Introduction to Chemistry

Term

• diatomicConsisting of two atoms

Physical Properties of Hydrogen

Hydrogen is the smallest chemical element because it consists of only one proton in its nucleus. Het symbool is H, en het atoomnummer is 1. Het heeft een gemiddeld atoomgewicht van 1,0079 amu, waarmee het het lichtste element is. Waterstof is de meest overvloedige chemische stof in het heelal, vooral in sterren en gasreuzenplaneten. Op aarde is monoatomair waterstof echter zeldzaam, omdat het de neiging heeft covalente bindingen te vormen met de meeste elementen. Bij standaardtemperatuur en -druk is waterstof een niet-giftig, niet-metallisch, reukloos, smaakloos, kleurloos, en zeer brandbaar diatomisch gas met de molecuulformule H2. Waterstof komt op aarde ook voor in de vorm van chemische verbindingen zoals koolwaterstoffen en water.

Waterstof heeft één proton en één elektron; de meest voorkomende isotoop, protium (1H), heeft geen neutronen. Waterstof heeft een smeltpunt van -259,14 °C en een kookpunt van -252,87 °C. Waterstof heeft een dichtheid van 0,08988 g/L, waardoor het minder dicht is dan lucht. Het heeft twee verschillende oxidatietoestanden, (+1, -1), waardoor het zowel een oxiderende als een reducerende stof kan zijn. Zijn covalente straal is 31,5 pm.

Waterstof bestaat in twee verschillende spin-isomeren van waterstof-diatomaire moleculen die verschillen door de relatieve spin van hun kernen. De ortho-waterstofvorm heeft parallelle spins; de parahydrogeenvorm heeft antiparallelle spins. Bij standaardtemperatuur en -druk bestaat waterstofgas voor 75 procent uit orthowaterstof en voor 25 procent uit parawaterstof. Waterstof is verkrijgbaar in verschillende vormen, zoals gecomprimeerd gasvormig waterstof, vloeibaar waterstof en “slush” waterstof (samengesteld uit vloeistof en vaste stof), maar ook in vaste en metallische vormen.

Chemische eigenschappen van waterstof

Waterstofgas (H2) is zeer ontvlambaar en verbrandt in lucht bij een zeer breed scala aan concentraties tussen 4 volumeprocent en 75 volumeprocent. De enthalpie van verbranding voor waterstof is -286 kJ/mol, en wordt beschreven door de vergelijking:

2 H_2(g) + O_2(g) + 2 H_2O(l) + 572 kJ (286 kJ/mol H_2)

Waterstofgas kan ook ontploffen in een mengsel met chloor (van 5 tot 95 procent). Deze mengsels kunnen exploderen als reactie op een vonk, warmte of zelfs zonlicht. De zelfontstekingstemperatuur van waterstof (de temperatuur waarbij spontane verbranding optreedt) bedraagt 500 °C. Zuivere waterstof-zuurstofvlammen stralen ultraviolet licht uit en zijn onzichtbaar voor het blote oog. De detectie van een brandend waterstoflek is dan ook gevaarlijk en vereist een vlamdetector. Omdat waterstof in lucht drijft, stijgen waterstofvlammen snel op en veroorzaken ze minder schade dan koolwaterstofbranden. H2 reageert met oxiderende elementen, die op hun beurt spontaan en heftig reageren met chloor en fluor om de overeenkomstige waterstofhalogeniden te vormen.

H2 vormt ondanks zijn stabiliteit wel verbindingen met de meeste elementen. Bij het deelnemen aan reacties kan waterstof een gedeeltelijk positieve lading hebben wanneer het reageert met meer elektronegatieve elementen zoals de halogenen of zuurstof, maar het kan een gedeeltelijk negatieve lading hebben wanneer het reageert met meer elektropositieve elementen zoals de alkalimetalen. Wanneer waterstof bindt met fluor, zuurstof of stikstof, kan het deelnemen aan een vorm van middelsterke niet-covalente (intermoleculaire) binding die waterstofbinding wordt genoemd en die cruciaal is voor de stabiliteit van veel biologische moleculen. Verbindingen die waterstofbindingen hebben met metalen en metalloïden staan bekend als hydriden.

Oxidatie van waterstof verwijdert zijn elektron en levert het H+ion op. Vaak wordt het H+ in waterige oplossingen aangeduid als het hydroniumion (H3O+). Deze stof is essentieel in de zuur-base-chemie.

Waterstofisotopen

Waterstof bestaat van nature in drie isotopen, 1H, 2H en 3H genoemd. 1H komt voor in 99,98 procent van de abundantie en heeft de formele naam protium. 2H staat bekend als deuterium en bevat één elektron, één proton en één neutron (massagetal = 2). Deuterium en zijn verbindingen worden gebruikt als niet-radioactieve labels in chemische experimenten en in oplosmiddelen voor 1H-NMR spectroscopie. 3H staat bekend als tritium en bevat één proton, twee neutronen en één elektron (massagetal = 3). Het is radioactief en vervalt in helium-3 door bètaverval met een halveringstijd van 12,32 jaar.