Waterstof

Dit is een van die belangrikste elemente op aarde, en lewe sal nie daarsonder kan plaasvind nie. Alhoewel dit so belangrik is, word dit egter dikwels die eenvoudigste chemiese element genoem. Wat kan dit wees? Ontmoet die element waterstof. Dit is ’n element waarmee jy al dikwels te doen gehad het, al het jy dit nie eens geweet nie.

Waterstof is net mooi orals in die ruimte en is die element wat die volopste in die heelal voorkom. Dit beslaan minder as 1% van die aarde se kors, maar dit is weliswaar deel van al die water op aarde! Dit is ook een van die gasse wat in die aarde se atmosfeer voorkom, maar omdat dit so lig is, dryf dit net weg na die ruimte toe. ¹

Waterstof is noodsaaklik vir lewe op aarde. Waterstof dien as brandstof vir kernfusie, die proses waarby die son elke sekonde ongeveer 700 miljoen ton waterstof na 695 miljoen ton helium omskakel. ² As jy twee waterstofatome by een suurstofatoom voeg, het jy water. Dis dié water en sonlig wat dit vir ons mense en alle ander lewe op aarde moontlik maak om hierdie planeet ons tuiste te noem. ³

Wanneer en deur wie is dit ontdek?

Die uitvinder en chemikus Robert Boyle het in 1671 gesien dat daar ’n gas geproduseer word terwyl hy met ’n eksperiment besig was. Dit was waterstof, maar hy het dit nie besef nie. Eers jare en jare daarna het die Engelse wetenskaplike Henry Cavendish ontdek dat waterstof ’n element is. Cavendish het in 1766 ’n eksperiment met sink en chloorwaterstofsuur gedoen en besef dat waterstof water produseer as dit brand. Die Franse chemikus Antoine Lavoisier het die naam hydrogen voorgestel: hydro (‘water’) en gene (‘skepper’) kom uit die Grieks. ⁴

Waar kom dit voor?

Waterstof is in die weefsel van alle plante en diere en kom ook in petroleum en steenkool voor. Waterstof word meestal in water gevind, asook in die meeste sterre, insluitende die son. Daar is baie min waterstof wat natuurlik in die atmosfeer beskikbaar is omdat dit opstyg en uit die atmosfeer ontsnap. Daarom word dit op ander maniere geproduseer. Die meerderheid van die wêreld se waterstof word óf van hout, óf van fossielbrandstowwe (soos natuurlike gas en olie) geproduseer. [Lees hier oor fossielbrandstowwe.] Ons weet waterstof is in water, en dit sal ’n groot deurbraak wees as wetenskaplikes die dag kan uitvind hoe om watermolekules op te breek om die waterstofatome daaruit te haal. ²

Waarvoor word dit gebruik?

Van bomme tot brandstof: Ons weet nou al dat waterstof groot waarde vir ons as mens inhou, maar ’n mens moet baie versigtig daarvoor wees, want dit kan gevaarlik wees. Waterstof is byvoorbeeld ligter as lug, en daarom is dit eens op ’n tyd in lugskepe gebruik. Die element is egter hoogs plofbaar, en in 1937 het ’n Duitse lugskip ontplof. Dit het gebeur toe die Hindenburg-lugskip ná ’n reis wou vasmeer. Dit het die lewens van 36 mense geëis. ²

Waterstof word ook in wapens gebruik. Wetenskaplikes het besef dat waterstofatome gebruik kan word om energie te produseer. Hulle het agterkom dat as waterstofatome gekombineer word (dit word fusie genoem), hulle baie, baie energie kan vrystel. Dit is ook wat binne sterre gebeur. Die proses is aanvanklik gebruik om slegs hoogs gevaarlike kernwapens (atoombomme) te maak, maar hulle het toe besef dat die proses ook gebruik kan word om krag op te wek. ²

Waterstof kan ook ons groen brandstof van die toekoms wees, want as dit op ’n beheerde manier verbrand word, kan dit omgewingsvriendelike brandstof verskaf, want water is die enigste byproduk.

Daar is reeds treine in Duitsland wat deur waterstof aangedryf word, en verskeie internasionale voertuigvervaardigers werk aan voertuie wat daarmee aangedryf word. Daar is egter ’n paar uitdagings. Die een uitdaging is om te bepaal waar ’n mens die waterstof moet stoor, want mense sal hul tenks moet volmaak! Ingenieurs en wetenskaplikes probeer kyk hoe waterstof veilig gestoor kan word sodat mense na ’n waterstofvulstasie kan gaan om hul voertuie te hervul.

Nog ’n probleem met waterstof is dat dit duurder as brandstof is, en die proses waardeur waterstof verkry word, is ook nie omgewingsvriendelik nie. Die meeste waterstof word uit natuurlike gas geproduseer, ’n proses wat ook koolstofdioksied genereer. Dit is om hierdie rede dat navorsers na omgewingsvriendeliker maniere om waterstof te produseer, op soek is. Wetenskaplikes in Amerika het in 2014 ’n waterstofopwekker wat waterstof kan produseer sonder om van fossielbrandstowwe gebruik te maak, ontwikkel. Dit is egter baie klein, maar as so iets vergroot kan word, kan dit baie goed wees. Soos vroeër genoem, ondersoek navorsers ook die moontlikheid van hidrolise om waterstof en suurstof van mekaar te skei. ⁵

Nog gebruike

• Sekerlik die grootste gebruik van waterstof in fabrieke is om ammoniak te maak. Ammoniak is onder meer noodsaaklik vir die maak van kunsmis.
• Waterstof word ook gebruik in ’n proses wat hidrogenering genoem word. Die proses verander groente-olies na soliede vette om margarien en ander vette vir kookdoeleindes te maak.
• Dit word ook in die raffineringsproses van metale en metanol gebruik om materiaal soos plastiek te vervaardig.
• Waterstof is een van die elemente wat gebruik word om ruimtetuie die ruimte in te stuur.
• Waterstofatome gee aan asyn en suurlemoensap daardie kenmerkende suur smaak. Hoekom? Want waterstofatome wat positief gelaai is, die protone, vorm die hoofbestanddeel van die sure daarin.
• Die protone is ook verantwoordelik vir fotosintese. Fotosintese is die proses waarin plante sonlig gebruik om koolstofdioksied en water in kos en suurstof om te sit.

Basiese eienskappe van waterstof

Atoomgetal (getal protone in die kern): 1

Simbool op die periodieke tabel: H

Relatiewe atoommassa (A_r): 1,00794

Fase van materie teen kamertemperatuur: Gas

Kookpunt: -252,87 °C

Smeltpunt: -259,14 °C

’n Nota oor atoommassa

’n Massaspektrometer kan gebruik word om atoommassa akkuraat te bereken. Wetenskaplikes het ’n standaardmassa van 12 ame (atoommassa-eenheid) aan die koolstofatoom (koolstof-12) toegeken. Die massa van koolstof-12 is 1,99 x 10^-26 kg, en ander atome se massa kan relatief tot hierdie atoommassakonstante bepaal word.

Vandag praat wetenskaplikes van die relatiewe atoommassa (A_r). Hierdie waarde het geen eenheid nie, want dit is slegs ’n syfer wat aandui hoeveel maal groter een atoom van die spesifieke element is as een twaalfde van die massa van ’n koolstof-12-atoom. ⁶

Bohr-model

Die Deense wetenskaplike Niels Bohr (1885-1962) het ’n atoommodel voorgestel. Hierdie model word soms die planetêre atoommodel genoem. ⁷ Die elektrone beweeg in hul spesifieke energievlakke al óm die kern. Deur die aantal energievlakke en elektrone te tel, kan die atoom maklik uitgeken word. ⁸

ʼn Atoom is die kleinste deeltjie van ’n chemiese element wat selfstandig of in verbinding met ander atome kan bestaan. Atome bestaan weer uit kleiner deeltjies wat subatomiese deeltjies genoem word. Daar is drie soorte subatomiese deeltjies, naamlik elektrone, protone en neutrone. Die waterstof atoom het ’n atoomgetal van 1. Dit beteken dat die atoom een proton het. Atome het ʼn neutrale lading, en daarom is daar ook een elektron wat óm die kern beweeg. Waterstof is die enigste element wat geen neutron het nie, en dit is om hierdie rede dat dit die ligste element is.

Wat maak waterstof so spesiaal?

• Waterstof is die eerste element op die periodieke tabel, en die simbool vir waterstof is “H”.
• Dit is deel van so baie dinge op aarde omdat dit baie verbindings met metale, sowel as niemetale vorm.
• Waterstof is omtrent 14 keer ligter as lug.
• Dit is die element wat die laagste digtheid van alle gasse het.
• Waterstof is op sy eie ’n gas wat kleurloos, smaakloos en reukloos is. Wanneer elektrisiteit daardeur vloei, gloei dit egter met ’n pers skynsel. ⁸
• Dis ook ’n spesiale element omdat dit die enigste element is wat nie ’n neutron in sy nukleus het nie. ⁹

Woordbank

atoomgetal	Die getal protone in die kern van die atoom.
atoommassa	Word ook massagetal genoem. Dit is die totale aantal protone en neutrone in die kern van die atoom.
chemikus	’n Vakkundige in die gebied van chemie.
elektrone	Baie klein, negatief gelaaide deeltjies (partikels) wat in die energievlakke van ’n atoom rondbeweeg. Elektrone maak die vorming van chemiese verbindings moontlik. 8
elemente	Dit is ’n stof wat saamgestel is uit atome wat dieselfde atoomgetal het.
fossielbrandstowwe	Dit is natuurlike brandstof, soos steenkool, aardgas en ruolie. Dit is gevorm uit die oorblyfsels van oerplante en -diertjies en is in die rotse van die aardkors gepreserveer.
fotosintese	Dit is die proses waarin plante sonlig gebruik om koolstofdioksied en water in kos en suurstof om te sit.
hidrogenering	Behandeling met of toevoeging van waterstof.
hidrolise	Word ook watersplitsing genoem. Dit verwys na die ontbinding van ’n chemiese verbinding deurdat een van die elemente van die verbinding met een van water verbind.
isotoop	Enigeen van twee of meer vorme van ’n element wat dieselfde atoomgetal (protone) en eenderse chemiese eienskappe het, maar waarvan die atoommassa en radioaktiewe gedrag verskil. Die aantal protone en elektrone is dus dieselfde, maar die aantal neutrone verskil.
koolstofdioksied	Ook koolsuurgas genoem. Dit is ’n gas wat uit die longe van mense en diere geasem word en deur die ontbranding van koolstof vrygestel word.
metaan	’n Kleur- en reuklose gas. Word ook myngas of moerasgas genoem.
metanol	’n (Ont)vlambare, giftige en kleurlose vloeistof wat as oplosmiddel van byvoorbeeld verf en vir ander doeleindes gebruik word.
molekules	Die kleinste deeltjie van ’n stof wat die chemiese en fisiese eienskappe van die stof behou en wat uit twee of meer atome wat deur chemiese bindings aanmekaar gehou word, bestaan.
neutrone	Neutrale deeltjies (partikels) wat geen elektriese lading het nie en saam met protone in die kern van die atoom voorkom. ’n Neutron en proton het dieselfde gewig. 8
nukleus	Die binneste deel van ’n atoom. Ook kern genoem.
periodieke tabel	Dit is die tabel van die elemente, gerangskik volgens toenemende atoomgetal, sodat elemente met soortgelyke eienskappe in dieselfde vertikale kolom voorkom.
protone	Positief gelaaide deeltjies (partikels) wat in die kern van ’n atoom voorkom en die elektrone in posisie hou. Atome het ewe veel protone as elektrone en het dus ’n neutrale lading. 8
raffinering	Fynmaak/suiwering van metale.
verbinding	Dit is die samevoeging van ongelyksoortige atome tot molekules.
waterstofatome	Die kleinste deeltjie van die chemiese element waterstof wat selfstandig of in verbinding met ander atome kan bestaan.

Lees hierdie artikels om nog meer te leer oor waterstof

• Wat is waterstof?
• Nog inligting oor waterstof
• Interessante feite oor die element

Kyk hierdie video’s om nog meer te leer oor waterstof

Leer meer oor waterstof

Nog inligting oor waterstof

Is waterstof die brandstof van die toekoms?