Wasserstoff

Wasserstoff Übung

• Vervollständige den Steckbrief zum Element Wasserstoff.

  Tipps

  Das Elementsymbol besteht aus einem oder zwei Buchstaben und steht über dem vollständigen Elementnamen.

  Zwei Begriffe bleiben übrig.

  Lösung

  Wasserstoff ist das am häufigsten vorkommende Element unseres Universums. Seine Eigenschaften kann man folgendermaßen zusammenfassen:

  • Im Periodensystem der Elemente findest du Wasserstoff unter dem Elementsymbol $\ce {\mathbf{H}}$. Das ist die Abkürzung für das lateinische Wort „Hydrogenium“. Dies kann in etwa mit „Wassererzeuger“ übersetzt werden.
  • Es steht in der ersten Hauptgruppe, jedoch gehört Wasserstoff – im Gegensatz zu den anderen Elementen dieser Gruppe – nicht zu den Alkalimetallen, sondern zu den Nichtmetallen.
  • Wasserstoff ist ein farbloses, geruchloses und geschmackloses Gas.
  • Es ist das leichteste aller Elemente.
  • Dass Wasserstoff meist gasförmig und nicht flüssig vorliegt, hat unter anderem mit seiner Siedetemperatur von $−253\,\pu{°C}$ zu tun.
  • Sinkt die Temperatur ein kleines bisschen mehr, wird Wasserstoff sogar fest, denn die Schmelztemperatur liegt bei $−259\,\pu{°C}$. Das ist sehr nah am absoluten Nullpunkt, der bei $−273\,\pu{°C}$ liegt.
  • Wasserstoff ist bei Raumtemperatur relativ reaktionsträge und wird erst bei hohen Temperaturen reaktionsfreudig.

• Bestimme weitere Eigenschaften von Wasserstoff.

  Tipps

  Es gibt zwei richtige Antworten.

  Beim Verdampfen von Wasser ändert sich lediglich der Aggregatzustand von flüssig zu gasförmig.

  Wasserstoff liegt unter normalen Bedingungen als Gas vor.

  Lösung

  Im Periodensystem der Elemente findest du Wasserstoff unter dem Elementsymbol $\ce {\mathbf{H}}$. Das ist die Abkürzung für das lateinische Wort „Hydrogenium“. Dies kann in etwa mit „Wassererzeuger“ übersetzt werden. Der Name ist auf die Experimente von Antoine Lavoisier zurückzuführen, der erkannte, dass beim Verbrennen von Wasserstoff Wasser entsteht.
  Im Periodensystem steht Wasserstoff in der ersten Hauptgruppe, jedoch gehört er – im Gegensatz zu den anderen Elementen dieser Gruppe – nicht zu den Alkalimetallen, sondern zu den Nichtmetallen.
  Wasserstoff befindet sich an der ersten Position im Periodensystem, besitzt also die Ordnungszahl $1$. Das bedeutet, dass ein Wasserstoffatom ein Elektron sowie ein Proton besitzt.
  Wasserstoff liegt bevorzugt als $\ce {\mathbf{H_2}}$-Molekül vor, wobei beide Außenelektronen eine sogenannte kovalente Bindung ausbilden. Durch die Verbindung zweier Wasserstoffatome zu einem $\ce {H2}$-Molekül erreichen beide Wasserstoffatome die Edelgaskonfiguration.

• Beschreibe das Vorkommen und das Reaktionsverhalten von Wasserstoff.

  Tipps

  Wasserstoff macht drei Viertel der Masse unseres Sonnensystems aus.

  In der ersten Hauptgruppe stehen die Alkalimetalle.

  Die Halogene nehmen ein Elektron auf, um die Edelgaskonfiguration zu erreichen.

  Lösung

  Wasserstoff ist das am häufigsten vorkommende Element unseres Universums und macht ganze $\mathbf{75}$ Prozent der gesamten Masse unseres Sonnensystems aus. Auf unserer Erde sieht es da anders aus: Die Erdhülle weist einen Wasserstoffanteil von lediglich einem Prozent auf.

  Meist liegt Wasserstoff in gebundener Form vor, zum Beispiel in Wasser. Davon gibt es auf dem Blauen Planeten ja reichlich. Dabei ist es nicht nur in den Ozeanen vorhanden: Menschen, Tiere und Pflanzen bestehen ebenfalls zu einem großen Teil aus Wasser und damit auch aus Wasserstoff.

  Ein Atom Wasserstoff besteht aus einem Elektron und einem Proton. Dies ist auch der Grund, warum er viele Eigenschaften mit den Elementen der siebten Hauptgruppe (die Halogene) teilt. Genau wie diese benötigt Wasserstoff nämlich nur ein Elektron, um die Edelsgaskonfiguration zu erreichen.

  Im Falle von Wasserstoff ist die Edelgaskonfiguration von Helium mit insgesamt nur zwei Außenelektronen erreicht. In den meisten Verbindungen verhält sich Wasserstoff jedoch wie die Alkalimetalle und gibt ein Elektron ab.

• Gib an, wofür das vielseitige Element Wasserstoff verwendet wird.

  Tipps

  Wasser ist eine Verbindung, die aus den Elementen Wasserstoff und Sauerstoff besteht.

  Bei der Elektrolyse wird Wasser in seine Bestandteile gespalten.

  Lösung

  Wasserstoff ist ein vielseitiges Element und kann in sehr vielen Bereichen verwendet werden:

  • In der chemischen Industrie wird Wasserstoff für die Herstellung von Ammoniak, Methanol und anderen wichtigen Chemikalien genutzt.
  • Zudem wird Wasserstoff zur Filterung und Reinigung von Erdöl und Erdgas eingesetzt. Dadurch ist die Verbrennung der Treibstoffe etwas weniger umweltschädlich.
  • Bei der Elektrolyse wird Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff gespalten. Die Spaltung geschieht durch einen aus erneuerbaren Energien hergestellten elektrischen Strom. So kann Wasserstoff ohne Einsatz von fossilen Rohstoffen produziert und für Brennstoffzellen verwendet werden.
  • In sogenannten Brennstoffzellen wird elektrische Energie freigesetzt, indem Wasserstoff mit Sauerstoff zu Wasser reagiert. Dadurch können Fahrzeuge klimaneutral angetrieben werden.

• Gib an, was „grüner“ Wasserstoff ist.

  Tipps

  Zwei Antworten sind richtig.

  Durch die Elektrolyse wird Wasserstoff gewonnen, indem Wasser aufgespalten wird.

  Wenn etwas „grün“ ist, dann handelt es sich meistens um den Einsatz erneuerbarer Energie.

  Lösung

  Mit „grünem“ Wasserstoff bezeichnet man Wasserstoff, der mittels Elektrolyse gewonnen wird. Das bedeutet, dass Wasser durch einen aus erneuerbaren Energien hergestellten elektrischen Strom in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten wird. So kann Wasserstoff ohne Einsatz von fossilen Rohstoffen hergestellt und für Brennstoffzellen verwendet werden.

• Begründe, warum für Luftballons Helium und nicht Wasserstoff verwendet wird.

  Tipps

  Es gibt zwei richtige Antworten.

  Helium steht in der achten Hauptgruppe und hat eine vollständig besetzte äußere Elektronenschale. Weißt du, was dies über seine Reaktivität verrät?

  Lösung

  Wasserstoff und Helium sind beides Gase, die leichter als Luft sind. Somit würden sich beide für die Verwendung bei Luftballons eignen. Der kleine, aber entscheidende Unterschied liegt in deren Reaktionsverhalten:
  Helium steht in der achten Hauptgruppe. Dort sind alle Edelgase aufgelistet. Ihre besondere Eigenschaft ist, dass sie nicht mit anderen Stoffen reagieren, weil sie durch ihre acht Außenelektronen bereits die Edelgaskonfiguration erreicht haben. Das macht sie ungefährlich, denn aufgrund ihrer Reaktionsträgheit können keine gefährlichen Stoffe entstehen.
  Anders verhält es sich bei Wasserstoff. Denn dieser steht in der ersten Hauptgruppe und hat somit ein Außenelektron. Das Atom ist also „unvollständig“ und strebt stets die Edelgaskonfiguration an, denn ihm fehlt ein Elektron. Das macht Wasserstoff zu einem sehr reaktionsfreudigen Element, vor allem bei hohen Temperaturen. Verbindet sich Wasserstoff mit Sauerstoff oder Chlor, gibt es sogar eine heftige Reaktion: eine Explosion mit lautem Knall. Man nennt dies Knallgasreaktion.

  Da in unserer Luft Sauerstoff enthalten ist, sollte auf keinen Fall Wasserstoff, sondern Helium für das Befüllen von Luftballons verwendet werden!