Wasserstoff – das Element.

Lange Nacht der Wissenschaften
Wasserstoff als Energieträger
der Zukunft ?
Abteilung Anorganische Chemie, Fritz-Haber-Institut der MPG, Faradayweg 4-6, D-14195 Berlin, Germany
Wasserstoff – das Element
Wasserstoff (H) ist gemäß seiner Stellung im Periodensystem das leichteste aller Elemente und hat
die Ordnungszahl 1; der Kern des Wasserstoffatomes besteht lediglich aus einem Proton, dessen
Ladung durch das eine Elektron des Wasserstoffes kompensiert wird. Die atomare Masse beträgt
daher 1 u.
Wasserstoff trägt mit ca. 75 % zur Masse des Universums bei und ist somit das häufigste Element
überhaupt – 90 % aller Atome sind Wasserstoff. Auch auf unserer Erde
ist Wasserstoff überaus häufig und stellt ca. 15 % der Atome in
Atmosphäre und Kruste.
Letztlich entspringt (bis auf die Kernernergie) alle auf unserem Planeten als Arbeit genutzte Energie
dem Eintrag an Solarenergie, den die Erde empfängt (auch die fossilen Brennstoffe wurden
vermittels Solarenergie aufgebaut). Der Energie liefernde Prozeß in der Sonne ist direkt an ihren
großen Gehalt an Wasserstoff (ca. 50 % der Sonnenmasse) geknüpft.
Unter den Bedingungen des Sonnenplasmas läuft eine Nuklearreaktion ab, bei der sich nicht die
Elemente zu neuen Verbindungen formieren, sondern Elemente selbst umgewandelt werden. Bei der
Fusionsreaktion in der Sonne verschmelzen zwei Wasserstoffatome und bilden unter Freisetzung
großer Energiemengen ein Helium Atom.
Da einzelne und ungepaarte Elektronen instabil bzw. sehr reaktiv sind, verbinden sich zwei H-Atome zu dem
Wasserstoffmolekül H2 mit der Masse von 2 g/mol; die molekulare Form ist die allgemeine Erscheinungsform von
elementarem Wasserstoff.
Um Verbindungen mit anderen Elementen einzugehen, muss zunächst die H-H –Bindung gespalten werden. Die
dafür benötigte Energie von 435 kJ/mol ist der Grund dafür, dass es im Gemisch von Wasserstoff mit geeigneten
Reaktionspartnern nicht zu spontaner Reaktion kommt, sondern zunächst eine Aktivierungsbarriere zu
überwinden ist. Da diese Reaktionen zumeist stark exotherm sind, kommt es, sobald die Barriere einmal
überwunden wurde, zu einem oft explosionsartigen Verlauf. Geeignete Katalysatoren (Pt, Pd, Ni) vermögen die
Bildung von atomarem Wasserstoff erheblich zu erleichtern und senken damit die Reaktionsbarriere ab.
Die wichtigste Verbindung des Wassersoffes ist die mit Sauerstoff – das Wasser:
Unter irdischen Bedingungen ist es
bislang nicht geglückt, diesen Prozeß
kontrolliert und somit nutzbar zu
betreiben. Einzig mit der sog.
Wasserstoffbombe ist es der Menschheit
gelungen, die Fusionsreaktion zu
stimulieren. Die erforderlichen PlasmaBedingungen werden dabei durch die
Detonation einer Kernspaltungsladung
(Pu oder U), einer Atombombe, erzeugt;
ihr maßgeblicher Erfinder Teller dazu
sinngemäß: das Streichholz ist zwar
schmutzig, aber es funktioniert…
Verbindung mit Sauerstoff – das Wasser
H2O H = -285.83 kJ/mol
H2 + ½ O2
H2
Hofmannscher Wasserzersetzungs - Apparat
e-
eH2O
H+ + OHH
H
O
H
H
O
H
Anode
2 H+ + 2 e-
H2
+
H
(Anode)
½ O2
H2
O
(Kathode)
+
Das Wasser unterliegt dem Protolysegleichgewicht und spaltet sich zu einem
sehr geringen Anteil in das positiv geladene Proton (H+) sowie das negativ
geladene Hydroxid Ion (OH-) auf – das Konzentrationsprodukt dieser beiden
Ionen beträgt 10-14 mol2/l2.
In einem elektrischen Feld wandern diese Ionen – die Protonen zu der negativ
geladenen Kathode, die Anionen zu der positiv geladenen Anode. Ist die
angelegte Spannung ausreichend groß um den Polarisationswiderstand zu
überwinden, können Ladungen, also Elektronen, übergehen. Die Protonen
nehmen jeweils ein Elektron aus der Kathode auf und bilden (neutralen)
Wasserstoff, an der Anode geben die Hydroxidionen jeweils ein Elektron ab
und es entsteht Sauerstoff.
Die Lösung hat jetzt wie ein elektrischer Leiter einen ohmschen Widerstand
und es fließt ein elektrischer Strom. Unter Verbrauch der elektrischen Energie
wird auf diese Weise Wasser gespalten und Wasserstoff generiert.
Die Ladung von einem Mol Elektronen ist mit der Faraday-Konstante gegeben
und beläuft sich auf 96487 C/mol. Um ein Mol Wasserstoff zu erzeugen, das
entspräche 2 g H2 oder einem Gasvolumen von ca. 22,4 l, muss das doppelte
dieser Ladung (also 2 F) durch die Elektrolysezelle geflossen sein; bei einer
Stromstärke von 1 A würde das eine Zeit von 53,6 h beanspruchen.
H
-
O2
Wird ein Gemisch von Wasserstoff und Sauerstoff zur
Zündung gebracht, bildet sich in einer sehr heftigen
Reaktion, die bezeichnend Knallgasreaktion genannt wird,
Wasser.
Unter Energiezufuhr kann in Umkehrung dieser Reaktion
Wasser in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff
gespalten werden. Die zugeführte Energie ist dann quasi in
der Form des erzeugten Wasserstoffes gespeichert und
kann bei erneuter Bildung von Wasser wieder freigesetzt
werden. Da diese Prozesse aus prinzipiell niemals einen
Wirkungsgrad von 100 % erreichen, ist dieser Prozeß nicht
gänzlich reversibel; es treten Energieverluste in Form nicht
nutzbarer Wärme auf – man spricht von Energiedissipation
(siehe Poster zum Wirkungsgrad).
Die Spaltung des Wassers lässt sich am einfachsten in
einer
Elektrolysezelle
(Hofmannscher
Apparat)
bewerkstelligen. Die Energie wird hier in Form elektrischer
Energie zugeführt.
H
2 OH-
O
-
Kathode
H2O + ½ O2 + 2 e-