Wat is waterstof?

Waterstof is het meest voorkomende en het kleinste element in het heelal. De meest bekende toepassing is misschien wel als raketbrandstof. Omdat waterstof geen schadelijk verbrandingsgassen geeft, wordt veel onderzoek gedaan naar de toepassing van waterstof als brandstof in auto's. Een andere mogelijkheid met waterstof is het laten fuseren van 2 atomen waterstof tot een atoom Helium. Dit proces wordt kernfusie genoemd.

Ontdekking

Waterstof werd voor het eerst in 1671 beschreven door de Iers-Engelse chemicus Robert Boyle naar aanleiding van een reactie tussen ijzer en verdund zuur. In 1766 ontdekte Henrt Cavendish dat het een chemisch element betrof. Alhoewel hij de chemische eigenschappen nauwkeurig kon beschrijven was hij van mening dat het gas voortkwam uit het metaal in plaats van het zuur. Hij noemde het element dan ook: brandbaar gas van metalen. Later gaf Antoine Lavoisier waterstof zijn huidige Latijnse naam Hydrogenium. Dit woord komt voort uit een samenstelling van twee Griekse woorden: hydor (water) en genes (maken). Vrij vertaald betekent waterstof dus watermaker.

Van Hydrogenium is het symbool H in het periodiek systeem afgeleid.

Chemische en fysische eigenschappen

Waterstof is het eerste scheikundig element uit het periodiek systeem. Losse atomen waterstof komen in de natuur nauwelijks voor. De losse atomen reageren snel met andere atomen en veelal verbinden zij zich met andere waterstof atomen tot waterstofgas.

Waterstof is het lichtste gas en smelt reeds bij 14,02 K en heeft een kookpunt van slechts 20,27° K. Bij normale temperaturen komt waterstof voor als een gas bestaande uit twee atomen. Het gas is kleur- en reukloos en daarnaast uitermate ontvlambaar. Waterstof kan met de meeste andere elementen verbindingen aangaan.

Water kan samen zuurstof water vormen. De combinatie van waterstofgas en zuurstof is een hoogst explosief en wordt ook wel knalgas genoemd. Waterstof kan ook verbindingen aangaan met koolstof. De stoffen daaruit voortkomend worden koolwaterstoffen genoemd.

Waterstof komt overal in het heelal voor en wolken waterstof staan aan de basis van de vorming van sterren. Gedurende het leven van een ster bestaat deze voor de meeste tijd uit waterstof in de plasmafase. Binnen de sterren vindt kernfusie plaats waarbij van waterstof kernen helium gevormd worden. Bij de kernfusie komen grote hoeveelheden energie vrij.

Waterstof vormt 90% van de atomen in het heelal en het vormt 75% van de atomaire massa van het heelal.

Isotopen

Waterstof kent drie vormen van isotopen

• Protium: dit is de meest voorkomende stabiele isotoop van waterstof en bestaat uit één proton.
• Deuterium: dit is een andere stabiele isotoop die behalve een proton ook een neutron in de kern bevat.
• Tritium: is een radioactief isotoop met twee neutronen in de kern. Het komt van nature nauwelijks in de natuur voor en wordt vooral geproduceerd in nucleaire reactoren.

Waterstof is het enige element met verschillende namen voor zijn isotopen.

Gebruik van waterstof

Waterstof kent een groot aantal toepassing zoals:

• Hydrokraken, hetgeen een scheikundig proces is waarbij grotere moleculen worden afgebroken tot kleinere moleculen.
• Ontzwaveling van producten.
• Productie van zoutzuur.
• Als grondstof voor lassen.
• Raketbrandstof.
• Vloeibaar waterstof wordt gebruikt voor cryogeen onderzoek en supergeleiding.
• Vulling van ballonnen.
• Koeling van generatoren.
• Deuterium wordt gebruikt voor studies naar isotoopeffecten en om neutronen te vertragen.
• Tritium is nodig om een waterstofbom te maken.
• Tritium kan worden gebruikt als stralingsbron in lichtgevende verf.
• Voor biologische en medische wetenschap kan tritium gebruikt worden als isotooplabel.
• Energiedrager voor toepassing in combinatie met brandstofcellen.

Risico’s van waterstof

Gezondheidsrisico’s

Personen die aan waterstofgas blootgesteld worden krijgen te kampen met symptomen als hoofdpijn, oorsuizen, duizeligheid, slaperigheid, bewusteloosheid, misselijkheid, overgeven en extreme depressies. Als gevolg van het zuurstoftekort kan de huid blauw kleuren. In extreme situaties kunnen slachtoffers overlijden aan blootstelling aan waterstof. Wanneer mensen al ademhalingsproblemen hebben, dan zullen deze door overmatige blootstelling aan waterstof worden verergerd. Het risico voor blootstelling ontstaat wanneer waterstof niet juist is opgeslagen en daarom de kans heeft te ontsnappen naar de lucht.

Chemische en fysische risico’s

Het gas mengt goed met lucht en vormt met het aanwezige zuurstof knalgas, hetgeen uitermate explosief is. Ook met andere stoffen dan zuurstof reageert waterstof sterk. Metalen zoals platina en nikkel zijn goede katalysatoren voor waterstof en versnellen mogelijke chemische reacties. Een hoge waterstofconcentratie in de lucht doet de hoeveelheid zuurstof afnemen.

Productie van waterstof

Er bestaan diverse methodes voor de productie van waterstof. Een toekomstig waterstofeconomie vereist een goedkope massale waterstofproductie.

Waterstof kan op diverse manieren uit koolwaterstoffen gevormd worden:

• Reforming: hierbij reageert stoom op hoge temperaturen met methaan en heeft als product koolmonoxide en waterstofgas. Dit product wordt syngas genoemd.
• Koolmonoxide: hierbij wordt waterstof verkregen uit een water-gassplitsing waarbij water en koolmonoxide reageren tot waterstof en koolstofdioxide.
• Steenkool: door middel van gasvorming kan steenkool worden omgevormd tot syngas en methaan.

De vorming van waterstof kan ook gebeuren vanuit water op de volgende wijzen:

• In een bioreactor waarbij algen waterstofgas produceren. In de late jaren negentig is gebleken dat bepaalde algen bij onthouding van zwavel overgaan op de productie van waterstofgas. Recente genetische manipulaties hebben de productie van waterstofgas vergroot.
• Door elektrolyse is water te scheiden in waterstof en zuurstof. Bij gebruikmaking van een mechanische energiebron, zoals windenergie en waterkracht dan is normale elektrolyse toepasbaar. Indien de energiebron primair warmte levert, dan is het mogelijk om waterstof te produceren door lage-temperatuurelektrolyse.
• Hoge temperatuurelektrolyse: bij deze methode wordt een deel van de benodigde energie voor elektrolyse in de vorm van warmte toegevoegd. Deze methode is nog volop in ontwikkeling, maar kan mogelijk wedijveren met reforming
• Thermolyse: bij hoge temperaturen (2500°C) wordt water gescheiden in waterstof en zuurstof
• Sommige thermo-chemische processen kunnen door hitte water scheiden zonder elektrische energie. Deze processen zijn uitsluitend nog gedemonstreerd in laboratoria en niet als zijnde massa productie.

Behalve bovenbeschreven methoden zijn er nog een aantal alternatieve methoden welke nog vrijwel geheel theoretisch zijn:

• Foto-elektrische cellen: ontwikkelingen op het gebied van nanotechnologie zou kunnen leiden tot cellen welke door middel van fotosynthese waterstof produceren.
• Er bestaan theorieën over de aanwezigheid van waterstof in de bodem. Waterstof zou dan kunnen worden gewonnen op een wijze gelijk aan de winning van aardgas.

Milieueffecten van waterstof

Waterstof komt van nature in de lucht voor en zal reageren met andere stoffen. Grote concentraties in de hogere luchtlagen kan bijdragen aan het afbreken aan de ozonlaag en aldus leiden tot een groter gat in de ozonlaag.

Er zijn geen effecten waargenomen op planten, maar op dieren heeft de afnemende hoeveelheid zuurstof uiteraard wel effect.