Het eenvoudigste van alle chemische elementen – waterstof – is ook het meest voorkomende in het hele universum! Zonder water zou er geen water zijn, dat essentieel is voor het leven, en geen zon, die gewoon een mengsel is van waterstof en helium. Tegelijkertijd wordt over waterstof gesproken als de brandstof van de toekomst, die de aarde zou kunnen behoeden voor een ecologische ramp.
- Geschiedenis van waterstof
- Eigenschappen van waterstof – welke verbindingen vormt het?
- Voorkomen en extractie van waterstof
- Toepassingen van waterstof
- Gezondheidseffecten van waterstof
- Waterstof en ecologie
Als je kijkt naar het Periodiek Systeem, welbekend van school, staat waterstof (H) op de eerste plaats. Dit betekent dat het precies één proton in zijn celkern bevat en één elektron in zijn baan – het heeft helemaal geen neutron. Het is ook niet verwonderlijk dat het de lichtste en minst dichte van alle chemische elementen is, en ook de meest basische.
Geschiedenis van waterstof
Paradoxaal genoeg was waterstof het eerste atoom dat in het heelal werd gevormd, maar het werd pas als 19e element door de mens ontdekt en beschreven – daarvoor kenden wij onder meer al een hele reeks metalen die eigenlijk gemakkelijker te vatten zijn, evenals fosfor of magnesium. Het was pas in 1766 dat Pas in 1766 ontdekte Henry Cavendish, die de reacties bij het oplossen van ijzer in zuren bestudeerde, dat bij deze reacties een gas vrijkwam dat hij “brandbare lucht” noemde. Het duurde echter vijftien jaar voordat wetenschappers zich realiseerden dat waterstof water vormt na verbranding. Om dit feit te documenteren, stelde Antoine Lavoisier in 1783 de Latijnse naam hydrogenium voor, wat letterlijk “vormend water” betekent. Lavoisier bedacht ook een reeks reacties die resulteerden in zuivere waterstof.
Aan het eind van de 19e eeuw slaagde James Dewar erin waterstof vloeibaar te maken en er zelfs een vaste stof van te maken. In de jaren dertig werd daarentegen deuterium ontdekt, een van de twee stabiele isotopen van waterstof met een neutron, en de radioactieve isotoop tritium, die met een halveringstijd van 12,33 jaar in helium verandert.
Het is echter de moeite waard om even terug te gaan naar het begin, of liever het voor-begin. Volgens natuurkundigen zijn protonen reeds ontstaan in de eerste seconde na de Big Bang, die het universum inluidde. Het duurde echter 370.000 jaar voordat de temperatuur voldoende was gedaald om deze protonen te binden met elektronen – dit is het moment waarop de eerste stabiele waterstofatomen werden gecreëerd!
Eigenschappen van waterstof – welke verbindingen vormt het?
In zijn natuurlijke vorm is waterstof een gas dat twee-atomige H2-moleculen vormt.
Kleurloos en reukloos, het kan worden gedetecteerd met een lucifer – zijn
zijn ontvlambaarheid een explosie veroorzaakt. In het gezelschap van zuurstof verbrandt het tot het
water om ‘s werelds bekendste molecuul te vormen, H20.
Een 2:1 mengsel van waterstof en zuurstof is ook het meest
explosief bij voldoende hoge temperaturen.
Tussen de waterstofmoleculen wordt een zeer zwakke aantrekkingskracht waargenomen, waardoor het smelt- en kookpunt
zijn zeer laag – respectievelijk -259,20 graden C en -252,77 graden C.
Uit deze zwakke bindingen vloeit ook een interessant feit voort, namelijk dat wanneer waterstof
uitzet bij kamertemperatuur, stijgt zijn temperatuur, in tegenstelling tot de meeste andere gassen.
in tegenstelling tot de meeste andere gassen. De situatie verandert echter
onder -68,6 graden C, wanneer de aantrekkingskrachten toenemen en waterstof afkoelt
op expansie tot het punt waar het kan condenseren op zichzelf! Z
andere fascinerende eigenschappen, is het vermeldenswaard dat waterstof
zet sneller uit dan elk ander gas, waardoor het
verspreidt het zijn kinetische energie met een buitengewone snelheid en is het een uitstekende geleider van warmte.
Bij hoge temperaturen, bijna alle metalen en niet-metalen
reageren met waterstof, en vaak heel agressief. Op passende
concentraties, kan waterstof zelfs metaaloxiden reduceren, waardoor we
zuiver ijzer, bijvoorbeeld! Overgangsmetalen, daarentegen, hebben het vermogen om
absorberen waterstof bij hoge temperaturen, waarbij zogenaamde hydriden worden gevormd. Waterstof is ook een zeer belangrijk bestanddeel van organische verbindingen – het is aanwezig in vrijwel alle plantaardige en dierlijke weefsels. Bovendien komt het voor in anorganische verbindingen, vooral zuren, hydroxiden en alcoholen.
Interessant feit: Zonder waterstof zou er geen leven op aarde zijn. Deze waarheid geldt echter niet alleen voor de structuur van water, maar ook voor DNA. De dubbele helix die al onze genen bevat, wordt bijeengehouden door extreem sterke waterstofbruggen!
Voorkomen en extractie van waterstof
Hoewel waterstof het meest voorkomende element in het heelal is, is het in de aardkorst slechts in een concentratie van 0,14% aanwezig. Er zit echter vrij veel van in de atmosfeer en in watermassa’s en gletsjers, alsmede in olie- en aardgasvoorraden.
Deze laatste zijn ook de voornaamste bron van waterstof voor industriële doeleinden.
industriële doeleinden. Op dit moment is tot 95% van dit waardevolle gas afkomstig van stoom
reforming van aardgas, gedeeltelijke oxidatie van methaan of kolenvergassing.
Met deze methoden wordt jaarlijks tot 87 miljoen ton zuivere waterstof geproduceerd
waterstof wordt jaarlijks met deze methoden geproduceerd. De Verenigde Staten, Zuid-Korea en Japan zijn de grootste
producenten.
Toepassingen van waterstof
Zoals u gemakkelijk kunt raden, is waterstof tegenwoordig voor de mens van essentieel belang voor tal van processen. Een van de vroegste toepassingen was voor ballonnen en luchtschepen – de laatste speelden een belangrijke rol tijdens de Eerste Wereldoorlog. Nu al kunnen weerstations met waterstof de lucht in als goedkoper substituut voor helium. In de jaren 1930 betekende de uitvinding van de eerste waterstofgekoelde turbinemotor een doorbraak, en in de jaren 1970 werden nikkel-waterstofbatterijen een realiteit, die onder andere de beroemde Hubble-telescoop aandreef. Afgezien hiervan, moderne toepassingen van hydrogenium zijn voornamelijk:
- de productie van ammoniak, die op grote schaal in de landbouw wordt gebruikt – en die tot 2/3 van de mondiale waterstofproductie verbruikt;
- de raffinage van fossiele brandstoffen;
- De hydrogenering van vetten om plantaardige oliën een vaste consistentie te geven, noodzakelijk voor de productie van margarine;
- Koeling van hoogenergetische apparatuur;
- productie van brandstofcellen, een alternatief voor galvanische cellen; zij zijn een bron van elektriciteit waarbij waterstof aan de anode en zuurstof aan de kathode worden gebruikt voor een keten van reacties.
- halfgeleiderfabricage, waar waterstof de eigenschappen van materialen stabiliseert door hun bindingen met elektronen te verzadigen;
- raketbrandstof – vloeibare waterstof vormt samen met vloeibare zuurstof een cryogene brandstof die ruimtevaartuigen aandrijft.
Deuterium, een isotoop van waterstof, wordt ook gebruikt voor kernfusiereacties en atoomsplitsing – helaas ook in de context van de productie van dodelijke wapens. Zogenaamde waterstofbommen combineren de oorspronkelijke splijtingsreactie van uranium of plutonium met een thermonucleaire reactie die juist wordt uitgelokt door deuterium, tritium of lithiumhydride.
Gezondheidseffecten van waterstof
Jarenlang leek het erop dat waterstof een belangrijk bestanddeel van ons lichaam was, maar als gas was het neutraal voor de gezondheid. In 2007 is echter gebleken dat moleculaire waterstof zeer sterke antioxiderende eigenschappen heeft. Onderzoek heeft aangetoond dat het als zodanig een genezende stof kan zijn, die ontstekingsremmend werkt, vrije radicalen elimineert en apoptose, d.w.z. de geplande celdood, voorkomt. Bovendien kan de toediening van H2 de expressie van specifieke genen beïnvloeden. In het licht van de moderne kennis kunnen de voordelen onder meer de bestrijding van kanker, weefsel-, zintuig- en huidaandoeningen omvatten, alsmede de behandeling van voortplantings-, urineweg-, ademhalings-, bloedsomloop-, maagdarm- en zenuwstelselproblemen – een breder spectrum is moeilijk te vinden! Moleculaire waterstof voor therapeutische doeleinden wordt toegediend zowel door inhalatie als verrijkt drinkwater (zogeheten waterstofwater) en injecties met op geschikte wijze gemodificeerde pekel.
Waterstof en ecologie
De faam die waterstof de laatste decennia heeft verworven, houdt in de eerste plaats verband met het gebruik ervan als bron van schone energie. Bovengenoemde brandstofcellen hebben een breed scala van toepassingen, waaronder voertuigen, draagbare elektronische apparatuur of zelfs gebouwen, en tegelijkertijd is er geen sprake van verbranding of de uitstoot van gassen die schadelijk zijn voor de atmosfeer en de gezondheid. Geïnstalleerd in auto’s en openbaar vervoer zijn ze volgens veel deskundigen de enige rationele toekomst voor koolstofvrij reizen.
Helaas heeft ook deze optimistische visie haar zwarte kant. De klassieke winning van waterstof door methaanreforming gaat gepaard met een aanzienlijke productie van CO2, dat vrijkomt in de atmosfeer – we hebben het dan over de zogenaamde grijze waterstof, waarvan er nog steeds de grootste hoeveelheid is. Er bestaat echter technologie om deze schadelijke emissies op te vangen en op te slaan, en het product daarvan is wat bekend staat als blauwe waterstof. Met de ecologie en de toekomst van onze planeet in het achterhoofd, is er echter een derde weg gecreëerd, namelijk groene waterstof. Dit is een gas dat wordt geproduceerd op basis van hernieuwbare energiebronnen, wind of zon, door elektrolyse of door het reformeren van stortgas.
Het lijkt er dus op dat de toekomst inderdaad “waterstof-aangedreven” kan zijn, en zonder het milieu te schaden. Laten we hopen dat de nodige technologische veranderingen worden doorgevoerd voordat het te laat is! .