Wasserstoff: Vorkommen, Grundeigenschaften und Darstellung
Wasserstoff steht im Periodensystem allein und ist das häufigste Element im Universum. Die Einheit behandelt seine Grundeigenschaften und die wichtigsten Wege, ihn darzustellen.
Das Wichtigste in Kürze
- Wasserstoff (\(1s^1\)) steht über Gruppe 1, ist aber ein Nichtmetall und ähnelt mit einem fehlenden Elektron zur Heliumschale auch den Halogenen.
- Wasserstoff ist das häufigste Element im Universum und als \(\ce{H2}\) rund 14-mal leichter als Luft.
- Wasserstoff ist stets einwertig und bildet keine allotropen Modifikationen.
- Wasserstoff entsteht bei der Elektrolyse von Wasser an der Kathode, aus Zink mit Salzsäure und aus Raney-Legierung mit Natronlauge.
- Wassergas aus Koks und Wasserdampf ist ein Gemisch aus \(\ce{CO}\) und \(\ce{H2}\); Kupfer liefert mit Salpetersäure \(\ce{NO}\) statt Wasserstoff.
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Steckbrief Wasserstoff
Wasserstoff ist das leichteste Element und Baustein von Wasser, Säuren und fast allen Arzneistoffen.
| Merkmal | Ausprägung |
|---|---|
| Stellung im Periodensystem | 1. Periode, über Gruppe 1, aber kein Alkalimetall |
| Elektronenkonfiguration | \(1s^1\) |
| Wichtige Oxidationsstufen | +1 (z. B. \(\ce{H2O}\), \(\ce{HCl}\)), 0 (\(\ce{H2}\)), −1 (z. B. \(\ce{NaH}\)) |
| Vorkommen und Gewinnung | häufigstes Element im Universum, auf der Erde fast nur gebunden; Elektrolyse, Metall mit Säure, Wassergas |
| Eigenschaften des Elements | farbloses Gas aus \(\ce{H2}\)-Molekülen, leichter als Luft, keine allotropen Modifikationen |
| Wichtige Verbindungen | Wasser, Halogenwasserstoffe, Ammoniak, Hydride |
Sonderstellung im Periodensystem
Wasserstoff steht mit der Konfiguration \(1s^1\) über den Alkalimetallen. Mit ihnen teilt er nur das eine Valenzelektron. Ein Metall ist er nicht: Er bildet zweiatomige \(\ce{H2}\)-Moleküle und ist bei Raumtemperatur gasförmig.
Gibt er sein Elektron ab, entsteht das Proton \(\ce{H+}\), wie bei den Alkalimetallen. Nimmt er eines auf, erreicht er als Hydrid-Ion \(\ce{H-}\) die Konfiguration des Heliums. Darin ähnelt er den Halogenen, denen ebenfalls ein Elektron zur Edelgasschale fehlt. Mehr zu Proton und Hydrid steht bei den Oxidationsstufen des Wasserstoffs.
Vorkommen und Grundeigenschaften
Wasserstoff ist das häufigste Element im Universum, gleichbedeutend mit Kosmos oder Weltall. Sterne wie die Sonne bestehen überwiegend aus ihm und fusionieren ihn zu Helium. Auf der Erde kommt er fast nur gebunden vor, vor allem in Wasser und organischen Stoffen.
\(\ce{H2}\) ist das leichteste Gas. Seine molare Masse beträgt rund 2 g/mol, die der Luft im Mittel etwa 29 g/mol. Bei gleichem Druck und gleicher Temperatur ist Wasserstoff deshalb rund 14-mal leichter als Luft und steigt auf.
Mit nur einem Elektron kann Wasserstoff genau eine Elektronenpaarbindung eingehen. Er ist daher stets einwertig, etwa in \(\ce{H2O}\), \(\ce{NH3}\) oder \(\ce{HCl}\).
Anders als Sauerstoff mit \(\ce{O2}\) und \(\ce{O3}\) bildet Wasserstoff keine allotropen Modifikationen (Allotropie). Ortho- und Parawasserstoff unterscheiden sich nur im Kernspin und zählen nicht dazu. Die Grundeigenschaften werden im Examen gerne gefragt, besonders dass Wasserstoff einwertig ist und keine Modifikationen bildet.
Darstellung
Wasserstoff entsteht, wenn man Wasser oder die Protonen einer Säure reduziert. Die Elektronen liefern elektrischer Strom, unedle Metalle oder in der Technik Kohle.
Elektrolyse von Wasser
Bei der Elektrolyse von angesäuertem Wasser werden Protonen an der Kathode (Minuspol) reduziert. An der Anode entsteht Sauerstoff. Die Gasvolumina stehen im Verhältnis 2 : 1.
\[\ce{2 H2O -> 2 H2 ^ + O2 ^}\]
Metalle mit Säuren und Laugen
Metalle, die in der Spannungsreihe unter Wasserstoff stehen, reduzieren Protonen. Der Laborklassiker ist Zink mit Salzsäure, auch aktiviertes Zink eignet sich.
\[\ce{Zn + 2 HCl -> ZnCl2 + H2 ^}\]
Aluminium löst sich zusätzlich in Laugen. Behandelt man eine Nickel-Aluminium-Legierung (Raney-Legierung) mit Natronlauge, geht das Aluminium unter Wasserstoffentwicklung in Lösung. Zurück bleibt fein verteiltes Raney-Nickel, ein Hydrierkatalysator.
\[\ce{2 Al + 2 NaOH + 6 H2O -> 2 Na[Al(OH)4] + 3 H2 ^}\]
Wassergas
Technisch leitet man Wasserdampf bei etwa 1000 °C über glühenden Koks. Der Kohlenstoff reduziert dabei das Wasser.
\[\ce{C + H2O -> CO + H2}\]
Wassergas ist das Gemisch aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff, das aus Koks und Wasserdampf in der Hitze entsteht. Es enthält \(\ce{CO}\), nicht \(\ce{CO2}\).
In der Konvertierung setzt man das CO am Eisenoxid-Katalysator mit weiterem Wasserdampf um. Das gewinnt zusätzlichen Wasserstoff. Das gebildete \(\ce{CO2}\) wird anschließend ausgewaschen.
\[\ce{CO + H2O -> CO2 + H2}\]
Reaktionen ohne Wasserstoffentwicklung
Kupfer ist edler als Wasserstoff und reduziert keine Protonen. In Salpetersäure oxidiert stattdessen das Nitrat das Metall. Es entsteht Stickstoffmonoxid.
\[\ce{3 Cu + 8 HNO3 -> 3 Cu(NO3)2 + 2 NO ^ + 4 H2O}\]
Auch Silberamalgam bleibt in Wasser unverändert, denn Silber und Quecksilber sind edel. Schwefeldioxid ist zwar ein Reduktionsmittel. Es ist aber zu schwach, um Wasser beim Erhitzen zu Wasserstoff zu reduzieren und selbst zu \(\ce{SO3}\) zu werden.
Die Darstellung ist ein Examensklassiker: Wasserstoff entsteht an der Kathode, aus Zink mit Salzsäure, aus Raney-Legierung mit Natronlauge und aus Koks mit Wasserdampf. Achte darauf, dass Kupfer mit Salpetersäure \(\ce{NO}\) liefert und keinen Wasserstoff.
Quiz
Aussage 1
Wasserstoff kommt ähnlich wie Sauerstoff in zwei allotropen Modifikationen vor.
Wasserstoff bildet keine allotropen Modifikationen. Ortho- und Parawasserstoff unterscheiden sich nur im Kernspin.
Aussage 2
Wassergas ist ein Gemisch aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff.
Koks reagiert in der Hitze mit Wasserdampf nach \(\ce{C + H2O -> CO + H2}\). \(\ce{CO2}\) entsteht erst in der nachgeschalteten Konvertierung.
Aussage 3
Eine Nickel-Aluminium-Legierung entwickelt mit Natronlauge Wasserstoff.
Das Aluminium der Raney-Legierung löst sich als \(\ce{[Al(OH)4]-}\) unter \(\ce{H2}\)-Entwicklung, zurück bleibt Raney-Nickel.
Aussage 4
Elektrolysiert man angesäuertes Wasser, scheidet sich Wasserstoff am Pluspol ab.
Protonen werden an der Kathode, also am Minuspol, zu \(\ce{H2}\) reduziert. Am Pluspol (Anode) entsteht Sauerstoff.
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