Wasserstoff

Wasserstoff
Atomsymbol	H
Ordnungszahl	1
Relative Atommasse	1,0079
Elektronegativität	2,1
Schmelzpunkt	-259,14 °C
Siedepunkt	-252,5 °C
Dichte	0,0899 kg/m³ bei 0 °C

Wasserstoff (Hydrogen, Atomsymbol H) ist das im Universum mit Abstand am häufigsten vorkommende chemische Element. Die Sonne besteht zu rund 75 Masseprozent aus Wasserstoff. Henry Cavendish entdeckte den gasförmigen Wasserstoff 1766 als neues Element. Auf der Erde ist das Element, vor allem in gebundener Form, Bestandteil des Wassers und in den Kohlenwasserstoffen von Kohle, Erdöl, Erdgas sowie in fast allen organischen Verbindungen zu finden. Es zählt zu den neun häufigsten Elementen in der Erdhülle.

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1 Eigenschaft

Es ist das leichteste aller Gase und diffundiert leicht durch Metalle und durch Quarz. Insbesondere ist heißes Palladium-Blech gut durchlässig.

Die relative Atommasse ist 1,0079. Die meisten Wasserstoffatome bestehen aus einem Proton und einem Elektron.

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.

Beim Wasserstoff handelt es sich um ein farb- und geruchloses, ungiftiges Gas, das sich zu einer farblosen, sehr leicht beweglichen Flüssigkeit kondensieren läßt. Unterhalb -259,14 °C erstarrt diese Flüssigkeit dann zu farblosen Kristallen. Fester Wasserstoff bildet bei 2,8 bar und 20 Grad Kelvin (entsprechend −253 °C) eine metallische Modifikation.

Natürlich kommt Wasserstoff in reiner Form meist nur als zweiatomiges (Molekül) Gas vor.

Die Löslichkeit von Wasserstoff in Wasser ist gering (2 l in 100 l H₂O bei 0°C), in bestimmten Metallen, beispielsweise Palladium oder Platin ist sie jedoch außerordentlich groß, so daß diese Effekte zur Wasserstoffspeicherung in der Brennstoffzellentechnik Anwendung finden.

2 Atomarer Wasserstoff

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.

3 Molekularer Wasserstoff

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.

4 Verbrennung

Wasserstoff verbrennt mit fahler, blauer Flamme:

2 H₂ + O₂ → 2 H₂O; ΔH = - 571,6 kJ

Die Reaktion zündet bei 600 °C und verläuft dann explosionsartig (Knallgas).

Das optimale Gas-Gemisch für eine Knallgasmischung beträgt H₂/Luft = 2/4,78.

Im sichtbaren Lichtspektrum kann brennender Wasserstoff durch die Spektrallinien der Balmer-Serie identifiziert werden: 389 nm (kaum zu sehen), 397 nm (schwach zu sehen), 410 nm, 434 nm (violett), 486 nm (türkis) und 656 nm (rötlich).

5 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.

6 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.

Ein Beispiel ist die Erzeugung mit methanreichem Erdgas:

CH₄ + H₂O ↔ 3H₂ + CO; ΔH = + 205 kJ

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

Wasserdampf wird über glühenden Koks geleitet:

C + H₂O ↔ CO + H₂; ΔH = + 131,5 kJ

C + 2 H₂O ↔ CO₂ + 2 H₂; ΔH = + 90,3 kJ

CO + H₂O ↔ CO₂ + H₂; ΔH = 41,2 kJ

7 Elektrolyse

Die Gewinnung von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser (H₂O) ist in der Elektrolyse und in der Brennstoffzelle möglich.

2 H₂O → 2 H₂ + O₂; ΔH = + 242 kJ

Der Verbrauch zur technologischen Erzeugung von 1 m³ H₂: 1 Liter salzfreies H₂O, 40—60 Liter Kühlwasser, 4,5 kWh Elektrizität und 0,5 g KOH

8 Gewinnung im Labor

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, SO₂, 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.

9 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-Legierungen (FeTi) und Lanthan-Nickel-Verbindungen eine wachsende Rolle. Die Speicherkapazität liegt bei 30 bis 90 g H₂ pro 1 Liter Speichervolumen.