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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.
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 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 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 (Reformierung) von Erdgas und anderen Kohlenwasserstoffen mit Wasserdampf (Steam-Reforming).
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 bzw. 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 genannt. 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. Diese Verbindungen werden Hydride genannt.
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, 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
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