Wat is Waterstof?

Waterstof, aangeduid met symbool “H”, is de Nederlandse naam voor het chemische element Hydrogenium.

Waterstof is het kleinste, meest eenvoudige chemische element. De kern van het waterstofatoom bestaat uit slechts één positief geladen proton. In een baan om deze kern beweegt zich één negatief geladen elektron. Naast dit “gewone” waterstof atoom komen in de natuur ook twee zwaardere versies voor. Dat zijn de zogenaamde isotopen: Deuterium, ook wel zwaar waterstof genoemd, heeft naast het proton één neutron in de kern. Dit element wordt aangeduid met het symbool 2H of D. Isotoop Tritium (symbool 3H of T) heeft naast één proton twee neutronen in de kern. Deze radioactieve isotoop maakt slechts 0,015% uit van de totale hoeveelheid waterstof.

Waterstof is het meest voorkomende, het lichtste en het kleinste element in het heelal. Toch neemt dit element circa driekwart van het gewicht van alle materie in het heelal voor zijn rekening. Waterstof is bijvoorbeeld het voornaamste bestanddeel van interstellair gas (niet-alledaags begrip). Ook op aarde komt waterstof in grote hoeveelheden voor. Het is vrijwel uitsluitend in verbinding met andere chemische elementen aanwezig. De aardkorst bevat naar schatting niet meer dan 1% waterstof in elementaire vorm. De atmosfeer bevat gemiddeld minder dan 0,1% waterstofgas in de vorm van waterstof moleculen H₂ (niet te verwarren met het isotoop 2H). De belangrijkste conclusie die we hieruit moeten trekken is dat waterstof op onze aarde geen energiebron is. We zullen het dus moeten maken (bijv door elektrolyse van water). Waterstof is dan ook geen energiebron maar een energiedrager.

In gebonden toestand neemt waterstof ruim 15% van de totale hoeveelheid atomen van de aardse materie in beslag. Ze zijn hoofdzakelijk gebonden aan koolstof, zuurstof en stikstof. Het merendeel komt echter voor in de vorm van water (H₂O), de verbinding van waterstof met zuurstof. Verder is waterstof een belangrijk element in organisch materiaal, levende wezens en in de ontledingsproducten daarvan, zoals biomassa en aardolie.

Waterstofgas werd voor het eerst in 1766 door Henry Cavendish herkend. Andere onderzoekers, zoals Robert Boyle, Jan Baptist van Helmont en Mayow hadden het gas al eerder bereid en enkele eigenschappen ervan ontdekt. Lavoisier was de eerste die in 1783 “brandende lucht” in zuivere vorm wist te produceren. Lavoisier ontleedde waterdamp met gloeiend ijzer en noemde het gas Hydrogène (van het Griekse hudoor = water en gennaoo = voortbrengen), wat watervormende stof betekent. Dat is later in het Nederlandse spraakgebruik verkort tot waterstof.

Waterstof H is het ‘eerste’ element van het periodieke systeem en daardoor het meest eenvoudig chemische element. Waterstofgas (H₂) is in normale omgevingscondities een kleurloos, reukloos, niet-corrosief, niet-oxiderend, niet-radioactief, niet-kankerverwekkend en niet-toxisch gas met volgende karakteristieken.

Massa: Waterstof is een erg licht gas. Het is ruim 14 maal lichter dan lucht. Op het vlak van veiligheid heeft dit voordelen. Omdat het gas zo licht is stijgt het bij vrijkomen zeer snel op. In tegenstelling tot het zwaardere LPG blijft waterstofgas dus niet aan de grond hangen. De dichtheid van vloeibare waterstof (71 g/l) is een factor 10 lager dan de dichtheid van benzine (720 g/l).

Kookpunt: Het kookpunt van waterstof (−252°C of 20 K) ligt erg laag. Het vloeibaar maken van waterstof kost veel energie. Het “vloeibaar” houden van waterstof vereist een aantal technische maatregelen. Ook voor aardgas ligt het kookpunt tamelijk laag (−161°C). Toch ligt dit circa 90 graden boven dat van waterstof.

Energie-inhoud: Ondanks een lage dichtheid heeft waterstof een hoge energie-inhoud. Uitgedrukt in MJ/kg is dit bij waterstof 120 MJ/kg. Ter vergelijking: bij methaan bedraagt dit 50 MJ/kg en bij benzine 46 MJ/kg. Anders gezegd: 1 kg waterstof bevat evenveel energie als 2,4 kg methaan of 2,6 kg benzine. Als de energie-inhoud wordt bekeken als functie van het volume, uitgedrukt in MJ/Nm³, is de specifieke energie-inhoud van waterstof (10,8 MJ/Nm³) relatief laag. Methaan levert ter vergelijking 35,9 MJ/Nm³.

Ontvlambaarheid: Waterstof heeft de reputatie een erg gevaarlijk gas te zijn in vergelijking met bijvoorbeeld aardgas (methaan). De volgende cijfers geven hierin enig inzicht:
De grenswaarden waartussen een mengsel van waterstof en lucht ontvlambaar is, bestrijken een erg groot gebied: van 4 tot 75 vol %. Het ontvlambare venster bij methaan is veel kleiner: 4,4 tot 17,0 vol %.
De benodigde ontstekingsenergie bij waterstof (0,02 mJ) is meer dan een factor 10 kleiner dan bij methaan (0,29 mJ).

De combinatie van lage ontstekingsenergie en breed ontvlambaar gebied stelt specifieke eisen aan de elektrische en mechanische componenten van installaties waarin waterstof wordt gebruikt. Die eisen zijn vastgelegd in de ATEX-voorschriften in verband met explosieveilig materiaal.
Anderzijds is de temperatuur nodig voor een spontane zelfontbranding (585°C) van een waterstof-luchtmengsel zeer hoog. Bij ontbranding van zuivere waterstof is de vaalblauwe vlam vrijwel onzichtbaar. Verbranding van omgevende materialen en roetvorming maken de vlam zichtbaar. Een waterstofvlam heeft een relatief lage infraroodstraling.

Uitgebreide beschrijvingen van het chemische element waterstof (‘H’) vindt u onder meer op:

• Thinkquest (kort; Nederlands)
• Microsoft ® Encarta (Engels)
• WebElements (Engels)