Wasserstoff

 Wasserstoff

 

 

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  Wasserstoff

  Chemisches Element

 

 

  Wasserstoff (H), eine farblose, geruchlose, geschmacklose, brennbare gasförmige Substanz, die das einfachste Mitglied der Familie der chemischen Elemente ist.  Das Wasserstoffatom besteht aus einem Kern, der ein Proton enthält, das eine Einheit positiver elektrischer Ladung enthält.  An diesem Kern hängt auch ein Elektron, das eine Einheit negativer elektrischer Ladung hat.  Unter normalen Bedingungen ist Wasserstoffgas eine lose Ansammlung von Wasserstoffmolekülen, wobei jedes Atompaar aus einem zweiatomigen Molekül, H2, besteht.  Die früheste wichtige chemische Eigenschaft von Wasserstoff ist, dass er Wasser mit Sauerstoff, H2O, verbrennt;  Tatsächlich leitet sich der Name Wasserstoff vom griechischen Wort ab, das „Wassermacher“ bedeutet.

  Chemische Eigenschaften von Wasserstoff

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  Schlüsselpersonen: Henry Cavendish Anton Lavoisier Otto Straw Anders Jonas Ingström Fritz Wolf Gang London

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  Obwohl Wasserstoff das am häufigsten vorkommende Element im Universum ist (dreimal häufiger als Helium, das zweithäufigste Element), macht es nur 0,14 % des Gewichts der Erdkruste aus.  Es kommt jedoch in großen Mengen als Teil des Wassers in Ozeanen, Packeis, Flüssen, Seen und der Umwelt vor.  Als Bestandteil unzähliger Kohlenstoffverbindungen ist Wasserstoff in allen tierischen und pflanzlichen Geweben sowie im Erdöl vorhanden.  Obwohl oft gesagt wird, dass Kohlenstoffverbindungen bekannter sind als jedes andere Element, ist es Tatsache, dass Wasserstoff in fast allen Kohlenstoffverbindungen vorhanden ist und mit allen anderen Elementen (mit Ausnahme einiger Elemente, Edelgase) eine Masse von Verbindungen bildet. es ist möglich, dass es mehr Wasserstoffverbindungen gibt.

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  Früher Wasserstoff findet seine hauptsächliche industrielle Verwendung bei der Herstellung von Ammoniak (einem Gemisch aus Wasserstoff und Stickstoff, NH3) und bei der Hydrierung von Kohlenmonoxid und organischen Verbindungen.

  Es gibt drei bekannte Wasserstoffisotope.  Die größte Anzahl von Wasserstoffisotopen ist 1, 2 und 3, die häufigste Masse ist 1 Isotop, das allgemein als Wasserstoff (Symbol H oder 1H) bezeichnet wird, aber auch als Protom bezeichnet wird.  Das Masse-2-Isotop, das das Zentrum eines Protons und eines Neutrons hat und als Deuterium oder schwerer Wasserstoff (Symbol D oder 2H) bezeichnet wird, macht 0,0156 % der normalen Wasserstoffmischung aus.  Tritium (Symbol T oder 3H) mit einem Proton und zwei Neutronen in jedem Kern ist ein Isotop der Masse 3 und enthält etwa 10-15 bis 10-16 % Wasserstoff.  Die Praxis, Wasserstoffisotope getrennt zu benennen, wird dadurch gerechtfertigt, dass sich ihre Eigenschaften erheblich unterscheiden.

  Paracelsus, Arzt und Chemiker, experimentierte im 16. Jahrhundert versehentlich mit Wasserstoff, als er bemerkte, dass beim Auflösen des Metalls in Säure ein brennbares Gas entsteht.  Das Gas war jedoch mit anderen brennbaren Gasen wie Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid vermischt.  1766 zeigte der englische Chemiker und Physiker Henry Cavendish, dass sich Wasserstoff, damals brennbare Luft, Phlogustin oder brennbares Prinzip genannt, von anderen brennbaren Gasen durch seine Dichte und die Menge an Säure unterscheidet, die er enthält. Cavendish bestätigte 1781 frühere Beobachtungen, dass Wasser wurde bei der Verbrennung von Wasserstoff gebildet, und Antoine-Laurent Lavoisier, der Vater der modernen Chemie, prägte das französische Wort Hydrogène, von dem die englische Form abgeleitet wurde.  1929 zeigten Carl Friedrich Bonhofer, ein deutscher physikalischer Chemiker, und Paul Hartik, ein österreichischer Chemiker, basierend auf früheren theoretischen Arbeiten, dass gewöhnlicher Wasserstoff eine Mischung aus zwei Arten von Molekülen ist, Orthowasserstoff und Parawasserstoff.  Aufgrund der einfachen Struktur von Wasserstoff lassen sich seine Eigenschaften relativ einfach theoretisch berechnen.  Daher wird Wasserstoff oft als theoretisches Modell für komplexere Atome verwendet und die Ergebnisse kompetent auf andere Atome übertragen.

  Physikalische und chemische Eigenschaften

  Die Tabelle listet die Haupteigenschaften von molekularem Wasserstoff H2 auf.  Extrem niedrige Schmelz- und Siedepunkte sind das Ergebnis schwacher Gravitationskräfte zwischen Molekülen.  Das Vorhandensein dieser schwachen intermolekularen Kräfte zeigt sich auch in der Tatsache, dass, wenn sich Wasserstoffgas in Richtung des maximalen Drucks bei Raumtemperatur ausdehnt, seine Temperatur ansteigt, während die Temperatur der meisten anderen Gase abnimmt  Nach thermodynamischen Prinzipien bedeutet dies, dass die radioaktiven Kräfte größer sind als die Gravitationskräfte zwischen den Wasserstoffmolekülen bei Raumtemperatur – sonst kühlt die Ausdehnung den Wasserstoff ab.  Tatsächlich herrschen bei 0,668,6 ° C Gravitationskräfte, und Wasserstoff kühlt ab, wenn er sich unter diese Temperatur ausdehnt.  Der Kühleffekt wird bei Temperaturen unterhalb von flüssigem Stickstoff (6196 °C) so deutlich, dass dieser Effekt genutzt wird, um die Flüssigtemperatur von Wasserstoffgas zu erhalten.

  Einige Eigenschaften von gewöhnlichem Wasserstoff und Deuterium

  Gewöhnliches Wasserstoff-Deuterium

  Atomarer Wasserstoff

  Ordnungszahl 1 1

  Atomgewicht 1,0080 2,0141

  Ionisationskapazität 13.595 Elektronenvolt 13.600 Elektronenvolt

  Elektronenzugehörigkeit 0,7542 Elektronenvolt 0,754 Elektronenvolt

  Atomspin 1/2 1

  Atomares magnetisches Moment (Atommagnet) 2,7927 0,8574

  Atomares Quadratmoment 0 2,77 (10−27) Quadratzentimeter

  Elektrisch negativ (Paling) 2.1 ~ 2.1

  Molekularer Wasserstoff

  Bindungsabstand 0,7416 Angström 0,7416 Angström

  Trennenergie (25 Grad Celsius) 104,19 kcal pro Mol 105,97 kcal pro Mol

  Ionisationskapazität 15,427 Elektronenvolt 15,457 Elektronenvolt

  Feststoffdichte 0,08671 Gramm pro Kubikzentimeter 0,1967 Gramm pro Kubikzentimeter

  Schmelzpunkt –259,20 °C – 254,43 °C

  Schmelztemperatur 28 Kalorien pro Mol 47 Kalorien pro Mol

  Flüssigkeitsdichte 0,07099 (–252,78 Grad) 0,1630 (–249,75 Grad)

  Siedepunkt –252,77 °C – 249,49 °C

  Dampftemperatur 216 Kalorien pro Mol 293 Kalorien pro Mol

  Kritische Temperatur –240,0 °C – 243,8 °C

  Kritischer Druck 13,0 Atmosphäre 16,4 Atmosphäre

  Kritische Dichte 0,0310 Gramm pro Kubikzentimeter 0,0668 Gramm pro Kubikzentimeter

  Verbrennungstemperatur des Wassers (g) −57,796 kcal pro Mol 9 59,564 kcal

  Wasserstoff ist für sichtbares Licht, Infrarotlicht und ultraviolettes Licht bis zu Wellenlängen von weniger als 1800 transparent.  Da sein Molekulargewicht geringer ist als bei jedem anderen Gas, ist die Geschwindigkeit seiner Moleküle bei jeder gegebenen Temperatur höher als bei jedem anderen Gas und es dehnt sich schneller aus als jedes andere Gas.  Dadurch wird kinetische Energie durch Wasserstoff schneller verteilt als durch jedes andere Gas.  Es hat zum Beispiel die höchste Wärmeleitfähigkeit.

  Das Wasserstoffmolekül ist das einfachste mögliche Molekül.  Es besteht aus zwei Protonen und zwei Elektronen, die durch elektrostatische Kräfte zusammengehalten werden.  Atome können wie Wasserstoff eine große Anzahl gespeicherter Energieniveaus haben.

  Orthowasserstoff und Parawasserstoff

  Es gibt zwei bekannte Arten von molekularem Wasserstoff (Ortho und Para).  Diese unterscheiden sich in den magnetischen Wechselwirkungen der Protonen aufgrund der Drehbewegungen der Protonen.  Bei Orthowasserstoff sind die Rotationen der beiden Protonen gleichsinnig verbunden, also parallel.  Bei Parawasserstoff sind die Spindeln gegenläufig geschaltet und damit parallel.  Die Spinausrichtung bestimmt die magnetischen Eigenschaften von Atomen.  Im Allgemeinen treten keine Mutationen von einem Typ zum anderen auf (d. h. Änderungen zwischen Ortho- und Paramolekülen), und Orthowasserstoff und Parawasserstoff können als zwei separate Modifikationen von Wasserstoff betrachtet werden.  Die beiden Formen können sich jedoch unter bestimmten Bedingungen ändern.  Das Gleichgewicht zwischen den beiden Formen kann auf viele Arten hergestellt werden.  Eine davon ist das Einbringen von Katalysatoren (zB Aktivkohle oder diverse paramagnetische Substanzen).  Die zweite Methode besteht darin, dem Gas einen elektrischen Strom zuzuführen oder es auf eine höhere Temperatur zu erhitzen.

  Die Konzentration von Parawasserstoff in einer Mischung, die ein Gleichgewicht zwischen den beiden Formen erreicht hat, hängt von der Temperatur ab, wie die folgende Abbildung zeigt:

  Grundsätzlich kann reiner Parawasserstoff bei der Temperatur von flüssigem Wasserstoff hergestellt werden, indem die Mischung mit Holzkohle gemischt wird.  Es wandelt den gesamten Orthowasserstoff in Parawasserstoff um.  Andererseits kann ortho-Wasserstoff nicht direkt aus der Mischung hergestellt werden, da die para-Wasserstoffkonzentration nie weniger als 25 % beträgt.

  Die beiden Formen von Wasserstoff haben leicht unterschiedliche physikalische Eigenschaften.  Der Schmelzpunkt von Parawasserstoff ist um 0,10 % niedriger als der einer 3:1-Mischung aus Orthowasserstoff und Parawasserstoff.  Der Dampfdruck auf flüssigem Parawasserstoff bei –252,77 °C beträgt 1,035 Atmosphären (ein Atmosphärendruck auf Meereshöhe unter Standardbedingungen, entspricht etwa 14,69 Pfund pro Quadratzoll), verglichen mit 1,000 Atmosphären 3: 1 Ortho-Para-Verbindungsdampfdruck.  Aufgrund der Dampfdrücke von para-Wasserstoff und ortho-Wasserstoff können diese Formen von Wasserstoff durch Niedertemperatur-Gaschromatographie getrennt werden, ein analytisches Verfahren, das es ermöglicht, dass verschiedene Atome und Molekülarten ihre unterschiedlichen Schwankungen aufweisen

  Wasserstoffreaktion

  Ein Wasserstoffmolekül spaltet sich in zwei Atome (H2 → 2H), wenn die Energie gleich oder größer als die Energie (dh die Energiemenge, die zum Aufbrechen der Bindung, die die Atome im Molekül zusammenhält) bereitgestellt wird.  Die Abbauenergie von molekularem Wasserstoff beträgt 104.000 Kalorien pro Mol – geschrieben 104 kcal/mol (Mol: Molekulargewicht wird in Gramm ausgedrückt, das sind bei Wasserstoff zwei Gramm).  Genügend Energie wird beispielsweise gewonnen, wenn das Gas einer weißglühenden Wolframfaser ausgesetzt wird oder wenn im Gas ein elektrischer Strom gebildet wird.  Wenn in einem System bei niedrigem Druck atomarer Wasserstoff erzeugt wird, gäbe es eine kritische Lebensdauer von Atomen, beispielsweise 0,3 Sekunden bei einem Druck von 0,5 mm Hg.  Kernwasserstoff ist sehr reaktiv.  Es verbindet sich mit den meisten Elementen zu Hydriden (z. B. Natriumhydrid, NaH) und reduziert Metalloxide, eine Reaktion, die das Metall in seinem ursprünglichen Zustand erzeugt.  Metalloberflächen, die sich nicht mit Wasserstoff zu stabilen Hydriden verbinden (z. B. Platin), lösen die Rekombination von Wasserstoffatomen zu Wasserstoffmolekülen aus und werden dadurch durch die bei dieser Reaktion freigesetzte Energie erwärmt.

  Molekularer Wasserstoff kann mit vielen Elementen und Verbindungen reagieren, aber die Reaktionsgeschwindigkeiten bei Raumtemperatur sind normalerweise so gering, dass sie fast nicht vorhanden sind.  Diese scheinbare Trägheit ist teilweise auf die hohe Abbauenergie des Moleküls zurückzuführen.  Bei höheren Temperaturen ist die Reaktionsgeschwindigkeit jedoch höher.

  Funken oder einige Strahlen können eine explosive Reaktion einer Mischung aus Wasserstoff und Chlor verursachen, um Chlorwasserstoff zu erzeugen, wie durch die Gleichung H2 + Cl2 → 2HCl gezeigt wird.  Das Gemisch aus Wasserstoff und Sauerstoff reagiert mit einer messbaren Geschwindigkeit von knapp über 300 °C, gemäß den Gleichungen 2H2 + O2 → 2H2O.  Solche Verbindungen, die 4 bis 94 % Wasserstoff enthalten, entzünden sich beim Erhitzen auf 550 ° –600 ° C oder bei Kontakt mit Katalysatoren, Funken oder Flammen.  Besonders heftig ist die Explosion eines 2:1 Gemisches aus Wasserstoff und Sauerstoff.  Nahezu alle Metalle und Nichtmetalle reagieren bei hohen Temperaturen mit Wasserstoff.  Bei hohen Temperaturen und Drücken reduziert Wasserstoff die Oxide der meisten Metalle und vieler Metallsalze in Metallen.  Zum Beispiel Reaktion von Wasserstoffgas und Eisenoxid, Herstellung von metallischem Eisen und Wasser, H2 + FeO, Fe + H2O;  Wasserstoffgas reduziert Palladiumchlorid unter Bildung von Palladiummetall und Chlorwasserstoff, H2 + PdCl2 → Pd + 2HCl.

  Wasserstoff wird von vielen Übergangsmetallen bei hohen Temperaturen absorbiert (Scandium, 21, Kupfer, 29 % Etrium, 39, Silber, 47 % Hafnium, 72, Gold, 79);  Und aktinoide Metalle (über Actinium, 89, Laurensium, 103) und Lanthanoid-Reihen (Lanthan, 57, über Lithium, 71), um harte, legierungsartige Hydride zu bilden.  Sie werden oft als interstitielle Hydride bezeichnet, weil sich das Metallkristallgitter in vielen Fällen einfach ausdehnt, um den gelösten Wasserstoff unverändert aufzunehmen.

  Wasserstoffverbindung

  In einigen harmonisch gebundenen Hydriden ist ein Wasserstoffatom gleichzeitig durch zwei separate elektronegative Atome verbunden, die dann als Wasserstoffbrücken bezeichnet werden.  Zu den stärksten Wasserstoffbrückenbindungen gehören kleine, stark elektronegative negative Atome von Fluor (F), Sauerstoff und Stickstoff.  Im Bifluorid-Ion HF2− bindet das Wasserstoffatom zwei Fluoratome.  In der Eiskristallstruktur ist jedes Sauerstoffatom von vier anderen Sauerstoffatomen umgeben, dazwischen befinden sich Wasserstoffatome.  Wenn Eis schmilzt, brechen einige Wasserstoffbrückenbindungen und die Struktur bricht mit zunehmender Dichte zusammen.  Wasserstoffbrückenbindungen sind in der Biologie wichtig, weil sie eine wichtige Rolle bei der Bestimmung der Bildung von Molekülen spielen.  Die helikalen (spiralförmigen) Konfigurationen einiger großer Molekülketten, wie z. B. in Proteinen, werden durch Wasserstoffbrückenbindungen zusammengehalten.  Umfangreiche Wasserstoffbindungen im flüssigen Zustand erklären, warum die Siedepunkte von Fluorwasserstoff (HF), Wasser (H2O) und Ammoniak (NH3) von ihren schweren Analoga Chlorwasserstoff (HCl), Schwefelwasserstoff (H2S) und vielen mehr abweichen.  Phosphin (PH3).  Die zum Aufbrechen von Wasserstoffbrückenbindungen und zum Ermöglichen der Verdampfung erforderliche thermische Energie ist nur bei hohen Siedetemperaturen verfügbar.

  Ganz anders verhält sich Wasserstoff in einer starken Säure wie Salzsäure (HCl) oder Salpetersäure (HNO3).  Wenn sich diese Säuren in Wasser auflösen, trennt sich Wasserstoff in Form eines Protons, H +, vollständig von dem negativ geladenen Ion, dem Anion (Cl− oder NO3−), und tritt mit Wassermolekülen in Wechselwirkung.  Das Proton bindet fest an ein Wassermolekül (hydratisiert), um ein Axoniumion (H3O +, manchmal auch als Hydroniumion bezeichnet) zu bilden, das wiederum Wasserstoff an andere Wassermoleküle bindet, was die Anzahl der H2O-Moleküle angibt, die in Formeln wie H enthalten sind (H2O) n + Index n).  Die Reduktion von H + (Reduktion ist die chemische Veränderung, bei der ein Atom oder Ion ein oder mehrere Elektronen erhält) kann als Halbreaktion dargestellt werden: H ++ e− → 1 / 2H2.  Die zum Herbeiführen dieser Reaktion erforderliche Energie kann als Reduktionspotential ausgedrückt werden.  Das Wasserstoff-Reduktionspotential wird per Konvention als Null angesehen, und alle Metalle mit negativem Reduktionspotential werden berücksichtigt, dh Metalle, die leicht reduziert werden können (leichter oxidiert werden; → Zn, −0,763 Volt) – können im Prinzip Wasserstoff entfernen aus stark saurer Lösung: Zn + 2H + → Zn2 + + H2.  Metalle mit positivem Reduktionspotential (z. B. Silber: Ag + + e− → Ag, + 0,7995 Volt) werden an wässrige Wasserstoffionen gebunden.