Brint (H): Grundstof, egenskaber og forekomst i universet
Lær om brint (H): egenskaber, isotoper, forekomst i universet, rolle i stjerner og anvendelser. Få klare fakta om universets mest udbredte grundstof.
Brint er et kemisk grundstof. Det har symbolet H og atomnummer 1. Det har en standardatomvægt på 1,008, hvilket betyder, at det er det letteste grundstof i det periodiske system.
Brint er det mest almindelige kemiske grundstof i universet og udgør 75 % af alt normalt (baryonisk) stof (efter masse). De fleste stjerner består hovedsagelig af brint. Brintets mest almindelige isotop har én proton med én elektron i kredsløb om den.
Egenskaber
Fysisk form: Ved standardbetingelser er brint et farveløst, lugtfrit og meget let diatomisk gas (H₂). Det har lav densitet (ca. 0,0899 g/L ved 0 °C og 1 atm) og lav kogepunkt (-252,87 °C eller 20,28 K) og smeltepunkt (-259,16 °C eller 13,99 K).
Kemiske egenskaber: Atomets elektronkonfiguration er 1s¹. Brint danner både kovalente bindinger (f.eks. i H₂, H₂O, organiske forbindelser), ioniske hydridforbindelser (f.eks. NaH) og fungerer som proton (H⁺) i syrer eller som hydrid (H⁻) i nogle reduktionsreaktioner. Bindningsenergien i H–H enkelbindingen er høj (ca. 436 kJ/mol), og første ioniseringsenergi er også høj (ca. 1 312 kJ/mol).
Energitæthed: Brint har høj energi pr. masseenhed (cirka 120 MJ/kg), men lav energi pr. volumen ved normal tryk, hvilket stiller krav til kompression eller kryogeniske løsninger for lagring.
Isotoper
Brint findes i flere isotopformer:
- Protium (¹H): Den mest almindelige isotop med én proton og ingen neutroner.
- Deuterium (²H eller D): Indeholder én neutron; forekommer i naturen i små mængder og anvendes bl.a. i tungtvand (D₂O) og i kernefysiske eksperimenter.
- Tritium (³H eller T): Radioaktiv isotop med to neutroner, dannes bl.a. ved kosmisk stråling og i reaktorer; halveringstid er ~12,3 år og bruges i forskning og til belysning i nogle specialprodukter.
Forekomst i universet og på Jorden
Brint dominerer i universet: størstedelen af stjerner og interstellart stof består af brint. I galaktisk astronomi ses neutrale brintskyer som HI-regioner (og udsender bl.a. 21 cm‑linjen), mens ioniseret brint i HII‑regioner omgiver unge varme stjerner.
På Jorden forekommer brint sjældent i fri form i atmosfæren (fordi det undslipper hurtigt), men indgår overalt i kemiske forbindelser såsom vand (H₂O), organiske molekyler og mineralske hydrogenerede forbindelser.
Fremstilling
De vigtigste industrielle metoder til at fremstille brint er:
- Steam methane reforming (SMR): Reaktion af naturgas (metan) med damp; mest udbredte metode, men udleder CO₂, medmindre der fanges og lagres CO₂.
- Elektrolyse af vand: Opdeling af vand i H₂ og O₂ ved hjælp af elektricitet. Hvis strømmen kommer fra vedvarende energi, kaldes produktet ofte grønt brint.
- Biomasse‑gasificering og biprodukter: Fremstilling fra organisk materiale eller industriprocesser.
Anvendelser
Brint har mange anvendelser i industri og energi:
- Ammoniakproduktion (Haber‑Bosch): H₂ + N₂ → NH₃, afgørende for gødningsproduktion.
- Raffinering: Hydrodesulfurering og andre processer i petroleumraffinaderier.
- Kemisk industri: Fremstilling af methanol, hydrogenering af organiske forbindelser mv.
- Energibærer: Brint som brændstof i brændselsceller til transport og stasjonær kraftproduktion samt som raketbrændstof (flydende brint).
- Metallurgi: Reduktionsmiddel ved fremstilling af metaller.
Sikkerhed, miljø og slags brint
Sikkerhed: Brint er yderst brandfarligt og kan danne eksplosive blandinger med luft over et bredt koncentrationsområde (ca. 4–75 % vol.). Det brænder med usynlig flamme under visse forhold, har lavt molært masse (undslipper nemt), og kræver særlige forholdsregler ved opbevaring og håndtering, især ved højtryk eller i flydende form.
Miljø: Brint i sig selv er ikke et drivhusgas, men fremstillingsmetoder bestemmer miljøpåvirkningen. Begreber som gråt, blåt og grønt brint beskriver forskelle i CO₂‑udledning afhængig af proces og CO₂‑håndtering. Udskiftning af fossile brændstoffer med grønt brint kan reducere CO₂‑udledningen væsentligt i visse sektorer.
Kort kemisk betydning
Brint spiller en central rolle i kemi og biologi: det deltager i syrer og baser (H⁺ i vandige opløsninger), i hydrogenbindinger (vigtige for struktur i vand og biomolekyler som DNA og proteiner) og i mange redoxproceser.
Samlet set er brint både et grundlæggende byggestof i universet og et vigtigt teknisk råstof og energibærer på Jorden — med store muligheder for at bidrage til et lavere CO₂‑udslip, hvis produktion og anvendelse gøres bæredygtig.
Egenskaber
Brint er klassificeret som et reaktivt ikke-metal i modsætning til de andre grundstoffer i det periodiske systems første kolonne, som er klassificeret som alkalimetaller. Den faste form af brint forventes dog at opføre sig som et metal.
Når hydrogen er alene, binder det normalt sig selv til dihydrogen (H2 ), som er meget stabilt på grund af dets høje bindingsdissociationsenergi på 435,7 kJ/mol. Ved standardtemperatur og -tryk har denne brintgas (H2 ) ingen farve, lugt eller smag. Den er ikke giftig. Det er et ikke-metal og brænder meget let.
Forbrænding
Molekylær brint er brandfarlig og reagerer med ilt:
2 H2 (g) + O2 (g) → 2 H2 O(l) + 572 kJ (286 kJ/mol)
Ved temperaturer over 500 grader Celsius antændes brint spontant i luften.
Forbindelser
Selv om brintgas i ren form ikke er reaktiv, danner den forbindelser med mange grundstoffer, især halogener, som er meget elektronegative. Brint danner også store grupper med kulstofatomer og danner kulbrinter. Studiet af kulbrinternes egenskaber er kendt som organisk kemi.
H- anionen (negativt ladet atom) kaldes et hydrid, selv om udtrykket ikke er almindeligt anvendt. Et eksempel på et hydrid er lithiumhydrid (LiH), der anvendes som "tændrør" i atomvåben.
Syrer
Syrer opløst i vand indeholder typisk et højt indhold af hydrogenioner, med andre ord frie protoner. Niveauet af disse bruges normalt til at bestemme pH, hvilket grundlæggende betyder indholdet af hydrogenioner i et bestemt volumen. For eksempel kan saltsyre, der findes i menneskers maver, dissocieres i en kloridanion og en fri proton, og den frie protons egenskab er, hvordan den kan fordøje mad ved at æde den.
Selv om H3+ -kationen er sjælden på Jorden, er den en af de mest almindelige ioner i universet.
Isotoper
Hovedartikel: isotoper af brint
Brint har 7 kendte isotoper, hvoraf to er stabile (1 H og2 H), som almindeligvis kaldes protium og deuterium. Isotopen3 H er kendt som tritium og har en halveringstid på 12,33 år, og den produceres i små mængder af kosmisk stråling. De resterende 4 isotoper har en halveringstid i størrelsesordenen yoktosekunder.
Brint i naturen
I sin rene form på Jorden er brint normalt en gas. Brint er også en af de dele, der udgør et vandmolekyle. Brint er vigtigt, fordi det er det brændstof, der driver Solen og andre stjerner. Brint udgør ca. 74 % af hele universet. Brintets symbol i det periodiske system af grundstoffer er H.
Ren brint består normalt af to brintatomer, der er forbundet med hinanden. Forskere kalder disse toatomige molekyler for diatomare molekyler. Brint vil have en kemisk reaktion, når det blandes med de fleste andre grundstoffer. Det har ingen farve eller lugt.
Ren brint er meget sjældent i Jordens atmosfære, fordi næsten al oprindelig brint ville være sluppet ud i rummet på grund af sin vægt. I naturen findes det normalt i vand. Brint findes også i alle levende væsener som en del af de organiske forbindelser, som levende væsener er lavet af. Desuden kan hydrogenatomer kombinere sig med kulstofatomer for at danne kulbrinter. Petroleum og andre fossile brændstoffer er fremstillet af disse kulbrinter og anvendes almindeligvis til at skabe energi til menneskelig brug.
Nogle andre fakta om brint:
- Det er en gas ved stuetemperatur
- Det opfører sig som et metal, når det er fast.
- Det er det letteste grundstof i universet.
- Det er det mest almindelige grundstof i universet.
- Det brænder eller eksploderer over 528 °C / 1000 °F, f.eks. i brand.
- lyser lilla, når den er i plasmatilstand.
Historien om brint
Brint blev først adskilt i 1671 af Robert Boyle. I 1776 identificerede Henry Cavendish det som sit eget grundstof og kaldte det "brændbar luft". Han indså i 1781, at man ved at brænde det kunne lave vand.
Antoine Lavoisier gav brint sit navn til brint, fra det græske ord for vand, 'υδορ (udtales /HEEW-dor/) og gennen, der betyder "generere", da det danner vand i en kemisk reaktion med ilt.
Anvendelse af brint
De vigtigste anvendelser er i olieindustrien og til fremstilling af ammoniak ved Haber-processen. En del anvendes også andre steder i den kemiske industri. En smule af det anvendes som brændstof, f.eks. i raketter til rumfartøjer. Det meste af den brint, som folk bruger, kommer fra en kemisk reaktion mellem naturgas og damp.
Nuklear fusion
Nuklear fusion er en meget kraftig energikilde. Den er baseret på at tvinge atomer sammen for at skabe helium og energi, præcis som det sker i en stjerne som Solen eller i en brintbombe. Det kræver en stor mængde energi at komme i gang, og det er ikke let at gøre endnu. En stor fordel i forhold til kernespaltning, som anvendes i de nuværende atomkraftværker, er, at den giver mindre atomaffald og ikke bruger et giftigt og sjældent brændstof som uran. Mere end 600 millioner tons brint fusionerer hvert sekund på Solen.
Brug af brint
Brint bruges mest i olieindustrien til at omdanne tunge oliefraktioner til lettere, mere anvendelige fraktioner. Det bruges også til at fremstille ammoniak. Mindre mængder forbrændes som brændstof. Det meste brint fremstilles ved en reaktion mellem naturgas og damp.
Ved elektrolyse af vand opdeles vand i brint og ilt ved hjælp af elektricitet. Brændt brint kombineres med iltmolekyler for at danne damp (ren vanddamp). I en brændselscelle kombineres brint med et iltmolekyle, hvorved der frigives en elektron som elektricitet. Af disse grunde mener mange, at brintkraft på sigt vil erstatte andre syntetiske brændstoffer.
Brint kan også forbrændes til at lave varme til dampturbiner eller forbrændingsmotorer. Ligesom andre syntetiske brændstoffer kan brint fremstilles af naturlige brændstoffer som kul eller naturgas eller af elektricitet og er derfor et værdifuldt supplement til elnettet, i samme rolle som naturgas. Et sådant net og en sådan infrastruktur med brændselscellekøretøjer er nu planlagt af en række lande, herunder Japan, Korea og mange europæiske lande. Det giver disse lande mulighed for at købe mindre olie, hvilket er en økonomisk fordel. Den anden fordel er, at motoren, når den anvendes i en brændselscelle eller forbrændes i en forbrændingsmotor som i en brintbil, ikke forurener. Der dannes kun vand og en lille mængde nitrogenoxider.
Spørgsmål og svar
Spørgsmål: Hvad er symbolet for brint?
A: Symbolet for brint er H.
Q: Hvad er atomnummeret for brint?
Svar: Atomnummeret for brint er 1.
Sp: Hvad er hydrogenets standardatomvægt?
Svar: Hydrogen har en standardatomvægt på 1,008, hvilket gør det til det letteste grundstof i det periodiske system.
Sp: Hvor stor en del af det normale stof (i masse) udgør brint?
Svar: Brint udgør 75 % af alt normalt (baryonisk) stof (efter masse).
Spørgsmål: Er brint et almindeligt kemisk grundstof i universet?
Svar: Ja, brint er det mest almindelige kemiske grundstof i universet.
Sp: Hvor mange protoner og elektroner har hydrogenets mest almindelige isotop?
Svar: Brints mest almindelige isotop har én proton med én elektron i kredsløb om den.
Spørgsmål: Består stjerner for det meste af brint?
A: Ja, de fleste stjerner består for det meste af brint.
Søge