Wasserstoff - Chemie

Diesen aiMOOC als Battle spielen: Deutsch, Klasse 7-8, G-Niveau

Einleitung

Wasserstoff ist das chemische Element mit dem Symbol H und der Ordnungszahl 1. Er ist das leichteste Element und im Universum besonders häufig. Auf der Erde liegt Wasserstoff meist chemisch gebunden vor, zum Beispiel in Wasser, Säuren, Erdgas und fast allen organischen Stoffen. Elementarer Wasserstoff besteht unter üblichen Bedingungen aus zweiatomigen Molekülen mit der Formel H₂.

In diesem aiMOOC lernst Du den Aufbau des Wasserstoffatoms, die Eigenschaften und Reaktionen von Wasserstoff sowie wichtige Verfahren zu seiner Herstellung. Du untersuchst außerdem, warum Wasserstoff in der Chemie, in der Industrie und als Energieträger eine wichtige Rolle spielt.

Lernziele

Nach der Bearbeitung kannst Du den Aufbau eines Wasserstoffatoms beschreiben, zwischen Atom und Molekül unterscheiden, Reaktionsgleichungen aufstellen und die Knallgasprobe erklären. Du kannst die Elektrolyse von Wasser mit der Brennstoffzelle vergleichen und Herstellungswege nach ihren Umweltwirkungen beurteilen.

Wasserstoff im Periodensystem

Wasserstoff steht in der ersten Periode des Periodensystems. Ein neutrales Wasserstoffatom besitzt ein Proton im Kern und ein Elektron in der Elektronenhülle. Das Elektron befindet sich im Grundzustand im ersten Energieniveau.

Merkmal	Angabe
Elementsymbol	H
Ordnungszahl	1
Protonen im häufigsten Isotop	1
Elektronen im neutralen Atom	1
Elektronenkonfiguration	1s¹
Elementarer Stoff	H₂

Isotope des Wasserstoffs

Isotope besitzen gleich viele Protonen, aber unterschiedlich viele Neutronen. Die drei bekanntesten Wasserstoffisotope sind:

1. Protium: Der Kern enthält ein Proton und kein Neutron. Es ist das mit Abstand häufigste Wasserstoffisotop.
2. Deuterium: Der Kern enthält ein Proton und ein Neutron. Es wird auch schwerer Wasserstoff genannt.
3. Tritium: Der Kern enthält ein Proton und zwei Neutronen. Tritium ist radioaktiv.

Die Schreibweisen lauten ${}^1\mathrm{H}$, ${}^2\mathrm{H}$ und ${}^3\mathrm{H}$.

Vom Atom zum Molekül

Ein einzelnes Wasserstoffatom ist sehr reaktionsfreudig. Zwei Wasserstoffatome teilen ihre Elektronen und bilden eine Elektronenpaarbindung. Dadurch entsteht das Molekül H₂.

$\mathrm{H}+\mathrm{H}\to {\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}$

Vorkommen

Wasserstoff ist das häufigste chemische Element im Universum und ein Hauptbestandteil von Sternen. Auf der Erde kommt er nur selten als freies H₂ vor. Meist ist er in Verbindungen gebunden.

1. Wasser: Jedes Wassermolekül enthält zwei Wasserstoffatome.
2. Kohlenwasserstoffe: Erdgas, Erdöl und viele Kunststoffe enthalten Wasserstoff.
3. Biomoleküle: Kohlenhydrate, Fette, Proteine und DNA enthalten Wasserstoff.
4. Säuren: Viele Säuren können in Wasser Protonen übertragen.

Eigenschaften von Wasserstoff

Molekularer Wasserstoff ist bei Raumtemperatur ein farb- und geruchloses Gas. Er ist ungiftig, kann aber in geschlossenen Räumen Sauerstoff verdrängen. Wegen seiner sehr geringen Dichte steigt Wasserstoff in Luft schnell auf.

Eigenschaft	Bedeutung
Sehr geringe Dichte	Wasserstoff ist deutlich leichter als Luft.
Brennbar	Mit Sauerstoff kann Wasserstoff stark exotherm reagieren.
Farblos und geruchlos	Ein Austritt ist ohne Messgeräte schwer wahrnehmbar.
Kleines Molekül	Wasserstoff kann durch sehr kleine Undichtigkeiten entweichen.
Niedriger Siedepunkt	Flüssiger Wasserstoff erfordert Temperaturen nahe −253 °C.

Linienspektrum

Wird Wasserstoffgas energetisch angeregt, können Elektronen höhere Energieniveaus erreichen. Beim Zurückfallen geben sie Licht bestimmter Wellenlängen ab. Deshalb zeigt Wasserstoff kein durchgehendes, sondern ein charakteristisches Linienspektrum.

Das Spektrum war für die Entwicklung von Atommodellen besonders wichtig. Es zeigt, dass Elektronen im Atom nur bestimmte Energien besitzen können.

Chemische Reaktionen

Verbrennung und Knallgasreaktion

Wasserstoff reagiert mit Sauerstoff zu Wasser. Die Reaktion ist stark exotherm:

$2{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}+{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}\to 2{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}$

Ein zündfähiges Gemisch aus Wasserstoff und Sauerstoff beziehungsweise Luft wird als Knallgas bezeichnet. Die Reaktion kann sehr schnell und explosionsartig ablaufen.

Datei:Knallgas-Reaktion.webm

Sicherheit: Versuche mit Wasserstoff dürfen in der Schule nur nach Gefährdungsbeurteilung und unter unmittelbarer Aufsicht einer Fachlehrkraft durchgeführt werden. Es werden ausschließlich kleine Gasmengen verwendet.

Nachweis durch die Knallgasprobe

Bei der Knallgasprobe wird eine kleine Gasprobe an einer sicheren Öffnung entzündet. Ein kurzes pfeifendes oder ploppendes Geräusch weist auf Wasserstoff hin. Ein heftiger Knall zeigt, dass Wasserstoff bereits mit viel Luft oder Sauerstoff vermischt war.

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Reaktion von Metallen mit Säuren

Im Schullabor kann Wasserstoff durch die Reaktion eines unedlen Metalls mit einer verdünnten Säure entstehen. Ein Beispiel ist die Reaktion von Zink mit Salzsäure:

$\mathrm{Z}\mathrm{n}+2\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{l}\to \mathrm{Z}\mathrm{n}\mathrm{C}{\mathrm{l}}_{\mathrm{2}}+{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}$

Dabei wird Zink oxidiert und Wasserstoffionen werden reduziert. Die Reaktion ist eine Redoxreaktion.

Wasserstoff als Reduktionsmittel

Wasserstoff kann Metalloxide reduzieren. Dabei entsteht häufig das Metall und Wasser. Für Kupferoxid gilt:

$\mathrm{C}\mathrm{u}\mathrm{O}+{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\to \mathrm{C}\mathrm{u}+{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}$

Wasserstoff nimmt dem Kupferoxid den Sauerstoff weg. Gleichzeitig wird Wasserstoff selbst oxidiert.

Herstellung von Wasserstoff

Wasserstoff ist ein Sekundärenergieträger. Er muss zunächst aus wasserstoffhaltigen Stoffen gewonnen werden. Wie klimafreundlich er ist, hängt deshalb stark vom Herstellungsverfahren und von der eingesetzten Energie ab.

Elektrolyse von Wasser

Bei der Elektrolyse wird elektrische Energie eingesetzt, um Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu zerlegen:

$2{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}\to 2{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}+{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}$

Am Minuspol, der Kathode, entsteht Wasserstoff. Am Pluspol, der Anode, entsteht Sauerstoff. Das Volumenverhältnis der Gase beträgt ungefähr 2 zu 1.

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Wird der benötigte Strom aus erneuerbaren Quellen gewonnen, spricht man häufig von grünem Wasserstoff. Die Bezeichnung beschreibt den Herstellungsweg und nicht die tatsächliche Farbe des Gases.

Dampfreformierung

Ein großer Teil des industriell hergestellten Wasserstoffs wird aus Erdgas gewonnen. Bei der Dampfreformierung reagiert Methan mit Wasserdampf:

$\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{4}}+{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}\rightleftharpoons \mathrm{C}\mathrm{O}+3{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}$

Anschließend kann Kohlenstoffmonoxid mit weiterem Wasserdampf reagieren:

$\mathrm{C}\mathrm{O}+{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}\to \mathrm{C}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}+{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}$

Da dabei Kohlenstoffdioxid entsteht, ist Wasserstoff aus diesem Verfahren ohne Abscheidung des CO₂ nicht klimaneutral.

Farbbezeichnungen für Herstellungswege

Bezeichnung	Vereinfachte Bedeutung
Grüner Wasserstoff	Elektrolyse mit Strom aus erneuerbaren Energiequellen
Grauer Wasserstoff	Herstellung aus fossilen Rohstoffen ohne CO₂-Abscheidung
Blauer Wasserstoff	Fossile Herstellung mit Abscheidung eines Teils des entstehenden CO₂
Türkiser Wasserstoff	Spaltung von Methan, bei der fester Kohlenstoff entstehen soll

Die Farbbezeichnungen sind keine Stoffeigenschaften. H₂ bleibt farblos.

Verwendung

Chemische Industrie

Wasserstoff ist ein wichtiger Rohstoff. Er wird unter anderem zur Herstellung von Ammoniak, Methanol und Salzsäure sowie zur Hydrierung organischer Verbindungen eingesetzt.

Bei der Ammoniaksynthese reagieren Stickstoff und Wasserstoff:

${\mathrm{N}}_{\mathrm{2}}+3{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\rightleftharpoons 2\mathrm{N}{\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}$

Ammoniak ist ein zentraler Ausgangsstoff für viele Düngemittel.

Brennstoffzelle

Eine Brennstoffzelle wandelt chemische Energie direkt in elektrische Energie um. Wasserstoff wird an einer Elektrode oxidiert. Die Elektronen fließen durch einen äußeren Stromkreis. An der anderen Elektrode reagiert Sauerstoff mit Wasserstoffteilchen und Elektronen zu Wasser.

Die Gesamtreaktion lautet:

$2{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}+{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}\to 2{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}$

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Elektrolyse und Brennstoffzelle sind chemisch eng miteinander verbunden. Bei der Elektrolyse wird elektrische Energie gespeichert. In der Brennstoffzelle wird ein Teil der gespeicherten chemischen Energie wieder als elektrische Energie nutzbar.

Weitere Anwendungen

1. Hydrierung: Ungesättigte organische Verbindungen nehmen Wasserstoff auf.
2. Raketentreibstoff: Flüssiger Wasserstoff kann zusammen mit flüssigem Sauerstoff eingesetzt werden.
3. Metallurgie: Wasserstoff kann bei bestimmten Prozessen als Reduktionsmittel dienen.
4. Energiespeicher: Überschüssige elektrische Energie kann über Elektrolyse chemisch gespeichert werden.

Speicherung und Transport

Wasserstoff besitzt eine hohe massenbezogene, aber eine geringe volumenbezogene Energiedichte. Für Speicherung und Transport muss er daher verdichtet, verflüssigt oder chemisch gebunden werden.

1. Druckgas: Gasförmiger Wasserstoff wird in druckfesten Behältern gespeichert.
2. Flüssigwasserstoff: H₂ wird stark gekühlt und in gut isolierten Tanks aufbewahrt.
3. Metallhydrid: Wasserstoff kann in bestimmten Metallen oder Legierungen gebunden werden.
4. Wasserstoffträger: Stoffe wie Ammoniak können Wasserstoff chemisch transportieren.

Sicherheit

Wasserstoff ist nicht giftig, aber leicht entzündlich. Gemische mit Luft können explosionsfähig sein. Seine Flamme ist bei Tageslicht teilweise schwer erkennbar. Technische Anlagen benötigen deshalb geeignete Sensoren, gute Lüftung, dichte Leitungen und kontrollierte Zündquellen.

Wichtige Sicherheitsregeln im Unterricht:

1. Experimente nur unter Aufsicht einer Fachlehrkraft durchführen.
2. Nur die kleinstmögliche Gasmenge herstellen.
3. Zündquellen erst nach Anleitung verwenden.
4. Schutzbrille tragen und die Öffnung eines Reaktionsgefäßes nie auf Personen richten.
5. Vor einer Brennprobe zunächst verdrängte Luft entweichen lassen.

Wasserstoff und Nachhaltigkeit

Bei der Nutzung von reinem Wasserstoff in einer Brennstoffzelle entsteht am Einsatzort kein Kohlenstoffdioxid. Eine vollständige Umweltbewertung muss jedoch die Herstellung, den Strommix, Rohstoffe, Wirkungsgrade, Speicherung und Transport berücksichtigen.

Der direkte Einsatz von erneuerbarem Strom ist häufig besonders effizient. Wasserstoff kann vor allem dort sinnvoll sein, wo elektrische Energie schwer direkt nutzbar ist, etwa bei bestimmten Hochtemperaturprozessen, chemischen Synthesen, saisonaler Speicherung oder Teilen des Schwerverkehrs.

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Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Welche Ordnungszahl besitzt Wasserstoff? (1) (!2) (!6) (!8)

In welcher Form liegt elementarer Wasserstoff unter üblichen Bedingungen vor? (H₂) (!H) (!H₂O) (!H₂O₂)

Welches Teilchen besitzt ein neutrales Protiumatom nicht? (Neutron) (!Proton) (!Elektron) (!Atomkern)

Welches Gas entsteht bei der Wasserelektrolyse an der Kathode? (Wasserstoff) (!Sauerstoff) (!Stickstoff) (!Kohlenstoffdioxid)

Wie lautet die Nachweisreaktion für Wasserstoff? (Knallgasprobe) (!Glimmspanprobe) (!Kalkwasserprobe) (!Flammenfärbung)

Welches Produkt entsteht bei der vollständigen Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff? (Wasser) (!Ammoniak) (!Methan) (!Chlorwasserstoff)

Welche Aussage beschreibt grünen Wasserstoff? (Er wird durch Elektrolyse mit erneuerbarem Strom hergestellt) (!Er besitzt eine grüne Eigenfarbe) (!Er entsteht ausschließlich aus Kohle) (!Er enthält Chlorophyll)

Welche Rolle kann Wasserstoff gegenüber Kupferoxid übernehmen? (Reduktionsmittel) (!Katalysator) (!Indikator) (!Lösungsmittel)

Welche Verbindung wird aus Stickstoff und Wasserstoff hergestellt? (Ammoniak) (!Kochsalz) (!Kohlenstoffdioxid) (!Schwefelsäure)

Was liefert eine Brennstoffzelle neben Wasser und Wärme? (Elektrische Energie) (!Radioaktive Strahlung) (!Stickstoff) (!Kohle)

Memory

Protium	Wasserstoffisotop ohne Neutron
Deuterium	Wasserstoffisotop mit einem Neutron
Tritium	Radioaktives Wasserstoffisotop
Elektrolyse	Zerlegung durch elektrische Energie
Kathode	Ort der Wasserstoffbildung bei der Wasserelektrolyse
Knallgasprobe	Nachweis für Wasserstoff
Brennstoffzelle	Umwandlung chemischer in elektrische Energie
Dampfreformierung	Industrielle Wasserstoffgewinnung aus Methan

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Thema
Ordnungszahl eins	Wasserstoffatom
Zweiatomiges Molekül	Elementarer Wasserstoff
Ploppendes Geräusch	Knallgasprobe
Elektrische Zerlegung	Wasserelektrolyse
Stromerzeugende Reaktion	Brennstoffzelle

...

Kreuzworträtsel

Wasserstoff	Welches Element besitzt die Ordnungszahl eins?
Proton	Welches positiv geladene Teilchen befindet sich im Kern jedes Wasserstoffatoms?
Deuterium	Wie heißt das stabile Wasserstoffisotop mit einem Neutron?
Elektrolyse	Welches Verfahren zerlegt Wasser mithilfe elektrischer Energie?
Knallgasprobe	Wie heißt der Nachweis für Wasserstoff?
Brennstoffzelle	Welches Gerät wandelt die chemische Energie von Wasserstoff direkt in elektrische Energie um?

Lückentext

Vervollständige den Text.

Wasserstoff besitzt die Ordnungszahl . Unter üblichen Bedingungen besteht elementarer Wasserstoff aus Molekülen. Das häufigste Isotop ohne Neutron heißt . Bei der Elektrolyse entsteht Wasserstoff an der . Der schulische Nachweis von Wasserstoff heißt . Bei der Verbrennung mit Sauerstoff entsteht . Wasserstoff kann Metalloxide als reduzieren. Die industrielle Gewinnung aus Methan heißt . Eine Brennstoffzelle liefert unter anderem . Die Umweltwirkung hängt besonders vom verwendeten ab.

Offene Aufgaben

Leicht

1. Steckbrief Wasserstoff: Gestalte einen übersichtlichen Steckbrief mit Symbol, Ordnungszahl, Teilchenaufbau und drei Eigenschaften.
2. Molekülmodell: Baue ein Modell eines H₂-Moleküls und erkläre, wofür die Verbindung zwischen den Atomen steht.
3. Sicherheitsplakat: Entwirf ein Plakat mit fünf Regeln für einen sicheren Wasserstoffversuch im Chemieraum.
4. Begriffsnetz: Verbinde die Begriffe Wasserstoff, Wasser, Elektrolyse, Sauerstoff und Brennstoffzelle in einer Concept-Map.

Standard

1. Reaktionsgleichungen: Erkläre mit Teilchenbildern die Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff und gleiche die Reaktionsgleichung aus.
2. Videoanalyse: Untersuche eines der eingebetteten Videos und notiere Beobachtung, Deutung und offene Fragen.
3. Elektrolyse und Brennstoffzelle: Erstelle eine Vergleichstabelle zu Energieumwandlung, Stoffen und Elektrodenvorgängen.
4. Herstellungswege: Vergleiche grünen, grauen und blauen Wasserstoff anhand selbst gewählter Bewertungskriterien.

Schwer

1. Energiekette: Entwickle eine Energiekette vom Windrad über Elektrolyse und Speicherung bis zur Brennstoffzelle und markiere mögliche Energieverluste.
2. Industrieprojekt: Recherchiere die Rolle von Wasserstoff bei der Ammoniak- oder Stahlherstellung und stelle Deine Ergebnisse als Infografik dar.
3. Debatte Wasserstoff: Bereite eine strukturierte Diskussion zur Aussage „Wasserstoff ist die Lösung für jede Energieanwendung“ vor.
4. Versuchsplanung: Plane unter Einbezug einer Gefährdungsbeurteilung einen schulischen Demonstrationsversuch zur Bildung und zum Nachweis kleinster Wasserstoffmengen. Die Durchführung bleibt der Fachlehrkraft vorbehalten.

Lernkontrolle

1. Teilchenebene und Stoffebene: Erkläre, warum ein einzelnes Wasserstoffatom andere Eigenschaften besitzt als eine größere Menge H₂-Gas.
2. Elektrolyse im Strommix: Beurteile, ob elektrolytisch erzeugter Wasserstoff automatisch klimafreundlich ist, und begründe Deine Antwort.
3. Reaktionsvergleich: Vergleiche Verbrennung und Brennstoffzelle hinsichtlich Edukten, Produkten und Energieumwandlung.
4. Speicherproblem: Erkläre, warum die geringe Dichte von Wasserstoff technische Folgen für Transport und Speicherung hat.
5. Industrieentscheidung: Entscheide begründet, ob ein Betrieb Wasserstoff direkt nutzen, in Strom zurückwandeln oder durch direkte Elektrifizierung ersetzen sollte.
6. Sicherheitsanalyse: Analysiere ein fiktives Wasserstoffleck in einem geschlossenen Raum und leite geeignete Schutzmaßnahmen ab.

Lernnachweis

Für einen Lernnachweis zu diesem Thema solltest Du zeigen, dass Du:

1. den Aufbau der drei Wasserstoffisotope korrekt darstellen kannst,
2. zwischen H-Atom, H₂-Molekül und Wasserstoffion unterscheiden kannst,
3. zentrale Reaktionsgleichungen ausgleichen und deuten kannst,
4. die Knallgasprobe fachlich und sicher erklären kannst,
5. Elektrolyse, Dampfreformierung und Brennstoffzelle vergleichen kannst,
6. Speicher- und Sicherheitsfragen auf Stoffeigenschaften zurückführen kannst,
7. Herstellungswege nach chemischen, energetischen und ökologischen Kriterien beurteilen kannst.

Verknüpfte Lernbereiche

Wasserstoff - Chemie Atombau Isotop Periodensystem Atombindung Redoxreaktion Elektrolyse Knallgasprobe Brennstoffzelle Energieträger Nachhaltige Chemie