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Wasserstoff

Dieser Artikel ist über die Chemie des Wasserstoffs. Für die Physik des Atomwasserstoffs, sehen Sie Wasserstoffatom. Für andere Bedeutungen sehen Sie Wasserstoff (Disambigusierung).

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Li

Periodische Tabelle - Ausgedehnte periodische Tabelle

Allgemein

Name, Symbol, Zahl

Wasserstoff, H, 1

Chemische Reihe

Nichtmetalle

Gruppe, Periode, Block

1, 1, s

Aussehen

farblos

Standardatomgewicht

1.00794 (7) g·Mol⁻¹

Elektronkonfiguration

1s¹

Elektronen pro Oberteil

Physikalische Eigenschaften

Phase

Gas

Dichte

(0 °C, kPa 101.325)
0.08988 g/l

Schmelzpunkt

14.01 K
(° −259.14C, ° −434.45F)

Siedepunkt

20.28 K
(° −252.87C, ° −423.17F)

Dreifacher Punkt

13.8033 K (- 259°C), kPa 7.042

Kritischer Punkt

32.97 K, 1.293 MPa

Hitze des Schmelzverfahrens

(H₂) 0.117 kJ·Mol⁻¹

Hitze von Verdampfung

(H₂) 0.904 kJ·Mol⁻¹

Spezifische Hitzekapazität

(°C 25) (H₂)
28.836 J·Mol⁻¹·K⁻¹

Dampfdruck
P/Pa	1	10	100	1 k	10 k	100 k
an T/K					15	20

Atomeigenschaften

Kristallstruktur

sechseckig

Oxidation Zustände

1, −1
(amphoter Oxid)

2.20 (Pauling Skala)

1.: 1312.0 kJ·Mol⁻¹

Atomradius (calc.)

53 P.M.

Kovalenter Radius

37 P.M.

Van Der Waals Radius

120 P.M.

Verschieden

Wärmeleitfähigkeit

(300 K) 180.5 m W·m⁻¹·K⁻¹

Schallgeschwindigkeit

(Gas, °C 27) 1310 m/s

CAS Registerzahl

1333-74-0

Vorgewählte Isotope

Hauptartikel: Isotope des Wasserstoffs
ISO	Na	Halbwertzeit	DM	De (MeV)	DP
¹H	99.985%	¹H ist beständig mit 0 Neutronen
²H	0.015%	²H ist beständig mit 1 Neutronen
³H	Spur	12.32 y	β⁻	0.019	³Er

Hinweise

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Wasserstoff (ausgesprochen /ˈhaɪdrədʒən/^[1]) ist chemisches Element mit Ordnungszahl 1. Es wird durch dargestellt Symbol H. An Standardtemperatur und Druck, ist Wasserstoff ein farbloses, geruchlos, nicht-metallisch, geschmacklos, in hohem Grade feuergefährlich diatomic Gas mit molekulare Formel H₂. Mit Atommasse von amu 1.00794 ist Wasserstoff das hellste Element.

Wasserstoff ist der die meisten reichlich vorhanden von den chemischen Elementen ungefähr 75% der elementaren Masse des Universums festsetzend.^[2] Sterne in Hauptreihenfolge bestehen hauptsächlich aus Wasserstoff in seinem Plasma Zustand. Elementarer Wasserstoff ist an verhältnismäßig selten Masseund ist von industriell produziert Kohlenwasserstoffe wie Methan nachdem der meiste elementare Wasserstoff wird „sichernd“ (Bedeutung am Ort am Produktion Aufstellungsort) verwendet, wenn die größten Märkte ungefähr gleichmäßig zwischen geteilt sind Fossilbrennstoff Höhereinstufung (z.B., Hydrocracking) und Ammoniak Produktion (meistens für den Düngemittelmarkt). Wasserstoff kann aus Wasser mit dem Prozeß von produziert werden Elektrolyse, aber dieser Prozeß ist momentan deutlich mehr kostspieliges kommerziell als Wasserstoffproduktion vom Erdgas.^[3]

Das allgemeinste natürlich vorkommende Isotop vom Wasserstoff als bekannt protium, hat ein einzelnes Proton und Nr. Neutronen. In Ionenmittel es kann auf entweder einer positiven Aufladung nehmen (werdenes a Kation bestanden aus einem bloßen Proton) oder einer negativen Aufladung (werden Anion bekannt als a Hydrid). Wasserstoff kann Mittel mit den meisten Elementen bilden und ist innen anwesend Wasser und die meisten organische Mittel. Es spielt eine besonders wichtige Rolle innen Säureunterseite Chemie, in dem viele Reaktionen den Austausch der Protone zwischen löslichen Molekülen miteinbeziehen. Als für das das einzige Nullatom Schrödinger Gleichung analytisch gelöst werden, kann Studie der Energetik und Abbinden des Wasserstoffatoms hat eine Schlüsselrolle in der Entwicklung von gespielt Quantenmechaniker.

Löslichkeit und Eigenschaften vom Wasserstoff mit verschiedenen Metallen seien Sie innen sehr wichtig Metallurgie (da viele Metalle können leiden Wasserstoffversprödung^[4]) und wenn sichere Weisen entwickelt werden, es für Gebrauch als Kraftstoff zu speichern.^[5] Wasserstoff ist in vielen Mitteln in hohem Grade löslich, die aus bestehen seltene Masse Metalle und übergang Metalle^[6] und kann in beiden aufgelöst werden kristallen und formlos Metalle.^[7] Wasserstofflöslichkeit in den Metallen wird durch lokale Verzerrungen oder Verunreinigungen im Metall beeinflußt Kristallgitter.^[8]

Verbrennung

Wasserstoffgas ist in hohem Grade feuergefährlich und wird bei Konzentrationen von 4% oder mehr H brennen₂ in einer Luft.^[9] Enthalpie von der Verbrennung für Wasserstoff ist −286 kJ/mol;^[10] es brennt entsprechend der folgenden ausgeglichenen Gleichung.

2 H₂(g) + O₂(g) → 2 H₂O (L) + 572 kJ (286 kJ/mol)^[11]

Wenn er mit Sauerstoff über einer breiten Strecke der Anteile gemischt wird, explodiert Wasserstoff nach Zündung. Wasserstoff brennt heftig in einer Luft. Es zündet automatisch bei einer Temperatur von 560 °C. an.^[12] Reiner Wasserstoffsauerstoff Flammebrand in ultraviolett färben Sie Strecke und seien Sie zum blanken Auge fast unsichtbar, wie durch die Schwäche der Flamme von der Hauptleitung veranschaulicht Raum-Doppelventilkegel Maschinen (im Vergleich mit den leicht sichtbaren Flammen von SRBs). So ist es schwierig, sichtlich zu ermitteln, wenn eine Wasserstoffleckstelle brennt. Explosion des Hindenburg Luftschiffs war ein unbeliebter Fall von der Wasserstoffverbrennung (dargestellt); die Ursache wird debattiert, aber brennbare Materialien in der Haut des Schiffs waren für den Farbton der Flammen verantwortlich.^[13] Anders, das von den Wasserstofffeuern charakteristisch ist, ist, daß die Flammen neigen, mit dem Gas in einer Luft schnell zu steigen, wie vom Hindenburg veranschaulicht flammt und verursacht weniger Beschädigung als Kohlenwasserstofffeuer. Zweidrittel der Hindenburg Passagiere überlebten das Feuer, und viele der Todesfälle, die waren vom Fallen auftraten oder vom Dieselkraftstoff brennt.^[14]

H₂ reagiert direkt mit anderen oxidierenden Elementen. Eine heftige und spontane Reaktion kann mit bei Zimmertemperatur auftreten Chlor und Fluor, die entsprechenden Wasserstoffhalogenide bildend: Wasserstoffchlorverbindung und Wasserstofffluorid.^[15]

Elektronenergieniveaus

Hauptartikel: Wasserstoffatom

Grundzustand Energieniveau des Elektrons im Wasserstoff ist ein Atom −13.6 eV, das mit einem Ultraviolet gleichwertig ist Photon von ungefähr 92 Nanometer.^[16]

Die Energieniveaus des Wasserstoffs können errechnetes ziemlich genau verwenden sein Bohr Modell vom Atom das das Elektron auffaßt, wie das Proton in der Analogie zur Bahn der Masse der Sonne „, in Umlauf bringend“. Jedoch elektromagnetisch Kraft zieht Elektronen und Protone bis eins andere an, während Planeten und himmlische Gegenstände miteinander vorbei angezogen werden Schwerkraft. Wegen der Diskretisation von eckiges Momentum innen früh gefordert Quantenmechaniker durch Bohr kann das Elektron im Bohr Modell bestimmte gewährte Abstände vom Proton und folglich nur bestimmte erlaubte Energie nur besetzen.^[17]

Eine genauere Beschreibung des Wasserstoffatoms kommt von einer lediglich Quantenmechanischen Behandlung, die verwendet Schrödinger Gleichung oder das äquivalent Feynman Wegintegralformulierung errechnen Wahrscheinlichkeit Dichte vom Elektron um das Proton.^[18]

Elementare molekulare Formen

Es gibt zwei unterschiedliche Arten diatomic Wasserstoffmoleküle, die durch den Verwandten sich unterscheiden Drehbeschleunigung von ihren Kernen.^[19] In orthohydrogen bilden Sie sich, sind die Drehbeschleunigungen der zwei Protone parallel und bilden einen Dreiergruppezustand; in parahydrogen bilden Sie die Drehbeschleunigungen sind antiparallel und bilden ein Unterhemd. Mit Standardtemperatur und Druck enthält Wasserstoffgas ungefähr 25% der Punkte Form und 75% der ortho Form, alias der „normalen Form“.^[20] Das Gleichgewichtverhältnis von orthohydrogen zum parahydrogen hängt von der Temperatur, aber ab, da die ortho Form ist aufgeregter Zustand und hat eine höhere Energie als die Punkte Form, ist sie instabil und kann nicht gereinigt werden. Bei den sehr niedrigen Temperaturen besteht der Gleichgewichtzustand fast ausschließlich aus der Punkte Form. Die physikalischen Eigenschaften des reinen parahydrogen unterscheiden sich etwas von denen der normalen Form.^[21] Die ortho/Punkte Unterscheidung tritt auch in anderen Wasserstoff-enthaltenen Molekülen oder in Funktionsgruppen, wie Wasser auf und Methylen.^[22]

Uncatalyzed gegenseitige Wandlung zwischen Punkten und ortho H₂ Zunahmen bei Zunahme der Temperatur; so schnell verkürztes H₂ enthält große Quantitäten der energiereichen ortho Form, die in die Punkte Form sehr langsam umwandeln.^[23] Das ortho/Punkte Verhältnis in verkürztem H₂ ist eine wichtige Betrachtung in der Vorbereitung und in der Ablage des flüssigen Wasserstoffs: die Umwandlung von ortho zu Punkten ist exothermisch und produziert genügend Hitze, um die Wasserstoffflüssigkeit zu verdunsten und führt zu Verlust des verflüssigten Materials. Katalysatoren für die Orthopunkte gegenseitige Wandlung wie Eisen Mittel, werden während des Wasserstoffabkühlens benutzt.^[24]

Eine molekulare Form benannt protonated molekularen Wasserstoffoder H₃⁺, wird in gefunden interstellar Mittel Von (ISM), wo es durch Ionisierung des molekularen Wasserstoffs erzeugt wird kosmische Strahlen. Es ist auch in der oberen Atmosphäre des Planeten beobachtet worden Jupiter. Dieses Molekül ist im Klima des Weltraumes wegen der niedrigen Temperatur und der Dichte verhältnismäßig beständig. H₃⁺ ist eins der reichlich vorhandensten Ionen im Universum, und es spielt eine bemerkenswerte Rolle in der Chemie des interstellar Mittels.^[25]

Mittel

Weitere Informationen: Wasserstoffmittel

Kovalente und organische Mittel

Während H₂ nicht ist sehr reagierende Unterstandardbedingungen, es bildet Mittel mit den meisten Elementen. Millionen von Kohlenwasserstoffe bekannt, aber sie werden nicht durch die direkte Reaktion des grundlegenden Wasserstoffs und des Carbons gebildet (obgleich Synthesegas Produktion folgte von Fischer-Tropsch Prozeß Kohlenwasserstoffe zu bilden kommt nah an Sein eine Ausnahme, wie dieses mit Kohle anfängt und der elementare Wasserstoff in situ erzeugt wird).^{[Zitieren benötigte]} Wasserstoff kann Mittel mit Elementen bilden, die mehr sind electronegative, wie Halogene (z.B., F, Cl, Br, I); in diesen Mitteln nimmt Wasserstoff auf einer teilweisen positiven Aufladung.^[26] Wenn Sie zu abgebunden werden Fluor, Sauerstoffoder Stickstoff, kann Wasserstoff an einer Form des starken noncovalent gebenannten Abbindens teilnehmen Wasserstoffabbinden, das zur Stabilität vieler biologischer Moleküle kritisch ist.^[27]^[28] Wasserstoff bildet auch Mittel mit weniger electronegative Elementen, wie Metalle und Metalloide, in dem es auf einer teilweisen negativen Aufladung nimmt. Diese Mittel bekannt häufig wie Hydride.^[29]

Wasserstoff bildet eine beträchtliche Reihe Mittel mit Carbon. Wegen ihrer allgemeinen Verbindung mit lebenden Sachen, kamen diese Mittel, benannt zu werden organische Mittel;^[30] die Studie ihrer Eigenschaften bekannt wie organische Chemie^[31] und ihre Studie im Kontext des Lebens organismen bekannt wie Biochemie.^[32] Durch einige Definitionen „organische“ Mittel werden nur angefordert, um Carbon zu enthalten. Jedoch enthalten die meisten ihnen auch Wasserstoff und da es die Carbonwasserstoff Bindung ist, die dieser Kategorie der Mittel die meisten seinen bestimmten chemischen Eigenschaften gibt, Carbonwasserstoff Bindungen wird angefordert in einigen Definitionen des „organischen“ Wortes in der Chemie.^[30]

In anorganische Chemie, können Hydride wie auch dienen Hohlraumbildung von ligands dieses Verbindung zwei Metallmitten in a Korrdination Komplex. Diese Funktion ist innen besonders allgemein Gruppe 13 Elemente, besonders innen boranes (Bor Hydride) und Aluminium Komplexe, sowie, in gesammelt carboranes.^[33]

Hydride

Mittel des Wasserstoffs werden häufig benannt Hydride, eine Bezeichnung, die ziemlich lose verwendet wird. Zu den Chemikern deutet die Bezeichnung „Hydrid“ normalerweise, daß das H Atom einen negativen oder anionischen Buchstaben erworben hat, bezeichnetes H an⁻. Das Bestehen des Hydridanions, vorbei vorgeschlagen Gilbert N. Lewis 1916 für Gruppe wurden I und II Salz-wie Hydride, von Moers 1920 mit der Elektrolyse von flüssigem demonstriert Lithiumhydrid (LiH), produzierte das a stöchiometrisch Quantität Wasserstoff an der Anode.^[34] Für Hydride anders als Gruppe ist I und II Metalle, die Bezeichnung ziemlich irreführend und betrachtet das niedrige electronegativity des Wasserstoffs. Eine Ausnahme Gruppe II in den Hydriden ist BeH₂, das polymerisch ist. In Lithiumaluminiumhydrid, das AlH₄⁻ Anion trägt die hydridic Mitten, die fest zum Al angebracht werden (III). Obgleich Hydride mit fast allen Haupt-gruppe Elementen gebildet werden können, verändert sich die Zahl und die Kombination möglichen Mitteln weit; z.B. gibt es über 100 binären bekannten borane Hydriden, aber nur einem binären Aluminiumhydrid.^[35] Binär Indium Hydrid ist nicht noch gekennzeichnet worden, obgleich größere Komplexe bestehen.^[36]

Protone und Säuren

Sehen Sie auch: Säure-Unterseite Reaktion

Oxidation des Wasserstoffs, in der Richtung des Entfernens seines Elektrons, gibt formal H⁺, keine Elektronen und a enthalten Kern welches normalerweise aus einem besteht Proton. Das ist warum H⁺ wird häufig ein Proton benannt. Diese Sorte ist zur Diskussion über zentral Säuren. Unter Bronsted-Lowry Theorie, sind Säuren Protonspender, während Unterseiten Protonakzeptoren sind.

Ein bloßes Proton H⁺ kann nicht wegen seiner starken Tendenz in gelöster Form bestehen, sich zu den Atomen oder zu den Molekülen mit Elektronen anzubringen. Jedoch wird die Bezeichnung „Proton“ lose verwendet, um sich zu beziehen positiv aufgeladen oder kationisch Wasserstoff, bezeichnetes H⁺.

Die bequeme Erfindung vom blanken zu vermeiden „solvated Proton“ in gelöster Form, säurehaltige wässerige Lösungen werden betrachtet manchmal um zu enthalten hydronium Ion (H₃O⁺), das in Blöcke organisiert wird, um H zu bilden₉O₄⁺.^[37] Anderes oxonium Ionen werden gefunden, wenn Wasser in gelöster Form mit anderen Lösungsmitteln ist.^[38]

Obgleich exotisch auf Masse, eins der allgemeinsten Ionen im Universum, ist H₃⁺ Ion, bekannt als protonated molekularer Wasserstoff oder das triatomic Wasserstoffkation.^[39]

Isotope

Hauptartikel: Isotope des Wasserstoffs

Wasserstoff hat drei natürlich vorkommende Isotope, bezeichnet ¹H, ²H und ³H. Anderes, in hohem Grade instabile Kerne (⁴H zu ⁷H) sind synthetisiert worden, im Labor aber beobachtet worden nicht in der Natur.^[40]^[41]

¹H ist das allgemeinste Wasserstoffisotop mit einem überfluß an mehr als 99.98%. Weil Kern von diesem Isotop besteht nur aus ein einzelnes Proton, wird es den beschreibenden aber selten verwendeten formalen Namen gegeben protium.^[42]
²H, bekannt das andere beständige Wasserstoffisotop, wie Deuterium und enthält ein Proton und eins Neutron in seinem Kern. Deuterium ist nicht radioaktiv und stellt nicht eine bedeutende Giftigkeitgefahr dar. Das Wasser, das in den Molekülen angereichert wird, die Deuterium anstelle vom normalen Wasserstoff miteinschließen, wird benannt schweres Wasser. Deuterium und seine Mittel werden als inaktiver Aufkleber in den chemischen Experimenten und in den Lösungsmitteln für benutzt ¹HNMRspektroskopie.^[43] Schweres Wasser wird als a benutzt Neutronmoderator und Kühlmittel für Kernreaktoren. Deuterium ist auch ein möglicher Kraftstoff für Werbung Kernfusion.^[44]
³H bekannt wie Tritium und enthält ein Proton und zwei Neutronen in seinem Kern. Es ist radioaktiv und verfällt in Helium-3 durch Betazerfall mit a Halbwertzeit von 12.32 Jahre.^[33] etwas Tritium treten natürlich wegen der Interaktion der kosmischen Strahlen mit atmosphärischen Gasen auf; Tritium ist auch während freigegeben worden Kernwaffetests.^[45] Es wird in den Kernfusionreaktionen verwendet,^[46] als Indikator innen Isotopgeochemie,^[47] und innen spezialisiert self-powered Beleuchtung Vorrichtungen.^[48] Tritium ist auch in den chemischen und biologischen beschriftenden Experimenten als a benutzt worden radiolabel.^[49]

Wasserstoff ist das einzige Element, das unterschiedliche Namen für seine Isotope im allgemeinen Gebrauch heute hat. (Während der frühen Studie der Radioaktivität, wurden verschiedene schwere radioaktive Isotope Namen gegeben, aber solche Namen werden nicht mehr verwendet). Die Symbole D und T (anstelle von ²H und ³H) werden manchmal für Deuterium und Tritium verwendet, aber das entsprechende Symbol P ist bereits für gebräuchlich Phosphor und ist folglich nicht für protium vorhanden.^[50] In seinem nomenclatural Richtlinien, Internationaler Anschluß der reinen und angewandten Chemie erlaubt irgendwelche von D, T, ²H und ³Verwendet zu werden H, obgleich ²H und ³H werden bevorzugt.^[51]

Natürliches Auftreten

Wasserstoff ist der die meisten reichlich vorhanden Element im Universum, 75% von bildend normale Angelegenheit durch Masse und über 90% durch Zahl der Atome.^[52] Dieses Element wird im großen überfluß in den Sternen gefunden und Gasriese Planeten. Molekulare Wolken von H₂ sind mit verbunden Sternanordnung. Wasserstoff spielt eine lebenswichtige Rolle beim Antreiben Sterne durch Protonproton Reaktion und CNO Zyklus Kernfusion.^[53]

Während des Universums wird Wasserstoff meistens in gefunden atomar und Plasma Zustände deren Eigenschaften zu molekularem Wasserstoff ziemlich unterschiedlich sind. Als Plasma werden Elektron und Proton des Wasserstoffs zusammen, nicht mit dem Ergebnis der sehr hohen elektrischen Leitfähigkeit und hohen des Emissionsvermögens gesprungen (das Licht aus der Sonne und anderen Sternen produzierend). Die belasteten Partikel werden in hohem Grade durch magnetisches beeinflußt und elektrisch fängt auf. Z.B. in Solarwind sie wirken auf die Masse ein Magnetosphäre Verursachen Birkeland Ströme und Aurora. Wasserstoff wird im Nullatomzustand in gefunden Interstellar Mittel. Die große Menge des Nullwasserstoffs gefunden in den Dämpfung Lyman-Alpha Systemen wird gedacht, um die kosmologische baryonic Dichte von zu beherrschen Universum bis zu Redshift z=4.^[54]

Unter gewöhnlichen Bedingungen auf Masse, besteht elementarer Wasserstoff als das diatomic Gas, H₂ (für Daten sehen Sie Tabelle). Jedoch ist Wasserstoffgas in der Atmosphäre der Masse sehr selten (1 PPMs nach Volumen) wegen seines Leichtgewichtlers, dem es zu ermöglicht Entweichen von der Schwerkraft der Masse leicht als schwerere Gase. Noch ist Wasserstoff der Third das meiste reichlich vorhandene Element auf der Oberfläche der Masse.^[55] Die meisten des Wasserstoffs der Masse ist in Form chemische Mittel wie Kohlenwasserstoffe und Wasser.^[33] Wasserstoffgas wird durch irgendein Bakterium produziert und Algen und ist ein natürlicher Bestandteil von Flatus. Methan ist eine Wasserstoffquelle des zunehmenden Wertes.^[56]

Geschichte

Entdeckung und Gebrauch

Wasserstoffgas, H₂, war erstes produziert künstlich und formal beschrieben durch T. Von Hohenheim (alias Paracelsus, 1493-1541) über das Mischen von Metalle mit starke Säuren.^[57] Er war ahnungslos, daß das feuergefährliche Gas durch dieses produzierte chemische Reaktion war ein neues chemisches Element. 1671, Robert Boyle wiederentdeckt und zwischen beschrieben der Reaktion Eisen Archivierungen und verdünnen Säuren, das die Produktion des Wasserstoffgases ergibt.^[58] 1766, Henry Cavendish war das erste, zum des Wasserstoffgases als getrennte Substanz zu erkennen, indem es das Gas von a kennzeichnete Metallsäure Reaktion als „brennbare Luft“ und weiter, 1781 finden, daß das Gas Wasser produziert, wenn es gebrannt wird. Ihm wird normalerweise Gutschrift für seine Entdeckung als Element gegeben.^[59]^[60] 1783, Antoine Lavoisier gab dem Element den Namen des Wasserstoffs (vom Griechen hydro Bedeutung Wasser und Gene Bedeutung Schöpfer)^[61] wenn er und Laplace reproduzierten Cavendishs, das findet, daß Wasser produziert wird, wenn Wasserstoff gebrannt wird.^[60]

Wasserstoff wurde zum ersten Mal vorbei verflüssigt James Dewar 1898 durch das Verwenden seiner Erfindung, Vakuumflasche.^[60] Er produzierte festen Wasserstoff das folgende Jahr.^[60] Deuterium wurde im Dezember 1931 vorbei entdeckt Harold Ureyund Tritium wurde 1934 vorbei vorbereitet Ernest Rutherford, Kennzeichnen Sie Oliphantund Paul Harteck.^[59] Schweres Wasser, das aus Deuterium anstatt des regelmäßigen Wasserstoffs besteht, von der Gruppe Ureys 1932 entdeckt wurde.^[60] Einer der ersten Gebräuche von H₂ war für Limelight.^[60]

Zuerst Wasserstoff-gefüllt Ballon wurde vorbei erfunden Jacques Charles 1783.^[60] Wasserstoff stellte den Heber für die erste zuverlässige Form von Luft-reisen zur Verfügung, der Erfindung 1852 des ersten Wasserstoff-angehobenen Luftschiffs vorbei folgend Henri Giffard.^[60] Deutscher Zählimpuls Ferdinand von Zeppelin förderte die Idee der steifen Luftschiffe, die durch Wasserstoff angehoben wurden, die später benannt wurden Zeppelins; das erste von, welchem seinen Erstflug 1900 hatte.^[60] Regelmäßig-zeitlich geplante Flüge begannen 1910 und durch den Ausbruch von Erster Weltkrieg im August 1914 sie hatten 35.000 Passagiere ohne ein ernstes Ereignis befördert. Wasserstoff-angehobene Luftschiffe wurden als Beobachtung Plattformen und Bomber während des Krieges benutzt.

Die erste durchgehende transatlantic überfahrt wurde durch das britische Luftschiff gebildet R34 1919. Regelmäßiger Passagierservice nahm in den zwanziger Jahren und in der Entdeckung von wieder auf Helium Reserven in Vereinigte Staaten versprochene erhöhte Sicherheit, aber die US Regierung lehnte ab, das Gas zu diesem Zweck zu verkaufen. Folglich H₂ wurde in verwendet Hindenburg Luftschiff, das in einem mitten in der Luft Feuer rüber zerstört wurde New-Jersey auf 6. Mai 1937.^[60] Das Ereignis war die auf Radio Phasen- und gefilmte Sendung. Zündung des undichten Wasserstoffs, wie weit angenommen, um die Ursache aber neuere Untersuchungen zu sein zeigte auf Zündung von aluminumized Gewebe, das vorbei beschichtet statisch Elektrizität. Aber die Beschädigung des Renommees des Wasserstoffs als anhebendes Gas war bereits erfolgt.

Rolle in der Quantentheorie

Wegen seiner verhältnismäßig einfachen Atomstruktur bestehend nur aus einem Proton und einem Elektron, Wasserstoffatom, zusammen mit dem Spektrum des Lichtes produziert aus ihm oder durch es aufgesogen, ist zur Entwicklung der Theorie von zentral gewesen atomar Struktur.^[62] Ausserdem die entsprechende Einfachheit des Wasserstoffmoleküls und des entsprechenden Kations H₂⁺ erlaubtes volleres Verständnis der Natur von chemische Bindung, die kurz nach der Quantenmechanischen Behandlung des Wasserstoffatoms folgte, hatte sich in den Mid-1920s entwickelt.

Einer der ersten ausdrücklich beachtet zu werden (aber nicht zu der Zeit verstanden worden Quanteneffekte,) war eine Maxwellbeobachtung, die Wasserstoff, Hälfte ein Jahrhundert vor voll mit einbezieht Quantenmechanische Theorie angekommen. Maxwell beobachtete daß spezifische Hitzekapazität von H₂ reist unaccountably von dem von a ab diatomic Gas unterhalb der Raumtemperatur und fängt an, dem eines monatomic Gases bei den kälteerzeugenden Temperaturen in zunehmendem Maße zu ähneln. Entsprechend Quantentheorie entsteht dieses Verhalten aus dem Abstand der (quantisierten) Rotationsenergieniveaus, die besonders in H breit-gesperrt werden₂ wegen seiner niedrigen Masse. Diese weit Raumniveaus hemmen gleiches Fach der Wärmeenergie in Rotationsbewegung im Wasserstoff bei den niedrigen Temperaturen. Die Diatomic Gase, die aus schwereren Atomen bestehen, haben nicht so weit Raumniveaus und stellen nicht den gleichen Effekt aus.^[63]

Produktion

Für mehr Details über dieses Thema, sehen Sie Wasserstoffproduktion.

H₂ wird in den Chemie- und Biologielabors, häufig als Nebenerscheinung anderer Reaktionen produziert; in der Industrie für Hydrierung von ungesättigt Substrate; und in der Natur als Mittel des Wegtreibens Verringern äquivalente in den biochemischen Reaktionen.

Labor

In Labor, H₂ wird normalerweise durch die Reaktion der Säuren auf Metallen wie vorbereitet Zink.

Zn + 2 H⁺ → Zn²⁺ + H₂

Aluminium produziert H₂ nach Behandlung mit Säuren aber auch mit Unterseite:

Al 2 + 6 H₂O → 2 Al (OH-)₃ + 3 H₂

Elektrolyse vom Wasser ist eine einfache Methode des Produzierens des Wasserstoffs. Ein niedriges Strom-Spannungs wird durch das Wasser laufen gelassen, und gasförmiger Sauerstoff bildet sich an Anode wenn gasförmig, bildet sich Wasserstoff an Kathode. Gewöhnlich wird die Kathode vom Platin oder von einem anderen trägen Metall gebildet, wenn man Wasserstoff für Ablage produziert. Wenn jedoch das Gas auf Aufstellungsort gebrannt werden soll, ist Sauerstoff wünschenswert, die Verbrennung zu unterstützen und also würden beide Elektroden von den trägen Metallen gebildet. (Eisen zum Beispiel würde oxidieren, und verringert folglich die Menge des Sauerstoffes abgegeben.), die theoretische maximale Leistungsfähigkeit (die Elektrizität verwendet gegen der energische Wert des Wasserstoffs produziert) ist zwischen 80-94%.^[64]

2H₂O (aq) → 2H₂(g) + O₂(g)

2007 wurde es daß eine Legierung des Aluminiums entdeckt und Gallium in der Tablette Form, die Wasser hinzugefügt wurde, konnte verwendet werden, Wasserstoff zu erzeugen. Der Prozeß verursacht auch Tonerde, aber das kostspielige Gallium, das die Anordnung einer Oxidhaut auf den Tabletten verhindert, kann wiederverwendet werden. Dieses hat wichtige mögliche Implikationen für eine Wasserstoffwirtschaft, da Wasserstoff am Ort produziert werden kann und nicht braucht transportiert zu werden.^[65]

Industriell

Wasserstoff kann in einige unterschiedliche Weisen vorbereitet werden, aber ökonomisch beziehen die wichtigsten Prozesse Abbau des Wasserstoffs von den Kohlenwasserstoffen mit ein. Kommerzieller Massenwasserstoff wird normalerweise durch produziert reforming Dampf von Erdgas.^[66] An den Hochtemperaturen (°C 700-1100; 1.300-2.000 reagiert °F), Dampf (Wasserdampf) mit Methan zum Ergebnis Kohlenmonoxid und H₂.

CH₄ + H₂O → Co + 3 H₂

Diese Reaktion wird bevorzugt, mit Niederdrücken aber wird nichtsdestoweniger am Hochdruck geleitet (20 ATM; 600 inHg) seit Hochdruckh₂ ist das vermarktungsfähigste Produkt. Die Produktmischung bekannt wie „Synthesegas„weil es direkt für die Produktion von häufig benutzt ist Methanol und bezogene Mittel. Kohlenwasserstoffe anders als Methan verwendet werden, um Synthesegas mit kann das Verändern Produktverhältnissen zu produzieren. Eine der vielen Komplikationen zu dieser in hohem Grade optimierten Technologie ist die Anordnung von Koks oder von Carbon:

CH₄ → C + 2 H₂

Infolgedessen setzt der Dampf, der gewöhnlich reforming ist, einen überfluß von H ein₂O. Zusätzlicher Wasserstoff kann von dem Dampf mittels Kohlenmonoxid durch erholt werden Wassergas-Schiebereaktion, besonders mit Eisenoxid Katalysator. Diese Reaktion ist auch eine allgemeine industrielle Quelle von Kohlendioxyd:^[66]

CO + H₂O → Co₂ + H₂

Andere wichtige Methoden für H₂ Produktion schließen teilweise Oxidation der Kohlenwasserstoffe ein:^[67]

2 CH₄ + O₂ → 2 CO + 4 H₂

und die Kohlereaktion, die als Einleitung zur Schiebereaktion oben dienen kann:^[66]

C + H₂O → CO + H₂

Wasserstoff wird manchmal im gleichen industriellen Prozeß produziert und verbraucht, ohne getrennt zu werden. In Haber Prozeß für Produktion des Ammoniaks, wird Wasserstoff vom Erdgas erzeugt.^[68] Elektrolyse von Salzlösung erbringen Chlor produziert auch Wasserstoff als Coprodukt.^[69]

Solarthermochemisches

Eine Anzahl von den Labors (einschließlich in Frankreich, in Deutschland, in Griechenland, in Japan und in den USA) entwickeln thermo chemische Methoden, um Wasserstoff aus Solarenergie und Wasser zu produzieren.^[70]

Anwendungen

Große Quantitäten von H₂ werden im Erdöl und in den chemischen Industrien gebraucht. Die größte Anwendung von H₂ ist für die Verarbeitung („verbessernd“) der Fossilienbrennstoffe und in der Produktion von Ammoniak. Die Schlüsselverbraucher von H₂ im petrochemischen Betrieb schließen Sie ein hydrodealkylation, hydrodesulfurizationund Hydrocracking. H₂ hat einigen anderen wichtigen Gebrauch. H₂ wird als hydrierendes Vertreter verwendet, besonders, wenn man das Niveau der Sättigungs der ungesättigten Fette erhöht und öle (gefunden in den Einzelteilen wie Margarine) und in der Produktion von Methanol. Es ist ähnlich die Quelle des Wasserstoffs in der Herstellung von Salzsäure. H₂ wird auch als a verwendet Reduktionsmittel von metallischem Erze.^[71]

Abgesehen von seinem Gebrauch als Reaktionsmittel, H₂ hat breite Anwendungen in der Physik und in der Technik. Es wird als a verwendet Abschirmung des Gases in Schweißen Methoden wie Atomwasserstoffschweißen.^[72]^[73] H₂ wird als das Rotorkühlmittel innen verwendet elektrische Generatoren an Kraftwerke, weil es das höchste hat Wärmeleitfähigkeit von irgendeinem Gas. Flüssigkeit H₂ wird innen verwendet kälteerzeugend Forschung, schließend ein Superconductivität Studien.^[74] Seit H₂ ist heller als lüften und hat wenig mehr, als 1/15. der Dichte der Luft, es einmal als anhebendes Mittel in den Ballonen am meisten benutzt war und Luftschiffe.^[75]

In den neueren Anwendungen ist Wasserstoff mit dem Stickstoff verwendetes reines oder gemischt (manchmal benannt Formung des Gases) als Indikatorgas für minuziöse Leckstelle Abfragung. Anwendungen können in der Automobil-, chemischen, Stromerzeugung, im Aerospace und in den Nachrichtentechnikindustrien gefunden werden.^[76] Wasserstoff ist ein autorisierter Nahrungsmittelzusatz (E 949) der die Nahrungsmittelpaketleckstelle erlaubt, die unter anderen Antioxidierungeigenschaften prüft.^[77]

Seltenere Isotope auch jedes des Wasserstoffs haben spezifische Anwendungen. Deuterium (hydrogen-2) wird innen verwendet Kernspaltunganwendungen als a Moderator verlangsamen Neutronenund innen Kernfusion Reaktionen.^[60] Deuteriummittel haben Anwendungen in der Chemie und in der Biologie in den Studien der Reaktion Isotopeffekte.^[78] Tritium (hydrogen-3), innen produziert Kernreaktoren, wird in der Produktion von verwendet Wasserstoffbomben,^[79] als isotopischer Aufkleber in den Biosciences,^[49] und als a Strahlung Quelle in den Leuchtfarben.^[80]

dreifacher Punkt Temperatur des Gleichgewichtwasserstoffs ist ein definierender Fixpunkt auf ITS-90 Temperaturskala bei 13.8033 kelvins.^[81]

Energiefördermaschine

Sehen Sie auch: Wasserstoffwirtschaft und Wasserstoffinfrastruktur

Wasserstoff ist nicht eine Energiequelle,^[82] ausgenommen in den hypothetischen Kontext der Werbung Kernfusion Kraftwerkverwenden Deuterium oder Tritium, eine Technologie momentan weit von Entwicklung.^[83] Die Energie des Sonnen kommt von der Kernfusion des Wasserstoffs, aber dieser Prozeß ist schwierig, auf Masse controllably zu erzielen.^[84] Elementarer Wasserstoff von den Solar-, biologischen oder elektrischen Quellen kostet mehr in der Energie, um als zu bilden, erreicht wird, indem man sie brennt. Wasserstoff kann von den versteinerten Quellen (wie Methan) für weniger Energie als erfordert worden erhalten werden, um sie zu bilden, aber diese Quellen sind unhaltbar und sind auch selbst direkte Energiequellen.^[82]

Energiedichte pro Maßeinheit Volumen vom flüssigen Wasserstoff und vom Wasserstoffgas mit jedem durchführbaren Druck erheblich ist kleiner als das der traditionellen Kraftstoffquellen, obgleich die Energiedichte pro Maßeinheit Kraftstoff Masse ist höher.^[82] Dennoch ist elementarer Wasserstoff weit im Kontext von Energie, als mögliche Zukunft besprochen worden Fördermaschine von der Energie auf einer Wirtschaft-breiten Skala.^[85] Z.B. Co₂ Absonderung vorbei gefolgt Carbonsicherung und -speicher konnte im Augenblick H geleitet werden₂ Produktion von den Fossilienbrennstoffen.^[86] Der Wasserstoff, der im Transport benutzt wurde, würde verhältnismäßig sauber, mit einigem brennen NOx Emissionen,^[87] aber ohne Carbonemissionen.^[86] Jedoch würden die Infrastrukturkosten, die mit voller Umwandlung zu einer Wasserstoffwirtschaft verbunden sind, erheblich sein.^[88]

Biologische Reaktionen

Für mehr Details über dieses Thema, sehen Sie biohydrogen.

H₂ ist ein Produkt von etwas Arten von anaerober Metabolismus und wird durch mehrere produziert Mikroorganismen, normalerweise über Reaktionen katalysiert durch Eisen- oder Nickel- enthalten Enzyme benannt hydrogenases. Diese Enzyme katalysieren den Reversible Redoxreaktionen Reaktion zwischen H₂ und seine Teilzwei Protone und zwei Elektronen. Kreation des Wasserstoffgases tritt in der übertragung des Verringerns der äquivalente auf, die während produziert werden Pyruvat Gärung zum Wasser.^[89]

Wasseraufspalten, in dem Wasser in seine Teilprotone, in Elektronen und in Sauerstoff zerlegt wird, in auftritt helle Reaktionen in allen photosynthetisch organismen. Einige so Organismus-einschließlich die Alge Chlamydomonas reinhardtii und cyanobacteria- haben einen zweiten Schritt in entwickelt dunkle Reaktionen , in welchen Protonen und in Elektronen auf Form H verringert werden₂ Gas durch fachkundige hydrogenases in Chloroplast.^[90] Bemühungen sind, cyanobacterial hydrogenases genetisch zu ändern synthetisieren leistungsfähig H aufgenommen worden₂ Gas sogar in Anwesenheit des Sauerstoffes.^[91] Bemühungen sind auch mit genetisch geändert aufgenommen worden Alge in einem Bioreaktor.^[92]

Sicherheit und Vorkehrungen

Wasserstoff wirft eine Anzahl von Gefahren zur menschlichen Sicherheit, vom Potential auf Detonationen und Feuer, wenn Sie mit Luft zum Sein gemischt werden asphyxant in seinem reinen, Sauerstoff- freie Form.^[93] Zusätzlich, flüssiger Wasserstoff ist a cryogen und Geschenkgefahren (wie Frostbeule) verbunden mit sehr kalten Flüssigkeiten.^[94] Wasserstoff löst sich in etwas Metallen und, zusätzlich zu heraus auslaufen auf, kann schädliche Wirkungen auf ihnen, wie haben Wasserstoffversprödung.^[95] Das Wasserstoffgas, das in externe Luft ausläuft, kann spontan anzünden. Außerdem ist Wasserstofffeuer, beim Sein extrem heiß, fast unsichtbar und kann zu folglich führen versehentlich Brände.^[96]

Die Wasserstoffdaten sogar, deutend (einschließlich Sicherheit Daten) wird durch eine Anzahl von Phänomenen verwirrt. Viele körperliche und chemische Eigenschaften des Wasserstoffs hängen von ab parahydrogen/orthohydrogen Verhältnis (es dauert häufig Tage oder Wochen bei einer gegebenen Temperatur, um das Gleichgewichtverhältnis zu erreichen, für das die Daten normalerweise gegeben werden). Wasserstoffdetonationparameter, wie kritischer Detonationdruck und Temperatur, hängen stark von der Behältergeometrie ab.^[93]

Sehen Sie auch

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