Waterstof (element)

Portaal Scheikunde
Chemisch element

Automobilist tankt waterstofgas
Naam	Waterstof / Hydrogenium (Latijn)
Latijn
Symbool	H
Atoomnummer	1
Soort	Gas
Kleur
Smeltpunt	− 259,2 ^oC
Kookpunt	− 252,9 ^oC

Waterstof is een chemisch element in de scheikunde. Waterstof heeft als symbool H, van het Latijnse woord Hydrogenium. In het Engels heet het hydrogen. Het heeft atoomnummer 1 en is het het eerste element op het Periodiek Systeem en staat daarom helemaal linksboven.

Voorkomen

Het komt meestal voor als een gas met H₂ moleculen (di-waterstof). Als gas is het kleurloos, geurloos, niet giftig en zeer brandbaar en alleen bij een zeer lage temperatuur wordt het vloeibaar.

Waterstof is de meest voorkomende chemische stof in het universum en vormt daar ongeveer 75% van alle normale materie. Sterren zoals de Zon bestaan voornamelijk uit waterstof in de plasmatoestand (elektrisch geladen gas). De meeste waterstof op aarde bestaat in moleculaire vormen zoals water en organische verbindingen (chemische verbinding die in ieder geval één koolstof-atoom bevat). Deze verbindingen worden ook koolwaterstoffen genoemd. In de chemie (industrie) zijn er miljoenen koolwaterstoffen bekend.

Modellen van waterstof en waterstofverbindingen

Dihydrogen-cation-3D-vdW.png

Di-waterstof (H₂) molecuul met twee waterstof-atomen
Water molecuul (H₂O), met 2 atomen waterstof (H) en 1 atoom zuurstof (O)
Organische verbinding methaan (CH₄) molecuul met 1 koolstof atoom (C) en 4 waterstof atomen (H)
Butaangas (C₄H₁₀) molecuul, met 4 koolstof (C) en 10 waterstof atomen
Waterstof-peroxide (H₂O₂)

Geschiedenis

In het vroege heelal vond de vorming van protonen, de kernen van waterstof, plaats tijdens de eerste seconde na de oerknal. De opkomst van neutrale waterstofatomen in het hele universum vond ongeveer 370.000 jaar later plaats.

Waterstofgas werd voor het eerst kunstmatig geproduceerd in het begin van de 16e eeuw door de reactie van zuren op metalen. Al in 1671 was het bestaan van het element bekend, maar men wist niet dat het om waterstof ging. In dat jaar ontdekt en beschrijft de Anglo-Ierse Robert Boyle (ook bekend van de wet van Boyle) de reactie tussen ijzer vijlsel en verdunde zuren, die resulteert in de productie van een gas. Welk gas dit precies was werd pas in 1766 door de Engelsman Henry Cavendish ontdekt. Henry Cavendish was namelijk de eerste die inzag dat waterstofgas een afzonderlijke substantie was, en zag dat het water produceert bij verbranding, de eigenschap waarnaar het een paar jaar later werd genoemd. Hij noemde het ontstane gas eerst nog "ontvlambare lucht". In 1783 gaf de Fransman Antoine Lavoisier het element de naam waterstof (van het Griekse ὑδρο- hydro wat "water" betekent en -γενής genen wat "voormalig" betekent).

Waterstof werd voor het eerst vloeibaar gemaakt door James Dewar in 1898 met behulp van regeneratieve koeling en zijn uitvinding, de vacuümfles. Regeneratieve koeling wordt ook toegepast in 'super' diepvrieskasten, en het is een methode voor het koelen van gassen waarbij gecomprimeerd (samengeperst) gas wordt gekoeld door het te laten uitzetten en daardoor warmte uit de omgeving haalt.

Gebruik

Waterstof komt eigenlijk nooit in zijn zuivere vorm als chemisch element in de natuur voor, maar het is altijd aanwezig in een verbinding met een ander element (in de vorm van een stof dus).

Waterstof wordt vaak verward met diwaterstof. Di-waterstof zijn twee waterstof-atomen aan elkaar geplakt (zie model). Diwaterstof komt voor in de lucht en is de gasvorm van water. Waterstof is ook weer iets anders dan water. Water bestaat namelijk uit waterstof en zuurstof. Vandaar ook de naam H₂O (H is het symbool voor waterstof en O die voor zuurstof).

Waterstof is het meest voorkomende element in ons universum. Ook is het het enige element zonder neutronen.

Waterstof wordt gebruikt voor het maken van Ammonium, zoutzuur en brandstof voor raketten. Ook werd het vroeger in zeppelins en luchtballonnen gedaan. Waterstof is 14 keer zo licht als lucht, waardoor een luchtschip of ballon opstijgt. Echter is waterstof ook erg brandbaar, waardoor tegenwoordig liever voor helium wordt gekozen. Met de zeppelin de Hindenburg liep het slecht af, doordat deze met waterstof was gevuld en bij de landing ontplofte en binnen een paar secondes in brand vloog (filmpje).

De industriële productie vindt voornamelijk plaats door stoomreforming van aardgas. Hierbij wordt aardgas samengevoegd met stoom (damp wat bij het koken van water ontstaat) bij een temperatuur van 850°C en een druk van 25 bar (25 keer de luchtdruk om je heen). Hierdoor verandert het aardgas samen met het (stomende) water in waterstof en kooldioxide (CO₂), een soort gas dat je ook uitademt. Minder vaak wordt waterstof gemaakt met methoden zoals elektrolyse van water. Dat kost echter veel meer energie.

Een probleem met Waterstof is dat het veel metalen broos (makkelijk scheurend of brekend) kan maken. Iets wat het ontwerp van pijpleidingen en opslagtanks bemoeilijkt. Aan de binnenzijde van dergelijke leidingen en tanks moet dus een beschermende laag worden aangebracht waarop de waterstof geen invloed heeft. Tegelijkertijd moeten de leidingen en tanks heel stevig zijn omdat de opslag van waterstof onder grote druk gaat. Om bijvoorbeeld auto's op waterstof te kunnen laten rijden (wat op zich al kan), moeten er heel wat technische problemen overwonnen worden. En dat maakt het natuurlijk (nog) kostbaar.

De nikkel-waterstof batterij werd voor het eerst gebruikt in 1977 aan boord van de navigatietechnologie satelliet-2 (NTS-2) van de Amerikaanse marine. Zo zijn het ISS, Mars Odyssey en de Mars Global Surveyor uitgerust met nikkel-waterstofbatterijen. In het donkere deel van zijn baan wordt de Hubble-ruimtetelescoop ook aangedreven door nikkel-waterstofbatterijen, die uiteindelijk in mei 2009 meer dan 19 jaar na de lancering en 13 jaar na hun ontwerp levensduur werden vervangen.

In 1952 werd de eerste waterstofbom (soort atoombom) tot ontploffing gebracht. Deze explosie had een grotere kracht dan alle geallieerde bommen van de Tweede Wereldoorlog bij elkaar!

Biologie

Waterstof is het meest voorkomende chemische element in het menselijk lichaam in termen van aantal atomen van het element, maar het is het derde meest voorkomende element in massa, omdat waterstof zo licht is.

Waterstofgas wordt geproduceerd door sommige bacteriën en algen en is een natuurlijk bestanddeel van een windje (scheet), evenals methaan (biogas) uit dierlijke mest, dat zelf een waterstofbron van toenemend belang is. Methaan is schadelijk voor het klimaat, omdat het bijdraagt aan het versterkte broeikaseffect. Methaan zit ook in aardgas.

Een iets andere verbinding dan water is Waterstofperoxide (H₂O₂). Deze vloeistof wordt onder andere gebruikt als ontsmettingsmiddel, bijvoorbeeld bij ontstekingen in de mondholte, ontsmetting van drinkwater, als bleekmiddel bijvoorbeeld bij het bleken van stoffen, tanden, botten en haar (blonderen).

Veiligheid

Hiervoor is al aangegeven dat waterstof erg brandbaar is. Ook kan er sprake zijn van explosiegevaar. Met een gastank gevuld met waterstof moet dus voorzichtig worden omgegaan.

Teveel waterstof in de lucht kan zuurstof verdringen en daardoor verstikkend werken.

Gekoelde (vloeibare) waterstof is zeer koud en kan koude verbranding (brandwonden) geven. Waterstofgas dat in de buitenlucht lekt, kan spontaan ontbranden. Bovendien is waterstofvuur, hoewel extreem heet, bijna onzichtbaar en kan het dus leiden tot onopzettelijke brandwonden.

Makkelijk ontvlambare stof
Explosieve stof
Waterstoftanks staan onder druk
Waterstof is een (vooral bij lage temperatuur) bijtende of brandende stof

Toepassingen

Hoofdmotor van de Space Shuttle. De verbrandde waterstof met zuurstof en produceert een bijna onzichtbare vlam wat voor veel stuwingskracht zorgt.
Hubble-telescoop werkt op nikkel-waterstof-batterij
Bus rijdend op aardgas met methaan, een koolwaterstof verbinding