Diwaterstof

Diwaterstof
Structuurformule en molecuulmodel
Structuurformule van diwaterstof
Tank met vloeibare waterstof
Algemeen
IUPAC-naam	diwaterstof
Andere namen	waterstofgas, moleculaire waterstof
Molmassa	2,01588 g/mol
SMILES	[HH]
InChI	1/H2/h1H
CAS-nummer	1333-74-0
EG-nummer	215-605-7
PubChem	783
Waarschuwingen en veiligheidsmaatregelen
Gevaar
H-zinnen	H220
EUH-zinnen	geen
P-zinnen	P210
EG-Index-nummer	001-001-00-9
VN-nummer	1049 (gas onder druk)
ADR-klasse	Gevarenklasse 2.1
Fysische eigenschappen
Aggregatietoestand	gasvormig
Kleur	kleurloos
Dichtheid	8,988 × 10−5 g/cm³
Smeltpunt	−259,14 °C
Kookpunt	−252,87 °C
Zelfontbrandings- temperatuur	571 °C
Oplosbaarheid in water	0,019 g/l
Onoplosbaar in	water
Geometrie en kristalstructuur
Dipoolmoment	0 D
Waar mogelijk zijn SI-eenheden gebruikt. Tenzij anders vermeld zijn standaardomstandigheden gebruikt (298,15 K of 25 °C, 1 bar).
Portaal    Scheikunde

Diwaterstof of moleculaire waterstof (H₂) is de belangrijkste enkelvoudige stof van het element waterstof. Het is bij normale druk en temperatuur een kleurloos, reukloos, smaakloos en uiterst brandbaar gas. Het wordt ook wel waterstofgas genoemd. Het komt slechts in zeer lage concentraties (0,5 ppm) in de aardatmosfeer voor. Wegens zijn uiterst lage dichtheid ontsnapt het langzaam maar zeker naar de ruimte.

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.

Onder normale omstandigheden is diwaterstof een mengsel van twee verschillende soorten moleculen die van elkaar verschillen in de spin die de atoomkernen hebben. Deze twee vormen worden ortho- en parawaterstof genoemd (niet te verwarren met isotopen). Bij normale temperatuur en druk bestaat diwaterstof voor 25% uit de para- en 75% uit de orthovorm. De orthovorm is onstabiel (bevindt zich in een aangeslagen toestand) en kan daardoor 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).

Chemische eigenschappen

Waterstof kan samen met zuurstof water vormen. Hierbij komt energie (286 kJ/mol) vrij.

${\ce {2 H2 + O2 -> 2 H2O}}$

Daarom is een mengsel van waterstofgas en zuurstofgas in een volumeverhouding van 2:1, dat ook wel bekendstaat als knalgas, explosief.

Waterstofgas reageert heftig met dichloor en difluor, waarbij resp. waterstofchloride en waterstoffluoride gevormd worden.

Toxicologie en veiligheid

Waterstofgas is zeer licht ontvlambaar en brandt vanaf concentraties van 4% in de lucht. Zo verbrandde op 6 mei 1937 de Hindenburg onder andere doordat de waterstof in het luchtschip vlam vatte. Het was echter de buitenhuid die voor de eerste ontsteking en grote snelheid van de brand zorgde. Desalniettemin is de benodigde ontstekingsenergie bij waterstof klein (0,02 mJ). In vergelijking met methaan (0,29 mJ) is dit een factor 10 kleiner. 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.

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 waterstofgas circa 4 maal zo groot als dat van benzine. Op kamertemperatuur is bij gelijke massa de energiewaarde van waterstofgas circa 3 maal zo groot als dat van benzine.

De grenswaarden waartussen een mengsel van waterstofgas en lucht ontvlambaar is, ligt tussen de 4 en 96 vol%. De temperatuur voor een spontane zelfontbranding van een waterstofgas-luchtmengsel ligt op 585 °C. Op waterstofinstallaties zijn bijgevolg ATEX-voorschriften van toepassing.

Synthese en industriële productie

Diwaterstof kan op verschillende manieren worden gemaakt:

• elektrolyse van water
• koolwaterstoffen (bijvoorbeeld aardgas) op hoge temperatuur af te breken (reforming)
• stoom over verhit koolstof leiden (syngas)
• natrium- of kaliumhydroxide met aluminium te laten reageren
• zuren met reactieve metalen te laten reageren
• fotokatalytische waterstofproductie: waterstof produceren met behulp van zonlicht

In het kader van een eventuele, toekomstige waterstofeconomie is het van belang om onderscheid te maken tussen waterstofgas met een fossiele grondslag en waterstofgas die met behulp van een hernieuwbare energiebron is geproduceerd. Het overgrote aandeel aan waterstofgas dat heden ten dage commercieel verkrijgbaar is, heeft een fossiele oorsprong en kan daarom niet worden aangemerkt als hernieuwbare brandstof.

Toepassingen

Voor industriële toepassingen zijn grote hoeveelheden waterstofgas 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 waterstofgas voor nodig is:

• Hydroalkylatie, hydro-ontzwaveling, hydrokraken.
• Hydrogenolyse, een methode om een enkelvoudige organische binding te splitsen door formele additie van waterstofgas.
• Productie van zoutzuur, lassen, als raketbrandstof, en voor reductie van metaalertsen.
• Vloeibare waterstof wordt gebruikt bij cryogeen onderzoek, onder meer in studies naar supergeleiding,
• 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.
• Waterstofgas wordt gebruikt voor het koelen van generatoren met een vermogen groter dan 200 MW.

Diwaterstof kan als brandstof dienen voor automotoren: de waterstofauto. BMW heeft een brandstofmotor ontwikkeld die enkel op waterstof werkt. In juni 2008 werd het eerste Belgische tankstation voor waterstof geopend langs de E19 in Ruisbroek. Het is enkel bedoeld voor de enkele BMW-waterstofauto's die reeds in België rondrijden. Deze auto's rijden met Duitse nummerplaat, want waterstof is in België nog niet erkend als brandstof. 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 waterstofgas geproduceerd worden, en daar is energie voor nodig - ten minste zoveel energie als er naderhand door de waterstof geleverd wordt. Het spreekt vanzelf dat deze energie op een milieuvriendelijke manier opgewekt zal moeten worden, wil waterstof inderdaad een milieuvriendelijk alternatief zijn voor de fossiele brandstoffen.

Zie ook

• Brandstofcelauto
• Ondergrondse waterstofopslag
• Vaste waterstof
• Metallische waterstof
• Waterstof-slush
• Vloeibare waterstof
• Waterstofauto
• Waterstofboot
• Waterstofeconomie
• Waterstofopslag
• Waterstoftechniek
• Waterstofvliegtuig
• Standaard-waterstofelektrode
• Fotokatalytische waterstofproductie

Externe links

•  International Chemical Safety Card van Diwaterstof

Bronnen, noten en/of referenties

Brandstoffen voor wegvoertuigen
Beschikbare brandstoffen aan de pomp: Benzine · Diesel · Lpg · Waterstofgas · Biodiesel · E85 · HCNG · CNG · Biogas · E5 · E10 · E15 · hE15 · Zie ook: Biobrandstof

Mediabestanden

Mediabestanden die bij dit onderwerp horen, zijn te vinden op de pagina Diwaterstof op Wikimedia Commons.