1 H Hydrogen
Atommasse:
1,008
Fase (ved 25 °C):
Gass
Smeltepunkt:
-259 °C / 14 K
Kokepunkt:
-253 °C / 20 K
Vis flere fakta
Gruppe:
1
Periode:
1
Blokk:
s
Elektronkonfigurasjon:
1s<sup>1</sup>
Elektronegativitet:
2,20
Tetthet (ved 25 °C):
0,000082 g/cm³
Vis færre fakta
Foto: Colourbox

Hydrogen

3 minutter etter det store smellet (Big Bang) besto universet i hovedsak av 75 % hydrogenkjerner og 25 % heliumkjerner. I dag, rundt 15 milliarder år senere har det ikke skjedd så mye mer; universet består fremdeles i hovedsak av grunnstoffene hydrogen og helium. De fleste hydrogenatomer er altså omtrent 15 milliarder år gamle!

Vi har rikelig med hydrogen på jorden. Det aller meste er bundet til oksygen i vann. Hydrogen er også et stoff du finner mye av i levende vesener, men den viktigste grunnen til at det forskes på hydrogen i dag, er at det kanskje kan brukes som et miljøvennlig drivstoff i biler.

Anvendelser

Store mengder ammoniakk produseres på Herøya utenfor Porsgrunn i Telemark. Copyright: Yara. Foto: Gisle Nomme

Hydrogen (H2) er et av de viktigste industrielle kjemikaliene, og brukes til å fremstille andre stoffer, blant annet ammoniakk, metanol og saltsyre, for å nevne noen vanlige kjemikalier. Hydrogen brukes også til å fjerne svovel fra olje og kull. Videre brukes hydrogengass som drivstoff i romraketter og i enkelte biler. Flytende hydrogen brukes også som et kjølemiddel (kokepunktet til flytende hydrogen er -253 ºC).

Industriell produksjon av ammoniakk

Det meste av hydrogengassen som produseres, brukes til å lage ammoniakk (NH3). Fremstilling av ammoniakk i industrien gjøres ved bruk av en kjemisk reaksjon som kalles Haber-prosessen, der hydrogengass og nitrogengass reagerer og gir ammoniakk:

3H2(g) + N2(g) = 2NH3(g)    (reaksjonen er eksoterm: ΔH = -92kJ/mol)

For å få et godt utbytte av ammoniakk brukes en katalysator, et trykk på 101 MPa (1000 atmosfærer) og en temperatur på 500 ºC.

 

Industriell produksjon av metanol

Selv om metanol (CH3OH) er giftig, er det også et nyttig utgangspunkt for å fremstille andre stoffer. Derfor produseres det betydelige mengder i industrien. Den vanligste fremstillingsmåten er å la gassen karbonmonoksid og reagere med hydrogengass og danne metanol

CO(g) + 2H2(g) = CH3OH(l)

Reaksjonen foregår ved 200 – 400ºC, ved trykk over 10 MPa. For å få bedre utbytte benyttes en katalysator.

 

Hydrogenering

Hydrogenering omvandler umettede hydrokarboner til mettede ved at hydrogen adderes på karbonatomer som har dobbelt- eller trippelbindinger. Prosessen gjøres katalytisk under trykk og ved forhøyd temperatur. Benyttes bl.a. for fettherding, margarinproduksjon og for fremstilling av syntetisk bensin fra stein- og brunkull.

I raffinerier produseres hydrogen ved "katalytisk reforming". Denne hydrogengassen brukes videre i raffeneriet for å lage oktan"bidragende" komponenter til bensin.

Hydrogen brukes til å fjerne heteroatomer (svovel, oksygen og nitrogen) fra petroleum, kull etc. ved dannelse av H2S.

 

Hydrogen vil også kunne redusere mange metalloksider, og brukes bl.a. for å fremstille wolfram og molybden:

WO3 + 3H2 = W + 3H2O

Grunnstoffet har også en rolle i omdanning av jernoksid til jern.

Mye blir sammen med oksygen brukt som drivstoff på raketter og romskip. Brukes også som rakettbrensel sammen med fluor eller oksygen.

Foretrukket som "propellant" for kjernekraft-raketter og romkjøretøy.

I kroppen

Alt vi spiser inneholder hydrogen. Hydrogen finnes i alle levende vesener, både dyr og planter. Vi kunne ikke eksistert uten hydrogen. Hydrogen er i alle deler av kroppen vår, og faktisk er det hydrogen som holder vårt DNA sammen. DNA består av to kjeder (spiraler) med basegrupper på, og hydrogenbindinger mellom basene holder DNA’et sammen.

I miljøet

Vi har rikelig med hydrogen på jorden. Det aller meste er bundet til oksygen i vann, men det finnes også i en del mineraler, og i stoffer som finnes i levende vesener. eller i På jorden er hydrogen det 3. mest vanlige grunnstoff (ca. 15,4 %), men i forhold til vekt er det det 9. mest forekommende, ca. 0,9 vektprosent. Vi har imidlertid alt det hydrogen vi kan ønske oss, det aller meste bundet til oksygen som hydroksid OH- i mineraler eller vann H2O, det siste som flytende vann, vanndamp, is, eller som krystallvann i mineraler. Noe hydrogen er bundet til karbon i organiske forbindelser inklusive hydrokarboner olje og gass. Elementært hydrogen, H2, finnes tilnærmelsesvis ikke på jorden. Det er mindre enn én ppm H2 i luft.

Navn

I verket methode de nomenclature chimique (1783) foreslo bl.a. Antoine Lavoisier navnet "gaz hydrogène". Navnet er konstruert fra det greske hydor = vann og genos = slekt (gennan = danne), fordi gassen danner vann når den brenner i luft.

Dette finner vi igjen i den gamle norske betegnelsen vannstoff og det tyske wasserstoff. Tilsvarende tankegang ligger bak den svenske betegnelsen väte. Det gamle danske navnet brint, som ble foreslått av Ørsted i 1814, er avledet av "å brenne".

Hydrogen er det eneste grunnstoffet der de ulike isotopene har egne navn. Urey foreslo navnet deuterium, med symbol D, for hydrogenisotopen 2H som han fant i 1931. Dette navnet stammer fra det greske deuteros = den andre. Tilsvarende kalles 3H for tritium, T, fra tritos = den tredje. For å spesifisere isotopen 1H kan navnet protium benyttes.

Historie

Det er vanligvis engelskmannen Henry Cavendish som regnes som hydrogenets oppdager. Cavendish løste sink, jern og tinn i saltsyre og svovelsyre. Han fant at han fikk like mye gass når samme mengde av et av metallene ble løst i saltsyre og i svovelsyre. Følgelig konkluderte han med at gassen måtte komme fra metallet og ikke fra syren og han kalte den for "brennbar luft fra metaller" (inflammable air from metals). Han gikk derfor ut fra at gassen var flogiston:

Senere endret han syn og antok at den brennbare gassen er en forbindelse mellom vann og flogiston. Han studerte bl.a. løseligheten i vann og i base, hvilket blandingsforhold med luft som var mest eksplosivt og han bestemte tetheten. I 1781 forstod han at vann består av oksygen og hydrogen, for å bruke de moderne betegnelsene, i forholdet 1:2. Resultatene ble imidlertid først publisert i 1784, ett år etter at Lavoisier hadde publisert det samme funnet.

I 1927 bestemte Francis William Aston atomvekten til hydrogen ved hjelp av massespektrografen. Disse ble gitt relativt til oksygen, som siden 1906 var definert til å ha en atomvekt på 16 (den nåværende standardisering baseres på at 12C = 12). Da det to år senere ble funnet at oksygengass består av tre isotoper måtte de tidligere verdiene korrigeres. Det viste seg da at verdiene Aston hadde var for høye. I 1931 ble det foreslått at også hydrogen hadde en tyngre isotop, og alt i desember samme år kunne Harold Clayton Urey og medarbeidere påvise denne isotopen spektroskopisk. Dette klarte de fordi deuterium anrikes i væsken under fordampning, og ved å destillere inn en stor mengde flytende hydrogen fikk de høy nok konsentrasjon av deuterium til å kunne påvise den. I 1932 fant Urey og E. W. Washburn at deuterium også ble anriket ved elektrolyse av vann. Starter man å elektrolysere en stor nok mengde vann vil man til slutt ende opp med rest av nesten rent tungtvann. Urey fikk i 1934 nobelprisen i kjemi for sine arbeider med deuterium.

Etter oppdagelsen av deuterium ble det satt i gang et kappløp om å være den første til å finne isotopen 3H. I 1934 klarte Ernest Rutherford og hans medarbeider å fremstille tritium ved å bombardere deuterium (i fosforsyre) med høyenergetiske deuteriumkjerner:

2D + 2D = 1H + 3T.

Beviset for at de hadde klart det kom først 3 år senere. I 1950 ble det påvist tritium i naturen.

Fremstilling

Industrielt

Det meste hydrogen blir i dag produsert fra naturgass og damp ved den såkalte "steam reforming process". Det finnes mange variasjoner, men typisk foregår prosessen som følger: Hydrokarboner og vanndamp varmes til mellom 800 og 870ºC, før det med et trykk på 2 til 2,5 mPa ledes over en nikkelbasert katalysator:

CH4(g) + H2O(g) = CO(g) + 3H2(g)

(Her vist med metan)

Blandingsproduktet som dannes inneholder ca 77% H2 og kalles ofte syntesegass, fordi den blir brukt direkte til f.eks. produksjonen av metanol. Om det er ønskelig kan karbonmonoksidet reageres videre til karbondioksid, som så kan fjernes:

CO(g) + H2O(g) = CO2(g) + H2(g)

ved ca. 370ºC og bruk av katalysator.

Hydrogen produseres også ved partiell oksidering av hydrokarboner. F.eks. kan ufullstendig forbrenning av naturgass eller olje skrives:

CnH2n(g) + n/2O2(g) = nCO(g) + nH2(g)

For å få svært ren hydrogengass (99,999 %) kan den "filtreres" gjennom et metall. Hydrogenatomene er så små at de lett kan bevege seg gjennom enkelte metaller. Benytter man et rør av palladium (eller enda bedre er en legering av palladium med 23 vekt-% sølv) vil H2-molekylene spaltes når de treffer metalloverflaten, og hydrogenatomene bevege seg inn i metallet. Når gassen ledes gjennom røret vil derfor hydrogen diffundere ut gjennom metallet mens forurensningene blir holdt tilbake. Temperaturen man bruker er typisk 300 – 400ºC.

Deuterium kan anrikes ved elektrolyse av vann, men industriellt er dette dyrt. Istedet benyttes ofte kjemiske utbyttingsreaksjoner. Mest brukt er den mellom H2O og H2S. Likevekten HDO(g) + H2S(g) = H2O(g) + HDS(g) er forskjøvet mot høyre, så deuterium vil anrikes i hydrogensulfidet. For videre oppkonsentrerin benyttes fraksjonert vakumdestillering.

Tritium fremstilles i reaktorer ved: 6Li + 1n = 4He + 3T. Oppbevares enklest som UT3, som vil frigi tritium ved oppvarming.

I laboratoriet

Små mengder kan lett produseres ved reaksjon mellom metaller som f.eks. sink og fortynnet saltsyre eller svovelsyre:

Zn(s) + 2H+(aq) = H2(g) + Zn2+(aq)

eller ved bruk av metallisk natrium, kalium eller lignende:

2Na(s) + 2H2O = H2(g) + 2Na+(aq) + OH-(aq)

eller man kan benytte seg av elektrolyse av vann. Elektrolyse av vandig bariumhydroksid ved hjelp av nikkelelektroder kan gi 99,99 % H2:

Anode: 4OH– + 2H2O + O2 + 4e–

Katode: 4H2O + 4e– + 2H2 + 4OH–

I Norge

Oversiktsbilde av Rjukan
Ved Norsk Hydro Rjukan ble hydrogen fram 1928 fremstilt ved elektrolyse ved bruk av vannkraft.
Norge har et spesielt forhold til hydrogen. Vi var tidlig ute med å produsere hydrogen ved bruk av vannkraft og elektrolyse fra vann (eller egentlig en vandig løsning av alkalihydroksider). Ved Norsk Hydro i Rjukan ble hydrogen fra 1928 fremstilt slik i hovedsak for å brukes i produksjon av ammoniakk til kunstgjødsel, med hydrogengass til andre formål og tungtvann som biprodukt. Nå produseres hydrogen industrielt billigere fra damp-reformering av naturgass, og bare 4 % av verdens hydrogen kommer fra elektrolyse – mest der det trengs spesielt rent hydrogen eller der det er naturlig å bruke elektrisitet lokalt for å fremstille hydrogen. Det siste er aktuelt i fremtiden når hydrogen kanskje blir et vanlig drivstoff og brukt til mellomlagring av solenergi; Hydrogen Technologies (tidligere Norsk Hydro Electrolyzers) viderefører i dag Hydros teknologi på området og er blant verdens ledende produsenter av elektrolysører.

Norge har også vært langt fremme innen forskning på hydrogenlagringsmaterialer, takket være tidlig satsing på forskningsreaktoren på institutt for Energiteknikk (IFE) på Kjeller, der norske materialvitere i mange tiår har kunnet studere bl.a. metallhydrider: Mens tyngre atomer i faste stoffer kan studeres med røntgen- eller elektrondiffraksjon er hydrogen nesten ”gjennomsiktig” for disse typer stråling; nøytroner derimot har stor interaksjon med hydrogenkjerner, og atomreaktoren er derfor viktig for utviklingen av hydrogenlagringsmaterialer.

Hydrogen er viktig for Norge fordi vi ønsker å forbindes med en ren, miljø- og klimavennlig energibærer som kan fremstilles fra vann med fornybar energi. Og vi ønsker å levere hydrogenteknologi til beste for verdens klima og – må det vel innrømmes - vår egen industri og velferd. Vi har de siste årene hatt mange offentlige utvalg for utredninger, strategier og handling omkring hydrogen. Norges Forskningsråd har opprettet en plattform – Hydrogenplattformen – for å samle norsk forskning og utvikling på området. Norsk Hydrogenforum er en annen organisasjon som har arbeidet godt og lenge for å fremme interesse for og kunnskap om hydrogenteknologi. Norske og internasjonale miljøvernorganisasjoner støtter opp med kompetanse på høyt faglig nivå. HyNor – hydrogenveien som skal gjøre det mulig å fylle hydrogen og kjøre hydrogendrevet bil fra Stavanger til Oslo er blant ledende prosjekter på verdensbasis for å fremme hydrogendrevet transport. Den skal etter hvert inkludere Bergen og Romerike og knyttes til Sverige og resten av Europa.

Kjemien

Hydrogen er litt vanskelig å plassere i periodesystemet. På samme måte som alkalimetallene har det bare ett elektron i det ytterste skallet og danner derfor ioner med én positiv ladning. Men hydrogen har mistet alle elektronene når det danner H+-ioner, så de kjemiske likheter mellom H+ og ioner av alkalimetallene blir svært små. På den annen side mangler hydrogenatomet bare ett elektron på å få fylt det ytterste elektronskallet, slik at det får edel¬gasstruktur. Dette gir hydrogen likhetstrekk med halogenene (gruppe 17). Mange plasserer derfor hydrogen for seg selv i periodesystemet, og ikke sammen med alkalimetallene.

Hydrogen danner forbindelser med alle grunnstoffer unntatt edelgassene (gruppe 18). Forbindelser mellom hydrogen og et annet grunnstoff, med unntak av de i gruppe 16 og 17, kan kalles for hydrider. Siden elektronegativiteten til hydrogen ligger omtrent mitt på skalaen, og størrelsen er svært liten, kan hydrogen danne en rekke forskjellige typer hydrider; ioniske, kovalente og metalliske.

Hydrogenbinding

Illustrasjon av B-DNA hvor to kjeder i en dobbeltspiral holdes sammen av hydrogenbindinger.
B-DNA. De to kjedene i dobbeltspiralen holdes sammen av hydrogenbindinger. Illustrasjon: Carl Henrik Gørbitz, Ki, UiO.

Hydrogenbinding er en type kjemisk bindning som er svakere enn både kovalent binding og ionebinding. Hydrogenbindingen er på en måte en sterk dipolbinding som oppstår mellom et hydrogenatom og en sterkt elektronegativ protonakseptor som fluor, oksygen, svovel eller nitrogen. Stoffer hvor hydrogenbinding er viktig er dermed for eksempel vann, H2O, ammoniakk, NH3, og flussyre, HF, men også alkoholer og aminer som for eksempel etanol (C2H5OH) og metanol (CH3OH).

En viktig konsekvens av hydrogenbindingen er at koke- och smeltepunktet for stoffer med sterk hydrogenbinding mellom molekylene er merkbart høyere enn hva vi ville forvente fra beslektede forbindelser uten hydrogenbinding.

En annen viktig konsekvens av hydrogenbindinger ser man i visse makromolekyler - ikke minst i biokjemien. Hydrogenbindinger mellom ulike deler av molekylene i proteiner bestemmer i stor grad deres struktur. I DNA holder hydrogenbindinger mellom nukleotidene i de ulika strengene molekylet sammen; disse bindingene er spesielt viktige for at riktige basepar bindes sammen ved kopiering av DNA-strengene.

Hydrogenisotopene og metallisk hydrogen

Protium, deuterium og tritium: de tre hydrogenisotopene. Illustrasjon: Hydropole.

Hydrogenkjernen kan bestå av bare et proton, eller et proton med ett eller to nøytroner i tillegg. Disse tre isotopene kalles protium (1H), deuterium (2H eller D) og tritium (3H eller T). Naturlig hydrogen består av protium med 0.0115 % deuterium. Tritium er ikke naturlig forekommende og er radioaktivt, med en halveringstid på rundt 12 år. Det er vanlig å bruke navnet hydrogen også om isotopen 1H, istedenfor protium.

Hydrogen er det grunnstoffet som oppviser de største isotopeffektene, dvs. forskjeller i fysiske og kjemiske egenskaper mellom isotoper av samme grunnstoff. Hydrogen er også det eneste grunnstoffet hvor de forskjellige isotopene har fått egne navn. De kjemiske egenskapene er nesten like, men det er forskjeller i likevektskonstanter o.l. Dette fører bl.a. til at isotopene kan anrikes ved hjelp av kjemiske reaksjoner. Den store forskjellen i masse mellom isotopene gjør at f.eks. diffusjonshastigheter blir forskjellig.

Under vanlige forhold består hydrogengass (protium-andelen) av to typer molekyler: orto- og parahydrogen. Forskjellen skyldes forskjellige kjernespinn. Kjernene roterer om hver sine akser, og i ortohydrogen er spinnene parallelle (roterer i samme retning). I parahydrogen er spinnene antiparallelle (motsatt rettede). Fenomenet spinnisomeri opptrer for alle toatomige molekyler hvor kjernene har spinn, men effekten blir størst for hydrogen. Dette fordi massen er så lav at bare de laveste energitilstandene er eksitert ved rom¬temperatur.

Ved romtemperatur består hydrogengass til ca. 75 % av ortohydrogen, men andelen av parahydrogen stiger ved avkjøling, og blir 100 % ved det absolutte nullpunkt (-273,15ºC). Blandingen med 3:1 som er stabil ved romtemperatur kalles normalhydrogen.

Under normale trykk smelter fast hydrogen ved rundt 14,01 K og koker ved 20,28 K. Det har et båndgap (energiforskjellen mellom valens- og ledningsbåndet for elektroner) på hele 15 eV, og er en fargeløs isolator. Men hvis man utsetter det for høye trykk, presses atomene nærmere hverandre; båndgapet avtar og fargen går til gult, rødt og tilslutt sort etter hvert som synlig lys kan absorberes ved å eksitere elektroner. Hydrogen blir metallisk når båndgapet blir null, noe som ble vist ved faktiske målinger av elektrisk resistivitet under ekstreme trykk i 1996.

Man tror flytende hydrogen finnes i mange store og kalde planeter. Jupiter omgis av et sterkt magnetfelt, og man tror dette skyldes at hydrogenet i planetens indre er metallisk på grunn av det store trykket.

Spørsmålet om metallisk hydrogen kan bli superledende ble stilt allerede for flere tiår siden av Neil W. Ashcroft. Sammen med ham har nylig Egor Babaev og Asle Sudbø ved NTNU vakt oppsikt med beregninger som viser at magnetfelt kan påvirke spinnene i hydrogenmolekylene slik at man får par av protoner og par av elektroner mer eller mindre uavhengige av hverandre. De forskjellige kombinasjoner gjør – ved forskjellige magnetfelt og temperatur – hydrogen til en metallisk væske, et superfluid metall, en elektronisk superleder og en superfluid superleder. Det forutses at å vise dette eksperimentelt krever at hydrogenet utsettes for trykk på 4 millioner atmosfærer, noe man ikke har klart riktig ennå.