|  | ||||||
0,14 % van de aardkost (tot 16 km diepte) bestaat uit waterstof; het is het element 10e in rangorde van voorkomen. Men treft het aan in water en in vrijwel alle organische verbindingen.
Waterstof is het meest voorkomende element in het heelal. De waterstofconcentratie in de atmosfeer is vrij constant (10-5 %), maar neemt aanzienlijk toe in de exosfeer, de buitenste laag van de atmosfeer (van ca. 600 tot 2000 km). De zon bestaat voor 84 % uit waterstof, dat als energiebron dient. Op Jupiter komt waterstof in vaste toestand voor (in de daar heersende omstandigheden beneden 20 K).
De Latijnse naam hydrogenium, waarvan ook het symbool afkomstig is, is afgeleid van het Griekse hudor gennan, wat respectievelijk water en voortbrengen betekent. De naam werd gegeven omdat het gas kon worden bereid uit water en bij verbranding weer water vormde. De naam waterstof is op dezelfde wijze ontstaan: de stof waaruit water gevormd wordt.
Waterstof werd in 1766 door H. Cavendish ontdekt bij zijn onderzoek naar de eigenschappen van zuren. Vrijwel alle zuren reageerden met ijzer of zink en vormden daarbij een identiek gas, dat veel lichter was dan lucht. Hij stelde tevens vast (1781) dat het gas bij verbranding water vormde. H. Cavendish publiceerde zijn bevindingen in 1774, maar kon deze nog niet los zien van de heersende flogiston-theorie (die in 1697 door G. F. Stahl werd ontworpen). Deze theorie ging uit van de aanwezigheid van flogiston in iedere stof, die bij verbranding werd afgescheiden.
Sir H. Davy herkende het gas als element. In 1789 slaagde de Nederlander A. Paets van Troostwijck er in waterstof te bereiden door elektrolyse van verdunde zuren en dit gas met de tevens ontstane zuurstof weer tot water te synthetiseren.
BEREIDING VROEGER
Waterstof werd bereid door reactie tussen zink en (zout)zuur:
Zn + 2 H+ → Zn2+ + H2
BEREIDING NU
Waterstof wordt bereid door elektrolyse van een natriumchloride-oplossing (zie 17 - Chloor), natronloog of een zwavelzuuroplossing.
Op grotere schaal wordt waterstof bereid door reactie, bij hoge temperatuur, van koolstof (cokes) of koolwaterstoffen met stoom:
C + H2O → 1100°C → CO + H2
of
CH4 + H2O → 1000°C → CO + 3 H2.
Het gevormde koolstofmonooxide kan verder met stoom en ijzer- of kobaltoxide als katalysator tot waterstof en koolstofdioxide worden omgezet:
CO + H2O → 400°C → CO2 + H2
(zie ook bij ammoniak, hieronder).
De bereiding van waterstof via elektrolyse speelt slechts een kleine rol. Om financiële redenen is dit alleen aantrekkelijk voor kleingebruikers, in situaties waarin hoge eisen gesteld worden aan de zuiverheid, en op plaatsen waar elektrische energie zeer goedkoop is. Waterstof komt ook vrij als nevenproduct bij petrochemische processen.
Op laboratoriumschaal verkrijgt men waterstof door reactie van onedele metalen (bv. zink) met zuren.
TOEPASSINGEN EN TOELICHTING
Brandstof: raket
Vloeibare waterstof wordt gebruikt als brandstof voor raketmotoren, onder meer voor de Spaceshuttle en de Ariane 4 en 5. Voor de lancering van de laatste twee is respectievelijk 10 ton en 120 ton vloeibare waterstof en zuurstof nodig.
Het gebruik van waterstof als brandstof voor auto’s is volop in onderzoek. Hierbij wordt zowel gedacht aan rechtstreekse verbranding als aan opwekking van elektrische energie via brandstofcellen. De opslag van waterstof is hierbij een belangrijk onderdeel (zie ook 46 - Palladium en 57 - Lanthaan).
De opwekking van energie via kernfusie is al jaren een onderwerp van studie. Bij deze techniek is waterstof de brandstof. Het voordeel van waterstof is de vrijwel onbeperkte beschikbaarheid. Een probleem is de radioactiviteit van een aantal stoffen die bij de fusie worden gevormd.
Waterstofverbindingen, zoals hydrazine (N2H2 ; zie 7 - Stikstof) en boorhydride (BH3), worden ook als raketbrandstof gebruikt.
Vetharding
Bij de vetharding worden onverzadigde oliën en vetten omgezet in verzadigde oliën en vetten door additie van waterstof aan de dubbele bindingen, met bijvoorbeeld nikkel als katalysator:
CH2 - OOC - (CH2)7 - CH=CH - (CH2)7 - CH3 CH2-OOC- (CH2)7 - CH2 - CH2 - (CH2)7 - CH3
| |
CH – OOC - C17H35 + H2 → (Ni) → CH -OOC - C17H35
| |
CH2 –OOC - C15H31 CH2-OOC - C15H31
Ballonvulling
Voor het vullen van ballonnen werd vroeger waterstofgas gebruikt. Het heeft een zeer lage dichtheid en is relatief goedkoop. Het nadeel is dat het - gemengd met lucht - zeer brandbaar (explosief) is. Een voorbeeld hiervan is de ramp met het luchtschip 'Hindenburg', waarbij door het overspringen van een vonk, veroorzaakt door statische elektriciteit, het luchtschip explodeerde. Daarom wordt waterstof in veel gevallen door helium vervangen.
Bleekmiddel
Waterstofperoxide (H2O2) wordt al sinds kort na de eerste bereiding (in 1818 door L. J. Thénard) gebruikt als bleekmiddel. Doordat het gemakkelijk een zuurstofatoom kan afstaan, heeft het een sterk oxiderende werking. Het wordt gebruikt voor het bleken van hout, textiel, olie, vet, papier, haar.
Olie
Aardolie is een mengsel van koolwaterstoffen. Zoals vrijwel alle organische verbindingen bevatten deze stoffen waterstof. Uit koolwaterstoffen wordt waterstof bereid, dat gebruikt wordt voor bepaalde synthesen (bijvoorbeeld de ammoniakbereiding - zie hieronder) en bij het kraak- en raffinageproces, waarbij minder bruikbare koolwaterstoffen worden omgezet in bruikbare producten.
Vet
Vloeibare vetten zijn esters van vetzuren en glycerol (formule: zie boven). Deze stoffen bevatten waterstof.
Ammoniak
Ammoniak werd in 1913 voor het eerst geproduceerd volgens een door F. Haber en C. Bosch (bij BASF in Ludwigshafen) ontwikkeld proces, dat sindsdien nauwelijks is gewijzigd.
Bij de productie wordt uitgegaan van stikstof en waterstof. De stikstof is afkomstig uit de lucht, de waterstof wordt verkregen door reactie van aardgas (of andere koolwaterstoffen) met stoom. De koolwaterstoffen moeten eerst worden ontzwaveld (anders zou bij de ammoniaksynthese vergiftiging van de katalysator optreden) en worden vervolgens met stoom en lucht over nikkel geleid. Bij hoge temperatuur en druk treden de volgende reacties op:
CH4 + H2O → CO + 3 H2
CH4 + 2 H2O → CO2 + 4 H2. (750 °C, 30.105 Pa)
en CH4 + lucht → CO + 2 H2 + x N2 (900 °C en 30.105 Pa)
De verhouding wordt zo gekozen dat er uiteindelijk een stikstof-waterstof-mengsel ontstaat, waarin beide gassen in de juiste verhouding voorkomen.
Het gevormde koolstofmonooxide reageert met stoom als het gasmengsel over een andere katalysator (FeO/Cu) wordt geleid:
CO + H2O → CO2 + H2
Daarna wordt het koolstofdioxide verwijderd door het gasmengsel door een kaliumcarbonaatoplossing te leiden:
CO2 + H2O + K2CO3 → 2 KHCO3
Het overgebleven koolstofmonooxide wordt verwijderd door reactie met waterstof:
CO + 3 H2 → (Ni,325°C) → CH4 + H2O.
Het resterende gasmengsel, bestaande uit 74,3 % waterstof, 24,7 % stikstof, 0,7 % methaan en 0,3 % argon, wordt op 200.105 Pa gebracht en bij 425 °C over zeer fijn verdeeld ijzer geleid. Het fijn verdeelde ijzer ontstaat doordat de waterstof uit de gasstroom het op een drager aangebrachte, zeer fijn verdeeld Fe3O4 reduceert. Bij de reactie ontstaat ammoniak:
N2 + 3 H2 → 2 NH3
De reactie is een evenwichtsreactie. Bij de heersende omstandigheden wordt ca. 15 % ammoniak gevormd, dat door condensatie aan het mengsel wordt onttrokken, waarna het overblijvende gas opnieuw naar de reactor wordt geleid.
De wereldproductie bedraagt enkele miljoenen ton per jaar.
Water
Water (H2O) is de voornaamste waterstofhoudende verbinding op aarde. Het is één van de belangrijkste stoffen op onze planeet. Zonder water zou leven onmogelijk zijn. Zowel voor direct gebruik als voor de vorming van zuurstof in de natuur is water onmisbaar.
In de natuur wordt zuurstof, via fotosynthese, op grote schaal door planten geproduceerd. Uit koolstofdioxide - afkomstig uit de lucht - en water wordt, onder invloed van chlorofyl en zonlicht, zuurstof en koolhydraat gevormd. De zuurstofatomen van water komen bij dit proces in het gevormde zuurstofgas terecht:
n CO2 + n H2O → licht, chlorofyl → 2n O + (CH2O)n
De zuurstofatomen vormen direct zuurstof:
2 O → O2
VERDERE TOEPASSINGEN
Toepassingen als niet-ontleedbare stof (element):
autogeen lassen
bellenvaten bij bestudering kernreacties (vloeibaar)
bereiding metalen
drinkwaterbereiding in de ruimtevaart
gasontladingslamp
kernfusie (energiebron)
methanolbereiding
ontzwavelen van aardolie
standaard waterstofelektrode
Toepassingen als ontleedbare stof (verbinding):
| H2O2 |
| H2O2 |
| H2O2 |
| H2S |
| NaBH4 |
| H2O2 / PH3 |
| trimethylaminoboraan, (CH3) 3NBH3 |
| H2O2 |
| PH3 |
| H2S |
| borazine, B3N3H6 |
| H2O2 |
| H2O2 |
| H2S |
| LiAlH4 |
| H2O2 |
| H2O2 |
| H2S |
| CaH2 |
| NaBH4 | |
| H2O2 |
alle zuren en alle organische verbindingen zoals vetten, eiwitten, koolhydraten, alcohol(en), geneesmiddelen, bevatten waterstof.