hydrogen

Størstedelen av hydrogen som blir framstilt industrielt, blir brukt til å lage ammoniakk til vidare bruk i kunstgjødsel. Dette blir gjort med Haber-Bosch-metoden, der hydrogengass og nitrogengass reagerer og dannar ammoniakk.

Hydrogen er òg viktig i framstillinga av metanol. Det er eit nyttig utgangspunkt for å framstille andre stoff. Difor blir det produsert store mengder i industrien.

Hydrogen blir òg brukt i framstilling av hydrogenklorid og saltsyre.

Ein kan tilsette hydrogen til umetta sambindingar slik at dei blir metta. Denne prosessen blir kalla hydrogenering. Dette gjer ein mellom anna for å lage fast feitt som margarin, og for framstilling av bensin og smørjeoljer (sjå feittherding).

Hydrogenering omvandlar umetta sambindingar til metta ved at hydrogen blir tilsett på karbonatom som har dobbelt- eller trippelbindingar. Dette skjer med ein katalysator, og under trykk og høg temperatur.

• Les meir om hydrogenering og feittherding

Hydrogengass kan nyttast som brensel i forbrenningsmotorar og brenselceller. Forbrenningsproduktet («eksosen») er vatn, som ikkje forureinar omgjevnadene. Hydrogen blir difor undersøkt som ei grøn erstatning for fossile brensel.

Hydrogen er eit effektivt brensel som frigir mykje energi rekna per masseeining. Spesifikk energi er 119,9 megajoule per kilogram (MJ/kg). Til samanlikning er spesifikk energi for bensin 43,9 MJ/kg. Ulempa er at behaldaren for hydrogen er betydeleg tyngre enn ein bensintank. Dessutan er energitettleiken til hydrogen låg. Sjølv med flytande hydrogen er energitettleiken berre 8,5 MJ/liter mot 32,5 MJ/liter for bensin.

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

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. Blandar ein hydrogen med luft i staden for med reint oksygen, minkar eksplosjonsfaren betrakteleg.

• Les meir om metallhydrid og hydrogendrivstoff

Tidleg på 1900-talet brukte ein hydrogen i luftskip på grunn av den låge eigenvekta til hydrogengass. Luftskip som kunne romme store volum med hydrogen, fekk ei oppdrift som gjorde at dei kunne halde seg svevande.

Bruken av hydrogen i luftskip vart stansa etter ei katastrofal ulukke i 1937. Hindenburg byrja å brenne då det skulle fortøyast, og brann opp i løpet av nokre sekund. Ulukka kravde 36 menneskeliv. Ei seigliva myte er at Hindenburg eksploderte, men sidan skipet var fylt med hydrogen og ikkje knallgass, kunne det ikkje eksplodere, men berre brenne i luft.

Fleire metall, som wolfram og molybden, blir framstilt frå metalloksida ved bruk av hydrogen som reduksjonsmiddel. Hydrogen har òg ei rolle i omdanning av jernoksid til metallisk jern.

Flytande hydrogen kan bli brukt som eit kjølemiddel, då kokepunktet er så lågt som –253 °C. Flytande helium vert ofte føretrekt då det er kaldare og mindre reaktivt, men flytande hydrogen er billegare og har høgare varmekapasitet og varmeleiingsevne.

I oljeraffineri blir hydrogengass produsert i ein prosess kalla katalytisk reforming. Denne hydrogengassen blir brukt vidare i raffineriet, mellom anna til å fjerne svovel frå olja.

• Les meir om oljeraffinering

I Sola og i 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 alle atoma i Sola er hydrogenatom. Mesteparten av planeten Jupiter er òg hydrogen. Djupt inne i det indre av Jupiter er det så høgt trykk at hydrogenet truleg blir omdanna til ei metallisk væske.

I Sola og stjernene blir det produsert energi mellom anna ved at hydrogenatom fusjonerer og det blir danna helium og positron.

Hydrogen er det tredje vanlegaste grunnstoffet på Jorda (litt over 15 atomprosent), men i masse er det det niande mest førekommande, og utgjer cirka 0,9 masseprosent. 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 alle levande vesen.

På Jorda finst fritt hydrogen i svært store mengder, rekna til fleire billionar tonn. Det er likevel spreidd utover i svært små konsentrasjonar, som gjer at dette hydrogenet ikkje er økonomisk gunstig å vinne ut, då det kostar meir enn framstilling ved elektrolyse.

I luft er konsentrasjonen av hydrogen (H₂) mindre enn éin ppm. 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 kilometer er Jorda omgjeve av eit tynt hydrogenhylster.

Hydrogen finst i alle dyr og plantar, og det finst i alle delar av kroppen vår. Hydrogen finst mellom anna i vassmolekylet, i feitt, karbohydrat, protein og i DNA.

I 1931 oppdaga den amerikanske kjemikaren Harold Clayton Urey og medarbeidarar deuterium. Det er ein tyngre variant (isotop) av hydrogen som i tillegg til eit proton i atomkjerna inneheld eit nøytron.

I 1932 fann Urey og Edward Wight Washburn (1881–1934) at deuterium vart opprikt ved elektrolyse av vatn, og dersom ein elektrolyserer ein stor nok mengd vatn vil ein til slutt ende opp med nesten reint tungtvatn. Urey vart i 1934 tildelt Nobelprisen i kjemi for arbeidet sitt med deuterium.

• Les meir om tungtvatn

Etter oppdaginga av deuterium vart det sett i gang eit kapplaup om å finne isotopen med to nøytronar i kjerna, tritium. I 1934 klarte den britiske fysikaren Ernest Rutherford og medarbeidaren hans å framstille tritium. Beviset for at dei hadde klart det kom fyrst tre år seinare. I 1950 vart det påvist tritium i naturen.

Petroleum (naturgass og olje) er i dag det viktigaste råstoffet for framstilling av hydrogen. Dette kjem av at ulike typar hydrokarbon, som metan, etan og propan, kan spalte av hydrogen ved hjelp av kjemiske metodar. Ved ein av desse metodane, dampreforming, 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 om lag 77 prosent H₂ og blir ofte kalla syntesegass, fordi han blir brukt direkte til mellom anna produksjon av metanol. Karbonmonoksidet kan reagere vidare med vassdamp for å danne karbondioksid, som så kan fjernast.

Ved ein annan metode blir omdanna petroleum gjort om 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 gjæring utan tilgang på oksygen (anaerob fermentering).

Ein kan framstille særleg reint hydrogen 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. Vassmolekyl kan òg splittast ved hjelp av termisk nedbrytning, men dette krev svært høge temperaturar.

Industriell produksjon av hydrogen i verda passerte 100 millionar tonn i 2024. Mesteparten av hydrogenet (rundt 50 prosent) vart framstilt av naturgass. Berre rundt éin prosent av produksjonen var basert på bruk av fornybar energi.

• Les meir om hydrogenproduksjon

Hydrogengass er ein fargelaus gass utan lukt og smak. Gassen leier varme betre enn nokon annan gass. Varmeleiingsevna til hydrogengass er til dømes fem gonger høgare enn for luft. Gassen er uløyseleg i vatn. Den blir selt 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/mol. 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 når det er ein katalysator til stades. Finfordelt platina eller palladium kan tene som katalysatorar. Over cirka 550 °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 gje ein eksplosjon. Ein må difor vere svært varsam med alt som kan skape 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, og dette blir nytta blant anna i arbeid med kvartsglas.

Det er oppdaga fleire allotrope former av fast hydrogen, H₂(s), med ulik samansetning av isotopar. 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 antakeleg eit metall, det vil seie at molekyla blir spalta og blir til proton i ein sjø av elektron.

Forskarar trur at flytande hydrogen finst i mange store og kalde planetar. Jupiter er 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 samband blir ofte kalla for hydrid, særleg når hydrogen framstår som eit negativt ion, H^-.

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 spennvidde når det gjeld polaritet. Hydrid kan vere både ioniske, kovalente og metalliske.

Hydrogenionet H⁺ finst ikkje fritt 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 binding mellom molekyl som oppstår mellom eit hydrogenatom og eit sterkt elektronegativt atom som fluor, oksygen, svovel eller nitrogen. Hydrogenbinding er til dømes viktig i vatn, ammoniakk, alkoholar, protein og DNA.

• Les meir om hydrogenbinding

Det er to stabile og éin ustabil isotop av hydrogen:

• protium (¹H): inneheld berre eitt proton i kjernen; utgjer 99,985 prosent av alt hydrogen
• deuterium (²H eller D): inneheld eitt proton og eitt nøytron i kjernen; ugjer 0,015 prosent av alt hydrogen
• tritium (³H eller T): inneheld eitt proton og to nøytron; er radioaktivt og ustabilt og førekjem ikkje naturleg i naturen

Hydrogen er det einaste grunnstoffet der dei ulike isotopane har fått eigne namn.

Stoff med tilsett deuterium eller tritium blir brukte som sporstoff til å teste teoriar for reaksjonskinetikk og kjemisk likevekt. Organiske løysemiddel der hydrogenatoma er deuterium blir brukte i kjernemagnetisk resonans (NMR).

Hydrogen er det grunnstoffet som har 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 ulike. Det er òg skilnader i likevektskonstantar, som mellom anna fører til at ein kan tilsette isotopane 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 like 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. Blandinga med 3:1 som er stabil ved romtemperatur blir kalla normalhydrogen.

Tilsvarande gjeld for ubundne hydrogenatom i verdsrommet. Hydrogenatomet har berre eitt proton, men spinnet til elektronet i hydrogen relativt til protonet skapar to ulike tilstandar. Ein tilstand der protonet og elektronet har likt spinn, og ein tilstand der dei har ulikt spinn. Ved ein overgang mellom dei to tilstandane blir det sendt ut mikrobølgjestråling med bølgjelengd på cirka 21 centimeter. Denne strålinga vart oppdaga på Jorda i 1951 og er sidan brukt i radioastronomi til å bestemme spiralstrukturen til galaksen vår, Mjølkevegen. Den brukast òg til å undersøkje det tidlege universet.

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.