Wasserstoff ist ein chemisches Element im Periodensystem der Elemente mit dem Symbol H (für hydrogenium Wassererzeuger, von altgriech.: υδωρ Wasser und altgriech.: γεννάει 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.
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| Allgemein | |||||||||||||||||||||||||||||||
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| Name, Symbol, Ordnungszahl | Wasserstoff, H, 1 | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Serie | Nichtmetalle | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Gruppe, Periode, Block | 1 (IA), 1, s | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Aussehen | farblos | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Massenanteil an der Erdhülle | 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 | |||||||||||||||||||||||||||||||
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| NMR-Eigenschaften | |||||||||||||||||||||||||||||||
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| SI-Einheiten und Standardbedingungen werden benutzt, sofern nicht anders angegeben. | |||||||||||||||||||||||||||||||
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, etwa 14-mal leichter als Luft. Sein Diffusionsvermögen (aufgrund seines geringen Molekulargewichtes) und seine 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.
Isotope und radioaktive Eigenschaften
| Isotop | n. Häufigkeit | Atomgewicht | Halbwertzeit | ZE MeV |
|---|---|---|---|---|
| 1H | 99,985 % | |||
| 2H (D) | 0,015 % | |||
| 3H (T) | % | 12,26 a | 0,02 |
Anwendungen
Neben seiner Verwendung als Energiespeicher beziehungsweise 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:
- als Cryogen, Anwendungen beispielsweise bei der Supraleitung)
- Brennstoffzelle
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 (beispielsweise , , ...).
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 beziehungsweise 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, beispielsweise 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 mit Metallkationen Salze bilden. Diese Verbindungen werden Hydride genannt. Metallhydride reagieren sehr heftig mit Wasser unter Freisetzung von Wasserstoff und können sich an der Luft selbst entzünden, sind aber in der Mehrzahl nicht explosiv.
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.
- 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 beispielsweise der Schmelz- und Siedepunkt der para-Form etwa 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) beziehungsweise 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, das heißt 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 (das heißt 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
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