Wasserstoff ist ein chemisches Element im Periodensystem der Elemente mit dem Symbol H (für lateinisch hydrogenium = Wassererzeuger; von altgriechisch υδωρ = Wasser und γεννάει = erzeugen, da es Bestandteil des Wassers ist) und der Ordnungszahl 1.
Man unterscheidet zwischen atomarem Wasserstoff (H) und der dimerisierten Form, dem molekularen Wasserstoff (H2). Nur diesen findet man unter Normalbedingungen vor.
| Eigenschaften | |||||||||||||||||||||||||||||||
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| Allgemein | |||||||||||||||||||||||||||||||
| Name, Symbol, Ordnungszahl | Wasserstoff, H, 1 | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Serie | Nichtmetalle | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Gruppe, Periode, Block | 1 (IA), 1, s | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Massenanteil an der Erdhülle | 0,88 % | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Atomar | |||||||||||||||||||||||||||||||
| Atommasse | 1,00794 | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Atomradius (berechnet) | 195 pm | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Kovalenter Radius | 37 pm | ||||||||||||||||||||||||||||||
| van der Waals-Radius | 120 pm | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Elektronenkonfiguration | 1s1 | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Elektronen pro Energieniveau | 1 | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Oxidationszustände (Oxide) | +1 | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Normalpotential | 0 V (H+ + e- → H) | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Elektronegativität | 2,1 (Pauling-Skala) | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Ionisierungsenergie | 1312 kJ/(mol H) | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Physikalisch | |||||||||||||||||||||||||||||||
| Aggregatzustand | gasförmig | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Kristallstruktur | hexagonal | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Farbe | farblos | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Dichte (Mohshärte) | 0,0899 kg/m3 (-) | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Magnetismus | - | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Schmelzpunkt | 14,025 K (-259,125 °C) | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Siedepunkt | 20,268 K (-252,882 °C) | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Molares Volumen | 11,42 · 10-6 m3/(0,5 mol H2) bei 2 K | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Verdampfungswärme | 0,44936 kJ/(0,5 mol H2) | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Schmelzwärme | 0,05868 kJ/(0,5 mol H2) | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Dampfdruck | 209 kPa bei 23 K (p-Wasserstoff) | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Schallgeschwindigkeit | 1270 m/s bei 298,15 K | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Verschiedenes | |||||||||||||||||||||||||||||||
| Spezifische Wärmekapazität | 14304 J/(kg · K) | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Elektrische Leitfähigkeit | - | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Wärmeleitfähigkeit | 0,1815 W/(m · K) | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Energiedichte je m3 | 2,98 kWh/m³ | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Energiedichte je kg | 33,3 kWh/kg | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Isotope | |||||||||||||||||||||||||||||||
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| NMR-Eigenschaften | |||||||||||||||||||||||||||||||
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| Soweit möglich und gebräuchlich, wurden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Normbedingungen. | |||||||||||||||||||||||||||||||
Isotope
Das häufigste Wasserstoff-Isotop, Protium (1H), hat keine Neutronen. Die beiden anderen Isotope haben jedoch ein (Deuterium, 2H, D) beziehungsweise zwei (Tritium, 3H) Neutronen.
Protium und Deuterium sind stabil.
Deuterium macht 0,0184 bis 0,0082 % aller Wasserstoffatome aus (nach IUPAC). Tritium ist zudem radioaktiv.
Wasserstoff ist das einzige Element, dessen Isotope eigene Namen haben.
Das Wasserstoffatom 1H wird aufgrund seines einfachen Aufbaus als „Modellatom“ in der quantenmechanischen Beschreibung aller Atome verwendet. Es ist das einzige Atom, für das sich das Eigenwertproblem sowohl der nichtrelativistischen Schrödingergleichung als auch der relativistischen Diracgleichung geschlossen, das heißt ohne den Einsatz numerischer Verfahren, lösen lässt. Dieses ist sonst nur für Ionen möglich, denen lediglich ein Elektron verblieben ist (beispielsweise , , usw.). Eine sehr kleine, aber physikalisch besonders interessante Korrektur durch Vakuumfluktuationen, die Lambverschiebung, ist trotzdem noch durchzuführen.
Geschichte
Entdeckt wurde Wasserstoff vom englischen Chemiker Henry Cavendish im Jahre 1766. Benannt wurde er von Antoine Lavoisier im Jahr 1787. In diesem Jahr taufte der Franzose den Wasserstoff als hydro-gène (hydro = Wasser, griechisch; genes = erzeugend). Das Wort bedeutet demnach: Wasser-Bildner.
Eigenschaften
Wasserstoff ist mit nur einem Proton und einem Elektron das leichteste der chemischen Elemente. Unter Normalbedingungen liegt er nicht in atomaren, sondern nach Zusammenschluss zweier H-Atome in molekularem Zustand als H2 vor. Der „status nascendi“ des atomaren Wasserstoffs, etwa unmittelbar nach einer Wasserstoff darstellenden Reaktion, besteht nur für etwa 0,5 Sekunden. Beim Zusammenschluss zu Wasserstoffmolekülen wird sehr viel Energie freigesetzt:
Molekularer Wasserstoff H2 ist bei normaler Temperatur ein geruchloses und farbloses Gas, etwa 14-mal leichter als Luft. Sein Diffusionsvermögen (aufgrund seiner geringen Molekülmasse) und seine Wärmeleitfähigkeit sind die höchsten aller Gase und führen zu einer Reihe von technischen Problemen beim Umgang mit Wasserstoff.
Vorkommen
Wasserstoff ist das häufigste chemische Element im Weltall. Wasserstoff macht 75 % der gesamten Masse beziehungsweise 90 % aller Atome im Universum aus. Sterne bestehen hauptsächlich aus Wasserstoff-Plasma. Die Kernfusion von Wasserstoff 1H über die Zwischenstufen Deuterium 2H und Tritium 3H zu Helium 4He in Sternen bildet deren Energiequelle. Diese Reaktion wird vom Menschen in der Wasserstoffbombe und in experimentellen Fusionsreaktoren genutzt.
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. In der Atmosphäre der Erde liegt Wasserstoff jedoch nur in Konzentrationen unter 1 ml/m³ vor; der überwiegende Teil des Wasserstoffs auf der Erde ist in Wasser (an Sauerstoff gebunden) vorhanden. Andere natürliche Vorkommen sind Kohle und natürliche Gase, beispielsweise Methan (CH4).
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 molekularem Wasserstoff H2 und können sich an der Luft selbst entzünden, sind aber in der Mehrzahl nicht explosiv.
Molekularer Wasserstoff H2 reagiert mit molekularem Sauerstoff O2 exotherm zu Wasser (H2O) und zwar zwei Mole H2 mit 1 Mol O2:
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:
Gewinnung und Darstellung von H2
Reaktion verdünnter Säuren mit unedlen 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 (Dampfreformierung), Sauerstoff (Partielle Oxidation) oder Dampf und Sauerstoff (Autotherme Reformierung).
Siehe auch: Wasserstoffherstellung, Wasserstoffspeicherung, Elektrolyseur
Formen von H2
Unter normalen Bedingungen ist Wasserstoffgas H2 ein Gemisch zweier Molekülarten, die sich durch die "Richtung" ihrer Kernspins unterscheiden. Diese beiden Formen sind als ortho- (kurz o-) und para- (kurz p-) Wasserstoff bekannt.
Unter Standardbedingungen liegen 25 % des Wasserstoffs als p-Form und 75 % als o-Form vor, wobei die ortho-Form nicht gereinigt werden kann. Die beiden Molekülarten unterscheiden sich in ihrer Energie und hängen über folgende Gleichgewichtsbeziehung miteinander zusammen:
Sie weisen leicht unterschiedliche physikalische Eigenschaften auf. So liegen beispielsweise der Schmelz- und Siedepunkt der para-Form etwa 0,1 K unter denen der ortho-Form.
Kühlt man Wasserstoff auf -259,2°C ab, dann geht dieser in einen schlammartigen Zustand - Slush - über.
Verwendung von H2
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
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.
Speicherung von H2
Ehemalige Bedenken, Wasserstoff eigne sich nicht als Kraftstoff für Fahrzeuge, weil die Speicherung noch nicht zufriedenstellend geklärt sei, sind längst ausgeräumt. In den letzten Jahren hat sich speziell in diesem Bereich sehr viel getan. Es gibt mittlerweile neue Techniken zum Aufbau von Wasserstoff-Tanks. Es gibt Materialien, die auch stärksten Belastungen standhalten.
Im Laufe der Entwicklung von Speichermedien für Wasserstoff gab es eine Vielzahl von Methoden, denen zum Teil hervorragende Aussichtschancen zugesprochen wurden. Teilweise wird an einigen Verfahren immer noch geforscht, andere Projekte wurden eingestellt. Es ist vor diesem Hintergrund durchaus möglich, dass durch diese Weiterentwicklung bereits totgesagte Verfahren wieder hervorgeholt werden.
Zur Zeit gibt es jedoch nur maximal drei wirklich aussichtsreiche Speichermethoden:
- die Speicherung von gasförmigem Wasserstoff in Druckbehältern,
- die Speicherung von flüssigem Wasserstoff in vakuumisolierten Behältern,
- die Einlagerung von Wasserstoff in Metallhydriden oder Kohlenstoff-Nanoröhren
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, ein Pfeifen oder 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:
(exotherme Reaktion)
Nach der gleichen Gleichung pfeift Wasserstoff, wenn man ihn gleich nach dem Austreten laufend entzündet, mit einer blauen Flamme (Pfeifgas)
Siehe auch: Periodensystem, Wasserstoffbrücke, Antiwasserstoff, Brennstoffzelle, Elektrolyse, Schrödinger-Gleichung, Metallischer Wasserstoff
Literatur
- dtv-Atlas zur Chemie 1. Allgemeine und anorganische Chemie, ISBN 3-423-03217-0
- Geitmann, Sven: Wasserstoff & Brennstoffzellen – Die Technik von morgen, 2. Auflage, Hydrogeit Verlag, Kremmen, Sept. 2004, ISBN 3937863044
- Rühle, Alf-Sibrand; Geitmann, Sven: Wasserstoff & Wirtschaft – Investiere in in eine saubere Zukunft, Hydrogeit Verlag, Kremmen, März 2005, ISBN 3937863028
- Geitmann, Sven: Wasserstoff- & Brennstoffzellen-Projekte, Hydrogeit Verlag, Berlin, 2002, ISBN 3831132801
Weblinks
- http://www.webelements.com/webelements/elements/text/H/index.html - WebElements.com: Wasserstoff
- http://www.hydrogeit.de - Informationen und Bücher über Wasserstoff
- http://www.HydrogenLab.de - 3D Visualisierungen des Wasserstoffatoms
- http://www.hydox.de/wasserstoff.htm
- Wasserstoff als Energieträger
- http://www.dwv-info.de/publikationen/2004/pm_04st.pdf (PDF) - Über die Rolle des Wasserstoffs in existierenden und zukünftigen Energiesystemen