Wasserstoff

Synonyme

  • Hydrogen [engl.], Hydrogenium [lat.]

Übersicht

Chemie

Allgemeine Eigenschaften

Formelzeichen H
Ordnungszahl 1
Isotope [%] 1H - 99,985
2H - 0,015
3H - Spuren (12,33 a -> 3He)

Chemische Eigenschaften

Elektronegativität nach Pauling (Oxidationsstufe) 2,20 (I)
Elektronenkonfiguration 1s1
Oxidationszahlen +1, -1
bevorzugt +1

Physikalische Eigenschaften

Mittlere Atommasse [u] 1,00794 ± 7
Dichte [g/dm3] 0,008988
Schmelztemperatur [°C] -259,14
Siedetemperatur [°C] -252,76
Härte [Mohs] k.A.
Atomradius [pm] 37,5
Ionenradius [pm] (bei Ladung bzw. Oxidationszahl) 154 (1-)
1. Ionisierungsenergie [kJ/mol] (bei 25 °C) 1318

Sonstige Eigenschaften

  • Wasserstoff ist ein bei Zimmertemperatur farb- und geruchloses Gas.
  • Es ist das Element mit der geringsten Dichte überhaupt.
  • Wasserstoff diffundiert leicht durch poröse Trennwände, aber auch durch Metalle wie Platin.
  • An der Luft verbrennt Wasserstoff mit schwach bläulicher Flamme zu Wasserdampf.
  • Gemische mit Sauerstoff reagieren bei Zündung sehr heftig (Knallgasprobe).
  • In Wasser löst sich Wasserstoff nur schlecht, einige Metalle, z.B. Palladium, können jedoch bis zum 12.000-fachen ihres Volumens an Wasserstoff aufnehmen.
  • Bei höherer Temperatur reagiert Wasserstoff mit vielen Metallen unter Bildung der entsprechenden Metallhydride. 

Geschichtliches

  • Erstmalige Herstellung von Wasserstoff durch Paracelsus (Umsetzung von Eisen mit Säuren) im 16. Jahrhundert.
  • 1766 von Henry Cavendish als Element erkannt.
  • 1783 Darstellung 45 g "künstlichen Wassers" aus Wasserstoff und Sauerstoff durch den französischen Chemiker Antoine Lavoisier.
  • Lavoisier ist es auch, der den französischen Namen hydrogène von griechisch hydor ("Wasser") und gennáo ("erzeugen") vorschlägt.
  • 1932 Entdeckung des Deuteriums durch H. C. Urey, F. G. Brickwedde und G. M. Murphy.
  • 1934 Entdeckung des Tritiums durch M. L. E. Oliphant, P. Harteck und E. Rutherford.

Vorkommen

  • Wasserstoff ist das im Universum am häufigsten vorkommende Element.
  • Die Elementhäufigkeit von Wasserstoff in der Erdhülle beträgt 0,88 %, damit steht er an neunter Stelle.
  • Das Isotop Deuterium (2H) macht im natürlichen Wasserstoff einen Anteil von ca. 0,015 % aus.
  • Wasserstoffatome kommen in gebundener Form in der überwiegenden Zahl aller Verbindungen vor. Reiner Wasserstoff bildet zweiatomige Moleküle (H2).
  • Es existieren drei natürliche Isotope:
    • 1H - "Protium" - "normaler Wasserstoff", bestehend aus einem Proton und einem Elektron.
    • 2H - "Deuterium" - "schwerer Wasserstoff", enthält ein zusätzliches Neutron
    • 3H - "Tritium" - "überschwerer Wasserstoff", enthält zwei Neutronen

Verwendung

  • Wasserstoff ist wichtiger Ausgangsstoff für zahlreiche chemische Synthesen (v.a. in der Großtechnik).
  • Wasserstoff wird technisch zur Darstellung, z.B. von Molybdän und Wolfram, durch Reduktion aus deren Metalloxiden verwendet.
  • Seine Anwendung als Energieträger ist sehr vielseitig und wird in Zukunft wohl weiter an Bedeutung gewinnen, so z.B. durch die Brennstoffzelle.
  • Das Gas ist im Handel in roten Stahlflaschen erhältlich und stellt neben Ethin (Acetylen) das wichtigste Schweißgas dar.

Herstellung

Laborverfahren

Technische Verfahren

  • Durch katalytische Dampfspaltung von Methan
    • Dabei wird Methan (CH4) an einem Nickel-Katalysator bei einer Temperatur von ca. 900 °C mit Wasserdampf umgesetzt.

      CH4 + H2O CO + 3 H2

  • Das entstehende Gasgemisch wird als Synthesegas bezeichnet.

Analytik

Identität

Brennbarkeit des Wasserstoffs

Reaktion

2 H2 + O2 2 H2O

Durchführung
  • Über die bläuliche Flamme stülpt man ein kaltes, trockenes Becherglas. An seiner Oberfläche schlagen sich kleine Wassertröpfchen nieder.

Knallgasprobe

Durchführung
  • In ein kleines Reagenzglas wird etwas Wasserstoff gefüllt. Wird das nun im Reagenzglas enthaltene Gasgemisch gezündet, reagiert es explosionsartig. (Ist zu viel bzw. nur Wasserstoff im Reagenzglas, brennt dieser mit blauer Flamme ruhig ab.)

Reduktionswirkung des molekularen Wasserstoffs

Reaktion

Fe2O3 + 3 H2 2 Fe + 3 H2O

Bemerkungen
  • Wasserstoff vermag vielen Schwermetalloxiden bei höheren Temperaturen den Sauerstoff zu entreißen und sie zum Metall zu reduzieren.

Reduktionswirkung nascierenden Wasserstoffs

Reaktion

I2 + 2 h 2 HI

Bemerkungen
  • Nascierender Wasserstoff ist reaktiv genug, um bereits bei Zimmertemperatur molekulares Iod zu Iodwasserstoff zu reduzieren.
  • Statt nascierendem Wasserstoff kann auch molekularer Wasserstoff in Gegenwart eines Katalysators, besonders Platin oder Palladium, eingesetzt werden.
 

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