H/Waterstof

Toepassingen

Brandstof

Vloeibare waterstof dient als brandstof voor raketmotoren, onder andere voor de Spaceshuttle en de Ariane 5. Voor de lancering van de laatste twee is respectievelijk 10 ton en 120 ton vloeibare waterstof en zuurstof nodig. Raketmotoren zijn ook aan te drijven met reactieve waterstofverbindingen zoals hydrazine (N₂H₂, zie ook bij stikstof) en boorhydride (BH₃).

Het gebruik van waterstof als brandstof voor auto’s is volop in onderzoek. Daarbij gaat het zowel om directe verbranding als om opwekking van elektrische energie. In beide gevallen is water is het schone reactieproduct.

Voor auto’s is de opslag van waterstof nog lastig. Het kan onder druk in tanks, net zoals bij LPG (propaan en butaan). Maar om een acceptabele actieradius te bereiken zijn relatief grote tanks of zeer hoge drukken nodig. Een geschikt alternatief lijkt de opslag in metaalhydriden.

Er zijn al wel onderzeeërs aangedreven door waterstof. Deze beschikken over brandstofcellen die het gas benutten voor de productie van elektriciteit. De elektromotoren zijn zeer stil en produceren nauwelijks warmte, hierdoor zijn deze onderzeeboten nauwelijks op te sporen.

Kernfusie

De brandstof bij kernfusie zijn natuurlijk voorkomende, stabiele isotopen van waterstof: deuterium ²H en tritium ³H. Als de kernen van deze atomen samensmelten tot helium komt erg veel energie vrij:

${}^2\mathrm{H} +{ }^3\mathrm{H} \to { }^4\mathrm{H} +{ }^1\mathrm{n} + \mathrm{energie}$

Kernfusie, de energiebron van onze zon en andere sterren, kan alleen plaatsvinden bij zeer hoge temperaturen van 100 tot 150 miljoen graden Celsius. Atoomkernen en elektronen zijn dan niet meer aan elkaar gebonden.

Kernfusie is veiliger dan kernsplijting: er is geen kettingreactie en er is minder radioactief afval. Bovendien is waterstof haast onbeperkt beschikbaar als grondstof. Kernfusie houdt dan ook de belofte in van een schone, veilige en langdurig bruikbare energiebron. Onderzoekers hopen met de internationale fusiereactor ITER (International Tokamak Experimental Reactor) de haalbaarheid van kernfusie definitief aan te kunnen tonen.

Vetharding

Bij de harding van vetten worden onverzadigde oliën en vetten omgezet in verzadigde oliën en vetten. Dit vindt plaats door additie van waterstof aan de dubbele bindingen (met bijvoorbeeld nikkel als katalysator):

Ammoniak

Ammoniak (NH₃) vormt de basis van moderne stikstofmeststoffen. In 1913 vond bij BASF in Ludwigshafen de eerste industriële ammoniakproductie plaats volgens het Haber-Bosch proces. Dit is sindsdien eigenlijk nauwelijks gewijzigd.

De wereldproductie van ammoniak bedraagt nu ongeveer tweehonderd miljoen ton per jaar. Volgens schattingen is ongeveer een derde van de wereldbevolking afhankelijk van landbouwproducten geteeld met kunstmest op basis van Haber-Bosch ammoniak. De helft van de eiwitten in het menselijk lichaam zou stikstof bevatten die via industrieel geproduceerd ammoniak in de voedingsketen terecht is gekomen. Overigens heeft ammoniak ook minder positieve toepassingen: het vormt de basis voor de vervaardiging van explosieven.

De Duitse chemicus Fritz Haber (1868-1934) kreeg in 1918 de Nobelprijs Chemie voor de ontdekking van de syntheseroute naar ammoniak. Landgenoot Carl Bosch (1874-1940), chemisch technoloog, ontwikkelde er een industrieel proces voor. Hij kreeg de Nobelprijs in 1931.

Eén van de cruciale aspecten van het Haber-Bosch proces is de productie van moleculair waterstof. Dit gebeurt via de reactie van aardgas (of andere koolwaterstoffen) met stoom. Deze uitgangsstoffen worden samen met lucht (dat 78% stikstof bevat) over een nikkel katalysator geleid. Bij hoge temperatuur en druk treden dan de volgende reacties op:

${\mathrm{CH}}_4 + {\mathrm{H}}_2\mathrm{O} \to \mathrm{CO} + 3 {\mathrm{H}}_2$

.

${\mathrm{CH}}_4 + 2 {\mathrm{H}}_2\mathrm{O} \to {\mathrm{CO}}_2 + 4 {\mathrm{H}}_2 (750 °\mathrm{C} \mathrm{en} 30.{10}^5 \mathrm{Pa})$

.

${\mathrm{CH}}_4 + \mathrm{lucht} \to \mathrm{CO} + 2 {\mathrm{H}}_2 +\mathrm{x} {\mathrm{N}}_2 (900 °\mathrm{C} \mathrm{en} 30.{10}^5 \mathrm{Pa})$

Met het gevormde koolstofmonoxide is nog meer waterstof te maken door het gasmengsel over een andere katalysator (FeO/Cu) te leiden:

$\mathrm{CO} + {\mathrm{H}}_2\mathrm{O} \to {\mathrm{CO}}_2 + {\mathrm{H}}_2$

Het koolstofdioxide wordt verwijderd door het gasmengsel door een kaliumcarbonaat-oplossing te leiden:

${\mathrm{CO}}_2 + {\mathrm{H}}_2\mathrm{O} + {\mathrm{K}}_2{\mathrm{CO}}_3\to 2 {\mathrm{KHCO}}_3$

en het overgebleven koolstofmonoxide verdwijnt door de reactie met waterstof:

$\mathrm{CO} + 3 {\mathrm{H}}_2 \stackrel{(\mathrm{Ni}, 325°\mathrm{C})}{\to }{\mathrm{CH}}_4 + {\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$

Door de juiste hoeveelheden uitgangsstoffen te nemen heeft het overgebleven gasmengsel precies de juiste stikstof/waterstof verhouding voor de reactie tot ammoniak. Het bevat behalve waterstof (74,3%) en stikstof (24,7%) ook methaan (0,7%) en argon (0,3%). De omzetting tot ammoniak gebeurt bij een druk van 200.10⁵ Pa en een temperatuur van 425 °C met behulp van een katalysator van zeer fijn verdeeld ijzer.

${\mathrm{N}}_2 + 3 {\mathrm{H}}_2 \to 2 {\mathrm{NH}}_3$

Deze reactie is een evenwichtsreactie. Bij de gegeven omstandigheden bevat het gasmengsel ongeveer 15 % ammoniak. Het wordt afgescheiden via condensatie, waarna het overblijvende gas opnieuw naar de reactor gaat.

Koelmiddel bij cryogene experimenten

Diwaterstof wordt gebruikt bij cryogene experimenten, die bij een temperatuur van ongeveer 20K uitgevoerd moeten worden.

Meer toepassingen

• Autogeen lassen
• Bellenvaten bij bestudering kernreacties (vloeibaar waterstof)
• Bereiding metalen
• Drinkwaterbereiding in de ruimtevaart
• Gasontladingslamp
• Methanolbereiding
• Ontzwavelen van aardolie
• Standaard waterstofelektrode