Wasserstoff

   [[pl:Wod%F3r]]

Wasserstoff ist ein chemisches Element im Periodensystem der Elemente mit dem Symbol H und der Ordnungszahl 1. Wasserstoff (v. frz.: hydrogène und lat. hydrogenium Wassererzeuger; aus griech.: hydor Wasser) 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 und in Mineralien.

Eigenschaften

Allgemein

Name, Symbol, Ordnungszahl

Wasserstoff, H, 1

Gruppe,

1(IA),

1,

s

Dichte, Härte

0,0899 kg/m³, --

Aussehen

farblos

Atomar

Atomgewicht

1,00794 amu

Atomradius (berechnet)

25 (53) pm

Kovalenter Radius

37 pm

van der Waals-Radius

120 pm

Elektronenkonfiguration

1s¹

e^- pro Energieniveau

1

Oxidationszustände (Oxid)

1 (amphoterisch)

Kristallstruktur

hexagonal

Physikalisch

Materiezustand

gasförmig

Schmelzpunkt

14,025 K (-259,13 °C)

20,268 K (- 253 °C)

11,42 ×10^-3 m³/mol

0,44936 kJ/mol

0,05868 kJ/mol

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

?? 10⁶/m Ohm

Wärmeleitfähigkeit

0,1815 W/(m*K)

1^st Ionisierungspotential

1312 kJ/mol

Stabilste Isotope

iso	NA	Halbwertzeit	DM	DE M eV	DP
¹H	99,985%	H ist stabil mit 0 Neutronen
²H	0,015%	H ist stabil mit 1 Neutronen
³H	{syn.}	12,33 j	β	0,019	³He
⁴H	{syn.}	unbekannt	n	2,980	³H

SI-Einheiten & STP werden benutzt,

sofern nicht anders erwähnt.

Wichtigste Eigenschaften

Wasserstoff ist mit nur einem Proton und einem Elektron das leichteste der chemischen Elemente. Wasserstoff ist ca. 14-mal leichter als Luft, geruchlos und farblos. 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 Tritium-Plasma 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 Wasserstoff als Reduktionsmittel von Metalloxiden und Stickstoff (Haber-Bosch-Synthese), sowie zur Kohlehydrierung und Fetthärtung eingesetzt.

Weitere Anwendungen sind:

Cryogene Anwendungen (z.B. Supraleitung)
Brennstoffzelle

Geschichte

Entdeckt wurde Wasserstoff vom englischen Chemiker Henry Cavendish. 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 vorhanden. Andere natürliche Vorkommen sind Kohle, Fossilien, und natürliche Gase, z.B. Methan (CH₄).

Herstellung

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 von Erdgas mit Wasserdampf (Steam-Reforming).

Verbindungen

Wasserstoff geht mit den meisten chemischen Elementen Verbindungen ein. Durch seine Elektronegativität von 2,2 geht Wasserstoff Verbindungen als metallischerer oder nichtmetallischerer Partner ein. Erstere Verbindungen werden Hydride genannt; dabei existiert Wasserstoff entweder als Wasserstoff-Ion oder ganz in Lösung mit dem anderen Element, so z.B. bei Palladium-Hydrid. Letztere Verbindungen sind eher kovalent, da H⁺ ein blanker Atomkern wäre und daher Elektronen zu sich hinzieht. Daher liegt Wasserstoff sogar in Säuren als H₃O⁺ vor.

Wasserstoff reagiert mit Sauerstoff zu Wasser (H₂O). Bei dieser Knallgasreaktion wird Energie frei. Wird Protium (H) durch Deuterium (D) 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 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 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) 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

Wasserstoff ist ein leicht brennbares Gas. Es reagiert auch heftig mit Chlor und Fluor. D₂O, auch schweres Wasser genannt, ist giftig für viele Spezies. Allerdings ist die für Menschen gefährliche Menge recht groß.

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