Stofeigenschappen van waterstof

Fysische eigenschappen en gevaren van waterstof

Een waterstof atoom (H) is het lichtste element, en vormt gemakkelijk H₂ moleculen (ook wel diwaterstof of moleculair waterstof genoemd), kleiner in grootte in vergelijking met de meeste andere moleculen. De moleculaire vorm van waterstof (H₂) is kleurloos, geurloos, en smaakloos en ongeveer 14 keer lichter dan lucht. Dit wil zeggen dat het sneller dan eender welk ander gas zal diffuseren.
Bij koeling (< -253°C), zal het H₂ gas condenseren naar een vloeistof, en bij -259°C naar een vaste stof. De fysische eigenschappen van waterstof zijn samengevat in Tabel 31.

Tabel 31: Fysische eigenschappen van waterstof (Singh, 2015)

Chemische eigenschappen van waterstof

Bij normale temperatuur is moleculaire waterstof niet reactief. Maar, het waterstof atoom is wel chemisch zeer reactief, vandaar dat atomair waterstof (H) niet chemisch vrij kan gevonden worden in de natuur. Heel hoge temperaturen (> 5000 K) zijn nodig om diwaterstof te dissociëren in atomair waterstof. In de natuur is waterstof meestal gebonden aan zuurstof of koolstofatomen. Om waterstof te verkrijgen uit natuurlijke componenten is dus een energie input nodig. Hierdoor wordt waterstof als een energiedrager gezien, een methode om energie te stockeren en over te dragen van een primaire energiebron.

Atomaire waterstof is een krachtige reducerende stof, zelfs bij kamertemperatuur. Bijvoorbeeld, het reageert met de oxides en chlorides van verschillende metalen, inclusief zilver, koper, lood, en kwik, om de vrije metalen te produceren. Ook worden zouten, zoals nitraten, door waterstof gereduceerd tot de metallische vorm.

Atomaire waterstof reageert hevig met oxidanten zoals stikstofoxide (NO) en halogenen (vooral fluoride en chloor) met intense exothermische warmte.

Wanneer waterstof met zuurstof reageert in een verbrandingsreactie of elektrochemische conversie voor energieproductie, is het resulterend reactieproduct waterdamp. Bij kamertemperatuur is deze reactie zeer traag, maar d.m.v. katalysatoren zoals platina of een elektrische vonk wordt dit versneld (Singh, 2015).

Eigenschappen gerelateerd aan de gevaren van waterstof

Vanuit het veiligheidsoogpunt, zijn volgende eigenschappen van waterstof de meest belangrijke in vergelijking met traditionele brandstoffen (Rigas & Sklavounos, 2009):

• Molecuulgrootte: Omdat het waterstofmolecuul het kleinst is, zal het door permeabele materialen heen lekken, waar methaan en benzine dat niet zullen doen.

• Diffusie: Waterstof verspreidt zich veel sneller door de lucht dan andere gasvormige brandstoffen. Met een diffusiecoefficient in lucht van 0,61 cm²/s, is de snelle dispersie van waterstof zijn grootste voordeel op vlak van veiligheid (m.a.w. het zal minder snel kunnen ophopen).

• Drijfvermogen: Waterstof zal sneller stijgen dan methaan (densiteit bij standaard condities van 1,32 kg/m²), propaan (4,23 kg/m²), of brandstofdamp (5,82 kg/m²)

• Kleur, geur, smaak, en toxiciteit: Waterstof is kleurloos, geurloos, smaakloos, en niet toxisch (vergelijkbaar met methaan). Aardgas is geodorizeerd zodat lekken kunnen worden gedetecteerd, terwijl benzine van nature een geur heeft. Waterstof als brandstof voor een brandstofcel mag niet geodoriseerd worden omdat zwavelhoudende stoffen (mercaptanen) de katalysatoren van een brandstofcel beschadigen.

• Ontvlambaarheid: De ontvlambaarheid van waterstof is functie van zijn concentratieniveau, en het ontvlambaarheidsgebied is veel groter dan dat van methaan of andere brandstoffen. Waterstof brandt met een slecht zichtbare vlam. De limieten van ontvlambaarheid van mengsels van waterstof met lucht, zuurstof, of andere oxidanten zijn afhankelijk van de ontstekingsenergie, temperatuur, druk, aanwezigheid van oplosmiddelen, en de afmetingen en configuratie van de installatie. Zulke mengsels kunnen verdund worden met de bestanddelen totdat de concentratie onder de lage ontvlambaarheidsgrens (Lower Flammability Limit – LFL) of tot boven de hoge ontvlambaarheidsgrens (Upper Flammability Limit – UFL) komt. Het ontvlambaarheidsgebied van waterstof in lucht bij normale condities is 4-75% (in vergelijking voor methaan is dit 4,3-15 vol% en benzine in lucht 1,4-7,6 vol%).

• Ontstekingsenergie: Wanneer de concentratie zich binnen het ontvlambaarheidsgebied bevindt, kan waterstof ontbranden met een hele kleine hoeveelheid aan energie door zijn lage ontstekingsenergie van 0,02 mJ, vergeleken met 0,24 mJ voor benzine en 0,28 mJ voor methaan.

• Detonatieniveau: Waterstof is ontplofbaar in een breed concentratiegebied in besloten ruimtes. Maar, het is heel moeilijk ontplofbaar in open ruimtes (door zijn snelle diffusie), vergelijkbaar met andere conventionele brandstoffen.

• Vlamsnelheid: Waterstof heeft een grotere vlamsnelheid (1,85 m/s) in vergelijking met andere brandstoffen (benzinedamp 0,42 m/s; methaan 0,38 m/s)

• Vlamtemperatuur: De waterstof-lucht vlam is warmer dan de methaan-lucht vlam en kouder dan benzine bij stoichiometrische condities (2207°C in vergelijking met 1917°C voor methaan en 2307°C voor benzine).

• Vlam zichtbaarheid: In tegenstelling tot zichtbare methaan- en benzinebranden, verbrandt waterstof met een bijna onzichtbare vlam bij daglicht. Verontreinigingen in de lucht creëren echter wat zichtbaarheid. Waterstof branden zijn ’s nachts zichtbaar en moderne detectieapparatuur kan ze zelfs bij daglicht detecteren (zie ook 4.2.10).