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Wasserstoff, das erste Element

Königin Victoria beobachtete aufmerksam, wie Dr. Pepper eine scheinbar leere Flasche aufhob und verkündete: 'Und jetzt werden Sauerstoff und Wasserstoff die Ehre haben, sich vor Ihrer Majestät zu vereinen!'

Damit zog er den Stöpsel heraus und richtete den Hals auf eine offene Flamme. Die Königin von England und ihr Gefolge staunten über einen lauten Knall und einen Blitz. Der Wasserstoff hatte sich tatsächlich mit dem Sauerstoff verbunden – und das nicht sehr friedlich.

Es waren die 1850er Jahre, und Dr. John Henry Pepper (kein Softdrink-Ruhm), Direktor der Royal Polytechnic Institution in London, erklärte dem Monarchen, dass sich die beiden Elemente zu Wasser verbinden und viel Energie im Körper freisetzen Prozess. Wasserstoff könnte sich als großartiger Brennstoff herausstellen, fuhr Pepper fort, wenn er nur leichter zu gewinnen wäre. Dies war leider nicht möglich.

Der gute Arzt hatte Wasserstoff nach der 1671 von Robert Boyle erstmals beschriebenen Methode hergestellt. Boyle, der weithin als einer der Väter der modernen Chemie angesehen wurde, hatte beschrieben, wie die Zugabe von Säuren zu Metallspänen 'reichlich und stinkende Dämpfe ausstieß, die leicht aufgenommen werden konnten'. feuern und brennen mit mehr Kraft, als man leicht vermuten würde.'

Diese Reaktion erregte schließlich die Aufmerksamkeit des jungen Henry Cavendish [siehe Seite H6], einer der bizarrsten und doch brillantesten Figuren der Wissenschaftsgeschichte. Er war es, der 1766 dieses brennbare Gas schließlich isolierte und als Wasserstoff identifizierte - ein Name, der aus dem Griechischen abgeleitet ist und 'Wassermacher' bedeutet.

Wissenschaftler stellten später fest, dass Wasserstoff – mit seinem einzigen Proton und einem einzelnen Elektron – das einfachste, leichteste und bei weitem häufigste Element im Kosmos ist und 98 von 100 Atomen im bekannten Universum ausmacht.

Jeder, der schon einmal eine Wasserstoffexplosion gesehen hat, auch in kleinem Maßstab, kann sich das Potenzial von Wasserstoff als Brennstoff gut vorstellen [siehe Abbildung oben]. Bereits 1903 schlug der russische Physiker Constantin Tsiolkovsky vor, dass flüssiger Wasserstoff ideal für Raketen sei.

Wasserstoff hat keinen besonders hohen Energiegehalt. Tatsächlich kann eine Gallone Benzin dreimal so viel Energie liefern wie eine Gallone Wasserstoff. Aber es wiegt etwa 10 mal so viel!

Tsiolkovskys Ideen waren prophetisch. Zwei Stufen der riesigen Saturn-V-Rakete, die Menschen zum Mond brachte, verbrannten flüssigen Wasserstoff in Gegenwart von flüssigem Sauerstoff. Der riesige Außentank des Space Shuttles ist mit den gleichen Flüssigkeiten gefüllt.

Wir werden vielleicht irgendwann Häuser und Autos mit Wasserstoffantrieb sehen. Erdöl und Erdgas – die kohlenstoffbasierten, luftverschmutzenden Ressourcen, auf denen die industrielle Zivilisation basiert – sind nicht erneuerbar. Wasserstoff hingegen verbrennt so sauber wie möglich und ist sowohl reichlich vorhanden als auch potenziell erneuerbar.

Bereits 1874 ließ Jules Verne in seinem klassischen Roman Mysterious Island seinen schiffbrüchigen Ingenieurshelden spekulieren, dass „Wasser eines Tages als Brennstoff verwendet werden wird, dass Wasserstoff und Sauerstoff, die es bilden, einzeln oder zusammen verwendet, ein unerschöpfliches Wärme- und Lichtquelle.'

Dieser Tag kommt, aber er steht nicht unmittelbar bevor. Wasserstoff lässt sich durchaus aus Wasser gewinnen, einer nahezu unerschöpflichen Quelle. Das Durchleiten eines elektrischen Stroms durch Wasser (sogenannte „Elektrolyse“) zerlegt das H2O in Wasserstoff und Sauerstoff, die beide leicht gesammelt werden können.

Es gibt jedoch ein offensichtliches Problem: finanzielle und ökologische Kosten. Der Großteil der Elektrizität in Nordamerika wird durch die Verbrennung teurer und umweltschädlicher fossiler Brennstoffe erzeugt, wodurch das Problem der Umweltverschmutzung beseitigt wird. In Gebieten, die mit Wasserkraftanlagen gesegnet sind, wird die Wasserstoffproduktion viel rentabler. Aber auch dort ist die Umwandlung von Strom in Wasserstoff wirtschaftlich noch nicht machbar.

1985 sollen mit Wasserstoff betriebene Flugzeuge geflogen sein. Berechnungen ergaben, dass ein Großraumflugzeug, das normalerweise 80 Tonnen Treibstoff für die Atlantiküberquerung benötigt, nur 15 Tonnen flüssigen Wasserstoff benötigt. Die Hoffnungen waren groß, aber wasserstoffbetriebene Verkehrsflugzeuge stecken immer noch auf dem Reißbrett.

Außerdem hat Wasserstoff ein PR-Problem. Erwähnen Sie einfach Wasserstoff, und die Leute beschwören sofort Szenen der Explosionen von Hindenburg und Challenger herauf. Tatsächlich ist Wasserstoff jedoch in vielerlei Hinsicht sicherer als Benzin. Es ist weniger dicht als Luft und verteilt sich schnell.

Der größte Teil des entweichenden Gases der Hindenburg schwebte harmlos davon; Menschen wurden getötet, als sie aus dem Luftschiff sprangen oder Heizöl verbrannten, das zum Antrieb der Motoren transportiert wurde.

In Prototypen von wasserstoffbetriebenen Autos wird der Kraftstoff in großen Tanks hinter der Rückbank gespeichert. Die Tanks sind mit 70 Lagen Aluminium und Glasfaser in einem evakuierten Raum zwischen zwei Metallhäuten isoliert. Tests haben gezeigt, dass die Prototyp-Tanks selbst bei Temperaturen von bis zu 900 Grad C nicht länger als eine Stunde explodieren und Unfälle besser überstehen könnten als herkömmliche Benzintanks.

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Gespaltene Entscheidungen

Das Problem der Wasserstoffverfügbarkeit kann schließlich durch clevere Chemie gelöst werden. Strom wird nicht unbedingt benötigt, um Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufzuspalten. Sichtbares Licht kann dies in Gegenwart eines geeigneten Katalysators tun.

Forscher des Tokyo Institute of Technology haben beispielsweise gezeigt, dass das Licht einer gewöhnlichen Lampe Wasser spalten kann, wenn pulverisiertes Kupferoxid als Katalysator verwendet wird. Andere haben gezeigt, dass Titandioxid- und Molybdän-Katalysatoren diese Aufgabe erfüllen können. Die Effizienz dieser Verfahren muss stark gesteigert werden, bevor sie praktikabel werden.

Die Verbrennung von Wasserstoff ist nicht die einzige Möglichkeit, daraus Energie zu gewinnen. Flüssiger Wasserstoff wird verbrannt, um das Shuttle in den Weltraum zu heben, aber im Orbit wird das gleiche Element verwendet, um den während einer Mission benötigten Strom zu erzeugen.

Haben Sie sich jemals gefragt, woher die Energie im Inneren des Shuttles kommt? Es gibt keine Onboard-Generatoren, zumindest im herkömmlichen Sinne.

Strom wird durch Brennstoffzellen erzeugt – Geräte, die es Wasserstoff und Sauerstoff ermöglichen, sich ohne Verbrennung zu verbinden, wenn auch auf ähnliche Weise. Wenn Wasserstoff in Gegenwart von Sauerstoff verbrennt, schnappt sich jedes hochreaktive, elektronenhungrige Sauerstoffatom (das zwei Elektronen benötigt, um einen günstigen Energiezustand zu erreichen) zwei Wasserstoffatome an seinen Elektronen und bindet sie zu der Verbindung H2O. Diese Reaktion setzt auch eine große Menge an Wärmeenergie frei.

In einer Brennstoffzelle schafft es Sauerstoff, die gleichen Elektronen zu erhalten, obwohl er nicht mit Wasserstoff in Kontakt steht. Die beiden Reagenzien werden durch eine als Elektrolyt bekannte Lösung getrennt. Eine Reaktion tritt auf, wenn Elektronen aus dem Wasserstoff freigesetzt werden und über einen externen Kreislauf zum Sauerstoff gelangen.

Als Ergebnis erhalten sowohl Donor- als auch Empfängeratome eine elektrische Nettoladung. Das heißt, sie werden zu Ionen, die sich mit Hilfe des Elektrolyten zu Wasser verbinden. Die Freisetzung und Aufnahme von Elektronen erfolgt tatsächlich an der Oberfläche eines Katalysators, normalerweise Platin, der die Wasserstoff- und Sauerstoffelektroden umgibt.

Während Elektronen durch den Stromkreis wandern, erzeugen sie einen Strom, mit dem jedes elektrische Gerät betrieben werden kann. Die Grundidee ist, dass die Energie, die aus der Verbindung von Wasserstoff mit Sauerstoff gewonnen wird, in Form von Elektrizität und nicht in Form von Wärme vorliegt.

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Außerdem sterben Brennstoffzellen im Gegensatz zu Batterien nicht. Solange Wasserstoff und Sauerstoff vorhanden sind, wird Strom erzeugt. Dies ist im Grunde die Umkehrung der Elektrolysereaktion, die verwendet wird, um Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufzuspalten.

Der zusätzliche Vorteil der Brennstoffzellen für das Raumfahrtprogramm besteht darin, dass das einzige Reaktionsprodukt Wasser ist. Dies ist das Wasser, das die Astronauten trinken. Sie müssen keine Energie verschwenden, um schwere Flaschen in die Umlaufbahn zu bringen.

Der Preis des Fortschritts

Sie fragen sich jetzt bestimmt: Wenn Brennstoffzellen Energie produzieren, ohne giftige Nebenprodukte zu erzeugen, warum nutzen wir sie dann nicht auf der Erde? Gute Frage.

Es gibt mehrere Probleme. Die Katalysatoren sind teuer: Zu Beginn des Weltraumprogramms wurde in jeder Brennstoffzelle Platin im Wert von 30.000 US-Dollar verwendet. Verbesserungen in der Technologie haben diesen Aufwand erheblich reduziert, aber das Hauptproblem bleibt – begrenzte Wasserstoffverfügbarkeit.

Die Herstellung von Wasserstoff durch Umsetzung des einfachen Kohlenwasserstoffs Methan (CH4, ein Hauptbestandteil von Erdgas) mit Dampf oder durch Elektrolyse von Wasser kann wirtschaftlich nicht mit der Erdölförderung konkurrieren. Aber wenn die Kontrolle der Umweltverschmutzung immer wichtiger wird, wird Wasserstoff wahrscheinlich als Kraftstoff brauchbarer. Denn beim Verbrennen von Wasserstoff werden kein Kohlendioxid, keine Schwefelverbindungen, keine unverbrannten Kohlenwasserstoffe und kein Rußpartikel freigesetzt.

Das Problem des Benzinverlustes durch Verdunstung in die Atmosphäre, der bei jedem Tanken 2 Prozent des Gesamtvolumens beträgt, wird ebenfalls beseitigt. Vancouver und Chicago haben bereits drei Busse mit Wasserstoff-Brennstoffzellenantrieb im Vollbetrieb. Die großen Automobilhersteller bereiten sich darauf vor, bis 2004 Brennstoffzellen-Fahrzeuge auf die Straße zu bringen.

Dann haben Sie vielleicht wie Königin Victoria die Ehre, zu Ihrem Vorteil zuzusehen, wie sich Wasserstoff und Sauerstoff verbinden.

Joe Schwarcz, Direktor des Office for Chemistry and Society an der McGill University in Montreal, ist Autor des in Kürze erscheinenden Buches Radar, Hula Hoops and Playful Pigs (ECW Press).

Gesprengt werden

Würden Sie glauben, dass in Japan Bier gebraut wird, bei dem ein Teil des Kohlendioxids durch Wasserstoffgas ersetzt wird?

Der Hersteller hat eine Entschuldigung angeboten, den Treibhauseffekt durch die Eindämmung des Kohlendioxidausstoßes zu reduzieren. Aber der große Reiz des Suiso-Biers scheint darin zu bestehen, dass es den Genießern erlaubt, mit einer ungewöhnlich hohen Stimme zu singen.

Die Stimmbänder vibrieren mit einer anderen Frequenz in einer Atmosphäre aus ausgeatmetem Wasserstoffgas, und die daraus resultierenden Donald-Duck-ähnlichen Töne sind ein großer Hit in Karaoke-Bars.

Aber was noch besser ankommt, ist das spektakuläre Feuerwerk, das durch das Anzünden des hydrierten Atems entsteht. Dies hat zu einer ziemlich gefährlichen Form der Unterhaltung geführt, bei der die Teilnehmer darum wetteifern, wer das meiste Feuer spucken kann.

Laut Associated Press hat ein Toshira Otama dies gemeistert, indem er 15 Biere getrunken und riesige Mengen Wasserstoff aufgestoßen hat. Berichten zufolge war er in der Lage, Flammenbälle über die Bar zu katapultieren und alle außer einem Türsteher zu beeindrucken.

Dieser Herr hielt Otamas Drachentat für etwas zu gefährlich, nachdem Otama die Haare und Augenbrauen eines Gönners versengt hatte. Der Türsteher versuchte, die Aktivität einzudämmen, und in dem darauf folgenden Handgemenge schluckte Otama seine Zigarette und zündete das Wasserstoffgas an. Er erlitt Verbrennungen an Speiseröhre, Nebenhöhlen und Kehlkopf.

Da seine Stimmbänder verkohlt waren, war Otama für eine Stellungnahme gegenüber den Medien nicht erreichbar, aber man vermutet, dass er in Zukunft nach weniger prekären Formen der Unterhaltung suchen wird.

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Wasserstoff und die Hindenburg

Lange bevor es eine Wasserstoffbombe gab, zog das kleinste Element viel schlechte Presse auf sich, insbesondere am 6. Mai 1937, als das riesige Luftschiff Hindenburg beim Versuch, in Lakehurst, N.J. zu landen, brannte und abstürzte.

Die Hindenburg hatte vor der schrecklichen Explosion 10 routinemäßige Rundfahrten zwischen Deutschland und den Vereinigten Staaten gemacht. Was tatsächlich passiert ist, ist nicht klar. Aber die Beschreibung des Radioreporters Herbert Morrison ist betäubend:

'Es stürzt ab. Es kracht furchtbar. Oh je, geh bitte aus dem Weg. Es geht in Flammen auf. Und es fällt auf den Festmachermast. Alle Leute sind sich einig, dass dies schrecklich ist, eine der schlimmsten Katastrophen der Welt. Oh, die Flammen, vier oder fünfhundert Fuß hoch am Himmel, es ist ein furchtbarer Krach, meine Damen und Herren. Der Rauch und die Flammen jetzt, und der Rahmen kracht zu Boden, nicht ganz bis zum Festmachermast. Oh, die Menschheit und alle Passagiere.'

Schrecklich, sicher, aber anscheinend keine Wasserstoffexplosion. Die Hindenburg war ein Luftschiff, kein Luftschiff. Das heißt, es war nicht nur eine Tüte mit Benzin wie die viel kleineren Luftschiffe, die wir über Fußballspielen schweben sehen. Vielmehr hatte es einen starren Rahmen aus Aluminium, über den eine Baumwollhaut gespannt war. Darin befanden sich separate Säcke mit Wasserstoffgas, die das Schiff in der Luft hielten.

Und was für ein Schiff es war! Die Hindenburg war mit 804 Fuß Länge die größte jemals gebaute Flugmaschine. Es hätte eine Jumbo 747 in den Schatten gestellt und hatte ungefähr die Größe der Titanic. Der Absturz tötete 35 der 97 Menschen an Bord sowie ein Besatzungsmitglied am Boden.

Interessanterweise zeigen die Radiobeschreibung und das vorhandene Wochenschau-Material ein schnelles Feuer, keine Explosion. Zeugen sprachen von Flammen wie von einem spektakulären Feuerwerk – ein für Wasserstoff nicht charakteristischer Effekt, der mit einer nahezu farblosen Flamme brennt.

Dies hat einige Forscher zu dem Schluss geführt, dass die Unfallursache nicht die Entzündung des Wasserstoffs, sondern der brennbaren Hülle war. Damals war es üblich, die Baumwolle mit Eisenoxid, Celluloseacetat und Aluminiumpulver, einem leicht brennbaren Gemisch, zu verstärken.

Die führende Theorie besagt, dass sich während eines Sturms eine elektrostatische Ladung auf der gespannten Baumwolle aufbaut. Beim Ablegen von Festmacherleinen entzündete eine Entladung durch den Metallrahmen das Gewebe. Überlebende Proben der Haut der Hindenburg wurden getestet und als hochentzündlich befunden.

Tatsächlich könnte die Zeppelin Company, Erbauer der Hindenburg, schon zum Zeitpunkt des Absturzes Wasserstoff als Ursache der Katastrophe abgetan haben. Die Erbauer ergriffen sofort Maßnahmen, um die Entflammbarkeit der Stoffe zu reduzieren, die für den Bau des Graf Zeppelin, des Schwesterschiffs der Hindenburg, vorbereitet wurden.

Der Haut wurde ein Brandschutzmittel, Calciumsulfamat, zugesetzt und Aluminium durch Bronze ersetzt, die weit weniger brennbar ist. Es wurden auch Maßnahmen ergriffen, um den Spannungsaufbau zwischen der Haut und der inneren Struktur zu reduzieren, indem die Seile, die das Gewebe an Ort und Stelle halten, mit Graphit, einem leitfähigen Material, imprägniert wurden.

Der mit Wasserstoff gefüllte Graf Zeppelin flog Millionen von Meilen sicher.

Henry Cavendish: Genie und Oddball

Nach fast allen Maßstäben war Henry Cavendish ein seltsamer Mann. Er sah aus wie ein verrückter Wissenschaftler. Seine Kleidung war schäbig und zerknittert. Seine Stimme war schrill, und er sah niemandem in die Augen.

Cavendish verbrachte vier Jahre an der Cambridge University, erwarb jedoch nie seinen Abschluss. Er war so krankhaft schüchtern, dass er sich seinen Professoren einfach nicht zu einer Prüfung stellen konnte. Für den Rest seines Lebens würde er Schwierigkeiten haben, mit Menschen zu kommunizieren. Aber im Labor waren seine Fähigkeiten beispiellos.

Cavendish erbte ein riesiges Vermögen und musste sich nie um die Arbeit kümmern. Tatsächlich war er zum Zeitpunkt seines Todes der größte Einzeleinleger der Bank of England. Der junge Wissenschaftler, der wie ein König hätte leben können, führte also stattdessen das Leben eines Einsiedlers und nutzte das Erbe, um seine wissenschaftliche Arbeit zu finanzieren.

Er hatte offenbar kein soziales Leben. Obwohl er Probleme mit Männern hatte, besuchte er gelegentlich die wissenschaftlichen Funktionen der Royal Society.

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Frauen waren eine andere Geschichte. Sogar Dienstmädchen in seinem Haus wurden angewiesen, sich frei zu halten und nur durch Notizen mit ihm zu kommunizieren. Als Cavendish eines Tages zufällig ein Dienstmädchen auf der Treppe traf, ließ er eine Hintertreppe nur für seinen Gebrauch bauen. Es wurde gesagt, dass der beste Weg, den einen oder anderen Wissenschaftler in ein Gespräch zu verwickeln, darin besteht, seine Anwesenheit zu ignorieren und so zu tun, als würde er sich in Luft auflösen.

Unbelastet von einem sozialen Leben arbeitete Cavendish unermüdlich in seinem Heimlabor und erzeugte dort Wasserstoff, indem er Eisen oder Zink mit Säuren umsetzte.

Er stellte fest, dass beim Verbrennen von Wasserstoff in einem geschlossenen Behälter Wasser produziert wurde. Wasser war daher entgegen dem altgriechischen Dogma kein Element. Es könnte im Labor hergestellt werden. Dies war der letzte Nagel im Sarg von Aristoteles' Theorie, dass alles aus Luft, Erde, Feuer und Wasser besteht.

Cavendish hatte zahlreiche Interessen. Er untersuchte sogar, wie elektrischer Strom durch verschiedene Materialien geleitet werden kann. Da noch keine instrumentellen Mittel zur Strommessung zur Verfügung standen, schätzte er den Strom ab, indem er die Enden der Elektroden mit den Händen fasste und notierte, wie weit ein Stoß seinen Arm hinauf wandern würde.

Das Bild eines älteren Mannes in einem antiquierten Anzug, der zwei Drähte umklammert und die Haare zu Berge stehen, ist sicherlich eines, das dem Publikum und sogar Königin Victoria gefallen hätte.

Aber Cavendish weigerte sich standhaft, seine wissenschaftlichen Fähigkeiten in der Öffentlichkeit zu zeigen. Es blieb Dr. John Pepper überlassen, der Öffentlichkeit die Kraft des Wasserstoffs vorzustellen.

Bildunterschrift: Chemische Energie wird freigesetzt oder absorbiert, wenn etwas die Bindungen zwischen Atomen verändert. Die Bindung ist ein stabiler Zustand, daher erfordert das Aufbrechen chemischer Bindungen Energie. Deshalb brennt Holz nicht, es sei denn, Sie legen ein Streichholz darauf. Umgekehrt setzen Bindungen Energie frei, weshalb ein Feuer Wärme abgibt, wenn sich sein Kohlenstoff mit dem Luftsauerstoff verbindet. Wenn eine Reaktion zur Bildung von Bindungen führt, die mehr Energie abgeben, als es zum Aufbrechen der Komponenten und zum Anstoßen der Reaktion benötigt wurde, wird Energie frei. (Diese Grafik war nicht verfügbar)

Bildunterschrift: Zweiatomiger Wasserstoff besteht aus zwei Wasserstoffatomen mit einer Bindungsenergie von 436.000 Joule pro Mol, kurz 436 kJ/mol. (Ein Mol entspricht etwa 600 Milliarden Billionen Molekülen.) Die Bindungsenergie von zweiatomigem Sauerstoff beträgt 499 kJ/mol; Wasserstoff-Sauerstoff beträgt 460 kJ/mol. Um Wasserstoff und Sauerstoff zu verbrennen, um Wasser herzustellen, müssen zwei Wasserstoffmoleküle und ein Sauerstoffmolekül aufgebrochen werden, was einen Gesamtenergieaufwand von 1.371 kJ/mol ergibt. Bei der Reaktion entstehen jedoch vier Wasserstoff-Sauerstoff-Bindungen mit insgesamt 1.840 kJ/mol. Die freigesetzte Nettoenergie beträgt also satte 469 kJ/mol. (Diese Grafik war nicht verfügbar)