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.

Im Folgenden ist - soweit nicht anders vermerkt - stets die Rede von molekularem Wasserstoff.

grundlegende Eigenschaften

Lewisformel für den Wasserstoff

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.

physikalische Eigenschaften

Molekularer Wasserstoff H₂ ist ein geruchloses und farbloses Gas und etwa 14-mal leichter als Luft. Es hat einen Siedepunkt von 20,27K und einen Schmelzpunkt von 14,02K.

Das 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. Beispielsweise kann er durch die Wände von Stahlbehältern diffundieren und auf diese Weise langsam austreten.

Die ersten Spektrallinien im sichtbaren Bereich liegen bei 656nm, 486nm, 434nm und 410nm (sog. Balmer-Serie). Daneben gibt es weitere Serien im Infrarotbereich und eine im ultravioletten Spektralbereich. Eine besondere Bedeutung in der Radioastronomie hat die 21cm Linie in der Hyperfeinstruktur.

Aggregatzustände

Unter extremen Bedingungen, wie sie innerhalb von Sternen herrschen, wird Wasserstoff metallisch. Dabei wird er elektrisch leitend. Über diesen Aggregatzustand sind nur wenige experimentelle Daten vorhanden, denn die Erzeugung ist im Labor äußerst schwierig. Man vermutet, daß unter hohem Druck entstandener metallischer Wasserstoff teilweise in dieser Form bestehen bleibt, wenn er wieder in eine Umgebung mit Normalbedingungen zurückgeführt wird. Stellt sich das als wahr heraus, könnte metallischer Wasserstoff in Zukunft ein hochinteressanter Werkstoff mit bemerkenswerten Eigenschaften sein.

Sind die Temperaturen und Drücke dagegen sehr niedrig, wie im Weltraum, liegt in der Regel atomarer Wasserstoff vor, weil die Energien nicht für die Aktivierung einer Reaktion ausreichen. Die atomare Form ist sehr reaktiv und geht bei höheren Temperaturen sofort Verbindungen ein (meist zu H₂).

Bei Temperaturen unterhalb von 20,27 K verflüssigt sich das Gas und bildet eine klare, farblose Flüssigkeit. Anders als bei Helium tritt bei einfachem Wasserstoff keine Suprafluidität auf. Prinzipiell kann aber das Isotop Deuterium suprafluid werden. Senkt man die Temperatur weiter, gefriert Wasserstoff bei 14,02 K und bildet einen kristallischen Festkörper mit hexagonaler Kristallstruktur aus.

Der Tripelpunkt des Wasserstoffs ist einer der Fixpunkte der Internationalen Temperaturskala. Er liegt bei einer Temperatur von exakt 13,8033 K.

chemische Eigenschaften

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}

Bei Zimmertemperatur ist Wasserstoff vergleichsweise wenig reaktiv und beständig. Gemischt mit Sauerstoff oder Chlor reagiert er jedoch explosionsartig. Bei hohen Temperaturen wird das Gas reaktionsfreudig und geht mit Metallen und Nichtmetallen gleichermaßen Verbindungen ein.

Wasserstoffbrückenbindung

Datei:Wasserstoffbrückenbindungen des Wasser.png

Bildliche Darstellung der Wasserstoffbrückenbindungen am Beispiel einiger Wassermoleküle

Eine wichtige Eigenschaft des Wasserstoffs ist die sogenannte Wasserstoffbrückenbindung, eine anziehende elektrostatische Kraft zwischen zwei Molekülen. Ist H an ein stark elektronegatives Atom gebunden, so befindet sich sein Elektron eher in der Nähe des Bindungspartners. Es tritt also eine Ladungsverschiebung auf und das H-Atom wirkt nun positiv geladen. Der Bindungspartner wirkt entsprechend negativ. Kommen sich zwei solche Moleküle nahe genug, tritt eine anziehende elektrische Kraft zwischen dem positiven H-Atom des einen Moleküls und des negativen Teils des anderen auf. Das ist eine Wasserstoffbrücke.

Da die Wasserstoffbrückenbindung schwächer ist als die Bindungskraft innerhalb eines Moleküls, verbinden sich die Moleküle nicht dauerhaft. Vielmehr bleibt die Wasserstoffbrücke nur Bruchteile einer Sekunde bestehen. Dann lösen sich die Moleküle voneinander, um erneut eine Wasserstoffbrückenbindung mit einem anderen Molekül einzugehen. Dieser Vorgang wiederholt sich ständig.

Die Wasserstoffbrückenbindung ist für viele Eigenschaften verschiedener Verbindungen verantwortlich, wie etwa DNS oder Wasser. Bei letzterem führen diese Bindungen u.a. zu der Dichteanomalie.

Van-der-Waals-Bindung

Auch bei nichtpolaren Molekülen kann es zu Ladungsverschiebungen kommen, weil manche Atome eine stärkere Affinität zu Elektronen besitzen als andere. Ein solcher Dipol besteht aber nur sehr kurzzeitig. Dennoch wirkt dann zwischen zwei temporär polaren Molekülen eine Anziehung, die sogenannte Van-der-Waals-Bindung. Sie hat eine sehr geringe Reichweite und ist noch schwächer als die Wasserstoffbrückenbindung, tritt dafür aber auch bei nichtpolaren Molekülen auf.

Da Wasserstoff mit einer Elektronegativität von 2,1 einen mittleren Wert hat, kann es besonders im Verbund mit Metallen (niedrige Elektronegativität), aber auch im Verbund mit Nichtmetallen (hohe Elektronegativität) zu einer temporären Dipolbildung kommen. DIe Van-der-Waals-Bindung tritt also bei Wasserstoffverbindungen relativ häufig auf.

Struktur und Formen des Wasserstoffs

Quantenmechanische Aspekte finden sich im Artikel 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 ³H 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 Deuteriumkernen erzeugt. In einem solchen Experiment fängt ein Tritiumkern das Neutron des Deuteriums ein, von welchem nur ein Proton übrigbleibt. ⁴H besitzt eine Halbwertszeit von 9,93696x10^-23 Sekunden unter der Abstrahlung eines Neutrons. 1955 taucht in dem satirischen Roman "The Mouse That Roared" die Bezeichnung Quadium für ⁴H auf. Dieser Name setzte sich allerdings nie durch.

⁵H

Wasserstoff-5 wurde 2001 bei dem Beschuss von Tritium mit anderen, schnellen Tritiumkernen entdeckt. Einer der Kerne gibt dabei beide Neutronen an den anderen ab. Es entsteht ⁵H und ein einzelnes Proton. Die Halbwertszeit von ⁵H 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.

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- und para-Wasserstoff bekannt (kurz o- und p-Wasserstoff).

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:

$\mathrm {ortho-H_{2}{\overrightarrow {\leftarrow }}para-H_{2}+0,08kJ}$

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, genannt Slush, über.

Geschichte

Wasserstoff im Universum

Schon kurz nach der Entstehung des Universums waren Protonen und Neutronen in überwältigender Zahl vorhanden. Bei den vorherrschenden hohen Temperaturen vereinigten sich diese zu leichten Atomkernen, wie D und ⁴He. Die meisten Protonen blieben allerdings unverändert und stellten die zukünftigen ¹H-Kerne dar. Nach circa 400.000 Jahren, nachdem sich die Temperatur des Weltalls weit genug abgekühlt hatte, konnten sich Wasserstoff-Atome einfach durch Zusammenschluss der Kerne mit den Elektronen bilden. Zu diesem Zeitpunkt ist das All mit Wasserstoff gefüllt.

Mit der weitergehenden Abkühlung des Universums teilte sich die Masse assymetrisch auf und formte Wolken aus Wasserstoffgas. Unter dem Einfluss der Gravitation verdichteten sich diese zunehmend, und unter enormem Druck setzte die Verschmelzung der H-Atome ein. Es entstanden erste Sterne und Sonnen. Dort fusionierten die Wasserstoff-Atomkerne vorrangig zu Helium. Besonders in sehr großen Sternen entstanden aber ebenfalls die schwereren Elemente wie Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff, die die Grundbausteine aller bekannten Lebensformen sind.

Entdeckungsgeschichte

Antoine Laurent de Lavoisier. Er gab dem Wasserstoff seinen Namen

Entdeckt wurde Wasserstoff vom englischen Chemiker Henry Cavendish im Jahre 1766, als er mit Quecksilber und Säuren experimentierte. Obwohl er fälschlicherweise annahm, dass der Wasserstoff ein Bestandteil des Quecksilbers sei (anstatt Bestandteil der Säure), konnte er viele Eigenschaften des Gases gut beschreiben.

Benannt wurde das Element 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. Lavoisier konnte außerdem zeigen, dass sich Wasser aus den chemischen Elementen Wasserstoff und Sauerstoff zusammensetzt.

Nutzung und Forschung

Einer der ersten Verwendungszwecke war die Benutzung in Ballonen. Wegen der leichten Entzündlichkeit von Wasserstoff führte das zu zahlreichen Unfällen. Die größte Katastrophe in diesem Zusammenhang ist wohl die Explosion des Luftschiffs Hindenburg (LZ 129) 1937. Als Folge wurde Wasserstoff als Füllgas duch Helium ersetzt.

Da Wasserstoff das einfachste Element ist, war und ist es Gegenstand intensiver physikalischer Forschung, was entscheidend zur Entwicklung der Atom- und Quantenphysik beigetragen hat. Beispielsweise konnte Niels Bohr mit seinem Atommodell 1913 erstmals das Linienspektrum von Wasserstoff erklären.

Als Harold Clayton Urey (zusammen mit Brickwedde und Murphy) flüssigen Wasserstoff über längere Zeit verdampfen ließ, entdeckte er "schweren Wasserstoff" in dem Rückstand. Als er die Spektrallinien untersuchte, konnte er daraus Deuterium identifizieren. Für seine Entdeckung erhielt er 1934 den Nobelpreis. Tritium wurde im gleichen Jahr von dem Australier Mark Oliphant gefunden.

Kernfusion

Schon bald nach den Anfängen der Kernphysik wurde die Aufmerksamkeit der Physiker auf die Energiegewinnung gelenkt. Neben der Kernspaltung wurde auch der Weg einer Verschmelzung der Kerne, die Kernfusion, erforscht. Die ersten gefundenen Reaktionen sind die Proton-Proton-Reaktionen, bei denen Wasserstoffkerne direkt zu Helium verschmelzen. Das konnte die Energiegewinnung in leichten Sternen, wie unserer Sonne, größtenteils erklären. Zwischen 1937 und 1939 entwickelten Hans Bethe und Carl Friedrich von Weizsäcker eine Theorie zur Kernfusion in sehr schweren Sternen, den nach ihnen benannten Bethe-Weizsäcker-Zyklus. Darin spielt Wasserstoff die überwiegende Rolle in der Energiegewinnung. Er wird aber nicht direkt zu Helium verschmolzen, sondern fusioniert in verschiedenen Reaktionen mit Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff. Am Ende des Zyklus entsteht Helium; die anderen Elemente wirken als Katalysatoren.

Während des Kalten Krieges waren die Großmächte bauten die Großmächte ihre nuklearen Waffenarsenale aus. Der Schritt zu den Fusionswaffen gelang zuerst der USA: basierend auf der Atombombe, die ihre Energie aus der Kernspaltung bezieht, konstruieren amerikanischen Forscher unter Edward Teller die Wasserstoffbombe. In ihr wird durch die Kernfusion ein Vielfaches der Energie einer Uranbombe freigesetzt. 1952 testen die Vereinigten Staaten die erste Wasserstoffbombe auf einer kleinen Pazifikinsel. Es war die erste vom Menschen erzeugte Kernfusion. In der Bombe lief die Reaktion nach folgender Gleichung ab:

Li-6+n\rightarrow He+T

T+D\rightarrow He-4+n

Neben der militärischen Nutzund forschten die Physiker auch an einer friedlichen Nutzung der Kernverschmelzung. Schon sehr bald entwickelten die Physiker verschiedene Vorschläge zur Energiegewinnung durch Fusion. Die gewaltigen Temperaturen, die zu einer Kernfusion nötig sind, bereiten einer kontrollierten Reaktion aber nach wie vor Schwierigkeiten. Mittlerweile existieren einige Forschungsreaktoren, die Wasserstoff zu Helium verschmelzen sollen; beispielsweise JET und ITER (im Bau) in Europa und ein deutscher Tokamak-Reaktor in Garching. Bis diese Technologie aber industriell ausgereift ist, vergehen wohl noch Jahrzehnte.

weitere Erforschng

1996: Eine Forschungsgruppe am Lawrence Livermore National Laboratory wies unerwartet die Existenz des metallischen Wasserstoffs nach. Der metallische Zustand bestand etwa eine Mikrosekunde lang.

2004: Vom TÜV wird das erste Wasserstoff-PKW Hysun3000 zugelassen.

Gegenwärtig erzeugt man aus Wasserstoff sogenannte exotische Atome, indem Wissenschaftler beispielsweise das Elektron durch ein Myon austauschen (Myonium), oder das Proton durch ein Lambda-Teilchen. Es ist auch gelungen, Antiwasserstoff zu bilden, ein System aus einem Positron und einem Antiproton. Eine andere Variante ist das Positronium, bei dem anstatt des Protons ein Positron vorhanden ist. Es lässt sich vorstellen, das daraus positronisches Wasser herstellbar ist, bei dem zwei Positronium Teilchen an ein Sauerstoffatom gebunden sind.

Vorkommen

Wasserstoff ist das häufigste chemische Element im Weltall. Wasserstoff macht 75 % der gesamten Masse, beziehungsweise 90 % aller Atome im Universum aus.

außerirdische Vorkommen

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.

Unter den extremen Bedingungen, die in den großen Gasplaneten Jupiter und Saturn herrschen, kann metallischer Wasserstoff existieren. Wahrscheinlich ist der Anteil an metallischem Wasserstoff in den Himmelskörpern noch größer als bisher angenommen. Dieser Zustand ist wegen der elektrischen Leitfähigkeit besonders für die Ausbildung der planetaren Magnetfelder verantwortlich.

irdische Vorkommen

Auf der Erde sind von keinem anderen Element so viele Verbindungen bekannt. Im Gegensatz zu den Vorkommen im All liegt Wasserstoff überwiegend gebunden und nur selten rein vor. Hier kommt er meist in Form von Wasser vor, aber auch in allen Lebewesen, in Erdöl, Erdgas und in vielen Mineralen. Andere natürliche Vorkommen sind Kohle und natürliche Gase, beispielsweise Methan (CH₄).

Salz- und Süßwasser

Der wahrscheinlich größte Anteil irdischen Wasserstoffs kommt in der Verbindung Wasser vor. Wasser bedeckt zu über zwei Dritteln die Erdoberfläche. Die gesamten Wasservorkommen der Erde belaufen sich auf circa 1.386 Milliarden km³. Davon entfallen 1.338 Milliarden km³ (96,5 %) auf Salzwasser in den Ozeanen. Die verbliebenen 3,5 % liegen als Süßwasser vor. Davon befindet sich widerum der größte Teil im festen Aggregatzustand: in Form von Eis in der Arktis und Antarktis sowie in den Permafrostböden v.a. in Sibirien. Der geringe restliche Anteil ist flüssiges Süßwasser und findet sich meist in Seen und Flüssen, aber auch in unterirdischen Vorkommen, etwa als Grundwasser.

Atmosphäre

In der Erdatmosphäre liegt Wasserstoff nur in Konzentrationen unter 1 ml/m³ vor; auch hier kommt er überwiegend als Wasserdampf (an Sauerstoff gebunden) vor. Die prozentuale Häufigkeit von ungebundenem, molekularem Wasserstoff beträgt etwa 0,083%. Der geringe Anteil kommt von dem geringen Molekülgewicht her. Bei einer mittleren Temperatur der Atmosphäre von 20°C bewegen sich die H₂-Teilchen im Durchschnitt mit fast 7000km/h; das ist rund ein Sechstel der Fluchtgeschwindigkeit auf der Erde. Das es aber viele H₂-Moleküle gibt, die eine wesentlich niedrigere Geschwindigkeit aufweisen, erreicht ein beträchtlicher Anteil der Moleküle die Fluchtgeschwindigkeit dennoch und entweichen aus der Gashülle. Dabei kühlt das verbliebene Wasserstoffgas ab, wird aber durch Sonneneinstrahlung erneut erwärmt und es entweicht wieder ein bestimmter Anteil H₂-Moleküle, bis nur noch Spuren des Elements in der Atmosphäre vorhanden sind. Bei diesem geringen Anteil stellt sich ein Gleichgewicht zwischen Entweichen und Neuproduktion (etwa aus dem Meer) ein.

Verbindungen

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

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. Minerale, die Wasserstoff enthalten, sind Hydrate oder Hydroxide.

Wasserstoff bildet auch Verbindungen mit Kohlenstoff zu organischen Verbindungen (Kohlenwasserstoffen), deren Studium sich die organische Chemie verschrieben hat.

Wasser

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 sogenannten Knallgasreaktion wird Energie frei. Pro Mol Wasser sind das die in der Gleichung angegebenen 572,4 kJ.

Werden die beiden einfachen Wasserstoffatome (Protium ¹H) durch doppelt so schwere Deuteriumatome ersetzt, so erhält man schweres Wasser (D₂O). Hat lediglich eines der beiden H-Atome einen Deuteriumkern, spricht man korrekterweise von halbschwerem Wasser (HDO); oft ist aber ebenfalls die Bezeichnung schweres Wasser üblich. Handelt es sich nicht um Deuterium, sondern um Tritium, spricht man von überschwerem Wasser. Diese beiden Formen des Wassers haben leicht unterschiedliche physikalische Eigenschaften. Zum Beispiel liegt der Schmelzpunkt bei 3,82°C und der Siedepunkt bei 101,42°C für schweres Wasser, respektive bei 4,48°C und 101,51°C für überschweres Wasser. Die chemischen Eigenschaften sind weitgehend wie die von gewöhnlichem Wasser, diese beiden Formen sind lediglich etwas reaktionsträger.

Wasser spielt wohl die wichtigste Rolle für die Funktions- und Lebensfähigkeit von Organismen. In der unbelebten Geosphäre ist es ein wichtiges Medium bei geologischen und ökologischen Elementarprozessen. Durch die Rolle des Wassers in Bezug auf Wetter und Klima, als Landschaftsgestalter im Zuge der Erosion und durch seine wirtschaftliche Bedeutung unter anderem in den Bereichen der Land-, Forst- und Energiewirtschaft ist es zudem in vielfältiger Weise mit Geschichte, Wirtschaft und Kultur der menschlichen Zivilisation verbunden. Die Wissenschaft, welche sich mit der räumlichen wie zeitlichen Verteilung des Wassers und dessen Eigenschaften beschäftigt, bezeichnet man als Hydrologie.

Säuren

Wasserstoff ist wesentlicher Bestandteil aller Säuren (nach der Definition von Brönsted). Mit Chlor reagiert H₂ exotherm unter Bildung von Chlorwasserstoff, welches in Wasser gelöst Salzsäure ergibt. Beide Gase reagieren dabei mit gleichen Stoffmengenanteilen:

${Cl_{2}+H_{2}\rightarrow 2HCl}$

Diese Reaktion ist unter dem Namen Chlorknallgasreaktion bekannt, welche sich im Gegensatz zur Knallgasreaktion (Wasserstoff und Sauerstoff) schon durch die Bestrahlung mit Licht zünden lässt.

Salpetersäure ist eine stark saure Verbindung von Wasserstoff mit Stickstoff und Sauerstoff. Die chemische Formel lautet HNO₃. Salpetersäure löst fast alle Metalle, mit Ausnahme einiger Edelmetalle, auf. Die Säure findet breite Anwendung in der Industrie. Wichtig sind u.a. die Herstellung von Arzneien, Kunststoffen und Sprengstoffen. In der metallverarbeitenden Industrie hat sie zahllose Einsatzgebiete.

In den Biowissenschaften haben die Aminosäuren eine große Bedeutung. Aminosäuren sind organische Verbindungen des Wasserstoffs. Es handelt sich um Moleküle mit einer Carboxylgruppe (–COOH, C-Terminus) und einer Aminogruppe (–NH₂, N-Terminus). Es gibt 22 verschiedene Aminosäuren, die in Proteinen vorkommen, und damit die Grundbausteine für lebende Organismen darstellen. Daneben sind noch über 150 weitere bekannt.

andere Wasserstoffverbindungen

weitere:

Gewinnung und Nachweis von H₂

Hauptartikel: Wasserstoffherstellung

Einfache chemische Prozesse zur Produktion von H₂ sind die Reaktion verdünnter Säuren mit unedlen Metallen (z. B. Zink) oder die Zersetzung des Wassers durch Alkalimetalle. In der Praxis lassen sich damit aber nur geringe Mengen des Gases herstellen.

Eine Methode zur industriellen Gewinnung von H₂ ist die Dampfreformierung. Unter hoher Temperatur und hohem Druck werden Kohlenwasserstoffe mit Wasserstoff zur Reaktion gebracht. Beide Verbindungen setzen Wasserstoff frei. Allerdings entsteht bei diesem Prozess das giftige Kohlenmonoxid (CO), aus dem aber erneut H₂ gewonnen werden kann. Die zweite gängige Methode in der Industrie ist die partielle Oxidation. Hierbei reagiert meistens Erdgas mit Sauerstoff unter Bildung von H₂ und Kohlenmonoxid. In diesem Verfahren wird CO aber nicht unschädlich gemacht und ist deshalb ein schädliches Nebenprodukt.

Eine alte und effiziente Möglichkeit zur Wasserstoffgewinnung ist die Elektrolyse von Wasser. Dabei wird Wasser mit Hilfe von elektrischem Strom in Wasserstoff und Sauerstoff zersetzt. Meist wird dem Wasser ein wenig Säure zur Katalysierung der Reaktion zugesetzt. An der Kathode entsteht Wasserstoffgas, an der Anode Sauerstoffgas, im Verhältnis 2:1. Diese Reaktion lässt sich mit Solarstrom recht ökonomisch durchführen.

Eine sehr moderne Methode ist das Kværner-Verfahren. Dabei zerlegt ein Plasmabrenner Kohlenwasserstoffe zu Kohlenstoff und Wasserstoff und erreicht dabei enorm hohe Wirkungsgrade. Ein anderes modernes Verfahren bedient sich der Grünalgen. Hier kommen biologische Prozesse zum Einsatz und die benötigte Energie entnehmen die Algen einfach dem Sonnenlicht.

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)

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

Verwendung von H₂

Jedes Jahr werden weltweit mehr als 600 Milliarden Kubikmeter Wasserstoff produziert. Wasserstoff hat eine Vielzahl von Anwendungen in Industrie und Technik. Unter anderem wird er für folgende Zwecke verwendet:

Energiespeicher beim Schweißen, als Raketentreibstoff, in neuerer Zeit immer mehr in Form von Brennstoffzellen
Reduktionsmittel von Metalloxiden (insbesondere metallischer Erze) und Stickstoff (Haber-Bosch-Synthese)
Kohlehydrierung und Fetthärtung
Aufgrund seiner hohen Wärmekapazität benutzt man Wasserstoff in Kraftwerken und industriellen Anlagen als Kühlmittel.
Cryogen: Anwendungen beispielsweise bei der Supraleitung

Die beiden natürlichen Isotope haben spezielle Einsatzgebiete.

Deuterium verwendet man in Kernkraftwerken als Moderator. In der Verbindung als schweres Wasser bremst Deuterium schnelle Neutronen auf thermische Energien ab, so daß sie für weitere Spaltungen zur Verfügung stehen. In der Chemie und Biologie helfen Deuteriumverbindungen bei der Untersuchung von Isotopeneffekten.

Tritium, als radioaktives Isotop, wird in Kernreaktoren in industriell verwertbaren Mengen hergestellt. Es findet militärische Verwendung in der Wasserstoffbombe und gewissen Ausführungen von Kernwaffen, deren Wirkung auf Spaltung beruht. In der zivilen Nutzung dient es in Biologie und Medizin als radioaktiver Marker. In der Physik ist es einerseits Forschungsgegenstand, andererseits dient es als Strahlungsquelle. Mit Hilfe der Tritium-Methode lassen sich Wasserproben sehr genau datieren. Unter anderem läßt sich so das Alter teurer Weine feststellen.

Vorsichtsmaßnahmen beim Umgang mit H₂

Wasserstoff ist ein hochentzündliches Gas. Gemäß EU-Vorschrift wird er mit dem Kürzel F+ als Gefahrstoff gekennzeichnet. Nach DIN EN 1089-3 werden H₂-Druckgasflaschen mit roter Flaschenschulter und rotem Flaschenkörper versehen.

In geringen Mengen ist Wasserstoff für Menschen ungiftig. In hohen Konzentrationen können allerdings Bewegungsstörungen auftreten. Weitere Exposition kann zur Bewußtlosigkeit und schließlich zum Erstickungstod führen. In einem solchen Falle ist die betroffene Person (unter Selbstschutz) an die frische Luft zu bringen und ein Arzt hinzuzuziehen. Bei einem Atemstillstand muß die Person künstlich beatmet werden.

Datei:Gefahrensymbol E.png

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. In einem ausgewogenen Mischungsverhältnis von O₂ und H₂ kann eine Knallgasexplosion verheerende Wirkung haben. In jedem Fall ist darauf zu achten, keine leicht entzündlichen Materialien oder offene Flammen in der Nähe zu lagern. H₂ reagiert auch heftig mit Chlor und Fluor.

D₂O, auch schweres Wasser genannt, ist giftig für viele Lebewesen. Die für Menschen gefährliche Menge ist aber recht groß und im Regelfall kaum zu erreichen.

Wird molekularer Wasserstoff in einfachen Metalltanks gelagert, so kommt es wegen der geringen Molekülgröße zu Diffusion, das heißt Gas tritt langsam durch die Gefäßwände aus. Dies ist bei der Speicherung problematisch; insbesondere für mit Wasserstoff betriebene Fahrzeuge, wenn diese lange an einem abgeschlossenen Platz (Garage, Tiefgarage) stehen. siehe dazu den nächsten Abschnitt "Speicherung von H₂

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

Hauptartikel: Wasserstoffspeicherung

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 Aussichten 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 in Kohlenstoff-Nanoröhren; in letzteren aber wohl nicht mehr [1]

Die ersten beiden Methoden erlauben eine einfache Wiedergewinnung, jedoch sind sie problematisch im Hinblick auf Sicherheitskriterien. Bei einem Unfall mit H₂ betriebenen Fahrzeugen können die Behälter leicht beschädigt werden und eventuell explodieren. Austretender Wasserstoff ist hochentzündlich und fördert die Brand- oder Explosionsgefahr. Die Druckbehälter müssen also ausreichend gegen Beschädigungen gesichert werden, was zusätzlichen Materialaufwand und größeres Gewicht bedeutet. Die Speicherung in Hydriden und Nanoröhren ist dagegen sehr sicher und die Tanks sind vergleichsweise leicht. Allerdings ist die Rückgewinnung gasförmigen Wasserstoffs komplizierter, v.a. in größeren Mengen zur gleichen Zeit. Die dazu verwendete Technik erfordert hohes technisches und physikalisches Verständnis und hochwertige Bauteile. Diese Form der Speicherung kann daher sehr teuer werden.

Viele ehemalige Probleme der Wasserstoffspeicherung wurden in den vergangenen Jahren gelöst und die Brennstoffzelle ist mittlerweile die aussichtsreichste Technologie für zukünftige Energiegewinnung aus Wasserstoff. Es ist zu erwarten, daß die verbleibenden Schwierigkeiten in naher Zukunft überwunden werden.

Siehe auch

Chemie: Periodensystem, Wasserstoffbrücke, Van-der-Waals-Bindung, Elektrolyse
Physik: Antiwasserstoff, Schrödinger-Gleichung, Metallischer Wasserstoff, Kernfusion
Technik: Brennstoffzelle

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

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