Wasserstoff.

Ein großer Energieträger mit vielleicht noch größerer Zukunft ist Wasserstoff. Denn bei seiner Verbrennung entsteht nichts weiter als Wasserdampf. Und er ließe sich ökologisch durch Solarenergie aus Wasser gewinnen.

Entdeckung, Luft- und Raumfahrtkastrophen
  • Entdeckung von Wasserstoff → 1766 durch den englischen Chemiker und Physiker Henry Cavendish
  • Die Luftschiffskatastrophe → Am 6. Mai 1937 ereignete sich das katastrophale Unglück des größten Luftschiffes der Welt, der LZ 129 „Hindenburg“. Der Zeppelin war 245 Meter lang und erreichte eine Geschwindigkeit von bis zu 125 km/h. In seiner Hülle befanden sich 200.000 Kubikmeter Wasserstoff. Nach einem dreitägigen Flug über den Atlantik geriet es nahe New York kurz vor seiner Landung in Lakehurst in Brand und stürzte ab. In knapp einer Minute war die Hülle des Luftschiffes abgebrannt. Wie durch ein Wunder überlebten das Unglück 61 Passagiere, 35 Menschen fanden den Tod.
  • Raumfahrtkatastrophe 1 → Am 28.1.1986 geschah das bis dahin schwerste Unglück in der Geschichte der bemannten Raumfahrt. Die US-Raumfähre CHALLENGER explodierte mit ihren 7 Astronauten wenige Sekunden nach ihrem Start etwa 8 km vor der Küste Floridas. Die Explosion kam aus dem riesigen Treibstofftank, der noch den größten Teil der knapp 1,5 Millionen Liter flüssigen Wasserstoff und mehr als eine halbe Million Liter flüssigen Sauerstoff enthielt, die den Treibstoff der Haupttriebwerke der Rakete bildeten. Die Kraft der Explosion übertraf die der größten herkömmlichen Bomben. Die Raumfähre wurde durch die Explosion in Stücke gerissen. Viele Menschen, die den Start beschaut hatten, waren Augenzeuge.
  • Raumfahrtkatastrophe 2 → Bereits am 12.04.1981 startete das Space-Shuttle COLUMBIA zu ihrem ersten Flug. Die folgenden Flüge verliefen [trotz fehlender vorheriger Tests] nahezu reibungslos, abgesehen von einigen Hitzekachelschäden. Bei der Rückkehr von ihrem 28. Flug am 1. Februar 2003 jedoch brach die Raumfähre bei ihrer Rückkehr in etwa 60 km Höhe bei einer Geschwindigkeit von über 20.000 km/h auseinander. Hier lag die Ursache an einem defekten Hitzeschutzschild, da die Shuttles nur beim Starten Treibstoffbehälter mit Wasserstoff mit sich führen. Zugleich läutete diese Katastrophe das Ende der Space Shuttles der NASA ein.
Vorkommen und Eigenschaften von Wasserstoff
  • Vorkommen auf der Erde → nur selten frei, meist gebunden in anderen Stoffen existierend [z.B. im Wasser, Methan, Erdgas, Erdöl, in Mineralien]
  • Vorkommen im All → z.B. in der Sonne [den größten Teil der Masse unsere Sonnensystems ausmachend, Kernfusion von Wasserstoff- zu Heliumatomen als Energiequelle], auf dem Saturn und Jupiter und vielen Sternen inner- und außerhalb unseres Universum
  • Eigenschaften bei 20°C → farbloses, geruchloses Gas; viel kleinere Dicht als Luft [ρ = 0,089 g/m3], leichtestes Gas [über 14-mal leichter als Luft]; brennbar [im Gemisch mit Luft explosiv], kaum wasserlöslich
  • Verbrennung → Wasserstoff reagiert mit Sauerstoff zu Wasser [stark exotherm]
    2 H2(g) + O2(g) 2 H2O (g) ; ΔH = -571,8 kJ/mol
    Jeweils zwei Wasserstoffmoleküle reagieren mit einem Sauerstoffmolekül zu 2 Wassermolekülen.
  • Sicherheitshinweise → große Vorsicht infolge der Explosionsgefahren und der leichten Entzündlichkeit von Wasserstoff
Formel und Bau des Wasserstoffmoleküls
  • Name → Wasserstoff
  • englisch → Hydrogen
  • Beschreibung → Molekül aus 2 Wasserstoffatomen bestehend, die durch eine Elektronenpaarbindung [Atombindung] verbunden sind; beide Atomkerne ziehen das gemeinsame [bindende] Elektronenpaar [grün] gleich stark an [zum Vergrößern Bild anklicken]
  • Formel → H2
    chemisches Zeichen für 1 Molekül Wasserstoff und für das Gas (also den Stoff) Wasserstoff
Darstellung aus unedlen Metallen und Nachweis von Wasserstoff
  • Darstellung von Wasserstoff → aus unedlen Metallen durch Reaktion mit Säurelösungen [eine Redoxreaktion], Beispiel: Reaktion von Zink mit Salzsäurelösung [verdünnte Chlorwasserstoffsäure] [exotherm]
    Zn + 2 HClZnCl2 + H2 ; ΔH = - n kJ/mol
    Darstellung von Wasserstoff im KIPPschen Gasentwickler → durch Redoxreaktion von Zink mit Salzsäurelösung [exotherm] Zum Vergrößern Skizze anklicken!
  • Ionengleichung → Ionenschreibweise für die Beispielreaktion [vereinfacht ohne Oxoniumionen] ...
    Zn + 2 H+ + 2 Cl- Zn2+ + 2 Cl- + H2 ; ΔH = - n kJ/mol
  • Redoxreaktion [Elektronenübergang] → Zinkatome geben je 2 Elektronen ab, die von je 2 Wasserstoffionen aufgenommen werden, so dass 2 Wasserstoffatome [und daraus 1 Wasserstoffmolekül] gebildet werden können:
    Elektronenabgabe [Oxidation]: Zn Zn2++ 2 e-
    Elektronenaufnahme [Reduktion]: 2 H++ 2 e- 2 H H2
  • Knallgas → explosives Gemisch eines brennbaren Gases [z.B. Wasserstoff] mit Luft [Sauerstoff]
  • Knallgasprobe → Prüfen der Sauerstofffreiheit eines brennbaren Gases [z.B. verbrennt reiner Wasserstoff mit schwach blauer Flamme und geräuschlos]; Probe mit kleinster Gasmenge
  • Nachweis von Wasserstoff → Wasserbildung bei der Verbrennung bzw. Knallgasprobe [entwässertes Kupfer(II)-sulfat verfärbt sich bei Wasseranwesenheit von weiß nach hellblau]
  • Reaktionsgleichung für die Verbrennung von Wasserstoff Jeweils zwei Wasserstoffmoleküle reagieren mit einem Sauerstoffmolekül zu 2 Wassermolekülen:
    2 H2 + O2 2 H2O ; ΔH = -571 kJ/mol
Herstellung in der Industrie
  • Variante 1 → Elektrolyse von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff durch elektrischen Strom [Zerlegung von Wasser ist endotherm], siehe auch hier
    2 H2O 2 H2 + O2 ; ΔH = +571,8 kJ/mol
    Hinweis: Statt durch elektrischen Strom ließe sich Wasser auch durch sehr hohe Temperaturen zerlegen.
  • Variante 2 → Dampfreformierung von Kohlenwasserstoffen [z.B. aus Erdgas] mit Wasser unter hohem Druck und hohen Temperaturen, wobei Kohlenstoffmonooxid und Wasserstoff entstehen; z.B. aus Methan:
    CH4 + H2O CO + 3 H2 ; ΔH = +206 kJ/mol
    Um mehr Wasserstoff zu erhalten, wird Kohlenstoffmonooxid mit Wasserdampf am Katalysator weiter zu Kohlenstoffdioxid umgesetzt [exotherm]:
    CO + H2O CO2 + H2 ; ΔH = -41 kJ/mol
Elektrolyse von Wasser im Hofmannschen Apparat
  • Grundlagen → Elektrolyse von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff durch elektrischen Strom [Zerlegung von Wasser ist endotherm] an Platinelektronen, Gesamtreaktion:
    2 H2O 2 H2 + O2 ; ΔH = +571,8 kJ/mol

    Entsprechend Reaktionsgleichung entsteht das doppelte Volumen an Wasserstoff im Vergleich zu Sauerstoff.

  • Hofmannscher Wasserzersetzungsapparat geeignete Laborapparatur zur Zerlegung von Wasser mittels elektrischem Strom [Wasser muss mit Schwefelsäure angesäuert werden]
    • Kathode [Minuspol] → Elektronenaufnahme [Reduktion] in saurer Lösung; Bildung von Wasserstoff ...
      4 H3O++ 4 e-4 H2O + 2 H2
    • Anode [Pluspol] → Anode [Pluspol], Elektronenabgabe [Oxidation] in saurer Lösung; BIldung von Sauerstoff ...
      6 H2O 4 H3O++ O2 + 4 e-
    • Auch die Verwendung einer basischen Lösung wäre möglich, dann gestalten sich die Reaktionen etwas anders, die Gesamtreaktion bleibt aber am Ende dieselbe. Im Hofmannschen Apparat hat sich aber Schwefelsäure als praktisch günstigerer leitfähigkeitsfördernder Zusatz erwiesen.
    • Zum Vergrößern Grafik anklicken.
Wasserstoff als Energieträger
  • Energieerzeugung durch Verbrennung Durch Verbrennung von Wasserstoff lässt sich Wärmeenergie gewinnen und in andere Energie umwandeln. Beispielsweise gibt es Fahrzeuge, die mit Wasserstoff betrieben werden. Als "Abgas" entsteht lediglich Wasserdampf.
  • Wasserstofferzeugung und Ökologie Da zur Wasserstoffgewinnung aus Wasser Energie nötig ist, macht ökologisch der Einsatz von Solarenergie einen Sinn [mehr].
  • Brennstoffzellen Wasserstoff spielt auch als Zwischenprodukt bei der Energieerzeugung mittels Brennstoffzellen eine Rolle. Mehr dazu im Homepageteil Physik hier.
Aufbewahrung und weitere Verwendungsmöglichkeiten
  • Aufbewahrung → Stahlflaschen mit Druckminderungsventil [roter Ring]
  • Verwendung → für chemische Synthesen [Ammoniak, Chlorwasserstoff usw. oder für Hydrierungen z.B. bei der Fetthärtung etc.], zum autogenen Schweißen und Brennschneiden von Stahl [heute seltener], als Energieträger [Raketen, Wasserstofffahrzeuge etc.]
Einige Fachbegriffe dieser Seite
  • Aggregatzustände in Reaktionsgleichungen → (g) gasförmig [gaseous], (l) flüssig [liquid], (s) fest [solid]; (aq) wässrige Lösung
  • Reaktionswärme [Reaktionsenthalpie] exotherm [Abgabe von Wärmeenergie] ΔH = -n kJ/mol; endotherm [Aufnahme von Wärmeenergie] ΔH = +n kJ/mol; manchmal auch mit Q = ... statt ΔH angegeben (Q für Wärmemenge); Schreibweise der Einheit kJ/mol auch als kJ · mol-1 möglich
    Bei umkehrbaren Reaktionen gilt die Angabe für die Hinreaktion [für die Rückreaktion dann das Gegenteil]!
  • ΔH → Änderung der Enthalpie bei einer Reaktion, also Energiebilanz bei einer chemischen Reaktion unter konstantem Druck [Differenz der Enthalpie der Produkte und Ausgangsstoffe, d.h. ihrer chemischen Energien]
  • Elektronenpaarbindung [Atombindung] → Art der chemischen Bindung, die auf Anziehungskräften zwischen einem gemeinsamen Elektronenpaar [negativ geladen] und den positiv geladenen Atomkernen der beteiligten Atome beruht; typische Bindung in Molekülen
  • Redoxreaktion → Reaktion mit Elektronenübergang; mindestens ein Elektron wird von einem Teilchen abgegeben [Reduktionsmittel; wird oxidiert], das von einem anderen Teilchen [Oxidationsmittel, wird reduziert] wieder aufgenommen wird
  • umkehrbare Reaktion → Einstellung eines chemischen Gleichgewichts zwischen Hin- und Rückreaktion; gekennzeichnet mit einem Doppelpfeil [mehr]
  • Oxoniumion H3O+ entsteht jeweils aus einem Wasserstoffionen H+ und einem Wassermolekül [d.h. dass Wasserstoffionen in wässriger Lösung niemals frei existieren, sondern sich stets an ein Wassermolekül binden]
    H+ + H2O H3O+
Quellenangaben
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