11. Wasserstoff Flashcards
Wasserstoff wird verglichen mit…
Alkalimetallen (Electronenconfiguration), aber EN viel größer bei H
Halogene (kann auch e- akzeptieren), aber EN kleiner
Wasserstoff ist _____ bei Raumtemperatur
stabil
Knallgasreaktion^:
Im Gegenwart von einem ____ ________ oder bei ___ _______ läuft eine _______ _____reaktion explosionsartig ab
platin Katalysator,
hohe Temp (>400°),
exotherme,
Kettenreaktion.
Knallgasreaktion - gesamtreaktion
2H2 + O2 –> 2H2O
Knallgasreaktion - Startreaktion
H2 —> 2H
Knallgasreaktion - Kettenreaktion
radikalische Reaktionen
H + O2 —> OH + O
O + H2 —> OH + H
OH + H2 —> H2O + H
Knallgasreaktion - Kettenabbruchreaktion
OH + OH —> H2O2
OH + H —–> H2O
Industrie-Herstellung von H2 - Verfahren?
Steam-Reforming Verfahren
aus Biomasse, Erdgas
Es gibt viel Methan (Erdgas) und wir brauchen H
90% der H2-Erzeugung
Steam-Reforming Verfahren
CH4(g) + H2O(g) –> …
Trennung? weitere Schritte dafür?
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
H2 Synthese im Labor
- Redox-Reaktion von Alkalimetalle oder Erdalkalimetalle (stark elektropositiv) mit H2O
- Redox-Reaktion von unedlen Metallen (negative Standardelektrodenpotential) wie Zn oder Fe mit Säuren zB HCl (Galvanische Zelle)
zB Zn + 2H3O+ –> Zn2+ + 2H2 + H2O - 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
H2 O2 Brennstoffzelle
H2 + 2H2O —>
1/2O2 + 2H3O+ + 2e- —>
an Pt Minuspol:
H2 + 2H2O —> 2H3O+ + 2e-
Membran zwischen Minus- und Pluspol, H+ kann diffundieren
an Pt Pluspol:
1/2O2 + 2H3O+ + 2e- —> 3H2O
Physikalische Eigenschaften von H
- leichteste von alle Gase
- hat größte Diffusionsvermögen, weil Diffusionsgeschw. umgekehrt proportional zu Masse
Wasserstoffverbindungen - Hydride
- kovalent
- salzartig
- metallisch
kovalente Hydride
weitere Klassifizierung + Bsp
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
H mit partielle Ladung - NH3
Warum so stabil?
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
Grundlage der Wasserstoffbrückenbindungen
Starke Polarisierung kovalenter Element-Wasserstoffbindungen
Deshalb werden effektive Wasserstoffbrücken nur zu den elektronegativsten Elementen des PSEs gebildet : N, O, F
Wasserstoffbrückenbindungen Bsp H2O
O viel elektronegativer als H → Polarisierung → Wasserstoffbrückenbindungen zwischen H und O von verschiedene H2O Molekülen
Wasserstoffbrückenbindungen: Schmelz und Siedepunkte von p-Elemente Hybride EH_n
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
Wasserstoffbrückenbindungen - wie viele möglich
H2O
NH3
HF
4
2
2
Kovalente mit H
H mit partielle neg. Ladung
Bsp
SiH4, B2H6 (Diboran)
Salzartige Hydride
Ionengitter struktur
alle Alkali und Erdalkalimetalle
Salzartige Hydride Reaktionen
Ca + H2 —>
CaH2 + 2H2O –>
Ca + H2 —> CaH2(f) (bei 500-800°)
CaH2 + 2H2O –> Ca(OH)2 + 2H2
Nachweis von H2O2
Titanoxidosulfat TiO(SO4)
bildet gelbe Koordinationskomplex
Gewinnung von H2O2
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
H2O2 Verwendung
Bleichmittel für Holz, Papier, Textilien; Desinfektion, Wasseraufbereitung
