Hydrogen er det første grunnstoffet i periodesystemet. Det har atomnummer 1, atomvekt 1,008 og atomsymbol H. Ved romtemperatur er det en gass.
Hydrogenisotopar

Det finst tre isotopar av hydrogen: protium, deuterium og tritium. Modellen viser eit elektron i bane rundt hydrogenkjernen. Hydrogenkjernen består av eitt proton (protium), eit proton og eit nøytron (deuterium) og eit proton og to nøytron (tritium).

Hydrogen er grunnstoffet som har atomnummer 1 i periodesystemet, med kjemisk symbol H. Hydrogen er det lettaste og minste av grunnstoffa. Fram til cirka 1960 vart det kalla vasstoff. Hydrogenatomet er det enklaste av alle atom. Eit nøytralt hydrogenatom inneheld berre eitt elektron, og atomkjernen inneheld berre eitt proton.

Faktaboks

Norsk namn
hydrogen
Uttale
hydrogˈen
Etymologi
frå gresk hydor ‘vatn’ og gen ‘danne’
Engelsk namn
hydrogen

Hydrogen er det vanlegaste grunnstoffet som finst. 90 prosent av alle atom i universet er hydrogenatom. På Jorda er det meste av hydrogenet bunde som vatnmolekyl, som har kjemisk formel H2O og består av to hydrogenatom og eit oksygenatom.

Hydrogen blir vanlegvis plassert i første gruppe i første periode i periodesystemet. Eigentleg passar det dårleg der, for dei andre grunnstoffa i den gruppa er metall. Det liknar meir på fluor, som står først i gruppe 17, sidan både hydrogen og fluor er gassar med bruttoformel X2 (H2 og F2). Det passar derfor betre å plassere H på midten av periodesystemet for å markere at H på mange måtar er unikt.

Ordet hydrogen blir òg brukt som kortform for hydrogengass, noko som kan gi opphav til misforståingar. Hydrogengass er ein brennbar gass ved romtemperatur. Gassen består av molekyl med bruttoformel H2(g).

Isotopar

Det er to stabile isotopar av hydrogen: 1H (99,985 prosent) og 2H (0,015 prosent). Den første blir kalla protium og det andre deuterium. Deuterium har eitt nøytron i kjernen i tillegg til eitt proton. Vatn med deuterium i staden for alminneleg protium blir kalla tungtvatn.

Den ustabile isotopen 3H, som har halveringstid på 12,26 år, blir kalla tritium. Isotopane kan skiljast frå kvarandre, og stoff som er opprikte på deuterium eller tritium blir brukte som sporstoff til å teste teoriar for reaksjonskinetikk og kjemisk likevekt. Organiske løysemiddel der H-atoma er deuterium blir brukte i kjernemagnetisk resonans (NMR).

Eigenskapar

Hydrogengass er ein fargelaus gass utan lukt og smak. Gassen leier varme betre enn nokon annan gass. Varmeleiingsevna er til dømes fem gonger høgare enn for luft. Gassen er uløselig i vatn. Den blir seld under trykk på ein stålbehaldar.

I det første elektronskalet som eit atom har, er det plass til to elektron. Hydrogen har berre eitt elektron, noko som inneber at hydrogen lett kan lage sambindingar med andre atom. Grunnstoffet hydrogen kan danne sambindingar med alle grunnstoff, med unntak av edelgassane. Sambindingar mellom hydrogen og andre grunnstoff, med unntak av dei i gruppe 16 og i gruppe 17 (halogen), blir kalla hydrid.

Gassen kondenserer ved ein temperatur på 20,28 K (kelvin) til ei væske som frys til eit fast stoff ved 14,01 K.

Det er oppdaga fleire allotrope former av H2(s) med ulik isotopsamansetning. Lågtemperaturformene er kubiske og høgtemperaturformene er heksagonale. Molekyla ligg ikkje i ro i gitteret, men hoppar mellom ulike posisjonar.

Under svært høgt trykk blir hydrogen eit metall, det vil seie at molekyla blir spalta og blir til proton i ein sjø av elektron.

Kjemiske eigenskapar

Hydrogengass brenn i luft med svakt blåleg, lysande, svært varm flamme til vatn. Reaksjonslikninga er

H2(g) + ½O2(g) → H2O(l)

ΔHof = −286 kJmol−1

Her er ΔHof danningsentalpien for vatn, det vil seie den energien som blir frigjord når eitt mol hydrogengass brenn.

Ved vanlege temperaturar reagerer hydrogen- og oksygengass med kvarandre berre i nærvær av ein katalysator, til dømes finfordelt platina eller palladium. Over cirka 550 grader celsius (°C) reagerer dei med kvarandre utan katalysator.

Ved påtenning er reaksjonen mellom hydrogengass og oksygengass eksplosiv. Reaksjonen er særleg kraftig når gassblandinga består av to volumdelar hydrogen og ein volumdel oksygen, det vil seie i same forhold som dei dannar vatn. Ei slik blanding blir kalla knallgass.

Også andre blandingsforhold er eksplosive, og 4,1 volumprosent hydrogen i luft er tilstrekkeleg til å gi eksplosjon. Ein må derfor vere svært varsam med alt som kan få fram gneistar eller flammar når det blir arbeida med hydrogen, til dømes i rom der bilbatteri står til lading. I brennarar som er baserte på knallgass, kan temperaturen på flammen bli 2700–2900 °C.

Ortohydrogen og parahydrogen

Eit proton har spinn ½, det vil seie at det kan innta to retningar i rommet. I eit H2-molekyl der begge atoma er protium, kan spinna anten vere likt eller motsett retta. Samlinga av dei molekyla der spinna er likt retta kallast ortohydrogen (eller singletthydrogen), medan samlinga av dei molekyla der spinna er motsett retta kallast parahydrogen (eller tripletthydrogen).

Mengdeforholdet mellom orto- og parahydrogen er temperaturavhengig. Ved lågare temperaturar dominerer parahydrogen meir og meir, og ved romtemperatur utgjer ortohydrogen 75 prosent. I flytande hydrogen er meir enn 95 prosent parahydrogen, og ved det absolutte nullpunktet finst berre parahydrogen.

Tilsvarande gjeld for H-atoma i verdsrommet. Då er dei to spinna protonet og elektronet. Det kan finnast overgang mellom dei to formene. Då blir det sendt ut mikrobølgestråling med bølgelengd på cirka 21 cm. Denne strålinga vart oppdaga på Jorda i 1951 og er sidan brukt i radioastronomien til å bestemme spiralstrukturen av galaksen vår, Mjølkevegen.

Førekomst

Tre fjerdedelar av massen i universet er hydrogen, men 90 prosent av alle atoma i universet er hydrogenatom, for hydrogen har lågare eigenvekt enn andre stoff.

På Jorda finst fritt hydrogen i svært små mengder. Det er påvist i vulkanske gassar, enkelte mineral, i kolgruver, oljekjelder og naturgassar. Hydrogen er òg påvist i spormengder i den nedre delen av atmosfæren, men på grunn av at hydrogenmolekyla har låg masse og tilsvarande høg fart, vil dei sleppe unna Jordas gravitasjonsfelt. I høgare atmosfærelag er hydrogen til stades i større mengder. I ei høgd av 2000–20 000 km er Jorda omgitt av eit tynt hydrogenhylster.

Det aller meste av hydrogenet på Jorda er kjemisk bunde. Størsteparten ligg føre i form av vatn, som inneheld 11,2 masseprosent hydrogen. Hydrogen er vidare kjemisk bunde i samband som petroleum, protein, karbohydrat, feitt og alkoholar. I gjennomsnitt er kvart sjette til sjuande atom i jordskorpa eit hydrogenatom.

Hydrogen finst i alle levande dyr og plantar. Det finst i alle delar av kroppen, og utan hydrogen kan vi ikkje eksistere. Vi finn hydrogen i DNA, arvestoffet vårt, i form av hydrogensambindingar som held saman dei genetiske kodane våre.

I Sola og universet elles er hydrogen det dominerande grunnstoffet. Omtrent 57 prosent av massen til Sola er hydrogen, rundt 40 prosent er helium og berre cirka 3 prosent er tyngre grunnstoff. 84 prosent av Sola sine atom er hydrogenatom. Ein trur òg at mesteparten av planeten Jupiter er danna av hydrogen. Djupt inne i det indre av Jupiter er det så høgt trykk at hydrogenet truleg blir omdanna til fast stoff, som då er eit metall.

I Sola og stjernene blir det produsert energi mellom anna ved at hydrogenatom fusjonerer under danning av helium og positron:

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

Framstilling

Hydrogentank

Hydrogen kan framstillast på fleire måtar. I laboratoriet er det enklaste å reagere eit uedelt metall, til dømes sink, med syre:

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

Hydrogen blir framstilt i mindre mengder industrielt ved elektrolyse av vatn (H2O (l)):

2H2O(l) → 2H2(g) + O2(g)

Ein metode som vart brukt tidlegare var å reagere vassdamp med glødande koks:

C(s) + H2O(l) → CO(g) + H2(g)

Denne gassblandinga blir kalla syntesegass. Karbonmonoksidet kan oksiderast vidare ved å leie gassblandinga saman med vassdamp over ein katalysator ved cirka 500 °C:

CO(g) + H2O(g) → CO2(g) + H2(g)

Med det blir oppnådd endå meir hydrogen. Ved framstilling av koks frå kol får ein ein gass som inneheld meir enn 50 prosent hydrogen.

Petroleum (naturgass og olje) er det viktigaste råstoffet i dag for framstilling av hydrogen. Dette kjem av at hydrokarbon, som metan, etan og propan, kan avspalte hydrogen ved hjelp av kjemiske metodar. Ved ein av desse, steam reforming process, blir hydrokarbona reagerte med vassdamp i nærvær av ein nikkelkatalysator ved 800 °C, til dømes

CH4(g) + H2O(g) → 3H2(g) + CO(g)

Karbonmonoksidet blir reagert vidare med vassdamp som beskrive ovanfor. Ved ein annan metode blir omdanna petroleum til hydrogen og karbonmonoksid ved ufullstendig forbrenning med oksygen, til dømes

2CH4 + O2 → 4H2 (g) + 2CO(g)

I mindre skala kan hydrogen framstillast ved anaerob fermentering.

Særleg reint hydrogen kan framstillast ved å leie ureint hydrogen gjennom oppvarma røyr (membranar) av palladium eller ei palladium–sølv-legering. Hydrogenet diffunderer gjennom røyret, medan forureiningane blir tilbake. Ein annan metode for framstilling av reint hydrogen er ved termisk spalting av metallhydrid.

Bruk

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

3H2(g) + N2(g) → 2NH3(g)

Ein annan viktig bruk er hydrogenering av umetta organiske samband, mellom anna framstilling av fast feitt, vegetabilske og animalske oljar, framstilling av bensin og smørjeoljer. Viktig er òg framstilling av metanol frå karbonmonoksid og hydrogen:

CO(g) + 2H2(g) → CH3OH(l)

og framstilling av hydrogenklorid frå hydrogen og klor:

H2(g) + Cl2(g) → 2HCl(g)

Ved å leie Hcl-gassen ned i vatn får ein saltsyre.

Fleire metall, som wolfram og molybden, blir framstilte frå oksida ved bruk av hydrogen som reduksjonsmiddel, til dømes

WO3(s) + 3H2(g) → W(s) + 3H2O(g).

Store mengder flytande hydrogen blir brukt som drivstoff for rakettar og romskip saman med flytande oksygen.

Hydrogen som brensel

Den viktigaste energikjelda vår, petroleum, er ein avgrensa ressurs, og vil bli ei mangelvare. Derfor blir det utført betydeleg forsking for å vurdere hydrogen som energiberar til dømes i ein bil. Slik bruk av hydrogen byr på fleire fordelar: Forbrenningsproduktet er vatn som ikkje forureinar omgivnadene, og på vektbasis er hydrogen eit meir effektivt brensel enn til dømes bensin. På den andre sida er behaldaren for hydrogen betydeleg tyngre enn ein bensintank.

Når uhellet er ute med ei stor mengd hydrogengass, kan det verkeleg gå ille. Ein skal ha stor respekt for den enorme kjemiske energien i blandinga av hydrogengass og oksygengass. Denne typen energi har stort sett vore nytta til romferjer.

Sidan hydrogen er så lett, blir det, sjølv ved store utslepp, svært raskt fortynna til ein ufarleg konsentrasjon. Hydrogenbrann er raskare ferdig enn ein bensinbrann. I dag er ein i ferd med å erstatte dei fossile brennstoffa med mellom anna hydrogen. Dei fossile brennstoffa, olje, kol og gass, forureinar meir enn hydrogen. Blandar vi hydrogen med luft i staden for med oksygen, minkar eksplosjonsfaren betrakteleg.

Hydrogensambindingar

Hydrogen dannar samband med alle grunnstoffa bortsett frå edelgassane. Slike binære samband blir ofte kalla for hydridar.

Hydrogen er alltid einverdig i kjemiske samband. Formelt oksidasjonstrinn er +I eller, mindre vanleg, −I. Hydrogen har ein midlare elektronegativitet, og bindingane i hydrogensamband har stor spennvidd når det gjeld polaritet.

Hydrogenionet H+ ligg ikkje fritt føre i vatn, men finst i form av oksoniumionet H3O+. Ionet finst òg i faste hydrat av sterke syrer som perklorsyrehydrat, HClO4·H2O, H3O+ClO4.

Historikk

Sidan hydrogengass blir danna ved tilsetning av syre til eit uedelt metall, har gassen sannsynlegvis vorte framstilt tidleg av alkymistane. Det var likevel først briten Henry Cavendish som studerte denne gassen nærare i 1766. Han trudde på flogistonteorien og på at vatn var eit grunnelement, slik ein hadde trudd frå oldtida.

Først Antoine Laurent Lavoisier viste at vatn er eit kjemisk samband mellom to gassar. Han gav dei namna hydrogen og oksygen. Namnet hydrogen kjem frå dei greske orda hydor, som tyder 'vatn', og genos, som tyder 'slekt'.

Tidleg på 1900-talet brukte ein hydrogen i luftskip på grunn av den låge eigenvekta til hydrogengassen. Luftskip som kunne romme store volum med hydrogen, fekk ei oppdrift som gjorde at dei kunne halde seg svevande. Saman med oksygen dannar hydrogen ein eksplosjonsfarleg gass, knallgass. I 1937 oppstod det ein katastrofal knallgasseksplosjon då luftskipet Hindenburg skulle fortøyast.

Les meir i Store norske leksikon

Faktaboks

hydrogen
Smeltepunkt
-259,35 °C
Kokepunkt
-252,88 °C
Massetettheit
0,08987 mg/mL

Kommentarar

Kommentarar til artikkelen blir synleg for alle. Ikkje skriv inn sensitive opplysningar, for eksempel helseopplysningar. Fagansvarleg eller redaktør svarar når dei kan. Det kan ta tid før du får svar.

Du må være logga inn for å kommentere.

eller registrer deg