Wasserstoff in der Natur (0,9 % in der Erdkruste)

WASSERSTOFF
N (lat. Hydrogenium),
Das leichteste gasförmige chemische Element gehört zur Untergruppe IA des Periodensystems der Elemente und wird manchmal auch als Untergruppe VIIA klassifiziert. In der Erdatmosphäre existiert Wasserstoff nur für den Bruchteil einer Minute in ungebundenem Zustand; seine Menge beträgt 1-2 Teile pro 1.500.000 Teile Luft. Es wird normalerweise zusammen mit anderen Gasen bei Vulkanausbrüchen, aus Ölquellen und an Orten freigesetzt, an denen große Mengen organischer Stoffe zersetzt werden. Wasserstoff verbindet sich mit Kohlenstoff und/oder Sauerstoff in organischen Stoffen wie Kohlenhydraten, Kohlenwasserstoffen, Fetten und tierischen Proteinen. In der Hydrosphäre ist Wasserstoff Teil von Wasser, der häufigsten Verbindung auf der Erde. In Gesteinen, Böden und anderen Teilen der Erdkruste verbindet sich Wasserstoff mit Sauerstoff zu Wasser und dem Hydroxidion OH-. Wasserstoff macht 16 % aller Atome in der Erdkruste aus, allerdings nur etwa 1 % der Masse, da er 16-mal leichter als Sauerstoff ist. Die Masse der Sonne und der Sterne besteht zu 70 % aus Wasserstoffplasma: Dies ist das häufigste Element im Weltraum. Aufgrund seiner geringen Dichte und der Fähigkeit, in große Höhen aufzusteigen, nimmt die Konzentration von Wasserstoff in der Erdatmosphäre mit der Höhe zu. Auf der Erdoberfläche gefundene Meteoriten enthalten 6-10 Wasserstoffatome pro 100 Siliziumatome.
Historische Referenz. Ein weiterer deutscher Arzt und Naturforscher Paracelsus im 16. Jahrhundert. stellte die Entflammbarkeit von Wasserstoff fest. Im Jahr 1700 entdeckte N. Lemery, dass das durch die Einwirkung von Schwefelsäure auf Eisen freigesetzte Gas in der Luft explodiert. Wasserstoff als Element wurde 1766 von G. Cavendish identifiziert und als „brennbare Luft“ bezeichnet. 1781 bewies er, dass Wasser ein Produkt seiner Wechselwirkung mit Sauerstoff ist. Das lateinische Hydrogenium, das aus der griechischen Kombination „Wasser gebären“ stammt, wurde diesem Element von A. Lavoisier zugeordnet.
Allgemeine Eigenschaften von Wasserstoff. Wasserstoff ist das erste Element im Periodensystem der Elemente; Sein Atom besteht aus einem Proton und einem um ihn rotierenden Elektron
(siehe auch PERIODISCHES ELEMENTESYSTEM).
Eines von 5000 Wasserstoffatomen zeichnet sich durch die Anwesenheit eines Neutrons im Kern aus, wodurch sich die Masse des Kerns von 1 auf 2 erhöht. Dieses Wasserstoffisotop wird Deuterium 21H oder 21D genannt. Ein anderes, selteneres Wasserstoffisotop enthält zwei Neutronen im Kern und wird Tritium 31H oder 31T genannt. Tritium ist radioaktiv und zerfällt unter Freisetzung von Helium und Elektronen. Die Kerne verschiedener Wasserstoffisotope unterscheiden sich im Spin ihrer Protonen. Wasserstoff kann a) durch Einwirkung eines aktiven Metalls auf Wasser, b) durch Einwirkung von Säuren auf bestimmte Metalle, c) durch Einwirkung von Basen auf Silizium und einige amphotere Metalle, d) durch Einwirkung von überhitztem Wasserdampf gewonnen werden Kohle und Methan sowie auf Eisen, e) durch elektrolytische Zersetzung von Wasser und thermische Zersetzung von Kohlenwasserstoffen. Die chemische Aktivität von Wasserstoff wird durch seine Fähigkeit bestimmt, ein Elektron an ein anderes Atom abzugeben oder es bei der Bildung einer chemischen Bindung nahezu gleichmäßig mit anderen Elementen zu teilen oder ein Elektron eines anderen Elements in einer chemischen Verbindung namens Hydrid zu binden. Der von der Industrie produzierte Wasserstoff wird in großen Mengen für die Synthese von Ammoniak, Salpetersäure und Metallhydriden verwendet. Die Lebensmittelindustrie nutzt Wasserstoff, um flüssige Pflanzenöle zu festen Fetten (z. B. Margarine) zu hydrieren (hydrieren). Bei der Hydrierung werden gesättigte organische Öle mit Doppelbindungen zwischen Kohlenstoffatomen in gesättigte Öle mit einfachen Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen umgewandelt. Hochreiner (99,9998 %) flüssiger Wasserstoff wird in Weltraumraketen als hocheffizienter Treibstoff eingesetzt.
Physikalische Eigenschaften. Wasserstoff benötigt zum Verflüssigen und Erstarren sehr niedrige Temperaturen und hohen Druck (siehe Eigenschaftstabelle). Unter normalen Bedingungen ist Wasserstoff ein farbloses Gas, geruch- und geschmacklos, sehr leicht: 1 Liter Wasserstoff hat bei 0° C und Atmosphärendruck eine Masse von 0,08987 g (vgl. die Dichte von Luft und Helium 1,2929 und 0,1785 g/l, bzw. ein mit Helium gefüllter Ballon mit dem gleichen Auftrieb wie ein mit Wasserstoff gefüllter Ballon sollte 8 % mehr Volumen haben). Die Tabelle zeigt einige physikalische und thermodynamische Eigenschaften von Wasserstoff. EIGENSCHAFTEN VON GEWÖHNLICHEM WASSERSTOFF
(bei 273,16 K oder 0 °C)
Ordnungszahl 1 Atommasse 11H 1,00797 Dichte, g/l

bei Normaldruck 0,08987 bei 2,5*10 5 atm 0,66 bei 2,7*10 18 atm 1,12*10 7

Kovalenter Radius, 0,74 Schmelzpunkt, ° C -259,14 Siedepunkt, ° C -252,5 Kritische Temperatur, ° C -239,92 (33,24 K) Kritischer Druck, atm 12,8 (12,80 K) Wärmekapazität, J/(molK) 28,8 (H2) Löslichkeit

in Wasser, Volumen/100 Volumina H2O (unter Standardbedingungen) 2,148 in Benzol, ml/g (35,2 °C, 150,2 atm) 11,77 in Ammoniak, ml/g (25 °C) bei 50 atm 4,47 bei 1000 atm 79,25

Oxidationsstufen -1, +1
Die Struktur des Atoms. Ein gewöhnliches Wasserstoffatom (Protium) besteht aus zwei Grundteilchen (Proton und Elektron) und hat eine Atommasse von 1. Aufgrund der enormen Geschwindigkeit des Elektrons (2,25 km/s oder 7*1015 U/min) und seiner dualistischen Korpuskularwelle Naturlich ist es unmöglich, die Koordinate (Position) des Elektrons zu einem bestimmten Zeitpunkt genau zu bestimmen, aber es gibt Bereiche mit hoher Wahrscheinlichkeit, das Elektron zu finden, und sie bestimmen die Größe des Atoms. Die meisten chemischen und physikalischen Eigenschaften von Wasserstoff, insbesondere diejenigen im Zusammenhang mit der Anregung (Energieabsorption), werden mathematisch genau vorhergesagt (siehe SPEKTROSKOPIE). Wasserstoff ähnelt den Alkalimetallen darin, dass alle diese Elemente in der Lage sind, ein Elektron an ein Akzeptoratom abzugeben und so eine chemische Bindung zu bilden, die von teilweise ionisch (gemeinsames Elektron) bis kovalent (gemeinsames Elektronenpaar) reichen kann. Mit einem starken Elektronenakzeptor bildet Wasserstoff ein positives H+-Ion, d.h. Proton. In der Elektronenbahn eines Wasserstoffatoms können sich zwei Elektronen befinden, daher ist Wasserstoff auch in der Lage, ein Elektron aufzunehmen und ein negatives Ion H-, ein Hydridion, zu bilden. Dadurch ähnelt Wasserstoff Halogenen, die sich durch die Aufnahme eines Elektrons auszeichnen um ein negatives Halogenidion wie Cl- zu bilden. Der Dualismus von Wasserstoff spiegelt sich darin wider, dass er im Periodensystem der Elemente in der Untergruppe IA (Alkalimetalle) und manchmal in der Untergruppe VIIA (Halogene) eingeordnet wird (siehe auch CHEMIE).
Chemische Eigenschaften. Die chemischen Eigenschaften von Wasserstoff werden durch sein einzelnes Elektron bestimmt. Die zur Entfernung dieses Elektrons erforderliche Energiemenge ist größer, als jedes bekannte chemische Oxidationsmittel liefern kann. Daher ist die chemische Bindung von Wasserstoff mit anderen Atomen eher kovalent als ionisch. Bei der Bildung eines Wasserstoffmoleküls entsteht eine rein kovalente Bindung: H + H H2
Bei der Bildung eines Mols (also 2 g) H2 werden 434 kJ freigesetzt. Selbst bei 3000 K ist der Grad der Wasserstoffdissoziation sehr gering und beträgt 9,03 %, bei 5000 K erreicht er 94 %, und erst bei 10000 K ist die Dissoziation vollständig. Bei der Bildung von zwei Mol (36 g) Wasser aus atomarem Wasserstoff und Sauerstoff (4H + O2 -> 2H2O) werden mehr als 1250 kJ freigesetzt und die Temperatur erreicht 3000-4000 °C, während bei der Verbrennung von molekularem Wasserstoff (2H2 + O2 -> 2H2O) nur 285,8 kJ und die Flammentemperatur erreicht nur 2500 °C. Bei Raumtemperatur ist Wasserstoff weniger reaktiv. Um die meisten Reaktionen auszulösen, muss eine starke H-H-Bindung gebrochen oder geschwächt werden, was viel Energie verbraucht. Die Geschwindigkeit von Wasserstoffreaktionen erhöht sich mit der Verwendung eines Katalysators (Metalle der Platingruppe, Übergangs- oder Schwermetalloxide) und Methoden zur Anregung des Moleküls (Licht, elektrische Entladung, Lichtbogen, hohe Temperaturen). Unter solchen Bedingungen reagiert Wasserstoff mit fast jedem Element außer Edelgasen. Reaktive Alkali- und Erdalkalielemente (wie Lithium und Calcium) reagieren mit Wasserstoff, geben Elektronen ab und bilden Verbindungen, sogenannte Salzhydride (2Li + H2 -> 2LiH; Ca + H2 -> CaH2).
Im Allgemeinen sind Hydride Verbindungen, die Wasserstoff enthalten. Die große Vielfalt an Eigenschaften solcher Verbindungen (abhängig vom an den Wasserstoff gebundenen Atom) erklärt sich aus der Fähigkeit von Wasserstoff, eine Ladung von -1 bis fast +1 aufzuweisen. Dies zeigt sich deutlich in der Ähnlichkeit zwischen LiH und CaH2 und Salzen wie NaCl und CaCl2. In Hydriden gilt Wasserstoff als negativ geladen (H-); Ein solches Ion ist ein Reduktionsmittel in einem sauren wässrigen Medium: 2H- H2 + 2e- + 2,25B. Das H--Ion ist in der Lage, das Wasserproton H+ zu Wasserstoffgas zu reduzieren: H- + H2O (r) H2 + OH-.
Verbindungen von Wasserstoff mit Bor – Borhydride (Borhydride) – stellen eine ungewöhnliche Stoffklasse dar, die Borane genannt wird. Ihr einfachster Vertreter ist BH3, das nur in der stabilen Form des Diborans B2H6 existiert. Verbindungen mit einer großen Anzahl von Boratomen werden auf unterschiedliche Weise hergestellt. Bekannt sind beispielsweise Tetraboran B4H10, stabiles Pentaboran B5H9 und instabiles Pentaboran B5H11, Hexaboran B6H10, Decaboran B10H14. Diboran kann aus H2 und BCl3 über die Zwischenverbindung B2H5Cl, die bei 0 °C zu B2H6 disproportioniert, sowie durch die Reaktion von LiH oder Lithiumaluminiumhydrid LiAlH4 mit BCl3 gewonnen werden. In Lithiumaluminiumhydrid (einer komplexen Verbindung – einem Salzhydrid) bilden vier Wasserstoffatome kovalente Bindungen mit Al, es gibt jedoch eine ionische Bindung zwischen Li+ und []-. Ein weiteres Beispiel für ein wasserstoffhaltiges Ion ist das Borhydridion BH4-. Nachfolgend finden Sie eine grobe Einteilung der Hydride nach ihren Eigenschaften entsprechend der Stellung der Elemente im Periodensystem der Elemente. Übergangsmetallhydride werden als metallisch oder intermediär bezeichnet und bilden oft keine stöchiometrischen Verbindungen, d. h. Das Verhältnis von Wasserstoffatomen zu Metall wird nicht als ganze Zahl ausgedrückt, beispielsweise Vanadiumhydrid VH0,6 und Thoriumhydrid ThH3,1. Metalle der Platingruppe (Ru, Rh, Pd, Os, Ir und Pt) absorbieren aktiv Wasserstoff und dienen als wirksame Katalysatoren für Hydrierungsreaktionen (z. B. Hydrierung flüssiger Öle zu Fetten, Umwandlung von Stickstoff in Ammoniak, Synthese von Methanol CH3OH aus CO). Hydride von Be, Mg, Al und den Untergruppen Cu, Zn, Ga sind polar und thermisch instabil.

Nichtmetalle bilden flüchtige Hydride der allgemeinen Formel MHx (x ist eine ganze Zahl) mit einem relativ niedrigen Siedepunkt und hohem Dampfdruck. Diese Hydride unterscheiden sich deutlich von Salzhydriden, bei denen der Wasserstoff eine negativere Ladung aufweist. In flüchtigen Hydriden (z. B. Kohlenwasserstoffen) überwiegt die kovalente Bindung zwischen Nichtmetallen und Wasserstoff. Mit zunehmendem nichtmetallischen Charakter entstehen Verbindungen mit teilweise ionischen Bindungen, beispielsweise H+Cl-, (H2)2+O2-, N3-(H3)3+. Nachfolgend sind einige Beispiele für die Bildung verschiedener Hydride aufgeführt (die Wärme der Hydridbildung ist in Klammern angegeben):

Isomerie und Isotope von Wasserstoff. Die Atome der Wasserstoffisotope sind nicht gleich. Gewöhnlicher Wasserstoff, Protium, ist immer ein Proton, um das sich ein Elektron dreht und das sich in großer Entfernung vom Proton befindet (im Verhältnis zur Größe des Protons). Beide Teilchen haben einen Spin, sodass sich Wasserstoffatome entweder im Elektronenspin, im Protonenspin oder in beiden unterscheiden können. Wasserstoffatome, die sich im Spin des Protons oder Elektrons unterscheiden, werden als Isomere bezeichnet. Die Kombination zweier Atome mit parallelen Spins führt zur Bildung eines „Orthowasserstoff“-Moleküls, und solche mit entgegengesetzten Protonenspins ergeben ein „Parawasserstoff“-Molekül. Chemisch sind beide Moleküle identisch. Orthowasserstoff hat ein sehr schwaches magnetisches Moment. Bei Raumtemperatur oder erhöhter Temperatur liegen beide Isomere, Orthowasserstoff und Parawasserstoff, normalerweise im Gleichgewicht im Verhältnis 3:1 vor. Bei einer Abkühlung auf 20 K (-253 °C) steigt der Parawasserstoffgehalt auf 99 %, da er stabiler ist. Bei der Verflüssigung durch industrielle Reinigungsmethoden wandelt sich das Orthoform unter Freisetzung von Wärme in Paraform um, was zu einem Wasserstoffverlust durch Verdampfung führt. Die Umwandlungsrate von Orthoform zu Paraform erhöht sich in Gegenwart eines Katalysators, wie z. B. Holzkohle, Nickeloxid, Chromoxid auf Aluminiumoxid. Protium ist ein ungewöhnliches Element, da es in seinem Kern keine Neutronen enthält. Wenn im Kern ein Neutron erscheint, wird dieser Wasserstoff Deuterium 21D genannt. Elemente mit gleicher Protonen- und Elektronenzahl und unterschiedlicher Neutronenzahl nennt man Isotope. Natürlicher Wasserstoff enthält einen geringen Anteil an HD und D2. Ebenso enthält natürliches Wasser geringe Konzentrationen (weniger als 0,1 %) an DOH und D2O. Schweres Wasser D2O, dessen Masse größer als die von H2O ist, unterscheidet sich in seinen physikalischen und chemischen Eigenschaften. Beispielsweise beträgt die Dichte von gewöhnlichem Wasser 0,9982 g/ml (20 °C) und die von schwerem Wasser 1,105 g/ml , der Schmelzpunkt von gewöhnlichem Wasser beträgt 0,0 °C und der von schwerem Wasser liegt bei 3,82 °C, der Siedepunkt liegt bei 100 °C bzw. 101,42 °C. Reaktionen mit D2O laufen mit einer geringeren Geschwindigkeit ab (z. B. Elektrolyse von natürlichem Wasser). enthält eine Beimischung von D2O unter Zusatz von alkalischem NaOH). Die Geschwindigkeit der elektrolytischen Zersetzung von Protiumoxid H2O ist größer als die von D2O (unter Berücksichtigung der ständigen Zunahme des Anteils von D2O, der einer Elektrolyse unterzogen wird). Aufgrund der ähnlichen Eigenschaften von Protium und Deuterium ist es möglich, Protium durch Deuterium zu ersetzen. Solche Verbindungen werden als sogenannte Tags bezeichnet. Durch das Mischen von Deuteriumverbindungen mit gewöhnlichen wasserstoffhaltigen Substanzen ist es möglich, die Wege, die Natur und den Mechanismus vieler Reaktionen zu untersuchen. Mit dieser Methode werden biologische und biochemische Reaktionen, beispielsweise Verdauungsprozesse, untersucht. Ein drittes Wasserstoffisotop, Tritium (31T), kommt natürlicherweise in Spuren vor. Im Gegensatz zu stabilem Deuterium ist Tritium radioaktiv und hat eine Halbwertszeit von 12,26 Jahren. Tritium zerfällt zu Helium (32He) und setzt dabei ein b-Teilchen (Elektron) frei. Tritium und Metalltritide werden zur Erzeugung von Kernenergie verwendet; Beispielsweise findet in einer Wasserstoffbombe die folgende thermonukleare Fusionsreaktion statt: 21H + 31H -> 42He + 10n + 17,6 MeV
Wasserstoff produzieren. Oft wird die weitere Nutzung von Wasserstoff durch die Art der Produktion selbst bestimmt. In manchen Fällen, beispielsweise bei der Ammoniaksynthese, stellen geringe Mengen Stickstoff im Ausgangswasserstoff natürlich keine schädliche Verunreinigung dar. Auch eine Beimischung von Kohlenmonoxid stellt bei Verwendung von Wasserstoff als Reduktionsmittel kein Problem dar. 1. Die größte Produktion von Wasserstoff basiert auf der katalytischen Umwandlung von Kohlenwasserstoffen mit Wasserdampf nach dem Schema CnH2n + 2 + nH2O (r) nCO + (2n + 1)H2 und CnH2n + 2 + 2nH2O (r) nCO2 + (3n + 1)H2. Die Prozesstemperatur hängt von der Zusammensetzung des Katalysators ab. Es ist bekannt, dass die Reaktionstemperatur mit Propan unter Verwendung von Bauxit als Katalysator auf 370 °C gesenkt werden kann. Bis zu 95 % des dabei entstehenden CO werden in einer weiteren Reaktion mit Wasserdampf verbraucht: H2O + CO -> CO2 + H2
2. Das Wassergasverfahren macht einen erheblichen Teil der gesamten Wasserstoffproduktion aus. Der Kern der Methode ist die Reaktion von Wasserdampf mit Koks zu einem Gemisch aus CO und H2. Die Reaktion ist endotherm (DH° = 121,8 kJ/mol) und wird bei 1000 °C durchgeführt. Der erhitzte Koks wird mit Wasserdampf behandelt; Das freigesetzte gereinigte Gasgemisch enthält etwas Wasserstoff, einen großen Anteil CO und eine geringe Beimischung von CO2. Um die H2-Ausbeute zu erhöhen, wird CO-Monoxid durch weitere Dampfbehandlung bei 370 °C entfernt, wodurch mehr CO2 entsteht. Kohlendioxid lässt sich relativ leicht entfernen, indem man das Gasgemisch durch einen Wäscher leitet, der mit Wasser im Gegenstrom besprüht wird. 3. Elektrolyse. Im Elektrolyseprozess entsteht Wasserstoff eigentlich als Nebenprodukt bei der Herstellung des Hauptproduktes Chloralkali (NaOH). Die Elektrolyse wird in einer leicht alkalischen wässrigen Umgebung bei 80 °C und einer Spannung von etwa 2 V unter Verwendung einer Eisenkathode und einer Nickelanode durchgeführt:

4. Eisen-Dampf-Methode, bei der Dampf mit einer Temperatur von 500–1000 °C über Eisen geleitet wird: 3Fe + 4H2O Fe3O4 + 4H2 + 160,67 kJ. Der dabei erzeugte Wasserstoff wird üblicherweise zur Hydrierung von Fetten und Ölen verwendet. Die Zusammensetzung von Eisenoxid hängt von der Prozesstemperatur ab; bei nC + (n + 1)H2
6. Die nächstgrößere Produktionsmenge ist das Methanol-Dampf-Verfahren: CH3OH + H2O -> 3H2 + CO2. Die Reaktion ist endotherm und wird bei WASSERSTOFF 260 °C in herkömmlichen Stahlreaktoren bei Drücken bis zu 20 atm durchgeführt. 7. Katalytische Zersetzung von Ammoniak: 2NH3 -> Die Reaktion ist reversibel. Bei geringem Wasserstoffbedarf ist dieses Verfahren unwirtschaftlich. Es gibt auch verschiedene Methoden zur Herstellung von Wasserstoff, die zwar keine große industrielle Bedeutung haben, in einigen Fällen jedoch wirtschaftlich am vorteilhaftesten sein können. Sehr reiner Wasserstoff wird durch Hydrolyse gereinigter Alkalimetallhydride gewonnen; in diesem Fall entsteht aus wenig Hydrid viel Wasserstoff: LiH + H2O -> LiOH + H2
(Diese Methode ist praktisch, wenn der entstehende Wasserstoff direkt verwendet wird.) Bei der Wechselwirkung von Säuren mit aktiven Metallen wird auch Wasserstoff freigesetzt, der jedoch normalerweise mit Säuredampf oder einem anderen gasförmigen Produkt verunreinigt ist, beispielsweise Phosphin PH3, Schwefelwasserstoff H2S, Arsenwasserstoff AsH3 . Die aktivsten Metalle verdrängen bei der Reaktion mit Wasser Wasserstoff und bilden eine alkalische Lösung: 2H2O + 2Na -> H2 + 2NaOH. Eine gängige Labormethode zur Gewinnung von H2 im Kipp-Gerät ist die Reaktion von Zink mit Salz- oder Schwefelsäure:
Zn + 2HCl -> ZnCl2 + H2. Erdalkalimetallhydride (z. B. CaH2), komplexe Salzhydride (z. B. LiAlH4 oder NaBH4) und einige Borhydride (z. B. B2H6) setzen bei der Reaktion mit Wasser oder bei der thermischen Dissoziation Wasserstoff frei. Auch Braunkohle und Dampf reagieren bei hohen Temperaturen unter Freisetzung von Wasserstoff.
Wasserstoffreinigung. Der Grad der erforderlichen Reinheit von Wasserstoff wird durch seinen Einsatzbereich bestimmt. Kohlendioxidverunreinigungen werden durch Gefrieren oder Verflüssigen entfernt (z. B. indem das Gasgemisch durch flüssigen Stickstoff geleitet wird). Dieselbe Verunreinigung kann durch Durchsprudeln von Wasser vollständig entfernt werden. CO kann durch katalytische Umwandlung in CH4 oder CO2 oder durch Verflüssigung durch Behandlung mit flüssigem Stickstoff entfernt werden. Die bei der Elektrolyse entstehende Sauerstoffverunreinigung wird nach einer Funkenentladung in Form von Wasser entfernt.
Anwendung von Wasserstoff. Wasserstoff wird hauptsächlich in der chemischen Industrie zur Herstellung von Chlorwasserstoff, Ammoniak, Methanol und anderen organischen Verbindungen verwendet. Es wird bei der Hydrierung von Ölen sowie von Kohle und Erdöl verwendet (um minderwertige Kraftstoffe in hochwertige umzuwandeln). In der Metallurgie werden einige Nichteisenmetalle mithilfe von Wasserstoff aus ihren Oxiden reduziert. Wasserstoff wird zur Kühlung leistungsstarker Stromgeneratoren eingesetzt. Wasserstoffisotope werden in der Kernenergie verwendet. Die Wasserstoff-Sauerstoff-Flamme wird zum Schneiden und Schweißen von Metallen verwendet.
LITERATUR
Nekrasov B.V. Grundlagen der allgemeinen Chemie. M., 1973 Flüssiger Wasserstoff. M., 1980 Wasserstoff in Metallen. M., 1981

Colliers Enzyklopädie. - Offene Gesellschaft. 2000 .

Synonyme:

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Es hat seine eigene spezifische Position im Periodensystem, die die Eigenschaften widerspiegelt, die es aufweist, und die über seine elektronische Struktur Auskunft gibt. Unter allen gibt es jedoch ein besonderes Atom, das zwei Zellen gleichzeitig einnimmt. Es befindet sich in zwei Gruppen von Elementen, die in ihren Eigenschaften völlig gegensätzlich sind. Das ist Wasserstoff. Solche Eigenschaften machen es einzigartig.

Wasserstoff ist nicht nur ein Element, sondern auch ein einfacher Stoff sowie integraler Bestandteil vieler komplexer Verbindungen, ein biogenes und organogenes Element. Betrachten wir daher seine Eigenschaften und Eigenschaften genauer.

Wasserstoff als chemisches Element

Wasserstoff ist ein Element der ersten Gruppe der Hauptuntergruppe sowie der siebten Gruppe der Hauptuntergruppe in der ersten Nebenperiode. Diese Periode besteht nur aus zwei Atomen: Helium und dem Element, das wir betrachten. Lassen Sie uns die Hauptmerkmale der Position von Wasserstoff im Periodensystem beschreiben.

1. Die Ordnungszahl von Wasserstoff ist 1, die Anzahl der Elektronen ist gleich und dementsprechend ist auch die Anzahl der Protonen gleich. Atommasse - 1,00795. Es gibt drei Isotope dieses Elements mit den Massenzahlen 1, 2, 3. Allerdings sind die Eigenschaften jedes von ihnen sehr unterschiedlich, da eine Massenzunahme von Wasserstoff bereits um eins sofort doppelt so hoch ist.
2. Die Tatsache, dass es nur ein Elektron an seiner Außenoberfläche enthält, ermöglicht es ihm, sowohl oxidierende als auch reduzierende Eigenschaften erfolgreich zu entfalten. Darüber hinaus bleibt es nach der Abgabe eines Elektrons in einem freien Orbital, das nach dem Donor-Akzeptor-Mechanismus an der Bildung chemischer Bindungen beteiligt ist.
3. Wasserstoff ist ein starkes Reduktionsmittel. Als seinen Hauptplatz gilt daher die erste Gruppe der Hauptuntergruppe, in der es von den aktivsten Metallen angeführt wird – dem Alkali.
4. Bei Wechselwirkung mit starken Reduktionsmitteln wie Metallen kann es jedoch auch ein Oxidationsmittel sein und ein Elektron aufnehmen. Diese Verbindungen werden Hydride genannt. Aufgrund dieser Eigenschaft steht es an der Spitze der Untergruppe der Halogene, mit denen es verwandt ist.
5. Aufgrund seiner sehr geringen Atommasse gilt Wasserstoff als das leichteste Element. Darüber hinaus ist seine Dichte sehr gering, sodass es auch ein Maßstab für Leichtigkeit ist.

Somit ist es offensichtlich, dass das Wasserstoffatom im Gegensatz zu allen anderen Elementen ein völlig einzigartiges Element ist. Daher sind auch seine Eigenschaften besonders und die gebildeten einfachen und komplexen Stoffe von großer Bedeutung. Betrachten wir sie weiter.

Einfache Substanz

Wenn wir von diesem Element als Molekül sprechen, müssen wir sagen, dass es zweiatomig ist. Das heißt, Wasserstoff (eine einfache Substanz) ist ein Gas. Seine empirische Formel wird als H2 geschrieben, und seine grafische Formel wird durch die Single-Sigma-H-H-Beziehung geschrieben. Der Mechanismus der Bindungsbildung zwischen Atomen ist kovalent unpolar.

1. Dampfreformierung von Methan.
2. Kohlevergasung – Bei diesem Prozess wird Kohle auf 1000 °C erhitzt, wodurch Wasserstoff und kohlenstoffreiche Kohle entstehen.
3. Elektrolyse. Dieses Verfahren ist nur für wässrige Lösungen verschiedener Salze anwendbar, da die Schmelzen nicht zu einem Wasseraustritt an der Kathode führen.

Labormethoden zur Herstellung von Wasserstoff:

1. Hydrolyse von Metallhydriden.
2. Die Wirkung verdünnter Säuren auf aktive Metalle und mittlere Aktivität.
3. Wechselwirkung von Alkali- und Erdalkalimetallen mit Wasser.

Um den erzeugten Wasserstoff aufzufangen, müssen Sie das Reagenzglas auf den Kopf stellen. Schließlich kann dieses Gas nicht auf die gleiche Weise gesammelt werden wie beispielsweise Kohlendioxid. Das ist Wasserstoff, er ist viel leichter als Luft. Es verdunstet schnell und explodiert in großen Mengen, wenn es mit Luft vermischt wird. Daher sollte das Reagenzglas umgedreht werden. Nach dem Befüllen muss dieser mit einem Gummistopfen verschlossen werden.

Um die Reinheit des gesammelten Wasserstoffs zu überprüfen, sollten Sie ein brennendes Streichholz an den Hals halten. Wenn das Klatschen dumpf und leise ist, bedeutet dies, dass das Gas sauber ist und nur minimale Luftverunreinigungen aufweist. Ist es laut und pfeifend, ist es verschmutzt, mit einem hohen Anteil an Fremdbestandteilen.

Einsatzgebiete

Bei der Verbrennung von Wasserstoff wird so viel Energie (Wärme) freigesetzt, dass dieses Gas als der profitabelste Brennstoff gilt. Darüber hinaus ist es umweltfreundlich. Bisher ist die Anwendung in diesem Bereich jedoch begrenzt. Dies ist auf schlecht durchdachte und ungelöste Probleme bei der Synthese von reinem Wasserstoff zurückzuführen, der als Brennstoff in Reaktoren, Motoren und tragbaren Geräten sowie in Heizkesseln für Privathaushalte geeignet wäre.

Da die Methoden zur Herstellung dieses Gases recht teuer sind, muss zunächst eine spezielle Synthesemethode entwickelt werden. Eine Möglichkeit, die es Ihnen ermöglicht, das Produkt in großen Mengen und zu minimalen Kosten zu erhalten.

Es gibt mehrere Hauptbereiche, in denen das von uns betrachtete Gas verwendet wird.

1. Chemische Synthesen. Durch Hydrierung werden Seifen, Margarinen und Kunststoffe hergestellt. Unter Beteiligung von Wasserstoff werden Methanol und Ammoniak sowie andere Verbindungen synthetisiert.
2. In der Lebensmittelindustrie – als Zusatzstoff E949.
3. Luftfahrtindustrie (Raketenwissenschaft, Flugzeugbau).
4. Elektrizitätswirtschaft.
5. Meteorologie.
6. Umweltfreundlicher Kraftstoff.

Offensichtlich ist Wasserstoff ebenso wichtig, wie er in der Natur reichlich vorhanden ist. Eine noch größere Rolle spielen die verschiedenen Verbindungen, die es bildet.

Wasserstoffverbindungen

Dabei handelt es sich um komplexe Substanzen, die Wasserstoffatome enthalten. Es gibt mehrere Haupttypen solcher Substanzen.

1. Halogenwasserstoffe. Die allgemeine Formel lautet HHal. Von besonderer Bedeutung ist unter ihnen Chlorwasserstoff. Es ist ein Gas, das sich in Wasser löst und eine Salzsäurelösung bildet. Diese Säure wird häufig in fast allen chemischen Synthesen verwendet. Darüber hinaus sowohl organisch als auch anorganisch. Chlorwasserstoff ist eine Verbindung mit der Summenformel HCL und ist eine der größten, die in unserem Land jährlich produziert wird. Zu den Halogenwasserstoffen zählen auch Jodwasserstoff, Fluorwasserstoff und Bromwasserstoff. Sie alle bilden die entsprechenden Säuren.
2. Flüchtig Fast alle davon sind ziemlich giftige Gase. Zum Beispiel Schwefelwasserstoff, Methan, Silan, Phosphin und andere. Gleichzeitig sind sie sehr leicht entflammbar.
3. Hydride sind Verbindungen mit Metallen. Sie gehören zur Klasse der Salze.
4. Hydroxide: Basen, Säuren und amphotere Verbindungen. Sie enthalten notwendigerweise ein oder mehrere Wasserstoffatome. Beispiel: NaOH, K 2, H 2 SO 4 und andere.
5. Wasserstoffhydroxid. Diese Verbindung ist besser bekannt als Wasser. Ein anderer Name ist Wasserstoffoxid. Die empirische Formel sieht so aus: H 2 O.
6. Wasserstoffperoxid. Dies ist ein starkes Oxidationsmittel, dessen Formel H 2 O 2 ist.
7. Zahlreiche organische Verbindungen: Kohlenwasserstoffe, Proteine, Fette, Lipide, Vitamine, Hormone, ätherische Öle und andere.

Es ist offensichtlich, dass die Vielfalt der Verbindungen des betrachteten Elements sehr groß ist. Dies bestätigt einmal mehr seine hohe Bedeutung für Natur und Mensch sowie für alle Lebewesen.

- Das ist das beste Lösungsmittel

Wie oben erwähnt, ist der gebräuchliche Name für diesen Stoff Wasser. Besteht aus zwei Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom, die durch kovalente polare Bindungen verbunden sind. Das Wassermolekül ist ein Dipol, was viele seiner Eigenschaften erklärt. Insbesondere ist es ein universelles Lösungsmittel.

In der aquatischen Umwelt finden fast alle chemischen Prozesse statt. Auch interne Reaktionen des Kunststoff- und Energiestoffwechsels in lebenden Organismen werden mit Wasserstoffoxid durchgeführt.

Wasser gilt zu Recht als die wichtigste Substanz auf dem Planeten. Es ist bekannt, dass kein lebender Organismus ohne es leben kann. Auf der Erde kann es in drei Aggregatzuständen existieren:

• flüssig;
• Gas (Dampf);
• fest (Eis).

Abhängig vom im Molekül enthaltenen Wasserstoffisotop werden drei Arten von Wasser unterschieden.

1. Licht oder Protium. Ein Isotop mit der Massenzahl 1. Formel - H 2 O. Dies ist die übliche Form, die alle Organismen verwenden.
2. Deuterium oder schwer, seine Formel lautet D 2 O. Enthält das Isotop 2 H.
3. Superschwer oder Tritium. Die Formel sieht aus wie T 3 O, Isotop - 3 H.

Die Reserven an frischem Protiumwasser auf dem Planeten sind sehr wichtig. In vielen Ländern herrscht bereits ein Mangel daran. Es werden Methoden zur Aufbereitung von Salzwasser zur Herstellung von Trinkwasser entwickelt.

Wasserstoffperoxid ist ein Allheilmittel

Diese Verbindung ist, wie oben erwähnt, ein ausgezeichnetes Oxidationsmittel. Bei starken Vertretern kann er jedoch auch als Restaurator auftreten. Darüber hinaus hat es eine ausgeprägte bakterizide Wirkung.

Ein anderer Name für diese Verbindung ist Peroxid. In dieser Form wird es in der Medizin verwendet. Eine 3%ige Lösung des kristallinen Hydrats der betreffenden Verbindung ist ein medizinisches Arzneimittel, das zur Behandlung kleiner Wunden zum Zwecke der Desinfektion verwendet wird. Allerdings verlängert sich dadurch nachweislich die Heilungszeit der Wunde.

Wasserstoffperoxid wird auch in Raketentreibstoffen, in der Industrie zur Desinfektion und Bleiche sowie als Schaumbildner zur Herstellung entsprechender Materialien (z. B. Schaum) verwendet. Darüber hinaus hilft Peroxid dabei, Aquarien zu reinigen, Haare zu bleichen und Zähne aufzuhellen. Allerdings schädigt es das Gewebe und wird daher von Spezialisten für diese Zwecke nicht empfohlen.

Wasserstoff H ist ein chemisches Element, eines der häufigsten in unserem Universum. Die Masse von Wasserstoff als Element in der Zusammensetzung von Stoffen beträgt 75 % des Gesamtgehalts an Atomen anderer Arten. Es ist Teil der wichtigsten und lebenswichtigsten Verbindung auf dem Planeten – Wasser. Eine Besonderheit von Wasserstoff ist auch, dass es das erste Element im Periodensystem der chemischen Elemente von D. I. ist.

Entdeckung und Erkundung

Die erste Erwähnung von Wasserstoff in den Schriften von Paracelsus stammt aus dem 16. Jahrhundert. Aber seine Isolierung aus dem Gasgemisch Luft und die Untersuchung der brennbaren Eigenschaften wurden bereits im 17. Jahrhundert vom Wissenschaftler Lemery durchgeführt. Wasserstoff wurde von einem englischen Chemiker, Physiker und Naturwissenschaftler gründlich untersucht und experimentell nachgewiesen, dass die Masse von Wasserstoff im Vergleich zu anderen Gasen am kleinsten ist. In späteren Phasen der wissenschaftlichen Entwicklung arbeiteten viele Wissenschaftler mit ihm zusammen, insbesondere Lavoisier, der ihn „den Gebärer des Wassers“ nannte.

Merkmale nach Position in PSHE

Das Element, das das Periodensystem von D.I. Mendeleev eröffnet, ist Wasserstoff. Die physikalischen und chemischen Eigenschaften des Atoms weisen eine gewisse Dualität auf, da Wasserstoff gleichzeitig der ersten Gruppe, der Hauptuntergruppe, zugerechnet wird, wenn er sich wie ein Metall verhält und bei einer chemischen Reaktion ein einzelnes Elektron abgibt, und bis zum siebten - bei vollständiger Füllung der Valenzschale, also Akzeptanz negatives Teilchen, was es als ähnlich zu Halogenen charakterisiert.

Merkmale der elektronischen Struktur des Elements

Die Eigenschaften der komplexen Stoffe, in denen es enthalten ist, und des einfachsten Stoffes H2 werden in erster Linie durch die elektronische Konfiguration von Wasserstoff bestimmt. Das Teilchen hat ein Elektron mit Z= (-1), das sich auf seiner Umlaufbahn um einen Kern dreht, der ein Proton mit Einheitsmasse und einer positiven Ladung (+1) enthält. Seine elektronische Konfiguration wird als 1s 1 geschrieben, was das Vorhandensein eines negativen Teilchens im allerersten und einzigen s-Orbital für Wasserstoff bedeutet.

Wenn ein Elektron entfernt oder abgegeben wird und ein Atom dieses Elements die Eigenschaft hat, mit Metallen verwandt zu sein, entsteht ein Kation. Im Wesentlichen ist das Wasserstoffion ein positives Elementarteilchen. Daher wird Wasserstoff, dem ein Elektron fehlt, einfach Proton genannt.

Physikalische Eigenschaften

Um Wasserstoff kurz zu beschreiben: Es ist ein farbloses, schwer lösliches Gas mit einer relativen Atommasse von 2, 14,5-mal leichter als Luft und einer Verflüssigungstemperatur von -252,8 Grad Celsius.

Aus Erfahrung lässt sich leicht feststellen, dass H 2 am leichtesten ist. Dazu genügt es, drei Kugeln mit verschiedenen Stoffen – Wasserstoff, Kohlendioxid, gewöhnliche Luft – zu füllen und sie gleichzeitig aus der Hand freizugeben. Der mit CO 2 gefüllte wird am schnellsten den Boden erreichen, danach sinkt der mit dem Luftgemisch aufgeblasene und der mit H 2 gefüllte steigt zur Decke.

Die geringe Masse und Größe der Wasserstoffpartikel rechtfertigt ihre Fähigkeit, in verschiedene Substanzen einzudringen. Am Beispiel desselben Balls lässt sich dies leicht überprüfen; nach ein paar Tagen verliert er von selbst Luft, da das Gas einfach durch das Gummi strömt. Wasserstoff kann sich auch in der Struktur einiger Metalle (Palladium oder Platin) anreichern und bei steigender Temperatur aus dieser verdampfen.

Die Eigenschaft der geringen Löslichkeit von Wasserstoff wird in der Laborpraxis genutzt, um ihn durch Verdrängung von Wasserstoff zu isolieren (die folgende Tabelle enthält die wichtigsten Parameter), um den Anwendungsbereich und die Herstellungsmethoden zu bestimmen.

Parameter eines Atoms oder Moleküls einer einfachen Substanz	Bedeutung
Atommasse (Molmasse)	1,008 g/mol
Elektronische Konfiguration	1s 1
Kristallzelle	Sechseckig
Wärmeleitfähigkeit	(300 K) 0,1815 W/(m·K)
Dichte bei n. u.	0,08987 g/l
Siedetemperatur	-252,76 °C
Spezifische Verbrennungswärme	120,9 · 10 6 J/kg
Schmelztemperatur	-259,2 °C
Löslichkeit in Wasser	18,8 ml/l

Isotopenzusammensetzung

Wie viele andere Vertreter des Periodensystems der chemischen Elemente hat Wasserstoff mehrere natürliche Isotope, also Atome mit der gleichen Anzahl an Protonen im Kern, aber einer unterschiedlichen Anzahl an Neutronen – Teilchen mit Nullladung und Einheitsmasse. Beispiele für Atome mit ähnlichen Eigenschaften sind Sauerstoff, Kohlenstoff, Chlor, Brom und andere, auch radioaktive.

Die physikalischen Eigenschaften von Wasserstoff 1H, dem häufigsten Vertreter dieser Gruppe, unterscheiden sich erheblich von den gleichen Eigenschaften seiner Gegenstücke. Insbesondere unterscheiden sich die Eigenschaften der enthaltenen Stoffe. So gibt es gewöhnliches und deuteriertes Wasser, das anstelle eines Wasserstoffatoms mit einem einzelnen Proton Deuterium 2 H enthält – sein Isotop mit zwei Elementarteilchen: positiv und ungeladen. Dieses Isotop ist doppelt so schwer wie gewöhnlicher Wasserstoff, was den dramatischen Unterschied in den Eigenschaften der Verbindungen, aus denen es besteht, erklärt. In der Natur kommt Deuterium 3200-mal seltener vor als Wasserstoff. Der dritte Vertreter ist Tritium 3H; es hat zwei Neutronen und ein Proton in seinem Kern.

Produktions- und Isolierungsmethoden

Labor- und Industriemethoden sind sehr unterschiedlich. So wird Gas in kleinen Mengen hauptsächlich durch Reaktionen mit mineralischen Stoffen hergestellt, während bei der Produktion in großem Maßstab in größerem Umfang die organische Synthese zum Einsatz kommt.

Im Labor werden folgende chemische Wechselwirkungen genutzt:

Für industrielle Zwecke wird Gas auf folgende Weise hergestellt:

1. Thermische Zersetzung von Methan in Gegenwart eines Katalysators in seine einfachen Bestandteile (der Wert eines solchen Indikators, da die Temperatur 350 Grad erreicht) - Wasserstoff H2 und Kohlenstoff C.
2. Dampfendes Wasser durch 1000 Grad Celsius heißen Koks leiten, um Kohlendioxid CO 2 und H 2 zu bilden (die gebräuchlichste Methode).
3. Umwandlung von Methangas an einem Nickelkatalysator bei Temperaturen von bis zu 800 Grad.
4. Wasserstoff ist ein Nebenprodukt der Elektrolyse wässriger Lösungen von Kalium- oder Natriumchloriden.

Chemische Wechselwirkungen: Allgemeine Bestimmungen

Die physikalischen Eigenschaften von Wasserstoff erklären weitgehend sein Verhalten bei Reaktionsprozessen mit einer bestimmten Verbindung. Die Wertigkeit von Wasserstoff beträgt 1, da er sich in der ersten Gruppe des Periodensystems befindet und der Oxidationsgrad variiert. In allen Verbindungen außer Hydriden ist Wasserstoff in d.o. = (1+), in Molekülen vom Typ CN, CN 2, CN 3 - (1-).

Das durch die Bildung eines verallgemeinerten Elektronenpaars gebildete Wasserstoffgasmolekül besteht aus zwei Atomen und ist energetisch recht stabil, weshalb es unter normalen Bedingungen etwas träge ist und reagiert, wenn sich normale Bedingungen ändern. Je nach Oxidationsgrad von Wasserstoff in der Zusammensetzung anderer Stoffe kann er sowohl als Oxidationsmittel als auch als Reduktionsmittel wirken.

Stoffe, mit denen Wasserstoff reagiert und sich bildet

Elementare Wechselwirkungen zur Bildung komplexer Substanzen (häufig bei erhöhten Temperaturen):

1. Alkali- und Erdalkalimetall + Wasserstoff = Hydrid.
2. Halogen + H 2 = Halogenwasserstoff.
3. Schwefel + Wasserstoff = Schwefelwasserstoff.
4. Sauerstoff + H 2 = Wasser.
5. Kohlenstoff + Wasserstoff = Methan.
6. Stickstoff + H 2 = Ammoniak.

Wechselwirkung mit komplexen Substanzen:

1. Herstellung von Synthesegas aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff.
2. Reduktion von Metallen aus ihren Oxiden mit H 2.
3. Wasserstoffsättigung ungesättigter aliphatischer Kohlenwasserstoffe.

Wasserstoffverbindung

Die physikalischen Eigenschaften von Wasserstoff ermöglichen es ihm, in Kombination mit einem elektronegativen Element eine besondere Art von Bindung mit demselben Atom aus benachbarten Molekülen mit freien Elektronenpaaren (z. B. Sauerstoff, Stickstoff und Fluor) einzugehen. Das deutlichste Beispiel, bei dem dieses Phänomen besser berücksichtigt werden sollte, ist Wasser. Man kann sagen, dass es mit Wasserstoffbrücken verbunden ist, die schwächer sind als kovalente oder ionische Bindungen, aber aufgrund der Tatsache, dass es viele davon gibt, haben sie einen erheblichen Einfluss auf die Eigenschaften der Substanz. Im Wesentlichen handelt es sich bei der Wasserstoffbrückenbindung um eine elektrostatische Wechselwirkung, die Wassermoleküle zu Dimeren und Polymeren bindet und so zu einem hohen Siedepunkt führt.

Wasserstoff in Mineralverbindungen

Alle enthalten ein Proton – ein Kation eines Atoms wie Wasserstoff. Eine Substanz, deren saurer Rest eine Oxidationsstufe größer als (-1) aufweist, wird als mehrbasige Verbindung bezeichnet. Es enthält mehrere Wasserstoffatome, wodurch die Dissoziation in wässrigen Lösungen mehrstufig erfolgt. Mit jedem weiteren Proton wird es immer schwieriger, aus dem Säurerest zu entfernen. Der Säuregehalt des Mediums wird durch den quantitativen Wasserstoffgehalt im Medium bestimmt.

Anwendung bei menschlichen Aktivitäten

Flaschen mit dem Stoff sowie Behälter mit anderen verflüssigten Gasen, beispielsweise Sauerstoff, haben ein bestimmtes Aussehen. Sie sind dunkelgrün gestrichen und tragen das Wort „Wasserstoff“ in leuchtendem Rot. Gas wird unter einem Druck von etwa 150 Atmosphären in eine Flasche gepumpt. Die physikalischen Eigenschaften des Wasserstoffs, insbesondere die Leichtigkeit des gasförmigen Aggregatzustandes, werden genutzt, um Ballons, Luftballons etc. damit vermischt mit Helium zu füllen.

Wasserstoff, dessen physikalische und chemische Eigenschaften die Menschen schon vor vielen Jahren zu nutzen gelernt haben, wird heute in vielen Industrien eingesetzt. Der Großteil davon fließt in die Ammoniakproduktion. Wasserstoff ist auch an Oxiden (Hafnium, Germanium, Gallium, Silizium, Molybdän, Wolfram, Zirkonium und anderen) beteiligt, die bei der Reaktion als Reduktionsmittel wirken, Blausäure und Salzsäure sowie künstlicher flüssiger Brennstoff. Die Lebensmittelindustrie nutzt es, um Pflanzenöle in feste Fette umzuwandeln.

Es wurden die chemischen Eigenschaften und die Verwendung von Wasserstoff in verschiedenen Prozessen der Hydrierung und Hydrierung von Fetten, Kohlen, Kohlenwasserstoffen, Ölen und Heizöl bestimmt. Es wird zur Herstellung von Edelsteinen, Glühlampen sowie zum Schmieden und Schweißen von Metallprodukten unter dem Einfluss einer Sauerstoff-Wasserstoff-Flamme verwendet.

Wasserstoff– das erste chemische Element des Periodensystems der chemischen Elemente D.I. Mendelejew. Das chemische Element Wasserstoff befindet sich in der ersten Gruppe, der Hauptuntergruppe, der ersten Periode des Periodensystems.

Relative Atommasse von Wasserstoff = 1.

Wasserstoff hat die einfachste Atomstruktur; er besteht aus einem einzelnen Elektron, das sich im perinuklearen Raum befindet. Der Kern eines Wasserstoffatoms besteht aus einem Proton.

Ein Wasserstoffatom kann bei chemischen Reaktionen ein Elektron entweder abgeben oder aufnehmen und dabei zwei Arten von Ionen bilden:

H0 + 1ē → H1− H0 – 1ē → H1+.

Wasserstoff– das häufigste Element im Universum. Es macht etwa 88,6 % aller Atome aus (etwa 11,3 % sind Heliumatome, der Anteil aller anderen Elemente zusammen beträgt etwa 0,1 %). Somit ist Wasserstoff der Hauptbestandteil von Sternen und interstellarem Gas. Im interstellaren Raum liegt dieses Element in Form einzelner Moleküle, Atome und Ionen vor und kann Molekülwolken bilden, die in Größe, Dichte und Temperatur erheblich variieren.

Der Massenanteil von Wasserstoff in der Erdkruste beträgt 1 %. Es ist das neunthäufigste Element. Die Bedeutung von Wasserstoff für die chemischen Prozesse auf der Erde ist fast ebenso groß wie die von Sauerstoff. Im Gegensatz zu Sauerstoff, der auf der Erde sowohl im gebundenen als auch im freien Zustand vorliegt, liegt fast der gesamte Wasserstoff auf der Erde in Form von Verbindungen vor; In der Atmosphäre ist nur eine sehr geringe Menge Wasserstoff in Form eines einfachen Stoffes enthalten (0,00005 Vol.-% bei trockener Luft).

Wasserstoff ist Bestandteil fast aller organischen Substanzen und kommt in allen lebenden Zellen vor.

Physikalische Eigenschaften von Wasserstoff

Eine einfache Substanz, die aus dem chemischen Element Wasserstoff besteht, hat eine molekulare Struktur. Seine Zusammensetzung entspricht der Formel H2. Wie das chemische Element wird auch der einfache Stoff Wasserstoff genannt.

Wasserstoff– ein farbloses Gas, geruch- und geschmacklos, praktisch unlöslich in Wasser. Bei Raumtemperatur und normalem Atmosphärendruck beträgt die Löslichkeit 18,8 ml Gas pro 1 Liter Wasser.

Wasserstoff– das leichteste Gas, seine Dichte beträgt 0,08987 g/l. Zum Vergleich: Die Luftdichte beträgt 1,3 g/l.

Wasserstoff kann sich in Metallen lösen, Beispielsweise können sich bis zu 850 Volumenteile Wasserstoff in einem Volumenteil Palladium lösen. Aufgrund seiner extrem kleinen Molekülgröße ist Wasserstoff in der Lage, durch viele Materialien zu diffundieren

Wie andere Gase kondensiert Wasserstoff bei niedrigen Temperaturen zu einer farblosen transparenten Flüssigkeit. Dies geschieht bei einer Temperatur von – 252,8°C. Wenn die Temperatur -259,2 °C erreicht, kristallisiert Wasserstoff in Form weißer Kristalle, ähnlich wie Schnee.

Im Gegensatz zu Sauerstoff ist Wasserstoff nicht durch Allotropie gekennzeichnet

Anwendungen von Wasserstoff

Wasserstoff wird in verschiedenen Industrien eingesetzt. Zur Herstellung von Ammoniak wird viel Wasserstoff verwendet (NH3). Aus Ammoniak werden Stickstoffdünger, Kunstfasern und Kunststoffe sowie Medikamente gewonnen.

In der Lebensmittelindustrie wird Wasserstoff bei der Herstellung von Margarine verwendet, die feste Fette enthält. Um sie aus flüssigen Fetten zu gewinnen, werden sie mit Wasserstoff durchströmt.

Wenn Wasserstoff in Sauerstoff verbrennt, liegt die Flammentemperatur bei ca 2500°C. Bei dieser Temperatur können hochschmelzende Metalle geschmolzen und geschweißt werden. Daher wird beim Schweißen Wasserstoff verwendet.

Als Raketentreibstoff wird ein Gemisch aus flüssigem Wasserstoff und Sauerstoff verwendet.

Derzeit haben einige Länder mit der Erforschung des Ersatzes nicht erneuerbarer Energiequellen (Öl, Gas, Kohle) durch Wasserstoff begonnen. Bei der Verbrennung von Wasserstoff in Sauerstoff entsteht ein umweltfreundliches Produkt – Wasser und nicht Kohlendioxid, das den Treibhauseffekt verursacht.

Wissenschaftler gehen davon aus, dass die Massenproduktion wasserstoffbetriebener Autos Mitte des 21. Jahrhunderts beginnen sollte. Eine breite Anwendung werden Heimbrennstoffzellen finden, deren Betrieb ebenfalls auf der Oxidation von Wasserstoff mit Sauerstoff basiert.

Ende des 19. – Anfang des 20. Jahrhunderts Zu Beginn des Zeitalters der Luftfahrt wurden Ballons, Luftschiffe und Ballons mit Wasserstoff gefüllt, da dieser viel leichter als Luft ist. Nach der Katastrophe, die dem Luftschiff widerfuhr, begann die Ära der Luftschiffe jedoch schnell der Vergangenheit anzugehören Hindenburg. 6. Mai 1937 Luftschiff, Mit Wasserstoff gefüllt, fing es Feuer, was den Tod Dutzender seiner Passagiere zur Folge hatte.

Wasserstoff ist in einem bestimmten Verhältnis mit Sauerstoff äußerst explosiv. Die Nichteinhaltung der Sicherheitsvorschriften führte zur Entzündung und Explosion des Luftschiffs.

• Wasserstoff– das erste chemische Element des Periodensystems der chemischen Elemente D.I. Mendelejew
• Wasserstoff befindet sich in Gruppe I, der Hauptuntergruppe, Periode 1 des Periodensystems
• Wertigkeit von Wasserstoff in Verbindungen – I
• Wasserstoff– farbloses Gas, geruch- und geschmacklos, praktisch unlöslich in Wasser
• Wasserstoff- das leichteste Gas
• Bei niedrigen Temperaturen entsteht flüssiger und fester Wasserstoff
• Wasserstoff kann sich in Metallen lösen
• Die Einsatzmöglichkeiten von Wasserstoff sind vielfältig

WASSERSTOFF (lateinisch Hydrogenium), H, chemisches Element der Gruppe VII der Kurzform (Gruppe 1 der Langform) des Periodensystems; Ordnungszahl 1, Atommasse 1,00794; Nichtmetall. In der Natur gibt es zwei stabile Isotope: Protium 1H (99,985 Massen-%) und Deuterium D oder 2H (0,015 %). Künstlich hergestelltes radioaktives Tritium 3 H oder T (ß-Zerfall, T 1/2 12,26 Jahre) entsteht in der Natur in vernachlässigbaren Mengen in den oberen Schichten der Atmosphäre durch die Wechselwirkung der kosmischen Strahlung hauptsächlich mit N und O Kerne. Künstlich gewonnene extrem instabile radioaktive Isotope 4 H, 5 H, 6 H.

Historische Referenz. Wasserstoff wurde erstmals 1766 von G. Cavendish untersucht und er nannte ihn „brennbare Luft“. Im Jahr 1787 zeigte A. Lavoisier, dass dieses Gas beim Verbrennen Wasser bildet, nahm es in die Liste der chemischen Elemente auf und schlug den Namen Hydrogène vor (aus dem Griechischen: δωρ – Wasser und γενν?ω – gebären).

Vorkommen in der Natur. Der Wasserstoffgehalt in der atmosphärischen Luft beträgt 3,5–10 Massen-%, in der Erdkruste 1 %. Das wichtigste Wasserstoffreservoir auf der Erde ist Wasser (11,19 Masse-% Wasserstoff). Wasserstoff ist ein biogenes Element und Teil der Verbindungen, die Kohle, Öl, natürliche brennbare Gase, viele Mineralien usw. bilden. Im erdnahen Raum bildet Wasserstoff in Form eines Protonenstroms den inneren Strahlungsgürtel der Erde. Wasserstoff ist das am häufigsten vorkommende Element im Weltraum; in Form von Plasma macht es etwa 70 % der Masse der Sonne und der Sterne aus, der Großteil des interstellaren Mediums und der Gasnebel kommt in der Atmosphäre einer Reihe von Planeten in Form von H 2, CH 4 vor, NH 3, H 2 O usw.

Eigenschaften. Die Konfiguration der Elektronenhülle des Wasserstoffatoms ist 1s 1; in Verbindungen weist die Oxidationsstufen +1 und -1 auf. Elektronegativität nach Pauling 2.1; Radien (pm): atomar 46, kovalent 30, van der Waals 120; Ionisierungsenergie Н°→ Н + 1312,0 kJ/mol. Im freien Zustand bildet Wasserstoff ein zweiatomiges H 2 -Molekül, der Kernabstand beträgt 76 pm, die Dissoziationsenergie beträgt 432,1 kJ/mol (0 K). Abhängig von der relativen Ausrichtung der Kernspins gibt es ortho-Wasserstoff (parallele Spins) und para-Wasserstoff (antiparallele Spins), die sich in magnetischen, optischen und thermischen Eigenschaften unterscheiden und normalerweise im Verhältnis 3:1 vorliegen; Die Umwandlung von para-Wasserstoff in ortho-Wasserstoff erfordert 1418 J/mol Energie.

Wasserstoff ist ein farb-, geschmacks- und geruchloses Gas; t PL -259,19 °C, t KIP -252,77 °C. Wasserstoff ist das leichteste und wärmeleitendste aller Gase: Bei 273 K beträgt die Dichte 0,0899 kg/m 3, die Wärmeleitfähigkeit 0,1815 W/(m K). Nicht in Wasser löslich; löst sich gut in vielen Metallen (am besten in Pd – bis zu 850 Vol.-%); diffundiert durch viele Materialien (z. B. Stahl). Brennt an der Luft und bildet explosionsfähige Gemische. Fester Wasserstoff kristallisiert in einem hexagonalen Gitter; Bei Drücken über 10 4 MPa ist ein Phasenübergang unter Bildung einer aus Atomen aufgebauten Struktur mit metallischen Eigenschaften möglich – dem sogenannten metallischen Wasserstoff.

Wasserstoff geht mit vielen Elementen Verbindungen ein. Mit Sauerstoff bildet es Wasser (bei Temperaturen über 550 °C geht die Reaktion mit einer Explosion einher), mit Stickstoff - Ammoniak, mit Halogenen - Halogenwasserstoffen, mit Metallen, intermetallischen Verbindungen sowie mit vielen Nichtmetallen (z. B. Chalkogene) - Hydride, mit Kohlenstoff - Kohlenwasserstoffe. Von praktischer Bedeutung sind Reaktionen mit CO (siehe Synthesegas). Wasserstoff reduziert die Oxide und Halogenide vieler Metalle zu Metallen und ungesättigte Kohlenwasserstoffe zu gesättigten (siehe Hydrierung). Der Kern des Wasserstoffatoms – das H+-Proton – bestimmt die sauren Eigenschaften von Verbindungen. In wässrigen Lösungen bildet H + mit einem Wassermolekül das Hydroniumion H 3 O +. In den Molekülen verschiedener Verbindungen neigt Wasserstoff dazu, mit vielen elektronegativen Elementen Wasserstoffbrückenbindungen zu bilden.

Anwendung. Wasserstoffgas wird bei der industriellen Synthese von Ammoniak, Salzsäure, Methanol und höheren Alkoholen, synthetischen Flüssigkraftstoffen usw. zur Hydrierung von Fetten und anderen organischen Verbindungen verwendet; bei der Ölraffinierung – zum Hydrotreating und Hydrocracken von Ölfraktionen; in der Metallurgie – um Metalle (zum Beispiel W, Mo, Re aus ihren Oxiden und Fluoriden) zu gewinnen, um bei der Verarbeitung von Metallen und Legierungen eine schützende Umgebung zu schaffen; bei der Herstellung von Quarzglasprodukten unter Verwendung einer Wasserstoff-Sauerstoff-Flamme, beim Atomwasserstoffschweißen von feuerfesten Stählen und Legierungen usw. als Traggas für Ballons. Flüssiger Wasserstoff ist ein Treibstoff in der Raketen- und Raumfahrttechnik; auch als Kältemittel verwendet.

Informationen zu den wichtigsten Produktionsmethoden sowie der Speicherung, dem Transport und der Nutzung von Wasserstoff als Energieträger finden Sie unter Wasserstoffenergie.

Zündete. siehe Art. Wasserstoffenergie.