Wasserstoff: Unterschied zwischen den Versionen

Aktuelle Version vom 4. März 2025, 19:11 Uhr

Wasserstoff
Atomsymbol	H
Ordnungszahl	1
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.

Eigenschaft

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

Die meisten Wasserstoffatome bestehen aus einem Proton und einem Elektron. Das Proton hat die Masse m = 1,672621777 · 10⁻²⁷ kg.

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.

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.

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.

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).

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.

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

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

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.

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.

Andere Lexika

http://www.chemie.de/lexikon/Wasserstoff.html
dtv-Atlas „Chemie - Allgemeine und Organische Chemie“, Band 1, ISBN:3-423-03217-0

Periodensystem der Elemente

H

He

Li

Be

B

C

N

O

F

Ne

Na

Mg

Al

Si

P

S

Cl

Ar

K

Ca

Sc

Ti

V

Cr

Mn

Fe

Co

Ni

Cu

Zn

Ga

Ge

As

Se

Br

Kr

Rb

Sr

Y

Zr

Nb

Mo

Tc

Ru

Rh

Pd

Ag

Cd

In

Sn

Sb

Te

I

Xe

Cs

Ba

La

Ce

Pr

Nd

Pm

Sm

Eu

Gd

Tb

Dy

Ho

Er

Tm

Yb

Lu

Hf

Ta

W

Re

Os

Ir

Pt

Au

Hg

Tl

Pb

Bi

Po

At

Rn

Fr

Ra

Ac

Th

Pa

U

Np

Pu

Am

Cm

Bk

Cf

Es

Fm

Md

No

Lr

Rf

Db

Sg

Bh

Hs

Mt

Ds

Rg

Cn

Nh

Fl

Mc

Lv

Ts

Og

Grenzbereich der Metalle

Chemie unbekannt

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-| Relative Atommasse
+| [[Atommasse]]
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-| Elektronegativität
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 | -252,5 °C
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+| Dichte
+| 0,0899 kg/m³ bei 0 °C
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-'''Wasserstoff''' (''Hydrogen'', Atomsymbol '''H''') ist das im [[Universum]] mit Abstand am häufigsten vorkommende [[Chemie|chemische]] Element. Die [[Sonne]] besteht zu rund 75 Masseprozent aus Wasserstoff, auf der Erde ist es, vor allem in gebundener Form, vor allem als Bestandteil seines [[Oxid]]s [[Wasser]], in den Kohlenwasserstoffen in Kohle und Erdöl sowie in fast allen [[Organische Chemie|organischen Verbindungen]] zu finden. Es zählt zu den neun häufigsten Elementen in der [[Erdhülle]].
+'''Wasserstoff''' (''Hydrogen'', Atomsymbol '''H''') ist das im [[Universum]] mit Abstand am häufigsten vorkommende [[Chemie|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 [[Wasser]]s und in den [[Kohlenwasserstoff]]en von [[Kohle]], [[Erdöl]], [[Erdgas]] sowie in fast allen [[Organische Chemie|organischen Verbindungen]] zu finden. Es zählt zu den neun häufigsten Elementen in der [[Erdhülle]].
-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.
+== Eigenschaft ==
+Es ist das leichteste aller Gase und diffundiert leicht durch [[Metall]]e und durch [[Quarz]]. Insbesondere ist heißes [[Palladium]]-Blech gut durchlässig.
-Die meisten Wasserstoffatome bestehen aus einem [[Proton]] und einem [[Elektron]]. Natürlich kommt Wasserstoff in reiner Form meist nur als zweiatomiges ([[Molekül]]) Gas vor. Isotope des Wasserstoffs sind [[Deuterium]] und [[Tritium]].
+Die meisten Wasserstoffatome bestehen aus einem [[Proton]] und einem [[Elektron]]. Das Proton hat die Masse m = 1,672621777&nbsp;·&nbsp;10<sup>−27</sup> kg.
-Die Löslichkeit von Wasserstoff in Wasser ist gering (2 l in 100 l H<sub>2</sub>O bei 0°C), in bestimmten Metallen, beispielsweise [[Palladium]] oder [[Platin]] ist sie jedoch außerordentlich groß, so daß diese Effekte zur Wasserstoffspeicherung in der [[Brennstoffzelle]]ntechnik Anwendung finden.
+Es gibt zwei stabile [[Isotop]]e: 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.-% H<sub>2</sub> in Wasser.
+Sehr gut löslich ist H<sub>2</sub> dagegen in Metallen, z.B. nimmt Palladiumschwamm H<sub>2</sub> 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 H<sub>2</sub>O bei 0°C), in bestimmten Metallen, beispielsweise Palladium oder [[Platin]] ist sie jedoch außerordentlich groß, so daß diese Effekte zur Wasserstoffspeicherung in der [[Brennstoffzelle]]ntechnik Anwendung finden.
+== 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.
+== Molekularer Wasserstoff ==
+Dieser Wasserstoff ist chemisch relativ träge.
+Bei Energiezufuhr (Erhitzen, elektr. Entladungen, Bestrahlen) wird die interatomare Bindung gespalten.
+'''H<sub>2</sub> → 2H;   ΔH = + 436,6 kJ'''.
+H<sub>2</sub> 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.
+== Verbrennung ==
+Wasserstoff verbrennt mit fahler, blauer Flamme:
+'''2 H<sub>2</sub> + O<sub>2</sub> → 2 H<sub>2</sub>O; 		ΔH = - 571,6 kJ'''
+Die Reaktion zündet bei 600 °C und verläuft dann explosionsartig (Knallgas).
+Das optimale Gas-Gemisch für eine Knallgasmischung beträgt H<sub>2</sub>/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).
+== 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 H<sub>2</sub> 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.
+== Gewinnung ==
+Technisch aus:
+Rohöl (55 % ),
+Erdgas (32 % ),
+Koksvergasung (10%) und
+Chloralkali-Elektrolyse (2 % ).
+Der Großteil des industriellen H<sub>2</sub> stammt aus der Reduktion von Wasserdampf mit dem Kohlenstoff des organischen Rohmaterials.
+Ein Beispiel ist die Erzeugung mit methanreichem Erdgas:
+'''CH<sub>4</sub> + H<sub>2</sub>O ↔ 3H<sub>2</sub> + CO; 		ΔH = + 205 kJ'''
+das anfallende H<sub>2</sub> muss anschließend vor allem von [[Schwefel]] gereinigt werden.
+Wasserdampf wird über glühenden Koks geleitet:
+'''C + H<sub>2</sub>O ↔ CO + H<sub>2</sub>; 		ΔH = + 131,5 kJ'''
+'''C + 2 H<sub>2</sub>O ↔ CO<sub>2</sub> + 2 H<sub>2</sub>;   		ΔH = + 90,3 kJ'''
+'''CO + H<sub>2</sub>O ↔ CO<sub>2</sub> +  H<sub>2</sub>; 		ΔH  = 41,2 kJ'''
+== Elektrolyse ==
+Die Gewinnung von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser (H<sub>2</sub>O) ist in der [[Elektrolyse]] und in der [[Brennstoffzelle]] möglich.
+'''2 H<sub>2</sub>O → 2 H<sub>2</sub> + O<sub>2</sub>;			 ΔH = + 242 kJ'''
+Der Verbrauch zur technologischen Erzeugung von 1 m³ H<sub>2</sub>:
+Liter salzfreies H<sub>2</sub>O, 40—60 Liter Kühlwasser, 4,5 kWh Elektrizität und 0,5 g KOH
+== Gewinnung im Labor ==
+Im Labor gewinnt man H<sub>2</sub> durch den Kippschen Gasentwickler.
+Aus einem Vorratsgefäß strömt Salzsäure in einen Behälter mit Zinkspänen und entwickelt dort nach
+'''Zn + 2 HCl →  ZnCl<sub>2</sub> + H<sub>2</sub>'''
+Wasserstoff, der durch einen Hahn abgelassen wird.
+Bei geschlossenem Hahn verdrängt das H<sub>2</sub>-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 H<sub>2</sub>S, SO<sub>2</sub>, HCl (gasförmig) und Cl<sub>2</sub> 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.
+== Verwendung ==
+H<sub>2</sub> 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 H<sub>2</sub> zum Schweißen, Schneiden und Heizen benutzt.
+H2 ist Raketentreibstoff und in flüssiger Form ein wichtiges Kühlmittel.
+Steigende Bedeutung hat H<sub>2</sub> als Energiequelle in Brennstoffzellen.
+Das dem Wasser analoge Deuteriumoxid D<sub>2</sub>O
+(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, CaH<sub>2</sub>, BaH<sub>2</sub>).
+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-Legierung]]en (FeTi) und [[Lanthan-Nickel-Verbindung]]en eine wachsende Rolle.
+Die Speicherkapazität liegt bei 30 bis 90 g H<sub>2</sub> pro 1 Liter Speichervolumen.
+== Andere Lexika ==
+*http://www.chemie.de/lexikon/Wasserstoff.html
+*dtv-Atlas „Chemie - Allgemeine und Organische Chemie“, Band 1, ISBN:3-423-03217-0
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 [[Kategorie:Chemisches Element]]
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-|WeCoWi=1}}
+[[Kategorie:Artikel im WeCoWi]]

Wasserstoff: Unterschied zwischen den Versionen

Aktuelle Version vom 4. März 2025, 19:11 Uhr

Inhaltsverzeichnis

Eigenschaft

Atomarer Wasserstoff

Molekularer Wasserstoff

Verbrennung

Vorkommen

Gewinnung

Elektrolyse

Gewinnung im Labor

Verwendung

Andere Lexika

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Wasserstoff: Unterschied zwischen den Versionen

Aktuelle Version vom 4. März 2025, 19:11 Uhr

Eigenschaft

Atomarer Wasserstoff

Molekularer Wasserstoff

Verbrennung

Vorkommen

Gewinnung

Elektrolyse

Gewinnung im Labor

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