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Wasserstoff

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Die Autor*innen
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André Otto
Wasserstoff
lernst du in der Unterstufe 3. Klasse - 4. Klasse

Grundlagen zum Thema Wasserstoff

Inhalt

Wasserstoff – Chemie

Das chemische Element Wasserstoff steht in der 1. Hauptgruppe und der 1. Periode des Periodensystems der Elemente. Da es besondere Eigenschaften besitzt wird es jedoch nicht zu den Alkalimetallen der 1. Hauptgruppe gezählt. Aber was macht Wasserstoff so besonders? Die Antworten auf diese Frage findest du im folgenden Text.

Wasserstoff – Definition

Wasserstoff ist ein chemisches Element mit dem Formelzeichen $\ce{H}$. Sein lateinischer Name lautet Hydrogenium.
Meist kommt Wasserstoff in gebundener Form, wie zum Beispiel in Wasser $(\ce{H2O}$), vor. Weißt du auch, welche physikalischen und chemischen Eigenschaften Wasserstoff hat? Das wollen wir uns im Folgenden genauer ansehen.

Wasserstoff – chemische Eigenschaften

Betrachtet man Wasserstoff auf atomarer Ebene, so besitzt es eine Elektronenschale mit einem Valenzelektron. Die Ordnungszahl (Kernladungszahl) von Wasserstoff ist also eins. Wasserstoff ist sehr reaktiv. Nicht selten verlaufen Reaktionen mit Wasserstoff explosiv. In Verbindung mit anderen Elementen ist Wasserstoff immer einfach positiv geladen.

Im Periodensystem hat Wasserstoff das Symbol $\ce{H}$. Wasserstoff liegt jedoch normalerweise molekular als $\ce{H2}$ vor. Die beiden Außenelektronen bilden in dieser Verbindung eine kovalente Bindung aus. Das Wasserstoffmolekül $\ce{H2}$ ist ist in der folgenden Abbildung dargestellt:

Eigenschaften von Wasserstoff: Strukturformel Element Wasserstoffmolekül

Wasserstoff – physikalische Eigenschaften

Im folgenden Steckbrief sind die physikalischen Eigenschaften von Wasserstoff zusammengefasst:

Eigenschaft Wert
Aggregatzustand gasförmig. Es handelt sich um ein farbloses, geruchloses Gas.
Schmelzpunkt $\pu{-259,1°C}$
Siedepunkt $\pu{-252,7°C}$
Dichte $\pu{0,00009 g/cm3}$. Wasserstoff ist der leichteste aller bekannten Stoffe.
Atommasse $\pu{1,0079u}$

Wasserstoff – Reaktionen

In diesem Abschnitt betrachten wir für Wasserstoff typische chemische Reaktionen. Wasserstoff kann zum Beispiel organische Verbindungen hydrieren. Die folgende Tabelle gibt einen Überblick über weitere wichtige Reaktionen, an welchen Wasserstoff beteiligt ist:

Reaktionspartner Reaktion
Sauerstoff $\ce{O2}$ Beim Verbrennen von Wasserstoff, entsteht Wasser in einer als Knallgasreaktion bezeichneten Reaktion:
$\ce{2H2 + O2 → 2H2O}$
Halogene, beispielsweise Chlor $\ce{Cl2}$ und Fluor $\ce{F2}$ Mit Halogenen reagiert Wasserstoff unter Bildung von Halogenwasserstoffen. Zum Beispiel reagiert Wasserstoff mit Salzsäure $\ce{HCl}$ und Flusssäure $\ce{HF}$:
$\ce{H2 + Cl2 → 2HCl}$
$\ce{H2 + F2 → 2HF}$
Metalloxide, beispielsweise Kupferoxid
$\ce{CuO}$
Metalloxide werden durch Reaktion mit Wasserstoff reduziert, wobei die reinen Metalle gewonnen werden:
$\ce{H2 +CuO → Cu + H2O}$

Die Knallgasreaktion wird auch zum Nachweis von Wasserstoff eingesetzt.

Wasserstoff – Vorkommen

Wasserstoff kommt auf der Erde und im Weltall in unterschiedlichen Anteilen vor. In der Erdhülle kommt Wasserstoff nur zu $1 \%$ vor, hauptsächlich im Wasser. Er ist aber auch ein wichtiger Bestandteil organischer Verbindungen. Im Weltall hingegen ist reiner Wasserstoff mit $75 \%$ das häufigste Element. Beispielsweise sind Sterne riesige Kugeln aus heissem Gas, welche vorallem aus Wasserstoff und Helium bestehen und durch die Schwerkraft zusammengehalten werden. Sie erzeugen ihre Energie selbst und strahlen sie aus. Die gute Brennbarkeit von Wasserstoff ermöglicht auch erst das Leben auf der Erde: Wusstest du, dass unsere Sonne in jeder Sekunde $600$ Millionen Tonnen Wasserstoff zu Helium verbrennt?

Wasserstoff – Herstellung

Wie bereits erwähnt, findet man reinen Wasserstoff fast nur im Weltall vor. Elementarer Wasserstoff kann jedoch im Labor erzeugt werden, zum Beispiel durch die Reaktion von unedlen Metallen mit Mineralsäuren. In der Industrie wird Wasserstoff heute hauptsächlich durch eine sogenannte Dampfreformierung aus Erdgas gewonnen. Dabei wird jedoch viel Kohlenstoffdioxid $\ce{CO2}$ freigesetzt. Das macht diesen Prozess leider nicht so umweltfreundlich. Alternativ kann die Herstellung von Wasserstoff) auch mit Strom durch eine Elektrolyse erfolgen.

Wasserstoff – Verwendung

Für was verwendet man Wasserstoff? Darüber gibt folgende Liste Auskunft:

  • als Raketentreibstoff
  • zum Schweißen
  • zur Ammoniaksynthese
  • zu Kohlehydrierung bei der Herstellung von Benzin
  • zur Fetthärtung, beispielsweise bei der Herstellung von Margarine aus Speiseöl
  • als Lebensmittelzusatzstoff
  • als Kryogen (Stoffe, die zum Erhalt niedriger Temperaturen eingesetzt werden)

Das Video Wasserstoff

In diesem Video lernst du die Eigenschaften und den Aufbau von Wasserstoff kennen. Du erfährst warum Wasserstoff brennbar ist und was bei der Verbrennung von Wasserstoff passiert.

Nach dem Betrachten des Videos hast du die Möglichkeit, Arbeitsblätter zum Thema zu bearbeiten. Viel Spaß!

Transkript Wasserstoff

Guten Tag und herzlich willkommen! In diesem Video geht es um das chemische Element Wasserstoff. Wasserstoff hat das chemische Symbol H, sein lateinischer Name lautet Hydrogenium. Der Entdecker des Wasserstoffs ist englische Chemiker Henry Cavendish (1766). Seinen Namen erhielt der Wasserstoff vom französischen Chemiker Antoine Laurent de Lavoisier.

Wasserstoff zeigt einige interessante physikalische Eigenschaften: Wasserstoff ist ein Gas, farblos, geruchlos und in Wasser nur wenig löslich. Von allen bekannten Stoffen ist Wasserstoff der leichteste, seine Dichte beträgt bei Raumtemperatur nur etwa 0,09 g/l.

Wasserstoff verfügt über einige besondere chemische Eigenschaften: Wasserstoff steht im Periodensystem der Elemente in der 1. Hauptgruppe, daher verfügt ein Wasserstoffatom nur über ein Außenelektron. Wasserstoff zeigt die Bindigkeit 1 und genauso beträgt die Wertigkeit 1. Die Hauptoxidationszahl ist +1, seltener trifft man -1 an. Das chemische Element Wasserstoff bildet ein Molekül, nämlich jeweils aus 2 Wasserstoffatomen, die über ein einziges Elektron verfügen, diese vereinigen und es bildet sich das Wasserstoffmolekül, wobei beide Elektronen die chemische Bindung bilden.

Es gibt eine wichtige Reaktion des Wasserstoffs zu nennen: Wasserstoff ist brennbar. Mit Sauerstoff kommt es zur Knallgasreaktion, gemäß Wasserstoff + Sauerstoff reagieren zu Wasser. Die Formelgleichung lautet: 2H2 + O2 -> 2H2O. Mit Chlor kommt es zur Chlorknallgasreaktion, gemäß Chlor + Wasserstoff reagieren zu Chlorwasserstoff. Die Formelgleichung lautet: Cl2 + H2 -> 2HCL. Mit dem chemischen Element Fluor reagiert Wasserstoff bereits bei -200 °C explosionsartig. F2 + H2 -> 2HF. HF ist Fluorwasserstoff. Wasserstoff ist in der Lage, Metalloxide zu reduzieren. Kupfer(II)-oxid und Wasserstoff reagieren zu elementarem Kupfer und Wasser. Die Formelgleichung lautet Cu + H2 -> Cu + H2O. Wasserstoff kann organische Verbindungen hydrieren. Es kommt dabei zur Reduktion. Ethanal + Wasserstoff reagieren zu Ethanol. CH3CHO + H2 -> CH3CH2OH.

Wasserstoff kommt auf der Erde und im Weltall in unterschiedlichen Anteilen vor. In der Erdhülle findet man weniger als 1% Wasserstoff, dort ist er hauptsächlich im Wasser enthalten. Wasserstoff ist das häufigste Element des Weltalls mit etwa 75%. Der Saturn besteht zum größten Teil aus Wasserstoff und Helium. Wie stellt man Wasserstoff her? Im chemischen Laboratorium lässt man ein unedles Metall mit einer Mineralsäure reagieren. Zum Beispiel reagiert Zink (Zn) mit Salzsäure (2HCL) zu ZnCl2 (Zink(II)-Chlorid) und Wasserstoff (H2) wird frei. In der Industrie stellt man Wasserstoff hauptsächlich aus Methan her. Die Weltjahresproduktion an Wasserstoff beträgt etwa 600 Milliarden m³.

Zum Schluss möchte ich noch einige wichtige Verwendungsmöglichkeiten für Wasserstoff nennen. Früher wurde Wasserstoff für die Befüllung von Luftschiffen verwendet, wegen seiner Brennbarkeit kam es aber zu Katastrophen, wie bei der Hindenburg. Heute verwendet man Wasserstoff als Raketentreibstoff. Bei bestimmten Arten des Schweißens entwickelt Wasserstoff sehr heiße Flammen. Man benötigt Wasserstoff für die Synthese von Ammoniak, dabei reagiert Wasserstoff (H2) mit Stickstoff (N2) und es bildet sich Ammoniak (NH3). Wasserstoff wird für die Kohlehydrierung verwendet, dabei reagiert der Kohlenstoff (C) der Kohle mit dem Wasserstoff und es bilden sich Kohlenwasserstoffe, also Benzin. Man benötigt Wasserstoff für die Fetthärtung. Der Wasserstoff regiert dabei mit der Doppelbindung einer ungesättigten Fettsäure und es entsteht eine gesättigte Fettsäure. Aus einem Öl entsteht zum Beispiel Margarine. Wasserstoff ist als Lebensmittelzusatzstoff E949 registriert, er wird für Treibgase und für Verpackungsmaterial von Lebensmitteln verwendet. Dank seiner geringen Siedetemperatur kann Wasserstoff als Kryogen, das heißt als Stoff für die Erzielung und des Erhalts niedriger Temperaturen verwendet werden.

Ich danke für eure Aufmerksamkeit, wünsche alles Gute und viel Erfolg. Auf Wiedersehen.

12 Kommentare

12 Kommentare
  1. War perfekt
    👍👌

    Von Itslearning Nutzer 2535 1159520, vor mehr als einem Jahr
  2. perfekt erklärt (,,*3*,,)

    Von Abboodasj, vor fast 2 Jahren
  3. ;DANKE

    Von Abboodasj, vor fast 2 Jahren
  4. Hat mir sehr geholfen

    Von Achim K., vor mehr als 5 Jahren
  5. Tolles Video aber mich würde interessieren wie ein Wassermolekül aussieht H mal H und?
    Ist die Frage ernst gemeint?
    Ein Wasser - Molekül besteht aus zwei Wasserstoff - Atomen H und einem Sauerstoff - Atom O.
    Die Bindungslänge H-O beträgt etwa 96 pm, der Winkel H-O-H ist etwa 105° groß. Das Wasser - Molekül ist polar. Das Dipol - Moment liegt in der Gasphase (isoliertes Teilchen) bei etwa 1,84 Debye.
    Super Video ...Danke sehr
    Ich freue mich immer, wenn ich nützlich sein kann.
    Alles Gute

    Von André Otto, vor etwa 7 Jahren
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Wasserstoff Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Wasserstoff kannst du es wiederholen und üben.
  • Nenne die Eigenschaften des Wasserstoffs.

    Tipps

    Wasserstoff wurde früher zur Befüllung von Luftschiffen verwendet.

    Wasserstoff findet in der Lebensmittelindustrie Verwendung.

    Lösung

    Überlege dir, in welchen Bereichen Wasserstoff Verwendung findet. Wenn es früher für Luftschiffe verwendet wurde, muss es sowohl ein Gas als auch sehr leicht sein. Einen Hinweis auf die Farblosigkeit kannst du aus dem Einsatz in der Lebensmittelindustrie erkennen.

  • Formuliere die Reaktionen des Wasserstoffs.

    Tipps

    Kein Atom kann bei der Reaktion dazukommen oder verschwinden.

    Lösung

    Bei einer chemischen Reaktion reagieren Stoffe miteinander. Dabei kommt nichts Neues dazu, es verschwindet aber auch nichts. Die Atome, die also auf der Seite der Ausgangsstoffe zu finden sind, müssen auch wieder auf der Produktseite auftauchen. Wenn also eine Reaktion mit Chlor ($Cl_2$) stattfindet, dann muss auch ein Produkt entstehen, welches Chlor enthält. In diesem Fall ist das Chlorwasserstoff ($HCl$).

  • Bestimme die Ausgangsstoffe für die Synthese von Wasserstoff.

    Tipps

    Du benötigst eine Mineralsäure.

    Du benötigst ein unedles Metall.

    Lösung

    Im Video wird dir erklärt, dass zur Herstellung von Wasserstoff zwei Stoffklassen wichtig sind. Einmal wird eine Mineralsäure benötigt und einmal ein unedles Metall. Als Beispiel im Video siehst du die Reaktion zwischen Zink und Salzsäure. Es gibt aber auch andere Möglichkeiten. Zuerst suchst du nun also unter den angegebenen Möglichkeiten eine Säure. Unter den Möglichkeiten findest du nur die Salzsäure. Nun musst du ein unedles Metall finden. Schwefel, Chlor und Neon sind keine Metalle. Gold ist zwar ein Metall, allerdings weißt du bestimmt, dass Gold ein sehr edles Metall ist. Es bleibt also noch Magnesium. Magnesium gehört zu den Erdalkalimetallen und ist unedel.

  • Stelle die Reaktion zwischen Wasserstoff und Eisenoxid dar.

    Tipps

    Zu welcher Stoffklasse gehört Eisenoxid?

    Wasserstoff ist ein gutes Reduktionsmittel.

    Lösung

    Wasserstoff ist ein gutes Reduktionsmittel. Metalloxide können mit Wasserstoff also reduziert werden. Eisenoxid (Rost) ist ein Metalloxid und wenn dieses reduziert wird, wenn ihm also der Sauerstoff entzogen wird, bleibt elementares Eisen übrig.

  • Gib die Molekülformel von Wasserstoff an.

    Tipps

    Das Formelzeichen vom Wasserstoff ist H.

    Wie viele Wasserstoffatome bilden ein Wasserstoffmolekül?

    Lösung

    Das Formelzeichen vom Wasserstoff ist H. Wasserstoff ist ein reines Element. Daher enthält die Molekülformel auch nur dieses Formelzeichen. Wie du aber gelernt hast, hat Wasserstoff ein Außenelektron. Atome streben allerdings eine volle Außenschale an. Die erste Schale ist voll, wenn sie mit zwei Elektronen besetzt ist. Um diesen Zustand zu erreichen, finden sich zwei Wasserstoffatome zusammen und bilden das Molekül $H_2$.

  • Formuliere die Wortgleichung zur Verbrennung von Wasserstoff.

    Tipps

    Der Wasserstoff reagiert mit einem Bestandteil der Luft, wenn er verbrennt.

    Lösung

    Zuerst solltest du dir überlegen, was unter einer „Verbrennung“ zu verstehen ist. Womit reagiert also der Wasserstoff, wenn er entzündet wird? Wasserstoff reagiert mit der Luft, genauer gesagt mit dem Sauerstoff in der Luft. Du formulierst also an dieser Stelle die Reaktionsgleichung zwischen Wasserstoff und Sauerstoff. Im Video hast du ja gesehen, dass dabei Wasser entsteht.

    Wenn du ein kaltes Gefäß über die Verbrennungsflamme hältst, kannst du sogar sehen, wie das Wasser an dem Gefäß kondensiert.

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