Was sind die Eigenschaften von Wasserstoff?
Zu den Eigenschaften von Wasserstoff gehört, dass es sich in seinem natürlichen Zustand auf der Erde um ein farbloses, geruchloses Gas handelt, das äußerst entflammbar ist. Es ist das leichteste bekannte Element in der Natur und nimmt durchschnittlich 75% der gesamten Masse des Universums in Sternen, Planeten und anderen Sternenobjekten ein. Wasserstoff ist auch essentiell für alles Leben auf der Erde, wo er 14 Gewichtsprozent der lebenden Materie ausmacht, da er leicht Bindungen mit Sauerstoff eingeht, um Wasser und Kohlenstoff zu erzeugen, um die Moleküle zu erzeugen, auf denen lebende Strukturen und die meisten organischen Moleküle basieren sind gebaut.
Während die am häufigsten vorkommende Form von Wasserstoff Protium ist, wo es nur ein Proton in seinem Atomkern und ein Elektron in der Umlaufbahn um den Kern hat, existieren auch zwei andere Isotope von Wasserstoff. Protium macht 99,985% des gesamten natürlichen Wasserstoffs aus und Deuterium fast 0,015% mit Protonen und Neutronen im Atomkern, was ihm eine Masse verleiht, die doppelt so groß ist wie die von Protium. Tritium ist die dritte Form von Wasserstoff, die in der Natur äußerst selten ist, aber künstlich hergestellt werden kann. Es ist instabil und weist einen radioaktiven Zerfall mit einer Halbwertszeit von 12,32 Jahren auf. Es enthält zwei Neutronen im Atomkern für ein Proton und ist eine Schlüsselverbindung, die in Wasserstoffbombenwaffen zur Ertragssteigerung, bei der Erzeugung von Kernspaltungsenergie und in der Kernfusionsforschung hergestellt und verwendet wird.
Die chemischen Eigenschaften von Wasserstoff mit nur einem Elektron in der Umlaufbahn lassen ihn zu einem hochreaktiven Element werden, das mit vielen anderen Elementen Bindungen eingeht. In seinem natürlichen Zustand in der Atmosphäre bindet es sich wie Sauerstoff an ein anderes Wasserstoffatom, um H 2 zu bilden. H 2 -Moleküle können auch in Abhängigkeit vom Spin ihrer Kerne einzigartig sein, wobei H 2 -Moleküle, bei denen sich beide Kerne in die gleiche Richtung drehen, als Orthowasserstoff bezeichnet werden, und solche mit entgegengesetzten Spins, die als Parawasserstoff bezeichnet werden. Orthowasserstoff ist die häufigste Form von H 2 bei normalem atmosphärischem Druck und normaler Temperatur in Gasform. Wenn es jedoch in flüssiger Form abgekühlt wird, wie bei Raketentreibstoff, wird Orthowasserstoff zu Parawasserstoff.
Die physikalischen Eigenschaften von Wasserstoff und sein weit verbreitetes Vorkommen an Land und in den Ozeanen der Erde machen ihn zu einem wichtigen Forschungsgebiet für eine nahezu unbegrenzte Kraftstoffversorgung. Alle Formen fossiler Brennstoffe und Alkohole wie Benzin, Erdgas und Ethanol bestehen aus Kohlenwasserstoffketten, in denen Wasserstoff, Kohlenstoff und manchmal Sauerstoff miteinander verbunden sind. Die Abtrennung von reinem Wasserstoff als sauber verbrennende, reichlich vorhandene Brennstoffquelle selbst ist einfach, aber die Kraft, die erforderlich ist, um Wasserstoff von chemischen Bindungen zu befreien und ihn dann zur Speicherung abzukühlen, benötigt häufig mehr Energie, als der reine Wasserstoff selbst erzeugen kann. Aus diesem Grund findet Wasserstoff aufgrund seiner Eigenschaften am häufigsten in chemischen Bindungen mit anderen Elementen Verwendung.
Die Forschung zur Erzeugung von Fusionsenergie stützt sich auch auf die chemischen Eigenschaften der Wasserstoffverbindungen Deuterium und Tritium. Die Eigenschaften von Wasserstoff, die von allen Sternen genutzt werden, verbinden Wasserstoffatome unter starkem Druck, um Helium und Energie in Form von Licht und Wärme freizusetzen. Ähnliche Drücke werden in Forschungseinrichtungen mit starken Magnetfeldern, Trägheitslaser oder elektrischen Impulsen in den USA, Europa und Japan erzeugt.
Während der Fusion von Wasserstoffatomen entsteht ein Heliumatom, das 20% der überschüssigen Energie aus dem Prozess und 80% der Energie von einem freien Neutron trägt. Diese Neutronenenergie oder Wärme wird dann von einer Flüssigkeit absorbiert, um Dampf zu erzeugen und eine Turbine zur Stromerzeugung anzutreiben. Das Verfahren ist jedoch ab 2011 immer noch experimentell. Dies ist auf den enormen Druck zurückzuführen, der aufrecht erhalten werden muss, um Wasserstoffatome kontinuierlich miteinander zu verschmelzen und Maschinen herzustellen, die bei der Fusion entstehende Temperaturen aushalten, die bis zu 212.000.000 ° Fahrenheit (100.000.000 ° Celsius) erreichen ).