De geschiedenis en het gebruik van waterstof

Waterstof is het eenvoudigste en meest voorkomende van de chemische elementen, die de bouwstenen zijn van alle materie. Andere atomen zijn opgebouwd uit protonen, neutronen en elektronen. Maar waterstof heeft slechts één elektron en één proton. Het is ook het meest voorkomende element. Waterstof maakt ongeveer driekwart van alle materie in het heelal uit. Wist u dat?

De Verenigde Staten produceren elk jaar ongeveer 85 miljoen kubieke meter waterstof. Dat is meer dan 50 keer het volume van het Rogers Centre in Toronto!

Waterstof is een kleurloos, reukloos niet-metaal. In zijn meest voorkomende vorm, is het extreem brandbaar. Met andere woorden, het heeft de neiging om in vlammen op te gaan. Deze neiging maakt waterstof zowel een zeer gevaarlijke als een zeer nuttige grondstof.

Wanneer werd waterstof ontdekt?

Waterstof werd voor het eerst ontdekt in 1671 door de Britse wetenschapper Robert Boyle. Hij had geëxperimenteerd met verschillende metalen door ze in zuur onder te dompelen. Wanneer een zuiver metaal in zuur wordt ondergedompeld, vindt er een soort reactie plaats die een eenmalige verplaatsingsreactie wordt genoemd. Bijvoorbeeld, het toevoegen van een stuk kalium (K) aan een oplossing van zoutzuur (HCl) veroorzaakt de volgende reactie:

2K + 2HCl → 2KCl + H2

Het vaste kaliummetaal reageert met het zuur om een zout te vormen dat kaliumchloride wordt genoemd. Ondertussen combineren de overgebleven waterstofatomen zich tot waterstofgas.

In een artikel uit 1776 bevestigde de Britse wetenschapper Henry Cavendish dat waterstof een apart element is. Zowel Boyle als Cavendish merkten op dat waterstofgas zeer ontvlambaar is. Het ondergaat namelijk snel en heftig een verbrandingsreactie met zuurstof.

2H2 + O2 → 2H2O (+ warmte)

De reactie neemt moleculen van waterstof en zuurstof en combineert ze tot H2O (water). Deze reactie is exotherm. Dat betekent dat er warmte-energie vrijkomt – met andere woorden, vuur. Andere wetenschappers zouden later ontdekken dat waterstof de brandstof levert voor de kernfusiereacties die in sterren plaatsvinden. Die fusiereacties genereren al het licht en de warmte die de zon en andere sterren produceren.

Wist u dat?

Waterstof smelt bij 14° boven het absolute nulpunt (14° Kelvin of -259 C

Waarvoor werd waterstof in het verleden gebruikt?

Naast zijn ontvlambaarheid merkten Boyle en Cavendish ook op dat waterstof minder dicht (lichter) is dan lucht. Waterstof is geweldig om dingen op te tillen, zoals ballonnen. In dit opzicht is het vergelijkbaar met het op één na eenvoudigste element, helium. In feite is waterstof zelfs beter in het optillen van dingen dan helium. Het was dus slechts een kwestie van tijd voordat mensen met waterstof gevulde ballonnen gingen ontwerpen voor transport. Tegen het begin van de 20e eeuw waren grote luchtschepen, die waterstof als hefgas gebruikten, een populaire vorm van luchtvervoer geworden.

De rage van de met waterstof gevulde luchtschepen duurde echter niet lang. In 1937, sloeg de tragedie toe in de Verenigde Staten. Het Duitse luchtschip Hindenburg vloog in brand en ontplofte bij Lakehurst, New Jersey, waarbij 36 mensen omkwamen.

De ontwerpers van luchtschepen wisten dat waterstof ontvlambaar is en dat helium een veiliger keuze was. Maar helium was zeldzaam en duur. Dus kozen ze voor de goedkopere maar minder veilige optie. Na de ramp met de Hindenburg werd waterstof al snel niet meer als hijsgas gebruikt. Tegelijkertijd kwamen er steeds meer vliegtuigen.

Waarvoor is waterstof recenter gebruikt?

Je hebt vast wel eens video’s gezien van een lancering van de Space Shuttle vanaf het Kennedy Space Center of van het dokken aan het International Space Station. Dat programma werd in 2011 stopgezet. Maar tot die tijd was de Shuttle de belangrijkste manier voor NASA-astronauten om in de ruimte te komen. Ooit afgevraagd wat die onmogelijk enorme motoren aandreef? Het was waterstof!

De belangrijkste motor van de Space Shuttle werd aangedreven door het verbranden van vloeibare waterstof en vloeibare zuurstof. Hoeveel kracht levert het verbranden van waterstof? Zoveel dat het moeilijk voor te stellen is! Drie Space Shuttle-motoren die samenwerken, produceren ruwweg dezelfde hoeveelheid energie als 120 spoorweglocomotieven.
De ingenieurs van NASA begrepen ook hoe gevaarlijk waterstof kon zijn. Ze besloten echter dat ze konden profiteren van al die ruwe kracht, zolang ze maar heel voorzichtig waren.

De laatste tijd zijn mensen steeds meer geïnteresseerd in het verminderen van hun impact op het milieu. Een van de manieren om dit te doen is te stoppen met het verbranden van brandstof om auto’s aan te drijven. Er is veel belangstelling voor de ontwikkeling van auto’s die worden aangedreven door waterstof-brandstofcellen. Het mooie van het gebruik van waterstof als brandstof voor auto’s is dat, in tegenstelling tot benzine, het afvalproduct geen broeikasgas is – het is water!

Wist u dat?

Vanaf 2018 zijn er drie waterstofauto’s in productie. Honda, Hyundai, en Toyota produceren elk een waterstofauto.

In tegenstelling tot de Hindenburg hoeven auto’s op waterstof niet superlicht te zijn zoals ballonnen, dus wordt de brandstof samengeperst en opgeslagen in zeer stevige tanks om lekken te voorkomen. De beste oplossing zou zijn de brandstof op te slaan als een vaste stof in plaats van als een gas. Het materiaal kan nog steeds branden als gevolg van een ongeluk. Het is echter onwaarschijnlijk dat het explodeert. Het risico van brand bij ongevallen is ongeveer even groot als bij een auto die op benzine rijdt.

Maar een van de grootste problemen bij het gebruik van waterstof als brandstofbron voor auto’s is de opslag. Waterstof heeft meer energie in gewicht dan benzine, maar minder in volume. Dat betekent dat je een behoorlijk grote tank waterstofgas nodig hebt om je auto een redelijke afstand te laten rijden alvorens bij te tanken. De benzinetanks van de meeste auto’s zijn te klein om genoeg waterstofgas op te slaan om in de stad te komen!

Wetenschappers hebben gekeken of ze waterstof van een gas in een vaste stof kunnen omzetten. De reden hiervoor is de lage energiedichtheid. Wanneer waterstof wordt opgenomen in een vaste chemische stof, kan het een hogere energiedichtheid krijgen. Academische, industriële en overheidsonderzoekers kijken allemaal naar deze innovatieve manier om waterstof naar de voorgrond van de energie-economie te brengen.