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Wasserstoff

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1 (keiner) Wasserstoff Helium
-

H

Dass
Periodensystem - Erweitertes Periodensystem
Allgemein
Name , Symbol, Zahl Wasserstoff, H, 1
Chemische Reihe Nichtmetalle
Gruppe, Periode, Block 1, 1, s
Aussehen farblos
Atommasse 1,00794 (7) g/mol
Elektronenkonfiguration 1s 1
Elektronen pro Schale 1
Physikalische Eigenschaften
Phase Gas
Dichte (0 °C, 101,325 kPa)
0,08988 g/l
Schmelzpunkt 14.01 K
(-259,14 °C, -434,45 °F)
Siedepunkt 20,28 K
(–252,87 °C, –423,17 °F)
Dreifacher Punkt 13,8033 K, 7,042 kPa
Kritischer Punkt 32,97 K, 1,293 MPa
Schmelzwärme (H zwei ) 0,117 kJ·mol −1
Verdampfungswärme (H zwei ) 0,904 kJ·mol −1
Wärmekapazität (25 °C) (H zwei )
28.836 Jmol −1 ·K −1
P / Brunnen 1 10 100 1 k 10 k 100 k
bei T /K fünfzehn zwanzig
Atomare Eigenschaften
Kristallstruktur sechseckig
Oxidationszustände 1 , −1
( amphoteres Oxid)
Elektronegativität 2,20 (Pauling-Skala)
Ionisationsenergien 1.: 1312,0 kJ/mol
Atomradius 25 Uhr
Atomradius (berechnet) 53 Uhr (Bohr-Radius)
Kovalenter Radius 37 Uhr
Van-der-Waals-Radius 120 Uhr
Sonstig
Wärmeleitfähigkeit (300 K) 180,5 mW·m −1 ·K −1
Schallgeschwindigkeit (Gas, 27 °C) 1310 m/s
CAS-Registrierungsnummer 1333-74-0
Ausgewählte Isotope
iso DAS Halbwertszeit DM VON DP
1 H 99,985 % H ist stabil mit 0 Neutronen
zwei H 0,0115 % H ist stabil mit 1 Neutron
3 H verfolgen 12.32 und b 0,019 3 Er
Verweise

Wasserstoff (EINSCHLAG: /ˈhaɪdrə(ʊ)dʒən/ , Latein: ' Wasserstoff' , aus dem Altgriechischen ὕδωρ ( hudor ): „Wasser“ und altgriechisch γείνομαι ( geinomai ): „zeugen oder zeugen“) ist a Chemisches Element das, in der Periodensystem , hat das Symbol H und eine Ordnungszahl von 1. Bei Standardtemperatur und -druck ist es eine farblose, geruchlose, nichtmetallische, geschmacklose, hochentzündliche zweiatomige Gas (H zwei ). Mit einer Atommasse von 1,00794 g/mol ist Wasserstoff das leichteste Element. Es ist auch das am häufigsten vorkommende und macht etwa 75 % der elementaren Masse des Universums aus. Sterne in der Hauptreihe bestehen hauptsächlich aus Wasserstoff Plasma Zustand. Elementarer Wasserstoff ist auf der Erde relativ selten und wird industriell aus Kohlenwasserstoffen hergestellt, wonach der meiste freie Wasserstoff „gefangen“ (d. h. lokal am Produktionsstandort) verwendet wird, wobei die größten Märkte zu etwa gleichen Teilen zwischen der Aufwertung fossiler Brennstoffe (z. B. Hydrocracken) aufgeteilt sind. und in Ammoniak Produktion (hauptsächlich für den Düngemittelmarkt). Wasserstoff lässt sich jedoch ganz einfach durch Elektrolyse aus Wasser herstellen.

Das häufigste natürlich vorkommende Isotop von Wasserstoff hat eine einzige Proton und nein Neutronen . In ionischen Verbindungen kann es entweder eine positive Ladung annehmen (wird zu einem Kation, das aus einem bloßen Proton besteht) oder eine negative Ladung (wird zu einem Anion, das als Hydrid bekannt ist). Wasserstoff kann mit den meisten Elementen Verbindungen eingehen und ist darin enthalten Wasser und die meisten organischen Verbindungen. Es spielt eine besonders wichtige Rolle in der Säure-Base-Chemie, in der viele Reaktionen den Austausch von Protonen zwischen löslichen Molekülen beinhalten. Als einziges neutrales Atom, für das die Schrödinger-Gleichung analytisch gelöst werden kann, hat die Untersuchung der Energetik und Bindung des Wasserstoffatoms eine Schlüsselrolle bei der Entwicklung von gespielt Quantenmechanik .



Nomenklatur

Das Wort „Wasserstoff“ hat verschiedene Bedeutungen:

  1. das Name eines Elements .
  2. ein Atom , manchmal auch 'H-Punkt' genannt, das im Weltraum reichlich vorhanden ist, aber auf der Erde im Wesentlichen fehlt, weil es dimerisiert.
  3. a zweiatomiges Molekül die natürlicherweise in Spuren in der Erdatmosphäre vorkommen; Chemiker beziehen sich zunehmend auf H zwei als Diwasserstoff, um dieses Molekül von atomarem Wasserstoff und Wasserstoff in anderen Verbindungen zu unterscheiden.
  4. das Atom Bestandteil in allen organischen Verbindungen, Wasser und vielen anderen chemischen Verbindungen.

Das elementar Formen von Wasserstoff sollten nicht mit Wasserstoff verwechselt werden, wie er in chemischen Verbindungen vorkommt.

Geschichte

Entdeckung von H zwei

Wasserstoffgas, H zwei , wurde erstmals von T. von Hohenheim (auch bekannt als Paracelsus, 1493–1541) durch Mischen von Metallen mit starken Säuren künstlich hergestellt und formal beschrieben. Er war sich nicht bewusst, dass das brennbare Gas, das durch diese chemische Reaktion entsteht, ein neues chemisches Element ist. 1671, Robert Boyle die Reaktion zwischen Eisenspänen und verdünnten Säuren wiederentdeckt und beschrieben, bei der Wasserstoffgas entsteht. 1766 war Henry Cavendish der erste, der Wasserstoffgas als eigenständige Substanz erkannte, indem er das Gas aus einer Metall-Säure-Reaktion als 'entzündliche Luft' identifizierte und weiter feststellte, dass das Gas beim Verbrennen Wasser erzeugt. Cavendish war beim Experimentieren mit Säuren auf Wasserstoff gestoßen Merkur . Obwohl er fälschlicherweise annahm, Wasserstoff sei ein freigesetzter Bestandteil des Quecksilbers und nicht der Säure, war er dennoch in der Lage, mehrere Schlüsseleigenschaften von Wasserstoff genau zu beschreiben. Normalerweise wird ihm die Entdeckung als Element zugeschrieben. 1783, Antoine Lavoisier gab dem Element den Namen Wasserstoff, als er (mit Laplace) Cavendishs Feststellung reproduzierte, dass Wasser entsteht, wenn Wasserstoff verbrannt wird. Lavoisiers Name für das Gas hat sich durchgesetzt.

Eine der ersten Anwendungen von H zwei war für Luftballons. Das H zwei wurde durch Umsetzung erhalten Schwefelsäure und metallisch Eisen . Berüchtigt ist H zwei wurde im Luftschiff Hindenburg eingesetzt, das bei einem Brand in der Luft zerstört wurde.

Rolle in der Geschichte der Quantentheorie

Aufgrund seiner relativ einfachen atomaren Struktur, die nur aus einem Proton und einem Elektron besteht, stand das Wasserstoffatom zusammen mit dem von ihm erzeugten oder absorbierten Lichtspektrum im Mittelpunkt der Entwicklung der Theorie der Wasserstoffatome atomar Struktur. Darüber hinaus ist die entsprechende Einfachheit des Wasserstoffmoleküls und des entsprechenden Kations H zwei + ermöglichte ein umfassenderes Verständnis der Natur der chemischen Bindung, die kurz nach der Entwicklung der quantenmechanischen Behandlung des Wasserstoffatoms Mitte der 1920er Jahre folgte.

Einer der ersten Quanteneffekte, der explizit bemerkt (aber damals nicht verstanden) wurde, war Maxwells Beobachtung vor einem halben Jahrhundert Quantenmechanische Theorie angekommen. Er beobachtete, dass die spezifische Wärmekapazität von H zwei weicht unerklärlicherweise unterhalb der Raumtemperatur von der eines zweiatomigen Gases ab und beginnt bei kryogenen Temperaturen zunehmend der eines einatomigen Gases zu ähneln. Nach der Quantentheorie ergibt sich dieses Verhalten aus dem Abstand der (quantisierten) Rotationsenergieniveaus, die in H besonders weit auseinander liegen zwei wegen seiner geringen Masse. Diese weit beabstandeten Niveaus verhindern eine gleichmäßige Aufteilung der Wärmeenergie in eine Rotationsbewegung in Wasserstoff bei niedrigen Temperaturen. Zweiatomige Gase, die aus schwereren Atomen bestehen, haben nicht so weit auseinander liegende Niveaus und zeigen nicht die gleiche Wirkung.

Natürliches Vorkommen

  NGC 604, eine riesige Region aus ionisiertem Wasserstoff in der Dreiecksgalaxie   Vergrößern NGC 604, ein Riese Bereich des ionisierten Wasserstoffs in der Dreiecksgalaxie

Wasserstoff ist das am häufigsten vorkommende Element im Universum und macht 75 % der normalen Materie nach Masse und über 90 % nach Anzahl der Atome aus. Dieses Element kommt in großer Menge vor Sterne und Gasriese Planeten. Molekülwolken von H zwei sind mit der Sternentstehung verbunden. Wasserstoff spielt eine entscheidende Rolle bei der Stromversorgung Sterne durch Proton-Proton-Reaktion Kernfusion.

Im gesamten Universum kommt Wasserstoff hauptsächlich im atomaren und Plasma Zustände, deren Eigenschaften sich stark von molekularem Wasserstoff unterscheiden. Als Plasma sind Elektron und Proton des Wasserstoffs nicht aneinander gebunden, was zu einer sehr hohen elektrischen Leitfähigkeit und einem hohen Emissionsvermögen führt (das Licht aus dem erzeugt Sonne und andere Sterne ). Die geladenen Teilchen werden stark von magnetischen und elektrischen Feldern beeinflusst. Zum Beispiel interagieren sie im Sonnenwind mit der Magnetosphäre der Erde, wodurch Birkeland-Ströme und die Aurora entstehen. Wasserstoff befindet sich im neutralen atomaren Zustand im interstellaren Medium. Es wird angenommen, dass die große Menge an neutralem Wasserstoff, die in den gedämpften Lyman-Alpha-Systemen gefunden wird, die kosmologische baryonische Dichte des Universum bis zu Rotverschiebung Mit =4.

Unter normalen Bedingungen auf der Erde existiert elementarer Wasserstoff als zweiatomiges Gas H zwei (Daten siehe Tabelle). Allerdings ist Wasserstoffgas in der Erdatmosphäre aufgrund seines geringen Gewichts sehr selten (1 ppm nach Volumen), wodurch es der Erdanziehungskraft leichter entkommen kann als schwerere Gase. Obwohl H-Atome und H zwei Moleküle sind im interstellaren Raum reichlich vorhanden, sie sind auf der Erde schwierig zu erzeugen, zu konzentrieren und zu reinigen. Der größte Teil des Wasserstoffs der Erde liegt in Form von chemischen Verbindungen wie Kohlenwasserstoffen und Wasser . Wasserstoffgas wird von einigen produziert Bakterien und Algen und ist ein natürlicher Bestandteil von Blähungen. Methan ist eine Wasserstoffquelle von zunehmender Bedeutung.

Das Wasserstoffatom

Elektronenenergieniveaus

  Darstellung eines Wasserstoff-1-Atoms oder Protiums, das den Van-der-Waals-Radius und den Protonenkern zeigt   Vergrößern Darstellung eines Wasserstoff-1-Atoms oder Protiums, das den Van-der-Waals-Radius und den Protonenkern zeigt

Das Grundzustandsenergieniveau des Elektrons in einem Wasserstoffatom beträgt 13,6 eV, was einem Ultraviolett entspricht Photon von etwa 92 nm.

Die Energieniveaus von Wasserstoff können ziemlich genau mit dem Bohr-Atommodell berechnet werden, das das Elektron so konzipiert, dass es das Proton in Analogie zur Erdbahn um die Sonne 'umkreist'. Die elektromagnetische Kraft zieht jedoch Elektronen und Protonen an, während Planeten und Himmelsobjekte voneinander angezogen werden Schwere . Wegen der schon früh postulierten Diskretisierung des Drehimpulses Quantenmechanik nach Bohr kann das Elektron im Bohr-Modell nur bestimmte erlaubte Abstände zum Proton und damit nur bestimmte erlaubte Energien einnehmen. Eine genauere Beschreibung des Wasserstoffatoms ergibt sich aus einer rein quantenmechanischen Behandlung, die die verwendet Schrödinger-Gleichung um die Wahrscheinlichkeitsdichte des Elektrons um das Proton zu berechnen. Die Behandlung des Elektrons als Materiewelle reproduziert chemische Ergebnisse wie die Form des Wasserstoffatoms natürlicher als das teilchenbasierte Bohr-Modell, obwohl die Energie- und Spektralergebnisse dieselben sind. Eine vollständige Modellierung des Systems unter Verwendung der reduzierten Masse von Kern und Elektron (wie man es beim Zweikörperproblem in der Himmelsmechanik tun würde) ergibt eine noch bessere Formel für die Wasserstoffspektren und auch die korrekten spektralen Verschiebungen für die Isotope Deuterium und Tritium. Sehr kleine Anpassungen der Energieniveaus im Wasserstoffatom, die tatsächlichen spektralen Effekten entsprechen, können bestimmt werden, indem eine vollständige quantenmechanische Theorie verwendet wird, die die Effekte von korrigiert Spezielle Relativität (siehe Dirac-Gleichung) und durch Berücksichtigung von Quanteneffekten, die durch die Erzeugung virtueller Teilchen im Vakuum und als Ergebnis elektrischer Felder entstehen (siehe Quantenelektrodynamik).

In Wasserstoffgas wird das Energieniveau des elektronischen Grundzustands aufgrund von in Hyperfeinstrukturniveaus aufgeteilt magnetisch Auswirkungen des quantenmechanischen Spins von Elektron und Proton. Die Energie des Atoms, wenn die Spins von Proton und Elektron ausgerichtet sind, ist höher als wenn sie nicht ausgerichtet sind. Der Übergang zwischen diesen beiden Zuständen kann durch Emission eines Photons durch einen magnetischen Dipolübergang erfolgen. Radioteleskope kann die dabei entstehende Strahlung detektieren, mit der die Wasserstoffverteilung in der Galaxie kartiert wird.

Isotope

  Protium, das häufigste Wasserstoffisotop, hat ein Proton und ein Elektron. Einzigartig unter allen stabilen Isotopen enthält es keine Neutronen. (siehe Diproton für eine Diskussion darüber, warum andere nicht existieren)   Vergrößern Protium, das häufigste Wasserstoffisotop, hat ein Proton und ein Elektron. Einzigartig unter allen stabilen Isotopen enthält es keine Neutronen. (siehe Diproton für eine Diskussion darüber, warum andere nicht existieren)

Wasserstoff hat drei natürlich vorkommende Isotope, bezeichnet 1 H, zwei Hand 3 H. Andere, sehr instabile Kerne ( 4 H zu 7 H) wurden im Labor synthetisiert, aber nicht in der Natur beobachtet.

  • 1 H ist mit einer Häufigkeit von über 99,98 % das häufigste Wasserstoffisotop. Denn der Kern dieses Isotops besteht nur aus einem einzigen Proton , erhält es den beschreibenden, aber selten verwendeten formalen Namen Protein .
  • zwei H , das andere stabile Wasserstoffisotop, ist bekannt als Deuterium und enthält ein Proton und eins Neutron in seinem Kern. Deuterium macht 0,0026–0,0184 % des gesamten Wasserstoffs auf der Erde aus. Es ist nicht radioaktiv und stellt keine signifikante Toxizitätsgefahr dar. Wasser, das mit Molekülen angereichert ist, die Deuterium anstelle von normalem Wasserstoff enthalten, wird als schweres Wasser bezeichnet. Deuterium und seine Verbindungen werden als nicht radioaktive Markierung in chemischen Experimenten und in Lösungsmitteln verwendet 1 H- NMR-Spektroskopie. Schweres Wasser wird als Neutronenmoderator und Kühlmittel für Kernreaktoren verwendet. Deuterium ist auch ein potenzieller Brennstoff für die kommerzielle Kernfusion.
  • 3 H ist bekannt als Tritium und enthält ein Proton und zwei Neutronen in seinem Kern. Es ist radioaktiv, zerfällt durch Beta-Zerfall mit einer Halbwertszeit von 12,32 Jahren. Geringe Mengen an Tritium kommen natürlicherweise aufgrund der Wechselwirkung von kosmischer Strahlung mit atmosphärischen Gasen vor; Tritium wurde auch bei Atomwaffentests freigesetzt. Es wird in Kernfusionsreaktionen, als Tracer in der Isotopengeochemie verwendet und ist auf energieautarke Beleuchtungsgeräte spezialisiert. Tritium wurde früher routinemäßig in chemischen und biologischen Markierungsexperimenten als radioaktive Markierung verwendet (dies ist seltener geworden).

Wasserstoff ist das einzige Element, das heute unterschiedliche Namen für seine Isotope hat. (Während der frühen Untersuchung der Radioaktivität wurden verschiedenen schweren radioaktiven Isotopen Namen gegeben, aber solche Namen werden nicht mehr verwendet). Die Symbole D und T (statt zwei Hand 3 H) werden manchmal für Deuterium und Tritium verwendet, aber das entsprechende Symbol P wird bereits für verwendet Phosphor und steht somit für Protium nicht zur Verfügung. IUPAC gibt an, dass diese Verwendung zwar üblich ist, aber nicht bevorzugt wird.

Elementare molekulare Formen

  Erste Spuren in Flüssigwasserstoff-Blasenkammer beobachtet   Vergrößern Erste Spuren in Flüssigwasserstoff-Blasenkammer beobachtet

Es gibt zwei verschiedene Arten von zweiatomigen Wasserstoffmolekülen, die sich durch den relativen Spin ihrer Kerne unterscheiden. In der Orthowasserstoffform sind die Spins der beiden Protonen parallel und bilden einen Triplettzustand; in der Parawasserstoffform sind die Spins antiparallel und bilden ein Singulett. Bei Standardtemperatur und -druck enthält Wasserstoffgas etwa 25 % der Para-Form und 75 % der Ortho-Form, die auch als „Normalform“ bekannt ist. Das Gleichgewichtsverhältnis von Orthowasserstoff zu Parawasserstoff hängt von der Temperatur ab, aber da die Orthoform ein angeregter Zustand ist und eine höhere Energie als die Paraform hat, ist sie instabil und kann nicht gereinigt werden. Bei sehr tiefen Temperaturen besteht der Gleichgewichtszustand fast ausschließlich aus der para-Form. Die physikalischen Eigenschaften von reinem Parawasserstoff weichen geringfügig von denen der Normalform ab. Die ortho/para-Unterscheidung tritt auch bei anderen wasserstoffhaltigen Molekülen oder funktionellen Gruppen wie Wasser und Methylen auf.

Die unkatalysierte Umwandlung zwischen para- und ortho-H zwei nimmt mit steigender Temperatur zu; also schnell kondensiertes H zwei enthält große Mengen der energiereichen Ortho-Form, die sich sehr langsam in die Para-Form umwandeln. Das Ortho/Para-Verhältnis in kondensiertem H zwei ist ein wichtiger Aspekt bei der Herstellung und Speicherung von flüssigem Wasserstoff: Die Umwandlung von ortho zu para ist exotherm und erzeugt genügend Wärme, um den flüssigen Wasserstoff zu verdampfen, was zu einem Verlust des verflüssigten Materials führt. Katalysatoren für die ortho-para-Umwandlung, wie z Eisen Verbindungen, werden während der Wasserstoffkühlung verwendet.

Chemische und physikalische Eigenschaften

Die Löslichkeits- und Adsorptionseigenschaften von Wasserstoff mit verschiedenen Metallen sind sehr wichtig Metallurgie (da viele Metalle unter Wasserstoffversprödung leiden können) und bei der Entwicklung sicherer Möglichkeiten zur Lagerung für die Verwendung als Brennstoff. Wasserstoff ist in vielen Verbindungen aus Seltenerdmetallen und Übergangsmetallen gut löslich und kann sowohl in kristallinen als auch in amorphen Metallen gelöst werden. Die Wasserstofflöslichkeit in Metallen wird durch lokale Verzerrungen oder Verunreinigungen im Metallkristallgitter beeinflusst.

Verbrennung

  Wasserstoff kann an der Luft schnell brennen und wurde für die Katastrophe mit Hindenburg am 6. Mai 1937 verantwortlich gemacht   Vergrößern Wasserstoff kann an der Luft schnell verbrennen und wurde für die Katastrophe mit verantwortlich gemacht Hindenburg am 6. Mai 1937

Wasserstoffgas ist leicht entzündlich und brennt bei Konzentrationen von nur 4 % H zwei in der Luft. Die Verbrennungsenthalpie für Wasserstoff beträgt –286 kJ/mol; es verbrennt gemäß der folgenden ausgeglichenen Gleichung.

2 Std zwei (g) + O zwei (g) → 2 Std zwei O(l) + 572 kJ

Wasserstoff explodiert, wenn er mit Sauerstoff in einem weiten Bereich von Anteilen gemischt wird, wenn er gezündet wird. Wasserstoff brennt heftig an der Luft. Wasserstoff-Sauerstoff-Flammen sind für das bloße Auge nahezu unsichtbar, wie die schwache Flamme der Haupttriebwerke des Space Shuttle zeigt (im Gegensatz zu den leicht sichtbaren Flammen der Shuttle-Booster). Daher ist es schwierig, visuell festzustellen, ob ein Wasserstoffleck brennt. Die Flammen des Hindenburg-Zeppelins, die auf dem nebenstehenden Bild zu sehen sind, stammen von der Deckhaut des Zeppelins, die Kohlenstoff und pyrophores Aluminiumpulver enthielt, das möglicherweise das Feuer ausgelöst hat. Ein weiteres Merkmal von Wasserstoffbränden ist, dass die Flammen dazu neigen, mit dem Gas in der Luft schnell aufzusteigen, was weniger Schaden anrichtet als Kohlenwasserstoffbrände. Zwei Drittel der Hindenburg-Passagiere überlebten und starben durch Stürze oder Benzinverbrennungen.

H zwei reagiert direkt mit anderen oxidierenden Elementen. Bei Raumtemperatur kann eine heftige und spontane Reaktion auftreten Chlor und Fluor , wobei die entsprechenden Halogenwasserstoffe, Chlorwasserstoff und Fluorwasserstoff gebildet werden.

Verbindungen

Kovalente und organische Verbindungen

Während H zwei ist unter Standardbedingungen nicht sehr reaktiv, bildet aber mit den meisten Elementen Verbindungen. Millionen von Kohlenwasserstoffen sind bekannt, aber sie entstehen nicht durch die direkte Reaktion von elementarem Wasserstoff und Kohlenstoff. Wasserstoff kann Verbindungen mit elektronegativeren Elementen wie Halogenen (z. B. F, Cl, Br, I) und Chalkogenen (O, S, Se) bilden; in diesen Verbindungen nimmt Wasserstoff eine partielle positive Ladung an. Wenn verbunden Fluor , Sauerstoff , oder Stickstoff- , kann Wasserstoff an einer Form starker nichtkovalenter Bindungen teilnehmen, die als Wasserstoffbindung bezeichnet wird und für die Stabilität vieler biologischer Moleküle von entscheidender Bedeutung ist. Wasserstoff bildet auch Verbindungen mit weniger elektronegativen Elementen, wie z Metalle und Metalloide, in denen es eine teilweise negative Ladung annimmt. Diese Verbindungen werden oft als Hydride bezeichnet.

Wasserstoff bildet eine Vielzahl von Verbindungen mit Kohlenstoff . Aufgrund ihrer allgemeinen Assoziation mit Lebewesen wurden diese Verbindungen als organische Verbindungen bezeichnet; Das Studium ihrer Eigenschaften ist als organische Chemie bekannt und ihr Studium im Zusammenhang mit dem Leben Organismen wird als Biochemie bezeichnet. Nach einigen Definitionen müssen 'organische' Verbindungen nur Kohlenstoff enthalten (als klassisches historisches Beispiel Harnstoff). Die meisten von ihnen enthalten jedoch auch Wasserstoff, und da es die Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindung ist, die dieser Klasse von Verbindungen die meisten ihrer besonderen chemischen Eigenschaften verleiht, werden Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindungen in einigen Definitionen des Wortes 'organisch' in der Chemie benötigt. (Diese letztere Definition ist jedoch nicht perfekt, wie es Harnstoff in dieser Definition tun würde nicht als organische Verbindung enthalten sein).

In der anorganischen Chemie können Hydride auch als Brückenliganden dienen, die zwei Metallzentren in einem Koordinationskomplex verknüpfen. Diese Funktion ist besonders häufig bei Elementen der Gruppe 13, insbesondere bei Boranen ( Bor Hydride) und Aluminium Komplexe sowie in geclusterten Carboranen.

Hydride

Wasserstoffverbindungen werden oft als Hydride bezeichnet, ein Begriff, der ziemlich locker verwendet wird. Für Chemiker bedeutet der Begriff 'Hydrid' normalerweise, dass das H-Atom einen negativen oder anionischen Charakter angenommen hat, der als H bezeichnet wird . Die Existenz des Hydridanions, vorgeschlagen von G.N. Lewis 1916 für salzartige Hydride der Gruppen I und II, wurde 1920 von Moers mit der Elektrolyse von geschmolzenem Lithiumhydrid (LiH) demonstriert, die eine stöchiometrische Menge Wasserstoff an der Anode erzeugte. Für andere Hydride als Metalle der Gruppen I und II ist der Begriff angesichts der geringen Elektronegativität von Wasserstoff ziemlich irreführend. Eine Ausnahme bei den Hydriden der Gruppe II ist BeH zwei , das polymer ist. In Lithiumaluminiumhydrid ist das AlH 4 Anion trägt hydridische Zentren, die fest mit dem Al(III) verbunden sind. Obwohl Hydride mit fast allen Hauptgruppenelementen gebildet werden können, ist die Anzahl und Kombination möglicher Verbindungen sehr unterschiedlich; Beispielsweise sind über 100 binäre Boranhydride bekannt, aber nur ein binäres Aluminiumhydrid. Binär Indium Hydrid wurde noch nicht identifiziert, obwohl größere Komplexe existieren.

'Protonen' und Säuren

Oxidation von H zwei ergibt formal das Proton H + . Diese Spezies steht im Mittelpunkt der Diskussion über Säuren, obwohl der Begriff Proton lose verwendet wird, um sich auf positiv geladenen oder kationischen Wasserstoff zu beziehen, der als H bezeichnet wird + . Ein nacktes Proton H + kann in Lösung nicht existieren, da es stark dazu neigt, sich mit Elektronen an Atome oder Moleküle zu binden. Um die bequeme Fiktion des nackten „solvatisierten Protons“ in Lösung zu vermeiden, wird manchmal angenommen, dass saure wässrige Lösungen das Hydroniumion (H 3 Ö + ) organisiert in Clustern, um H zu bilden 9 Ö 4 + . Andere Oxoniumionen werden gefunden, wenn Wasser in Lösung mit anderen Lösungsmitteln ist.

Obwohl exotisch auf der Erde, ist eines der häufigsten Ionen im Universum das H 3 + Ion, bekannt als protonierter molekularer Wasserstoff oder das dreiatomige Wasserstoffkation.

Produktion

H zwei wird in Chemie- und Biologielabors produziert, oft als Nebenprodukt anderer Reaktionen; in der Industrie zur Hydrierung ungesättigter Substrate; und in der Natur als Mittel zum Austreiben von Reduktionsäquivalenten in biochemischen Reaktionen.

Laborsynthesen

Im Labor H zwei wird üblicherweise durch die Reaktion von Säuren auf Metallen wie z Zink .

Zn + 2 Std + → Zn 2+ +H zwei

Aluminium produziert h zwei bei Behandlung mit Säuren, aber auch mit Basen:

2 Al + 6 H zwei O → 2Al(OH) 3 + 3 Std zwei

Die Elektrolyse von Wasser ist ein einfaches Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff, wobei der entstehende Wasserstoff zwangsläufig einen geringeren Energieinhalt hat, als zu seiner Herstellung benötigt wurde. Durch das Wasser wird ein Niederspannungsstrom geleitet, und an der Anode bildet sich gasförmiger Sauerstoff, während an der Kathode gasförmiger Wasserstoff entsteht. Typischerweise besteht die Kathode aus Platin oder einem anderen inerten Metall, wenn Wasserstoff zur Speicherung erzeugt wird. Wenn das Gas jedoch vor Ort verbrannt werden soll, ist Sauerstoff wünschenswert, um die Verbrennung zu unterstützen, und daher würden beide Elektroden aus inerten Metallen hergestellt werden. (Eisen beispielsweise würde oxidieren und damit die abgegebene Sauerstoffmenge verringern.) Der theoretische maximale Wirkungsgrad (verbrauchter Strom vs. energetischer Wert des erzeugten Wasserstoffs) liegt zwischen 80 und 94 %. Bellona-Bericht über Wasserstoff

2H zwei O(aq) → 2H zwei (g) + O zwei (g)

Industrielle Synthesen

Wasserstoff kann auf verschiedene Arten hergestellt werden, aber die wirtschaftlich wichtigsten Verfahren umfassen die Entfernung von Wasserstoff aus Kohlenwasserstoffen. Kommerzieller Massenwasserstoff wird üblicherweise durch Dampfreformieren von hergestellt Erdgas . Bei hohen Temperaturen (700–1100 °C; 1.300–2.000 °F) reagiert Dampf (Wasserdampf) mit Methan zu Kohlenmonoxid und H zwei .

CH 4 + H zwei Ö → CO + 3 HO zwei

Diese Reaktion wird bei niedrigen Drücken bevorzugt, wird aber dennoch bei hohen Drücken (20 atm; 600 inHg) durchgeführt, da Hochdruck H zwei ist das marktfähigste Produkt. Das Produktgemisch wird als „Synthesegas“ bezeichnet, da es häufig direkt zur Herstellung von Methanol und verwandten Verbindungen verwendet wird. Andere Kohlenwasserstoffe als Methan können zur Herstellung von Synthesegas mit unterschiedlichen Produktverhältnissen verwendet werden. Eine der vielen Komplikationen dieser hochoptimierten Technologie ist die Bildung von Koks oder Kohlenstoff:

CH 4 → C + 2 H zwei

Folglich wird beim Dampfreformieren typischerweise ein Überschuss an H verwendet zwei Ö.

Zusätzlicher Wasserstoff aus der Dampfreformierung kann aus dem Kohlenmonoxid durch die Wassergas-Shift-Reaktion gewonnen werden, insbesondere mit einem Eisenoxid-Katalysator. Diese Reaktion ist auch eine übliche industrielle Quelle von Kohlendioxid :

CO+ H zwei Ö CO zwei +H zwei

Andere wichtige Methoden für H zwei Die Produktion umfasst die partielle Oxidation von Kohlenwasserstoffen:

CH 4 + 0,5 Ö zwei → CO + 2 HO zwei

und die Kohlereaktion, die als Auftakt für die obige Verschiebungsreaktion dienen kann:

C + H zwei Ö → CO + HO zwei

NB. Wasserstoff wird manchmal im selben industriellen Prozess produziert und verbraucht, ohne getrennt zu werden. Im Haber-Verfahren zur Herstellung von Ammoniak (die weltweit am fünfthäufigsten produzierte industrielle Verbindung) wird Wasserstoff aus Erdgas erzeugt.

Biologische Synthesen

H zwei ist ein Produkt einiger Arten des anaeroben Stoffwechsels und wird von mehreren Mikroorganismen produziert, normalerweise durch Reaktionen, die durch katalysiert werden Eisen - oder Nickel -enthaltende Enzyme namens Hydrogenasen. Diese Enzyme katalysieren die reversible Redoxreaktion zwischen H zwei und seine Komponente zwei Protonen und zwei Elektronen. Die Entwicklung von Wasserstoffgas erfolgt bei der Übertragung von Reduktionsäquivalenten, die während der Pyruvat-Fermentation produziert werden, zu Wasser.

Wasserspaltung, bei der Wasser in seine Bestandteile Protonen, Elektronen und Sauerstoff zerlegt wird, findet bei den Lichtreaktionen in allen photosynthetischen Organismen statt. Einige dieser Organismen – einschließlich der Alge Chlamydomonas reinhardtii und Cyanobakterien – haben einen zweiten Schritt in den Dunkelreaktionen entwickelt, bei denen Protonen und Elektronen zu H reduziert werden zwei Gas durch spezialisierte Hydrogenasen im Chloroplasten. Es wurden Anstrengungen unternommen, Cyanobakterien-Hydrogenasen genetisch zu modifizieren, um H effizient zu synthetisieren zwei Gas auch in Gegenwart von Sauerstoff.

Andere seltenere, aber mechanistisch interessante Routen zu H zwei Produktion gibt es auch in der Natur. Nitrogenase produziert ungefähr ein Äquivalent H zwei für jedes Äquivalent von N zwei zu Ammoniak reduziert. Einige Phosphatasen reduzieren Phosphit zu H zwei .

Anwendungen

Große Mengen an H zwei werden in der Mineralöl- und chemischen Industrie benötigt. Die größte Anwendung von H zwei ist für die Verarbeitung ('Upgrading') von fossilen Brennstoffen und bei der Herstellung von Ammoniak. Die Hauptkonsumenten von H zwei in der petrochemischen Anlage umfassen Hydrodealkylierung, Hydrodesulfurierung und Hydrocracken. H zwei hat mehrere andere wichtige Verwendungen. H zwei wird als Hydrierungsmittel verwendet, insbesondere zur Erhöhung des Sättigungsgrades von ungesättigten Fetten und Ölen (z. B. in Margarine) und bei der Herstellung von Methanol. Es ist in ähnlicher Weise die Wasserstoffquelle bei der Herstellung von Salzsäure . H zwei wird auch als Reduktionsmittel von metallischen Erzen verwendet.

Abgesehen von seiner Verwendung als Reaktant ist H zwei hat breite Anwendungen in Physik und Technik. Es wird als Schutzgas in verwendet Schweißen Verfahren wie Atom-Wasserstoff-Schweißen. H zwei wird als Rotorkühlmittel in elektrischen Generatoren in Kraftwerken verwendet, weil es die höchste Wärmeleitfähigkeit aller Gase hat. Flüssigkeit h zwei wird in der kryogenen Forschung verwendet, einschließlich Supraleitung Studien. Seit h zwei ist leichter als Luft, hat etwas mehr als 1/15 der Dichte von Luft und wurde früher häufig als Auftriebsmittel in Ballons verwendet Luftschiffe . Diese Verwendung wurde jedoch eingeschränkt, nachdem die Hindenburg-Katastrophe die Öffentlichkeit davon überzeugt hatte, dass das Gas für diesen Zweck zu gefährlich war.

Die selteneren Isotope von Wasserstoff haben ebenfalls jeweils spezifische Anwendungen. Deuterium (Wasserstoff-2) wird in Kernspaltungsanwendungen als Moderator zur Verlangsamung verwendet Neutronen , und in Kernfusionsreaktionen. Deuteriumverbindungen finden Anwendung in Chemie und Biologie in Studien von Reaktionsisotopeneffekten. Tritium (Wasserstoff-3), hergestellt in Kernreaktoren, wird zur Herstellung von Wasserstoffbomben, als Isotopenlabel in den Biowissenschaften und als Strahlungsquelle in Leuchtfarben verwendet.

Die Tripelpunkttemperatur von Gleichgewichtswasserstoff ist ein definierender Fixpunkt auf der ITS-90-Temperaturskala.

Wasserstoff als Energieträger

Nachdem Wasserstoff, genauer gesagt H zwei , wird heute im Energiekontext viel diskutiert. Wasserstoff ist keine Energie Quelle , da es keine reichlich vorhandene natürliche Ressource ist und zu seiner Herstellung mehr Energie aufgewendet wird, als letztendlich daraus gewonnen werden kann. Es könnte sich jedoch als nützlich erweisen Träger Energie, wie im Bericht des US-Energieministeriums aus dem Jahr 2003 erläutert: „Unter den verschiedenen alternativen Energiestrategien ist der Aufbau einer Energieinfrastruktur, die Wasserstoff – das dritthäufigste Element auf der Erdoberfläche – als primäres verwendet Träger das eine Vielzahl von Energiequellen mit unterschiedlichen Endnutzungen verbindet, kann eine sichere und saubere Energiezukunft für die Nation ermöglichen.“ Der Wasserstoff würde dann lokal in nutzbare Energie umgewandelt, entweder durch Verbrennung fossiler Brennstoffe oder durch elektrochemische Umwandlung in Elektrizität in einer Brennstoffzelle .

Ein theoretischer Vorteil der Verwendung von H zwei als Träger ist die Lokalisierung und Konzentration von ökologisch unerwünschten Aspekten der Wasserstoffherstellung. Zum Beispiel CO zwei Sequestrierung könnte an der Stelle von H durchgeführt werden zwei Produktion aus Methan. Wasserstoff könnte auch unter Verwendung der Wasserelektrolyse-Methode hergestellt werden; allerdings ist diese derzeit drei- bis sechsmal so teuer wie die Produktion aus Erdgas . Untersucht wird die Hochtemperaturelektrolyse, die eine höhere Effizienz verspricht. Gegenwärtig ist die Wasserstoffproduktion jedoch im Vergleich zu anderen Energiespeicherchemikalien teuer, und der Großteil des Wasserstoffs wird jetzt durch das kostengünstigste Verfahren hergestellt, das (wie erwähnt) Methan verwendet und das, wie es derzeit praktiziert wird, Treibhausgasemissionen erzeugt.