Techniklexikon

Wasserstoff

(ehem. Symbol H): Reiner W. ist ein färb-, geruch- und geschmackloses, ungiftiges und brennfähiges Gas. W neigt zu atomarer (Atom) Doppelbindung und wird dann als molekularer (Molekül) W mit H2 bezeichnet. H2 verbrennt mit kaum sichtbarer, schwach bläulicher Flamme zu Wasserdampf. Gemische aus H2 und Luft/Sauerstoff heißen Knallgas und sind explosibel. W gilt als ein möglicher künftiger Energieträger, der (bis auf Stickoxide) umweltfreundlich verbrennt, sich wie Erdgas in Rohrleitungen transportieren und in Speichern lagern läßt. Obwohl Wasser der ideale Rohstoff zur Gewinnung von W. wäre, wird er heute zu etwa 77% aus Erdöl/ Erdgas und zu rund 18% aus Kohle hergestellt. Nur etwa 4 bis 5% der verbrauchten W. menge werden durch Elektrolyse gewonnen. Erzeugt und genutzt wird W. fast ausschließlich in der Industrie, vor allem der chemischen. Für eine W. Energiewirtschaft, die seit Jahren diskutiert wird, kommt wahrscheinlich nur elektrolytisch erzeugter W in Frage. Weil dazu große Elektrizitätsmengen erforderlich sind, hat die weiträumige Versorgung mit W. nur dann eine Chance, wenn der Strom äußerst billig ist. Aus dieser Erkenntnis entstand die vor allem von Ludwig Bölkow propagierte Solare W. Energiewirtschaft mit photovoltaischen (Photovoltaik) Großkraftwerken in ariden, sonnenreichen Regionen, wie der Sahara. Der dort gewonnene W. könnte durch Pipelines nach Mitteleuropa gepumpt oder in flüssiger Form mit Schiffen in europäische Häfen transportiert werden. Im kleinen wird ein Solar-Wasserstoff-Projekt in Neunburg vorm Wald, Oberpfalz, verwirklicht. Der Umgang mit W. gas würde keine grundsätzlich neue Technik erfordern; zu gewissen Zeiten bestand das bekannte Stadtgas bis zu 70% ausW Zur Nutzung der imW. enthaltenen Energie muß dieser nicht unbedingt verbrannt werden, er kann auch in Brennstoffzellen eingesetzt werden. Der untere —> Heizwert von W. gas beträgt 10760 kJ/Nm3 (Normalkubikmeter). Chemie, Physikalische Chemie, leichter Wasserstoff, H, Element der Hauptgruppe I des Periodensystems, Ordnungszahl 1. Es kommt in gebundener Form im Wasser (H₂O) und in anorganischen und organischen Verbindungen vor und besteht aus drei Isotopen: Protium, Deuterium und Tritium. Im molekularen Wasserstoff können die Kernspins der beiden Wasserstoffatome parallel (Orthowasserstoff) oder antiparallel (Parawasserstoff) orientiert sein.

Die Sonne besteht zu 80 Atom-% aus Wasserstoff, dessen Umwandlung in Helium Energie für das Leben auf der Erde in Form von Licht und Wärme erzeugt. Wasser und Wasserstoffsäuren können Wasserstoffionen (Protonen, H⁺) abspalten (Protonendonor; Dissoziation des Wassers) und auf andere Verbindungen / Moleküle (Protonenakzeptor) übertragen. Der Säuregehalt einer wässrigen Lösung wird als pH-Wert angegeben. Diwasserstoff (H₂) reagiert mit Sauerstoff nach thermischer Initiierung explosionsartig unter starker Wärmeentwicklung (Knallgas). Die Knallgasreaktion wird zum autogenen Schneiden und Schweissen von Metallen genutzt. Grosse Bedeutung kommt dem Wasserstoff in der ¹H-NMR-Spektroskopie zu. Wasserstoff ist ein wichtiger Energieträger und wird z.B. als Brennstoff in Raketenantrieben und zur Energiegewinnung in Brennstoffzellen eingesetzt. Ausserdem dient Wasserstoff als Schutzgas bei der Herstellung hochreiner Elemente für die Mikroelektronik.

Wasserstoff 1: Wichtige Isotope.

bottom:solid gray 1.0pt;border-right: none;mso-border-top-alt:solid gray .75pt;mso-border-left-alt:solid black .75pt; mso-border-bottom-alt:solid gray .75pt;padding:0cm 3.55pt 0cm 3.55pt\'> Isotop	bottom:solid gray 1.0pt;border-right:none;mso-border-top-alt: solid gray .75pt;mso-border-bottom-alt:solid gray .75pt;padding:0cm 3.55pt 0cm 3.55pt\'> natürliche Häufigkeit [%]	bottom:solid gray 1.0pt;border-right:none;mso-border-top-alt: solid gray .75pt;mso-border-bottom-alt:solid gray .75pt;padding:0cm 3.55pt 0cm 3.55pt\'> Atommasse	bottom:solid gray 1.0pt;border-right:solid black 1.0pt; mso-border-top-alt:solid gray .75pt;mso-border-bottom-alt:solid gray .75pt; mso-border-right-alt:solid black .75pt;padding:0cm 3.55pt 0cm 3.55pt\'> Halbwertszeit T1/2
1H	99,985	1,007825	stabil
2H	0,015	2,01410	stabil
bottom:solid gray 1.0pt;border-right:none; mso-border-left-alt:solid black .75pt;mso-border-bottom-alt:solid gray .75pt; padding:0cm 3.55pt 0cm 3.55pt\'> 3H	bottom:solid gray 1.0pt; mso-border-bottom-alt:solid gray .75pt;padding:0cm 3.55pt 0cm 3.55pt\'> 0	bottom:solid gray 1.0pt; mso-border-bottom-alt:solid gray .75pt;padding:0cm 3.55pt 0cm 3.55pt\'> 3,01605	bottom:solid gray 1.0pt;border-right:solid black 1.0pt; mso-border-bottom-alt:solid gray .75pt;mso-border-right-alt:solid black .75pt; padding:0cm 3.55pt 0cm 3.55pt\'> 12,26 a

 

Wasserstoff 2: Allgemeine, chemische und festkörperphysikalische Eigenschaften.

bottom:none;border-right:none; mso-border-top-alt:solid black .75pt;mso-border-left-alt:solid black .75pt; padding:0cm 3.55pt 0cm 3.55pt\'> relative Atommasse (12C = 12,0000)	bottom:none;border-right:solid black 1.0pt; mso-border-top-alt:solid black .75pt;mso-border-right-alt:solid black .75pt; padding:0cm 3.55pt 0cm 3.55pt\'>   1,00794
Dichte [g cm-3]
273 K (g)	0,08988
20 K (l)	0,07080
11 K (f)	0,07660
Molvolumen 11 K [cm3]	13,26
bottom:solid black 1.0pt;border-right:none; mso-border-left-alt:solid black .75pt;mso-border-bottom-alt:solid black .75pt; padding:0cm 3.55pt 0cm 3.55pt\'> Oxidationszahlen	bottom:solid black 1.0pt;border-right:solid black 1.0pt; mso-border-bottom-alt:solid black .75pt;mso-border-right-alt:solid black .75pt; padding:0cm 3.55pt 0cm 3.55pt\'>   -I, 0, I

 

Wasserstoff 3: Thermische und elektromagnetische Eigenschaften.

bottom:none;border-right:none; mso-border-top-alt:solid black .75pt;mso-border-left-alt:solid black .75pt; padding:0cm 3.55pt 0cm 3.55pt\'> Siedetemperatur [K]	bottom:none;border-right:solid black 1.0pt; mso-border-top-alt:solid black .75pt;mso-border-right-alt:solid black .75pt; padding:0cm 3.55pt 0cm 3.55pt\'>     20,28
Schmelztemperatur [K]	14,1
Tripelpunkt [K]	13,96
kritische Temperatur [K]	33,2
kritischer Druck [kPa]	1297
kritisches Volumen [cm3]	65,0
Siedeenthalpie [kJ mol-1]	0,12
Schmelzenthalpie [kJmol-1]	0,90
Wärmeleitfähigkeit (300 K) [Wm-1 K-1]	0,1815
bottom:solid black 1.0pt;border-right:none; mso-border-left-alt:solid black .75pt;mso-border-bottom-alt:solid black .75pt; padding:0cm 3.55pt 0cm 3.55pt\'> spezifische magnetische Suszeptibilität (g) [10-8 kg-1 m3]	bottom:solid black 1.0pt;border-right:solid black 1.0pt; mso-border-bottom-alt:solid black .75pt;mso-border-right-alt:solid black .75pt; padding:0cm 3.55pt 0cm 3.55pt\'>     -2,5

 

Wasserstoff 4: Atom- und kernphysikalische Eigenschaften.

bottom:none;border-right:none; mso-border-top-alt:solid black .75pt;mso-border-left-alt:solid black .75pt; padding:0cm 3.55pt 0cm 3.55pt\'> Termsymbol	bottom:none;border-right:solid black 1.0pt; mso-border-top-alt:solid black .75pt;mso-border-right-alt:solid black .75pt; padding:0cm 3.55pt 0cm 3.55pt\'> 2S1/2
1. Ionisierungsenergie [eV]	13,595
Elektronenaffinität [eV]	0,754
Elektronegativität (Pauling)	2,20
effektive Kernladung (Slater)	1,0
magnetisches Moment [mB]	1,732
Ionenradius [nm]
H-	0,154
H+	10-5
Kovalenzradius [nm]	0,030
Van-der-Waals-Radius [nm]	0,120
Atomradius [nm]	0,078
Kernspin
1H	1 / 2
2H	1
3H	1 / 2
kernmagnetisches Moment [mK]
1H	2,79284
2H	0,85743
3H	2,97896
bottom:solid black 1.0pt;border-right:none;mso-border-left-alt:solid black .75pt; mso-border-bottom-alt:solid black .75pt;padding:0cm 3.55pt 0cm 3.55pt\'> Einfangquerschnitt für thermische Neutronen [barn]	bottom:solid black 1.0pt;border-right:solid black 1.0pt; mso-border-bottom-alt:solid black .75pt;mso-border-right-alt:solid black .75pt; padding:0cm 3.55pt 0cm 3.55pt\'>      0,332