11. Wasserstoff

Question 1

Wasserstoff wird verglichen mit…

Answer 1

Alkalimetallen (Electronenconfiguration), aber EN viel größer bei H

Halogene (kann auch e- akzeptieren), aber EN kleiner

Question 2

Wasserstoff ist _____ bei Raumtemperatur

Answer 2

stabil

Question 3

Knallgasreaktion^:

Im Gegenwart von einem ____ ________ oder bei ___ _______ läuft eine _______ _____reaktion explosionsartig ab

Answer 3

platin Katalysator,
hohe Temp (>400°),
exotherme,
Kettenreaktion.

Question 4

Knallgasreaktion - gesamtreaktion

Answer 4

2H2 + O2 –> 2H2O

Question 5

Knallgasreaktion - Startreaktion

Answer 5

H2 —> 2H

Question 6

Knallgasreaktion - Kettenreaktion

Answer 6

radikalische Reaktionen

H + O2 —> OH + O
O + H2 —> OH + H
OH + H2 —> H2O + H

Question 7

Knallgasreaktion - Kettenabbruchreaktion

Answer 7

OH + OH —> H2O2

OH + H —–> H2O

Question 8

Industrie-Herstellung von H2 - Verfahren?

Answer 8

Steam-Reforming Verfahren

aus Biomasse, Erdgas

Es gibt viel Methan (Erdgas) und wir brauchen H

90% der H2-Erzeugung

Question 9

Steam-Reforming Verfahren

CH4(g) + H2O(g) –> …

Trennung? weitere Schritte dafür?

Answer 9

Methan sehr stabil…
mit Ni Katalysator bei 800°C:
CH4(g) + H2O(g) —> CO(g) + 3H2(g)

aber CO und H2: nicht einfach zu trennen! Beide gasförmig, keine Ladung, unpolar

mit Fe2O3 Kat bei 400°C:
CO(g) + H2O(g) —> CO2(g) + H2(g)
(Wassergas-Shift-Reaktion)

CO2 sauer - regiert mit Kaliumcarbonat
CO2(g) + K2CO3(f) + H2O(l) ⇌ KHCO3

Question 10

H2 Synthese im Labor

Answer 10

1. Redox-Reaktion von Alkalimetalle oder Erdalkalimetalle (stark elektropositiv) mit H2O
2. Redox-Reaktion von unedlen Metallen (negative Standardelektrodenpotential) wie Zn oder Fe mit Säuren zB HCl (Galvanische Zelle)
   zB Zn + 2H3O+ –> Zn2+ + 2H2 + H2O
3. Elektrolyse von verdünnten Säuren
   Kat: 4H3O+ + 4e- —> 2H2 + 4H2O
   An: 4OH- —> O2 + 2H2O + 4e-
   gesamt: 2H2O –> 2H2 + O2

4 Photokatalytische Wasserspaltung an Kat zB TiO2
H2O + hv –> H2 + 1/2O2

Question 11

H2 O2 Brennstoffzelle

H2 + 2H2O —>

1/2O2 + 2H3O+ + 2e- —>

Answer 11

an Pt Minuspol:
H2 + 2H2O —> 2H3O+ + 2e-

Membran zwischen Minus- und Pluspol, H+ kann diffundieren

an Pt Pluspol:
1/2O2 + 2H3O+ + 2e- —> 3H2O

Question 12

Physikalische Eigenschaften von H

Answer 12

• leichteste von alle Gase

- hat größte Diffusionsvermögen, weil Diffusionsgeschw. umgekehrt proportional zu Masse

Question 13

Wasserstoffverbindungen - Hydride

Answer 13

• kovalent
• salzartig
• metallisch

Question 14

kovalente Hydride

weitere Klassifizierung + Bsp

Answer 14

zB CH4, NH3, HCl, B2H6

weitere Klassifizierung:

• unpolar zB CH4
• H mit positive partielle Ladung zB NH3, H2O, HF, HCl
• H mit negative partielle Ladung

Question 15

H mit partielle Ladung - NH3

Warum so stabil?

Answer 15

N hat größeres EN –> N AO hat niedrigere Energie in vgl zu H AO

• sigma-Bindung ist stark

Energiedifferenz zw 2 AOs sehr groß:

• -> größere Energiedifferenz zwischen bindende und antibindende MOs
• -> stärkere Bindung
• -> Elektronenpaarungsenergie ist kleiner

Question 16

Grundlage der Wasserstoffbrückenbindungen

Answer 16

Starke Polarisierung kovalenter Element-Wasserstoffbindungen

Deshalb werden effektive Wasserstoffbrücken nur zu den elektronegativsten Elementen des PSEs gebildet : N, O, F

Question 17

Wasserstoffbrückenbindungen Bsp H2O

Answer 17

O viel elektronegativer als H → Polarisierung → Wasserstoffbrückenbindungen zwischen H und O von verschiedene H2O Molekülen

Question 18

Wasserstoffbrückenbindungen: Schmelz und Siedepunkte von p-Elemente Hybride EH_n

Answer 18

Schmelzpunkte als Funktion der Periode des Elements:

zB Schmelzpunkt wird kleiner von O zu S oder von F zu Cl, weil H-Brücken nicht so stark mit S als mit O oder mit Cl als mit F

Question 19

Wasserstoffbrückenbindungen - wie viele möglich

H2O

NH3

HF

Answer 19

4

2

2

Question 20

Kovalente mit H
H mit partielle neg. Ladung

Bsp

Answer 20

SiH4, B2H6 (Diboran)

Question 21

Salzartige Hydride

Answer 21

Ionengitter struktur

alle Alkali und Erdalkalimetalle

Question 22

Salzartige Hydride Reaktionen

Ca + H2 —>

CaH2 + 2H2O –>

Answer 22

Ca + H2 —> CaH2(f) (bei 500-800°)

CaH2 + 2H2O –> Ca(OH)2 + 2H2

Question 23

Nachweis von H2O2

Answer 23

Titanoxidosulfat TiO(SO4)

bildet gelbe Koordinationskomplex

Question 24

Gewinnung von H2O2

Answer 24

Antrachinon-Verfahren

Anthrachinon: aromatische organische Verbindung mit 3 Ringen, fungiert als Katalysator

Anthrachinon + H2 + O2 —> Anthrachinon + H2O2

H2O2 wird mit Wasser aus Organischen Phase gewaschen und fraktioniert destilliert

Question 25

H2O2 Verwendung

Answer 25

Bleichmittel für Holz, Papier, Textilien; Desinfektion, Wasseraufbereitung