ACTe Anorganische Chemie und Technologie PDF

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Abendkolleg HBLVA Rosensteingasse ACTe Anorganische Chemie und Technologie Kolleg für Berufstätige (Abendschule) Wasserstoff EIGENSCHAFTEN, GESCHICHTE, VORKOMMEN 1 Abendkolleg HBLVA Rosensteingasse ACTe Wasserstoff Wasserstoff Wasserstoff – Hydrogen (engl.) 2 Abendkolleg HBLVA Rosensteingasse ACTe Wasserstoff Chemisches Zeichen H (hergeleitet vom griechischen „Hydrogenium“) Oxidationszahlen: +1, 0, -1 Atommasse: 1,008 u Aggregatzustande (Raumbedingungen): gasförmig Elektronenkonfiguration: 1 s1 Wasserstoff Lewisformel für Wasserstoff (H2) Jedes H-Atom besitzt in einem s-Orbital ein Elektron, das beide H-Atome gemeinsam verwendet: Erreichen der Helium-Edelgaskonfiguration 3 Abendkolleg HBLVA Rosensteingasse ACTe Wasserstoff Schmelzpunkt: 14,01 K Siedepunkt: 21,15 K Elektronegativität: 2,2 (Pauling-Skala) Nichtmetall Wasserstoff ist ein farb-, geruchs- und geschmacksloses Gas Massenanteil in der Erdhülle: ca. 0,15% Wasserstoff Wasserstoff besitzt mit einer Dichte von 0,0899kg/m3 (0°C) die geringste Dichte aller Elemente. Wasserstoff besitzt in der Balmer-Serie 4 sichtbare Linien (bei 656, 486, 434 und 410nm) 4 Abendkolleg HBLVA Rosensteingasse ACTe Wasserstoff Wasserstoff besitzt für ein Gas eine hohe Wärmeleitfähigkeit (0,1805 W/(m*K)) und ein sehr hohes Diffusionsvermögen Diffusion ist die Fähigkeit eines Stoffes in ein anderes Medium hinein auszubreiten. Je schneller dieser Vorgang erfolgt, desto höher ist das Diffusionsvermögen dieses Gases Wasserstoff Wasserstoff besitzt 3 Isotope  1H Wasserstoff H stabiles Isotop (99,9885 %)  2H Deuterium D stabiles Isotop (0,0115 %)  3H Tritium T instabiles Isotop (~ 10-15 %) 5 Abendkolleg HBLVA Rosensteingasse ACTe Wasserstoff - Vorkommen Elementar (als freies H2 ) In Spuren von vulkanischen Gasen In der Atmosphäre in größeren Höhen Im Weltall ist Wasserstoff das häufigste Element: z.B.: Die Sonne beseht zu etwa 57 Massenprozent aus Wasserstoff Wasserstoff - Vorkommen Gebunden/in Verbindungen: In erster Linie als Wasser (H2O) In Säuren (gebunden als Proton) In vielen anorganischen Verbindungen In organischen Verbindungen (C-H) 6 Abendkolleg HBLVA Rosensteingasse ACTe Wasserstoff - Entdeckung Entdeckung und Beschreibung des Wasserstoffs Der Wasserstoff wurde 1766 vom englischen Chemiker und Physiker Cavendish entdeckt. Dieser experimentierte mit Zink und Säuren und beobachtet, dass dabei ein Gas entsteht, das brennbar war. Dieses Gas, von Cavendish als „inflammable air“ bezeichnet, war Wasserstoff. Wasserstoff - Entdeckung Die Bezeichnung als Wasserstoff erfolgte 1787 von Antoine Laurent de Lavoisier. Der französische Chemiker untersuchte Reaktionen um die zu dieser Zeit herrschenden Meinung, dass bei chemischen Reaktionen Masse „verloren geht“, zu widerlegen. Dabei untersuchte er die entstehenden Gase und entdeckte dabei den Wasserstoff. 7 Abendkolleg HBLVA Rosensteingasse ACTe Wasserstoff - Entdeckung Die Name Wasserstoff leitete er vom griechischen hydro (=Wasser) und genes (=erzeugend) her. Danach bedeutete der Name Wasserbildner. Da durch die Knallgasprobe bei der Berührung von Wasserstoff mit Sauerstoff Wasser entsteht. Wasserstoff HERSTELLUNG 8 Abendkolleg HBLVA Rosensteingasse ACTe Wasserstoff - Herstellung Im Labor Wasserstoff kann für Laborzwecke durch die Reaktion von Wasser mit unedlen Metallen hergestellt werden. Dabei reagiert ein unedles Metall exotherm zu Wasserstoff und seiner entsprechenden Base Der entstehende Wasserstoff ist dabei sofort aufzufangen, da er ansonst entweicht bzw. mit Sauerstoff wieder zu Wasser reagiert (Knallgasreaktion) Wasserstoff - Herstellung z.B.: metallisches Na reagiert sehr heftig mit Wasser unter der Bildung von NaOH und H2 2 Na + 2 H2O 2 NaOH + H2 + Energie Edlere Metalle reagieren erst mit siedend heißem Wasser oder Wasserdampf 9 Abendkolleg HBLVA Rosensteingasse ACTe Wasserstoff - Herstellung Im Labor Eine weitere Methode zur Herstellung von Wasserstoff im Labor, ist die Reaktion von unedlen bzw. nicht allzu edlen Metallen mit Säuren. Dabei entsteht neben dem gewünschten Wasserstoff das zu dem Metall gehörende Metallsalz (Metall + Säureanion) Diese Herstellmethode wurde früher im sogenannten Kipp‘schen Apparat durchgeführt Wasserstoff - Herstellung z.B.: Fe und Zn mit Säuren: Fe + H2SO4 H2 + FeSO4 Zn + 2 HCl H2 + ZnCl2 10 Abendkolleg HBLVA Rosensteingasse ACTe Wasserstoff - Herstellung Kipp‘scher Apparat Verwendung für die Gasherstellung (z.B.: Wasserstoff) vor der Möglichkeit diese Gase auch in Flaschen zu kaufen Besteht aus 3 Glasballons Dabei ist der mittlere mit dem unteren über ein Sieb (Gitter) verbunden, auf dem die Metallspäne eingefüllt werden können. Wasserstoff - Herstellung Wird nun der Gashahn geöffnet, kann die Säure über den unteren Ballon bis zum Metall im mittleren Ballon gelangen Dabei kommt es zur Reaktion und Wasserstoff entsteht. Wird der Hahn geschlossen entsteht ein Überdruck und die Flüssigkeit wird zurück in den Vorratsballon gedrückt. 11 Abendkolleg HBLVA Rosensteingasse ACTe Wasserstoff - Herstellung Wasserstoff - Herstellung Im Labor Gewinnung von Wasserstoff aus der Elektrolyse von Wasser Dabei wird Wasser mit Hilfe von Gleichstrom in seine Bestandteile zerlegt Dieses erfolgt in einer enderogenen Reaktion (Energie wird benötigt!) 2 H2O + Energie 2 H2 + O2 12 Abendkolleg HBLVA Rosensteingasse ACTe Wasserstoff - Herstellung Um das entstehende H2 und O2 getrennt zu sammeln, wird der „Hoffmann‘sche Zersetzungsapparat“ verwendet. In dieser Apparatur sind die Elektroden räumlich voneinander getrennt. So können H2 und O2 getrennt voneinander aufgefangen werden. Wasserstoff - Herstellung An der Kathode werden die durch Autoprotolyse entstandenen H+-Ionen zu H2 und an der Anode die OH--Ionen zu O2 und H2O umgesetzt Autoprotolyse: H2O H+ + OH- Kathodenreaktion: 2 H+ + 2e- H2 Anodenreaktion: 2 OH- ½ O2  + H2O + 2e- Autoprotolyse des Wassers: 2H2O  H3O+ + OH- 13 Abendkolleg HBLVA Rosensteingasse ACTe Wasserstoff - Herstellung Es entsteht also aus H2O Wasserstoff und Sauerstoff im Stoffmengenverhältnis von 2:1 Und da alle Gase das gleiche Molvolumen besitzen (22,4 l/mol) ist auch das Volumenverhältnis 2:1 Heutige Verwendung der elektrolytischen Wasserstoffgewinnung bei der Gewinnung von „schwerem Wasser (D2O)“, da sich dieser bei der Elektrolyse im nicht umgesetzten Rest anreichert Wasserstoff - Herstellung Technische Herstellung Wasserstoff fällt bei der Chloralkali-Elektrolyse an. Hierbei wird NaOH großtechnisch aus NaCl hergestellt. Die „Nebenprodukte“ sind Chlorgas und Wasserstoff: 2 NaCl + 2 H2O 2 NaOH + Cl2(g) + H2(g) (H = + 454,4 kJ/mol)  Endotherme Reaktion 14 Abendkolleg HBLVA Rosensteingasse ACTe Wasserstoff - Herstellung Dabei finden folgende Teilreaktionen statt Anodenreaktion: 2 Cl- Cl2 +2 e- Kathodenreaktion: 2 Na+ + 2e- 2 Na(s) 2 Na + 2 H2O 2 NaOH + H2 ----------------------------------------------------------------- Na+ + 2 H2O + 2e- 2 NaOH + H2 Wasserstoff - Herstellung Technische Herstellung Dampf-Reformierung (steam-reforming) Meist aus Erdgas (Methan) in einem mehrstufigen Prozess: 1. Stufe: Vermengung von Methan und Wasser bei hoher Temperatur (~500°C) und hohen Druck (~30bar) CH4 + H2O CO + 3 H2 (H= +206,2 kJ/mol) (endotherm) 15 Abendkolleg HBLVA Rosensteingasse ACTe Wasserstoff - Herstellung 2.Stufe Umsetzung des noch vorhanden Methan mittels Sauerstoff zu Wasserstoff 2 CH4 + O2 2 CO + 4 H2 (H= -71 kJ/mol) (exotherm) Erhöhung der Ausbeute an Wasserstoff Wasserstoff - Herstellung 3. Stufe: Einblasen von Wasserdampf mit hoher Temperatur (bei ca. 950°C) in den Reaktionskessel (Wassergas-Shift-Reaktion) CO + H2O CO2 + H2 (H= -41,2 kJ/mol) (exotherm) Verwendung eines Katalysators (bspw. Auf Eisenoxidbasis) notwendig! Umsetzung in der Gasphase! Wirkungsgrad bei Einsatz von Methan ca. 70%. 16 Abendkolleg HBLVA Rosensteingasse ACTe Wasserstoff - Herstellung Dampfreformierungs-Anlage (Übersicht) ①②④: Edukte | ③: 1. Stufe | ⑤: 2. Stufe | ⑥: 3.Stufe | ⑦: Kompressor  Verflüssigung | ⑧: Aufreinigung Wasserstoff - Herstellung Dampfreformierung (Anlage mit einer Umsatz von 200 bis zu 50.000 m3/h 17 Abendkolleg HBLVA Rosensteingasse ACTe Wasserstoff - Herstellung Dampf-Reformierung (steam-reforming) Weitere Möglichkeit: Partielle Oxidation (Zufuhr von Sauerstoff) als 1.Schritt und eine Shift-Reaktion als 2.Schritt 1.Schritt: 2 CH4 + H2O + O2CO + CO2 + 5 H2 2.Schritt: CO + H2O CO2 + H2 Wasserstoff - Herstellung Dampf-Reformierung (steam-reforming) In Ländern mit großen Kohlevorkommen kommt die zweite Möglichkeit mit Kohlenstoff zum Einsatz *Verbrennung von Kohle mit Luftsauerstoff: 2 C + O2 2 CO (H= - 111 kJ/mol) (exotherm) *Einblasen von Wasserdampf über den glühenden Koks C + H2O CO + H2 (H= +118 kJ/mol) (endotherm) 18 Abendkolleg HBLVA Rosensteingasse ACTe Wasserstoff - Herstellung Ein derart hergestelltes Gemisch aus CO und H2 wird als „Synthesegas“ bezeichnet und ist Ausgangsstoff für viele anorganische und organische Synthesen: z.B.: Ammoniak, Methanol, etc. … Bei vielen Prozessen im Rahmen der Erdölverarbeitung/Raffination fallen H2-reiche Gasgemische an, aus denen ebenfalls H2 gewonnen wird Wasserstoff EIGENSCHAFTEN 19 Abendkolleg HBLVA Rosensteingasse ACTe Wasserstoff - Eigenschaften Eine wichtige chemische Eigenschaft des H2 ist seine Brennbarkeit. Dabei verbindet sich das H2-Molekül mit dem Luftsauerstoff und bildet Wasser: 2 H2 + O2 2 H2O + Energie Die Bildung von H2O aus H2 und O2 erfolgt explosionsartig (stark exotherm). Wasserstoff - Eigenschaften Besonders heftig explodiert ein Gemisch aus 2 Volumenteilen H2 und einem Volumenanteil O2. Dieses Gasgemenge wird auch als „Knallgas“ bezeichnet, die Reaktion bei der sich explosionsartig Wasser bildet wird daher auch als „Knallgasreaktion“ bezeichnet. In Luft unter atmosphärischen Druck liegt die Explosionsgrenze bei einem H2-Volumenanteil von 75% (darunter/darüber keine Explosion) 20 Abendkolleg HBLVA Rosensteingasse ACTe Explosionsgrenze Gemische aus brennbaren Gasen und der in der Luft enthaltenen Sauerstoff sind nur bei einem bestimmten Mischungsverhalten explosionsfähig. Der Bereich, der alle explosiven Mischungsverhältnisse zusammenfasst, wird von zwei Explosionsgrenzen beschrieben. Obere Explosionsgrenze (OEG) Untere Explosionsgrenze (UEG) Explosionsgrenze Liegt die Konzentration eines brennbaren Stoffes zu gering, d.h. unter der UEG wird das Gemisch auch als mageres Gemisch bezeichnet. Liegt die Konzentration eines brennbaren Stoffes zu hoch, d.h. über der OEG wird das Gemisch auch als fettes Gemisch bezeichnet. Liegt die Konzentration innerhalb der Explosionsgrenzen wird das Gemisch auch als explosionsfähige Atmosphäre bezeichnet 21 Abendkolleg HBLVA Rosensteingasse ACTe Explosionsgrenze Graphische Darstellung der UEG und der OEG Bsp.: (Anteile in Luft, Normalbedingungen) Wasserstoff: UEG: 4,1%; ------- OEG: 75% Propan: UEG: 2,1%; ------- OEG: 9,5% Methan: UEG: 5,3%; ------- OEG: 15,0% Kohlenmonoxid: UEG: 12,5%; ------- OEG: 30,0% Wasserstoff - Eigenschaften Knallgasreaktion: Kettenreaktion (Kettenverzweigungsexplosion) H2 + Energie  H. +.H (Kettenstart) H. + O2 .OH +.O..O. + H .OH + H. 2.OH + H  H O + H. 2 2 … Gesamtgleichung: 2 H2 + O2  2 H2O 22 Abendkolleg HBLVA Rosensteingasse ACTe Wasserstoff - Eigenschaften Knallgasreaktion Wasserstoff - Eigenschaften Daher gilt: Beim Arbeiten mit H2 ist immer große Vorsicht geboten! Will man H2 und O2 kontrolliert verbrennen, so muss man dafür Sorge tragen, dass sich die beiden Gase erst unmittelbar vor der Zündung mischen. 23 Abendkolleg HBLVA Rosensteingasse ACTe Wasserstoff - Eigenschaften Eine solche Vorrichtung ist der Daniell‘sche Hahn. Er stellt die Grundform des Gebläsebrenners dar. Man kann damit auch Wasserstoff kontrolliert verbrennen und Temperaturen bis zu 3000°C erreichen. Praktische Anwendung findet dieses Knallgasgebläse beim „Autogenen Schweißen“ und beim „Autogenen Schneiden“ (Schneidbrenner) Wasserstoff - Eigenschaften Daniell‘sche Hahn Heute wird nur mehr selten H2 zum Schweißen und Schneiden verwendet. Meistens kommt das ebenfalls leicht brennbare billigere Acetylen-Gas zum Einsatz. 24 Abendkolleg HBLVA Rosensteingasse ACTe Wasserstoff - Eigenschaften In der Brennbarkeit des H2 drückt sich seine große Neigung aus, sich mit Sauerstoff zu verbinden. Diese geht soweit, dass H2 sogar imstande ist, den Sauerstoff aus Sauerstoff- Verbindungen an sich zu reißen: z.B.: CuO + H2 Cu + H2O Wasserstoff wirkt hier als ein starkes Reduktionsmittel für das Cu-Ion im CuO und wird dabei selbst oxidiert (Bildung von Wasser) Wasserstoff - Eigenschaften Die stark reduzierende Wirkung des Wasserstoffs gilt auch für viele andere Oxide und wird in der Metallurgie zur Gewinnung von Metallen aus den entsprechenden Oxiden verwendet. z.B.: Mo, W, Co, Ge, Cu, Fe, … MoO3 + 3 H2 Mo + 3 H2O 25 Abendkolleg HBLVA Rosensteingasse ACTe Wasserstoff - Eigenschaften Außer mit Sauerstoff geht H2 auch noch mit vielen anderen Elementen Verbindungen ein: Mit Fluor und Chlor reagiert es bereits bei Raumtemperatur ziemlich heftig: z.B.: Chlorknallgasreaktion H2 + Cl2  2 HCl exotherm, explosionsartig Wasserstoff - Eigenschaften Für die Bildung von Verbindungen mit anderen Elementen ist jedoch meist die Anwendung von höheren Temperaturen oder Drucksteigerung notwendig. Besonders, wenn Verbindungen herstellt werden sollen, bei denen Wasserstoff mit der Oxidationsstufe -1 vorkommen soll. Auch die Verwendung von Katalysatoren ist möglich. 26 Abendkolleg HBLVA Rosensteingasse ACTe Wasserstoff - Eigenschaften Bei einer solchen Katalyse wird meistens ein Metall oder eine Metallverbindung als Katalysator verwendet (Platin, Iridium, Ferrit, …) Bei der Reaktion wird der Katalysator zwar verwendet, d.h. er nimmt an der Reaktion teil, aber wird nicht verbraucht, weil er im Verlauf der Reaktion wieder in den Ausgangszustand zurück versetzt wird. Wasserstoff - Eigenschaften Entscheidend dabei ist, dass die beiden Teilreaktionen der Katalyse in Summe schneller verlaufen als die direkte Reaktion ohne Katalysator, da in Summe eine geringere Aktivierungsenergie benötigt wird. direkte Reaktion: A + B AB Katalyse: A + K AK AK + B AB +K 27 Abendkolleg HBLVA Rosensteingasse ACTe Wasserstoff - Eigenschaften Aktivierungsenergie bei der Katalyse Wasserstoff - Eigenschaften Katalytische Knallgasreaktion Betrachten wir noch einmal die Knallgasreaktion: 2 H2 + O2  2 H2O Wie vorhin erklärt, benötigt man einen Zünder um das „ideale“ Gasgemisch (2/3 H2 und 1/3 O2) zu zünden! Aber es geht auch mit einem Katalysator! 28 Abendkolleg HBLVA Rosensteingasse ACTe Wasserstoff - Eigenschaften Katalytische Knallgasreaktion Verbrennung von H2 mit Hilfe eines Katalysators der eine größere Oberfläche bietet und somit eine bessere Reaktion des H2 mit dem O2 Reaktion des H2 mit dem O2 aus der Luft tritt schon bei Raumtemperatur ein! Wasserstoff VERWENDUNG 29 Abendkolleg HBLVA Rosensteingasse ACTe Wasserstoff - Verwendung Historische Anwendung von Wasserstoff Döbereiner-Feuerzeug (auch Platinfeuerzeug) Schwefelsäure und Zink kommen in Berührung und erzeugen Wasserstoff (vgl. Kipp‘schen Apparat) Dieser wird über ein Ventil ausgelassen und über einen Platinschwamm geleitet Das Platin katalysiert die Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff (Knallgasreaktion) und durch die freiwerdende Wärme entzündet sich das Gasgemisch  Verwendung als Feuerzeug Wasserstoff - Verwendung a) Schwefelsäure b) Glasglocke c) Befestigung zum Untertauchen d) Zinkkolben e)-g) Ventil und Platinschwamm 30 Abendkolleg HBLVA Rosensteingasse ACTe Wasserstoff - Verwendung Weitere Verwendung von Wasserstoff: Synthese von Ammoniak, Methanol, Essigsäure, … Hydrierung von Kohle (Fischer-Tropsch-Verfahren) Hydrierung von organischen Verbindungen Reduktionsmittel zur Herstellung von Metallen aus den Metalloxiden Traggas (z.B.: In Ballons) In Raketen als Treibstoff Als Energieträger („Heizgas“, „Kraftstoff“, …) Wasserstoff - Verwendung Synthese von Ammoniak Verwendung von Wasserstoff bei der Synthese von Ammoniak (Haber-Bosch Verfahren) Verfahren von Fritz Haber und Carl Bosch entwickelt und nach diesen benannt Synthese in 5 Schritten mittels Katalyse  Lernen wir beim Kapitel Stickstoff 31 Abendkolleg HBLVA Rosensteingasse ACTe Wasserstoff - Verwendung Synthese von Methanol, Essigsäure, … Methanol aus Synthesegas (siehe Ammoniaksynthese) Katalysator: Zinkoxid-Chromoxid-Mischkatalysator Temperatur: ca. 380°C (1) CO + 2 H2  CH3OH (2) CO2 + 3 H2  CH3OH + H2O Wasserstoff - Verwendung Aufreinigung des Methanols, durch Destillation (da die Umsetzung nicht vollständig ist) bzw. Nebenprodukte dabei entstehen 32 Abendkolleg HBLVA Rosensteingasse ACTe Wasserstoff - Verwendung Hydrierung von organischen Verbindungen, Fetthärtung Umsetzung von Kohlenwasserstoffen wie Paraffinen, Olefinen und Alkohol Endprodukt ist synthetisches Benzin, Diesel, Heizöl sowie weitere Rohstoffe für die chemische Industrie. Reaktion bei normalem Atmosphärendruck und Temperaturen von rund 200°C Wasserstoff - Verwendung Allgemeines Reaktionsschema nCO + (2n+1)H2  CnH2n+2 + nH2O (bei Alkane) nCO + (2n)H2  CnH2n + nH2O (bei Alkene) nCO + (2n)H2  CnH2n+1 + (n-1)H2O (bei Alkohole) Unterschiedliche Katalysatoren (je nach Typ): z.B: Cobalt, Eisen, Nickel, Ruthenium … 33 Abendkolleg HBLVA Rosensteingasse ACTe Wasserstoff - Verwendung Reduktionsmittel zur Herstellung von Metallen aus den Metalloxiden Entziehen den Metalloxiden den Sauerstoff z.B.: W, Mo, Co, Ge, Cu, Fe, … MoO3 + 3 H2 Mo + 3 H2O CuO + H2 Cu + H2O PdCl2 + H2 Pd + 2 HCl Wasserstoff - Verwendung Traggas (z.B.: In Ballons) Als Traggas bezeichnet man Gase, die als Füllung für Luftfahrzeuge wie Luftschiffe und Gasballons eingesetzt (Archimedisches Prinzip) Da Wasserstoff eine sehr geringe Dichte besitzt ( wurde bereits bei den Eigenschaften erwähnt) Allerdings ist Wasserstoff leicht brennbar und bildet mit Sauerstoff explosive Gasgemische (Knallgas)  daher heute oft Helium als Traggas Helium ist aber teurer als Wasserstoff 34 Abendkolleg HBLVA Rosensteingasse ACTe Wasserstoff - Verwendung „Berühmtes“ Unglück mit Wasserstoffbefüllte Luftfahrzeuge ist jenes des Zeppelin LZ 129 (Zeppelin Hindenburg) am 06.05.1937 Die Hindenburg besaß einen Prallgasinhalt von 200.000 m3 Wasserstoff Bei der Landung 06.05.1937 in Lakehurst (New Jersey, USA) brach im Heckteil des Schiffes ein Feuer aus, das sich schnell über das gesamte Schiff aus. Durch den Wasserstoff-Verlust sank das Luftschiff innerhalb von einer halben Minute auf den Boden. Wasserstoff - Verwendung Unglück der Hindenburg am 06.05.1937 35 Abendkolleg HBLVA Rosensteingasse ACTe Wasserstoff - Verwendung Als Energieträger („Heizgas“, „Kraftstoff“, …) Bei Raketen als Flüssigtreibstoff werden im Betriebszustand zwischen dem Treibstoff und dem Oxidator unterschieden. Unterscheidung von Monergole (Einstofftreibstoffe), Diergole (Zweistofftreibstoffe) und Triergole (Dreistoffsysteme) Wasserstoff kommt Hauptsächlich bei Diergole und Triergole zum Einsatz Wasserstoff - Verwendung Wasserstoff bei Diergolen: Oxidator Brennstoff Verbrennungstemp. [°C] O2 H2 2700 F2 H2 3600 OF2 H2 3311 Wasserstoff bei Triergole: Oxidator Brennstoff Zusatzbrennstoff Leistungssteigerung O2 H2 26% Beryllium 17% O2 H2 29% Lithium 4% F2 H2 15% Beryllium 2% F2 H2 20% Lithium 9% 36 Abendkolleg HBLVA Rosensteingasse ACTe Wasserstoff - Verwendung Knallgasrakete Schon ein Sauerstoff-Wasserstoffgemisch besitzt genügend Energie um eine „leichte“ Rakete abzuschießen!  exotherme „Knallgas“-Reaktion Wasserstoff - Verwendung Wasserstoff als Energieträger bei der Kernfusion Kernfusion ist die Verschmelzung von zwei Atomkernen zu einem neuen Kern. Die Kernfusion ist die Ursache dafür, dass die Sonne und alle leuchtenden Sterne Energie abstrahlen. In der Sonne finde so eine Kernfusion statt, bei der aus Wasserstoff Helium „gewonnen“ wird. Dabei können verschiedene „Reaktionen“ stattfinden, die sich vom H-Isotop unterscheiden 37 Abendkolleg HBLVA Rosensteingasse ACTe Wasserstoff - Verwendung Dabei kommen immer auch die schweren Isotope von Wasserstoff zum Einsatz Beispiele:  D + T  He + n (+15,6 MeV)  D + D  T + p+ (+3,0 MeV)  T + T  He + 2n (+11,3 MeV) … … Wasserstoff - Verwendung  In unserer Sonne werden etwa 600*106 t Wasserstoff zu 596*106 t Helium fusioniert  pro Sekunde!  Ein Gedankenexperiment: Über Einsteins Ausdruck der Beziehung zwischen Masse und Energie (E=mc2) lässt sich leicht errechnen, dass rund 3,6*1023 J/s von der Sonne freigesetzt wird, d.h. etwa 1,29*1024 kWh ( etwa 4 Billionen mal mehr als alle Österreicher in einem Jahr an Strom verbrauchen ) 38 Abendkolleg HBLVA Rosensteingasse ACTe Wasserstoff - Verwendung Kernfusion auf der Erde Kernfusion wurde in Form der Wasserstoffbombe (Deuterium-Tritium-Reaktion) bereits erforscht. Hierbei ist keinen Kontrolle der Reaktion notwendig und somit „einfach“ zu bewerkstelligen. Zum Zünden einer Wasserstoffbombe ist jedoch eine kleine Atombombe notwendig (Initialenergie muss zugeführt werden) Wasserstoff - Verwendung Bisher wurden einige Test mit Wasserstoffbomben durchgeführt, wobei eine Sprengkraft von bis zu 60 Mt erreicht wurden (vergleich: Hiroshima- Atombombe hatte eine Sprengkraft von etwa 18- 20 kt) AN602 Auch Zar-Bombe (russisch) Etwa 60 Mt 39 Abendkolleg HBLVA Rosensteingasse ACTe Wasserstoff - Verwendung Wasserstoffbombe Bombe vor Zündung der Emittieren von „Start“ der Fusions- der Zündung „konventionellen“ Röntgenstrahlen Kernfusionsreaktion Brennstoff Sprengkapsel durch die  Ummantelung wird ( Atombombe) Kernspaltung wird zerstört fusioniert Wasserstoff - Verwendung Kernfusion für die Energiegewinnung Fusionsenergie Verschiedene Forschungsinstitute versuchen die Kernfusion für die zivile Anwendung der Energiegewinnung zu nutzen. Bisher jedoch nur in kleinen, experimentellen Stadium ( Versuchsreaktoren) u.a. Wendelstein 7-X (Deutschland), ITER (Frankreich), JET (Großbritannien) 40 Abendkolleg HBLVA Rosensteingasse ACTe Wasserstoff - Verwendung Kernfusion für die Energiegewinnung Problematisch ist vor allem die extreme Temperatur (um das entsprechende Plasma für die Fusion herzustellen) stabil und aufrecht zu halten. Wasserstoff - Verwendung ITER – Versuchsreaktor (Bauphase; Visualisierung) 41 Abendkolleg HBLVA Rosensteingasse ACTe Wasserstoff - Verwendung Verwendung von H2 in Brennstoffzellen In einer Brennstoffzelle läuft prinzipiell die Reaktion von H2 und O2 zu Wasser ab (exergonisch) 2 H2 + O2 2 H2O + Energie Anmerkung: Bei der Elektrolyse von Wasser wurde die umgekehrte Reaktion durch zuführen von elektrischer Energie erzwungen Wasserstoff - Verwendung Um die bei der Reaktion frei werdende Energie nicht als Wärme frei zu setzen (Verbrennung), sondern als elektrische Energie, muss die Oxidations- bzw. die Reduktionsreaktion örtlich getrennt werden, d.h. in einer galvanischen Zelle stattfinden. 42 Abendkolleg HBLVA Rosensteingasse ACTe Wasserstoff - Verwendung 2 H2 + O2 2 H2O + Energie  Räumlich getrennt! Wasserstoff - Verwendung Wasserstoff diffundiert in die Anodenhalbzelle und gibt sein Elektron an einer katalytisch wirkenden Elektrode ab: 2 H2 4 H+ + 4e- (Oxidationshalbgleichung) 43 Abendkolleg HBLVA Rosensteingasse ACTe Wasserstoff - Verwendung Sauerstoff diffundiert in den Kathodenraum und nimmt die über den Stromkreis gelieferten Elektronen auf. O2 + 4 e- 2 O2- (Reduktionshalbgleichung) Wasserstoff - Verwendung  Die eigentliche chemische Verbindung zu H2O findet in der zwischen den Elektroden befindlichen Elektrolyt-Membran statt.  Allerdings wird nicht die gesamte Reaktionsenthalpie (Reaktionswärme) als Energie abgegeben, sondern teilweise auch als Wärme  Der Wirkungsgrad von einer Brennstoffzellen liegt normalerweise zwischen 35 und 45%. 44 Abendkolleg HBLVA Rosensteingasse ACTe Wasserstoff - Verwendung Verwendung von H2 in Brennstoffzellen Wasserstoff - Verwendung Die technische Verwendung von Wasserstoff als Energieträger (Brennstoffzelle, Automobilindustrie) ist aufgrund seiner Eigenschaften (Brennbarkeit, Diffusionsvermögen) zur Zeit noch sehr problematisch: o Wie kann Wasserstoff sinnvoll gelagert werden? o Wie kann dieser gut gespeichert werden (im Modul)? o Explosionsgefahr o Kosten der Sicherung und Versorgung (Tankstellen für Wasserstoff)? 45 Abendkolleg HBLVA Rosensteingasse ACTe Wasserstoff VERBINDUNGEN Wasserstoff - Verbindungen Wasserstoffverbindungen (Hydride) Kovalente Hydride Salzartige Hydride Metallische Hydride Komplexe Übergangsmetallhydride Anmerkung: eine exakte Trennung zwischen kovalente und salzartige Hydride ist nicht immer möglich  Lehrbuchabhängig 46 Abendkolleg HBLVA Rosensteingasse ACTe Wasserstoff - Verbindungen Kovalente Hydride Wasserstoffverbindungen mit Halb- und Nichtmetallen (3-7.Hauptgruppe) Meistens gasförmig oder flüssig Wasserstoff kann hier sowohl mit der OxZ +1 als auch mit der OxZ -1 auftreten z.B.: CH4, HCl, H2S, H2O, SiH4, HI, SnH4 Wasserstoff - Verbindungen Salzartige Hydride Sind Hydride, die als ionisch Verbindungen vorliegen (d.h. das Hydridion H- enthalten) und meistens mit Metallen aus der 1. und 2. Hauptgruppe (außer Be) entstehen. Kristalline Formen (Ionengitter) Reagieren mit Wasser oder Säuren heftig unter Wasserstoffentwicklung Z.B.: NaH (Natriumhydrid), CaH2 (Calciumhydrid) 47 Abendkolleg HBLVA Rosensteingasse ACTe Wasserstoff - Verbindungen Metallische Hydride Wasserstoff ist hier in das Metallgitter von Übergangsmetallen eingelagert, was zu einer nicht stöchiometrischen Verteilung führt Die Einlagerung verändert die Metallgitterstruktur und somit auch die Eigenschaften des Metalls Z.B.: NiAs-Struktur: Einlagerung von MnH, CrH Fluorit-Struktur (Flussspat): TiH2, VH2, CrH2, CrH2 Wasserstoff - Verbindungen Komplexe Hydride Sind ebenfalls salzartig aufgebaut, enthalten aber keine freien Hydridionen, sondern diese sind an ein Metall oder Halbmetall kovalent gebunden. Metallische Hydride sind starke Reduktionsmittel und werden in der chemischen Synthese eingesetzt z.B.: Lithiumaluminiumhydrid (LiAlH4)  reagiert heftig mit Wasser (teils sogar explosionsartig) 48