Wasserstoff

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(Elementsymbol: H) ist das 1. Element im Periodensystem. Das Elementsymbol ist abgeleitet von lat. hydrogenium = Wasserbildner. HENRY CAVENDISH entdeckte 1766 das neue Element.

Eigenschaften

Wasserstoff ist ein farb-, geruch- und geschmackloses Gas,

Dichte = 0,08987•10−³ g/cm³

Fp.: -259,34 °C

Sp.: - 252,87 °C

Es ist das leichteste aller Gase und diffundiert leicht durch Metalle und durch Quarz. Insbesondere ist heißes Palladium-Blech gut durchlässig. Fester Wasserstoff bildet bei 2,8 mbar und 20 K eine metallische Modifikation. Die rel. Atommasse ist 1,0079. Es gibt zwei stabile Isotope: Protium (1H) mit einem Anteil von 99,985% und Deuterium (2H oder D). Die Halbwertszeit des instabilen (3H) Wasserstoff, auch Tritium (T) genannt, beträgt 12,346 a. Die Elektronenkonfiguration ist (1s)1, die Oxidationszahlen sind + 1 und — 1. Bei 0 °C lösen sich 2,15 Vol.-% H2 in Wasser. Sehr gut löslich ist H2 dagegen in Metallen, z.B. nimmt Palladiumschwamm H2 bis zum 850fachen seines Volumens auf. Der Wasserstoff liegt dabei in atomarer Form vor.

Atomarer Wasserstoff (H)

Dieser Wasserstoff ist sehr reaktionsfreudig. Im Moment der Freisetzung, z.B. in einer chemischen Reaktion, liegt Wasserstoff stets als H vor. Dieser »status nascendi« besteht für etwa 0,5 s. Die Darstellung von H im Labor erfolgt z.B. im Woodschen Verfahren: elektr. Entladungen in molekularem Wasserstoff unter reduziertem Druck.

Molekularer Wasserstoff (H2)

Dieser Wasserstoff ist chemisch relativ träge. Bei Energiezufuhr (Erhitzen, elektr. Entladungen, Bestrahlen) wird die interatomare Bindung gespalten. H2 → 2H ΔH = + 436,6 kJ. H2 tritt in zwei Kernspinisomeren auf: Im Para-Wasserstoff sind die Spinrichtungen beider Atomkerne antiparallel, im Ortho-Wasserstoff sind sie parallel. Bei Raumtemperatur ist das Verhältnis para/ortho = 1/4. Bei sehr tiefen Temperaturen ist nur noch Para- Wasserstoff stabil. Beide Isomere haben gleiche chemische, aber etwas unterschiedliche physikalische Eigenschaften.

Verbrennung von H2

Wasserstoff verbrennt mit fahler, blauer Flamme zu Wasser:

2 H2 + 02 → 2 H20; ΔH = - 571,6 kJ

Optimale Knallgasmischung

Das optimal Gas-Gemisch für eine Knallgasmischung beträgt:

H2/Luft = 2/4,78.

Brennstoffzellen Reaktion

In der Brennstoffzelle läuft die Knallgasreaktion bei Raumtemperatur ab. Wasserstoff ist ein starkes Reduktionsmittel, z.B. reduziert es die Metalloxide zum Metall:

CuO + H2 → Cu + H2O.

Nachweis

Erfolgt spektroskopisch oder über das Verbrennungsprodukt H20.

Vorkommen

Wasserstoff steht an 9. Stelle der Elementhäufigkeit. Der Anteil an den obersten Erdschichten, einschließlich Wasser- und Lufthülle, beträgt 1,02 Gewichts-%. In bodennaher Luft ist H2 nur zu 5•10-5 Vol.-% vorhanden, überwiegt jedoch bereits oberhalb 100 km Höhe. In 2.000—20.000 km Höhe existiert eine Wasserstoff-Hülle. Das Universum besteht zu 90% aus Wasserstoff.

Gewinnung

Technisch aus: Rohöl (55 % ), Erdgas (32 % ), Koksvergasung (10%) und Chloralkali-Elektrolyse (2 % ).

Der Großteil des industriellen H2 stammt aus der Reduktion von Wasserdampf mit dem Kohlenstoff des organischen Rohmaterials.

Beispiel

H2-Erzeugung mit methanreichem Erdgas.

CH4 + H2O ↔ 3H2 + CO; ΔH = + 205 kJ

das anfallende H2 muss anschließend, vor allem von Schwefel gereinigt werden.

Wassergaserzeugung

Wasserdampf wird über glühenden Koks geleitet:

C + H20 ↔ CO + H2; ΔH = + 131,5 kJ C + 2 H20 ↔ C02 + 2 H2; ΔH = + 90,3 kJ CO + H20 ↔ C02 + H2; ΔH = 41,2 kJ

Elektrolyse

2 H20 → 2 H2 + O2; ΔH = + 242 kJ

Verbrauch zur Erzeugung von 1 m³ H2

1 Liter salzfreies H2O, 40—60 Liter Kühlwasser, 4,5 kWh Elektrizität ,0,5 g KOH

Im Labor gewinnt man H2 durch den Kippschen Gasentwickler. Aus einem Vorratsgefäß strömt Salzsäure in einen Behälter mit Zinkspänen und entwickelt dort nach Zn + 2 HCl → ZnCl2 + H2 Wasserstoff, der durch einen Hahn abgelassen wird. Bei geschlossenem Hahn verdrängt das H2-Gas die Säure aus dem Behälter mit dem Metall, die Reaktion bricht ab. Wird der Hahn erneut geöffnet, so strömt Salzsäure nach und die Reaktion beginnt wieder. [Je nach Füllung können in der Apparatur auch H2S, S02, HCl (gasförmig) und Cl2 freigesetzt werden.] , Wasserstoff gelangt in roten Gasflaschen (150 bar) in den Handel. Die Weltjahresproduktion beträgt rund 350 Milliarden m³ , Deutschland ca.: 3.380 Mill. t/a.

Verwendung

H2 dient in erster Linie zur Ammoniak-Synthese und für Hydrierungsprozesse. Große Mengen verbrauchen neben der Methanol- und HCl-Synthese auch die Synthesen organischer Substanzen. Weiterhin wird H2 zum Schweißen, Schneiden und Heizen benutzt. H2 ist Raketentreibstoff und in flüssiger Form ein wichtiges Kühlmittel. Steigende Bedeutung hat H2 als Energiequelle in Brennstoffzellen. Das dem Wasser analoge Deuteriumoxid D2O (ς = 1,10 g/cm3, Gefrierpunkt: 3,82 °C, Siedepunkt: 101,4 °C, Anteil am »normalen« Wasser: 0,015 %) ist Moderatorsubstanz in Schwerwasser-Kernreaktoren. Tritium ist radioaktiv und dient vor allem als Explosionsstoff in Wasserstoffbomben. Gewinnung in Kernreaktoren oder Teilchenbeschleunigern. Tritium wird als Markierung (tracer) in organische Substanzen eingebaut. Hydride sind Verbindungen des Wasserstoffs mit Metallen und Nichtmetallen. Salzartige Hydride werden mit den Elementen der I. und II. Hauptgruppe gebildet (z.B. LiH, NaH, CaH2, BaH2). In Wasser und beim Schmelzen zerfallen sie. Sie dienen in erster Linie zur Darstellung von Metallen und zum Hydrieren. Metallartige Hydride werden mit Nebengruppenelementen gebildet. Der Wasserstoff wird als H in nicht festen Zahlenverhältnissen vom Metallgitter aufgenommen. Als Wasserstoffspeicher spielen Eisen-Titan-Hydride (FeTiH, FeTiH2) und Lanthan-Nickel-Hydride (La-Ni5H7) eine wachsende Rolle. Die Speicherkapazität liegt bei 30 g H2 pro 1 Liter Hydrid.

Quelle

dtv-Atlas „Chemie - Allgemeine und Organische Chemie“ Bd.1, ISBN:3-423-03217-0