Wasserstoff

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Einleitung

Wasserstoff, Symbol H (vom griechischen Wort hydor: Wasser), reaktives, farb-, geruch- und geschmackloses gasförmiges Element mit der Ordnungszahl 1. Es gehört zur Gruppe 1 des Periodensystems.

Wasserstoff wurde vor seiner Entdeckung häufig mit anderen Gasen verwechselt. Im Jahr 1766 konnte der englische Chemiker Henry Cavendish zeigen, dass Wasserstoff bei der Einwirkung von Schwefelsäure auf Metalle gebildet wird. Später bewies er, dass bei der Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff Wasser entsteht. Joseph Priestley nannte dieses Gas „entflammbare Luft” (1781). Später gab der französische Chemiker Antoine Laurent Lavoisier dem Element seinen vorigen lateinischen Namen Hydrogenium wieder.

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Eigenschaften und Vorkommen

Wie die meisten gasförmigen Elemente hat der Wasserstoff zweiatomige Moleküle, die aber bei hohen Temperaturen in ihre Atome zerfallen. Schmelz- und Siedepunkt des Wasserstoffes liegen niedriger als bei allen anderen Substanzen (nur Schmelz- und Siedepunkt vom Helium liegen noch niedriger). Wasserstoff schmilzt bei -259,2 °C und siedet bei -252,77 °C. Bei 0 °C und einem Druck von 101,33 Kilopascal ist Wasserstoff gasförmig und hat eine Dichte von 0,089 Gramm pro Liter. Seine Atommasse beträgt 1,007 u. Flüssigen Wasserstoff konnte als Erster James Dewar im Jahr 1898 herstellen (siehe Kältetechnik). In flüssigem Zustand ist Wasserstoff farblos (aber in dickeren Schichten bläulich) und hat die relative Dichte 0,070.

1996 gelang einem amerikanischen Forscherteam die Herstellung von festem Wasserstoff, der im Bezug auf die elektrische Leitfähigkeit den elektrischen Strom genau so gut leitet, wie die Alkalimetalle Rubidium und Cäsium. Diese „metallischen Eigenschaften” des Elementes wurden bereits in den dreißiger Jahren vorausgesagt. Unter „normalen” Bedingungen (Normaldruck, Raumtemperatur) zeigt Wasserstoff nichtmetallische Eigenschaften.

Wasserstoffgas ist eine Mischung zweier verschiedener Formen. Die eine Form nennt man Ortho-Wasserstoff. Bei dieser Form stellte man fest, das die Kernspins (Drehung des Kernes um seine eigene Achse) der beiden Atome des Moleküls parallel (gleicher Drehsinn) sind. Die andere Form ist der Para-Wasserstoff, bei dem die Kernspins antiparallel (entgegengesetzt) verlaufen. Natürliches Wasserstoffgas besteht zu etwa drei Vierteln aus der Ortho-Form und zu etwa einem Viertel aus der Para-Form. Praktisch reinen Para-Wasserstoff erhält man durch Adsorption gewöhnlichen Wasserstoffes an Holzkohle bei etwa -225 °C.

Man kennt drei Isotope des Wasserstoffes. Der Atomkern des weitaus häufigsten Isotops ¹H enthält nur ein Proton. Der schwere Wasserstoff, das Deuterium (²H oder D) ist im normalen Wasserstoff zu 0,02 Prozent enthalten. Sein Atomkern besteht aus einem Proton und einem Neutron (siehe Atom). Die Atommasse von ²H beträgt 2 u. Tritium (³H) ist ein instabiles, radioaktives Wasserstoffisotop. Sein Atomkern enthält ein Proton und zwei Neutronen. Die Atommasse von Tritium beträgt 3 u.

Freier, elementarer Wasserstoff kommt nur in sehr geringen Spuren in der Erdatmosphäre vor. Jedoch zeigen die Spektren der Sonne und der Sterne, dass dort der Wasserstoff in großen Mengen vorkommt. Wasserstoff ist damit das häufigste Element im Universum. In Verbindungen mit anderen Elementen ist er allerdings auch auf der Erde sehr verbreitet. Die wichtigste und bei weitem häufigste Verbindung auf der Erde ist das Oxid, das Wasser (H₂O). Wasser bildet die Grundlage des Lebens auf der Erde und kommt in allen Lebewesen vor. Außerdem ist es in vielen Mineralien vorhanden. Wasserstoff ist auch Bestandteil aller Kohlenwasserstoffe und einer großen Anzahl anderer organischer Substanzen. Sehr viele Mineralsäuren (z. B. Schwefelsäure) enthalten Wasserstoff, den sie bei der Dissoziation in Lösung als Wasserstoffionen abgeben können.

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Herstellung

Wasserstoff wird im Labor durch Einwirkung verdünnter Säuren auf Metalle (wie Zink) oder durch Elektrolyse von Wasser hergestellt. Große Mengen Wasserstoffgas produziert man industriell aus verschiedenen Brenngasen. Aus so genanntem Wassergas, Erdgas oder Kokereigas (Steinkohlengas) gewinnt man Wasserstoff in einem Verfahren durch Verflüssigung der anderen Gaskomponenten. Bei einem anderen Verfahren wird das im Rohgas enthaltene Kohlenmonoxid katalytisch zu Kohlendioxid umgesetzt und dieses anschließend entfernt.

Nach dem Vorbild von Pflanzen lässt sich Wasserstoff technisch auch direkt aus Wasser mit Hilfe von Sonnenlicht gewinnen. Hierzu gelang es japanischen Wissenschaftlern 2001, einen Katalysatorprototyp, bestehend aus Indium, Nickel, Tantal und Sauerstoff, zu entwickeln, der die Spaltung von herkömmlichem Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff mit sichtbarem Sonnenlicht ermöglicht. Forscher aus aller Welt wollen den geringen Wirkungsgrad dieses Metalloxidkatalysators (unter 1 Prozent) verbessern. Weil Sonnenlicht und Wasser in nahezu unbegrenzter Menge zur Verfügung stehen, gilt Wasserstoff als Energieträger der Zukunft.

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Anwendung

Wasserstoff reagiert z. B. unter besonderen Reaktionsbedingungen mit vielen Nichtmetallen. Beispielsweise bildet er mit Stickstoff in Gegenwart eines Katalysators die in der Industrie wichtige Verbindung Ammoniak (z. B. Düngemittelindustrie; siehe Stickstoff-Fixierung). Mit Schwefel reagiert er zu Schwefelwasserstoff (H₂S), mit Chlor zu Chlorwasserstoff (HCl). Die Umsetzung von Sauerstoff und Wasserstoff gelingt bei Zimmertemperatur nur in Gegenwart eines Katalysators, z. B. feinst verteiltes Platin. Wenn eine Mischung von Wasserstoff mit Luft oder Sauerstoff gezündet wird, so erfolgt eine explosionsartige Reaktion (Knallgasreaktion). Auch mit manchen Metallen reagiert Wasserstoff. Im Fall von Natrium und Lithium bildet sich dabei das jeweilige Hydrid. Auf Metalloxide (z. B. Kupferoxid) kann Wasserstoff reduzierend wirken. Bei diesem Vorgang wird Sauerstoff aus dem Oxid entfernt. Schließlich reagiert Wasserstoff mit ungesättigten organischen Verbindungen zu gesättigten Verbindungen. Diesen Reaktionstyp macht man sich in der Petrochemie zunutze.

Bei vielen Elektrolysereaktionen (siehe Elektrochemie) bildet Wasserstoff ein wichtiges Nebenprodukt. Sehr viel Wasserstoff benötigt man zur Herstellung von Ammoniak und von Methanol (Methylalkohol). Durch die Hydrierung von Ölen kann man z. B. Speisefette gewinnen. Die Hydrierung von Kohle dient u. a. zur Produktion von Treibstoffen.

Wasserstoff kommt in Stahlflaschen unter einem Druck von ungefähr 121 bis 152 Hektopascal (120 bis 150 technische Atmosphären) in den Handel.