Waterstof

Waterstof is het chemische element met het symbool H en atoomnummer 1. Met een standaard atoomgewicht van 1,008 is waterstof het lichtste element in het periodiek systeem. Waterstof is de meest voorkomende chemische stof in het heelal en vormt ongeveer 75% van alle baryonale massa. Niet-resterende sterren bestaan voornamelijk uit waterstof in de plasmatoestand. De meest voorkomende isotoop van waterstof, protium genoemd (naam zelden gebruikt, symbool 1H), heeft één proton en geen neutronen.

De universele opkomst van atoomwaterstof vond voor het eerst plaats tijdens het recombinatietijdperk (Big Bang). Bij standaardtemperatuur en -druk is waterstof een kleurloos, reukloos, smaakloos, niet-toxisch, niet-metaalhoudend, zeer brandbaar diatomeeëngas met de moleculaire formule H2. Aangezien waterstof gemakkelijk covalente verbindingen vormt met de meeste niet-metalen elementen, bestaat de meeste waterstof op aarde in moleculaire vormen zoals water of organische verbindingen.

Geschiedenis

Waterstofgas werd voor het eerst kunstmatig geproduceerd in het begin van de 16e eeuw door de reactie van zuren op metalen. In 1766-81 was Henry Cavendish de eerste die erkende dat waterstofgas een discrete stof was en dat het water produceert bij verbranding, de eigenschap waar het later voor werd genoemd: in het Grieks betekent waterstof “watervormer”.

Natuurlijk voorkomen

Voorkomen in het universum

Kort na het ontstaan van het universum waren protonen en neutronen al in overweldigende aantallen aanwezig. Bij de heersende hoge temperaturen vormden deze samen lichte atoomkernen, zoals D en 4He. De meeste protonen bleven echter onveranderd en vertegenwoordigden de toekomstige 1H-kernen. Na ongeveer 380.000 jaar, toen de stralingsdichtheid van het heelal klein genoeg was geworden, konden waterstofatomen worden gevormd door eenvoudigweg de kernen met de elektronen te combineren, zonder weer door een foton te worden verscheurd. Sindsdien is er de (onverstrooide!) kosmische achtergrondstraling en is het heelal gevuld met waterstof.

Door de verdere afkoeling van het heelal splitst de massa zich asymmetrisch op en ontstaan er wolken van waterstofgas. Onder invloed van de zwaartekracht condenseerden deze wolken eerst steeds meer tot melkwegstelsels en later condenseerde het gas van de melkwegstelsels tot protosterren, en onder de enorme druk van de zwaartekracht begon de fusie van de H-atomen tot He atomen. Zo ontstonden de eerste sterren en zonnen. Later werden echter, vooral in zeer grote sterren, ook zwaardere elementen zoals koolstof, stikstof en zuurstof, die de basisbouwstenen zijn van alle bekende vormen van leven, gevormd - ook door fusie.

Voorkomen op aarde

Op aarde is de massafractie veel lager, ongeveer 0,12 % van het totale gewicht, en 2,9 % van de aardkorst. Bovendien is aardse waterstof, in tegenstelling tot wat er in de ruimte gebeurt, overwegend gebonden en bijna nooit zuiver (d.w.z. als ongemengd gas). Geen enkel ander element is bekend dat het zoveel verbindingen bevat, waarvan het meest voorkomende water is.

Aardkorst

Maar het element is ook te vinden in alle levende wezens, in olie, aardgas en vele mineralen. Andere natuurlijke verschijnselen zijn natuurlijke gassen zoals methaan (CH4).

Zout en zoet water

Het grootste deel van de terrestrische waterstof komt voor in het samengestelde water. In deze vorm beslaat het meer dan tweederde van het aardoppervlak. De totale watervoorraad van de aarde bedraagt ongeveer 1386 miljard km³. Hiervan is 1338 miljard km³ (96,5 %) zout water in de oceanen. De overige 3,5% is beschikbaar als zoet water. Het grootste deel is in vaste vorm: in de vorm van ijs in de Arctische en Antarctische gebieden en in de permafrostbodems, vooral in Siberië. Het kleine resterende deel is vloeibaar zoet water en komt vooral voor in meren en rivieren, maar ook in ondergrondse afzettingen, bijvoorbeeld als grondwater.

Atmosfeer

In de atmosfeer van de aarde is waterstof bijna uitsluitend chemisch gebonden, voornamelijk in de vorm van water. De procentuele frequentie van moleculaire waterstof in de lucht is slechts 0,55 ppm. Het aandeel waterdamp ligt tussen ongeveer 1 en 4 procent. Deze waarde is sterk afhankelijk van de luchtvochtigheid en de temperatuur.

Het lage percentage moleculaire waterstof in de atmosfeer kan worden verklaard door de hoge thermische snelheid van de moleculen en het hoge percentage zuurstof in de atmosfeer. Bij de gemiddelde temperatuur van de atmosfeer bewegen de H2-deeltjes zich gemiddeld met bijna 7.000 km/u. Dat is ongeveer een zesde van de ontsnappingssnelheid op aarde. Door de Maxwell-Boltzmann-verdeling van de snelheden van de H2-moleculen zijn er echter nog steeds een aanzienlijk aantal moleculen die toch de ontsnappingssnelheid bereiken. De moleculen hebben echter maar een extreem kleine vrije baanlengte, zodat alleen de moleculen in de bovenste lagen van de atmosfeer daadwerkelijk ontsnappen. Verder volgen er H2-moleculen uit de lagen eronder, en een bepaalde hoeveelheid ontsnapt weer tot er uiteindelijk alleen nog maar sporen van het element in de dampkring achterblijven. Vermoedelijk wordt de waterstof in de onderste lagen van de atmosfeer grotendeels verbrand tot water. Met een klein deel wordt een evenwicht bereikt tussen verbruik en nieuwe productie (door bacteriën en fotonische splitsing van het water).

Productie

De jaarlijkse waterstofproductie bedraagt momenteel meer dan 500 miljard standaard kubieke meter. Het grootste deel hiervan is afkomstig van fossiele bronnen (aardgas, ruwe olie), van de chemische industrie, waar het een bijproduct is van de chloorproductie, en van de raffinageprocessen van ruwe olie.

Als waterstof op grote schaal moet worden gebruikt voor energieopwekking of -opslag in de zin van een waterstofenergie-economie, is productie door middel van conventionele stoomreforming niet praktisch. Het kan echter nog steeds mogelijk zijn als ingangspunt, bijvoorbeeld in de automobielsector.

In de tussentijd zijn sommige waterstofproductieprocessen ontwikkeld tot serieproductiegereedheid, andere bevinden zich nog in de ontwikkelingsfase:

  • Stoomreformer (aardgas)
  • Gedeeltelijke oxidatie (olievergassing)
  • Autothermische reformator (methanolhervorming)
  • Elektrolyse van water
  • Biomassa (vergassing, gisting)
  • Kværner-procedure
  • Waterstof uit groene algen

Economisch gebruik

Jaarlijks wordt wereldwijd meer dan 600 miljard kubieke meter waterstof (ca. 30 miljoen ton) geproduceerd voor talloze toepassingen in de industrie en de technologie. Belangrijke toepassingsgebieden zijn:

  • Energiedragers: Bij het lassen, als raketbrandstof. Het gebruik ervan als brandstof voor straalmotoren, in waterstofverbrandingsmotoren of via brandstofcellen zal naar verwachting binnen afzienbare tijd het gebruik van aardolieproducten vervangen (zie waterstofaandrijving), omdat bij verbranding vooral water wordt geproduceerd, maar geen roet of kooldioxide. In tegenstelling tot olie is waterstof echter geen primaire energiebron.
  • Hydrogenering van steenkool: Door verschillende chemische reacties wordt steenkool met H2 omgezet in vloeibare koolwaterstoffen. Op deze manier kunnen benzine, diesel en stookolie kunstmatig worden geproduceerd. Op dit moment hebben beide bovengenoemde processen geen economische betekenis vanwege de hogere kosten. Dit kan echter drastisch veranderen zodra de aardoliereserves uitgeput raken.
  • Oplosmiddel: H2 kan reageren met metaaloxiden en er zuurstof aan onttrekken. Er wordt water en het gereduceerde metaal gevormd. Het proces wordt gebruikt bij het smelten van metaalertsen, vooral om metalen zo zuiver mogelijk te onttrekken.
  • Het Haber-Bosch proces wordt gebruikt om ammoniak te produceren uit stikstof en waterstof en uit deze ammoniak worden belangrijke meststoffen en explosieven geproduceerd.
  • Vetverharding: Geharde vetten worden uit plantaardige olie verkregen door hydrogenering. Tijdens dit proces worden de dubbele bindingen in onverzadigde vetzuurresten van de glyceriden verzadigd met waterstof. De resulterende vetten hebben een hoger smeltpunt, waardoor het product vast wordt. Op deze manier wordt margarine geproduceerd. Als bijproduct kunnen ook transvetten worden geproduceerd die schadelijk zijn voor de gezondheid.
  • Voedingsadditief: Waterstof is goedgekeurd als E 949 en wordt gebruikt als drijfgas, verpakkingsgas, enz.
  • Coolant: Vanwege de hoge warmtecapaciteit wordt (gasvormige) waterstof gebruikt als koelmiddel in elektriciteitscentrales en de daar gebruikte turbogeneratoren. In het bijzonder wordt H2 gebruikt daar waar de vloeistofkoeling problematisch kan zijn. De warmtecapaciteit komt in het geding daar waar het gas niet of slechts langzaam kan worden gecirculeerd. Omdat het warmtegeleidingsvermogen ook hoog is, wordt stromend H2 ook gebruikt om thermische energie naar grote reservoirs (bijv. rivieren) te transporteren. In deze toepassingen beschermt waterstof de apparatuur tegen oververhitting en verhoogt het rendement. Het voordeel van waterstof is dat het door zijn lage dichtheid, die in het Reynoldsgetal is opgenomen, laminair stroomt met een lage weerstand tot hogere snelheden dan andere gassen.
  • Cryogeen: Vanwege de hoge warmtecapaciteit en het lage kookpunt is vloeibare waterstof geschikt als cryogeen, d.w.z. als koelmiddel voor extreem lage temperaturen. Zelfs grotere hoeveelheden warmte kunnen goed worden opgenomen door vloeibare waterstof voordat er een merkbare verhoging van de temperatuur optreedt. Op deze manier wordt de lage temperatuur ook bij externe schommelingen gehandhaafd.
  • Draaggas: Waterstof is een van de eerste toepassingen in ballonnen en luchtschepen. Door de licht ontvlambare aard van H2-luchtmengsels leidde dit echter herhaaldelijk tot ongelukken. De grootste catastrofe in dit verband is waarschijnlijk het ongeluk met de “Dixmude” in 1923, de bekendste was zeker de “Hindenburger catastrofe” in 1937. Waterstof als draaggas is inmiddels vervangen door helium en vervult dit doel alleen in zeer speciale toepassingen.

De twee natuurlijke isotopen van Waterstof, Deuterium en Tritium, hebben speciale toepassingen:

Deuterium

Deuterium wordt (in de vorm van zwaar water) in zwaarwaterreactoren gebruikt als moderator, d.w.z. om de snelle neutronen die tijdens de kernsplijting worden geproduceerd, af te remmen tot de thermische snelheid.

Deuterium wordt gebruikt in de nucleaire magnetische resonantiespectroscopie omdat deuterium een kernspin heeft en niet zichtbaar is in het NMR-spectrum van het normale waterstofisotoop.

In de chemie en de biologie helpen de deuteriumverbindingen bij het bestuderen van reactieprocessen en metabolische routes (isotopenlabeling), omdat verbindingen met deuterium zich meestal chemisch en biochemisch bijna identiek gedragen aan de overeenkomstige verbindingen met waterstof. De reacties worden niet verstoord door de labeling, maar het lot van deuterium in de eindproducten kan nog steeds worden bepaald.

Bovendien zorgt het aanzienlijke massaverschil tussen waterstof en deuterium voor een duidelijk isotoopeffect in de massa-afhankelijke eigenschappen. Zo heeft zwaar water een meetbaar hoger kookpunt dan water.

Tritium

Het radioactieve isotoop tritium wordt in kernreactoren in industrieel bruikbare hoeveelheden geproduceerd. Naast deuterium is het ook een uitgangsmateriaal voor kernfusie tot helium. In civiel gebruik dient het als een radioactieve marker in de biologie en de geneeskunde. Het kan bijvoorbeeld worden gebruikt om tumorcellen te detecteren. In de fysica is het aan de ene kant zelf een onderzoeksobject, terwijl het aan de andere kant sterk versnelde tritiumkernen gebruikt worden om zware kernen te bestuderen of kunstmatige isotopen te produceren.

Watermonsters kunnen met behulp van de tritiummethode zeer nauwkeurig gedateerd worden. Met een halfwaardetijd van ongeveer twaalf jaar is het bijzonder geschikt voor het meten van relatief korte perioden (tot enkele honderden jaren). Het kan onder andere worden gebruikt om de leeftijd van een wijn te bepalen.

Het wordt gebruikt als een langdurige, betrouwbare energiebron voor lichtgevende verven (in een mengsel met een fluorescerende kleurstof), voornamelijk in militaire toepassingen, maar ook in polshorloges. De isotoop wordt ook gebruikt voor militaire doeleinden in de waterstofbom en bepaalde soorten kernwapens waarvan het effect gebaseerd is op splijting.

Biologie

Waterstof in de vorm van verschillende verbindingen is essentieel voor alle bekende levende organismen. De belangrijkste daarvan is water, dat als medium dient voor alle cellulaire processen en voor alle massatransporten. Samen met koolstof, zuurstof, stikstof (en zelden ook andere elementen) is het een bestanddeel van die moleculen uit de organische chemie, zonder welke elke vorm van leven die ons bekend is eenvoudigweg onmogelijk is.

Waterstof speelt ook een actieve rol in het organisme, bijvoorbeeld in sommige co-enzymen zoals nicotinamide adenine dinucleotide (NAD/NADH), die dienen als reductie-equivalenten (of “proton transporters”) in het lichaam en deelnemen aan redoxreacties. In de mitochondriën, de krachtcentrales van de cel, dient de overdracht van waterstofkationen (protonen) tussen verschillende moleculen van de zogenaamde ademhalingsketen om een protongradiënt te verschaffen door middel van chemosmische membraanpotentiaal om energierijke verbindingen zoals adenosinetrifosfaat (ATP) te genereren. Tijdens de fotosynthese in planten en bacteriën is waterstof uit water nodig om het vaste kooldioxide om te zetten in koolhydraten.

In termen van massa is waterstof het derde belangrijkste element in het menselijk lichaam: Voor een persoon met een lichaamsgewicht van 70 kg kan ongeveer 7 kg (= 10 % van het gewicht) worden toegeschreven aan de aanwezige waterstof. Alleen koolstof (ca. 20 wt.%) en zuurstof (ca. 63 wt.%) maken een nog groter deel van het gewicht uit. In verhouding tot het aantal atomen is het zeer lichte waterstof veruit het meest voorkomende atoom in het lichaam van elk levend wezen. (De 7 kg in de mens komt overeen met 3,5-103 mol waterstof met 2-6-1023 atomen per stuk, dat is ongeveer 4,2-1027 waterstofatomen).

Veiligheid

Waterstof is uiterst brandbaar. Het brandt met zuivere zuurstof of lucht, maar ook met andere gasvormige oxidanten zoals chloor of fluor met een hete vlam. Omdat de vlam nauwelijks zichtbaar is, kan men er onbedoeld in geraken Mengsels met chloor of fluor zijn zelfs door ultraviolette straling ontvlambaar (zie oxyhydrogeen chloorgas). Naast de door het GHS voorgeschreven etikettering (zie infobox) moeten H2-cilinders voor gecomprimeerd gas voorzien worden van een rode cilinderschouder en een rood cilinderlichaam conform DIN EN 1089-3.

Waterstof is niet giftig en is niet schadelijk voor het milieu. Daarom is er geen MAK-waarde gespecificeerd. Ademhaling of bescherming van de huid is niet nodig. Alleen bij hoge concentraties inhalatie kunnen bewegingsstoornissen, bewusteloosheid en verstikking door zuurstofgebrek vanaf ca. 30% van het volume optreden.

Mengsels van lucht en 4 tot 76 volumeprocent waterstof zijn brandbaar. Boven een concentratie van 18 % in lucht is het mengsel explosief (knalgas). De ontstekingstemperatuur in lucht is 560 °C. Tijdens de behandeling moet de waterstof uit de buurt van ontstekingsbronnen worden gehouden, inclusief elektrostatische ontladingen. De houders moeten uit de buurt van oxiderende gassen (zuurstof, chloor) en andere oxiderende stoffen worden opgeslagen.

Door zijn kleine atoomgrootte kan waterstof door veel vaste stoffen diffunderen, d.w.z. dat gas langzaam kan ontsnappen door ongeschikte materialen (bijv. kunststoffen). De materialen en diktes die gebruikt worden voor gastanks en -leidingen houden hiermee rekening, zodat er geen grotere risico’s zijn dan bij bijvoorbeeld benzine. Waterstofvoertuigen met druktanks kunnen zonder problemen in parkeergarages en ondergrondse parkeergarages worden geparkeerd. Er is geen wettelijke bepaling die dit beperkt.