Hydrogen, tidligere kalt vannstoff, er et grunnstoff med kjemisk symbol H og atomnummer 1. Ved standard temperatur og trykk er den en fargeløs, luktfri, ikke-metallisk, enverdig, særdeles brennbar to-atomig gass (H2). Med en molar masse på bare 1,00794 g/mol, er hydrogen det letteste grunnstoffet av alle og hydrogenatomet det enkleste atomet.
Hydrogen er det vanligste grunnstoffet i universet, med en andel på anslagsvis 75 % av universets totale masse. Stjerner i hovedserien består hovedsakelig av hydrogen i plasmaform. Rent hydrogen er relativt sjeldent i naturlig tilstand på Jorden. Hydrogen for kommersiell bruk blir vanligvis framstilt fra hydrokarboner som metan. Hydrogen i ren tilstand brukes i ammoniakk-produksjon, til foredling av fossilt brensel (som f.eks krakking), og som drivstoff i brenselceller. Hydrogen kan også framstilles ved elektrolyse av vann, men man benytter i dag primært naturgass fordi dette siden 1960-tallet har vært billigere.
Den vanligste isotopen i hydrogen i naturlige forekomster, protium, består av ett enkelt proton og ingen nøytroner. I ioniske forbindelser kan det være enten positivt ladd (som kation bestående av et enkelt proton) eller negativt ladd (som anion, kjent som et hydrid). Hydrogen kan danne kjemiske forbindelser med de fleste andre grunnstoffene, og det finnes i vann og i de fleste organiske forbindelser. Hydrogen spiller en spesielt viktig rolle i syre-base-kjemi, som i mange tilfeller involverer bytte av protoner mellom løselige molekyler. Som eneste nøytrale atom, og på grunn av sin relativt enkle oppbygning, har hydrogen spilt en nøkkelrolle i utviklingen av kvantemekanikk.
Hydrogen er en energibærer. Det betyr at hydrogen ikke er en direkte energikilde, slik som sollys og vindenergi, men at det er en bærer av energi, som vi kan utnytte når det passer oss.
Kjemiske og fysiske egenskaper thumb|left|Hydrogenatomet inneholder bare et elektron i en 1s-bane i sitt elektronskall. Hydrogen er det letteste grunnstoffet, og den vanligste isotopen består av kun ett proton og ett elektron. Under STP danner hydrogen en to-atomig gass, H2, med et kokepunkt på bare 20,27 K og et smeltepunkt på 14,02 K. Under ekstremt høyt trykk, som finnes i sentrum av gasskjemper, går hydrogen over til å bli et flytende metall (se metallisk hydrogen). Under det ekstremt lave trykket man finner i verdensrommet, har hydrogen en tendens til å eksistere som enkeltatomer siden det rett og slett ikke er mulig for dem å gå sammen.
Dette grunnstoffet spiller en viktig rolle ved å tilføre universet energi gjennom proton-proton-reaksjon og karbon-nitrogen-syklusen. (Dette er kjernefusjon-prosesser som avgir enorme mengder energi ved å kombinere to hydrogenkjerner til én heliumkjerne.)
Forbrenning
Hydrogengass er svært brennbar, og vil kunne brenne med så lave konsentrasjoner som 4 % H2 i luft. Forbrenning av hydrogen vil avgi 286 kJ/mol. Hydrogen forbrenner etter følgende reaksjonsligning:
2 H2(g) + O2(g) → 2 H2O(l) + 572 kJ/mol
Når hydrogen blandes med oksygen, vil blandingen eksplodere ved antenningen i et stor spekter av blandingsforhold. Hydrogen brenner aggressivt i luft. Rene hydrogen-oksygenflammer er nærmest usynlig for det blotte øye. Dette gjør at det er vanskelig å oppdage visuelt at en hydrogenlekkasje brenner. En annen karakteristikk med hydrogenflammer er at de stiger raskt opp med gassene i lufta, noe som gjør at skadomfanget av en hydrogenbrann som regel vil være mindre enn for branner i f.eks hydrokarboner. miniatyr|Hydrogenspektrum-test Hydrogens tenntemperatur er ca. 500 °C, og teoretisk flammepunkt er –253 °C. Flammepunktet er teoretisk fordi det ved denne temperaturen ikke finnes oksiderende materiale (oksygen) som er nødvendig for forbrenning.
H2 reagerer også direkte med andre oksiderende grunnstoffer. En spontanreaksjon kan oppstå i romtemperatur med klor og fluor, noe som vil danne hydrogenhalidene hydrogenklorid og hydrogenflurid.
CAS-nummer: 1333-74-0
Historie
Oppdagelsen av hydrogen
Hydrogengass (H2) ble første gang kunstig framstilt og beskrevet av Phillip von Hohenheim (også kjent som Paracelsus, 1493–1541). Hydrogenet ble den gang framstilt ved å blande metaller med sterke syrer. Han var imidlertid ikke klar over at den brennbare gassen som ble framstilt gjennom den kjemiske reaksjonen som etterfulgte, var et nytt grunnstoff.
I 1671 gjenoppdaget og beskrev Robert Boyle den kjemiske reaksjonen som oppstår ved blanding av jernspon i fortynnede syrer, som resulterte i hydrogengass.
I 1766 ble Henry Cavendish den første til å oppdage hydrogen som et eget særskilt substans, ved å identifisere gassen fra metall-syre-reaksjonen som «ikkebrennbar luft». Han fant videre ut at gassen produserte vann ved forbrenning. Cavendish støtte på hydrogen da han gjorde eksperimenter med syrer og kvikksølv. Selv om han feilaktig antok at hydrogenet som oppstod, var en frigjort del av kvikksølvet (og ikke til en del av syren), var han fortsatt i stand til å gi en nøyaktig beskrivelse av flere av hydrogens nøkkelegenskaper. Det er vanligvis Henry Cavendish som blir kreditert for oppdagelsen av hydrogen.
I 1783 gav Antoine Lavoisier det nye grunnstoffet navnet hydrogen, da han sammen med Laplace hadde gjentatt Cavendishs oppdagelse av at hydrogen produserer vann ved forbrenning.
Hydrogens rolle i kvanteteoriens historie
På grunn av hydrogens forholdsvis enkle atomstruktur, bestående av et proton og et elektron, har hydrogenatomet, sammen med det spekter av lys produsert eller absorbert av det, vært sentralt i utformingen av teorien om atomets struktur. Videre har den tilsvarende enkle oppbygningen av hydrogenmolekylet og det tilhørende kationet H2+ tillatt en mere komplett forståelse av naturen bak kjemiske bindinger, som fulgte kort tid etter utviklingen av kvantemekanisk behandling hydrogenatomet på 1920-tallet.
Hydrogen varmer opp Jorden Solens energiproduksjon er et resultat av kjernefysisk fusjon av hydrogen. Hvert sekund fusjoneres fire millioner tonn hydrogen på solen og omdannes til helium og energi. Energimengden som hvert sekund mottas av Jorden, er produsert ved fusjonering av bare to kilo hydrogen. Utregningen er slik: Hver kvadratmeter av Jordens atmosfære tar imot ca. 1 000 Watt solstråling. Utvides dette til å dekke hele planeten, er total mengde lysenergi som varmer opp Jorden, ca. 150 000 billioner Watt. Bruker man masseenergiloven , erstatter E med 150 000 billioner Watt og c med lyshastigheten 300 000 km/s, er resultatet ca. 0,5 kg/s.David Bodanis: E = mc2, forlaget Gyldendal, Oslo 2001, ISBN 82-525-4948-9
Naturlige forekomster
left|thumb|NGC 604, et gigantisk område av ionisert hydrogen i Triangelgalaksen Hydrogen er det mest vanlige grunnstoffet i universet, og utgjør 75% av normal materie etter masse og over 90% etter antall atomer. Grunnstoffet finnes i store mengder i stjerner og kjempe-gassplaneter. I forhold til den store forekomsten ellers er hydrogen veldig sjeldent i Jordas atmosfære (ppm etter volum). Den mest vanlige kilden for dette grunnstoffet er vann, som består av to deler hydrogen og en del oksygen (H2O). Andre kilder er de fleste former av organisk materie (for tiden alle livsformer), kull, fossilt brensel og naturgass. Metan (CH4), som er et biprodukt av organisk forråtnelse, blir en viktigere kilde til hydrogen.
Hydrogen kan oppstå på flere måter: damp fra oppvarmet karbon, spaltning av hydrokarboner vha varme, reaksjon mellom natriumhydroksid (kaustisk soda) eller kaliumhydroksid (KOH) og aluminium, vann elektrolyse, eller det spaltes av syrer ved reaksjon med visse metaller.
I kommersiell produksjon blir naturgass vanligvis spaltet og skaper "Grått hydrogen" og CO2. "Blått hydrogen" krever at denne CO2 lagres.
Anvendelser
Industrielle anvendelser Store mengder hydrogen trengs industrielt, særlig i Haber-Bosch-prosessen i ammoniakkproduksjon, i hydrogenerering av fett og oljer, og i produksjonen av metanol (tresprit). Hydrogen brukes også i hydrodealkylering, avsvovling med hydrogen og hydrokrakking.
Energibærer Hydrogen kan brukes som energibærer til mange forskjellige applikasjoner, og forbindes vanligvis som drivstoff til et hydrogendrevet kjøretøy, hvor man frigjør energien lagret i hydrogengassen i en brenselcelle. Man kan også forbrenne hydrogen i en motor, men industrien har i stor grad gått bort fra den teknologien, siden brenselceller omdanner energien mye mer effektivt. Hydrogen kan brukes også som energibærer til strømsaggregater, for eksempel tilfeller hvor støy og forurensing er viktige elementer, eller hvor aggregatet ligger langt fra strømnettet og man har et høyt krav til oppetid.
Fordelene med hydrogen som energibærer er at hydrogen per masse har en energitetthet som er tre ganger så høy som tradisjonelle drivstoff som bensin og diesel, og at det ikke fører til andre utslipp enn vanndamp når hydrogen og oksygen omdannes til elektrisitet i en brenselcelle. Utfordringen er at hydrogen er en svært voluminøs gass, og er derfor mer krevende å håndtere og distribuere enn tradisjonelle drivstoff. For distribusjon av hydrogen er 200-bar flaskepakker eller flytende hydrogen den mest anvendte metoden. Noen steder finnes det også dedikerte gassledninger for hydrogen. En rekke hydrogenforbrukere løser imidlertid denne utfordringen gjennom å produsere hydrogengassen samme sted den forbrukes eller fylles på kjøretøyet.
Andre anvendelser Grunnstoffet brukes i produksjonen av saltsyre, til sveising og til reduksjon av metallisk malm. Det blir brukt som rakettdrivstoff. Flytende hydrogen er brukt i kryogenisk forskning, bl.a. superkonduktivitetsforskning. Siden hydrogen er fjorten og en halv gang lettere enn luft, ble det tidligere ofte brukt som løftekraften i ballonger og zeppelinere. Dette ble derimot sterkt innskrenket da Hindenburgkatastrofen viste offentligheten at gassen var alt for farlig til dette formålet. Deuterium, en isotop (hydrogen-2) av hydrogen brukes i kjernereaksjoner som en moderator for å bremse ned nøytroner. Deuteriumsammensetninger brukes også innen kjemi og biologi i studier av isotopeffekter. Tritium (hydrogen-3), som blir produsert i kjernereaktorer, brukes i bygging av hydrogenbomber. Det blir også brukt som en strålingskilde i selvlysende maling. Hydrogen brukes i liten omfang som drivstoff til hydrogendrevne kjøretøy.
Etymologi
Hydrogen er fransk for vann-skaper, fra gresk hudôr, «vann» og gennen, «generere» og ble først oppdaget som et eget stoff i 1766 av Henry Cavendish. Antoine Lavoisier ga grunnstoffet sitt navn.
Kjemiske forbindelser
Som den letteste av alle gasser danner hydrogen kjemiske forbindelser med de fleste andre grunnstoffer. Hydrogen har en middels elektronegativitet på 2,2 og kan være det minst metalliske eller det mest metalliske i sine forbindelser. Førstnevnte kalles hydrider og er oftest forbindelser mellom hydrogen og metaller, der hydrogen foreligger enten som H- ioner eller som et oppløst stoff inni det andre grunnstoffet (f.eks. palladium-hydrid). Sistnevnte er helst kovalente forbindelser, da H+ ionet bare ville være en kjerne bestående av et proton som ville ha en sterk tendens til å tiltrekke seg elektroner. Begge varianter danner syrer, men i sure løsninger ses ioner som H3O+ idet protoner fester seg til andre molekyler.
I luft reagerer hydrogen med oksygen og danner vann, H2O. Det frigjøres mye energi, og reaksjonen er eksplosjonsartet. Deuterium-oksid, eller D2O, kalles vanligvis tungtvann. Hydrogen inngår også i en mengde forbindelser med karbon. Fordi slike forbindelser utgjør hovedbestanddelen av alle kjente levende organismer kalles de organiske forbindelser, og læren om disse kalles organisk kjemi.
Tilstandsformer