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Physikalische und chemische Eigenschaften des Wasserstoffs

Wasserstoff ist ein chemisches Element, das heißt ein Reinstoff, der mit chemischen Methoden nicht weiter zerlegt werden kann. Wasserstoff hat das Symbol H und ist mit über 90 % das häufigste Element im Universum. Als Bestandteil des Wassers ist er in beinahe allen organischen Verbindungen zu finden. Der Mensch selbst besteht zu ca. 10 % aus Wasserstoff.

Wasserstoff ist das chemische Element mit der geringsten Atommasse. Es besteht aus nur einem Proton und einem Elektron.

Wasserstoff kommt auf der Erde fast nur in molekularer Form vor, das heißt in Verbindung mit mindestens einem anderen Atom. Geht ein Wasserstoffatom mit sich selbst eine Verbindung ein, entsteht molekularer Wasserstoff H2, ein brennbares Gas. Wasserstoff ist aber auch zentraler Bestandteil von Wasser (H2O) oder Methan (CH4).

Eine wichtige Eigenschaft des Wasserstoffs ist die sogenannte Wasserstoffbrückenbindung, die nur für eine Dauer von Sekundenbruchteilen besteht. Ist Wasserstoff an ein stark elektronegatives Atom, wie zum Beispiel Fluor oder Sauerstoff, gebunden, so befindet sich sein Elektron eher in der Nähe des Bindungspartners. Es tritt also eine Ladungsverschiebung auf und das H-Atom wirkt nun positiv polarisiert. Der Bindungspartner wirkt entsprechend negativ. Kommen sich zwei solche Moleküle nahe genug, tritt eine anziehende elektrische Kraft zwischen dem positiven H-Atom des einen Moleküls und dem negativen Teil des jeweiligen Partners auf. Das ist eine Wasserstoffbrückenbindung.

Ohne Wasserstoffbrückenbindung wäre z. B. Wasser nicht flüssig. Die Wassermoleküle sind untereinander durch Wasserstoffbrückenbindungen verbunden, sodass der Phasenübergang von flüssigem Wasser zu gasförmigem Wasserdampf erschwert wird.

Wasserstoff ist das Element mit der geringsten Dichte. Molekularer Wasserstoff (H2) ist etwa 14,4-mal weniger dicht als Luft. Flüssiger Wasserstoff wiegt 70,8 Gramm pro Liter. Sein Schmelzpunkt liegt bei −259,2 °C, der Siedepunkt bei −252,9 °C.

Wasserstoff ist in Wasser und anderen Flüssigkeiten schlecht auflösbar. Seine Löslichkeit in Metallen ist dagegen deutlich höher.

Wasserstoff besitzt bei Raumtemperatur den höchsten Diffusionsgrad (Ausgleich von Konzentrationsunterschieden) und die höchste Wärmeleitfähigkeit aller Gase. Die Mobilität des Wasserstoffs in einer festen Matrix ist, bedingt durch den geringen Molekülquerschnitt, ebenfalls sehr hoch. Ein sehr wichtiges Phänomen ist die außerordentlich hohe Diffusionsgeschwindigkeit in Eisen, Platin und einigen anderen Metallen, da es dort zur Bildung von Rissen, der Wasserstoffversprödung, kommt. In Kombination mit einer hohen Löslichkeit treten bei einigen Werkstoffen extrem hohe Permeationsraten (Fähigkeit Feststoff zu durchdringen) auf.

Bei Temperaturen unterhalb von −252,9 °C kondensiert Wasserstoff zu einer klaren, farblosen Flüssigkeit. Dieser Zustand wird als LH2 abgekürzt. Unterhalb von −259,2 °C bildet Wasserstoff einen kristallinen Festkörper. Dort ist jedes Molekül von zwölf weiteren umgeben. Es bildet ein Hexagon. Am Gefrierpunkt bildet sich beim Abkühlen ein schlammartiges Zweiphasengemisch, ein sogenannter Slush.

Arbeitsauftrag 1

  1. Fülle die Lücken im Wasserstoff-Steckbrief aus.

Steckbrief Wasserstoff

Wasserstoff ist das häufigste Element . Er kommt auf der Erde normalerweise in Form vor. In atomarer Form besteht er aus einem Proton und .

Wasserstoff ist ein , das . Es ist als Luft und .

Wasserstoff löst sich gut in und besitzt bei Raumtemperatur den Diffusionsgrad und die Wärmeleitfähigkeit aller Gase.

Arbeitsauftrag 2

Fahrzeuge können mit Brennstoffzellen angetrieben werden. In einer Brennstoffzelle reagiert Wasserstoff (H2) mit Sauerstoff (O2) aus der Umgebungsluft. Dabei wird der Wasserstoff in elektrische Energie gewandelt, die zum Fahren genutzt wird. Zudem entsteht Wärme und Wasser (H2O). Ob der Brennstoffzellenantrieb jedoch wirklich CO2-neutral ist, hängt entscheidend davon ab, woher der Wasserstoff stammt. Da Wasserstoff auf der Erde in gebundener Form vorliegt, muss er unter Aufwendung von Energie abgespalten werden. In diesem Spaltungsprozess kann Kohlenstoff und damit CO2 anfallen.

    In der Tabelle findest du Verbindungen, die Wasserstoff beinhalten.
  1. Markiere in der Tabelle, welchen Aggregatzustand die Verbindungen bei Zimmertemperatur haben.
  2. Markiere als nächstes die Verbindungen, die Kohlenstoff enthalten.
  3. Notiere in der letzten Spalte, in welchem Verhältnis Wasserstoff zu Kohlenstoff (falls vorhanden) steht.
Stoff chemische Formel Aggregatzustand kohlenstoff­haltig Verhältnis Kohlenstoff zu Wasserstoff
Wasser H2o
Essigsäure CH3COOH
Heizöl C12H24
Kohle C24H12
Alkohol C2H6O
Methan CH4
Zucker C6H12O6
  1. Gib anhand der Tabelle eine Einschätzung ab, welcher Ausgangsstoff sich, wenn man lediglich die chemische Zusammensetzung betrachtet, am besten zur klimaneutralen Gewinnung von Wasserstoff eignen würde. Vergib einen ersten und zweiten Platz. Begründe.

    2. Platz 1:

    Platz 2:

    Begründung:

Arbeitsauftrag 3

  1. Gasförmiger Wasserstoff kann Metalle leicht durchdringen und wird bei Normaldruck erst bei −252,9 °C flüssig. Außerdem ist er ein sehr leichtes Gas und hat dadurch ein enormes Volumen.

    Erkläre, welche Herausforderungen sich für Lagerung und Transport von Wasserstoff ergeben, und entwickle Vorschläge, wie diesen begegnet werden kann.