21. Das Element Wasserstoff
Gewinnung des Wasserstoffs aus Wasser
Wasser kann zwar neben Magnesium auch mit den Metallen Calcium oder Natrium zersetzt werden, doch da diese Metalle sehr teuer sind, können sie für eine umfangreiche technische Gewinnung von Wasserstoff nicht verwendet werden. Eine Zersetzung des Wassers in seine Bestandteile kann aber auch mit dem wichtigsten Nichtmetall, dem Kohlenstoff, durchgeführt werden:
$ \mathrm { 131 \ kJ + H_{2}O + C \; \longrightarrow \; H_{2} + CO } $
Wasser + Kohlenstoff $\longrightarrow$ Wasserstoff + Kohlenstoffmonoxid
Die oben dargestellte Reaktion verläuft endotherm und kann zur großtechnischen Wasserstoffgewinnung verwendet werden. Dabei entsteht aber auch das Gas Kohlenstoffmonoxid, das in einem weiteren Schritt noch vom Wasserstoff getrennt werden muß.
Wasserstoff ist das leichteste aller Gase
Wasserstoff ist das häufigste chemische Element des Universums und ist Bestandteil der meisten organischen Verbindungen; insbesondere kommt er in sämtlichen lebenden Organismen vor.
Molekularer Wasserstoff (H2) ist etwa 14,4-mal leichter als Luft. Sein Siedepunkt liegt bei 20,27 Kelvin, der Schmelzpunkt bei 14,02 Kelvin. Die Löslichkeit von Wasserstoff in Wasser beträgt 1,6 mg/l. Die Dichte von Wasserstoff beträgt 0,09 g/l. Wasserstoffmoleküle bestehen aus zwei sehr fest miteinander verbundenen Wasserstoffatomen. Aus dem tiefen Siedepunkt des Wasserstoffs (-253°C) kann schließen, dass zwischen einzelnen Wasserstoffmolekülen nur geringe »Anziehungskräfte« im Sinne des Dalton-Modells bestehen.
Die hohe Diffusionsgeschwindigkeit des Wasserstoffs beruht auf seiner geringen Masse. Deshalb muß man Sicherheitsvorkehrungen treffen, besonders bei der Abdichtung von Leitungen und Apparaturen, wenn Wasserstoff bei chemischen Prozessen zum Einsatz kommt.
Ein brennbares Gas
Eine »Knallgasprobe« (Versuch 3) zeigt, dass ein Gemisch aus Wasserstoff und Luft innerhalb eines weiten Bereichts explosiv ist (Tabelle 12, Kapitel 13) und ein gefährliches Gasgemisch darstellt (Bild 2).
Als Folge des Unglücks von Lakehurst wurde Wasserstoff als Traggas für Luftschiffe und Ballons durch das unbrennbare Gas Helium ersetzt. Eine brennende Kerze, die man in einen Behälter mit Wasserstoff einführt, erlischt augenblicklich, gleichzeitig entzündet sich der Wasserstoff mit einem Knall und brennt am Rand des Behälters weiter. Zieht man nun die Kerze aus dem Behälter wieder heraus, enzündet sie sich erneut an dem am Rand brennenden Wasserstoff.
Explosion des Zeppelins Hindenburg im Jahre 1937 in Lakehurst, USA.
Im hinteren Teil des Luftschiffes bildete sich ein brennbares Wasserstoff-Luft-Gemisch, das sich möglicherweis durch einen elektrischen Funken entzündete. Qelle: Wikipedia, Bild lizenzfrei
Wasserstoff ist im Gegensatz zu Sauerstoff ein brennbares Gas, das die Verbrennung aber nicht unterhält.
Bei der Verbrennung von 1 mol Wasserstoff (2 g = 22,4 l) werden 285 kJ frei. Dazu ein interessanter Vergleich:
1 kg flüssiger Wasserstoff liefert eine Wärme von ca. 121000 kJ.
1 kg flüssiges Benzin liefert eine Wärme von ca. 42000 kJ.
Wasserstoff wird zur Unterscheidung von Sauerstoff in rote Stahlflaschen abgefüllt. In roten Stahlflaschen befinden sich brennbare Gase.
Schutzwand! Schutzbrille! Mündung nicht auf Schutzwand oder Personen richten! Die Mündungen der drei Zylinder werden nacheinander an die Gasflamme geführt.
Die Verwendung von Wasserstoff
Da Wasserstoff in der Natur nicht als Rohstoff vorkommt, erfolgt die Wasserstoffherstellung in verschiedenen überwiegend chemischen Verfahren aus wasserstoffhaltigen Verbindungen, meist Kohlenwasserstoffen, selten aus Wasser.
Speziell für zukünftige breite Anwendungen der Brennstoffzelle wurden zusätzliche neue Herstellungsverfahren entwickelt. Dabei hat jede Möglichkeit ihre Vor- und Nachteile, so dass weitere Forschungsarbeiten nötig sind, um diese zu optimieren und marktfähig zu machen. Bei der Wasserstoffherstellung, wird entweder chemische Energie der Kohlenwasserstoffe oder zugeführte meist elektrische Energie gewandelt in chemische Energie in Form von Wasserstoff.
Die riesigen Wasserstoffmengen, die mit solchen Verfahren hergestellt werden können, werden in den Erdölraffinerien zm Entschwefeln verwendet und bei chemischen Großsynthesen und bei der Fetthärtung (Margarineherstellung) verbraucht. Nur kleine Mengen fallen beim autogenen Schweißen und Schneiden ihre Verwendung. Beim Verbrennen von Wasserstoff mit Sauerstoff im sog. Knallgasgebläse erzielt man Temperaturen von über 2000° C, so dass Eisen und Stahl geschmolzen werden können. Richtet man einen Überschuß von Sauerstoff auf das hocherhitzte Metall, so verbrennt das Eisen und kann vom Gasstrahl weggeblasen werden. An Stelle von Wasserstoff wird heute meist Acetylen mit Sauerstoff zum Schweißen verwendet.