Det enkleste av alle grunnstoffatomer: et nøytralt hydrogenatom inneholder bare ett elektron.

Hydrogengass består av molekyler med kjemisk formel H2(g). 

Hydrogen står i første periode i grunnstoffenes periodesystem. Ofte er det plassert i gruppe 1, som i dette leksikonet, men der passer det dårlig da de andre grunnstoffene i den gruppen er metaller. I hydrogenatomet er det ytterste elektronskallet (1s) halvfylt. Det passer derfor bedre å plassere H på midten av periodesystemet for å markere at H på mange måter er unikt.

Naturlig hydrogen er en blanding av tre isotoper: protium, deuterium og tritium. Deuterium har ett nøytron i atomkjernen og tritium to i tillegg til et proton. Protium og deuterium er stabile, mens tritium er ustabilt (radioaktivt).

I hydrogen på jorden er: 99,985 % protium, 0,015 % deuterium og bare spormengder av tritium. Isotopene kan skilles fra hverandre, og stoffer anriket på deuterium eller tritium er til salgs. Slike stoffer brukes som sporstoffer eller til å teste teorier for reaksjonskinetikk og kjemisk likevekt. Organiske løsemidler hvor H-atomene er deuterium brukes i kjernemagnetisk resonans (NMR).

Hydrogengass en fargeløs gass uten lukt og smak. Gassen leder varme bedre enn noen annen gass; varmeledningsevnen er f.eks. fem ganger høyere enn luftens. Gassen er uløselig i vann.

Gassen kondenserer til en væske ved 20,28 K som fryser til et fast stoff ved 14,01 K (om K se kelvin). Flere allotrope former av H2(s) med forskjellig isotopsammensetning er oppdaget. Lavtemperaturformene er kubiske og høytemperaturformene heksagonale. Molekylene ligger ikke i ro i gitteret, men hopper mellom forskjellige posisjoner. Under meget høyt trykk blir hydrogen et metall dvs molekylene spaltes og blir til protoner i en sjø av elektroner.

Hydrogengass brenner i luft med svakt blålig, lysende, meget varm flamme til vann:

H2(g) + ½O2(g) → H2O(l)     ΔHof = -286 kJmol-1

Hydrogen- og oksygengass reagerer ved vanlig temperatur med hverandre kun i nærvær av en katalysator som finfordelt platina eller palladium. Over ca. 550 °C reagerer de med hverandre uten katalysator. Ved antenning er reaksjonen eksplosiv. Reaksjonen er særlig voldsom når gassblandingen består av to volumdeler hydrogen og en volumdel oksygen, dvs. i samme forhold som de danner vann. En slik blanding kalles knallgass. Også andre blandingsforhold er eksplosive, og 4,1 volumprosent hydrogen i luft er tilstrekkelig til å gi eksplosjon. Man må derfor være ytterst forsiktig med alt som kan frembringe gnister eller flammer der det arbeides med hydrogen (f.eks. i rom hvor bilbatterier står til lading). I brennere som er basert på knallgass, kan temperaturen på flammen bli 2700–2900 °C.

Et proton har spinn ½ dvs det kan innta to retninger i rommet. I et H2-molekyl hvor begge atomene er protium kan spinnene enten være likt eller motsatt rettet. Samlingen av de molekylene hvor spinnene er likt rettet kalles ortohydrogen (eller singletthydrogen) mens samlingen av de molekylene hvor spinnene er motsatt rettet kalles parahydrogen (eller tripletthydrogen). Mengdeforholdet mellom orto- og parahydrogen er temperaturavhengig. Ved lavere temperatur dominerer parahydrogen mer og mer, ved romtemperatur utgjør ortohydrogen 75 %. I flytende hydrogen er mer enn 95 % parahydrogen, ved det absolutte nullpunkt foreligger kun parahydrogen.

Tilsvarende gjelder for H-atomene i verdensrommet. Da er de to spinnene protonet og elektronet. Overgangen mellom de to formene er spektroskopisk forbudt, men kan forekomme. Da sendes det ut mikrobølgestråling med bølgelengde på ca 21 cm. Den ble oppdaget på jorden i 1951 og er siden brukt i radioastronomien til å bestemme spiralstrukturen av vår galakse, melkeveisystemet.

På Jorden forekommer fritt hydrogen i svært små mengder. Det er påvist i vulkanske gasser, enkelte mineraler, i kullgruver, oljekilder og naturgasser. Hydrogen er også påvist i spormengder i den nedre delen av atmosfæren, men pga. hydrogenmolekylenes lave masse og tilsvarende høye hastighet, vil de unnslippe Jordens gravitasjonsfelt. I høyere atmosfærelag er hydrogen til stede i større mengder. I en høyde av 2000–20 000 km er Jorden omgitt av et tynt hydrogenhylster.

Det alt vesentlige av hydrogen på Jorden er kjemisk bundet, størsteparten i form av vann som inneholder 11,2 masseprosent hydrogen. Hydrogen er videre kjemisk bundet i forbindelser som petroleum, proteiner, karbohydrater, fett og alkoholer. I gjennomsnitt er hvert 6. til 7. atom i jordskorpen et hydrogenatom.

I Solen og universet er hydrogen det dominerende grunnstoffet. Ca. 57 % av Solens masse er hydrogen, ca. 40 % er helium og bare ca. 3 % er tyngre grunnstoffer. 84 % av Solens atomer er hydrogenatomer. I universet som helhet er det beregnet at ca. 90 % av alle atomene er hydrogenatomer. I Solen og stjernene produseres energi bl.a. ved at hydrogenatomer fusjonerer under dannelse av helium og positroner:

\[\ce{4^1_1H = ^4_2He + 2^0_1e + energi}\]

Hydrogen kan fremstilles på flere måter. I laboratoriet er det enkleste å reagere et uedelt metall, f.eks. sink, med syre:

Zn(s) + 2H3O+(aq) → Zn2+(aq) + H2(g) + 2H2O(l)

Hydrogen fremstilles i mindre mengder industrielt ved elektrolyse av vann (H2O (l)):

2H2O(l) → 2H2(g) + O2(g)

En metode brukt tidligere var å reagere vanndamp med glødende koks:

C(s) + H2O(l) → CO(g) + H2(g)

Denne gassblandingen kalles syntesegass. Karbonmonoksidet kan oksideres videre ved å lede gassblandingen sammen med vanndamp over en katalysator ved ca. 500 °C:

CO(g) + H2O(g) → CO2(g) + H2(g)

Derved oppnås enda mer hydrogen. Ved fremstilling av koks fra kull fås en gass som inneholder mer enn 50 % hydrogen.

Petroleum (naturgass og olje) er det viktigste råstoffet i dag for fremstilling av hydrogen. Dette skyldes at hydrokarboner, f.eks. metan, CH4, etan, C2H6, og propan, C3H8, kan avspalte hydrogen ved hjelp av kjemiske metoder. Ved en av disse, steam reforming process, reageres hydrokarbonene med vanndamp i nærvær av en nikkelkatalysator ved 800 °C, f.eks.

CH4(g) + H2O(g) → 3H2(g) + CO(g)

Karbonmonoksidet reageres videre med vanndamp som beskrevet ovenfor. Ved en annen metode omdannes petroleum (f.eks. naturgass og olje) til hydrogen og karbonmonoksid ved ufullstendig forbrenning med oksygen, f.eks.

2CH4 + O2  → 4H2 (g) + 2CO(g)

I mindre skala kan hydrogen fremstilles ved anaerob fermentering.

Særlig rent hydrogen kan fremstilles ved å lede urent hydrogen gjennom oppvarmede rør (membraner) av palladium eller en palladium–sølv-legering. Hydrogenet diffunderer gjennom røret, mens forurensningene blir tilbake. En annen metode for fremstilling av rent hydrogen er ved termisk spalting av metallhydrider.

Størstedelen av hydrogen som blir fremstilt industrielt, blir brukt til fremstilling av ammoniakk i Haber-Bosch-metoden:

3H2(g) + N2(g) → 2NH3(g)

En annen viktig anvendelse er hydrogenering av umettede organiske forbindelser, bl.a. fremstilling av fast fett, vegetabilske og animalske oljer, fremstilling av bensin og smøreoljer. Viktig er også fremstilling av metanol fra karbonmonoksid og hydrogen:

CO(g) + 2H2(g) → CH3OH(l)

fremstilling av hydrogenklorid fra hydrogen og klor:

H2(g) + Cl2(g) → 2HCl(g)

Ved å lede HCl-gassen ned i vann får man saltsyre.

Flere metaller, f.eks. wolfram og molybden, fremstilles fra oksidene ved bruk av hydrogen som reduksjonsmiddel, f.eks.

WO3(s) + 3H2(g) → W(s) + 3H2O(g).

Store mengder flytende hydrogen blir brukt som drivstoff for raketter og romskip sammen med flytende oksygen.

Vår viktigste energikilde, petroleum, er en begrenset ressurs, og vil bli en mangelvare. Derfor utføres det betydelig forskning for å vurdere hydrogen som energibærer. Slik bruk av hydrogen byr på flere fordeler: Forbrenningsproduktet er vann som ikke forurenser omgivelsene, og på vektbasis er hydrogen et mer effektivt brensel enn f.eks. bensin. Se hydrogenlagringsmaterialer og hydrogendrivstoff.

Hydrogen danner forbindelser med alle grunnstoffene unntatt edelgassene. Slike binære forbindelser kalles ofte med et fellesnavn for hydrider.

Hydrogen er alltid enverdig i kjemiske forbindelser, formelt oksidasjonstrinn er +I eller, mindre vanlig, –I. Hydrogen har en midlere elektronegativitet, og bindingene i hydrogenforbindelser har stor spennvidde m.h.t. polaritet.

Hydrogenionet H+ foreligger ikke fritt i vann, men i form av oksoniumionet H3O+. Ionet finnes også i faste hydrater av sterke syrer som perklorsyrehydrat, HClO4·H2O, H3O+ClO4. Se for øvrig egne artikler på de forskjellige hydrogenforbindelser.

Da hydrogengass dannes ved tilsetning av syre til et et uedelt metall, har gassen sannsynligvis blitt fremstilt tidlig av alkymistene. Men først briten Henry Cavendish studerte denne gassen nærmere i 1766. Men han trodde på flogistonteorien og at vann var et grunnelement slik man hadde trodd fra oldtiden. Først Antoine Laurent Lavoisier viste at vann er en kjemisk forbindelse mellom to gasser som han ga navnene hydrogen og oksygen.

Kjemisk symbol H
Atomnummer 1
Relativ atommasse 1,00794
Smeltepunkt -259,35 °C
Kokepunkt -252,88 °C
Densitet 0,08987·10-3g/cm3
Oksidasjonstall -I, I
Elektronkonfigurasjon 1s

Foreslå endringer i tekst

Foreslå bilder til artikkelen

Kommentarer

Har du spørsmål til artikkelen? Skriv her, så får du svar fra fagansvarlig eller redaktør.

Du må være logget inn for å kommentere.