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Wasserstoff - Referat



Biologische Bedeutung/Physiologie
▪ Wasserstoff ist in Form verschiedenster Verbindungen lebenswichtig für alle bekannten
Lebewesen, die wichtigste Verbindung ist Wasser(Sauerstoff + Wasserstoff), dass für alle
Stofftransporte im Körper dient
▪ Zusammen mit Kohlenstoff, Sauerstoff, Stickstoff und Halogenen(Salzbildner) ist er Bestandteil
derjenigen Moleküle aus der organischen Chemie, ohne die jegliche uns bekannte Form von
Leben schlicht unmöglich ist
▪ Organische Chemie: Die Entstehung der Vielzahl der Naturstoffe(pflanzliche, tierische Farbstoffe, Zucker, Fette, Proteine, Nukleinsäure(Aufg.: Informationsspeicher(DNA)/Signalüberträger) basiert auf der Bindungsfähigkeit des Kohlenstoffatoms. Organische Moleküle enthalten als Elemente neben Kohlenstoff häufig Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff, Halogene, die chemische Struktur und die funktionellen Gruppen sind die Grundlage für die Verschiedenartigkeit der Einzelmoleküle
▪ Bezogen auf die Masse ist Wasserstoff im menschlichen Körper
das drittwichtigste Element: Bei einer Person mit
einem Körpergewicht von70kg, sind rund 7kg
(10% -Körpergewicht) bestehend aus Wasserstoff
▪ Bezogen auf die Anzahl der Atome ist der sehr leichte Wasserstoff sogar das mit Abstand häufigste Atom im Körper eines jeden Lebewesen. (Die 7kg beim Menschen entsprechen 3.5×10³ Mol Wasserstoff mit je 2×6×10²³ Atomen, das sind rund 4.2×10-27 Wasserstoffatome).

Die Druckgas-Wasserstoffspeicherung:

Die derzeit am weitest verbreitete Form, Wasserstoff zu speichern, ist die Druckgas-Wasserstoffspeicherung. Hierbei wird Wasserstoffgas mit etwa 200 bis 300 bar Druck komprimiert und in spezielle Speichertanks gepresst. Der gasförmige Wasserstoff hat jedoch auch im komprimierten Zustand einen hohen Raumbedarf, weshalb zur Verringerung der benötigten Tankgröße im Fahrzeugbau momentan an Drucktanks mit bis zu 700 bar Druck geforscht wird. Bei der stationären Lagerung großer Mengen von Wasserstoff stellt die Druckgas-Wasserstoffspeicherung aufgrund der relativ geringen Kosten eine gute Lösung dar, im Gegensatz zum Fahrzeugbau muss dabei auch nicht so stark auf die Ausmaße der Wasserstofftanks geachtet werden.

Komprimierter Wasserstoff wird heute entweder per Lkw oder Eisenbahn vom Produzenten zum Verbraucher geliefert oder - in entsprechend infrastrukturell erschlossenen Industrieräumen - über ein Pipelineverteilnetz verteilt, an welches mehrere Produzenten und Verbraucher angeschlossen sind.


Druckgas-Wasserstofftanks:


Die Wasserstoff-Gastanks bestehen aus mehreren Schichten: Eine Innenhülle besteht aus möglichst korrosionsbeständigem Metall, meist Legierungen aus Aluminium oder Edelstahl. Diese erste Schicht wird entweder von Glasfasern, Kunststofffasern oder einer Kombination aus beidem in mehreren Schichten umwickelt und jeweils mit Harzen verklebt.

Da zylindrische Speicher am besten den hohen Drücken standhalten können und somit trotz Komprimierung viel Raum benötigt wird, sind Drucktanks momentan hauptsächlich bei Bus- oder Lieferwagen-Konzepten eingebaut, wo sie zumeist auf dem Dach angebracht werden.

Eigenschaften
▪ Wasserstoff ist ein chemisches Element mit dem Zeichen H (von gr. lat. Hydrogenium) und steht
im Periodensystem an erster Stelle.
▪ Wasserstoff ist ein farb-, geruch- und geschmackloses Gas
▪ mit nur 1,0079 u hat Wasserstoff die geringste Atommasse aller Elemente und ist daher das
leichteste und flüchtigste Gas überhaupt und ist 14-mal leichter als Luft
▪ Bei Raumtemperatur liegt es in gasförmigen Zustand in Molekülform (H2) vor
▪ Die Summenformel H² besteht aus der Atombindung der 2H-Atome
▪ Der Schmelzpunkt von Wasserstoff liegt bei -262°C; der Siedepunkt bei -252,77°C
▪ Er ist brennbar unterhält die Verbrennung jedoch nicht
▪ Bildet mit Sauerstoff ein explosives Gemisch-Gemische von brennbaren Gasen mit Luft können explodieren
▪ die Dichte ist bei Zimmertemperatur 0.083g/l
▪ Die Löslichkeit in Wasser ist sehr gering
▪ kann durch die Knallgasprobe nachgewiesen werden, Wasser durch Watesmo-Paper oder weißem Kupfersulfat

Geschichte:
▪ Das Element wurde von Paracelcus im 16. Jahrhundert durch Umsetzung von Eisen mit Säuren erstmals hergestellt und 1766 durch Henry Cavendish als Element erkannt. Der französische Chemiker ANTOINE LAURENT LAVOISIER stellte 1783 erstmals 45g “künstliches“ Wasser aus Wasserstoff und Sauerstoff her.
▪ ANTOINE LAURENT LAVOISIER (1743-1794) fand heraus, dass bei Verbrennungen der brennbare Stoff mit Sauerstoff reagiert. Eine weitere bahnbrechende Erkenntnis ist ihm und anderen Wissenschaftler seiner Zeit zu verdanken
▪ Bis in das 18. Jahrhundert ging man davon aus, dass Wasser ein elementarer Stoff ist, LAVOISIER ordnete das Wasser zu den Verbindungen zu
▪ Diese Vermutung entwickelte sich, als er einem Schmied bei der Arbeit beobachtete: Nach dem Abkühlen von glühendem Eisen in Wasser war die Eisenoberfläche oxidiert, dadurch entstand folgendes Experiment:
Lavoisiers Versuch zur Zerlegung von Wasser in Eisenoxid(oxidiert) und Wasserstoff:

Apparatur Lavoisiers zur Herstellung von Wasserstoff aus Wasser (von rechts nach links)
Lavoisier ließ einen mit Nägeln gefüllten eisernen Flintenlauf (F) in ein Kohlebecken einmauern und erhitzte diesen bis zur Rotglut. Dann leitete er Wasserdampf durch die Apparatur. Den entstehenden Wasserstoff fing er auf (H), die Eisennägel wog er nach der Reaktion und stellte eine deutliche Gewichtszunahme fest.
Reaktionsgleichung: Redoxreaktion
Wasser(Oxidationsmittel) +
Eisen(Reduktionsmittel) → Eisenoxid + Wasserstoff
H20 + Fe → FeO + H2
Weiteres siehe Buch!!!/Google!!!

Gliederung
▪ Eigenschaften
▪ Wasser- eine Sauerstoffverbindung?
→ Reaktion von Wasser mit Magnesium
▪ Geschichte
▪ Biologische Bedeutung
▪ Vorkommen
▪ Wasserstofftechnologie
▪ Wasserstoffkreislauf
▪ H2-Brennstoffzelle/-Verbrennungsmotor
▪ Wasserstoffverbindungen
▪ Wasserstoffbrückenverbindungen

Vorkommen:
▪ Wasserstoffatome sind von allen Atomsorten im Weltall mit rund 93% Anteil vor
Heliumatomen am häufigsten vertreten. Die Sonne erzeugt ihre Energie durch
Kernverschmelzungen von Wasserstoffatomen.
▪ Dabei entstehen bei mehreren Zwischenreaktionen aus vier Wasserstoffatomen
Helium, sowie 2 Positronen(positiv geladene Elektronen e+) und riesige Energiebeträge
▪ Die großen Planeten unseres Sonnensystems, Jupiter und Saturn, sind Gasplaneten und bestehen wie die meisten Fixsterne(Fixsterne sind Sonnen, glühende Gaskugeln, die eigenes Licht erzeugen)und Galaxien überwiegend aus Wasserstoff. Die Elementhäufigkeit in der Erdhülle beträgt etwa 0,9%; damit steht er an neunter Stelle.
▪ Das Isotop Deuterium macht im natürlichen Wasserstoff einen geringen Anteil von
etwa 0.015% aus. Wasserstoffatome kommen in gebundener Form in zahlreichen
Verbindungen vor, bspw. im Wasser, aber auch in Eiweißen, Kohlenwasserstoffen,
Kohlenhydraten oder Säuren.
▪ In der Regel kommt Wasserstoff in einer zweiatomigen Molekülform vor. Es
existieren drei natürliche Isotope (Atommasse im Intervall-Wasserstoff
[1.00784-1.00811u]) :
▪ Ein normales Wasserstoffatom, das Protium, besteht aus einem Proton und einem Elektron
▪ Dagegen besitzt schwerer Wasserstoff, das Isotop Deuterium, zusätzlich ein Neutron
▪ Überschwerer Wasserstoff, das radioaktive Isotop Tritium, besitzt zwei Neutronen


Wasser- eine Sauerstoffverbindung?
▪ Versuch: Reaktion von Wasser mit Magnesium
▪ Material: RG; Stativ mit Muffe und Klemme/durchbohrter Stopfen/gewinkeltes und ausgezogenes Glasrohr/Stahlwolle zur Sicherung/Pipette 1ml
▪ Chemikalien: Magnesium(-späne)/Sand/Wasser/Massenverhältnis: 1/1
▪ Gefahrenhinweise: Magnesium ist brennbar. Magnesiumbrände sollten nicht
mit Wasser gelöscht werden!
▪Durchführung:
1. In ein RG wird ca. 2cm hoch Sand gefüllt. Der Sand dient später dazu, das Wasserfestzuhalten
2. 1ml Wasser wird mit einer Pipette so in den Sand getropft, das die Wand
im mittleren und oberen Bereich des RG nicht nass werden
3. Dann wird das RG waagrecht gehalten und 0.5- 1g Mg-späne werden in die Mitte platziert
4. Das RG wird mit Stopfen und Glasrohr versehen und waagrecht eingespannt mit einem Brenner wird nun das Mg erhitzt. Beim ersten Aufglühen des Mg zügig unter den feuchten Sand bewegt. Sofort glüht das Mg hell auf. Die Reaktion kann durch Wärmezufuhr zum feuchten Sand reguliert werden.
5. Dann kann der austretende H2 entzündet werden. Im RG bleibt weißes MgO zurück
▪ Auswertung: Mg reagiert heftig mit Wasserdampf. Dabei entstehen MgO und H2, der durch
das Glasrohr austritt und sich entzünden lässt. Sauerstoff ist vom Wasser auf das Mg übertragen
worden. Also: Wasser ist eine Sauerstoffverbindung, ein Oxid! → Wasser(-stoffoxid)
▪ Die Reaktion von Wasser mit Mg ist eine Redoxreaktion!
▪ Reaktionsgleichung:
Magnesium(Reduktionsmittel) + Wasser(-stoffoxid)(Oxidationsmittel) → Magnesiumoxid + Wasserstoff
Mg + H2O → MgO + H2




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