1, Wasserstoff (H)

Hydrogenium, gr. hydor = Wasser, gennan = bilden; Wasserbildner

Das Element Wasserstoff:

         
   
  H He  
  Li Be  
         
 
   
   
   
   
   
   
   
Natürliche Entstehung von Wasserstoff (Nukleosynthese): Wasserstoff ist im Universum das mit Abstand am häufigsten vorkommende Element. So bestand direkt nach dem Urknall alle Materie aus Wasserstoff (neben etwas Helium), während die schwereren Elemente erst infolge der Kernfusionsprozesse innerhalb der Sterne, sowie deren Supernova-Explosionen am Ende ihres Lebens gebildet wurden. Demnach wird der Wasserstoff-Anteil im Laufe der Geschichte des Universums auf Kosten von Helium immer weiter abnehmen.

Es gibt natürlich drei Atom-Arten (= Isotope) des Wasserstoffs:

Dabei ist das Protium (der normale oder leichte Wasserstoff, 1H) die häufigste Atomart des Wasserstoffs.

Deuterium (auch "schwerer Wasserstoff" genannt, zu 0,015% im natürlichen Isotopengemisch enthalten, 2H) ist dagegen, genau wie Helium-3 oder die Lithium- und Beryllium-Isotope, eher als Bruchstück größerer Atomkerne infolge Supernova-Explosionen entstanden, was sich in dem Umstand seiner geringen Verbreitung ausdrückt. Er ist eines von vier Isotopen, welches mit sowohl ungerader Neutronen- wie auch Protonenzahl stabil ist.

Daneben existiert in der Natur zu 10-15 % im natürlichen Isotopengemisch noch das Tritium (auch "überschwerer Wasserstoff" genannt, 3H), welches durch infolge der kosmischen Strahlung in höheren atmosphärischen Schichten entstehenden freien Neutronen die auf Stickstoff-Atome treffen, gebildet wird:

Bildung von Tritium aus Stickstoff und freien Neutronen:

14N + 1n → 12C + 3H + 4,015 MeV

Tritium ist radioaktiv, und zerfällt unter Aussendung von Betastrahlen (freien Elektronen) mit einer Halbwertzeit von 12,3 Jahren zu Helium-3.
Vorkommen von Wasserstoff: Das Universum besteht noch immer zu 75% aus Wasserstoff. Dieser Anteil nimmt jedoch langsam, aber fortwährend zugunsten vor allem von Helium, Sauerstoff und Neon zu.

Wasserstoff ist auf der Erde das neunthäufigste Element. Damit ist es gegenüber seinem Vorkommen auf der Sonne (90%) und dem Universum stark abgereichert. Dies hängt damit zusammen, dass bei der Entstehung der Erde nur ein geringer Teil des ursprünglich vorhandenen Wasserstoffs chemisch an andere Elemente (vorallem an Sauerstoff) gebunden werden konnte, und der ganz überwiegende Teil als elementarer Wasserstoff in relativ kurzer Zeit ins freie Weltall abdiffundierte. Aus demselben Grunde sind auch die Edelgase, welche ja chemisch inert sind, ebenfalls in ihren irdischen Vorkommen gegenüber der Häufigkeit im Universum abgereichert (mit Ausnahme des Argons, siehe dort).

Die wichtigste Verbindung des Wasserstoffs ist sein Oxid, das Wasser (H2O). Dieses bedeckt 72% der Oberfläche der Erde. Das zweithäufigste Vorkommen von Wasserstoff ist zweifelsohne in den organischen Verbindungen der Natur, welche ganz überwiegend aus den Elementen Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff bestehen. Daneben hat das Methan (als einfachster Kohlenwasserstoff, CH4) als fossile Energiequelle (Erdgas) eine wichtige Bedeutung. Bei Verrottungsprozessen entstehen ebenfalls Wasserstoffverbindungen: Der nach faulen Eiern riechende Schwefelwasserstoff (H2) ist ein äußerst giftiges Gas, welches bei der Verwesung von Eiweißen entsteht. Der charakteristisch stechend riechende Ammoniak ist die Sticktoffvebindung des Wasserstoffs (NH3), welche als wässrige Lösung im Haushalt als Reinigungsmittel Verwendung findet. Auch der Ammoniak entsteht bei der Verfaulung pflanzlicher oder tierischer Überreste.

Wichtige Wasserstoff-Vorkommen

Wasser[1]
H2O.

Erdölprobe[2]
CnH2n+2, n=5-10

Sonnen-Oberfläche[3]


Wasserstoff-Gewinnung: Kohlevergasung: Elementarer Wasserstoff wird technisch durch Überleiten von heißem Wasserdampf über glühenden Koks gewonnen. Dabei entsteht das Wassergas. Das primär gebildetete Kohlenmonoxid (CO) wird mit weiterem Wasser unter Katalyse mit Nickel(III)oxid oder Chrom(III)oxid zu Wasserstoff umgesetzt, wobei Kohlendioxid entsteht. Durch Auswaschen des Synthesegases mit Soda- oder Pottaschelösungen sowie anschließender Waschung mit Kupfer(I)chlorid-Lösung kann CO2 und CO entfernt werden. Dabei wird auch der Schwefelwasserstoff, der aus dem in der Kohle enthaltenen Schwefel entsteht, ebenfalls abgetrennt.

Gewinnung von Wasserstoff durch Kohlevergasung:

C + H2O + 175,3 kJ/mol → CO + H2; Wassergas-Erzeugung

CO + H2O + 2,8 kJ → CO2 + H2; Wassergas-Shift-Reaktion

C + 2 H2O + 178,1 kJ → CO2 + 2 H2; Gesamtreaktion



Elektrochemisch aus Wasser: Effektiv kann Wasserstoff auch durch Elektrolyse aus Wasser gewonnen werden. Man verwendet hierzu, da die Eigenleitfähigkeit reinen Wassers sehr gering ist, geeignete Elektrolyte. Als besonders geeignet hat sich die Elektrolyse 70 bis 90°C heißer 25% Kaliumhydroxid-Lösungen erwiesen, die bei einer Stromdichte von 0,15 bis 0,5 A/cm2 und einer Spannung von 1,9 V elektrolysiert werden. Diese Darstellung hat einen Wirkungsgrad von 80%. Dabei werden an der Kathode Kalium-Ionen an der negativ geladenen Kathode entladen, und bilden dann elementares Kalium. Dieses reagiert sofort mit dem Wasser zurück zu Kaliumhydroxid und Wasserstoff, der aufsteigt und abgefangen werden kann. An der Anode werden die Hydroxid-Ionen an der positiv geladenen Anode zu Hydroxyl-Radikalen entladen, welche sofort zu Wasserstoffperoxid weiterreagieren. Dieser zerfällt jedoch gleich weiter nach Wasser und Sauerstoff. Der Sauerstoff kann gleich dem Wasserstoff abgeleitet und aufgefangen werden.

Elektrolyse von Wasser (verdünnte KOH-Lösung):
Kathode:

4 K+ + 4 e- → 4 K
4 K + 2 H2O → 4 KOH + 2H2
Anode:

4 OH- → 2 H2O2 + 4e-
2 H2O2 → 2 H2O + O2
Gesamtreaktion:

2 H2O + 571,6 kJ → 2 H2 + O2


Durch Umsatz unedler Metalle mit Säure: Im Labormaßstab durch Reaktion unedler Metalle mit Säuren. So kann Wasserstoff beispielsweise durch Zink oder Aluminium mittels Salzsäure im Kipp'schen Apparat gewonnen werden.

Verschiedene Wasserstoffgewinnungsmethoden:

Kippscher Apparat.

Elektrolyse

Kohlevergasung


Darstellung aus Methan (Steam-Reforming): Hierbei wird Methan (oder ein beliebiges anderes Alkan) und Wasserdampf bei 900°C an Nickel als Katalysator umgesetzt, wobei der gesamte gebundene Wasserstoff reduktiv erhalten werden kann. Als Nebenprodukt entsteht Kohlenmonoxid.

CH4 + H2O + 249,9 kJ → CO + 3 H2
oder
C3H8 + 3 H2O + 629,7 kJ → 3 CO + 7 H2



Aus Calciumbromid und Wasser. Hierzu wird im ersten Schritt Calciumbromid mit Wasser bei 750°C zu Calciumoxid und Bromwasserstoffgas umgesetzt. Der entstandene Bromwasserstoff wird bei 100°C an Quecksilber zu Quecksilberbromid und elementaren Wasserstoff umgesetzt. Quecksilberbromid reagiert dann mit dem Calciumoxid weiter zu Calciumbromid und Quecksilberoxid. Dieses Mischung bildet beim Erhitzen wieder Quecksilber zurück, wobei Sauerstoff frei wird. Im Endefeekt wirken also Quecksilber und Calciumbromid nur katalytisch.

2 CaBr2 + 2 H2O —750°C→ 2 CaO + 4 HBr

4 HBr + 2 Hg —100°C→ 2 HgBr2 + 2 H2

2 HgBr2 + 2 CaO —25°C→ 2 HgO + 2 CaBr2

2 HgO —500°C→ Hg + O2



Darstellung unter Katalyse mit Eisen(II)chlorid und Chlor: Hierzu wird zunächst Eisen(II)chlorid mit Wasser umgesetzt, wodurch Eisen(II,III)oxid, Chlorwasserstoff und elementarer Wasserstoff entstehen. Das Eisen(II,III)oxid wird dann mit Chlor und Salzsäure zu Eisen(III)chlorid, Wasser und Sauerstoff weiter umgesetzt. Im letzten Schritt wird das entstandene Eisen(III)chlorid thermisch zersetzt,wodurch das Eisen(II)chlorid zurück gebildet wird, sowie das ebenfalls für die Reaktion relevante Chlor.

6 FeCl2 + 8 H2O —500°C;rarr; 2 Fe3O4 + 12 HCl + 2 H2

2 Fe3O4 + 3 Cl2 —100°C→ 6 FeCl3 + 6 H2O + O2

6 FeCl3 —500°C→ 6 FeCl2 + 3 Cl2



Durch wiederholtes Synthetisieren und Zersetzen von Natriumhydrid: Natriumhydrid setzt in Wasser Wasserstoff frei, und zwar pro Mol NaH werden zwei Mol H2 gewonnen. Setzt man den Wasserstoff nun wieder mit Natrium quantitiv um, so werden pro Mol Wasserstoff 2 Mol Natriumhydrid gewonnen. So kann durch wiederholtes Umsetzen jedesmal die Menge an Wasserstoff verdoppelt werden, wobei als Nebenprodukt Natronlauge.

2 Na + 1 H2 → 2 NaH

2 NaH + 2 H2 → 2 NaOH + 2 H2


Chemie von Wasserstoff: Wasserstoff kommt in seinen Verbindungen stets in den Oxidationsstufen +1 (gegenüber elektronegativeren Partnern, Nichtmetalle) oder -1 (gegenüber elektropositiveren Partnern, Metalle) vor.

Da der Wasserstoff in seiner Atomhülle nur ein einzelnes Elektron hat, kann er keine positiven Ionen bilden, da dies das Auftreten freier Protonen bedeuten würde. Daher sind auch die Verbindungen mit stark elektronegativen Atomen oder Molekülen stets stark polare Atomverbindungen. Dies betrifft die Verbindungen des Wasserstoffs mit Sauerstoff, Fluor und Stickstoff, welche durch die hohe EN-Differenz starke Dipole aufweisen, und dadurch Wasserstoff-Brücken untereinander bilden. Dadurch bedingt haben Ammoniak (NH3, Wasserstoffnitrid), Wasser (H2O, Wasserstoffoxid) und Fluorwasserstoff (HF) bei Weitem höhere Schmelz- und Siedepunkte, als es von ihrer Molekülmasse zu erwarten wäre.

Mit weniger stark elektronegativen Elementen (Phosphor, Kohlenstoff, Schwefel, Chlor, Brom, Iod) bildet der Wasserstoff tief schmelzende und siedende Verbindungen, in welchen er leicht positiv polarisiert vorliegt.

Gegenüber noch stärker elektropositiven Elementen werden kovalent gebaute Hydride gebildet, in welchen dem Wasserstoff eine eher negative Partialladung zukommt. Diese Verbindungen sind entweder flüchtig oder hochpolymer.

Gegenüber den Alkali-, Erdalkalimetallen, sowie gegenüber Europium, Ytterbium und Nobelium werden salzartige Hydride gebildet, in welchem "echte" H--Anionen vorliegen.

Mit den meisten anderen Metallen werden legierungsartige bis kovalent gebaute Hydride gebildet, in welchem der Wasserstoff eine negative Formalladung zukommt.

Keine Verbindungen bildet der Wasserstoff mit den Edelgasen.

Die Verbindungen des Wasserstoffs sind auf den jeweiligen Element-Seiten näher beschrieben.
Physikalische Besonderheiten von Wasserstoff bzw. von seinen Verbindungen: Da Wasserstoff mit einem Proton das einfachste Atom darstellt, und biatomar vorkommt, ist er das leichteste aller Elemente.

Wasserstoff verhält sich (wie auch Helium) annähernd wie ein ideales Gas.
Verwendung von Wasserstoff und seinen Verbindungen :
  • Wasserstoff als Treibstoff: Da elementarer Wasserstoff mit Sauerstoff zu Wasser verbrennt, gewinnt er als umweltfreundlicher Treibstoff immer mehr an Bedeutung.

  • Schweißgas: Zusammen mit Sauerstoff kann beim Verbrennen eine Temperatur von 3000°C erzielt werden, weswegen es als Schweißgas für bestimmte Hochtemperatur-Anwendungen Verwendung findet.

  • Kohlehydrierung: Mit zunehmender Verknappung der natürlichen Erdgas- und ölresourcen gewinnt die Kohlehydrierung mehr an Bedeutung. Dabei wird Kohlenstoff mittels höherer Temperaturen und Drücke sowie unter Verwendung von Katalysatoren mit Wasserstoff zu Kohlenwasserstoffen umgesetzt.

Handelsware: Wasserstoff werden in rot gefärbten Druckgasflaschen in den Handel gebracht. Diese haben am Anschluss ein Linksgewinde, um damit Verwechselungen mit anderen Gasen zu vermeiden.

Verwendung von wichtigen Wasserstoffverbindungen:
  • Wasser ist neben seiner grundessentiellen biologischen Bedeutung auch der wichtigste Stoff in Technik und Chemie. Viele Reaktionen laufen in wässrigem Medium ab.

  • Mineralöl ist noch immer wichtigster Ausgangsstoff der organischen Synthesen zur Gewinnung zahlreicher Produkte (siehe auch bei Kohlenstoff).
Quellen: [1] Eigenes Bild. Dieses Bild darf unter den Bedingungen der Creative Commons Lizenz frei verwendet werden. Bei Verwendung bitte einen Link auf mein Web-Angebot setzen.

[2] Bildquelle: Wikimedia Commons. Urheber: Markus Schweiss. Das Bild ist unter den Bedingungen der Creative Commons Lizenz freigegeben.

[3] Bildquelle: NASA. Das Bild als Werk einer US-Behörde unterliegt der Gemeinfreiheit, wenn nicht anders angegeben.