V Ac 2

Vorlesung Anorganische Chemie I

Prof. P. Behrens / Universität Hannover

Blatt 15

Wasserstoff

Knallgasexplosion

Wasserstoff im Orionnebel

Vorlesung Anorganische Chemie I

Wasserstoffbombe

Prof. P. Behrens / Universität Hannover

Blatt 16

Wasserstoff Eigenschaften

H2

Schmelzpunkte Tm / K 13.96 20.39 Siedepunkte Tb / K -1 Dissoziationsenergie in kJ mol 436

H Elementsymbol 1 Ordnungszahl Elektronenkonfiguration 1s1

D2

T2

18.73 23.67 443

20.62 25.04 446

Eigenschaften im Vergleich zu Alkalimetallen und Halogenen Ionisierungsenergie EI Elektronenaffinität EA Elektronegativität EN

Energieaufwand für die Reaktion H Energieaufwand für die Reaktion H Werte nach Allred-Rochow

+

H +e H +e

H

Alkalimetalle

Halogene

13.6

3.9 - 5.4

10.4 - 17.4

EI / kJ mol -1 EA / kJ mol

1312

376-521

1008 - 1681

72.8

45.5 - 59.6

295.2 - 328.0

EN

2.2

0.9 - 1.0

2.2 - 4.1

EI / eV -1

1

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Blatt 17

Wasserstoff: Reaktion mit Sauerstoff H2 + ½ O2

H2 O

ΔH = - 242 kJ mol

-1

Knallgasreaktion

G EA H2 + ½ O2

ΔH λ

Vorlesung Anorganische Chemie I

H2O

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Blatt 18

Wasserstoff: Reaktion mit Sauerstoff H2 + ½ O2

H2 O

ΔH = - 242 kJ mol

-1

katalysierte Reaktion

G Heterogene Katalyse H2

EA

Platin

H

H

λ Feuerzeug von Döbereiner

2

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Blatt 19

Wasserstoff: Reaktion mit Sauerstoff NADH2 + ½ O2 → NAD + H2O

Enzym-katalysierte Reaktion: „biologische Knallgasreaktion“

G

► 2-3 ATP

λ

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Blatt 20

Wasserstoff: Reaktion mit Sauerstoff H2 + ½ O2

H2 O

ΔH = - 242 kJ mol

-1

Brennstoffzelle 2e

2e H2O + ½ O2

H2

2H

2 OH

+

2 H2O H2

O2

H2O

3

Vorlesung Anorganische Chemie I

Rang 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

Element O Si Al Fe Ca Mg Na K Ti H P Mn F Ba Sr S

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Häufigkeit / ppm

17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32

Vorlesung Anorganische Chemie I

C Zr V Cl Cr Ni Rb Zn Cu Ce Nd Ln Y Co Sc Nb

Kohlenstoff Zirconium Vanadium Chlor Chrom Nickel Rubidium Zink Kupfer Cer Neodym Lanthan Yttrium Cobalt Scandium Niob

180 162 136 126 122 99 78 76 68 66 40 35 31 29 25 20

Chloralkalielektrolyse Na+ + Cl– + H2O

C + H2O 800 – 1100 °C

RT

OH–

Na+ + + Cl2 + H2

“Wassergas”

leichtes

Dampfreformierung CH4 + H2O 700 °C 40 bar

CO + H2

N Ga Li Pb Pr B Th Sm Gd Dy Er Yb Hf Cs Br U

Häufigkeit / ppm

Stickstoff Gallium Lithium Blei Praseodym Bor Thorium Samarium Gadolinium Dysprosium Erbium Ytterbium Hafnium Cäsium Brom Uran

19 19 18 13 9 9 8 7 6 5 4 3 3 3 2 2

Blatt 22

Wasserstoff: Herstellung Erdgas

Kohlevergasung

33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48

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Wasser Kohle

Element

Wasserstoff: Häufigkeit

Sauerstoff 455000 Silicium 272000 Aluminium 83000 Eisen 62000 Calcium 46600 Magnesium 27640 Natrium 27000 Kalium 18400 Titan 6320 Wasserstoff 1520 Phosphor 1120 Mangan 1060 Fluor 544 Barium 390 Strontium 384 Schwefel 340

elektrische Energie

Blatt 21

Rang

Ni

2 CnH2n+2 + n H2O 700 °C 40 bar

Ni

2n CO + 3(n+1) H2 “Spaltgas”

CO + 3 H2

Konvertierung CO + H2O → CO2 + H2

Erdöl schweres partielle Cracken Oxidation 2 CnH2n+2 + CnH2n+2 n H2O 1400 °C 30 bar

500 °C

2n CO + 2(n+1) H2

Zeolithkatalysator

CnH2n + H2

Wasserstoff-Lieferant Reduktionsmittel

Wasserstoff-Gasflasche: rot, Linksgewinde!

4

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Blatt 23

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Blatt 24

Wasserstoff: Hydrierungsreaktionen Homogene Katalyse

P Rh

R R

P

H C C H

G

H2

Cl

R R

H

EA

H

H

P

H

Rh P

λ

P Rh

Cl

P

R R C C R R

Beispiel für einen homogen-katalytischen Zyklus: Hydrierung eines Alkens mit dem Wilkinson-Katalysator

Cl

R R C C R R

5

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Blatt 25

Wasserstoff: Verbindungen Darstellung von Wasserstoffverbindungen Direkte Umsetzung der Elemente: allgemein 2 E + H2 → 2 EH

Beispiel 2 Li + H2 → 2 LiH

Protonierung einer Brønsted-Base: E–

+ x/2 H2O → EHx + x OH–

Li3N + 3 H2O → NH3 + 3 LiOH

Doppelte Umsetzung (Metathese) eines Halogenids mit einem Hydrid: E‘H + EX → E‘X + EH

Vorlesung Anorganische Chemie I

LiAlH4 + SiCl4 → LiAlCl4 + SiH4

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Blatt 26

Wasserstoff: Verbindungen

6

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Blatt 27

Wasserstoff: Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Basen der DNA Thymin

in zwei polymorphen Formen der Oxalsäure O

H H3C

O N

H N H

O

N N

N Zu cker

N

N

C C

Zucker

O

O

O

O

H O

Cytosin

Guanin

H

O

N H

O

N

H N

O

H N

N N N

N Zu cker

O

H O Zu cker

H

O

Vorlesung Anorganische Chemie I

C C

C C

O

O

O

O

H

H

H

H

O

O

O

O

H O

O

O

C C

O H

O

H

H

H

H

Adenin

O

C C

C C

C C

O

H

H

H

O

O

O

O

O

C

O

O

O

C

O

O

H C C

O

C

O H

O

O

C C

H O O

O

O

H

O

O

C

O H

C C

O O H

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Blatt 28

Wasserstoff Eigenschaften

H2

Schmelzpunkte Tm / K 13.96 20.39 Siedepunkte Tb / K -1 Dissoziationsenergie in kJ mol 436

H Elementsymbol 1 Ordnungszahl Elektronenkonfiguration 1s1

D2

T2

18.73 23.67 443

20.62 25.04 446

Eigenschaften im Vergleich zu Alkalimetallen und Halogenen Ionisierungsenergie EI Elektronenaffinität EA Elektronegativität EN

Energieaufwand für die Reaktion H Energieaufwand für die Reaktion H Werte nach Allred-Rochow

+

H +e H +e

H

Alkalimetalle

Halogene

13.6

3.9 - 5.4

10.4 - 17.4

EI / kJ mol -1 EA / kJ mol

1312

376-521

1008 - 1681

72.8

45.5 - 59.6

295.2 - 328.0

EN

2.2

0.9 - 1.0

2.2 - 4.1

EI / eV -1

7