Waterstof (element)
Uit Wikipedia, de vrije encyclopedie
Waterstof is een chemisch element met symbool H (La: Hydrogenium) en atoomnummer 1. Het element komt als dusdanig niet als element voor in normale omstandigheden, maar vormt verbindingen. Meestal wordt ook diwaterstof (H2), als waterstof aangeduid. Diwaterstof is onder standaardomstandigheden een kleurloos, brandbaar en doorzichtig gas.
Losse atomen waterstof worden ook wel "in statu nascendi" genoemd.
Inhoud |
[bewerken] 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 hydro (water) en genes (vormen, maken). Hydrogenium kan dus vertaald worden als watermaker.
[bewerken] 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.
Andere 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.
[bewerken] Chemische eigenschappen
Waterstof komt bij standaardtemperatuur en -druk voor als een kleurloos, reukloos en zeer ontvlambaar tweeatomig gas diwaterstof (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 waterstofion (H+) 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 waterstofgas en zuurstofgas, 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.
[bewerken] Fysische eigenschappen
Waterstofgas is het lichtste gas en heeft bij normale druk een kookpunt van slechts 20,28 K en een smeltpunt van 14,01 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 diwaterstof 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 diwaterstof 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).
[bewerken] 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.
[bewerken] 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) heeft slechts één proton en geen neutronen in de kern 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 naast een proton twee neutronen bevat en een halfwaardetijd van 12,33 jaar heeft.
Waterstof is het enige element dat voor zijn verschillende isotopen aparte namen heeft.
[bewerken] Zie ook
[bewerken] Externe links
- PeriodiekSysteem.com over: Waterstof (element)
- Lenntech over: Waterstof (element)
- (en) EnvironmentalChemistry.com over: Waterstof (element)
- (en) WebElements.com over: Waterstof (element)
- (en) ATEX - EU
 |
Voor meer mediabestanden zie de categorie Waterstof van Wikimedia Commons. |
| Chemische elementen en isotopen |
|---|
|
Periodiek systeem: Standaard · Alternatief · Elektronenconfiguratie |
