Hydrogen

1 ← Hydrogen → Helium ↑ H ↓ Li Heile tabellen
Generelle eigenskapar
Namn, kjemisk symbol, atomnummer	Hydrogen, H, 1
Kjemisk serie	Ikkje-metall
Gruppe, periode, blokk	1, 1, s
Tettleik, hardleik	0,0899 kg/m3, n.a. (ikkje SI)
Utsjånad	Fargelaus
Atomeigenskapar
Atommasse	1,00794 u (ikkje SI)
Atomradius (berekna)	25 (53) pm
Kovalent radius	37 pm
Ioneradius	208 pm (ladning: −1)
van der Waals radius	120 pm
Elektronkonfigurasjon	1s1
Elektron per energinivå	1
Oksidasjonstrinn (oksid)	−1, +1 (vatn; amfotært)
Krystallstruktur	Heksagonal
Fysiske eigenskapar
Tilstandsform	Gass
Smeltepunkt	14,025 K (−259,125°C)
Kokepunkt	20,268 K (−252,882°C)
Molart volum	11200 cm3/mol
Fordampingsvarme	0,44936 kJ/mol
Smeltevarme	0,05868 kJ/mol
Damptrykk	209 Pa ved 23 K
Ljodfart	1 270 m/s ved 25 °C
Diverse eigenskapar
Elektronegativitet	2,2 (Paulings skala)
Spesifikk varmekapasitet	14 304 J/(kg·K)
Elektrisk konduktivitet	(?) MS/m
Termisk konduktivitet	0,1815 W/(m·K)
Ioniseringspotensial	1 312 kJ/mol
Mest stabile isotopar
Iso- top Naturleg førekomst Halverings- tid (ikkje SI) NM NE MeV (ikkje SI) NP ¹H 99,985% (stabil) ²H 0,015 % (stabil) ³H 10−16%–10−15% 12,33 år β− 0,019 ³He 4H (kunstig) 9,93696·10−23 s n 2,910 ³H 5H (kunstig) 8,01930·10−23 s n (?) 4H 6H (kunstig) 3,26500·10−22 s 3·n (?) ³H
SI-einingar og STP er brukt unntatt der det er avmerka

Hydrogen (eldre òg vasstoff eller brenne) er ein fargelaus og luktfri, ugiftig men svært brennbar gass. Det er det lettaste av alle grunnstoff og har atomnummer 1 og symbolet H.

Lysstråler frå glødande hydrogengass gjev stjernesamlingar i spiralgalaksen NGC 1300 ein raudleg tone.

Hydrogen kan reagera med dei fleste andre grunnstoff. Det finst i vatn, i alle organiske stoff og i alle organismer. 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 oljeraffeneri under produksjonen av fleire petroliumsprodukt, slik som propan, diesel og flybrennstoff. Hydrogen blir og mykje nytta som rakettbrenstoff, mellom anna i romferja.

I laboratoriet kan ein laga hydrogen ved å la syrer reagera med eit metall, til dømes sink. For kommersiell produksjon blir hydrogen vanlegvis framstilt 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.

Spesielle eigenskapar

Hydrogen er det lettaste grunnstoffet der den vanlegaste isotopen består av berre eitt proton og eitt elektron. Smeltepunktet og kokepunktet til hydrogen er berre 14,02 K og 20,27 K. Under 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 det rett og slett ikkje er mogleg for dei å gå saman.

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 stjernar, anten proton-proton reaksjon eller karbon-nitrogen syklus.

Bruk

Ein Mazda RX-8 som går på hydrogen.

Store mengder hydrogen trengst industrielt, særleg i ammoniakk-produksjon, i hydrogenering av feitt og oljer, og i produksjon av metanol (tresprit). Hydrogen blir òg brukt i hydrodealkylering, avsvovling med hydrogen og hydrokrakking.

Hydrogen kan brukast i forbrenningsmotorar, og ei flåte av hydrogenbilar blir vedlikehaldne av Chrysler-BMW. Hydrogen-brensleceller blir forska på som ein potensiell kjelde til billeg, forureiningsfri kraft.

Anna bruk:

• Hydrogen blir brukt i produksjon av saltsyre, i sveising, og i reduksjon av metallisk malm.
• Det blir brukt som rakett-drivstoff.
• Flytande hydrogen er brukt i kryogenisk forsking, m.a. superkonduktivitetsforsking.
• Deuterium (hydrogen-2), ein isotop av hydrogen, blir brukt i kjernereaksjonar som ein moderator for å bremsa ned nøytron. Deuteriumsamansetjingar blir òg brukt innan kjemi og biologi i studiar av isotopeffektar.

Luftskipet USS Los Angeles (ZR-3) i ei noko uheldig stilling, då halen plutseleg ville høgare enn resten.

• Tritium (hydrogen-3), som blir produsert i kjernereaktorar, blir brukt som sprengstoff i hydrogenbomber. Det blir òg brukt som strålingskjelde i sjølvlysande måling.

Tidlegare bruk Sidan hydrogen er fjorten og ein halv gang lettare enn luft, blei det tidlegare brukt som løftekraft i ballongar og zeppelinarar. Dette tok brått slutt då hindenburgkatastrofa viste at gassen var alt for farleg til dette formålet.

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 ga 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 kjempestore gassplanetar.

I forhold til den store forekomsta elles i universet er hydrogen svært sjeldant i Jordas atmosfære. Den mest vanlege kjelda for 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 med kol eller hydrokarbon som olje eller metan og danne ei blanding av $CO$, $CO_2$ og hydrogen, $H_2$. 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

Som den lettaste av alle gassar dannar hydrogen 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 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, kallast vanlegvis tungtvatn. Hydrogen inngår òg i ei mengd sambindingar med karbon. Fordi slike sambindingar utgjer hovudbestanddelen av alle kjende levande organismer kallast dei organiske sambindingar, og læra om desse kallast organisk kjemi.

Tilstandsformer

Under normale forhold er hydrogengass ei blanding av to ulike slags molekyl som har forskjellig spinn i atomkjernene. Dei to formene kallast orto- og para-hydrogen (som ikkje er 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 fordampning gjennom 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 lågere enn for orto-hydrogen.

Isotopar

Det er tre alminneleg kjende isotopar av hydrogen:

1. Den vanlegaste isotopen, protium (¹H), har eitt proton og inga nøytron i kjernen. Denne isotopen er stabil og utgjer 99,985 % av naturleg hydrogen.
2. Tungt hydrogen, deuterium (²H eller D), har eitt proton og eitt nøytron. Denne isotopen er òg stabil og utgjar 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.
3. 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 for tritium er 12,35 år.

Hydrogen er det einaste grunnstoffet med forskjellige namn for isotopane sine. Symbola D og T er likevel ikkje offisielt anerkjent.

Vidare har 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. På grunn av dette kom ein fram til at luftskip, som vert løfta av hydrogengass, var for farlege til å brukast. Stoffet reagerer òg voldsomt med klor og fluor, og då oppstår saltsyre og flussyre.

Sjå òg

• Periodesystemet
• Isotoptabell
• Hydrogenbinding
• Hydrogenatomet
• Antihydrogen
• Hydrogenbil

Bakgrunnsstoff

• WebElements.com - Hydrogen
• EnvironmentalChemistry.com - Hydrogen
• It's Elemental - Hydrogen