Waterstof is diechemiese element metatoomgetal 1. Dit word voorgestel deur die simboolH. Bystandaardtemperatuur en -druk, is waterstof 'n kleurlose, reuklose, nie-metaalagtige, smaaklose en hoogsvlambare diatomiesegas met die molekulêre formule H2. Met 'n atomiese gewig van 1,00794, is waterstof die ligste element.
Waterstof is die volopste chemiese element en vorm rofweg 75% van die heelal se elementêre massa.[2]Sterre in diehoofreeks bestaan hoofsaaklik uit waterstof in syplasmatoestand. Elementêre waterstof is relatief skaars op dieAarde. Industriële produksie is meestal uit koolwaterstowwe soosmetaan. Die twee grootste gebruike is in die verwerking van fossielbrandstowwe (bv., hidrokraking) en ammoniakproduksie hoofsaaklik vir die bemestingmark. Waterstof kan vervaardig word deur die elektrolise van water wat beduidend meer kos as die produksie daarvan uitaardgas.[3]
Die mees algemeneisotoop van waterstof isprotium met 'n enkeleproton sonderneutrone. In ioniese verbindings kan dit 'n positiewe lading aanneem ('nkatioon gevorm uit 'n ontblote proton) of 'n negatiewe lading ('nanioon, bekend as 'nhidried). Waterstof vorm verbindings met die meeste elemente en is aanwesig inwater en die meeste organiese verbindings. Dit speel 'n baie belangrike rol in suurbasis-chemie met baie reaksies wat protone uitruil tussen oplosbare molekules. As die enigste neutrale atoom met 'n analitiese oplossing teenoor dieSchrödinger-vergelyking, het die studie van energiekunde en die binding van die waterstofatoom 'n sleutelrol gespeel in die ontwikkeling van kwantummeganika.
Waterstof is ’n bron van kommer inmetallurgie: dit verbros baie metale[4] en maak so die ontwerp van pyplyne en stoortenks ingewikkeld.[5] Waterstof is hoogs oplosbaar in baieseldsame aard- enoorgangsmetale[6] en is oplosbaar in beide kristal- en amorfiese metale.[7] Waterstof seoplosbaarheid in metale word beïnvloed deur lokale vervormings of onsuiwerhede in die kristalverband.[8]
'n Ruimtependeltuig se hoofenjin verbrand waterstof met suurstof, wat 'n bykans onsigbare vlam voortbring.
Waterstofgas (diwaterstof[9]) is hoogs vlambaar en sal in lug brand as dit tussen 4% en 75% gekonsentreer is.[10] Die temperatuur waarteen dit spontaan in lug ontvlam, is 500 °C.
Waterstof is die ligste chemiese element en die algemeensteisotoop bestaan uit slegs 'n enkeleproton en 'nelektron. BySTD-toestande vorm waterstof 'n diatomiese gas, H2, met 'n kookpunt so laag as 20,27 K en 'n smeltpunt van 14,02 K. Onder uitsonderlik hoë druk, soos dié by die kern vangasreuse, verloor die molekules hulle identiteit en word die waterstof 'n vloeibaremetaal. Onder uitsonderlik lae druktoestande wat in die ruimte ervaar word, is waterstof geneig om as enkele atome te bestaan, om die eenvoudige rede dat daar nie ander atome is om mee te kombineer nie; molekulêre wolke H2 vorm in die ruimte en is betrokke bystervorming.
Die element speel 'n noodsaaklike rol in energie-opwekking in dieheelal deur die proton-proton-reaksie en die koolstof-stikstofsiklus. (Daar iskernfusieprosesse wat groot hoeveelhede energie vrystel deur die samemelting van twee waterstofatome om eenheliumatoom te vorm).
Die waterstofatoom is 'natoom van die element waterstof. Dit bestaan uit 'n enkele negatief gelaaideelektron, wat om 'n positief gelaaideproton wentel, wat die kern van die waterstofatoom vorm. Die elektron word aan die proton gebind deur Coulombiese kragte.
Groot hoeveelhede waterstof word benodig in die chemiese nywerheid, veral in dieHaber-proses vir die vervaardiging vanammoniak, die hidrogenasie van vette enolies en die produksie vanmetanol. Verder word waterstof gebruik in hidro-dealkilering, hidro-ontswaeling en hidrokrakingsprosesse.
Ander gebruike van waterstof is:
Die element word gebruik in die vervaardiging vansoutsuur, sweiswerk en die reduksie van metaalerts.[11][12][13]
Dit word gebruik as vuurpylbrandstof.
Vloeibare waterstof word in kriogeniese navorsing gebruik, insluitende supergeleier-studies.[14]
Aangesien waterstof veertien en 'n half keer ligter as lug is, is dit eens algemeen gebruik as 'n dryfgas in lugballonne en lugvaartuie.[15] Die gebruik daarvan is egter gestaak na dieHindenburg-ramp die publiek oortuig het dat die gas te gevaarlik is vir dié doel. Nogtans oorweeg deskundiges ná die oliekrisis van1973 om waterstofaangedrewe passasiersvliegtuie as 'n alternatief tot kerosienenjins te ontwikkel. Die eerste Russiese passasiersvliegtuig wat vloeibare waterstof as brandstof gebruik, die Toepolef-155 ('n gemodifiseerde Toepolef-154-straler), is op15 April1988 suksesvol getoets.
Deuterium, 'n waterstofisotoop (waterstof-2) word gebruik in kernsplytings as 'n moderator om neutrone te vertraag en word ook gebruik in kernfusiereaksies.[16]
Stowwe wat deuterium bevat, vind ook toepassing inchemie enbiologie asook in studies van isotoop-effekte in reaksies.[17]
Tritium (waterstof-3), word vervaardig in kernreaktors en word gebruik om waterstofbomme te vervaardig.[18]
Dit word ook gebruik as 'n isotoopmerker in die biologiese wetenskappe en as 'n bestralingsbron in weerkaatsende verwe.[19][20]
Waterstof kan verbrand word in interne verbrandingsmotors en 'n vloot waterstofbrandendemotors word tans deur Chrysler-BMW aangehou. Waterstof inbrandstofselle word ondersoek as moontlike goedkoop,besoedelingsvryekragbronne.
Waterstof is in1776 deurHenry Cavendish die eerste keer as 'n suiwer chemiese stof geïdentifiseer.Antoine Lavoisier het die element in1787 sy naam gegee inFrans, naamlikhydrogen, wat letterlik "watermaker" beteken.[21] Deur middel van 'n spektraalanalise het die Duitse navorsers Kirchhoff en Bunsen in1861 bewys dat waterstof 'n bestanddeel van dieson is – en gevolglik die element moet wees wat die meeste in onssonnestelsel voorkom.
Waterstof is die element wat die meeste in die natuur voorkom. Meer as 75% van diemassa van alle materie en meer as 90% van al dieatome bestaan uit waterstof.[22] Die element kom in oorvloed voor insterre en grootplanete (gasreuse).
Relatief tot sy groot oorvloed elders in die heelal is suiwer waterstof baie skaars in dieaarde se atmosfeer (1 dpm (dele per miljoen) op 'n volumebasis). Die algemeenste bron vir die element op aarde iswater, wat bestaan uit twee dele waterstof en een deelsuurstof (H2O). Ander bronne sluit in die meeste vorms van organiese stowwe (insluitende alle lewende wesens),fossielbrandstowwe naamlik (steenkool enru-olie) asook aardgas. Metaan (CH4) wat verkry kan word as byproduk uit die ontbinding van organiese materiaal en wat ook 'n hoofkomponent van aardgas is, is 'n toenemend belangrike energiebron en is 'n belangrike bron van waterstof.[23]
Waterstof kan voorberei word op verskeie maniere:stoom wat met verhittekoolstof reageer,koolwaterstofontbinding deur blootstelling aan hitte, reaksie van 'n sterk basis in 'n waterige oplossing metaluminium,elektrolise van water, of die verplasing vansure met sekeremetale.
Kommersiële massaproduksie van waterstof geskied hoofsaaklik deur die ontbinding van aardgas teen hoë temperature in die teenwoordigheid van stoom en suurstof. Die proses staan bekend as metaanhervorming.
Waterstof vorm verbindings met die meeste elemente. Waterstof het 'nelektronegatiwiteit van 2,2 en dus vorm dit verbindings waar dit die meer nie-metaalagtige, asook waar dit die meer metaalagtige element is. Eersgenoemde verbindings word hidriede genoem, waar waterstof bestaan uit H- ione of slegs as 'n opgeloste stof binne-in 'n ander element soos in palladiumhidried.[24] Laasgenoemde verbinding neig egter na 'n kovalente verbinding; aangesien die H+ ioon 'n ontblote kern met geen elektrone sal wees, het dit 'n sterk geneigdheid om elektrone na homself aan te trek. Albei tipe verbindings vorm sure. Dus sal 'n mens selfs in 'n suuroplossing ione sooshidronium (H3O+) kry vanweë die proton se sterk geneigdheid om aan iets te bind.
Waterstof verbind met suurstof om water te vorm, H2O, en die reaksie stel baie energie vry – soveel dat die verbranding van waterstof in lug eerder as 'n ontploffing beskryf kan word. Deuteriumoksied, of D2O, word ook dikwels "swaar water" genoem. Waterstof vorm ook 'n groot verskeidenheid verbindings metkoolstof. As gevolg van hulle noue verbintenis met lewende organismes, word hierdie stowwe organiese verbindings genoem; die studie van dié verbindings wordorganiese chemie genoem.[25][26]
Onder normale toestande is waterstofgas 'n mengsel van drie verskillende soortemolekules wat van mekaar verskil ten opsigte van die twee stabiele isotope:H2,HD enD2. Waterstofgas is hoofsaaklikprotium, maar1H2 self kan nog verskil ten opsigte van die relatiewespin van die tweenukleone.[27] Die twee vorms staan bekend as orto en para-waterstof (dit verskil vanisotope soos hieronder beskryf). In orto-waterstof is die spin van die nukleone parallel, terwyl dit in para-waterstof anti-parallel is. Teen standaardtoestande bestaan waterstof uit ongeveer 25% van die para-vorm en 75% van die orto-vorm (ook bekend as die "normale" vorm).[28] Die ewewigsverhouding tussen die twee vorms hang van temperatuur af, maar aangesien die orto-vorm 'n hoër energievlak het, kan dit nie stabiel wees in die suiwer vorm nie. Teen lae temperature (omtrent by kookpunt), bestaan die ewewigsamestelling amper uitsluitlik uit die para-vorm.
Die omsettingsproses tussen die vorms is stadig en as waterstof vinnig verkoel en gekondenseer word, kan dit nog groot hoeveelhede van die para-vorm-atome bevat. Die verskynsel is belangrik vir die voorbereiding en stoor van vloeibare waterstof aangesien die orto-para-omsetting meer hitte genereer as dieverdampingshitte van waterstof en 'n groot hoeveelheid waterstof verloor kan word deurverdamping etlike dae ná vervloeiing. Daarom word kataliste ingespan om die orto-para-omsetting te versnel tydens die waterstofverkoelingproses. Daar is ook 'n effense verskil tussen die fisiese eienskappe van die twee vorme. Die smelt- en kookpunte van para-waterstof is byvoorbeeld ongeveer 0,1K laer as die van die "normale" orto-vorm.
Die mees algemene isotoop van waterstof is1H. Dié stabiele isotoop het 'n kern wat bestaan uit 'n enkeleproton; daarvandaan die beskrywende term (selde gebruik)protium vir1H.[29]
Die ander stabiele isotoop isdeuterium,2H, met 'n ekstraneutron in die kern. Deuterium beslaan 0,0184-0,0082% van alle waterstof (IUPAC); verhoudings van deuterium tot protium word gerapporteer relatief tot die VSMOW standaardverwysingswater.
Die derde waterstofisotoop is die radioaktiewetritium,3H. Die tritiumkern bevat twee neutrone en 'n proton.
Waterstof is die enigste element met verskillende name vir sy isotope. Die simbole D en T (i.p.v.2H and3H) word somtyds gebruik vir deuterium en tritium, hoewel dit nie amptelik goedgekeurde gebruik is nie. (Die simbool P word reeds gebruik om die elementFosfor aan te dui en kan dus nie gebruik word vir protium nie).
Waterstof is 'n hoogsontvlambare gas wat brand teen konsentrasies so laag as 4% in lug. Dit reageer ook heftig metchloor enfluoor. Wanneer waterstof met suurstof gemeng word, brand dit met 'n ontploffing.
↑Palmer, David (13 September 1997)."Hydrogen in the Universe" (in Engels). NASA.Geargiveer vanaf die oorspronklike op 29 Oktober 2014. Besoek op5 Februarie 2008.
↑Staff (2007)."Hydrogen Basics — Production" (in Engels). Florida Solar Energy Center.Geargiveer vanaf die oorspronklike op 25 November 2019. Besoek op5 Februarie 2008.
↑Takeshita, T.; Wallace, W.E.; Craig, R.S. (1974). "Hydrogen solubility in 1:5 compounds between yttrium or thorium and nickel or cobalt".Inorganic Chemistry.13 (9):2282–2283.doi:10.1021/ic50139a050.
↑Kirchheim, R.; Mutschele, T.; Kieninger, W. (1988). "Hydrogen in amorphous and nanocrystalline metals".Materials Science and Engineering.99:457–462.doi:10.1016/0025-5416(88)90377-1.
↑Kirchheim, R. (1988). "Hydrogen solubility and diffusivity in defective and amorphous metals".Progress in Materials Science.32 (4):262–325.doi:10.1016/0079-6425(88)90010-2.
↑Carcassi, M. N.; Fineschi, F. (Junie 2005). "Deflagrations of H2–air and CH4–air lean mixtures in a vented multi-compartment environment".Energy.30 (8):1439–1451.doi:10.1016/j.energy.2004.02.012.
↑Chemistry Operations (15 Desember 2003)."Hydrogen" (in Engels). Los Alamos National Laboratory.Geargiveer vanaf die oorspronklike op 13 November 2010. Besoek op5 Februarie 2008.
↑Bergeron, Kenneth D. (Januarie–Februarie 2004)."The Death of no-dual-use".Bulletin of the Atomic Scientists.60 (1). Educational Foundation for Nuclear Science, Inc.: 15.doi:10.2968/060001004. Besoek op13 April 2008.
↑Quigg, Catherine T. (1984)."Tritium Warning".Bulletin of the Atomic Scientists.40 (3). Chicago:56–57.ISSN0096-3402. Besoek op15 April 2008.
↑Stwertka, Albert (1996).A Guide to the Elements. Oxford University Press. pp. 16–21.ISBN0-19-508083-1.
↑Gagnon, Steve."Hydrogen" (in Engels). Jefferson Lab.Geargiveer vanaf die oorspronklike op 2 Mei 2020. Besoek op5 Februarie 2008.
↑Berger, Wolfgang H. (15 November 2007)."The Future of Methane" (in Engels). University of California, San Diego.Geargiveer vanaf die oorspronklike op 16 April 2020. Besoek op12 Februarie 2008.
↑"Organic Chemistry".Dictionary.com (in Engels). Lexico Publishing Group. 2008.Geargiveer vanaf die oorspronklike op 24 September 2015. Besoek op23 Maart 2008.
↑Tikhonov, Vladimir I.; Volkov, Alexander A. (2002). "Separation of Water into Its Ortho and Para Isomers".Science.296 (5577): 2363.doi:10.1126/science.1069513.PMID12089435.
