Wasserstoff ist das am häufigsten vorkommende Element im Universum und auch eine vielversprechende Quelle für „sauberen“ Kraftstoff auf der Erde.Benannt nach den griechischen Wörtern hydro für „Wasser“ und Gene für „Bildung“, macht Wasserstoff laut dem Los Alamos National Laboratory mehr als 90 Prozent aller Atome aus, was drei Viertel der Masse des Universums entspricht. Wasserstoff ist essentiell für das Leben, und es ist in fast allen Molekülen in Lebewesen vorhanden, nach der Royal Society of Chemistry. Das Element kommt auch in den Sternen vor und treibt das Universum durch die Proton-Proton-Reaktion und den Kohlenstoff-Stickstoff-Zyklus an. Stellare Wasserstofffusionsprozesse setzen große Mengen an Energie frei, wenn sie Wasserstoffatome zu Helium kombinieren, so Los Alamos.Reines Wasserstoffgas ist in der Erdatmosphäre knapp und jeder Wasserstoff, der tatsächlich in die Atmosphäre gelangt, entkommt der Schwerkraft der Erde schnell, so die Royal Society. Auf unserem Planeten kommt Wasserstoff hauptsächlich in Kombination mit Sauerstoff und Wasser sowie in organischen Stoffen wie lebenden Pflanzen, Erdöl und Kohle vor, berichtet Los Alamos.
Nur die Fakten
- Ordnungszahl (Anzahl der Protonen im Kern): 1
- Atomsymbol (im Periodensystem der Elemente): H
- Atomgewicht (durchschnittliche Masse des Atoms): 1,00794
- Dichte: 0,00008988 Gramm pro Kubikzentimeter
- Phase bei Raumtemperatur: Gas
- Schmelzpunkt: minus 434,7 grad Fahrenheit (minus 259,34 grad Celsius)
- Siedepunkt: minus 423.2 F (minus 252,87 C)
- Anzahl der Isotope (Atome desselben Elements mit einer anderen Anzahl von Neutronen): 3 häufige Isotope, darunter 2 stabile
- Häufigstes Isotop: 1H, natürliche Häufigkeit 99,9885 Prozent
Wasserstoffentdeckung
Robert Boyle produzierte 1671 Wasserstoffgas, während er mit Eisen und Säuren experimentierte, aber erst 1766 entdeckte Henry Cavendish erkannte es laut Jefferson Lab als eigenständiges Element. Das Element wurde vom französischen Chemiker Antoine Lavoisier Wasserstoff genannt.
Wasserstoff hat drei gemeinsame Isotope: protium, das nur gewöhnlicher Wasserstoff ist; Deuterium, ein stabiles Isotop, das 1932 von Harold C. Urey entdeckt wurde; und Tritium, ein instabiles Isotop, das laut Jefferson Lab 1934 entdeckt wurde. Der Unterschied zwischen den drei Isotopen liegt in der Anzahl der Neutronen, die jedes von ihnen hat. Wasserstoff hat überhaupt keine Neutronen; Deuterium hat eine, während Tritium zwei Neutronen hat, nach Lawrence Berkeley National Laboratory. Deuterium und Tritium werden laut Los Alamos als Brennstoff in Kernfusionsreaktoren verwendet.
Wasserstoff verbindet sich mit anderen Elementen und bildet laut Jefferson Lab eine Reihe von Verbindungen, darunter übliche wie Wasser (H2O), Ammoniak (NH3), Methan (CH4), Haushaltszucker (C12H22O11), Wasserstoffperoxid (H2O2) und Salzsäure (HCl).Wasserstoff wird typischerweise durch Erhitzen von Erdgas mit Dampf erzeugt, um eine Mischung aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid zu bilden, die Syngas genannt wird, das dann getrennt wird, um Wasserstoff zu erzeugen, so die Royal Society.
Wasserstoff wird zur Herstellung von Ammoniak für Düngemittel verwendet, in einem Prozess namens Haber-Prozess, in dem es mit Stickstoff umgesetzt wird. Das Element wird auch Fetten und Ölen wie Erdnussöl durch einen Prozess namens Hydrierung zugesetzt, so Jefferson Lab. Andere Beispiele für die Verwendung von Wasserstoff sind Raketentreibstoff, Schweißen, Herstellung von Salzsäure, Reduzieren von metallischen Erzen und Füllen von Ballons, nach Los Alamos. Forscher haben an der Entwicklung der Wasserstoffbrennstoffzellentechnologie gearbeitet, die es ermöglicht, erhebliche Mengen an elektrischer Energie unter Verwendung von Wasserstoffgas als schadstofffreie Energiequelle zu gewinnen, die als Kraftstoff für Autos und andere Fahrzeuge verwendet werden kann.Wasserstoff wird auch in der Glasindustrie als Schutzatmosphäre zur Herstellung von Flachglasscheiben verwendet, während er in der Elektronikindustrie als Spülgas bei der Herstellung von Siliziumchips verwendet wird, so die Royal Society.
Diese simulierte Echtfarbenansicht von Jupiter besteht aus 4 Bildern, die am 7. Dezember 2000 von der NASA-Raumsonde Cassini aufgenommen wurden. Die Auflösung beträgt etwa 89 Meilen (144 Kilometer) pro Pixel. Kredit: NASA / JPL / Universität von Arizona
Wer wusste?
- Wasserstoff ist laut Los Alamos der Hauptbestandteil von Jupiter und den anderen Gasriesenplaneten.
- Der erste Gasballonflug wurde 1783 in Paris gestartet und das im Ballon verwendete Gas war Wasserstoff, so das National Balloon Museum. Sein Einsatz beim Befüllen von Luftschiffen endete, als die Hindenburg nach Angaben der Royal Society in Brand geriet.
- Die NASA nutzt Wasserstoff als Raketentreibstoff, um die Besatzung ins All zu bringen.
- Verflüssigter Wasserstoff ist extrem kalt und kann bei Hautkontakt schwere Erfrierungen verursachen.
- Wasserstoff ist etwa 14 mal leichter als Luft, nach „Den Prinzipien der Chemie.“
- Lavoisier, der französische Chemiker, der dem Wasserstoff seinen Namen gab, diente vor der Französischen Revolution als Finanzier und öffentlicher Verwalter und wurde laut Encyclopedia Britannica während der Revolution hingerichtet.Etwa 3 Milliarden Kubikfuß Wasserstoff werden in den Vereinigten Staaten pro Jahr produziert, nach Los Alamos.
- Wasserstoff hat laut der Royal Society die niedrigste Dichte aller Gase.Wasserstoff ist das einzige Element, dessen drei gemeinsame Isotope – Protium, Deuterium und Tritium – unterschiedliche Namen erhalten haben, berichtet Los Alamos.
Aktuelle Forschung
Forscher untersuchen Wasserstoff seit Jahren mit großem Interesse wegen seines Potenzials als schadstofffreier Kraftstoff. „Wasserstoff ist ein Energieträger ohne Kohlenstoff, also wenn Sie ihn verbrennen, produzieren Sie nur Wasser“, was ihn zu einem sauberen Kraftstoff ohne Emissionen macht, sagte Richard Chahine, Direktor des Wasserstoffforschungsinstituts an der Universität von Québec in Trois-Rivières in Kanada. Allerdings gibt es ein großes Problem mit Wasserstoffkraftstoff: Es ist teurer als Gas. Tatsächlich kündigte Bob Carter, Senior Vice President von Toyota, im vergangenen Jahr an, dass nach Schätzungen des Energieministeriums ein voller Tank mit komprimiertem Wasserstoff zunächst rund 50 US-Dollar kosten würde, Ecomento.com berichtet. Im Allgemeinen sind die mit der Wasserstoffkraftstofftechnologie verbundenen Kosten „eine sehr herausfordernde Barriere, da die Menschen derzeit bessere Technologien zum laufenden Preis bevorzugen würden“, sagte Chahine gegenüber Live Science.
Ein weiteres Problem mit Wasserstoffkraftstoff ist, dass der Prozess der Wasserstofferzeugung selbst in der Tat nicht so „sauber“ oder schadstofffrei ist. „Bis heute stammt der größte Teil des produzierten Wasserstoffs aus Erdgas“, ein Prozess, der Kohlendioxid (CO2) erzeugt, sagte Chahine.
Forscher haben daher nach alternativen und umweltfreundlicheren Wegen zur Herstellung von Wasserstoff gesucht, die im Idealfall die CO2-Emissionen aus dem Prozess eliminieren würden. Im vergangenen Jahr haben Wissenschaftler der U.S. Das Argonne National Laboratory des Energieministeriums entwickelte einen kleinen „Wasserstoffgenerator in Nanogröße“, ein Gerät, das reinen Wasserstoff unter Verwendung von Licht und Graphen und ohne Verbrennung fossiler Brennstoffe erzeugt. Die aktuelle Version des Generators ist wirklich klein, aber wenn es sich herausstellt, dass es erweitert werden kann, könnte es Wissenschaftlern ermöglichen, genug Wasserstoff zu produzieren, um Kraftstoff für Autos und Generatoren bereitzustellen.Eine andere Art der Herstellung von Wasserstoff, die als „biologische Wasserspaltung“ bezeichnet wird, würde die Verwendung bestimmter photosynthetischer Mikroben beinhalten, die Lichtenergie nutzen, um Wasserstoff aus Wasser als Teil ihrer Stoffwechselprozesse zu erzeugen, so das National Renewable Energy Laboratory, wo Forscher derzeit diesen Prozess untersuchen. Eine weitere mögliche Methode zur Herstellung von Wasserstoff ist die Fermentation erneuerbarer Biomassematerialien, berichtet das NREL. Forscher am NREL haben auch daran gearbeitet, landwirtschaftliche Rückstände (wie Erdnussschalen) und Verbraucherabfälle (wie Kunststoffe und Altfett) in ein flüssiges Produkt namens Bioöl umzuwandeln, dessen Bestandteile dann in Kraftstoffe, einschließlich Wasserstoff, getrennt werden können. Der sauberste Weg, Wasserstoff zu produzieren, ist jedoch die Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff unter Verwendung von Sonnenlicht, berichtet das NREL.