Wasserstoff H2
Das chemische Symbol von Wasserstoff ist H. Wasserstoff (H2) ist das am häufigsten vorkommende chemische Element im Universum, es macht 75 Prozent der gesamten Masse und 93 Prozent aller Atome im Sonnensystem aus. H2 ist ein Bestandteil des Wassers und der meisten organischen Verbindungen. Wasserstoff kommt insbesondere in vielen lebenden Organismen vor.
Wasserstoff Eigenschaften: Das Wichtigste zusammengefasst
Wasserstoff besteht nur aus einem Proton und einem Elektron und ist deshalb das einfachste und leichteste Element (etwa 14,4-mal leichter als Luft). H2 ist bei Zimmertemperatur ein brennbares, farb-, geruch- und geschmackloses Gas. Es besteht aus H2-Molekülen und leitet aufgrund seiner geringen Molekülmasse Wärme sehr gut.
| Chemisches Symbol im Periodensystem |
H |
| Summenformel | H2 |
| Hauptgruppe | 1 |
| Periode | 1 |
| Ordnungszahl | 1 |
| Elementkategorie | Nichtmetalle |
| Molare Masse | 1,00794 u |
| Vorkommen | in der Natur Luft, Wasser und Boden; in Pflanzen und Tieren |
| Besonderheiten | Das einfachste und leichteste Element |
| Aussehen | Farbloses Gas |
| Schmelzpunkt | -259,125 °C |
| Siedepunkt | -252,882 °C |
| Dichte | 0,0899 g/l |
| Löslichkeit | In Wasser und anderen Flüssigkeiten schlecht auflösbar |
| Oxidationszahlen | +1, −1 |
Einsatzgebiete von Wasserstoff
Jährlich werden weltweit mehr als 600 Milliarden Kubikmeter Wasserstoff (rund 30 Mio. Tonnen) für unterschiedliche Anwendungen in Industrie und Technik erzeugt. Wichtige Einsatzbereiche sind:
Energiespeicher: Wasserstoff kann als Raketentreibstoff, beim Schweißen und auch in Form von Brennstoffzellen eingesetzt werden. Ebenso wird Wasserstoff oft als Kraftstoff für Strahltriebwerke oder Verbrennungsmotoren verwendet. Vorteil des Wasserstoffantriebs ist, dass er kurzfristig technologisch einfacher umzusetzen ist und besonders für Nutzfahrzeuge mit hohen Kilometerleistungen aufgrund der mangelnden Standfestigkeit der Brennstoffzellen die einzige Option ist.
Reduktionsmittel: Wasserstoff reagiert mit Metalloxiden und entzieht ihnen dabei den Sauerstoff. Dadurch entsteht Wasser und reduziertes Metall. Diese Methode findet bei der Verhüttung von metallischen Erzen Anwendung, besonders, um Metalle möglichst rein zu gewinnen.
Häufig wird Wasserstoff auch für die Herstellung von Düngemitteln und Sprengstoffen verwendet. Mit dem (Haber-Bosch-Verfahren) wird aus Stickstoff und Wasserstoff Ammoniak hergestellt, woraus die Düngemittel und Sprengstoffe entstehen.
Kohlehydrierung: Kohle wird in Verbindung mit Wasserstoff durch unterschiedliche chemische Reaktionen in flüssige Kohlenwasserstoffe überführt. Damit lassen sich Benzin, Diesel und Heizöl künstlich herstellen.
Fetthärtung: Gehärtete Fette werden häufig aus Pflanzenöl anhand von Hydrierung hergestellt. Dabei werden die Doppelbindungen in den Fettsäure-Ketten der Fettmoleküle mit Wasserstoff abgesättigt. Die Moleküle, die dabei entstehen, haben einen höheren Schmelzpunkt, der das Produkt fest macht. Auf diese Art wird Margarine hergestellt.
Ebenso können bei diesem Verfahren so genannte Transfettsäuren entstehen.
Kühlmittel: Wasserstoff wird aufgrund seiner hohen Wärmekapazität häufig in Kraftwerken und industriellen Anlagen als Kühlmittel eingesetzt. Der Einsatz von Wasserstoff findet besonders in den Fällen statt, bei denen eine Flüssigkeitskühlung nicht angewendet oder problematisch werden kann. In diesen Fällen schützt Wasserstoff die Anlagen vor Überhitzung und erhöht die Effizienz.
Kryogen: Angesichts seiner hohen Wärmekapazität ist flüssiger Wasserstoff besonders für den Einsatz bei kryogenen Anwendungen als Kühlmittel für extrem tiefe Temperaturen geeignet.
Besonderheit Wasserstoff
Durch die geringe Molekülmasse von Wasserstoff und der daraus resultierenden hohen mittleren Geschwindigkeit der Wasserstoffmoleküle (1770 m/s bei 25 °C) sind einige thermodynamische Eigenschaften von besonderer Bedeutung. Wasserstoff hat bei Raumtemperatur das höchste Diffusionsvermögen, die höchste Effusionsgeschwindigkeit aller Gase und die höchste Wärmeleitfähigkeit. Nur drei- oder mehratomige reale Gase wie zum Beispiel n-Butan weisen eine geringere Viskosität auf.
Wasserstoff zeichnet sich durch enorme Umweltvorteile aus. Wird der Wasserstoff mit Luft in Verbrennungsmotoren und Gasturbinen verbrannt, entstehen bei geeigneter Verbrennungsführung nur sehr geringe bis vernachlässigbare Emissionen.
Bei der Verbrennung nehmen Stickoxidemissionen mit der Verbrennungstemperatur exponentiell zu. Durch geeignete Prozessführung lassen sie sich beeinflussen. Da Wasserstoff größere Freiheiten als andere Brennstoffe bietet, können NOx-Emissionen gegenüber Kraft- und Brennstoffen auf Basis von Mineralöl oder Erdgas deutlich gesenkt werden, solange eine niedrige Verbrennungstemperatur erreicht wird.
Wird Wasserstoff in Niedertemperatur-Brennstoffzellen (z.B. Membranbrennstoffzellen: PEMFC) eingesetzt, werden Schadstoffemissionen vollständig vermieden. Als Reaktionsprodukt entsteht bei der Stromerzeugung aus Wasserstoff und Luftsauerstoff nur demineralisiertes Wasser.
Wasserstoff, der in Brennstoffzellen mit höherer Betriebstemperatur eingesetzt wird, verursacht verglichen mit konventionellen Kraftwerken um bis zu 100 mal geringere Emissionen.
Als Sekundärenergieträger bietet Wasserstoff die Möglichkeit, verschiedenste erneuerbare Energien flexibel in den Brenn- und Kraftstoffsektor einzuführen.
Um die Umweltrelevanz zu beurteilen, muss die gesamte Brennstoffkette von der Primärenergie bis zur Endanwendung betrachtet werden.
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