zum Directory-modus

Ortho- und Para-Wasserstoff

In einem Atom rotieren wie die Elektronen auch die Protonen um ihre eigene Achse, d.h. sie besitzen einen Spin. Diese Rotation wird durch die Spinquantenzahl s = +½ charakterisiert, für die entgegen gesetzte Rotationsrichtung gilt s = −½.

Bitte Flash aktivieren.

Bitte Flash aktivieren.

Abb.1
ortho-Wasserstoff
Abb.2
para-Wasserstoff

Als Folge dieses Kernspins existieren beim Wasserstoff zwei Formen von H2-Molekülen: der ortho-Wasserstoff mit parallelen (symmetrischen) Spins der beiden Protonen sowie der para-Wasserstoff mit antiparallelen (antisymmetrischen) Kernspins.

Beide Formen des Wasserstoffs stehen miteinander in einem dynamischen, temperaturabhängigen Gleichgewicht:

o - H p - H + Energie

Die gegenseitige Umwandlung verläuft über die Dissoziation der Moleküle und die anschließende Rekombination der Atome, wobei die Spinkopplung entsprechend der Gleichgewichtslage erfolgt.

Ortho- und para-Wasserstoff haben verschiedene Energieinhalte - die ortho-Form ist die energiereichere. In der Nähe des absoluten Nullpunkts (-273,15 °C) liegt reiner para-Wasserstoff vor. Mit steigender Temperatur verschiebt sich das Gleichgewicht zugunsten von o-H2. Bei Raumtemperatur besteht Wasserstoff aus einer Mischung von 75 % o-H2 und 25 % p-H2. Die Einstellung des Gleichgewichts (siehe oben) bei verschiedenen Temperaturen erfolgt bei Abwesenheit von Katalysatoren außerordentlich langsam. Dadurch lassen sich unter Ausnutzung der geringfügig voneinander abweichenden physikalischen Eigenschaften (Schmelzpunkt, Siedepunkt, Wärmeleitfähigkeit, Ad- und Desorptionsverhalten) ortho- oder para-Wasserstoff anreichern und trennen.

Besondere Beachtung erfordert die exotherme Umwandlung von o-H2 in p-H2 bei der Lagerung von flüssigem Wasserstoff, da die beim Umwandlungsprozess frei werdende Wärme zur Verdampfung und damit zum Verlust an Wasserstoff führen kann. Dies lässt sich durch einen Zusatz von Aktivkohle vermeiden, die als Katalysator bereits bei der Verflüssigung eine nahezu vollständige Verschiebung des Gleichgewichts zugunsten des para-Wasserstoffs bewirkt.