hydrogen

Størstedelen av hydrogen som blir framstilt industrielt, blir brukt til å lage ammoniakk. Dette blir gjort ved bruk av ein kjemisk reaksjon som blir kalla Haber-Bosch-metoden, der hydrogengass og nitrogengass reagerer og gjev ammoniakk. For å få eit godt utbytte av ammoniakk blir ein katalysator brukt, eit trykk på 101 MPa (1000 atmosfærar) og ein temperatur på 500 ºC.

Hydrogen er òg viktig i framstillinga av metanol. Sjølv om metanol er giftig, er det òg eit nyttig utgangspunkt for å framstille andre stoff. Difor blir det produsert store mengder i industrien. Den vanlegaste framstillingsmåten er å la gassen karbonmonoksid reagere med hydrogengass og danne metanol. Reaksjonen går føre seg ved 200–400ºC, ved trykk over 10 MPa. For å få betre utbyte blir ein katalysator nytta.

Ein annan viktig bruk er å tilsetje hydrogen til umetta organiske sambindingar slik at dei blir metta. Denne prosessen blir kalla hydrogenering. Dette gjer ein mellom anna for å lage fast feitt, vegetabilske og animalske oljar, og for framstilling av bensin og smørjeoljer.

Hydrogenering omvandlar umetta sambindingar til metta ved at hydrogen blir addert på karbonatom som har dobbelt- eller trippelbindingar. Prosessen blir gjord katalytisk under trykk og ved forhøgd temperatur.

Hydrogen har fleire fordelar som drivstoff. Forbrenningsproduktet («eksosen») er vatn, som ikkje forureinar omgjevnadene. Hydrogen er òg eit meir effektivt brensel enn til dømes bensin. På den andre sida er behaldaren for hydrogen betydeleg tyngre enn ein bensintank.

• Les meir om metallhydrid og hydrogendrivstoff.

Når uhellet er ute med ei stor mengd hydrogengass, kan det oppstå eksplosjonar. Hydrogen reagerer fort med oksygengass og frigjer mykje energi. Denne typen energi har stort sett vore nytta til romfart, ved at hydrogen blir brukt saman med oksygen som drivstoff på rakettar og romskip.

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. Sidan hydrogen er så lett, blir det sjølv ved store utslepp svært raskt fortynna til ein ufarleg konsentrasjon. Vidare er hydrogenbrann raskare ferdig enn ein bensinbrann, og blandar vi hydrogen med luft i staden for med reint oksygen, minkar eksplosjonsfaren betrakteleg.

I Sola og universet ellast 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 Solas 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 og det blir danna helium og positron.

Hydrogen det tredje mest vanlege grunnstoffet på Jorda (cirka 15,4 prosent), men i vekt er det det niande mest forekommande, og utgjer cirka 0,9 vektprosent. I gjennomsnitt er kvart sjette til sjuande atom i jordskorpa eit hydrogenatom.

Det aller meste av hydrogenet på Jorda er kjemisk bunde til oksygen i form av vatn. Hydrogen er vidare kjemisk bunde til karbon i organiske samband som petroleum, protein, karbohydrat, feitt og alkoholar. Hydrogen finst òg i ein del mineral, og i stoff som finst i levande vesen.

På Jorda finst fritt hydrogen i svært små mengder, det er mindre enn éin ppm H2 i luft. Hydrogen 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 fordi hydrogenmolekyla har låg masse og høg fart, vil dei sleppe unna Gravitasjonsfeltet til jorda. I høgare atmosfærelag er hydrogen til stades i større mengder. I ei høgd av 2000–20 000 km er Jorda omgjeve av eit tynt hydrogenhylster.

Hydrogen finst i alle levande dyr og plantek, og det finst i alle delar av kroppen vår. Vi finn hydrogen i DNA, i form av hydrogenbindingar som held saman dei genetiske kodane våre.

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 spalte av hydrogen ved hjelp av kjemiske metodar. Ved ein av desse, steam reforming process, reagerer hydrokarbona med vassdamp i nærvær av ein nikkelkatalysator ved 800 °C, til dømes:

\[\ce{CH4(g) + H2o(g) -> 3H2(g) + CO(g)}\]

Blandingsproduktet som blir danna inneheld cirka 77 prosent H₂ og blir kalla ofte syntesegass, fordi han blir brukt direkte til mellom anna produksjonen av metanol. Om det er ynskjeleg kan karbonmonoksidet reagere vidare med vassdamp for å danne karbondioksid, som så kan fjernast.

Ved ein annan metode blir omdanna petroleum til hydrogen og karbonmonoksid ved ufullstendig forbrenning med oksygen, til dømes:

\[\ce{2CH4 + O2 -> 4H2 (g) + 2co(g)}\]

I mindre skala kan ein framstille hydrogen ved anaerob fermentering.

Ein kan framstille særleg reint hydrogen ved å leige ureint hydrogen gjennom oppvarma røyr (membranar) av palladium eller eit palladium–sylv-legering. Hydrogenet diffunderer gjennom røyret, medan forureiningane blir tilbake.

Ein annan metode for framstilling av reint hydrogen er ved termisk spalting av metallhydrid.

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

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

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

\[\ce{H2(g) + \frac12 O2(g) -> H2o(l)}\]

I denne reaksjonen vert det frigjord energi: ΔH_o^f = −286 kJ/måla. Her er ΔH_o^f danningsentalpien for vatn, det vil seie den energien som blir frigjord når eitt måla 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 gradar celsius 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 gje eksplosjon. Ein må difor vere svært varsam med alt som kan få fram gneistar eller flammar når det blir arbeidd 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.

Det er oppdaga fleire allotrope former av fast hydrogen, 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 normale trykk har fast hydrogen eit bandgap (energiskilnaden mellom valens- og leidningsbandet for elektron) på 15 ev, og er ein fargelaus isolator.

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

Ein trur flytande hydrogen finst i mange store og kalde planetar. Jupiter blir omgjeven av eit sterkt magnetfelt, og ein trur dette kjem av at hydrogenet i planetens indre er metallisk på grunn av det store trykket.

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, men kan òg vere −I. Sidan elektronegativiteten til hydrogen ligg omtrent midt på skalaen, har bindingane i hydrogensamband stor spennvidd når det gjeld polaritet. Hydrid kan vere både ioniske, kovalente og metalliske.

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, \(\ce{HClO4.H2O, H3o+ ClO4-}\).

Hydrogenbinding er ein type intermolekylær bindning som oppstår mellom eit hydrogenatom og eit sterkt elektronegativt atom som fluor, oksygen, svovel eller nitrogen. Stoff der hydrogenbinding er viktig er dimed til dømes vatn, ammoniakk, og flussyre, men også alkoholar og amin. I protein er det hydrogenbindingar som i stor grad bestemmer strukturen. I DNA held hydrogenbindingar mellom nukleotidene i dei ulike strengene molekylet saman.

Ein viktig konsekvens av hydrogenbindinga er at koke- og smeltepunktet for stoff med sterk hydrogenbinding mellom molekyla er merkbart høgare enn det vi ville forvente frå nærståande samband utan hydrogenbinding.

Det er to stabile og ein ustabil isotop av hydrogen. Desse tre isotopane blir kalla protium (¹H), deuterium (²H eller D) og tritium (³H eller T). Hydrogen er det einaste grunnstoffet der dei ulike isotopane har fått eigne namn.

Protium inneheld berre eit proton i kjernen og blir skrive som¹H. Protium utgjer 99,985 prosent av alt hydrogen. Det er vanleg å bruke namnet hydrogen òg om isotopen ¹H, i staden for protium.

Deuterium inneheld eit proton og eit nøytron i kjernen og blir skrive som ²H. Deuterium utgjer 0,015 prosent av alt hydrogen. Vatn med deuterium i staden for alminneleg protium blir kalla tungtvatn.

Tritium er den ustabile isotopen og inneheld eit proton og to nøytron. Det vert skrive som ³H. Tritium er ikkje naturleg forekommande og er radioaktivt, med ei halveringstid på 12,26 år.

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).

Hydrogen er det grunnstoffet som legg for dagen dei største skilnadene i fysiske og kjemiske eigenskapar mellom isotopar av same grunnstoff. Dei kjemiske eigenskapane er nesten like, men den store skilnaden i masse mellom isotopane gjer at til dømes diffusjonshastigheiter blir ulikt. Det er òg skilnader i likevektskonstantar, som mellom anna fører til at isotopane kan rikjast opp ved hjelp av kjemiske reaksjonar.

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 motset retta. Samlinga av dei molekyla der spinna er likt retta kallast ortohydrogen (eller singletthydrogen), medan samlinga av dei molekyla der spinna er motset 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. Blandinga med 3:1 som er stabil ved romtemperatur blir kalla normalhydrogen.

Tilsvarsande gjeld for hydrogenatoma i verdsrommet. Då er dei to spinna protonet og elektronet. Det kan finnast overgang mellom dei to formene. Då blir det sendt ut mikrobylgjestråling med bylgjelengd 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.

Fenomenet spinnisomeri opptrer for alle toatomige molekyl der kjernane har spinn, men effekten blir størst for hydrogen. Dette fordi massen er så låg at berre dei lågaste energitilstandane er eksiterte ved romtemperatur.