Introduction to Chemistry

Term

• diatomicConsisting of two atoms

Physical Properties of Hydrogen

Hydrogen is the smallest chemical element because it consists of only one proton in its nucleus. Sein Symbol ist H und seine Ordnungszahl ist 1. Mit einem durchschnittlichen Atomgewicht von 1,0079 amu ist es das leichteste Element. Wasserstoff ist die am häufigsten vorkommende chemische Substanz im Universum, insbesondere in Sternen und Gasriesenplaneten. Auf der Erde ist monoatomarer Wasserstoff jedoch selten, da er dazu neigt, mit den meisten Elementen kovalente Bindungen einzugehen. Bei Standardtemperatur und -druck ist Wasserstoff ein ungiftiges, nichtmetallisches, geruchloses, geschmackloses, farbloses und leicht brennbares zweiatomiges Gas mit der Summenformel H2. Wasserstoff kommt auf der Erde auch in Form von chemischen Verbindungen wie Kohlenwasserstoffen und Wasser vor.

Wasserstoff hat ein Proton und ein Elektron; das häufigste Isotop, Protium (1H), hat keine Neutronen. Wasserstoff hat einen Schmelzpunkt von -259,14 °C und einen Siedepunkt von -252,87 °C. Wasserstoff hat eine Dichte von 0,08988 g/L und ist damit weniger dicht als Luft. Er hat zwei verschiedene Oxidationsstufen (+1, -1), wodurch er sowohl als Oxidations- als auch als Reduktionsmittel wirken kann. Sein kovalenter Radius beträgt 31,5 pm.

Wasserstoff existiert in zwei verschiedenen Spin-Isomeren von zweiatomigen Wasserstoffmolekülen, die sich durch den relativen Spin ihrer Kerne unterscheiden. Die Orthowasserstoff-Form hat parallele Spins, die Parawasserstoff-Form hat antiparallele Spins. Bei Standardtemperatur und -druck besteht Wasserstoffgas zu 75 Prozent aus ortho-Wasserstoff und zu 25 Prozent aus parawasserstoff. Wasserstoff ist in verschiedenen Formen erhältlich, z. B. als komprimierter gasförmiger Wasserstoff, flüssiger Wasserstoff und Slush-Wasserstoff (bestehend aus Flüssigkeit und Feststoff) sowie in fester und metallischer Form.

Chemische Eigenschaften von Wasserstoff

Wasserstoffgas (H2) ist leicht entzündlich und brennt in Luft in einem sehr breiten Konzentrationsbereich zwischen 4 und 75 Volumenprozent. Die Verbrennungsenthalpie von Wasserstoff beträgt -286 kJ/mol und wird durch die Gleichung beschrieben:

2 H_2(g) + O_2(g) + 572 kJ (286 kJ/mol H_2)

Wasserstoffgas kann auch in einer Mischung mit Chlor (von 5 bis 95 Prozent) explodieren. Diese Gemische können als Reaktion auf einen Funken, Wärme oder sogar Sonnenlicht explodieren. Die Selbstentzündungstemperatur von Wasserstoff (die Temperatur, bei der eine spontane Verbrennung eintritt) liegt bei 500 °C. Reine Wasserstoff-Sauerstoff-Flammen emittieren ultraviolettes Licht und sind für das bloße Auge unsichtbar. Daher ist die Erkennung eines brennenden Wasserstofflecks gefährlich und erfordert einen Flammenmelder. Da Wasserstoff in der Luft schwimmfähig ist, steigen Wasserstoffflammen schnell auf und verursachen weniger Schaden als Kohlenwasserstoffbrände. H2 reagiert mit oxidierenden Elementen, die wiederum spontan und heftig mit Chlor und Fluor reagieren und die entsprechenden Halogenwasserstoffe bilden.

Wasserstoff geht trotz seiner Stabilität mit den meisten Elementen Verbindungen ein. Bei Reaktionen kann Wasserstoff mit elektronegativen Elementen wie den Halogenen oder Sauerstoff teilweise positiv, mit elektropositiven Elementen wie den Alkalimetallen teilweise negativ geladen sein. Wenn sich Wasserstoff mit Fluor, Sauerstoff oder Stickstoff verbindet, kann er an einer Form der nichtkovalenten (intermolekularen) Bindung mittlerer Stärke, der so genannten Wasserstoffbrückenbindung, teilnehmen, die für die Stabilität vieler biologischer Moleküle entscheidend ist. Verbindungen, die Wasserstoffbrückenbindungen mit Metallen und Metalloiden eingehen, werden als Hydride bezeichnet.

Durch Oxidation von Wasserstoff wird sein Elektron entfernt und das H+-Ion entsteht. Oft wird das H+ in wässrigen Lösungen als Hydroniumion (H3O+) bezeichnet. Diese Spezies ist in der Säure-Basen-Chemie unerlässlich.

Wasserstoff-Isotope

Wasserstoff kommt in der Natur in drei Isotopen vor, die mit 1H, 2H und 3H bezeichnet werden. 1H kommt mit einer Häufigkeit von 99,98 Prozent vor und hat den offiziellen Namen Protium. 2H ist als Deuterium bekannt und enthält ein Elektron, ein Proton und ein Neutron (Massenzahl = 2). Deuterium und seine Verbindungen werden als nicht-radioaktive Marker in chemischen Experimenten und in Lösungsmitteln für die 1H-NMR-Spektroskopie verwendet. 3H wird als Tritium bezeichnet und enthält ein Proton, zwei Neutronen und ein Elektron (Massenzahl = 3). Es ist radioaktiv und zerfällt durch Betazerfall mit einer Halbwertszeit von 12,32 Jahren in Helium-3.