hydrogen

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).

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.

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

H₂(g) + ½O₂(g) → H₂O(l)

ΔH_o^f = −286 kJmol−1

Her er ΔH_o^f 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.

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:

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

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.

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 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⁻.

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.

• hydrogenbinding
• hydrogendrivstoff
• hydrogenlagring
• grunnstoff
• periodesystemet