Wasserstoff ist mit einemMassenanteil von etwa 70 % das häufigste chemische Element imUniversum, jedoch nicht auf der Erde, wo sein Massenanteil an derErdhülle nur 0,87 % beträgt.[13]
Der Großteil des Wasserstoffs auf der Erde ist imWasser gebunden, der Verbindung mitSauerstoff, deren Masse zu 11 % aus Wasserstoff besteht. Wasserstoff kommt gebunden an andere Elemente in sämtlichenPflanzen und lebenden Organismen vor. Wasserstoff ist ein fester Bestandteil fast allerorganischen chemischen Substanzen.
Wasserstoff ist das chemische Element mit der geringstenAtommasse. Sein häufigstesIsotop, Protium, ist das einzige stabile Isotop ohne einNeutron. Es besteht nur aus einemProton und einemElektron. Es existieren zwei weitere natürlich vorkommendeWasserstoffisotope, von denen das nicht-radioaktiveDeuterium 0,0156 % des natürlichen Wasserstoffs ausmacht, während das in den oberen Schichten derErdatmosphäre gebildete radioaktiveTritium nur in kleinsten Mengen vorkommt.[13][14]
Unter Bedingungen, die normalerweise auf der Erde herrschen (sieheNormalbedingungen), liegt das gasförmige Element Wasserstoff nicht alsatomarer Wasserstoff mit dem Symbol H vor, sondern alsmolekularer Wasserstoff mit dem Symbol H2, als ein farb- und geruchlosesGas. Wenn z. B. beiRedoxreaktionen Wasserstoff neu gebildet wird, tritt das Element vorübergehend atomar als H auf und wird alsnaszierender Wasserstoff bezeichnet. In dieser reaktiven Form reagiert Wasserstoff besonders gut mit anderen Verbindungen oder Elementen.
Entdeckt wurde Wasserstoff vom englischen Chemiker und PhysikerHenry Cavendish im Jahre 1766, als er mit Metallen (Eisen,Zink undZinn) und Säuren experimentierte. Cavendish nannte das dabei entstandene Gas wegen seiner Brennbarkeit „inflammable air“ („brennbare Luft“). Er untersuchte das Gas eingehend und veröffentlichte seine Erkenntnisse.[15] Auf ähnliche Weise (Einwirkung von Säuren auf Metalle) hatten allerdings schon im 17. JahrhundertThéodore Turquet de Mayerne (um 1620) undRobert Boyle (um 1670) ein Gas erzeugt, das sieKnallgas genannt hatten. Eine genauere Analyse erfolgte aber erst durchAntoine Laurent de Lavoisier, der erkannte, dass bei der Verbrennung des Gases Wasser entstand und deshalb das brennbare Gas als „hydrogène“ bezeichnete (lateinischhydrogenium: „Wasser erzeugender Stoff“, davon kurz „Hydrogen“; vonaltgriechischὕδωρhydōr „Wasser“ und-gen) und ihm damit seinen heutigen Namen gab. Cavendish hatte inzwischen – eine Beobachtung vonJoseph Priestley aufgreifend – erkannt, dass bei der Verbrennung von Wasserstoff Wasser entsteht (veröffentlicht erst 1784).[16] Lavoisier erfuhr von den Experimenten von Cavendish beim Besuch von dessen AssistentenCharles Blagden 1783. Cavendish war Anhänger derPhlogistonlehre und sein Wasserstoff war für ihn ein Kandidat für diese hypothetische Substanz. Lavoisier aber zeigte in Experimenten, dass das Gas ein eigenständiges Element war und ein Bestandteil des Wassers, das man damals vielfach noch selbst für elementar hielt, gemäß der altenVier-Elemente-Lehre. Lavoisier führte seine Experimente quantitativ aus unter Verwendung der von ihm postulierten Massenerhaltung. Er leitete Wasserdampf in einerabgeschlossenen Apparatur über glühende Eisenspäne und ließ die entstandenen Gase an anderer Stellekondensieren. Dabei stellte er fest, dass die Masse des kondensierten Wassers etwas geringer war als die der ursprünglich eingesetzten Masse. Dafür war ein Gas entstanden, dessen Masse zusammen mit dem Gewichtszuwachs des oxidierten Eisens genau der „verloren gegangenen“ Wassermenge entsprach. Sein eigentliches Experiment war also erfolgreich.
Antoine Laurent de Lavoisier. Er gab dem Wasserstoff seinen Namen
Lavoisier untersuchte das entstandene Gas weiter und führte die alsKnallgasprobe bekannte Untersuchung durch, wobei das Gas verbrannte. Er nannte es daher zunächst wie Cavendishbrennbare Luft (im Französischen in umgekehrter Wortstellung „air inflammable“). Als er in weiteren Experimenten zeigte, dass sich aus dem Gas umgekehrt Wasser erzeugen lässt, taufte er es hydro-gène (griechisch:hydro = Wasser;genes = erzeugend). Das Wort bedeutet demnach: „Wassererzeuger“. Die deutsche Bezeichnung lässt auf die gleiche Begriffsherkunft schließen.
Nachdem man gemäß der Schule von Lavoisier lange Sauerstoff für den Säurecharakter verantwortlich gemacht hatte, änderte sich dies, alsHumphry Davy 1808Chlorwasserstoff darstellte und nachwies, dass darin kein Sauerstoff enthalten war. Danach erkannte man, dass statt Sauerstoff Wasserstoff für den Säurecharakter verantwortlich war.
DerSaturn mit seinen Ringen aus Eis und Staub. Der Planet selbst besteht größtenteils aus Wasserstoff und Helium.
Wasserstoff ist das häufigste chemische Element in der Sonne und den großen GasplanetenJupiter,Saturn,Uranus undNeptun, die über 99,99 % der Masse des Sonnensystems in sich vereinen. Wasserstoff stellt 75 % der gesamten Masse beziehungsweise 93 % aller Atome des Sonnensystems dar. Im gesamtenWeltall wird (unter Nichtbeachtungdunkler Materie) ein noch höherer Anteil an Wasserstoff vermutet.
Kurz nach der Entstehung des Universums waren nach der mutmaßlichen Vernichtung derAntimaterie durch ein geringes Übermaß der Materie und der Kondensation einesQuark-Gluon-Plasmas zuBaryonen nur mehr Protonen und Neutronen (nebstElektronen) vorhanden. Bei den vorherrschenden hohen Temperaturen vereinigten sich diese zu leichten Atomkernen, wie2H und4He. Die meisten Protonen blieben unverändert und stellten die zukünftigen1H-Kerne dar.Nach ungefähr 380.000 Jahren war die Strahlungsdichte des Universums so gering geworden, dass sich Wasserstoff-Atome einfach durch Zusammenschluss der Kerne mit den Elektronen bilden konnten, ohne gleich wieder durch ein Photon auseinandergerissen zu werden.
Mit der weitergehenden Abkühlung des Universums formten sich unter dem Einfluss derGravitation und ausgehend von räumlichen Dichteschwankungen allmählich Wolken aus Wasserstoffgas, die sich zunächst großräumig zuGalaxien und darin zuProtosternen zusammenballten. Unter dem wachsenden Druck der Schwerkraft setzte schließlich dieKernfusion ein, bei der Wasserstoff zu Helium verschmilzt. So entstanden erste Sterne und später die Sonne.
Sterne bestehen weit überwiegend aus Wasserstoff-Plasma. DieKernfusion von Wasserstoff1H zuHelium4He erfolgt hauptsächlich über die ZwischenstufenDeuterium2H und Helium3He oder über denBethe-Weizsäcker-Zyklus. Die dabei frei werdende Energie ist die Energiequelle der Sterne. Der in unserer Sonne enthaltene Wasserstoff macht den größten Teil der gesamten Masse unseres Sonnensystems aus.
Die Gasplaneten bestehen zu großen Teilen aus Wasserstoff. Unter den extremen Drücken, die in großen Tiefen in den großenGasplanetenJupiter undSaturn herrschen, kann er inmetallischer Form existieren. Dieser „metallische“ Kern ist elektrischleitfähig und erzeugt vermutlich dasMagnetfeld der Gasplaneten.
Außerhalb von Sternensystemen kommt Wasserstoff in Gaswolken vor. In den so genanntenH-I-Gebieten liegt das Element atomar und nichtionisiert vor. Diese Gebiete emittieren Strahlung von etwa 1420 MHz, die sogenannte21-cm-Linie, auch HI- oder Wasserstofflinie genannt, die von Übergängen des Gesamtdrehimpulses herrührt. Sie spielt eine wichtige Rolle in der Astronomie und dient dazu, Wasserstoffvorkommen im All zu lokalisieren und zu untersuchen.
Ionisierte Gaswolken mit atomarem Wasserstoff nennt man dagegenH-II-Gebiete. In diesen Gebieten senden Sterne hohe Mengen ionisierender Strahlung aus. Mit Hilfe der H-II-Gebiete lassen sich Rückschlüsse auf die Zusammensetzung der interstellaren Materie ziehen. Wegen ständiger Ionisation und Rekombination der Atome senden sie mitunter sichtbare Strahlung aus, die oft so stark ist, dass man diese Gaswolken mit einem kleinen Fernrohr sehen kann.
Auf der Erde ist der Massenanteil wesentlich geringer. Bezogen auf die Erd-Gesamtmasse ist der Anteil etwa 0,03 %.[17] Außerdem liegt der irdische Wasserstoff im Gegensatz zu den Vorkommen im All überwiegend gebunden und nur selten inreiner Form als unvermischtes Gas vor. Die bekannteste Verbindung ist das Wasser. Neben diesem sind Erdgase wieMethan sowie Erdöl wichtige wasserstoffhaltige Verbindungen auf der Erde. In mehr als der Hälfte aller bisher bekannten Minerale ist Wasserstoff (meist alsKristallwasser) enthalten.[18]
Der größte Anteil des Wasserstoffs an der Erdoberfläche kommt in der Verbindung Wasser vor. In dieser Form bedeckt er über zwei Drittel der 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 denOzeanen. Die verbliebenen 3,5 % liegen als Süßwasser vor. Davon befindet sich wiederum der größte Teil im festen Aggregatzustand: in Form von Eis in derArktis undAntarktis sowie in denPermafrostböden vor allem inSibirien. Der geringe restliche Anteil ist flüssiges Süßwasser und findet sich meist in Seen und Flüssen, aber auch als Grundwasser.
In derErdatmosphäre liegt Wasserstoff hauptsächlich als gasförmiges Wasser (Wasserdampf) vor. Wie viel Wasserdampf eine Volumeneinheit Luft enthält, hängt neben dem Vorhandensein von Wasser von der Lufttemperatur ab. Beispielsweise kann Luft von 30 °C Temperatur bis zu einem Volumenanteil von 4,2 % Wasserdampf aufnehmen. Dierelative Luftfeuchtigkeit beträgt dann 100 %, da derSättigungsdampfdruck des Wassers erreicht ist.
Die Häufigkeit von molekularem Wasserstoff in der Atmosphäre beträgt nur 0,55 ppm. Dieser niedrige Anteil kann mit der hohen thermischen Geschwindigkeit der Moleküle und dem hohen Anteil anSauerstoff in der Atmosphäre erklärt werden. Bei der mittleren Temperatur der Atmosphäre bewegen sich die H2-Teilchen im Durchschnitt mit fast 2 km/s. Das ist rund ein Sechstel derFluchtgeschwindigkeit auf der Erde. Aufgrund derMaxwell-Boltzmann-Verteilung der Geschwindigkeiten der H2-Moleküle gibt es aber dennoch eine beträchtliche Zahl von Molekülen, welche die Fluchtgeschwindigkeit erreichen. Die Moleküle haben jedoch nur eine extrem geringe freie Weglänge, sodass nur Moleküle in denoberen Schichten der Atmosphäre tatsächlich entweichen. Weitere H2-Moleküle kommen aus darunter liegenden Schichten nach, und es entweicht wieder ein bestimmter Anteil, bis letztlich nur noch Spuren des Elements in der Atmosphäre vorhanden sind. Zudem wird der Wasserstoff in den unteren Schichten der Atmosphäre durch eine photoaktivierte Reaktion mit Sauerstoff zu Wasser verbrannt. Bei einem geringen Anteil stellt sich ein Gleichgewicht zwischen Verbrauch und Neuproduktion (durch Bakterien und photonische Spaltung des Wassers) ein.
Kleinere Mengen Wasserstoff können bei Schauversuchen durch Reaktionen von verdünnten Säuren mit unedlen Metallen wieZink gewonnen werden. Für die Reaktion gilt schematisch:
Bei dieser Reaktion handelt es sich um eineRedoxreaktion, in der das Zink alsReduktionsmittel wirkt und die Protonen der Säure durch Abgabe von Elektronen zum elementaren Wasserstoff reduziert, während das Zink nach Abgabe der Elektronen alskationisches Zink mit dem Anion der Säure einZinksalz bildet. Wenn bei dieser Reaktion die Temperatur erhöht wird oder wenn gar an Stelle von ZinkAlkalimetalle als sehr starke Reduktionsmittel verwendet werden, dann bildet sich Wasserstoff bereits mitschwachen Säuren, wie z. B. Wasser. Das ist der Grund dafür, dassMetallbrände niemals mit Wasser gelöscht werden dürfen, denn gebildeter Wasserstoff würde dann als Brandverstärker wirken.[13]
Das wichtigste großtechnische Verfahren zur industriellen Gewinnung von molekularem Wasserstoff ist die um 1920 entwickelteDampfreformierung. Bei dieser Reaktion werden unter hoher Temperatur und hohem DruckKohlenwasserstoffe wie Methan und andere als Reduktionsmittel für die Protonen des Wassers eingesetzt. Dabei entsteht zunächst ein sogenanntesSynthesegas, ein Gemisch ausKohlenstoffmonoxid und Wasserstoff. Das Mengenverhältnis der Reaktionsprodukte kann anschließend mit der sogenanntenWassergas-Shift-Reaktion zu Gunsten von Wasserstoff zwar noch verbessert werden, jedoch entsteht dabei unerwünschtes Kohlendioxid und der Wirkungsgrad (Erdgas zu Wasserstoff) erreicht nur etwa 60 bis 70 %.[13]
Derzeit gewinnt im Rahmen der Debatte um die Vermeidung von Kohlendioxid und um diePower-to-Gas-Strategie dieWasserelektrolyse als Methode zur Herstellung von Wasserstoff immer mehr an Bedeutung. Bei der Wasserelektrolyse wirdWasser in einer elektrochemischen Redoxreaktion durch Zufuhr von elektrischer Energie in die Bestandteile Wasserstoff undSauerstoff zerlegt.
Wasser wird durch elektrischen Strom in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten.
Atomarer Wasserstoff kann durch Zufuhr derDissoziationsenergie aus dem molekularen Element erzeugt werden. Methodisch wird dieses bewerkstelligt durch Erhitzung auf mehrere tausend Grad, elektrische Entladung bei hoher Stromdichte und niedrigem Druck, Bestrahlung mitUltraviolettlicht, Beschuss mit Elektronen bei 10 bis 20Elektronenvolt oderMikrowellenstrahlung. Allerdings reagiert atomarer Wasserstoff (z. B. an Behälterwänden) sehr schnell wieder zu molekularem Wasserstoff. Es stellt sich somit einFließgleichgewicht ein, das in der Regel weit auf der Seite des molekularen Wasserstoffs liegt.
Wasserstoff ist das Element mit der geringsten Dichte. Molekularer Wasserstoff (H2) ist etwa 14,4-mal weniger dicht als Luft. Flüssiger Wasserstoff wiegt je nach Temperatur zwischen 77,00 und 31,26 Gramm pro Liter.[20] Sein Schmelzpunkt liegt bei 14,02 K (−259 °C), der Siedepunkt bei 21,15 K (−252 °C). Wasserstoff ist in Wasser und anderen Lösungsmitteln schlecht löslich. Für Wasser beträgt die Löslichkeit 19,4 ml/l (1,6 mg/l)[7] bei 20 °C und Normaldruck. Dagegen ist die Löslichkeit (genauer: maximaleVolumenkonzentration) in Metallen deutlich höher.
Einigethermodynamische Eigenschaften (Transportphänomene) sind aufgrund der geringenMolekülmasse und der daraus resultierenden hohen mittleren Geschwindigkeit der Wasserstoffmoleküle (1770 m/s bei 25 °C) von besonderer Bedeutung, wie z. B. beimOberth-Effekt-Raketentreibstoff. Der Joule-Thomson-Koeffizient von Wasserstoff ist bei Raumtemperatur negativ (Joule-Thomson-Effekt). Das bedeutet, dass bei einerIsenthalpen Entspannung des Drucks das Gas bei dieser Temperatur im Gegensatz zu den meisten anderen Gasen nicht abkühlt, sondern erwärmt. Wasserstoff besitzt bei Raumtemperatur das höchsteDiffusionsvermögen, die höchsteWärmeleitfähigkeit und die höchsteEffusionsgeschwindigkeit aller Gase. Eine geringereViskosität weisen nur drei- oder mehratomigereale Gase wieButan auf.
DieMobilität des Wasserstoffs in einer festen Matrix ist, bedingt durch den geringen Molekülquerschnitt, ebenfalls sehr hoch. So diffundiert Wasserstoff durch Materialien wiePolyethylen und glühendesQuarzglas. Ein sehr wichtiges Phänomen ist die außerordentlich hohe Diffusionsgeschwindigkeit in Eisen, Platin und einigen anderenÜbergangsmetallen, da es dort dann zurWasserstoffversprödung kommt. In Kombination mit einer hohen Löslichkeit treten bei einigen Werkstoffen extrem hohePermeationsraten auf. Hieraus ergeben sich technische Nutzungen zur Wasserstoffanreicherung, aber auch technische Probleme beim Transportieren, Lagern und Verarbeiten von Wasserstoff und Wasserstoffgemischen, da nur Wasserstoff diese räumlichen Begrenzungen durchwandert (sieheSicherheitshinweise).
In einemmagnetischen Feld verhält sich H2 sehr schwachdiamagnetisch. Das bedeutet, die Dichte der Feldlinien eines extern angelegten Magnetfeldes nimmt in der Probe ab. Diemagnetische Suszeptibilität ist bei Normdruck =-2.2e-9 und typischerweise einige Größenordnungen unter der von diamagnetischen Festkörpern.
Der empirischeAtomradius von (atomarem) Wasserstoff beträgt 25 pm, derkovalente Radius 31 pm und derVan-der-Waals-Radius 120 pm.[6] In höchstangeregten Wasserstoffatomen (Rydberg-Zuständen), wie sie unter den Vakuumbedingungen interstellarer Nebel vorkommen, befinden sich deren Elektronen auf Bahnen mit Atomradien von bis zu 0,339 Millimetern.[21]
Tank für flüssigen Wasserstoff im Museum Autovision in Altlußheim
Bei Temperaturen unterhalb von 21,15 K (−252 °C) kondensiert Wasserstoff zu einer klaren, farblosen Flüssigkeit. Dieser Zustand wird alsLH2 abgekürzt (engl.liquid, „flüssig“). Unterhalb von 14,02 K (−259,2 °C) bildet Wasserstoff einen kristallinen Festkörper mithexagonal dichtester Kugelpackung (hcp), dort ist jedes Molekül von zwölf weiteren umgeben. Am Gefrierpunkt bildet sich beim Abkühlen ein schlammartiges Zweiphasengemisch, ein sogenannterSlush.
DerTripelpunkt des Wasserstoffs, bei dem seine drei Aggregatzustände gleichzeitig vorkommen, ist einer der Fixpunkte derInternationalen Temperaturskala. Er liegt bei einer Temperatur von 13,8033 K[22] und einem Druck von 7,042 kPa.[22] Derkritische Punkt liegt bei 33,18 K[22] und 13,0 bar,[22] die kritische Dichte beträgt 0,03012 g/cm³[19] (die niedrigste kritische Dichte aller Elemente).
Unter extremen Drücken, wie sie innerhalb vonGasplaneten herrschen, wird wahrscheinlichmetallischer Wasserstoff, d. h. in metallischer Form, ausgebildet. Dabei wird er elektrisch leitend (vgl.Leitungsband).
Ein einzelnes Wasserstoffatom besteht aus einem positiv geladenenKern und einem negativ geladenenElektron, das über dieCoulomb-Wechselwirkung an den Kern gebunden ist. Dieser besteht stets aus einem einzelnen Proton (Hauptisotop1H) und seltener je nachIsotop einem oder zwei zusätzlichenNeutronen (2H bzw.3H-Isotop). DasWasserstoffatom1H spielte aufgrund seines einfachen Aufbaus in der Entwicklung der Atomphysik als „Modellatom“ eine herausragende Rolle.
Orbitale des Wasserstoffatoms für verschiedenen- undl-Quantenzahlen
So entstand 1913 aus Untersuchungsergebnissen am Wasserstoff dasbohrsche Atommodell, mit dessen Hilfe eine vergleichsweise einfache Beschreibung vieler Eigenschaften des Wasserstoffatoms möglich ist. Man stellt sich dazu vor, dass das Elektron den Kern auf einer bestimmten Kreisbahn umläuft. Nach Bohr kann das Elektron auch auf andere, im Abstand zum Kern genau definierte Bahnen springen, so auf weiter außen liegende, wenn ihm die dazu nötige Energie zugeführt wird (z. B. durch Stöße im erhitzten Gas oder in der elektrischenGasentladung). Beim Rücksprung von einer äußeren auf eine innere Bahn wird jeweils eineelektromagnetische Strahlung oder Welle einer bestimmten, der frei werdenden Energie entsprechendeWellenlänge abgegeben. Mit diesem Modell lassen sich die Spektrallinien des H-Atoms erklären, die im sichtbaren Licht bei Wellenlängen von 656 nm, 486 nm, 434 nm und 410 nm liegen (Balmer-Serie); imultravioletten Bereich liegt dieLyman-Serie mit Wellenlängen von 122 nm, 103 nm, 97 nm und 95 nm. Wichtige Serien imInfraroten sind diePaschen-Serie (1,9 μm; 1,3 μm; 1,1 μm und 1 μm) und dieBrackett-Serie (4,1 μm; 2,6 μm; 2,2 μm und 1,9 μm) (in allen Serien sind hier nur die ersten vier Linien angegeben). Das Bohrsche Modell reicht aber bei der Betrachtung von Details und für andere Atome zur Erklärung der dabei beobachteten bzw. gemessenen Phänomene nicht aus.
Physikalisch korrekter ist diequantenmechanische Beschreibung, die dem Elektron anstelle der flachen bohrschen Bahnen räumlich ausgedehnteAtomorbitale zuschreibt. Das H-Atom ist das einzige, für das sich dasEigenwertproblem sowohl der nichtrelativistischenSchrödingergleichung als auch der relativistischenDiracgleichung analytisch, das heißt ohne den Einsatznumerischer Verfahren, lösen lässt. Das ist sonst nur für die ebenfalls ausgiebig untersuchten wasserstoffähnlichen Ionen möglich, denen lediglich ein Elektron verblieben ist (He+, Li2+ usw. bis U91+).
Andere quantenmechanische Phänomene bewirken weitere Effekte. DieFeinstruktur der Spektrallinien kommt u. a. daher, dass Bahndrehimpuls undSpin des Elektrons miteinander koppeln. Berücksichtigt man darüber hinaus denKernspin, kommt man zurHyperfeinstruktur. Eine sehr kleine, aber physikalisch besonders interessante Korrektur ist dieLambverschiebung durch elektromagnetischeVakuumfluktuationen. Durch all diese Korrekturen wird bereits das Spektrum des Wasserstoffs zu einem komplexen Phänomen, dessen Verständnis viel theoretisches Wissen in Quantenmechanik und Quantenelektrodynamik erfordert.
Es existieren drei natürlich vorkommendeIsotope des Wasserstoffs. Von allen Elementen unterscheiden sich beim Wasserstoff die Isotope in ihren chemischen Reaktionsfähigkeiten am deutlichsten voneinander. Das liegt an dem vergleichsweise großen Unterschied der Atommasse (Deuterium2H doppelt,Tritium3H dreimal so schwer wie Wasserstoff1H).
Das einfachste Wasserstoff-Isotop1H besitzt lediglich ein Proton im Kern und wird daher gelegentlichProtium genannt. Es hat mit einer relativen Häufigkeit von 99,98 % den weitaus größten Anteil am irdisch vorkommenden Wasserstoff. Es ist nichtradioaktiv, also stabil.
Das Isotop2H hat neben dem Proton ein Neutron im Kern. Man bezeichnet es alsDeuterium. Für Deuterium gibt es das D als ein eigenes Symbol.[23] Verwendung findet es z. B. als Bestandteil von Lösungsmitteln für die1H-NMR Spektroskopie, da es dabei kein störendes Nebensignal liefert. Es macht 0,015 % aller Wasserstoffatome aus. Deuterium ist ebenfalls stabil.
Das Isotop3H hat neben dem Proton zwei Neutronen im Kern. Man bezeichnet es alsTritium mit dem Symbol T. Es hat nur einen verschwindenden Anteil am gesamten in der Natur vorkommenden Wasserstoff. Es istradioaktiv und zerfällt durchBetazerfall (β−) mit einerHalbwertszeit von 12,32 Jahren in3He. Tritium wird durchKernreaktionen in der oberenErdatmosphäre ständig als kosmogenesRadionuklid gebildet.[24] Im Gleichgewicht von natürlicher Produktion und Zerfall befinden sich ca. 3,5 kg Tritium in derBiosphäre. Tritium kann inOberflächenwassern und in Lebewesen nachgewiesen werden.
Die schwereren Isotope4H,5H,6H und7H haben sehr kurze Lebensdauern in der Größenordnung von 10−22 s bis 10−21 s.
Unter normalen Bedingungen ist Wasserstoffgas H2 ein Gemisch von Molekülen, die sich durch die Symmetrie ihrerKernspins voneinander unterscheiden:ortho- undpara-Wasserstoff (kurz o- und p-Wasserstoff). Bei o-Wasserstoff haben die Kernspins symmetrische Konfiguration, daher GesamtspinS = 1 und für die Molekülrotation nur ungerade QuantenzahlenJ = 1, 3 … Beim p-Wasserstoff nehmen die Kernspins einen antisymmetrischen Zustand ein, bilden also den GesamtspinS = 0 und haben für die Molekülrotation nur gerade QuantenzahlenJ = 0, 2 … MitJ = 0 ist p-Wasserstoff die energieärmste Form, also derGrundzustand. Der erste angeregte Zustand ist bei 15,1 meV Energie o-Wasserstoff mitJ = 1.
Nahe demabsoluten NullpunktT = 0 K findet man im thermodynamischen Gleichgewicht ausschließlich p-Wasserstoff, für nicht zu kaltes Wasserstoffgas ein Gemisch aus der p- und der o-Form. Da es für GesamtspinS = 0 nur einen Spinzustand gibt, bei symmetrischen Kernspins (S = 1) aber drei Zustände verschiedener Orientierung im Raum, überwiegen diese ab etwaT > 200 K im Gleichgewicht im Verhältnis ortho/para-Wasserstoff von bis zu 3:1. Weiter kann der Anteil der o-Form im thermodynamischen Gleichgewicht nicht gesteigert werden.
Im reinen Gas dauert bei tiefen Temperaturen die Einstellung des Gleichgewichts Monate, da die Wechselwirkungen zwischen den Kernen und der Hülle extrem schwach sind. Für diese Zeiten liegt damit praktisch eine Mischung von zwei unterschiedlichen Gasen vor. Trotz gleicher chemischer Zusammensetzung H2 unterscheiden sie sich sogar makroskopisch durch deutlich verschiedenen Temperaturverlauf derspezifischen Wärme. Abgesehen hiervon sind die physikalischen Eigenschaften von o- und p-Wasserstoff aber nur geringfügig verschieden. Beispielsweise liegen der Schmelz- und Siedepunkt der p-Form etwa 0,1 K unter denen der o-Form.
Bei der industriellen Herstellung von flüssigem Wasserstoff spielt der Übergang zwischen o- und p-Wasserstoff eine wichtige Rolle, weil bei der Temperatur der Verflüssigung das Gleichgewicht schon stark zur p-Form hin tendiert und sich spätestens im flüssigen Zustand dann schnell einstellt. Damit die dabei frei werdende Wärme nicht gleich einen Teil der gewonnenen Flüssigkeit wieder verdampfen lässt, beschleunigt man die Einstellung des neuen Gleichgewichts schon im gasförmigen Zustand durch den Einsatz vonKatalysatoren.
ImPeriodensystem steht Wasserstoff in der I. Hauptgruppe, weil er 1Valenzelektron besitzt. Ähnlich wie die ebenfalls dort stehendenAlkalimetalle hat er in vielen Verbindungen dieOxidationszahl+1. Allerdings ist sein Valenzelektron auf der K-Schale, die nur maximal 2 Elektronen haben kann und somit dieEdelgaskonfiguration bereits mit 2 Elektronen und nicht mit 8, wie bei den anderen Schalen, erreicht.
Durch Aufnahme eines Elektrons von sehr unedlen Metallen kann Wasserstoff die Edelgaskonfiguration des Heliums erreichen und hat dann die Oxidationszahl−1. Diese Verbindungen haben einenHalogenidcharakter und werden alsHydride bezeichnet.
Diese Stellung quasi „in der Mitte“ zwischen zwei Edelgaskonfigurationen, in der er die gleiche Anzahl Elektronen aufnehmen oder abgeben kann, ist eine Eigenschaft, die der IV. Hauptgruppe ähnelt, was seineElektronegativität erklärt, die eher der des ebenfalls „in der Mitte“ stehendenKohlenstoffs als der desLithiums gleicht.
Aufgrund dieser „gemäßigten“ Elektronegativität sind die für die I. Hauptgruppe typischen Bindungen des Wasserstoffs in der Oxidationszahl+1 keine Ionenbindungen wie bei den Alkalimetallen, sondernkovalente Molekülbindungen.
Zusammenfassend sind die Eigenschaften des Wasserstoffs für die I. Hauptgruppe atypisch, da aufgrund der Tatsache, dass die K-Schale nur 2 Elektronen aufnehmen kann, Eigenschaften anderer Gruppen hinzukommen.
Bei Zündung reagiert Wasserstoff mitSauerstoff undChlor heftig, ist sonst aber vergleichsweise beständig und wenig reaktiv. Bei hohen Temperaturen wird das Gas reaktionsfreudig und geht mit Metallen und Nichtmetallen gleichermaßen Verbindungen ein.
je ein Chlor- und Wasserstoffmolekül reagieren zu zwei Chlorwasserstoffmolekülen
Diese Reaktion ist unter dem NamenChlorknallgasreaktion bekannt, die sich schon durch die Bestrahlung mit Licht zünden lässt. Für dieKnallgasreaktion (Wasserstoff und Sauerstoff) bedarf es einer Zündung.
je ein Sauerstoff- und zwei Wasserstoffmoleküle reagieren zu zwei Wassermolekülen
Die aggressivste Reaktion bei niedrigen Temperaturen geht jedoch Wasserstoff mitFluor ein. Wird Wasserstoffgas bei −200 °C auf gefrorenes Fluor geleitet, reagieren die beiden Stoffe sofort explosiv miteinander.
je ein Fluor- und Wasserstoffmolekül reagieren zu zwei Fluorwasserstoffmolekülen
Wird der molekulare Wasserstoff ionisiert, so spricht man vomDiwasserstoff-Kation. Dieses Teilchen tritt z. B. in Niedertemperatur-Plasmaentladungen in Wasserstoff als häufiges Ion auf.
Wasserstoffin statu nascendi, d. h. imZustand des Entstehens unmittelbar nach einer Wasserstoff erzeugenden Reaktion, existiert für Sekundenbruchteile in Form der einzelnen, sehr reaktiven H-Atome. Je zwei der Atome reagieren dann zum Molekül, das sich aber nach dem Zusammenschluss für kurze Zeit noch in einemangeregten Zustand befindet. Nascierender Wasserstoff kann – abweichend vom „normalen“ chemischen Verhalten – verschiedene Reaktionen bewirken, die mit molekularem Wasserstoff nicht möglich sind.
So gelingt es zum Beispiel nicht, mit Hilfe von imKippschen Apparat erzeugtem Wasserstoffgas in einer angesäuerten, violettenKaliumpermanganatlösung (KMnO4) oder gelbenKaliumdichromatlösung (K2Cr2O7) den die Reduktion anzeigenden Farbwechsel hervorzurufen. Mit direkt in diesen Lösungen durch Zugabe von Zinkpulver erzeugtem Wasserstoffin statu nascendi gelingt diesereduktive Farbänderung.
Nascierender Wasserstoff vermag unter sauren Bedingungen violette Permanganatlösung zu entfärben.
Unter sauren Bedingungen wird gelbe Dichromatlösung grün durch die reduzierende Wirkung des nascierenden Wasserstoffs.
Um molekularen Wasserstoff in die Atome zu zerlegen, muss Energie von 436,22 kJ/mol (4,52 eV pro Molekül) aufgewendet werden (der Chemiker spricht vonEnthalpie); beim Zusammenschluss zu Wasserstoffmolekülen wird diese Energie wieder freigesetzt:
Diese Energie ist unterStandardbedingungen weit höher als die thermische Energie, daher liegt das Gleichgewicht vollkommen auf der rechten Seite der dargestellten Gleichung.
Im Weltraum liegt bei niedrigen Temperaturen in der Regel molekularer Wasserstoff vor. In der Nähe heißer Sterne wird molekularer Wasserstoff jedoch von deren Strahlung aufgespalten, so dass dort die atomare Form überwiegt oder auch die Atome ionisiert werden (H-II-Gebiet).
Innerhalb von Sternen liegt Wasserstoff infolge der dort herrschenden hohen Temperaturen nicht atomar vor, sondern alsPlasma. Die Oberfläche der Sonne hat jedoch „nur“ eine Temperatur von ca. 5500 °C, was einer thermischen Energie von 0,5 eV entspricht, weit unter der Energie von 4,5 eV, die zur Auflösung der molekularen Bindung erforderlich ist. Bei dieser Temperatur ist daher der größte Teil des Wasserstoffes nicht ionisiert und sogar molekular. Im Außenbereich der Sonne, derKorona, herrschen hingegen Temperaturen um eine Million Kelvin. Daher sind im Sonnenlicht die Übergänge der Elektronen im atomaren Wasserstoff erkennbar.
Eine wichtige Eigenschaft des Wasserstoffs ist die so genannteWasserstoffbrückenbindung, eine anziehende elektrostatischeKraft zwischen zwei Molekülen. Ist Wasserstoff an ein starkelektronegatives Atom, wie Fluor oder Sauerstoff, 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 polarisiert. 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 jeweiligen Partners auf. Das ist eine Wasserstoffbrückenbindung.
Da die Wasserstoffbrückenbindung mit nur 17 kJ/mol bis 167 kJ/mol[25] schwächer ist als die Bindungskraft innerhalb eines Moleküls, verbinden sich die Moleküle nicht dauerhaft. Vielmehr bleibt die Wasserstoffbrücke wegenständiger Bewegung 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, wieDNA oderWasser. Bei Letzterem führen diese Bindungen zu denAnomalien des Wassers, insbesondere derDichteanomalie.
Jedes Jahr werden weltweit mehr als 600 Milliarden Kubikmeter Wasserstoff (rd. 30 Mio. t) für zahllose Anwendungen in Industrie und Technik gewonnen. Wichtige Einsatzgebiete sind:
Reduktionsmittel: H2 kann mit Metalloxiden reagieren und ihnen dabei den Sauerstoff entziehen. Es entsteht Wasser und das reduzierte Metall. Dieses Verfahren derVerhüttung vonErzen und Zwischenprodukten wird genützt um Metalle möglichst rein zu gewinnen, etwaWolfram. Denn Kohle und Koks bringen Begleitstoffe wie Phosphor und Schwefel ein.
Fetthärtung: GehärteteFette werden aus Pflanzenöl mittelsHydrierung gewonnen. Dabei werden die Doppelbindungen in ungesättigten Fettsäure-Resten derGlyceride mit Wasserstoff abgesättigt. Die entstehenden Fette haben einen höheren Schmelzpunkt, wodurch das Produkt fest wird. Auf diese Weise stellt manMargarine her. Dabei können als Nebenprodukt gesundheitlich bedenklichetrans-Fette entstehen.
Lebensmittelzusatzstoff: Wasserstoff ist als E 949 zugelassen und wird (selten) als Treibgas, Packgas u. ä. verwendet.[26]
Kühlmittel: Aufgrund seiner hohenWärmekapazität benutzt man (gasförmigen) Wasserstoff in Kraftwerken und den dort eingesetztenTurbogeneratoren als Kühlmittel. Insbesondere setzt man H2 dort ein, wo eine Flüssigkeitskühlung problematisch werden kann. Die Wärmekapazität kommt dort zum Tragen, wo das Gas nicht oder nur langsam zirkulieren kann. Weil dieWärmeleitfähigkeit ebenfalls hoch ist, verwendet man strömendes H2 zum Abtransport von thermischer Energie in große Reservoire (z. B. Flüsse). In diesen Anwendungen schützt Wasserstoff die Anlagen vor Überhitzung und erhöht die Effizienz. Von Vorteil ist dabei, dass Wasserstoff durch seine geringe Dichte, die in dieReynoldszahl eingeht, bis zu höheren Geschwindigkeiten widerstandsarmlaminar strömt als andere Gase.
Kryogen: Wegen der hohen Wärmekapazität und des niedrigen Siedepunkts eignet sich flüssiger Wasserstoff als Kryogen, also als Kühlmittel für extrem tiefe Temperaturen. Auch größere Wärmemengen können von flüssigem Wasserstoff gut absorbiert werden, bevor eine merkliche Erhöhung in seiner Temperatur auftritt. So wird die tiefe Temperatur bei äußeren Schwankungen aufrechterhalten.
Traggas: InBallons undLuftschiffen fand Wasserstoff eine seiner ersten Verwendungen. Wegen der leichten Entzündlichkeit von H2-Luft-Gemischen führte dies jedoch wiederholt zu Unfällen. Die größte Katastrophe in diesem Zusammenhang ist wohl das Unglück der„Dixmude“ 1923, am bekanntesten wurde sicherlich die„Hindenburg-Katastrophe“ im Jahr 1937. In bemannten Zeppelinen wurde daraufhin der Wasserstoff durch Helium ersetzt. Spielt der Sicherheitsaspekt keine Rolle, beispielsweise beiWetterballons, wird weiterhin der vielfach kostengünstigere und leichtere Wasserstoff bevorzugt.
Deuterierte Lösungsmittel werden in dermagnetischen Kernresonanzspektroskopie benutzt, da Deuterium einen Kernspin von Eins besitzt und im NMR-Spektrum des normalen Wasserstoff-Isotops nicht sichtbar ist.
In der Chemie und Biologie helfen Deuteriumverbindungen bei der Untersuchung von Reaktionsabläufen und Stoffwechselwegen (Isotopenmarkierung), da sich Verbindungen mit Deuterium chemisch und biochemisch meist nahezu identisch verhalten wie die entsprechenden Verbindungen mit Wasserstoff. Die Reaktionen werden von der Markierung nicht gestört, der Verbleib des Deuteriums ist in den Endprodukten dennoch feststellbar.
Ferner sorgt der erhebliche Massenunterschied zwischen Wasserstoff und Deuterium für einen deutlichenIsotopeneffekt bei den massenabhängigen Eigenschaften. So hat dasschwere Wasser einen messbar höheren Siedepunkt als Wasser.
Das radioaktive IsotopTritium (T =3H) wird inKernreaktoren in industriell verwertbaren Mengen hergestellt. Außerdem ist es neben Deuterium ein Ausgangsstoff bei der Kernfusion zu Helium. In der zivilen Nutzung dient es in Biologie und Medizin als radioaktiver Marker. So lassen sich beispielsweise Tumorzellen aufspüren. In der Physik ist es einerseits selbst Forschungsgegenstand, andererseits untersucht man mit hochbeschleunigten Tritiumkernen schwere Kerne oder stellt künstliche Isotope her.
Mit Hilfe derTritiummethode lassen sich Wasserproben sehr genau datieren. Mit einer Halbwertszeit von etwa zwölf Jahren eignet es sich besonders für die Messung relativ kurzer Zeiträume (bis zu einigen hundert Jahren). Unter anderem lässt sich so das Alter einesWeines feststellen.
Es findet Verwendung als langlebige, zuverlässige Energiequelle fürLeuchtfarben (im Gemisch mit einemFluoreszenzfarbstoff), vor allem in militärischen Anwendungen, auch in Armbanduhren. Weitere militärische Verwendung findet das Isotop in derWasserstoffbombe und gewissen Ausführungen vonKernwaffen, deren Wirkung auf Spaltung beruht.
AlsEnergieträger ist Wasserstoff – wie elektrische Energie – keinePrimärenergie, sondern muss wieStrom aus Primärenergie hergestellt werden.
Wasserstoff als Energieträger verursacht keinKohlendioxid, wenn er mit Energiequellen wieWind-,Sonnen-,Hydro- oderKernenergie gewonnen wird (sogenanntergrüner bzw.rosa Wasserstoff).[28]Biowasserstoff verursacht in der Nettobilanz kein Kohlendioxid, wenn Anbau und Verarbeitung der genutzten Biomasse CO2-neutral erfolgen. Derzeit (2019) erfolgt die Wasserstoff-Herstellung jedoch fast ausschließlich aus fossiler Primärenergie, überwiegend durchErdgas-Reformierung.
Die unter dem Schlagwort „Power-to-Gas“ oft favorisierte Gewinnung durchWasserelektrolyse mit überschüssigem erneuerbaren Strom gilt bei praktisch realisierten Wirkungsgraden von kaum über 60 %[29] als relativ ineffizient und wirtschaftlich nicht konkurrenzfähig gegenüber Reformierung vonErdgas, weil ausreichend billiger Strom-Überschuss tatsächlich nur für einige Stunden im Jahr genutzt werden kann und sich bei so meist geringer Auslastung die erforderliche Anlagen-Technik nur mit hohen Subventionen in Forschungs- undPilot-Anlagen finanzieren lässt. Das kann sich erst ändern, falls eine künftig überwiegend regenerativ umgestellte Strom-Versorgung noch wesentlich mehr und nicht anderweitig verwertbare Überschüsse abwirft oder aber Erdgas als Rohstoff teurer als regenerative Stromerzeugung werden sollte bzw. mit einer entsprechend hohenCO2-Abgabe belegt wird.[30]
MitWasserstoffbrennen wird die Kernfusion von Wasserstoff zuHelium im Inneren von Sternen bezeichnet. Diese Reaktion stellt in normalen Sternen während des Großteils ihres Lebenszyklus die wesentliche Energiequelle dar. Sie hat trotz ihres historisch bedingten Namens nichts mit einer chemischen Verbrennung zu tun.
Der Prozess der Kernfusion kann beim Wasserstoffbrennen auf zwei Arten ablaufen, bei denen auf verschiedenen Wegen jeweils vier Protonen, die Atomkerne des Wasserstoffs, in einen Heliumkern4He umgewandelt werden:
der schwere Elemente (Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff) nutzendeBethe-Weizsäcker-Zyklus (CNO-Zyklus)
Insgesamt wird beim Wasserstoffbrennen etwa 0,73 % der Masse in Energie umgewandelt, was man alsMassendefekt bezeichnet. Die aus der Massendifferenz erzeugte Energie ergibt sich aus dereinsteinschen BeziehungE = mc².Sie resultiert aus derKernbindungsenergie derNukleonen, der Kernbausteine.
1952 testeten die Vereinigten Staaten die ersteWasserstoffbombe. Brennstoff war das IsotopDeuterium. In der Bombe liefen vor allem folgende Kernreaktionen ab:
Das entstandene Tritium undHelium-3 können noch weiter reagieren:
In Summe entstehen aus drei Deuteronen ein Heliumkern sowie ein Neutron und ein Proton.
Da Deuterium wie Wasserstoff schwer zu speichern ist, wird bei den meisten Fusionswaffen inzwischen aufLithium-Deuterid (LiD) als Brennstoff zurückgegriffen. Durch die bei der Primärreaktion von Deuterium entstehenden Neutronen wird aus dem Lithium Tritium erbrütet:
Physiker forschen an einer friedlichen Nutzung der Kernverschmelzung zur Energiegewinnung inKernfusionsreaktoren. Am weitesten fortgeschritten sind Versuche, die Reaktion in einemPlasma kontrolliert ablaufen zu lassen. Die dazu nötigen sehr hohen Temperaturen sind schwierig zu realisieren. Anders als Wasserstoffbomben werden Reaktoren voraussichtlich nur die Deuterium-Tritium-Reaktion zur Energiegewinnung nutzen können.
Wasserstoff ist in Form verschiedensterVerbindungen essentiell für alle bekannten Lebewesen. An vorderster Stelle zu nennen ist hier Wasser, welches als Medium für allezellulären Prozesse und für alle Stofftransporte dient. Zusammen mit Kohlenstoff, Sauerstoff, Stickstoff (und seltener auch anderen Elementen) ist er Bestandteil derjenigen Moleküle aus der organischen Chemie, ohne die jegliche uns bekannte Form von Leben schlicht unmöglich ist.
Bezogen auf die Masse ist Wasserstoff immenschlichen Körper das drittwichtigste Element: Bei einer Person mit einem Körpergewicht von 70 kg, sind rund 7 kg (= 10 Gew.-%) auf den enthaltenen Wasserstoff zurückzuführen. Nur Kohlenstoff (ca. 20 Gew.-%) und Sauerstoff (ca. 63 Gew.-%) machen einen noch größeren Gewichtsanteil aus. Bezogen auf die Anzahl der Atome ist der sehr leichte Wasserstoff sogar das mit Abstand häufigste Atom im Körper eines jeden Lebewesens (die 7 kg beim Menschen entsprechen 3,5·103 Mol Wasserstoff mit je 2·6·1023 Atomen, das sind rund 4,2·1027 Wasserstoffatome).
In biologischen Systemen reagiert molekularer Wasserstoff mitreaktiven Sauerstoffspezies und wirkt so alsAntioxidans. Im Tierversuch führt die Anreicherung von Trinkwasser mit molekularem Wasserstoff nachNierentransplantation zu einem besseren Überleben des Transplantates, zu einem verminderten Auftreten einer chronischen Schädigung des Transplantates, zu einer Verminderung der Konzentration an reaktiven Sauerstoffspezies und zu einer Hemmung vonSignalwegen, welche dieentzündliche Aktivität verstärken (proinflammatorische Signalwege).[37]
DasTreibhauspotential von Wasserstoff ist bisher nur wenig untersucht. Die Schätzungen reichen vom 1,9- bis zum 16-Fachen der Wirkung vonKohlenstoffdioxid bei einem Zeithorizont von 100 Jahren.[38] Eine 2023 publizierte Studie ermittelte über den Zeithorizont von 100 Jahren ein Treibhauspotential von 11,6 ±2,8, womit es 11,6-mal stärker wirkt als Kohlenstoffdioxid.[39]
Dabei ist Wasserstoff allerdings kein direktes Treibhausgas, denn es absorbiert keine Infrarotstrahlung. Stattdessen beeinflusst es das Vorkommen anderer Treibhausgase, sodass es indirekt Einfluss auf den Treibhauseffekt nimmt. Wenn H2 in die Atmosphäre gelangt, reagiert es mit dem dort vorkommenden Hydroxylradikal und bildet Wasser. Dadurch steht zum einen zunächst weniger Hydroxylradikal zur Verfügung, welches eine wichtige Reinigungsfunktion hat, um Methan und andere Treibhausgase mit noch höherer Klimawirkung als Wasserstoff abzubauen. Zum anderen entsteht dabei Wasserdampf, welcher in der Stratosphäre ebenfalls eine hohe Klimawirkung hat. Laut einer von der britischen Regierung in Auftrag gegebenen Studie aus dem Jahr 2022 soll eine Tonne Wasserstoff über einen Zeitraum von 100 Jahren die Atmosphäre der Erde etwa elf Mal so stark erwärmen wie eine Tonne CO2. Allerdings kommen die Autoren ebenfalls zu dem Schluss, dass auch in den pessimistischsten Szenarien die schädlichen Effekte weit weniger gravierend sind als diejenigen, die das durch die Nutzung von klimaneutral hergestelltem Wasserstoff eingesparte CO2 haben würde.[40] Trotz der klimaschädlichen Wirkung wird H2 nicht in der Liste der Treibhausgase des Pariser Klimaschutzabkommens und den Inventaren der Klimarahmenkonventionen §12 aufgeführt. Es kann deshalb nicht in nationalen Klimabilanzen verrechnet werden.[38]
Aufgrund der Wirkung alsAntioxidans hat Wasserstoff eine leistungssteigernde Wirkung beianaeroben Belastungen. Er kann sowohl niedrig dosiert im Training über einen längeren Zeitraum verwendet werden als auch hochdosiert unmittelbar vor bzw. während des Wettkampfes, z. B. in Halbzeitpausen.[41] Er kann sowohl zum unmittelbaren Gebrauch Getränken beigefügt werden als auch in Gasform ähnlich wie beiSauerstoff z. B. über eine Maske eingeatmet werden.[42] Nur die intravenöse Verabreichung ist durch die Anti-Doping-Bestimmungen verboten.[43]
Wasserstoff ist extrem entzündbar (alte Bezeichnung: hochentzündlich). Er brennt mit reinem Sauerstoff oder Luft sowie mit anderen gasförmigenOxidationsmitteln wie Chlor oder Fluor mit heißer Flamme. Da die Flamme kaum sichtbar ist, kann man unabsichtlich hineingeraten.[44] Gemische mit Chlor oder Fluor sind schon durchUltraviolettstrahlung entzündbar (sieheChlorknallgas). Außer der nachGHS vorgeschriebenen Kennzeichnung (siehe Info-Box) müssen H2-Druckgasflaschen nach DIN EN 1089-3 mit roter Flaschenschulter und rotem Flaschenkörper versehen sein.
Wasserstoff ist nicht als gesundheitsschädlich oder umweltgefährdend eingestuft. Daher ist keinAGW-Wert festgelegt. Atem- oder Hautschutz sind nicht erforderlich. Erst wenn hohe Konzentrationen eingeatmet werden, können durch den Mangel an Sauerstoff ab etwa 30 Vol.-% Bewegungsstörungen,Bewusstlosigkeit und Ersticken auftreten.[45] Durch rasch austretendes Gas können bei Kontakt mit der Haut Kälteverbrennungen auftreten.
Gemische aus Luft mit einem Volumenanteil von 4 % bis 76 % Wasserstoff sind entzündbar. Ab einem Volumenanteil von 18 % in Luft ist das Gemisch explosiv (Knallgas). Aufgrund der hohen Diffusionsneigung und der geringen Dichte verflüchtigt sich Wasserstoff in offener Umgebung häufig, bevor es zur Bildung eines explosiven Gemischs kommt, oder brennt in heißen Umgebungen beim Erreichen der Konzentrationsgrenze von 4 % ab. Die Zündtemperatur in Luft beträgt 560 °C. Bei der Handhabung ist der Wasserstoff von Zündquellen, dazu gehören elektrostatische Entladungen, fernzuhalten. Die Lagerung der Behälter sollte fern von oxidierenden Gasen (Sauerstoff, Chlor) und anderen oxidierenden (brandfördernden) Stoffen erfolgen.
Wasserstoff kann wegen seiner geringen Größe durch viele Feststoffe hindurchdiffundieren, das heißt, Gas kann langsam durch ungeeignete Materialien austreten. Die für Gastanks und Leitungen verwendeten Materialien und ‑stärken berücksichtigen dies, sodass keine größeren Risiken bestehen als z. B. bei der Verwendung von Benzin.[46][47][48] Wasserstofffahrzeuge mit Drucktanks können problemlos in Parkhäusern und Tiefgaragen geparkt werden. Es existiert keine gesetzliche Bestimmung, die das einschränkt (siehe dazu:Wasserstoffspeicherung).
Molekularen Wasserstoff kann man durch dieKnallgasprobe nachweisen. Bei dieserNachweisreaktion wird eine kleine, beispielsweise während einer Reaktion aufgefangene Menge eines Gases in einemReagenzglas entzündet. 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:
(exotherme Reaktion)
Wasserstoff reagiert mit Sauerstoff zu Wasser
Mit der gleichen Reaktion verbrennt Wasserstoff mit einer schwach bläulichen Flamme, wenn man ihn gleich an der Austrittsstelle entzündet (Pfeifgas).
Die Knallgasprobe ist die „klassische“ Methode zum Nachweis und ist besonders in Schulversuchen beliebt.
Wasserstoff geht mit den meisten chemischen Elementen Verbindungen mit der allgemeinenSummenformel EHn (n = 1, 2, 3, 4) ein. Einige wenige dieserElementwasserstoffe sind nur in Form so genannterAddukte bekannt, wie Lm · EHn (L steht für einenLiganden).Die Folgende Abbildung bietet eine Übersicht über wichtige Grundreaktionen des Wasserstoffs. Auf genaue Reaktionsbedingungen und Stöchiometrie ist hier nicht geachtet.
Wasserstoff kann in Verbindungen sowohl positive als auch negativeLadungsanteile tragen. Das ist abhängig davon, ob der Bindungspartner eine höhere oder eine niedrigereElektronegativität als Wasserstoff (2,2) besitzt. Zwischen den beiden Verbindungstypen lässt sich im Periodensystem keine scharfe Grenze ziehen, da zum Beispiel dasSäure-Base-Verhalten mit berücksichtigt werden muss. Eine mehr oder weniger willkürliche Betrachtung besagt, dass in den Wasserstoffverbindungen der ElementeBor,Silicium,Germanium,Zinn undBlei sowie allen links davon der Wasserstoff negativ polarisiert ist, in Verbindungen mitKohlenstoff,Phosphor,Arsen,Antimon,Bismut und allen Elementen rechts davon positiv. Entsprechend lässt sich beiMonosilan (SiH4) dieOxidationszahl für Silicium auf +4 (Wasserstoff dementsprechend −1), inMethan (CH4) für Kohlenstoff auf −4 (Wasserstoff +1) festlegen.
Zur Darstellung von Wasserstoffverbindungen EHn werden hauptsächlich drei verschiedene Verfahren genutzt:
Die Umsetzung des entsprechenden Elements E mit Wasserstoff (H2;Hydrogenolyse)
Ein Element reagiert mit Wasserstoff bei Energiezufuhr zum entsprechenden Elementwasserstoff.
Die Reaktion von Metallverbindungen des Typs MnE mit Wasserstoffsäuren (H+;Protolyse)
Eine Metallverbindung des Elements E reagiert mit einer Säure HA zum Elementwasserstoff und einem Metallsalz.
Die Umsetzung von Halogenverbindungen (EHaln) mit Hydriden (H−;Hydridolyse)
Hydridionen setzen aus einer Halogenverbindung des Elements E den entsprechenden Elementwasserstoff frei.
In Verbindung mit Metallen kann Wasserstoff jeweils ein Elektron aufnehmen, so dass negativ geladene Wasserstoffionen (Hydridionen, H−) entstehen, die mit Metallkationen Salze bilden. Diese Verbindungen werdenHydride genannt. Salzartige Elementwasserstoffe sind von denAlkali- und, mit Ausnahme vonBeryllium, denErdalkalimetallen bekannt. Außerdem zählt man die Dihydride desEuropiums undYtterbiums (EuH2 und YbH2) dazu.
Metallhydride reagieren sehr heftig mit Wasser unter Freisetzung von molekularem Wasserstoff (H2) und können sich an der Luft selbst entzünden, wobei sich Wasser und das Metalloxid bilden. In der Mehrzahl sind sie aber nicht explosiv. Minerale, die (an Sauerstoff gebundenen) Wasserstoff enthalten, sindHydrate oderHydroxide.
In metallartigen Wasserstoffverbindungen – mit wenigen Ausnahmen sind das die Übergangsmetallhydride – ist atomarer Wasserstoff in der entsprechenden Metallstruktur eingelagert. Man spricht in diesem Fall auch von Wasserstoff-Einlagerungsverbindungen, obwohl sich bei der Aufnahme des Wasserstoffs die Struktur des Metalls ändert (was eigentlich nicht der Definition fürEinlagerungsverbindungen entspricht). Das Element besetzt die oktaedrischen und tetraedrischen Lücken in den kubisch- bzw. hexagonal-dichtestenMetallatompackungen.
Die Löslichkeit von Wasserstoff steigt mit zunehmender Temperatur. Man findet jedoch selbst bei Temperaturen über 500 °C selten mehr als einenStoffmengenanteil von 10 % Wasserstoff im betreffenden Metall. Am meisten Wasserstoff können die ElementeVanadium,Niob undTantal aufnehmen. Bei Raumtemperatur sind folgendeStöchiometrien zu beobachten: VH0,05, NbH0,11 und TaH0,22. Ab 200 °C findet man bei diesen Metallen eine 1:1-Stöchiometrie (MH) vor. Das kubisch-raumzentrierteKristallgitter bleibt dabei unangetastet.
Verbindungen, bei denen Wasserstoff der elektropositivere Partner ist, haben einen hohenkovalenten Anteil. Als Beispiele seienFluorwasserstoff (HF) oderChlorwasserstoff (HCl) genannt. In Wasser reagieren diese Stoffe alsSäuren, da der Wasserstoff sofort alsProton (H+-Ion) von umgebenden Wassermolekülen abgespalten werden kann. Isolierte H+-Ionen verbinden sich in wässriger Lösung sofort mit Wassermolekülen zuH3O+-Ionen; dieses Ion ist verantwortlich für die saure Eigenschaft von wässrigen Chlorwasserstofflösungen.
Schematische Darstellung verschiedener Wasserstoffoxide. Die Atomradien sind maßstabsgetreu.
Die kovalenten Wasserstoffverbindungen der Elemente der IV. bis VII. Hauptgruppe des Periodensystems sowie Borwasserstoffe sind Säuren nach der Definition vonJohannes Nicolaus Brønsted, geben also Protonen an andere Verbindungen ab.
DieSäurestärke der Verbindungen nimmt dabei in den Hauptgruppen von oben nach unten und in den Perioden von links nach rechts zu. Ebenso steigt sie mit der Zahl der Element-Element-Bindungen bei Wasserstoffverbindungen eines bestimmten Elements. So ist zum Beispiel Wasser (H2O) eine schwächere Säure als Wasserstoffperoxid (H2O2),Ethan (C2H6) in der Säurestärke schwächer alsEthen (C2H4) undEthin (C2H2).
Umgekehrt können kovalente Elementwasserstoffe alsBasen fungieren. Wasserstoffverbindungen der Elemente aus Hauptgruppe V bis VII können Protonen aufnehmen, da sie über freieElektronenpaare verfügen.
Ursache für dieAcidität oderBasizität einer wässrigen Lösung ist dieStoffmengenkonzentration an Protonen (H+-Ionen). Den negativen dekadischenLogarithmus dieser Konzentration nennt manpH-Wert. Zum Beispiel bedeutet eine Konzentration von 0,001 mol H+-Ionen pro Liter Wasser „pH 3,0“. Dieses Beispiel trifft auf eine Säure zu. Wasser ohne jeden Zusatz hat beiNormalbedingungen den pH 7, Basen haben pH-Werte bis 14.
Wasserstoffoxide (auch Hydrogeniumoxide) sind Verbindungen, die nur aus Wasserstoff und Sauerstoff bestehen. Von größter Wichtigkeit ist das Wasser (Wasserstoffoxid); von technischer Bedeutung ist danebenWasserstoffperoxid, früher Wasserstoffsuperoxid genannt. Ein weiteres, aber selteneresOxid ist dasDihydrogentrioxid.
Von außerordentlicher Bedeutung für alles Leben auf der Erde sind auchAlkohole undSaccharide sowieCarbonsäuren, die (nur) Wasserstoff, Sauerstoff und Kohlenstoff enthalten.
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