Wasserstoffmolekülen

Wasserstoffmoleküle (H2) sind diatomare Moleküle, die aus zwei Wasserstoffatomen bestehen. Sie bilden die einfachste stabile Verbindung aus zwei Atomen und kommen sowohl in der Natur als auch industriell in großen Mengen vor. Struktur und Bindung: H2 besitzt eine kovalente Sigma-Bindung, die die beiden Kerne fest verbindet. Typischer Abstand der Atomkerne liegt bei etwa 74 Pikometern, die Bindungsenergie beträgt rund 436 kJ/mol. Da es sich um eine homonukleare Verbindung handelt, besitzt Wasserstoffmolekül kein permanentes Dipolmoment; Rotations- und Vibrationsübergänge sind daher im Infrarot schwach aktiv, während Raman-Spektroskopie oft stärker sichtbar ist. Die elektronische Grundzustandsgleichung ist X1Σg+.

Nukleare Spinspektren: Wasserstoffmoleküle treten als Ortho-H2 und Para-H2 auf, deren Protonenspins unterschiedlich ausgerichtet sind. Räumliche Verhältnisse ergeben ungefähr ein Verhältnis von 3:1 zu Gunsten von Ortho-H2 bei Raumtemperatur; beim Abkühlen verschiebt sich das Gleichgewicht zugunsten von Para-H2. Die Umwandlung kann katalytisch beschleunigt werden.

Vorkommen und Erzeugung: In der kosmischen Materie ist H2 das häufigste Molekül und spielt eine zentrale Rolle in Sternentstehung und Interstellaren Wolken. Auf der Erde entsteht es industriell vor allem durch Elektrolyse von Wasser oder durch Dampfreformierung von Kohlenwasserstoffen; weitere Verfahren umfassen Hydrierung und Gasaufbereitung. Wasserstoff ist hochentzündlich und hat eine breite Zündgrenze in Luft (etwa 4 bis 75 Volumenprozent).

Eigenschaften und Anwendungen: Bei Raumtemperatur ist H2 gasförmig, mit Siedepunkt -252,9 °C. Als sauberer Energieträger dient es in Brennstoffzellen, in der Raumfahrt und als Reduktionsmittel in der Metallurgie. In der chemischen Industrie ist es Ausgangsmittel für Ammoniak-Synthese (Haber-Bosch) und zahlreiche Hydrierungsreaktionen. Zur Lagerung werden verdichtete Gase oder verflüssigtes H2 bei kryogenen Temperaturen verwendet; der Werkstoffkontakt erfordert besondere Maßnahmen wegen Wasserstoffversprödung.

Umweltaspekte: Die Verbrennung von Wasserstoff erzeugt nur Wasser; die Umweltbilanz hängt aber von der Erzeugungsmethode ab. In der Astronomie dienen Wasserstoffmoleküle als wichtiger Tracer für physikalische Bedingungen in astrophysikalischen Objekten.