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Chemie · Elemente und deren Verbindungen
Wasserstoff als Element: Stellung im Periodensystem, die drei Oxidationszahlen, Reaktionen von H₂, Hydridtypen, Isotope sowie Herstellung und Verwendung.
Wasserstoff ist das einfachste Element: ein Proton, ein Elektron. Als H₂ reagiert es bei Raumtemperatur kaum, mit Zündung aber heftig, und je nach Partner trägt es die Oxidationszahl +I oder −I.
Wasserstoff steht in der 1. Hauptgruppe und hat wie die Alkalimetalle ein Valenzelektron, ist aber ein Nichtmetall. Seine Elektronegativität von 2,2 liegt zwischen den Alkalimetallen und den Halogenen.
| Zustand | Oxidationszahl | Beispiel |
|---|---|---|
| H₂-Molekül | 0 | Wasserstoffgas |
| an ein elektronegativeres Element gebunden | +I | H₂O, HCl, CH₄ |
| Hydrid-Ion H⁻ | −I | NaH, CaH₂ |
H₂ ist farb-, geruch- und geschmacklos, unpolar und in Wasser kaum löslich. Mit 0,09 g/L ist es rund 14-mal leichter als Luft (1,29 g/L) und steigt auf. Es siedet bei −253 °C.
Die H–H-Bindung ist mit rund 436 kJ/mol stark. Darum ist H₂ bei Raumtemperatur kinetisch gehemmt: Es braucht Zündung, Wärme, Licht oder einen Katalysator. Springt die Reaktion einmal an, läuft sie exotherm.
| Partner | Reaktion | Hinweis |
|---|---|---|
| Sauerstoff | 2 H₂ + O₂ → 2 H₂O | Knallgas, stark exotherm |
| Chlor | H₂ + Cl₂ → 2 HCl | nur mit Licht oder Zündung |
| Stickstoff | N₂ + 3 H₂ ⇌ 2 NH₃ | Haber-Bosch |
| Kupferoxid | CuO + H₂ → Cu + H₂O | H₂ wirkt als Reduktionsmittel |
| Natrium | 2 Na + H₂ → 2 NaH | bildet Hydrid mit H⁻ |
Als Reduktionsmittel gewinnt H₂ Metalle wie Wolfram und Molybdän aus ihren Oxiden. Komplexe Hydride wie NaBH₄ und LiAlH₄ reduzieren in der Synthese. Haber-Bosch und die Lage des Gleichgewichts → Ausführlich in: Massenwirkungsgesetz
Hydride sind Verbindungen des Wasserstoffs mit anderen Elementen. Es gibt drei Typen:
| Typ | Entsteht mit | Beispiel |
|---|---|---|
| salzartig, enthält H⁻ | Alkali- und Erdalkalimetallen | NaH, CaH₂ |
| kovalent | Nichtmetallen | HCl, H₂O, NH₃, CH₄ |
| Einlagerung | Übergangsmetallen | Pd, Ni als H₂-Speicher |
In Einlagerungsverbindungen sitzen die H-Atome in Lücken des Metallgitters, das Metall bleibt metallisch. Zu viel Wasserstoff macht Stahl spröde (Wasserstoffversprödung).
Wasserstoff hat drei natürliche Isotope, die sich nur in der Neutronenzahl unterscheiden:
| Isotop | Neutronen | Besonderheit |
|---|---|---|
| Protium ¹H | 0 | 99,985 %, das häufigste |
| Deuterium ²H | 1 | schweres Wasser D₂O |
| Tritium ³H | 2 | radioaktiv, β⁻-Strahler |
D₂O ist dichter als H₂O, Deuterium dient als Tracer in Chemie und Biochemie. Die mittlere Atommasse von 1,008 u ergibt sich aus der natürlichen Isotopenmischung. → Ausführlich in: Nuklide
Sitzt H an Fluor, Sauerstoff oder Stickstoff, ist es stark positiv polarisiert und kann eine Brücke zu einem freien Elektronenpaar eines Nachbarmoleküls bilden. Das passiert in Wasser, in Proteinen und in der DNA. → Ausführlich in: Sauerstoff Wasser
Im Weltall ist Wasserstoff das häufigste Element und der Brennstoff der Sterne: Die Sonne fusioniert Wasserstoffkerne zu Helium. Auf der Erde liegt er fast nur gebunden vor, vor allem als Wasser und in organischen Stoffen.
| Verfahren | Gleichung | Wo |
|---|---|---|
| Steam-Reforming | CH₄ + H₂O → CO + 3 H₂ | Industrie, Ni-Katalysator |
| Metall + Säure | Zn + 2 H⁺ → Zn²⁺ + H₂ | Labor |
| Elektrolyse | 2 H₂O → 2 H₂ + O₂ | H₂ an der Kathode |
Wie viel H₂ entsteht, wenn 6,54 g Zink mit Salzsäure reagieren?
→ Ausführlich in: Stöchiometrie und Ideale Gase, Gasgleichung
Die größten Abnehmer sind Erdölraffinerien und die Ammoniaksynthese.
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Deine AufgabeTippe Donor, Akzeptor und Wasserstoffbrücke an. Welches Atom muss am Donor-H hängen (FON-Regel), und warum ist die Brücke mit etwa 180 pm fast doppelt so lang wie die kovalente O–H-Bindung?
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Deine AufgabeZähle am mittleren Wassermolekül die Donor- und Akzeptorstellen. Warum entsteht daraus im Eis ein weitmaschiges Gitter mit geringerer Dichte?
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