 1781 dat verbranding ervan water maakte.

Antoine Lavoisier gaf waterstof zijn naam, van het Griekse woord voor water, 'υδορ (uitgesproken als /HEEW-dor/) en gennen wat "genereren" betekent, omdat het water vormt in een chemische reactie met zuurstof.

Toepassingen van waterstof

De belangrijkste toepassingen zijn in de aardolie-industrie en bij het maken van ammoniak via het Haber-proces. Een deel wordt elders in de chemische industrie gebruikt. Een beetje wordt gebruikt als brandstof, bijvoorbeeld in raketten voor ruimtevaartuigen. De meeste waterstof die mensen gebruiken is afkomstig van een chemische reactie tussen aardgas en stoom.

Kernfusie

Kernfusie is een zeer krachtige energiebron. Het berust op het samenpersen van atomen om helium en energie te maken, precies zoals dat gebeurt in een ster zoals de zon, of in een waterstofbom. Dit vergt een grote hoeveelheid energie om op gang te komen, en is nog niet eenvoudig te realiseren. Een groot voordeel ten opzichte van kernsplijting, dat in de huidige kerncentrales wordt gebruikt, is dat het minder kernafval oplevert en geen giftige en zeldzame brandstof als uranium gebruikt. Op de zon wordt elke seconde meer dan 600 miljoen ton waterstof gefuseerd.

Waterstof gebruiken

Waterstof wordt meestal gebruikt in de aardolie-industrie, om zware aardoliefracties te veranderen in lichtere, bruikbaardere fracties. Het wordt ook gebruikt om ammoniak te maken. Kleinere hoeveelheden worden als brandstof verbrand. De meeste waterstof wordt gemaakt door een reactie tussen aardgas en stoom.

De elektrolyse van water breekt water in waterstof en zuurstof, met behulp van elektriciteit. Brandende waterstof combineert met zuurstofmoleculen om stoom (zuivere waterdamp) te maken. Een brandstofcel combineert waterstof met een zuurstofmolecuul, waarbij een elektron als elektriciteit vrijkomt. Om deze redenen geloven veel mensen dat waterstof uiteindelijk andere synthetische brandstoffen zal vervangen.

Waterstof kan ook worden verbrand om warmte te maken voor stoomturbines of interne verbrandingsmotoren. Net als andere synthetische brandstoffen kan waterstof worden gemaakt uit natuurlijke brandstoffen zoals steenkool of aardgas, of uit elektriciteit, en vormt daarom een waardevolle aanvulling op het elektriciteitsnet; in dezelfde rol als aardgas. Een dergelijk netwerk en infrastructuur met brandstofcelvoertuigen wordt nu gepland door een aantal landen, waaronder Japan, Korea en veel Europese landen. Hierdoor kunnen deze landen minder aardolie kopen, wat een economisch voordeel is. Het andere voordeel is dat bij gebruik in een brandstofcel of verbranding in een verbrandingsmotor zoals in een waterstofauto, de motor geen vervuiling veroorzaakt. Er ontstaat alleen water, en een kleine hoeveelheid stikstofoxiden.