Wasserstoff

Isotop	NH	t_1/2	ZM	ZE M eV	ZP
¹H	99,985 %	H ist stabil mit 0 Neutronen
²H	0,0145 %	H ist stabil mit 1 Neutron
³H	10^-15 %	12,33 a	β^-	0,019	³He
⁴H	{syn.}	9,93696x10^-23 s	n	2,910	³H
⁵H	{syn.}	8,01930x10^-23 s	n	k.A.	⁴H ?
⁶H	{syn.}	3.26500^-22 s	n	k.A.	³H ?
⁷H	{syn.}	k.A.	n	k.A.	k.A.

NMR-Eigenschaften

	¹H	²H	³H
Kernspin	1/2	1	1/2
gamma / rad/T	2,675 · 10⁸	4,106 · 10⁷	2,853 · 10⁸
Empfindlichkeit	1	0,00965	1,21
Larmorfrequenz bei B = 4,7 T	200 M Hz	30,7 MHz	213 MHz

Soweit möglich und gebräuchlich, wurden SI-Einheiten verwendet.
Wenn nicht anders vermerkt,
gelten die angegebenen Daten bei Normbedingungen.

Wasserstoff ist das chemische Element mit der Ordnungszahl 1 und wird durch das Elementsymbol H abgekürzt (für lateinisch hydrogenium = Wassererzeuger; von altgriechisch υδωρ = Wasser und γεννάει = erzeugen). Im Periodensystem steht es in der 1. Periode und der 1. Gruppe, nimmt also den ersten Platz ein.

Wasserstoff ist das leichteste und das häufigste aller chemischen Elemente. Es ist Bestandteil des Wassers und aller organischen Verbindungen; insbesondere kommt es in sämtlichen lebenden Organismen vor.

Unter Normbedingungen ist Wasserstoff ein farb- und geruchloses Gas. Man unterscheidet zwischen atomarem Wasserstoff (H) und der dimerisierten Form, dem molekularen Wasserstoff (H₂). Auf der Erde kommt Wasserstoff nur molekular vor.

das Wasserstoffatom

Hauptartikel: Wasserstoffatom

Ein einzelnes Wasserstoff-Atom besteht aus einem negativ geladenem Elektron, welches über die Coulomb-Wechselwirkung an einen positiv geladenen Kern gebunden ist. Dieser besteht stets aus einem einzelnen Proton und je nach Isotop eventuell noch aus einigen Neutronen.

Isotope

Es existieren drei natürlich vorkommende Isotope des Wasserstoffs. Daneben gelang es, vier weitere Isotope künstlich zu erzeugen.

Das einfachste Wasserstoff-Isotop ¹H besitzt keine Neutronen im Kern und wird gelegentlich Protium genannt. Es ist mit einer relativen Häufigkeit von 99,99 % das weithin häufigste Wasserstoff-Isotop. Es ist nicht radioaktiv, also stabil.

Das Isotop ²H hat neben dem Proton ein Neutron im Kern. Man bezeichnet es gewöhnlich als Deuterium. Für Deuterium gibt es das D als ein eigenes Elementsymbol. Es macht 0,0184 % bis 0,0082 % aller Wasserstoffatome aus (nach IUPAC). Deuterium ist ebenfalls stabil.

Tritium ist das dritte natürlich vorkommende Isotop des Wasserstoffs. Es hat aber nur einen verschwindenden Anteil in der Natur. Tritium besitzt zwei Neutronen und wird mit ²H oder T gekennzeichnet. Tritium ist radioaktiv und zerfällt mit einer Halbwertszeit von 12,32 Jahren in ³He.

Wasserstoff ist das einzige Element, dessen natürlich vorkommende Isotope eigene Namen haben. Außer diesen Isotopen wurden bislang vier weitere Isotope synthetisiert:

⁴H

Wasserstoff-4 wurde durch Beschuss von Tritium mit schnellen Deuterium Kernen erzeugt. Es besitzt eine Halbwertszeit von 9,93696x10^-23 Sekunden unter der Abstrahlung eines Neutrons.

⁵H

Wasserstoff-5 wurde 2001 bei dem Beschuss von Wasserstoff mit schweren Ionen entdeckt. Die Halbwertszeit beträgt 8,01930x10^-23 Sekunden. Auch dieses Isotop zerfällt unter der Abstrahlung eines Neutrons.

⁶H

Wasserstoff-6 zerfällt durch dreifache Neutronenemmission und hat eine Halbwertszeit von 3.26500^-22s.

⁷H

Wasserstoff-7 wurde 2003 am RIKEN Laboratorium in Japan durch Beschuss von tiefgefrorenen Wasserstoff mit einem hochenergetischen Strahl aus Helium-8 Atomen erzeugt.Artikel (auf Englisch).

Das Wasserstoffatom ¹H wird aufgrund seines einfachen Aufbaus als „Modellatom“ in der quantenmechanischen Beschreibung aller Atome verwendet. Es ist das einzige Atom, für das sich das Eigenwertproblem sowohl der nichtrelativistischen Schrödingergleichung als auch der relativistischen Diracgleichung analytisch, das heißt ohne den Einsatz numerischer Verfahren, lösen lässt. Dieses ist sonst nur für Ionen möglich, denen lediglich ein Elektron verblieben ist (beispielsweise $\mathrm {He} ^{+}$ , $\mathrm {Li} ^{2+}$ , usw.). Eine sehr kleine, aber physikalisch besonders interessante Korrektur durch Vakuumfluktuationen, die Lambverschiebung, ist trotzdem noch durchzuführen.

Eigenschaften

Wasserstoff ist mit nur einem Proton und einem Elektron das leichteste der chemischen Elemente. Unter Normbedingungen liegt er nicht in atomaren, sondern nach Zusammenschluss zweier H-Atome in molekularem Zustand als H₂ vor. Molekularer Wasserstoff H₂ ist ein geruchloses und farbloses Gas und etwa 14-mal leichter als Luft. Es hat einen Siedepunkt von 20,27 K und einen Schmelzpunkt von 14,02 K. Der „status nascendi“ des atomaren Wasserstoffs, etwa unmittelbar nach einer Wasserstoff darstellenden Reaktion, besteht nur für etwa 0,5 Sekunden. Beim Zusammenschluss zu Wasserstoffmolekülen wird sehr viel Energie pro Mol freigesetzt:

\mathrm {2H\rightarrow H_{2}+436{,}6\,kJ}

Molekularer Wasserstoff H₂ ist bei normaler Temperatur ein geruchloses und farbloses Gas, etwa 14-mal leichter als Luft. Sein Diffusionsvermögen (aufgrund seiner geringen Molekülmasse) und seine Wärmeleitfähigkeit sind die höchsten aller Gase und führen zu einer Reihe von technischen Problemen beim Umgang mit Wasserstoff. Wasserstoff kann z.B. durch Stahl hindurchdiffundieren.

Geschichte

Entdeckt wurde Wasserstoff vom englischen Chemiker Henry Cavendish im Jahre 1766. Benannt wurde er von Antoine Lavoisier im Jahr 1787. Der Franzose taufte den Wasserstoff als hydro-gène (hydro = Wasser, griechisch; genes = erzeugend). Das Wort bedeutet demnach: "Wasser-Bildner". Die deutsche Bezeichnung läßt auf die gleiche Begriffsherkunft schließen.

Wasserstoff ist das einfachste aller Elemente. Aus diesem Grund war es Gegenstand intensiver physikalischer Forschung, was entscheidend zur Entwicklung der Atom- und Quantenphysik beigetragen hat. Beispielsweise konnte Bohrs Atommodell erstmals das Linienspektrum von Wasserstoff erklären.

Vorkommen

Wasserstoff ist das häufigste chemische Element im Weltall. Wasserstoff macht 75 % der gesamten Masse beziehungsweise 90 % aller Atome im Universum aus. Sterne bestehen hauptsächlich aus Wasserstoff-Plasma. Die Kernfusion von Wasserstoff ¹H über die Zwischenstufen Deuterium ²H und Tritium ³H zu Helium ⁴He in Sternen bildet deren Energiequelle. Diese Reaktion wird vom Menschen in der Wasserstoffbombe und in experimentellen Fusionsreaktoren genutzt.

Auf der Erde sind von keinem anderen Element so viele Verbindungen bekannt. Hier kommt es meist gebunden in Form von Wasser vor, aber auch in allen Lebewesen, in Erdöl, Erdgas und in Mineralen. In der Atmosphäre der Erde liegt Wasserstoff jedoch nur in Konzentrationen unter 1 ml/m³ vor; der überwiegende Teil des Wasserstoffs auf der Erde ist in Wasser (an Sauerstoff gebunden) vorhanden. Andere natürliche Vorkommen sind Kohle und natürliche Gase, beispielsweise Methan (CH₄).

Verbindungen

Wasserstoff geht mit den meisten chemischen Elementen Verbindungen ein. Durch seine Elektronegativität von 2,2 kann Wasserstoff Verbindungen sowohl als metallischer als auch als nichtmetallischer Partner eingehen, indem es entweder ein Elektron abgibt oder eins aufnimmt. Allerdings wird das Elektron zumeist nicht vollständig abgegeben, da sonst ein blankes Proton verbleiben würde, so dass Verbindungen, bei denen Wasserstoff der weniger elektronegative Partner ist, einen hohen kovalenten Anteil haben. Als Beispiele seien HF (Hydrogenfluorid) oder HCl (Hydrogenchlorid) genannt. Säuren spalten in Wasser Protonen = H⁺-Ionen ab. Isolierte H⁺-Ionen in wässriger Lösung verbinden sich sofort mit Wassermolekülen zu H₃O⁺-Ionen (Säure).

In Verbindung mit Metallen kann Wasserstoff aber auch jeweils ein Elektron aufnehmen, so dass negativ geladene Wasserstoffionen entstehen, die mit Metallkationen Salze bilden. Diese Verbindungen werden Hydride genannt. Metallhydride reagieren sehr heftig mit Wasser unter Freisetzung von molekularem Wasserstoff H₂ und können sich an der Luft selbst entzünden, sind aber in der Mehrzahl nicht explosiv.

Molekularer Wasserstoff H₂ reagiert mit molekularem Sauerstoff O₂ exotherm zu Wasser (H₂O) und zwar zwei Mol H₂ mit 1 Mol O₂:

$\mathrm {2H_{2}+O_{2}\rightarrow 2H_{2}0+572{,}4\,kJ}$

Bei dieser Knallgasreaktion wird Energie frei. Wird Protium (H) durch das doppelt so schwere Wasserstoff-Isotop Deuterium(D) mit einem Proton und einem Neutron im Atomkern ersetzt, so erhält man schweres Wasser (D₂O). Wasserstoff bildet auch Verbindungen mit Kohlenstoff zu organischen Verbindungen (Kohlenwasserstoffen), deren Studium sich die organische Chemie verschrieben hat.

Minerale, die Wasserstoff enthalten, sind Hydrate oder Hydroxide.

Andere Wasserstoffverbindungen:

Gewinnung und Darstellung von H₂

Reaktion verdünnter Säuren mit unedlen Metallen (z. B. Zink), durch Elektrolyse von Wasser, Natronlauge oder wässrigen Natriumchlorid-Lösungen (Chlor-Alkali-Elektrolyse), durch Zersetzung des Wassers durch Alkalimetalle und durch chemische Reaktion (Reformierung) von Erdgas und anderen Kohlenwasserstoffen mit Wasserdampf (Dampfreformierung), Sauerstoff (Partielle Oxidation) oder Dampf und Sauerstoff (Autotherme Reformierung).

Siehe auch: Wasserstoffherstellung, Wasserstoffspeicherung, Elektrolyseur

Formen von H₂

Unter normalen Bedingungen ist Wasserstoffgas H₂ ein Gemisch zweier Molekülarten, die sich durch die "Richtung" ihrer Kernspins unterscheiden. Diese beiden Formen sind als ortho- (kurz o-) und para- (kurz p-) Wasserstoff bekannt.

Unter Standardbedingungen liegen 25 % des Wasserstoffs als p-Form und 75 % als o-Form vor, wobei die ortho-Form nicht gereinigt werden kann. Die beiden Molekülarten unterscheiden sich in ihrer Energie und hängen über folgende Gleichgewichtsbeziehung miteinander zusammen:

$\mathrm {o-H_{2}{\overrightarrow {\leftarrow }}p-H_{2}+0,08kJ}$

Sie weisen leicht unterschiedliche physikalische Eigenschaften auf. So liegen beispielsweise der Schmelz- und Siedepunkt der para-Form etwa 0,1 K unter denen der ortho-Form.

Kühlt man Wasserstoff auf -259,2°C ab, dann geht dieser in einen schlammartigen Zustand - Slush - über.

Verwendung von H₂

Energiespeicher: Schweißen, Raketentreibstoff, Brennstoffzelle
Reduktionsmittel von Metalloxiden und Stickstoff (Haber-Bosch-Synthese)
Kohlehydrierung und Fetthärtung
Cryogen: Anwendungen beispielsweise bei der Supraleitung

Vorsichtsmaßnahmen beim Umgang mit H₂

Molekularer Wasserstoff ist ein leicht brennbares Gas. Beim Mischen mit Luft zu einem Volumengehalt von 4 % bis 76 % Wasserstoff entsteht Knallgas, das bereits durch einen wenig energiereichen Funken zur Explosion gebracht werden kann. Es reagiert auch heftig mit Chlor und Fluor. D₂O, auch schweres Wasser genannt, ist giftig für viele Lebewesen. Allerdings ist die für Menschen gefährliche Menge recht groß.

Wird molekularer Wasserstoff in einfachen Metalltanks gelagert, so kommt es wegen der geringen Molekülgröße zu Diffusion, das heißt Gas tritt langsam aus. Dies ist insbesondere für mit Wasserstoff betriebene Fahrzeuge problematisch, wenn diese lange an einem abgeschlossenen Platz (Garage, Tiefgarage) stehen. Zudem rechnet man beim Betanken mit relativ hohen Verlusten von einigen Prozent der Gesamtmenge. Flüssiger Wasserstoff in Metalltanks neigt bei Beschädigungen oder Lecks zur Selbstentzündung.

Speicherung von H₂

Ehemalige Bedenken, Wasserstoff eigne sich nicht als Kraftstoff für Fahrzeuge, weil die Speicherung noch nicht zufriedenstellend geklärt sei, sind längst ausgeräumt. In den letzten Jahren hat sich speziell in diesem Bereich sehr viel getan. Es gibt mittlerweile neue Techniken zum Aufbau von Wasserstoff-Tanks. Es gibt Materialien, die auch stärksten Belastungen standhalten.

Im Laufe der Entwicklung von Speichermedien für Wasserstoff gab es eine Vielzahl von Methoden, denen zum Teil hervorragende Aussichtschancen zugesprochen wurden. Teilweise wird an einigen Verfahren immer noch geforscht, andere Projekte wurden eingestellt. Es ist vor diesem Hintergrund durchaus möglich, dass durch diese Weiterentwicklung bereits totgesagte Verfahren wieder hervorgeholt werden.

Zur Zeit gibt es jedoch nur maximal drei wirklich aussichtsreiche Speichermethoden:

die Speicherung von gasförmigem Wasserstoff in Druckbehältern,
die Speicherung von flüssigem Wasserstoff in vakuumisolierten Behältern,
die Einlagerung von Wasserstoff in Metallhydriden oder Kohlenstoff-Nanoröhren

Nachweis von H₂

Molekularer Wasserstoff lässt sich durch die Knallgasprobe nachweisen. Dabei entzündet man eine kleine Menge Wasserstoff in einem Reagenzglas. Wenn danach ein dumpfer Knall, ein Pfeifen oder ein Bellen zu hören ist, so ist der Nachweis positiv (das heißt es war Wasserstoff in dem Reagenzglas).

Der Knall kommt durch die Reaktion von Wasserstoffgas mit dem Luftsauerstoff zustande:

$\mathrm {2H_{2}+O_{2}\rightarrow 2H_{2}O}$ (exotherme Reaktion)

Nach der gleichen Gleichung verbrennt Wasserstoff, wenn man ihn gleich nach dem Austreten laufend entzündet, mit einer blauen Flamme (Pfeifgas)

Siehe auch:

Periodensystem, Wasserstoffbrücke, Antiwasserstoff, Brennstoffzelle, Elektrolyse, Schrödinger-Gleichung, Metallischer Wasserstoff

Literatur

dtv-Atlas zur Chemie 1. Allgemeine und anorganische Chemie, ISBN 3-423-03217-0
Geitmann, Sven: Wasserstoff & Brennstoffzellen – Die Technik von morgen, 2. Auflage, Hydrogeit Verlag, Kremmen, Sept. 2004, ISBN 3937863044
Rühle, Alf-Sibrand; Geitmann, Sven: Wasserstoff & Wirtschaft – Investiere in in eine saubere Zukunft, Hydrogeit Verlag, Kremmen, März 2005, ISBN 3937863028
Geitmann, Sven: Wasserstoff- & Brennstoffzellen-Projekte, Hydrogeit Verlag, Berlin, 2002, ISBN 3831132801
Jermer, B., Geitmann, S.: Die Wasserstoff CD, Hydrogeit Verlag, Kremmen, Aug. 2004, ISBN 3937863036

Weblinks

Vorlage:Wiktionary1

http://www.webelements.com/webelements/elements/text/H/index.html - WebElements.com: Wasserstoff
http://www.hydrogeit.de - Informationen und Bücher über Wasserstoff
http://www.HydrogenLab.de - 3D Visualisierungen des Wasserstoffatoms
http://www.hydox.de/wasserstoff.htm
http://www.dwv-info.de/publikationen/2004/pm_04st.pdf (PDF) - Über die Rolle des Wasserstoffs in existierenden und zukünftigen Energiesystemen