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Wasserstoff

Wasserstoff ist ein chemisches Element im Periodensystem der Elemente mit dem Symbol H (für hydrogenium Wassererzeuger, von griech: hydor Wasser und griech.: gennaein erzeugen) und der Ordnungszahl 1. Wasserstoff ist das häufigste chemische Element im Weltall.
Sterne bestehen hauptsächlich aus Wasserstoff-Plasma. Auf der Erde sind von keinem anderen Element so viele Verbindungen bekannt. Hier kommt es meist gebunden in Form von Wasser vor, aber auch in allen Lebewesen, in Erdöl, Erdgas und in Mineralen.

 Eigenschaften
Wasserstoff - Helium
 
H
Li  
 
 

Allgemein
Name, Symbol, Ordnungszahl Wasserstoff, H, 1
Serie Nichtmetalle
Gruppe, Periode, Block 1 (IA), 1, s
Aussehen farblos
Erdkrustenhäufigkeit 0,88 %
Atomar
Atomgewicht 1,00794
Atomradius (berechnet) 25 (53) pm
Kovalenter Radius 37 pm
van der Waals-Radius 120 pm
Elektronenkonfiguration 1s1
Elektronen pro Energieniveau 1
Oxidationszustände (Oxid) +1 (amphoter)
Kristallstruktur hexagonal
Physikalisch
Aggregatzustand gasförmig
Dichte, Mohshärte 0,0899 kg/m3, k. A.
Magnetismus
Schmelzpunkt 14,025 K (-259,125 °C)
Siedepunkt 20,268 K (-252,882 °C)
Molares Volumen 11,42 · 10-3 m3/mol
Verdampfungswärme 0,44936 kJ/mol
Schmelzwärme 0,05868 kJ/mol
Dampfdruck 209 Pa bei 23 K
Schallgeschwindigkeit 1270 m/s bei 298,15 K
Verschiedenes
Elektronegativität 2,2 (Pauling-Skala)
Spezifische Wärmekapazität 14304 J/(kg · K)
Elektrische Leitfähigkeit
Wärmeleitfähigkeit 0,1815 W/(m · K)
Energiedichte je m3 0,267 kWh/m³
Energiedichte je kg 33,3 kWh/kg
Ionisierungsenergie 1312 kJ/mol
Isotope
Isotop NH t1/2 ZM ZE MeV ZP
1H 99,985 % H ist stabil mit 0 Neutronen
2H 0,0145 % H ist stabil mit 1 Neutron
3H 10-15 % 12,33 a β- 0,019 3He
4H {syn.} k. A. n 2,910 3H
NMR-Eigenschaften
1H 2H 3H
Kernspin 1/2 1 1/2
gamma / rad/T 2,675 · 108 4,106 · 107 2,853 · 108
Empfindlichkeit 1 0,00965 1,21
Larmorfrequenz bei B = 4,7 T 200 MHz 30,7 MHz 213 MHz
SI-Einheiten und Standardbedingungen werden benutzt,
sofern nicht anders angegeben.

Inhalt
1 Wichtigste Eigenschaften
2 Anwendungen
3 Geschichte
4 Quellen
5 Verbindungen
6 Formen
7 Isotope
8 Vorsichtsmaßnahmen beim Umgang mit H2
9 Nachweis von H2
10

Wichtigste Eigenschaften

Wasserstoff ist mit nur einem Proton und einem Elektron das leichteste der chemischen Elemente.

Molekularer Wasserstoff H2 ist bei normaler Temperatur ein geruchloses und farbloses Gas, ca. 14-mal leichter als Luft. Sein Diffusionsvermögen auf Grund seines geringen Molekulargewichtes und die Wärmeleitfähigkeit sind die höchsten aller Gase und führen zu einer Reihe von technischen Problemen beim Umgang mit Wasserstoff.

Die Kernfusion von Wasserstoff über die Zwischenstufen Deuterium und Tritium zu Helium in Sternen bildet deren Energiequelle. Diese Reaktion wird vom Menschen in der Wasserstoffbombe und in experimentellen Fusionsreaktoren genutzt.

Anwendungen

Neben seiner Verwendung als Energiespeicher bzw. Energielieferant (Schweißen, Raketentreibstoff) wird molekularer Wasserstoff H2 als Reduktionsmittel von Metalloxiden und Stickstoff (Haber-Bosch-Synthese), sowie zur Kohlehydrierung und Fetthärtung eingesetzt.

Weitere Anwendungen sind:

Das Wasserstoffatom wird aufgrund seines einfachen Aufbaus als "Modellatom" in der quantenmechanischen Beschreibung aller Atome verwendet. Es ist das einzige Atom, für das sich die möglichen Eigenzustände des Elektrons zumindest näherungsweise ohne den Einsatz numerischer Verfahren berechnen lassen. Dieses ist sonst nur für Ionen möglich, denen lediglich ein Elektron verblieben ist (z. B. , , ...).

Geschichte

Entdeckt wurde Wasserstoff vom englischen Chemiker Henry Cavendish im Jahre 1766. Benannt wurde es von Antoine Lavoisier.

Quellen

Vorkommen

Wasserstoff macht 75 % der gesamten Masse bzw. 90 % aller Atome im Universum aus. In der Atmosphäre der Erde liegt Wasserstoff jedoch nur in Konzentrationen unter 1 ppm vor; der überwiegende Teil des Wasserstoffs auf der Erde ist in Wasser (an Sauerstoff gebunden) vorhanden. Andere natürliche Vorkommen sind Kohle, Fossilien, und natürliche Gase, z. B. Methan (CH4).

Herstellung von H2

Reaktion verdünnter Säuren mit Metallen (z. B. Zink), durch Elektrolyse von Wasser, Natronlauge oder wässrigen Natriumchlorid-Lösungen (Chlor-Alkali-Elektrolyse), durch Zersetzung des Wassers durch Alkalimetalle und durch chemische Reaktion (Reformierung) von Erdgas und anderen Kohlenwasserstoffen mit Wasserdampf (Steam-Reforming).

Siehe auch: Wasserstoffherstellung, Wasserstoffspeicherung, Elektrolyseur

Verbindungen

Wasserstoff geht mit den meisten chemischen Elementen Verbindungen ein. Durch seine Elektronegativität von 2,2 kann Wasserstoff Verbindungen sowohl als metallischer als auch als nichtmetallischer Partner eingehen, indem es entweder ein Elektron abgibt oder eins aufnimmt. Allerdings wird das Elektron zumeist nicht vollständig abgegeben, da sonst ein blankes Proton verbleiben würde, so dass Verbindungen, bei denen Wasserstoff der weniger elektronegative Partner ist, einen hohen kovalenten Anteil haben. Als Beispiele seien HF (Hydrogenfluorid) oder HCl (Hydrogenchlorid) genannt. Säuren spalten in Wasser Protonen = H+-Ionen ab. Isolierte H+-Ionen in wässriger Lösung verbinden sich sofort mit Wassermolekülen zu H3O+-Ionen (Säure).

In Verbindung mit Metallen kann Wasserstoff aber auch jeweils ein Elektron aufnehmen, so dass negativ geladene Wasserstoffionen entstehen, die am Metall gebunden sind. Diese Verbindungen werden Hydride genannt. Metallhydride sind hochexplosiv.

Molekularer Wasserstoff H2 reagiert mit molekularem Sauerstoff O2 zu Wasser (H2O) und zwar zwei Mole H2 mit 1 Mol O2:

2 H2 + O2 → 2 H2O.
Bei dieser Knallgasreaktion wird Energie frei. Wird Protium (H) durch das doppelt so schwere Wasserstoff-Isotop Deuterium(D) mit einem Proton und einem Neutron im Atomkern ersetzt, so erhält man schweres Wasser (D2O). Wasserstoff bildet auch Verbindungen mit Kohlenstoff zu organischen Verbindungen (Kohlenwasserstoffen), deren Studium sich die organische Chemie verschrieben hat.

Minerale, die Wasserstoff enthalten, sind Hydrate oder Hydroxide.

Andere Wasserstoffverbindungen:

Formen

Unter normalen Bedingungen ist Wasserstoffgas H2 ein Gemisch zweier Molekülarten, die sich durch die "Richtung" ihrer Elektronenspins und Kernspins unterscheiden. Diese beiden Formen sind als ortho- (normale Form) und para-Wasserstoff bekannt (im Unterschied zu den verschiedenen Wasserstoffisotopen). Unter Standardbedingungen liegen 25 % des Wasserstoffs als para-Form und 75 % als ortho-Form vor, wobei die ortho-Form nicht gereinigt werden kann. Die beiden Molekülarten unterscheiden sich in ihrer Energie, was zu leicht unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften führt. So liegen z. B. der Schmelz- und Siedepunkt der para-Form ca. 0,1K unter denen der ortho-Form.

Isotope

Das häufigste Wasserstoff-Isotop, Protium (1H), hat keine Neutronen; die beiden anderen haben ein (Deuterium, 2H, D) bzw. zwei (Tritium, 3H) Neutronen. Protium und Deuterium sind stabil. Deuterium macht 0,0184-0,0082 % aller Wasserstoffatome aus (nach IUPAC). Tritium ist radioaktiv.

Wasserstoff ist das einzige Element, dessen Isotope eigene Namen haben.

Vorsichtsmaßnahmen beim Umgang mit H2

Molekularer Wasserstoff ist ein leicht brennbares Gas. Beim Mischen mit Luft zu einem Volumengehalt von 4 % bis 76 % Wasserstoff entsteht Knallgas, das bereits durch einen wenig energiereichen Funken zur Explosion gebracht werden kann. Es reagiert auch heftig mit Chlor und Fluor. D2O, auch schweres Wasser genannt, ist giftig für viele Lebewesen. Allerdings ist die für Menschen gefährliche Menge recht groß.

Wird molekularer Wasserstoff in einfachen Metalltanks gelagert, so kommt es wegen der geringen Molekülgröße zu Diffusion, d. h. Gas tritt langsam aus. Dies ist insbesondere für mit Wasserstoff betriebene Fahrzeuge problematisch, wenn diese lange an einem abgeschlossenen Platz (Garage, Tiefgarage) stehen. Zudem rechnet man beim Betanken mit relativ hohen Verlusten von einigen Prozent der Gesamtmenge. Flüssiger Wasserstoff in Metalltanks neigt bei Beschädigungen oder Lecks zur Selbstentzündung.

Nachweis von H2

Molekularer Wasserstoff lässt sich durch die Knallgasprobe nachweisen. Dabei entzündet man eine kleine Menge Wasserstoff in einem Reagenzglas. Wenn danach ein dumpfer Knall (eigentlich mehr ein Bellen) zu hören ist, so ist der Nachweis positiv (d.h. es war Wasserstoff in dem Reagenzglas). Der Knall kommt durch die Reaktion von Wasserstoffgas mit dem Luftsauerstoff zustande:

2 H2 + O2 → 2 H2O (exotherme Reaktion)

Siehe auch: Periodensystem, Wasserstoffbrücke, Antiwasserstoff, Brennstoffzelle, Elektrolyse


Der Ursprungsartikel stammt von der deutschsprachigen Wiki pedia (siehe oben: "Original Artikel & Autoren Liste").
Der Text steht unter der GNU Freie Dokumentation Lizenz.



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