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Wasserstoff nimmt im Periodensystem der Elemente eine Sonderstellung ein. Das Wasserstoff-Atom hat nur ein Valenzelektron und ist somit mit den Elementen der ersten Hauptgruppe zu vergleichen; andererseits fehlt dem Wasserstoff-Atom gerade ein Elektron, um eine Edelgaskonfiguration zu erreichen und ist somit mit den Elementen der siebten Hauptgruppe zu vergleichen.
Wasserstoff besteht aus H2-Molekülen.
Das Molekül ist unpolar; die sehr schwachen intermolekularen Anziehungskräfte kommen in den niedrigen Werten für den Siedepunkt (-252,7°C) und Schmelzpunkt (- 259,1°C) zum Ausdruck. Wasserstoff ist ein farb-, geruch-, und geschmackloses Gas, das in Wasser praktisch unlöslich ist. Seine Dichte ist sehr gering (0,0899 g/l ). Wegen ihrer geringen Masse bewegen sich die H2-Moleküle im Gas sehr schnell, daher hat Wasserstoff ein großes Diffusionsvermögen und eine relativ große Wärmeleitfähigkeit.
Drei Isotope des Wasserstoffs sind bekannt. Am häufigsten ist das Isotop mit einem Elektron und einem Proton, das 99,985% des natürlich vorkommenden Wasserstoffs ausmacht. Das Isotop mit einem Elektron und zwei Nucleonen wird Deuterium oder schwerer Wasserstoff genannt und wird auch mit dem Symbol D bezeichnet; sein Anteil im natürlichen Wasserstoff beträgt 0,015%. Das Isotop mit einem Elektron und drei Nucleonen heißt Tritium (Symbol T) und ist radioaktiv; es kann künstlich hergestellt werden und kommt in Spuren (10-15%) in der Natur vor, wo es in der Atmosphäre durch die Einwirkung der kosmischen Strahlung auf Luft entsteht.
Steam Reforming ist ein Prozeß zur Darstellung großer Wassrstoffmengen aus Kohlenwasserstoffen, vor allem aus dem im Erdgas enthaltenen Methan, CH4. Es wird mit Wasserdampf bei etwa 900°C über einen Nickelkatalysator geleitet, wobei im wesentlichen Kohlenmonoxid und Wasserstoff entstehen.
Wassergas: Koks besteht im wesentlichen aus Kohlenstoff; er wird durch „Verkokung" von Steinkohle erhalten, indem diese unter Luftausschluß erhitzt wird, wobei sich organische Bestandteile verflüchtigen. Koks und Wasserdampf reagieren bei hohen Temperaturen (800-1000°C) zu Wassergas, eine Mischung aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff. Da sowohl CO wie H2 brennbar sind, kann Wassergas als Brennstoff dienen.
Eisen und Wasserdampf: Eisen reagiert mit Wasserdampf bei Temperaturen über 650°C unter Bildung von Wasserstoff.
Cracken: Bei der Raffination von Erdöl werden Kohlenwasserstoffe bei höheren Temperaturen in kleinere Moleküle zerlegt. Dabei kann Wasserstoff als Nebenprodukt auftreten.
Elektrolyse von Natriumchloridlösungen: Zur Gewinnung von Natriumhydroxid (NaOH) werden konzentrierte wäßrige Lösungen von Natriumchlorid elektrolysiert. Dabei sind Wasserstoff und Chlor Nebenprodukte.
Elektrolyse von Wasser: Wasser, dem zur Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit etwas Schwefelsäure oder Natriumhydroxid zugesetzt wurde, kann durch Elektrolyse in seine Elemente zerlegt werden. Der so erhaltene Wasserstoff ist sehr rein und wird zum Beispiel in der Nahrungsmittelindustrie eingesetzt. Wegen des hohen Preises der elektrischen Energie ist so erhaltener Wasserstoff relativ teuer.
Metall + Wasser: Bei pH = 7 reagieren Metalle mit negativerem Redoxpotential als Wasser unter Bildung von Wasserstoff.
Metall + Base: Manche Metalle sind so unedel, daß sie selbst in basischer Lösung Wasser zu Wasserstoff reduzieren können.
Mit Alkali- und Erdalkalimetallen ( I. u. II. Hauptgruppe), ausgenommen Berylium, bildet Wasserstoff salzartige Hydride. Das Hydridion (H-) in diesen Verbindungen ist isoelektrisch (gleiche Elektronenstruktur) zum Helium; es erreicht diese stabile Elektronenkonfiguration durch die Aufnahme eines Elektrons von einem Metallatom. Da die Elektronenaffinität des Wasserstoffs nicht besonders groß ist reagiert Wasserstoff unter Bildung von Hydridionen nur mit den elektropositivsten Metallen.
Mit einer Reihe von Übergangsmetallen (Nebengruppenelemente) bildet Wasserstoff
Einlagerungsverbindungen. Viele davon können extrem viel Wasserstoff
speichern. Palladium kann z.B. ein Gasvolumen von Wasserstoff aufnehmen, das bis
zu 900mal größer ist als sein Eigenvolumen. Die Wasserstoff-Atome werden in den
Lücken der Metallatompackung eingelagert, und zwar in die Tetraederlücken in der
dichtesten Kugelpackung von Metallatomen. Der Wasserstoff wird nicht in Form von
H2-Molekülen eingelagert, sondern unter Spaltung der H-H -Bindung (ähnlich:
Katalysator).
Erst in letzter Zeit sind diese Metalle und ihre Wasserstoff speichernden Fähigkeiten
wieder in die Diskussion gerückt, diese werden nämlich als „Tanks" für Wasserstoff-
Autos gebraucht. Bei einem Unfall würde so der Wasserstoff nicht explodieren, da er
chemisch gebunden wäre.
In den Wasserstoffverbindungen der Nichtmetalle sind die Wasserstoff-Atome kovalent gebunden. Mit Halogenen reagiert Wasserstoff unter Bildung der farblosen, gasförmigen Halogenwasserstoffen, die aus polaren Molekülen bestehen. Die Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff ist stark exotherm und wird zur Erzeugung hoher Temperaturen (~2800°C) mit einem geeigneten Brenner genutzt. Gemische von Wasserstoff und Sauerstoff explodieren bei Zündung sehr heftig (Knallgas).
Wasserstoff, der bei der Reaktion eines Metalls mit einer Säure oder bei der Elektrolyse frisch gebildet wird, besteht zunächst aus H-Atomen und ist deshalb wesentlich reaktiver als H2. Durch Einwirkung des so erhaltenen „naszierenden" Wasserstoffs („in statu nascendi" = im Zustand des geboren werdens) auf Verbindungen von Arsen oder Antimon entsteht gasförmiges AsH3 bzw. SbH3.
Wasserstoff wirkt gegenüber vielen Substanzen als Reduktionsmittel. Metalloxide können mit Wasserstoff zu den Metallen reduziert werden.
Wegen der hohen Ionisierungsenergie des Wasserstoff-Atoms und des großen Verhältnisses Ladung/Radius für das Proton existieren keine freien H+-Ionen in chemischen Systemen. Auch in Säuren ist das Wasserstoffatom kovalent gebunden, bei der Dissoziation wird das Proton von einem Wassermolekül (--> H3O+) oder einer anderen Base übernommen und kovalent gebunden.
Beryllium, Bor und Aluminium bilden mit Wasserstoff Verbindungen, in denen die H- Atome kovalent gebunden sind, aber die Rolle des elektronegativeren Partners übernehmen.