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Atomarer Wasserstoff

Atomarer Wasserstoff zeichnet sich durch eine im Vergleich zu den normalen H2-Molekülen wesentlich höhere Reaktivität aus. Aufgrund des ungepaarten Elektrons zeigen H-Atome die typischen Eigenschaften eines Radikals, d.h. sie sind paramagnetisch (H2: diamagnetisch) und besitzen eine ausgeprägte Tendenz zur Rekombination zum H2, allerdings unter der Voraussetzung, dass ein dritter Stoßpartner (Atom, Molekülen, Gefäßwand) zur Aufnahme der Rekombinationsenergie zur Verfügung steht. Freie H-Atome sind bei Raumtemperatur nur für einen Zeitraum von ca. 0,3-0,5 s existent.

Die Bindung zwischen den H-Atomen des Wasserstoff-Moleküls ist sehr stark, so dass zur homolytischen Spaltung von H2 in einzelne Wasserstoff-Atome eine beträchtliche Energiemenge (436 kJ mol-1) benötigt wird. Atomarer Wasserstoff kann daher aus H2-Molekülen nur durch starke Energiezufuhr, u.a. durch Erhitzen auf hohe Temperaturen (elektrischer Lichtbogen), Bestrahlung mit UV-Licht oder Mikrowellenbestrahlung erzeugt werden. Chemisch entstehen H-Atome zunächst auch bei der Umsetzung von unedlen Metallen mit Säuren oder der Elektrolyse von Wasser oder Salzlösungen (Wasserstoff "in statu nascendi" – im Augenblick des Entstehens, siehe Gewinnung von Wasserstoff).

Atomarer Wasserstoff ist in der Lage, viele Oxide, Sulfide und Halogenide schon bei normaler Temperatur zu den Elementen zu reduzieren. Bei der Reaktion mit Chlor, Brom, Iod, Schwefel, Phosphor, Arsen, Antimon, Germanium entstehen ohne äußere Energiezufuhr die entsprechenden binären Wasserstoff-Verbindungen. Die Umsetzung mit Sauerstoff führt bei tiefer Temperatur zu Wasserstoffperoxid bei Raumtemperatur zu Wasser. Analytisch interessant ist die Entwicklung von Arsen- oder Antimonwasserstoff, AsH3 bzw. SbH3, aus Arsen- oder antimonhaltigen Lösungen durch naszierenden Wasserstoff bei der Marsh'schen Probe. Eine wesentliche Rolle spielen H-Atome als Zwischenprodukte von Kettenreaktionen, z.B. der Knallgas- oder der Chlorknallgas-Reaktion).

Praktische Anwendung findet die bei der Rekombination von H-Atomen frei werdende Energie beim autogenen Schweißen schwer schmelzbarer Metalle mit dem Langmuir-Brenner. Hierbei wird ein scharfer Strahl des in einem elektrischen Lichtbogen erzeugten atomaren Wasserstoffs auf die Metalloberfläche gerichtet. An den Auftreffstellen entstehen durch die Rekombinationsprozesse Temperaturen von bis zu 4.000 °C, die es erlauben, hoch schmelzende Metalle wie Tantal (Schmelzpunkt: 3.000 °C) oder Wolfram (Siedepunkt: 3.410 °C) zu schweißen. Das Verfahren besitzt zugleich den Vorteil, dass der Wasserstoff eine Schutzatmosphäre bildet, die einen oxidativen Angriff von Luftsauerstoff auf die erhitzte Schweißfläche verhindert.