Hydrogen
Hydrogen (eldre òg vasstoff eller brenne) er ein fargelaus, luktfri og ugiftig, men svært brennbar gass. Det er det lettaste av alle grunnstoff og har atomnummer 1 og symbolet H.
Hydrogen kan reagera med dei fleste andre grunnstoff. Det finst i vatn, i alle organiske stoff og i alle organismar. Det er det vanlegaste grunnstoffet i universet, og så godt som alle stjerner i hovudserien består av hydrogen i plasma-fase.
Hydrogen blir brukt i stor skala i industrien. Viktige område er produksjon av ammoniakk for bruk i kunstgjødsel, herding av feitt og i oljeraffineri under produksjonen av fleire petroleumsprodukt, slik som propan, diesel og flybrennstoff. Hydrogen blir òg mykje nytta som rakettbrennstoff, mellom anna i romferja.
I laboratoriet kan ein laga hydrogen ved å la ei syre reagera med eit metall, til dømes sink. Når ein framstiller hydrogen kommersielt, skjer det vanlegvis ved å bryta ned naturgass. Elektrolyse av vatn er ein enkel, men lite effektiv metode. Forskarar prøver no å utvikla nye metodar som nyttar grøne algar for hydrogenproduksjon.[treng kjelde]
Spesielle eigenskapar
Hydrogen er det lettaste grunnstoffet. Den vanlegaste isotopen har berre eitt proton og eitt elektron og ingen nøytron. Smeltepunktet og kokepunktet til hydrogen er berre 14,02 K og 20,27 K. Ved standardforhold er hydrogen ein to-atomig gass, H2. Under ekstremt høgt trykk – som finst i sentrum av gasskjemper – går hydrogen over til å bli eit flytande metall (sjå metallisk hydrogen). Under det ekstremt låge trykket som ein finn i verdsrommet, har hydrogen ein tendens til å eksistera som enkeltatom sidan konsentrasjonen er for låg til at reaksjonar mellom einskildatom er sannsynlege.
Viss det er nok hydrogen i eit område av universet kan det oppstå skyer av H2, som i neste omgang kan føra til stjernefødslar. Dette grunnstoffet spelar ei viktig rolle som energikjelde for universet gjennom kjernefusjon i stjerner, anten proton-proton reaksjon eller karbon-nitrogen syklus.
Bruk
Store mengder hydrogen trengst industrielt, særleg i ammoniakk-produksjon, i hydrogenering av feitt (herding) og oljer, og i produksjon av metanol (tresprit). Hydrogen blir òg brukt i hydrodealkylering, avsvovling med hydrogen og hydrokrakking.
Som energiberar
Sidan forbrenning av hydrogen berre gjev vassdamp som avfall, og difor ikkje forureinar, er det stor interesse for hydrogen som energiberar. Hydrogen førekjem likevel knapt i rein form på jorda. Når hydrogen skal nyttast som brensel, lyt ein fyrst nytta andre energikjelder for å laga hydrogenet.
Hydrogen kan mellom anna nyttast som brensel i forbrenningsmotorar, rakettmotorar og i hydrogen-brensleceller. Brensleceller der hydrogen og oksygen reagerer og danner vatn, er interessante for produksjon av elektrisk kraft, der ein treng ein høg energi til vekt-brøk. Det blir mellom anna forska på å nytta slike brensleceller som energikjelde i køyrety.
Anna bruk
- Hydrogen blir nytta i produksjon av saltsyre, i sveising, og i reduksjon av metallisk malm.
- Flytande hydrogen er brukt i kryogenisk forsking, mellom anna på superleiarar.
- Deuterium (hydrogen-2), ein isotop av hydrogen, blir brukt i kjernereaksjonar som ein moderator for å bremsa ned nøytron, vanlegvis i form av tungtvatn.
- Deuteriumsamansetjingar blir òg nytta innan kjemi og biologi i studiar av isotopeffektar.
- Tritium (hydrogen-3), som blir produsert i kjernereaktorar, blir brukt som del av sprengladninga i hydrogenbomber. Det blir òg brukt som strålingskjelde, til dømes i sjølvlysande måling.
Tidlegare bruk
Sidan hydrogen er fjorten og ein halv gong lettare enn luft, blei det tidlegare brukt for å gje oppdrift til ballongar og luftskip. Dette tok brått slutt etter Hindenburg-katastrofa, der eit slikt luftskip forulukka i ein valdsam brann.
Historie
Hydrogen blei oppdaga som eit eige stoff ved eit tilfelle i 1766, då Henry Cavendish eksperimenterte med kvikksølv og syre. Sjølv om han feilaktig meinte at det stamma frå kvikksølvet, og ikkje frå syra, klarte han likevel å skildra mange av eigenskapene til stoffet nøyaktig.
Antoine Lavoisier prova at dette stoffet og oksygen saman laga vatn, og gav det namnet hydrogen, vassmakar, frå gresk hudôr (vatn) og gennen (skapa).
Førekomst
Hydrogen er det vanlegaste grunnstoffet i universet, og utgjer 75 % av normal materie etter masse og over 90 % etter talet på atom. Grunnstoffet finst i store mengder i stjerner og gassplanetar.
I forhold til den store førekomsten elles i universet er reint hydrogen svært sjeldant i atmosfæren på Jorda. Den mest vanlege kjelda til hydrogen på Jorda er vatn som består av to delar hydrogen og ein del oksygen (H2O). Andre kjelder er de fleste former for organisk materie, olje og naturgass.
Hydrogen kan utvinnast på fleire måtar. Vassdamp vil ved høg temperatur reagere med kol eller hydrokarbon som olje eller metan og danne ei blanding av , og hydrogen, . I dag blir hydrogen oftast produsert frå metan. Ein kan og produsere hydrogen med elektrolyse av vatn. Dette er langt dyrare enn hydrogen laga frå metan. Tidlegare laga Norsk Hydro hydrogen på denne måten på Rjukan, basert på rikeleg tilgang på vasskraft.
I laboratoriesamanheng kan hydrogen lagast av syrer som reagerer med uedle metall slik som sink, frå aluminium og natriumhydroksid (natronlut, kaustisk soda) eller kaliumhydroksid (kalilut).
Kjemiske sambindingar
Hydrogen dannar kjemiske sambindingar med dei fleste andre grunnstoff. Hydrogen har ein middels elektronegativitet på 2,2 og kan vera det minst metalliske eller det mest metalliske stoffet i desse sambindingane. Førstnemnde kallast hydrid og er oftast sambindingar mellom hydrogen og metall, der hydrogen finst anten som H- ionar eller som eit oppløyst stoff inni det andre grunnstoffet (f.eks. palladium-hydrid). Sistnemnde er helst kovalente sambindingar, då H+ ionet berre ville vera ei kjerne med eit proton som ville ha ein sterk tendens til å tiltrekkja seg elektron. Begge variantar dannar syrer, men i sure løysingar førekjem ion som H3O+ i det proton festar seg til andre molekyl.
I luft reagerer hydrogen med oksygen og dannar vatn, H2O. Det blir frigjort mykje energi, og reaksjonen er eksplosjonsarta. Deuterium-oksid, eller D2O, blir vanlegvis kalla tungtvatn. Hydrogen inngår òg i ei mengd sambindingar med karbon. Fordi slike sambindingar utgjer hovudbestanddelen av alle kjende levande organismar kallar ein dei organiske sambindingar, og læra om desse kallar ein organisk kjemi.
Tilstandsformer
Under normale forhold er hydrogengass ei blanding av to ulike slag molekyl som har ulikt spinn i atomkjerneen. Dei to formene blir kalla orto- og para-hydrogen (dette er ikkje det same som isotopar, sjå nedanfor). I orto-hydrogen er kjernespinnet parallelt (dannar ein triplett), mens det i para-hydrogen er antiparallelt (dannar ein singlett). Ved standardforhold består hydrogen av ca. 25 % av para-forma og 75 % av orto-forma, den såkalla normale forma. Likevektsforholdet mellom dei to er temperaturavhengig, men fordi orto-forma har høgare energi er ho ikkje stabil i rein tilstand. Ved låge temperaturar, kring kokepunktet til hydrogen, finst nesten utelukkande para-forma.
Forvandlinga mellom dei to formene er ein treg prosess, og viss hydrogen blir nedkjølt og kondensert raskt, blir ein stor del av orto-forma oppretthalden. Dette har stor verknad for industriell framstilling og lagring av flytande hydrogen fordi orto-para forvandlinga frigjer meir varme enn fordampningsvarmen, og mykje hydrogen kan gå tapt ved fordamping fleire dagar etter kondenseringa. Derfor brukar ein katalysatorar for orto-para forvandlinga under nedkjøling av hydrogen.
Dei to formene har òg litt forskjellige fysiske eigenskapar. Til dømes er smeltepunktet og kokepunktet til para-hydrogen omtrent 0,1 K lågare enn for orto-hydrogen.
Isotopar
Det er tre alminneleg kjende isotopar av hydrogen:
- Den vanlegaste isotopen, protium (¹H), har eitt proton og ingen nøytron i kjernen. Denne isotopen er stabil og utgjer 99,985 % av naturleg hydrogen.
- Tungt hydrogen, deuterium (²H eller D), har eitt proton og eitt nøytron. Denne isotopen er òg stabil og utgjer ca. 1/6400 eller 0,015 % av naturleg hydrogen. Forholdstalet mellom deuterium og protium blir fastsett ut frå VSMOW standard vann. Ca. 1/3200 av naturleg vann er «halvtungt» vann, DHO, og ein endå mindre del er tungtvatn, D2O.
- Supertungt hydrogen, den radioaktive isotopen tritium (³H eller T), har eitt proton og to nøytron. I naturleg hydrogen finst eitt atom av tritium blant 1017 – 1018 atom av vanleg hydrogen. Halveringstida til tritium er 12,35 år.
Hydrogen er det einaste grunnstoffet der isotopane har ulike namn. Symbola D og T er likevel ikkje offisielt anerkjent.
Vidare er det blitt framstilt ei lita mengd kunstige, tyngre isotopar av hydrogen med 3-6 nøytron i kjernen. Desse isotopane har halveringstider på om lag 10−23–10−22 sekund, og det er berre laga nokre få enkeltatom av kvar. Dei er framstilte ved at naturlege isotopar (²H, ³H) blir bombarderte med atomkjernar frå t.d. deuterium (²H), tritium (³H) eller heliumisotopen 8He.
Farar
Hydrogen er ein svært brennbar gass og dannar eksplosive blandingar med oksygen eller luft. Stoffet reagerer òg kraftig med klor og fluor, og då oppstår saltsyre og flussyre.
