Wasserstoff
© stu 2004/05/13
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Vorkommen: Auf der Erde nur in Verbindungen (Wasser, Erdgas, Erdöl, organische Verbindungen wie Zucker, Fett und Eiweiß).

Eigenschaften: Einwertig (hat nur 1 Elektron in der äußersten Schale), elementar als zweiatomiges Molekül H2, gasförmig, farblos, geruchlos, leichter als Luft, brennbar.

Herstellung: Z. B. durch Elektrolyse von Wasser (siehe unten), aus Erdgas, im Labor aus Zink und HCl (Salzsäure).

Verwendung: Zum Schweißen, als Raketentreibstoff (Space Shuttle), zur Herstellung von Ammoniak (daraus stellt man Salpetersäure und weiter Sprengstoffe und Düngemittel her), zur Fetthärtung und für andere Synthesen. 
Das Reaktionsprodukt der Verbrennung von Wasserstoff ist Wasser. Wasserstoff wäre also ein umweltfreundlicher Treibstoff für Autos. Die Herstellung von Wasserstoff durch Elektrolyse von Wasser ist allerdings sehr teuer, da elektrischer Strom teuer ist. Problematisch ist auch die Konstruktion eines Tanks für das Auto und das Tanken. 


Wasserstoff als alternativer Brennstoff - Brennstoffzellen

Verbrennung von Wasserstoff: Bisher dachte man vor allem daran, Wasserstoff in Auto - Motoren statt Benzin zu verbrennen. Einige Autofirmen, wie BMW haben bereits Versuchsautos gebaut. Am Flughafen in München werden die Autobusse mit Wasserstoff betrieben.
Auch Daimler-Chrysler hat ursprünglich Versuchsautos mit Wasserstoff - Motoren gebaut. Daimler Chrysler ist allerdings inzwischen auf die Brennstoffzelle umgestiegen. Toyota beabsichtigt 2003 das erste Auto mit Brennstoffzellen - Antrieb auf den japanischen Markt zu bringen.

In der Brennstoffzelle reagiert Wasserstoff mit Sauerstoff, dabei entsteht Wasser. Dabei gehen Elektronen vom Wasserstoff zum Sauerstoff. Diese werden auf dem Weg vom Wasserstoff - Atom zum Sauerstoff - Atom z. B. durch einen Motor "umgeleitet" und sind so als elektrischer Strom nutzbar. Die Brennstoffzelle funktioniert also wie eine Batterie und kann ein Elektroauto antreiben.
Nicht befriedigend gelöst ist allerdings noch die Problematik des Wasserstoff - Tanks und des Tankens.
Ein weiteres Problem stellt die umweltfreundliche Herstellung von Wasserstoff dar. Das "Abgas" dieser Autos ist zwar Wasser, aber die ungelöste Frage ist: Wie kann man umweltfreundlich und preiswert Wasserstoff herstellen?

Wasserelektrolyse

In einem Wasserzersetzungsapparat wird an den Platinelektroden Gleichstrom angelegt. Es bildet sich am negtiven Pol Wasserstoff und am positiven Pol Sauerstoff. Da ein Wasser-Molekül aus doppelt so vielen Wasserstoff-Atomen wie Sauerstoff-Atomen besteht, bildet sich doppelt so viel Wasserstoff, wie Sauerstoff.

Aus zwei Wasser-Molekülen entstehen zwei Wasserstoff-Moleküle und ein Sauerstoff-Molekül. 

Durch diesen Versuch lässt sich beweisen, dass im Wasser doppelt so viel Wasserstoff als Sauerstoff ist. 
 


Wasserstoff aus Zink und HCl - Knallgas

In einem Gasentwickler wird Salzsäure auf Zink getropft.
Der Wasserstoff wird mit einem Schlauch in einen wassergefüllten Zylinder geleitet.
Im Zylinder befindet sich danach reiner Wasserstoff.
Hält man den Zylinder mit dem Wasserstoff zur Flamme eines Brenners, so verbrennt der Wasserstoff mit einem Knall.
Aus dem gasförmigen Wasserstoff bilden sich einige wenige Wassertröpfchen, es entsteht ein Vakuum. In das Vakuum "fällt" die Luft mit lautem Knall hinein.
Zn  +  2 HCl  => H2  +  ZnCl2
2  H2  +  O2  =>  2 H2O

Spektakulärer fällt die Knallgas-Reaktion aus, wenn man 2/3 H2 und 1/3 O2 mischt, dann entspricht die Mischung von Wasserstoff mit Sauerstoff genau der Zusammensetzung von Wasser und es knallt richtig laut. 

Anwendung: Schneidbrenner, Wasserstoff als Treibstoff der ersten Stufe der Space Shuttle (ein Tank ist mit Wasserstoff gefüllt, der zweite mit Sauerstoff, Abgas: Wasserdampf).


Ein Luftballon wird mit Wasserstoff-Gas gefüllt. Wasserstoff kommt in Form von H2-Molekülen vor. In der Luft sind O2-Moleküle
Der Ballon wird losgelassen und fliegt zur Decke. Er wird mithife einer Kerze zur Explosion gebracht. Man sieht eine Flamme, dabei reagieren H2 und O2 , es bildet sich H2O.
Aus 2 Wasserstoff-Molekülen und 1 Sauerstoff-Molekül bilden sich 2 Wassermoleküle.
Reaktionsgleichung:
Links und rechts vom Reaktionspfeil sind je 4 H-Atome und 2 O-Atome

Den folgenden Versuch kannst du selbst probieren:
(aber nimm nicht Strom aus der Steckdose, das kann tödlich sein!)
Verbinde zwei 4,5 V-Batterien an je einem Pol (= 9 V) und schließe daran zwei Drähte, die in ein Glas Wasser gesteckt werden. Wenn du genau schaust, dann siehst du, dass sich am Draht Gasbläschen bilden.
Du kannst auch noch probieren, ob eine Taschenlampen-Glühbirne leuchtet, wenn du sie in den Stromkreis einbaust. Falls sie nicht leuchtet, so gib einfach einen Löffel Salz zum Wasser, dann leuchtet sie bestimmt.
Außerdem kannst du dann nach einiger Zeit den Geruch von Chlor riechen.
Schwierig, die Kontakte alle optimal zu schließen,  vor allem mit einer Glühbirne, oder? Am besten man besorgt sich eine kleine Lampenfassung!

Statt Eisennägeln kannst du als Elektroden auch Bleistiftminen verwenden.


Warum leuchtet die Glühbirne, wenn man Salz zum Wasser gibt?
Kochsalz (NaCl) besteht aus Na+ und Cl- Ionen. Wenn es sich im Wasser auflöst, schwimmen Ionen (geladene Teilchen) im Wasser herum. 
Diese geladenen Teilchen können den Stromkreis schließen, indem sie von einem zum anderen Pol schwimmen und so die Leitfähigkeit des Wassers vergrößern - daher leuchtet die Glühbirne heller.

Woher kommt der Chlor-Geruch?
Cl--Ionen sind negativ geladen und schwimmen zum +Pol. Dort müssen sie ihr 8. Außen-Elektron abgeben. Da die Chlor-Atome nun ein Elektron weniger haben als das Edelgas Argon (dieses hat 8 Außenelektronen), tun sie sich zu zweit zusammen und bilden Cl2-Moleküle. Chlor ist gasförmig und steigt im Wasser auf.


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