Waterstof - H
Waterstof (H) is het lichtste chemische element. Bij normale temperaturen en drukken is elementaire waterstof een kleurloos, geurloos gas dat bestaat uit H2-moleculen.
Eigenschappen en reacties · Toepassingen en productie · Gezondheid en veiligheid · Milieu en water
| Atoomnummer | 1 |
|---|---|
| Standaardatoomgewicht | [1,00784, 1,00811]; ongeveer 1,008 voor algemene berekeningen |
| Molaire massa van H2 | Ongeveer 2,016 g mol−1 |
| Elektronegativiteit (schaal van Pauling) | 2.20 |
| Gasdichtheid bij 20 °C en 1 atm | Ongeveer 0,0838 g L−1 (schatting volgens de ideale gaswet voor H2) |
| Smeltpunt van H2 | −259,16 °C |
| Kookpunt van H2 | −252,879 °C |
| Niet-gebonden atoomstraal | 0,110 nm |
| Stabiele isotopen | 1H (protium) en 2H (deuterium) |
| Radioactieve isotoop | 3H (tritium) |
| Elektronenconfiguratie van H | 1s1 |
| Eerste ionisatie-energie | 1312,1 kJ mol−1 |
| Ontdekking | Henry Cavendish, 1766 |
Bronnen voor de eigenschappen: Royal Society of Chemistry en CIAAW. De faseovergangstemperaturen gelden voor moleculaire waterstof bij ongeveer atmosferische druk. De gasdichtheid is berekend met ρ = pM/(RT), bij 20 °C, 101,325 kPa en M = 2,016 g mol−1. De werkelijke dichtheid hangt af van temperatuur, druk en gassamenstelling.
Eigenschappen en reacties van waterstof
Een neutraal waterstofatoom heeft één proton en één elektron. Protium en deuterium zijn stabiel; tritium is radioactief. De isotopenverhoudingen verschillen per materiaal. Daarom mag de massa van één isotoop niet worden verward met het standaardatoomgewicht van waterstof.
Waterstof komt voor in water en organische verbindingen en is het meest voorkomende element in het heelal. Het gas heeft een veel lagere dichtheid dan lucht. Atomaire waterstof (H) en moleculaire waterstof (H2) verschillen in reactiviteit; beschrijvingen van atomaire waterstof gelden niet automatisch voor gewoon waterstofgas.
Waterstof reageert met zuurstof tot water, waarbij energie vrijkomt. Een vonk, warmte of een geschikte katalysator kan de reactie op gang brengen; mengsels van waterstof en lucht kunnen ontbranden of exploderen:
2H2 + O2 → 2H2O
Toepassingen en productie
Waterstof wordt gebruikt bij aardolieraffinage, de productie van ammoniak en andere chemicaliën, metaalbehandeling en voedselverwerking. Raffinaderijen gebruiken waterstof om het zwavelgehalte van brandstoffen te verlagen en bij hydrokraken. Waterstof wordt ook gebruikt als raketbrandstof en in brandstofcellen die elektriciteit opwekken.
Waterstof is een energiedrager: er is energie nodig om het te produceren uit grondstoffen zoals aardgas of water. Bij elektrolyse van water wordt elektriciteit gebruikt om water te splitsen in waterstof en zuurstof:
2H2O → 2H2 + O2
Een brandstofcel die met waterstof wordt gevoed, produceert zonder verbranding elektriciteit, water en warmte. Dit resultaat op de plaats van gebruik beschrijft niet de volledige milieuvoetafdruk. De emissies hangen af van de waterstofproductie, de elektriciteitsvoorziening en de bredere toeleveringsketen. Bij verbranding van waterstof in lucht kunnen ook stikstofoxiden (NOx) ontstaan, hoewel waterstof zelf geen koolstof bevat.
Lees meer over waterstofproductie door elektrolyse van water in Lenntechs overzicht van elektrolysetechnologieën en hun eisen aan de watervoorziening.
Gezondheidseffecten en veilig omgaan met waterstof
Waterstofgas is uiterst brandbaar en kan zuurstof verdringen. Hoewel het chemisch niet giftig is, kan een lek in een besloten ruimte een zuurstofarme atmosfeer veroorzaken, met bewusteloosheid of overlijden tot gevolg. De geurloosheid van het gas geeft geen waarschuwing.
Waterstof ontbrandt gemakkelijk en de vlam kan moeilijk zichtbaar zijn. Ventilatie, geschikte waterstoflekdetectie en passende vlamdetectie zijn belangrijke technische veiligheidsmaatregelen. Zuurstofbewaking dient om een ander gevaar vast te stellen en mag niet als vervanging voor waterstofdetectie worden beschouwd.
Gas onder druk brengt drukrisico's met zich mee; vloeibare waterstof en zeer koud gas kunnen bevriezingsletsel veroorzaken. Sommige metalen kunnen door waterstof bros worden. Daarom is materiaalcompatibiliteit belangrijk voor opslagtanks, leidingen en procesapparatuur.
Volg bij het hanteren van waterstof en bij noodsituaties het veiligheidsinformatieblad van de leverancier en de procedures op locatie. Betreed een ruimte waar mogelijk zuurstofgebrek heerst niet om zonder bescherming een reddingspoging te doen. Roep na aanzienlijke blootstelling of letsel door contact met kou medische noodhulp in.
Waterstof in het milieu en in water
Waterstof die gebonden is in water of organische stoffen verschilt van vrij H2-gas. Waterstofproductie is niet automatisch koolstofvrij: productie op basis van fossiele brandstoffen en elektriciteitsopwekking kunnen aanzienlijke emissies veroorzaken. Weggelekte waterstof kan ook andere gassen in de atmosfeer beïnvloeden en indirect bijdragen aan opwarming. Daarom is het belangrijk lekkages te beperken.
Relevantie voor waterbehandeling
pH heeft betrekking op waterstofionen, niet op opgelost waterstofgas. De pH is gedefinieerd op basis van de activiteit van waterstofionen in oplossing. H+ is een verkorte notatie voor gehydrateerde waterstofionen in water; het toevoegen of verwijderen van H2-gas is niet hetzelfde als het doseren van een zuur of een loog.
Waterelektrolyse vormt een direct verband tussen de watervoorziening en waterstofproductie. Bij de reactie wordt ongeveer 9 kg water per kg waterstof verbruikt op stoichiometrische basis, berekend uit de molaire massa's. Dit is de hoeveelheid water die voor de reactie nodig is, niet het totale waterverbruik van een installatie: verliezen bij de waterbehandeling, koeling en ander watergebruik op de locatie zijn hierin niet meegerekend.
Beoordeel voor aquatische systemen de specifieke stof en de omstandigheden in het water. Effecten die samenhangen met de pH, de beschikbaarheid van zuurstof of verontreinigingen kunnen niet uit de naam van het element alleen worden afgeleid.
Gerelateerde elementprofielen: zilver, koper, lood, bismut, kwik, natrium, platina en nikkel.
Waterstofpagina voor het laatst beoordeeld: door Lenntech.
Terug naar het periodiek systeem der elementen.
Bronnen en meer informatie
- RSC: eigenschappen, isotopen en geschiedenis van waterstof.
- CIAAW: atoomgewicht en isotopensamenstelling van waterstof.
- US EIA: industriële toepassingen en brandstofcellen.
- Amerikaans ministerie van Energie: waterstofproductie door elektrolyse.
- Amerikaans ministerie van Energie: gebruik van waterstof en uitstoot van stikstofoxiden.
- IEA: broeikasgasemissies bij waterstofproductie.
- ILO/WHO: internationale chemische veiligheidskaart 0001 — waterstof.
- Amerikaans ministerie van Energie: veilig gebruik van waterstof.
- Amerikaans ministerie van Energie: waterstofveiligheid, verbrossing en lekkage.
- IUPAC Gold Book: definitie van pH.