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Physikalisch-chemische Eigenschaften |
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Der
gasförmige Wasserstoff ist bei Zimmertemperatur farb- und geruchlos,
er ist etwa 14mal leichter als Luft. Wasserstoff ist das Element mit der
geringsten Dichte. Daher diffundiert Wasserstoff
leicht durch poröse Materialien, aber auch durch Metalle wie Platin.
Der gebräuchliche Wasserstoff kommt immer in Form von zweiatomigen
Molekülen vor (H2). Das Element Nr. 1 hat nach Helium
die tiefste Schmelz- und Siedetemperatur. In
Wasser löst sich Wasserstoff nur schlecht, während einige Metalle
wie Palladium Wasserstoff bis zum 12000fachen
ihres Volumens aufnehmen können. An der Luft verbrennt Wasserstoff
mit einer schwach bläulichen Flamme zu Wasser. Beim Verbrennen an
einer Glasdüse erscheint die Flamme oft gelblich, da das heiße
Glas die Flamme beeinflusst.
Gemische mit Luft oder gar mit reinem Sauerstoff reagieren nach einer Zündung explosiv unter sehr lautem Knall. Sie werden daher als Knallgasgemische bezeichnet. Die optimalen Mischungsverhältnisse kommen nach den Gasgesetzen von Gay-Lussac immer in ganzen Zahlen vor. Mit Hilfe eines Eudiometers können diese Verhältnisse bestimmt werden. Wasserstoff reagiert mit Sauerstoff im Verhältnis 2 : 1 und mit Chlor im Verhältnis 1 : 1. 2 H2 + O2  2
H2O DHR
= -572 kJ/mol
Wasserstoff lässt
sich geregelt in Chlorgas verbrennen. Fertige
Gemische mit Sauerstoff oder mit Chlorgas
explodieren bei Zündung ebenfalls heftig. Ein Knallgas-Gemisch aus
Chlor und Wasserstoff kann sogar durch Lichteinwirkung zur Zündung
gebracht werden. Bei
dieser Reaktion entsteht gasförmiger Chlorwasserstoff,
der beim Einleiten in Wasser Salzsäure
bildet.
Mit Stickstoff reagiert Wasserstoff bei hoher Temperatur, unter Druck und unter Verwendung von Katalysatoren zu Ammoniak (siehe Haber-Bosch-Verfahren): 2 NH3 
N2 + 3 H2
DHR
= +92 kJ/mol
Für eine Reaktion mit den anderen Elementen ist ebenfalls hohe Temperatur und Druck notwendig, beispielsweise bei der Reaktion von Schwefel mit Wasserstoff zu Schwefelwasserstoff: S + H2
H2S
DHR
= -21 kJ/mol
Wasserstoff wirkt auf viele Metalloxide beim Erhitzen als Reduktionsmittel, so auch bei der Reduktion von Kupfer(II)-oxid: CuO + H2
Cu + H2O DHR
= -129 kJ/mol
Mit Alkali- oder Erdalkalimetallen bilden sich Hydride. Auch sämtliche Säuren enthalten Atome des Wasserstoffs. Wasserstoffatome sind Bestandteil zahlreicher organischer Verbindungen, zum Beispiel bei den Kohlenwasserstoffen (Methan, Ethan, Benzol), bei den Alkoholen (Methanol, Ethanol), den Aldehyden, den Alkansäuren, den Fetten, den Kohlenhydraten und den Eiweißen. Im Labor erfolgt der Nachweis von Wasserstoff mit der Knallgasprobe. Diese Probe dient auch zur Überprüfung, ob in einem Gas ein Knallgasgemisch vorliegt. Ertönt ein lauter pfeifender Knall, handelt es sich um Knallgas, bei einem harmlosen, dumpfen Geräusch ist nur reiner Wasserstoff im Reagenzglas.
In einer Gasentladungsröhre leuchtet der Wasserstoff blauviolett. Ein Glasröhrchen ist mit Wasserstoff unter geringem Druck gefüllt. Beim Anlegen einer Spannung entstehen im Gas frei bewegliche Ladungsträger, die je nach ihrer Polarität Richtung Anode oder Kathode beschleunigt werden. Treffen sie auf ein Atom, werden weitere Ladungsträger freigesetzt. Bei jedem Aufprall wird Strahlung frei. Trifft ein beschleunigtes Elektron oder ein Ion auf ein Atom, absorbiert dieses einen bestimmten Energiebetrag. Hierbei geht die äußere Elektronenhülle auf ein nächst höheres Energieniveau über. Das so angeregte Atom kann diesen Zustand aber nicht halten und sendet die Energie in Form eines Strahlungsquants wieder aus. Die Frequenz der Strahlung hängt vom jeweiligen Gas ab.
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Physiologie |
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Wasserstoffatome
sind in den Lebewesen und im menschlichen Körper sehr häufig
vertreten. Sie sind an vielen wichtigen Stoffwechselprozessen beteiligt.
Ein Teil der Atome ist im Wasser chemisch gebunden. Dieser Stoff kann als
"Schlüsselelement" für das Funktionieren des Lebens angesehen
werden. Der Mensch besteht zu 60-70% aus Wasser. Täglich muss ein
Mitteleuropäer je nach Bedarf 2-4 Liter Wasser trinken. Das Wasser
ist im Körper das bedeutendste Transportmittel für Stoffe, es
spielt aber auch bei zahlreichen Stoffwechselkreisläufen wie bei der
Atmung, dem Citronensäurezyklus oder dem Harnstoffzyklus eine große
Rolle. Das Ausschwitzen von Wasser dient der Temperaturregulierung.
Ein anderer Teil der Wasserstoffatome bildet zusammen mit Kohlenstoff-, Sauerstoff-, Stickstoff- und Schwefelatomen die organischen Moleküle, aus denen die meisten in den Lebewesen enthaltenen Stoffe aufgebaut sind. Bei der pflanzlichen Zellatmung in den Mitochondrien gewährleistet die Übertragung von Protonen die Energiegewinnung und damit den Aufbau energiereicher Kohlenstoffverbindungen. |
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Vorkommen |
| Wasserstoffatome
sind von allen Atomsorten im Weltall mit rund 90% Anteil vor Heliumatomen
am häufigsten vertreten. Die Sonne erzeugt
ihre Energie durch Kernverschmelzungen von Wasserstoffatomen. Dabei entstehen
bei mehreren Zwischenreaktionen aus vier Wasserstoffatomen Helium,
sowie 2 Positronen und riesige Energiebeträge.
Die großen Planeten unseres Sonnensystems, Jupiter und Saturn, sind Gasplaneten und bestehen wie die meisten Fixsterne und Galaxien überwiegend aus Wasserstoff. Die Elementhäufigkeit von Wasserstoff in der Erdhülle beträgt etwa 0,9%, damit steht er an neunter Stelle. Das Isotop Deuterium macht im natürlichen Wasserstoff einen geringen Anteil von etwa 0,015% aus. Wasserstoffatome kommen in gebundener Form in zahlreichen Verbindungen vor, beispielsweise im Wasser, aber auch in Eiweißen, Kohlenwasserstoffen, Kohlenhydraten oder Säuren. In der Regel kommt Wasserstoff in einer zweiatomigen Molekülform vor. Es existieren drei natürliche Isotope:
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Geschichte |
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Das
Element wurde von Paracelsus im 16. Jahrhundert durch Umsetzung von Eisen
mit Säuren erstmals hergestellt und 1766 durch Henry Cavendish als
Element erkannt. Der französische Chemiker Antoine
Lavoisier (1743-1794) stellte 1783 erstmals 45g "künstliches"
Wasser aus Wasserstoff und Sauerstoff her. Außerdem führte er
Versuche zur Zerlegung von Wasser durch:
Lavoisier war es auch, der den französischen Namen hydrogène von griechisch hydor ("Wasser") und gennáo ("erzeugen") vorschlug. 1932 erfolgte die Entdeckung des Deuteriums durch H.C. Urey, F.G. Brickwedde und G.M. Murphy und 1934 die Entdeckung des Tritiums durch M.L.E. Oliphant, P. Harteck und E. Rutherford. Bei der nach dem Zweiten Weltkrieg entwickelten Wasserstoffbombe reagieren Deuterium- und Tritiumatome in einer Kernverschmelzung zu Heliumatomen. Eine Atombombe als Zünder leitet diese Reaktion ein. Die bei Kernfusionen freigesetzte Energie könnte in einer kontrolliert ablaufenden Einrichtung auch zur zukünftigen Energiegewinnung dienen. Entsprechende Kernfusionsrekatoren befinden sich aber noch im experimentellen Stadium. Den ersten Versuch zur Verwendung von Wasserstoff als Transportmittel unternahm der französische Physiker Jacques Charles (1746-1823) am 27. August 1783 in Paris. Er startete einen Ballon aus Seide mit vier Metern Durchmesser, der mit Wasserstoff gefüllt war. Das Fluggerät erhob sich rund einen Kilometer hoch und flog in einem dreiviertelstündigen Flug vom Marsfeld in Paris in das benachbarte Dorf Gonesse. Das Fluggerät konnte eine Last von neun Kilogramm tragen. Den ersten bemannten Flug führte er am 1. Dezember des gleichen Jahres durch. Der Flug dauerte zwei Stunden, er erreichte dabei eine Höhe von bis zu drei Kilometern und flog 36 Kilometer weit. Den Wettstreit mit den Brüdern Montgolfier hatte er aber verloren, denn deren Heißluftballon war nur zehn Tage zuvor mit zwei menschlichen Luftfahrern gestartet.
In der Folgezeit entstanden Pläne von verschiedenen Konstrukteuren zum Bau eines Luftschiffs. Aber erst der französische Ingenieur Henri Griffard (1825-1882) setzte die Pläne auch um. Am 24. September 1852 startete sein Luftschiff in Paris zu einem 27 Kilometer langen Flug. Griffards motorisierter Langballon war mit einer etwa 2 Kilowatt starken Dampfmaschine angetrieben. Fahrer, Gondel und Motor waren hängend unter dem 44 Meter langen Ballon auf einem Balken angebracht. Nach diesem ersten Versuch wurden verschiedene Antriebstechniken entwickelt, es gab später zahlreiche Versuche mit Verbrennungs- und Elektromotoren, und sogar Geräte, die mit Muskelkraft betrieben wurden, kamen zum Test. Die Revolution brachten aber dann Luftschiffe, die mit einem starren Aluminiumgerüst versehen waren. Ferdinand Graf von Zeppelin (1838-1917) präsentierte im Jahr 1900 den Prototypen LZ 1 (Luftschiff Zeppelin 1). Das 128 Meter lange Gefährt wurde von zwei Benzinmotoren der Firma Daimler mit einer Leistung von jeweils 10,4 Kilowatt angetrieben. Ab 1909 beförderten die Luftschiffe regelmäßig Passagiere. Im Ersten Weltkrieg kamen sie als Aufklärungsfluggeräte und zum Abwurf von Bomben zum Einsatz. In den 1930er-Jahren verkehrte eine regelmäßige Fluglinie von Friedrichshafen am Bodensee in die USA und nach Brasilien. Nach der Katastrophe von Lakehurst im Jahre 1937 war die Verwendung von Wasserstoff als Transportmittel in den Zeppelinen vorläufig beendet. Eine Renaissance erlebte der Wasserstoff mit dem Beginn der Raumfahrt. Raketen mit Flüssigkeitsantrieb verwenden Wasserstoff als Brennstoff. Die Raumfähren des amerikanischen Space-Shuttle-Programms wurden mit Wasserstoff angetrieben. Am 12. April 1981 hob die Columbia als erste bemannte und wiederverwendbare Raumfähre ab und flog in eine Umlaufbahn der Erde, um zwei Tage später wieder unversehrt zu landen. Beim Challenger-Unglück am 28. Januar 1986 explodierte die Raumfähre kurz nach dem Start in 15 Kilometern Höhe, weil durch ein Leck der Feststoffraketen eine heiße Flamme austrat und die Tankhülle beschädigte. Die sieben Besatzungsmitglieder wurden getötet. Eine weitere Katastrophe ereignete sich im Januar 2003 als die Columbia beim Eintritt in die Erdatmosphäre zerbrach. Das ab 2010 eingesetzte Raumschiff Orion - als Nachfolger der Space Shuttles - wird mit einer Ares-Rakete angetrieben, die in der zweiten Stufe flüssigen Wasserstoff als Brennstoff verwendet. Die Verwendung von Wasserstoff als Treibstoff für Kraftfahrzeuge in Verbindung mit Brennstoffzellen benötigte eine längere Entwicklungsphase. Das Problem besteht darin, das Gas kompakt und einfach zu speichern. Lit [53] Dabei kommen verschiedene Verfahren zum Einsatz:
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Herstellung |
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Im
Labor kann Wasserstoff durch Elektrolyse von Wasser, das mit Natronlauge
oder Schwefelsäure elektrisch
leitfähig gemacht wurde, hergestellt werden. Nach diesem Prinzip kann
mit Hilfe der Wasserstofftechnologie Energie nutzbar
gemacht werden.
Zn + 2 HCl
ZnCl2 + H2
Bei der Reaktion von Calcium mit Wasser (im Reagenzglas) entsteht Wasserstoff, der sich an einer Düse (mit Rückschlagsicherung) entzünden lässt. Die Zugabe von Phenolphthaleinlösung weist die Bildung einer alkalischen Lösung nach. Diese wird durch das Lösen des entstehenden Calciumhydroxids in Wasser gebildet. Barium und Strontium reagieren noch lebhafter mit Wasser unter Wasserstoffbildung. Ca + 2 H2O
Ca(OH)2 + H2
In der chemischen Industrie gewinnt man Wasserstoff durch eine katalytische Dampfspaltung von Methan aus dem Erdgas. Dabei wird das Methan (CH4) an einem Nickel-Katalysator bei einer Temperatur von ca. 900°C mit Wasserdampf umgesetzt. Neben Wasserstoff entsteht auch Kohlenstoffmonooxid (CO): CH4 + H2O (gas)
CO + 3 H2
Das entstehende Gasgemisch, das Synthesegas, ist ein wichtiges Zwischenprodukt für die Ammoniaksynthese oder die Methanol-Produktion. Zum Abtrennen des Kohlenstoffmonooxids wird das Synthesegas zunächst in mehreren Stufen über weitere Katalysatoren geleitet, dabei reagiert Kohlenstoffmonooxid mit Wasserdampf zu Kohlenstoffdioxid. Dieses Gas lässt sich in einer wässrigen Lösung von Diethanolamin gut lösen, während der Wasserstoff darin nicht löslich ist. Heiße Membranen aus Palladium sind durchlässig für Wasserstoff, andere Gase nicht. Dadurch lässt sich hochreiner Wasserstoff isolieren. |
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Verwendung |
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Früher
wurde Wasserstoff zur Füllung von Zeppelinen verwendet. Heute befindet
sich in den Luftschiffen nur noch Helium. Das
Gas ist im Handel in roten Stahlflaschen erhältlich und wird zum Autogenschweißen
von Blei und Aluminium oder zum Schneidbrennen
benötigt.
Wasserstoff ist neben Stickstoff ein wichtiger Ausgangstoff zur Synthese von Ammoniak nach dem Haber-Bosch-Verfahren und wird zur Herstellung zahlreicher Wasserstoffverbindungen wie Methanol benötigt. Wasserstoff dient zur Reduktion von Eisenerzen. Seine Anwendung als Energieträger ist sehr vielseitig. Man benötigt ihn als Brenngas in Raketentreibstoffen oder bei der Wasserstofftechnologie zur Stromerzeugung in Brennstoffzellen. Das Wasserstoffauto wird vielleicht in der Zukunft das Auto mit Benzinmotor ablösen. Aufgrund der hohen Wärmekapazität eignet sich Wasserstoff als Kühlmittel in Kraftwerken und Industrieanlagen.
Das Isotop Deuterium dient in Schwerwasserreaktoren als Moderator, dadurch werden die bei der Kernspaltung entstehenden Neutronen abgebremst. Die langsamen Neutronen ermöglichen die Kettenreaktion. Das Isotop Tritium entsteht in Kernreaktoren. Deuterium und Tritium fusionieren in der Wasserstoffbombe zu Helium. Bei der geregelten Kernfusion, die sich noch im Versuchsstadium befindet, wird versucht, die dabei frei werdende Energie zu nutzen. In radioaktiven Leuchtfarben wird eine Tritiumverbindung mit einem fluoreszierenden Farbstoff wie Zinksulfid vermischt. Zifferblätter von Tritiumuhren, die zum Beispiel beim Tauchen eingesetzt werden, strahlen nur als schwacher Alphastrahler. Die Strahlung wird bereits durch das Uhrglas abgefangen. Es sind auch Schlüsselanhänger und Polizeileuchten erhältlich, die diese Lichtquelle nutzen. In der Medizin dient das Tritium zum Markieren von Krebszellen. |
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Experimente - Medien |
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| Demonstrationen
mit Wasserstoff
Volumenverhältnisse bei Knallgasreaktionen Digitale Folien zum Wasserstoff Otto Hahn und Lise Meitner |
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Wasserstoffverbindungen im Portrait (Auswahl) |
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| Copyright: Thomas Seilnacht |
Gefahr
