Wat zijn de eigenschappen van waterstof?
De eigenschappen van waterstof zijn onder andere dat het in zijn natuurlijke staat op aarde een kleurloos, reukloos gas is dat uiterst brandbaar is. Het is het lichtste element waarvan in de natuur bekend is dat het gemiddeld 75% van alle massa in het universum in sterren, planeten en andere sterrenobjecten opneemt. Waterstof is ook essentieel voor al het leven op aarde, waar het 14% van de levende materie uitmaakt in gewicht, omdat het gemakkelijk bindingen vormt met zuurstof om water en koolstof te creëren om de moleculen te vormen die de basis vormen waarop levende structuren en de meeste organische moleculen zijn gebouwd.
Terwijl de meest voorkomende vorm van waterstof protium is, waar het slechts één proton in zijn atoomkern en één elektron in een baan rond de kern heeft, bestaan er ook twee andere isotopen van waterstof. Protium is goed voor 99,985% van alle natuurlijke waterstof en deuterium is goed voor nog eens bijna 0,015% met zowel een proton als een neutron in de atoomkern, waardoor het een massa heeft die twee keer zo groot is als die van protium. Tritium is de derde vorm van waterstof, die buitengewoon zeldzaam van aard is, maar kunstmatig kan worden geproduceerd. Het is onstabiel en vertoont radioactief verval met een halfwaardetijd van 12,32 jaar. Het heeft twee neutronen in de atoomkern voor één proton en is een belangrijke verbinding die wordt geproduceerd en gebruikt in waterstofbomwapens om hun opbrengst te verbeteren, evenals bij de productie van nucleaire splijtingsenergie en bij kernfusieonderzoek.
De chemische eigenschappen van waterstof, met slechts één elektron in een baan, leiden ertoe dat het een zeer reactief element is dat bindingen vormt met vele andere elementen. In zijn natuurlijke toestand in de atmosfeer bindt het zich aan een ander waterstofatoom zoals zuurstof, om H2 te vormen. H2-moleculen kunnen ook uniek zijn, afhankelijk van de spin van hun kernen, waarbij moleculen van H2 waarbij beide kernen in dezelfde richting draaien orthohydrogen worden genoemd, en die met tegengestelde spins bekend als parahydrogen. Orthohydrogen is de meest voorkomende vorm van H2 bij normale atmosferische druk en temperatuur in gasvorm, maar, wanneer afgekoeld tot vloeibare vorm zoals voor raketbrandstof, verandert orthohydrogen in parahydrogen.
De fysische eigenschappen van waterstof en de wijdverbreide overvloed ervan op het land en in de oceanen van de aarde maken het een belangrijk onderzoeksgebied als een vrijwel onbeperkte brandstofvoorziening. Alle vormen van fossiele brandstoffen en alcoholen zoals benzine, aardgas en ethanol bestaan uit koolwaterstofketens waar waterstof, koolstof en soms zuurstof aan elkaar zijn gebonden. Het scheiden van pure waterstof als een schone, overvloedige brandstofbron zelf is eenvoudig gedaan, maar de kracht die nodig is om waterstof vrij te maken van chemische bindingen en het vervolgens te koelen voor opslag kost vaak meer energie dan de pure waterstof zelf kan genereren. Om deze reden betekenen de eigenschappen van waterstof dat het meest gebruikt wordt in chemische verbindingen met andere elementen.
Onderzoek naar de productie van fusie-energie is ook afhankelijk van de chemische eigenschappen van de waterstofverbindingen deuterium en tritium. De eigenschappen van waterstof die door alle sterren worden gebruikt, smelten atomen van waterstof samen onder intense druk om helium en energie vrij te maken in de vorm van licht en warmte. Soortgelijke druk wordt gegenereerd in onderzoeksfaciliteiten met behulp van krachtige magnetische velden, inertiële opsluitlasers of elektrische pulsen in de VS, Europa en Japan.
Terwijl het samensmelten van waterstofatomen plaatsvindt, wordt een heliumatoom gecreëerd dat 20% van de overtollige energie van het proces afvoert, en 80% van de energie wordt gedragen door een vrij neutron. Deze neutronenergie of warmte wordt vervolgens geabsorbeerd door een vloeistof om stoom te creëren en een turbine aan te drijven om elektriciteit te produceren. Het proces blijft echter nog steeds experimenteel vanaf 2011. Dit komt door de enorme druk die moet worden gehandhaafd om waterstofatomen continu samen te smelten en machines te maken die temperaturen kunnen verdragen die in fusie worden geproduceerd en die 212.000.000 ° Fahrenheit (100.000.000 ° Celsius bereiken) ).