Winkler Prins Encyclopedie

E. de Bruyne, G.B.J. Hiltermann en H.R. Hoetink (1947)

Gepubliceerd op 18-10-2023

WATERSTOF

betekenis & definitie

(Hydrogenium = watervormer), symbool H, atoomgew. 1,0080, atoomnr 1, is het eerste en soortelijk lichtste chemische element. Het element is twee-atomig, H2, en is gasvormig.

In vrije toestand komt het in zeer geringe hoeveelheid in de dampkring voor, des te meer naarmate men hoger is; voorts in de gassen, die door vulkanen en petroleumbronnen worden uitgestoten, in kloven, in carnalliet- en steenzoutlagen en in meteoorstenen. Op de zon (57 pct) en de andere vaste sterren, vooral in de jongere en heetste sterren, komt het in grote hoeveelheden voor. Ook ontstaat het bij de ontleding van vele organische stoffen door gisting en droge destillatie, zodat het in het natuurlijke moerasgas, in de ingewandsgassen en in lichtgas wordt aangetroffen.Veel meer verspreid zijn intussen de verbindingen van waterstof (z hydriden), vooral die met zuurstof: het water, met stikstof: de ammoniak, en met koolstof: de talloze in de natuur voorkomende koolwaterstoffen. Gebonden aan zuurstof en koolstof, dikwijls ook aan stikstof, is voorts de waterstof een bestanddeel van alle organische stoffen. Ter bereiding van zuivere waterstof ontleedt men water door de electrische stroom of door natrium, of men laat zuiver zink inwerken op verdund zuiver zwavelzuur (voor technische bereiding zie hieronder). Voor speciale doeleinden, zoals het vullen van ballonnen, wordt waterstof verkregen uit CaHa met water of uit ferrosilicium ( silicium) met loog. In cylinders is het gecomprimeerd tot 150 at verkrijgbaar, o.a. voor het lassen van metalen.

Waterstof is een kleur-, reuk- en smakeloos gas met een dichtheid t.o.v. lucht 0,08988. Afgekoeld op —220 gr. G. en gelijktijdig samengeperst tot een druk van 180 atmosferen, verdicht het zich bij plotselinge ontspanning tot een kleurloze vloeistof met een s.g. van 0,07, die bij —252,76 gr. G. kookt en bij verdamping kleurloze kristallen levert, die bij —259,14 gr. C. smelten. 1 l water lost bij 0 gr. C. en 760 mm druk 21,5 cm3 waterstof op.

Waterstof is zeer gemakkelijk brandbaar en verbrandt met eet) weinig lichtgevende vlam van zeer hoge temperatuur (knalgasvlam: 2700 gr. G.). Waterstof ontvlamt ook, wanneer zij, met lucht, over platinaspons stroomt. Het element is één-waardig; met zuurstof vormt het water: H2O, en waterstofperoxyde: H2O2.

Daar waterstof het soortelijk lichtste gas is, gebruikt men het tot vulling van luchtballons. Van de hoge temperatuur van de vlam maakt men gebruik om moeilijk smeltbare metalen te doen smelten. De waterstof was misschien reeds aan Paracelsus bekend, doch werd in 1766 door Cavendish opnieuw ontdekt en nader bestudeerd.

In de metalen van de 8ste groep, i.b. palladium, lost het in sterke mate op als atomen, die ten dele geïoniseerd zijn. Het vormt ook verbindingen met metalen, o.a. met lithium, LiH, waarin het negatieve H~ion voorkomt. Met de electro-negatieve elementen, zoals zuurstof en de halogenen verbonden, is het positief. In het periodiek systeem behoort het aldus zowel tot de eerste als tot de 7de kolom en wordt daarom vaak met helium in een voorperiode van twee elementen geplaatst.

Waterstof geleidt zeer goed de warmte en diffundeert snel door vele vaste wanden, vooral bij hogere temperatuur. Terwijl waterstof chemisch niet zeer reactief is, is dit wel het geval, indien het gas zgn. „in statu nascendi” verkeert, d.w.z. indien het zou ontstaan, bijv. zink met salpeterzuur geeft ammoniak, terwijl waterstof in het geheel niet reageert met salpeterzuur.

Deze grote reactiviteit vertoont ook de waterstof opgelost in metalen, zoals nikkel, platina enz.; waarschijnlijk spelen waterstofatomen hierbij een rol. Vrije atomaire waterstof ontstaat, indien waterstofgas door een electrische lichtboog tussen wolfraamspitsen wordt geleid. Deze gasstroom met atomaire waterstof geleid op een metaaloppervlak geeft aanleiding tot een sterke warmte-ontwikkeling door de vereniging van de atomen tot H2 (104 kcal/mol H2) naast de verbrandingswarmte, waarbij zelfs wolfraam kan worden gesmolten, zonder dat er kans is op oxydatie (Langmuir , arcatomlassen).

Van het waterstofmolecule zijn er twee vormen, ortho- en parawaterstof, waarbij bij de eerste de kernspins (z kernphysica) parallel, bij de laatste antiparallel gericht zijn. Deze beide soorten verschillen in physische eigenschappen vrijwel alleen in soortelijke warmte en warmtegeleidingsvermogen. Bij kamertemperatuur en hoger bevat gewone waterstof 3/4 ortho- en 1/4 para-H2. Bij zeer lage temperaturen ligt het evenwicht geheel naar de zijde van de parawaterstof. De omzetting geschiedt echter alleen bij aanwezigheid van een katalysator, zoals fijnverdeelde koolstof.

De kern van het waterstofatoom is het proton. Het isotoop met massa 2 is de zware waterstof of deuterium, de kern met massa 2 is het deuton of deuteron. Er is nog een isotoop met massa 3 bekend geworden, het tritium, dat radio-actief is (z waterstofbom).

PROF. DR J. A. A. KETELAAR

Lit.: R. E. Kirk en D. F. Othmer, Encyclopedia of Chemical Technology, 7, 675 (1951); A. Farkas, Orthohydrogen, Parahydrogen and Heavy Hydrogen (1935).

TECHNISCHE BEREIDING

Deze geschiedt:

1. Door electrolyse van water waarin zich voor de stroomgeleiding een electrolyt bevindt. De electrolyseurs waarin de omzetting plaats heeft kunnen uni- en bipolair gebouwd zijn. De reactie is eenvoudig daar slechts H+- en OH-ionen worden ontladen. De electrolyt wordt aan de kathode geconcentreerd en aan de anode verdund, zodat gezorgd moet worden dat deze concentratie verschillen door menging worden opgeheven. Van de inrichting wordt verlangd: zo laag mogelijk energiegebruik door werken bij lage spanning, goede scheiding van waterstof en zuurstof, lage aanschaffings- en bedieningskosten, gering volume, grote productiecapaciteit en goede houdbaarheid. Een groot aantal constructies dezer toestellen zijn in gebruik, die soms tamelijk gecompliceerd zijn. Men gebruikt uitsluitend alkalische electrolyten, ijzeren kathoden en vernikkeld ijzeren anoden, terwijl de anode- en kathoderuimten door diaphragma’s zijn gescheiden. Aan de kathode heeft de reactie plaats: 2K+ + 2H2O = 2 KOH + H2++, aan de anode :2 OH“ =■ H2O + ½ O2 . De gassen worden afzonderlijk opgevangen met een zuiverheid van 99,9 pct waterstof en 99,5-99,8 pct zuurstof. Het energieverbruik per ma waterstof en ½ m3 zuurstof bedraagt 4-5 kWh. Het nuttig stroomverbruik is 98 pct, zodat 1000 ampèreuur 410 liter waterstof van o gr. en 1 atm. opbrengen.
2. Door gefractionneerd vloeibaar maken van waterstofhoudende gassen, als cokesovengas en watergas. Het ruw gereinigde cokesovengas wordt op ca 12 atm. gecomprimeerd en door afkoeling met behulp van ammoniakverdampers afgekoeld, zodat het benzol vloeibaar wordt en als zodanig wordt verwijderd. Met water onder druk wast men vervolgens het CO2 er uit, waarna de waterdamp door afkoeling tot —45 gr. G. wordt verwijderd. Daarna wordt het gas met vloeibare zuurstof verder afgekoeld waarna achtereenvolgens condenseren: propyleen bij —100 gr. C., aethyleen bij —140 gr. C., methaan bij —180 gr. C. en GO bij —190 gr. G. Het overblijvende gas bevat alleen Ha en Na benevens sporen CO, welke laatste met vloeibare Na worden weggewassen.

Door verder toevoegen van N brengt men het mengsel op de juiste verhouding voor de NH2 synthese.

3. Watergas dat CO en H8 bevat kan, in contact met ijzer bij 500 gr. C. volledig worden omgezet volgens de reactie: CO + H2O — 10 kcal -> CO2 + H2.
4. Volgens de methode van Messerschmidt door stoom over ijzer te leiden bij 800 gr. C. volgens: H2O + Fe = FeO 4- H2. Het gevormde ijzeroxyde kan met behulp van watergas weer tot ijzer worden gereduceerd.
5. Door thermisch splitsen van koolwaterstoffen die rijk aan waterstof zijn, als: methaan, aethaan, propaan e.d. die gevormd worden bij de benzinesynthese uit steenkool en petroleum. Bijv. CH4 + 19 kcal = C + 2H2. Om koolstofafscheiding te voorkomen wordt stoom toegelaten waardoor CO, CO en opnieuw H, wordt gevormd. De twee eerstgenoemde gassen worden weggewassen. Daar cokesovengassen veel CH4 bevatten kan uit deze gassen dus nog meer H, worden gemaakt dan onder 2 werd beschreven. Deze reacties kunnen de nodige warmte van buiten af toegevoerd krijgen of de warmte kan door toevoegen van zuurstof aan het mengsel intern worden verwekt. De gassen moeten vrij van zwavel zijn daar nikkelkatalysatoren worden gebruikt die zeer gevoelig voor zwavelvergiftiging zijn.

DR IR A. KOREVAAR.