Waterstof: het chemische element dat het meest voorkomt

Waterstof is een chemisch element. Het heeft het symbool H en atoomnummer 1. Symbool H staat ook nog voor La: Hydrogenium. Dat betekent dat dit element niet in geïsoleerde vorm voorkomt onder normale omstandigheden. Maar het vormt juist door de hoge reactiviteit verbindingen. Als er sprake is van een atmosferische omstandigheid dan vormt de stof een twee-atomige molecule: diwaterstof. Maar meestal wordt dit gewoon waterstofgas of waterstof genoemd. Als je kijkt naar het hele universum dan is waterstof hierbij het element wat het meeste voorkomt. Als we kijken naar het normale isotoop van waterstof dan is dit protium. Het protium van waterstof bestaat maar uit een proton en een elektron. Dat betekent dat waterstof geen neutronen bevat. Dit maakt deze stof het enige element wat geen neutronen heeft. Als je naar de losse atomen van de stof gaat kijken dan worden deze ook wel in statu nascendi genoemd.

De ontdekking van waterstof

Waterstof is in 1971 ontdekt door Robert Boyle. Robert Boyle was een bekende Iers-Engelse chemicus van die tijd. Hij heeft toen in een publicatie geschreven dat hij ontdekt had dat er een brandbaar gas ontstaat als er een reactie is tussen ijzer en verdund zuur. In 1766 werd er pas ontdekt dat dit een chemisch element was. Dit werd door Henry Cavendish ontdekt in die tijd. Hij ontdekte dit toen hij begon te experimenteren met kwik. Henry kon veel eigenschappen heel erg precies beschrijven. Maar hij had het vermoeden dat er in plaats van zuur, het metaal de bron van het vrijkomende gas was. Dit is ook de rede dat hij deze ontdekking het element brandbaar gas van metalen noemde. Een paar jaar later gaf Antoine Lavoiser waterstof de huidige Latijnse naam. De Latijnse naam van waterstof is hydrogenium. Hydrogenium is natuurlijk wel een term welke ergens vandaan komt. Het is namelijk een samenstelling van 2 Griekse termen: Udro (water) en genes (vormen). Deze samenstelling kan dus uiteindelijk vertaald worden naar watermaker in het Nederlands. Dit is zo genoemd omdat er bij een reactie met zuurstof en waterstof water ontstaat.

Fysische eigenschappenwaterstof

Als je naar alle gassen gaat kijken dan is hydrogenium het lichtste gas. Dat zorgt ervoor dat de stof bij een normale druk een kookpunt heeft van 20,28K. Het smeltpunt van de stof ligt rond 14,01K. Als er sprake is van een extreem hoge druk, dit is bijvoorbeeld op planeten zoals Jupiter en Saturnus, dan kan er metallisch waterstof ontstaan. De rede dat dit ontstaat komt door de moleculen. Deze gaan onder een extreem hoge druk hun identiteit verliezen. En dat is de rede dat de waterstof zich als een vloeibaar metaal gaat gedragen. Maar waterstof kan natuurlijk ook voorkomen onder een extreem lage druk. Dit is bijvoorbeeld in de ruimte tussen de sterren. Ook hier komt waterstof nog steeds voor maar dan in de vorm van losse atomen. Dit komt omdat er hier geen mogelijkheid bestaat om zich tot een molecuul te ontwikkelen. Diwaterstof is natuurlijk een andere versie van waterstof. Deze reageert dus ook anders op normale druk. Onder normale druk is het namelijk een mengsel van 2 verschillende soorten moleculen. Deze twee moleculen verschillen in draairichting die de atoomkernen hebben. Dit noemen we ook wel spin. De twee vormen hiervan worden ortho- en parawaterstof genoemd. Dit mag je nooit verwarren met isotopen. Dit leggen we verderop in dit artikel toe. Als er sprake is van een normale druk dan bestaat de diwaterstof voor 25% uit para- en voor 75% uit orthovorm. De orthovorm kan hierbij nooit in een zuivere vorm bereid worden. Dit zorgt er allemaal voor dat de twee vormen een ongelijk energieniveau hebben. En daardoor hebben deze twee vormen ook verschillende fysieke eigenschappen. Dit betekent bijvoorbeeld dat de smelt- en kookpunten van parawaterstof 0,1K lager zijn dan die van de orthowaterstof. Dit noemen we ook wel de normale verschijningsvorm.

Chemische eigenschappen van de stof

Als we kijken naar een standaardtempratuur en standaard druk dan is hydrogenium een reukloos, kleurloos en licht ontvlambaar gas. Waterstof hoort bij de niet-metalen en is eenwaardig. Als er wordt gekeken naar verbindingen met andere elementen dan kan waterstof met bijna alle andere elementen een verbinding aangaan. Dat komt omdat de elektronegativiteit van de stof 2,2 is. Dit zorgt er ook voor dat de verbindingen met de meer metallische en met de niet-metallische component is. De metallische verbindingen worden ook wel hydriden genoemd. Hierbij neemt waterstof als H ionen deel aan het geheeld. Maar hydrogenium kan ook als de atomen tussen het rooster van een ander element als opgeloste stof deelnemen. Als het gaat om niet-metallische verbindingen dan wordt waterstof gezien als covalent gebonden. Het waterstofion komt in de chemie nooit helemaal in zijn eentje voor. Dat betekent namelijk dat het dan een proton is zonder elektron. En dan heeft het de neiging om elektronen aan te trekken. Als het gaat om een zure oplossing dan gaat het vaak om een oplossing waarin vrije H ionen voorkomen. Dan gaat het om ionen die verbonden zijn met andere ionen. Dit komt omdat het proton hierbij een heel sterk zuur is. Hierbij is het proton het sterkste lewis-zuur. Dat betekent dat proton sterk de neiging heeft om elektronenparen te accepteren. Als je waterstof en zuurstof met elkaar combineer dan kan dit samen water vormen. Als je dit combineert dan komt er veel energie vrij. Als je dus waterstofgas met zuurstofgas mengt dan staat dit ook wel bekend als knalgas. Dit is een zeer explosieve stof. Je kunt knalgas heel erg makkelijk bereiden als je gebruik maakt van aangezuurd water en dit elektrolyseert. Maar naast zuurstof kan waterstof ook makkelijk een verbinding aangaan met koolstof. Als je dit samen combineert dan wordt dit koolwaterstof genoemd. Dit is een klasse van de organische verbindingen. Als er onderzoek gedaan wordt naar de eigenschappen van deze verbindingen dan noemen we dit ook wel organische chemie.

Isotopen

Waterstof heeft een isotoop welke het meest stabiel is. Deze isotoop bevat een proton en zoals al eerder gezegd geen neutronen. Daarom noemen we dit ook wel protium. Naast deze stabiele isotoop is deuterium ook een hele stabiele isotoop in waterstof. Deze bevat naast een proton ook een neutron in de kern. Een andere waterstofisotoop is tritium. Deze wordt ook wel gezien als een radioactieve isotoop en deze bevat een proton en twee neutronen. De halveringstijd hiervan is 12,33 jaar. Als isotopen verbindingen vormen dan hebben zij andere fysische eigenschappen dan de normale protium versie van dezelfde verbinding. Dit is ook meteen het bijzondere aan deze isotopen. Doordat waterstof verschillende isotopen heeft, heeft de stof andere namen. Waterstof is hiermee het enige element dat dit heeft.

Verschijning van de stof

Zoals al eerder gezegd is dit het meest voorkomende element in het heelal. Dat wil zeggen dat meer dan 90% van de atomen in het heelal waterstofatomen zijn. Als het gaat om wolken van waterstofmoleculen dan staan deze aan de oorsprong van de stervorming in het heelal. Sterren bestaan voor een groot gedeelte uit hydrogenium. Het gaat hierbij om de waterstof in de plasmafase. Daarnaast wordt waterstof veelal op gasplaneten aangetroffen. Een gasplaneet is bijvoorbeeld Jupiter. Daarnaast speelt de stof een grote rol in het op gang houden van processen in het universum.