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Wasserstoff

Steckbrief

Abb.1
Wasserstoff

Elementarer Wasserstoff ist ein unter Normalbedingungen relativ reaktionsträges, farb-, geschmack- und geruchloses, zweiatomiges Gas (Diwasserstoff, H2), das sich zu einer farblosen, den elektrischen Strom nicht leitenden Flüssigkeit kondensieren lässt (Siedepunkt: -253 °C). Fester Wasserstoff (Schmelzpunkt: -259 °C) kristallisiert in einem Molekülgitter mit einer hexagonal dichtesten Kugelpackung, unterhalb -270 °C erfolgt die Umwandlung in eine kubische Modifikation.

Das Element Wasserstoff zählt zu den typischen Nichtmetallen.

Natürlicher Wasserstoff ist ein Mischelement und besteht aus den Isotopen H 1 1 (leichter Wasserstoff, Protium), H 1 2 (schwerer Wasserstoff, Deuterium, D) und H 1 3 (superschwerer Wasserstoff, Tritium, T) im Verhältnis 1 : 1,5 · 10 - 4 : 10 - 18 .

Gasförmiger Wasserstoff verhält sich bei mittleren und hohen Temperaturen und niedrigen Drücken nahezu wie ein ideales Gas. Bei zunehmendem Druck und abnehmender Temperatur verstärkt sich die Wechselwirkung der Moleküle untereinander, auch das Eigenvolumen der Teilchen gewinnt an Einfluss. Wasserstoff-Gas hat die sehr geringe Dichte von 0,08987 gL-1 und ist damit das leichteste aller Gase (bei Normalbedingungen 14,38-mal leichter als Luft). Die geringe Dichte ist auch die Ursache für das außerordentlich große Diffusionsvermögen des Wasserstoffs.

In Wasser und den meisten anderen Lösungsmitteln besitzt Wasserstoff nur eine geringe Löslichkeit (18,2 mL H2 pro Liter Wasser bei 20 °C und Normaldruck). Durch besondere Wechselwirkung (Bildung von Einlagerungsverbindungen) wird Wasserstoff dagegen von vielen Metallen in beträchtlichem Maße aufgenommen. Das stärkste Lösungsvermögen hat Palladium, das 870 mL H2 pro 1 mL Metall absorbiert.

Wasserstoff ist hochentzündlich.

Weitere chemisch-physikalische Konstanten

Bindung im H2-Molekül

Geschichte

Erstmals beschrieben wurde die Bildung eines "leicht brennbaren Dampfes" als Ergebnis der Einwirkung von verdünnter Schwefelsäure auf Eisen-Pulver bereits 1671 durch R. Boyle. Jedoch erst 1766 wurde die durch Umsetzung von Metallen mit Säuren darstellbare, "brennbare Luft" von H. Cavendish isoliert und näher charakterisiert. Ihm wurde deshalb die Entdeckung des Wasserstoffs zuerkannt. Die Annahme, schon T. Paracelsus habe Wasserstoff gekannt, ist umstritten.

Auf einen Vorschlag von A. L. Lavoisier aus dem Jahre 1783 geht die Bezeichnung hydrogen (Wasserbildner, von griechisch hydor "Wasser") zurück, wovon sich auch das Elementsymbol H ableitet.

Reaktionsverhalten

Auf Grund der hohen Bindungsdissoziationsenergie der H-H-Bindung (436 kJ mol-1) ist molekularer Wasserstoff bei normaler Temperatur ein recht reaktionsträges Gas.

Die Spaltung der Einfachbindung kann sowohl homolytisch als auch heterolytisch erfolgen:

H-H H+ H Homolyse H-H H++ H Heterolyse

Die meisten Reaktionen des Wasserstoffs verlaufen unter intermediärer Bildung von H-Atomen (Radikale), die häufig beim Zusammenstoß mit anderen Radikalen erzeugt werden.

Bei Raumtemperatur setzt sich Wasserstoff ohne Aktivierung nur mit wenigen Elementen oder Verbindungen um, mit Fluor z.B. explosionsartig zum Fluorwasserstoff, HF:

H2+ F2 2HF

Mit zahlreichen anderen Stoffen reagiert H2 erst bei erhöhter Temperatur (Reaktionen 1-3), bei Bestrahlung mit UV-Licht (Reaktion 4) oder unter Einsatz von Katalysatoren (Reaktion 5):

2H2+ O2 2H2O
Ca+ H2 CaH2
CuO+ H2 Cu+ H2O
H2+ Cl2 2HCl
N2+ 3H2 2NH3

Die Reaktionen mit Sauerstoff bzw. Chlor verlaufen nach einem Radikalkettenmechanismus (Kettenreaktion), der ungesteuert zu einer Explosion führt ( Knallgas - bzw. Chlorknallgas-Reaktion).

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