Wasserstoff

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Wasserstoff
Eigenschaften
   
1s1
1
H
Allgemein
Name, Symbol, Ordnungszahl Wasserstoff, H, 1
Serie Nichtmetalle
Gruppe, Periode, Block 1, 1, s
Aussehen farbloses Gas
CAS-Nummer 1333-74-0
Massenanteil an der Erdh√ľlle 0,88 %[1]
Atomar [2]
Atommasse 1,008 (1,00784‚Äď1,00811)[3] u
Atomradius (berechnet) 25 (53) pm
Kovalenter Radius 31 pm
Van-der-Waals-Radius 120 pm
Elektronenkonfiguration 1s1
1. Ionisierungsenergie 1312 kJ/mol
Physikalisch [2]
Aggregatzustand gasförmig
Dichte 0,0899 kg ¬∑ m‚ąí3 [4] bei 273 K
Magnetismus diamagnetisch (Ōám = ‚ąí2,2 ¬∑ 10‚ąí9)[5]
Schmelzpunkt 14,01 K (-259,14 ¬įC)
Siedepunkt 20,28 K (-252,87 ¬įC)
Molares Volumen (fest) 11,42 ¬∑ 10‚ąí6 m3/mol
Verdampfungswärme 0,90[6] kJ/mol
Schmelzwärme 0,558 kJ/mol
Schallgeschwindigkeit 1270 m/s bei 298,15 K
Spezifische Wärmekapazität 14304 J/(kg · K)
Wärmeleitfähigkeit 0,1805 W/(m · K)
Chemisch [2]
Oxidationszust√§nde +1, 0, ‚ąí1
Oxide (Basizität) H2O, H2O2 (amphoter)
Normalpotential 0 V
Elektronegativität 2,2 (Pauling-Skala)
Isotope
Isotop NH t1/2 ZM ZE (MeV) ZP
1H

99,9885(70) %

Stabil
2H (D)

0,0115(70) %

Stabil
3H (T)

10‚ąí15 %

12,33 a ő≤‚ąí 0,019 3He
Weitere Isotope siehe Liste der Isotope
NMR-Eigenschaften
  Spin ő≥ in
rad¬∑T‚ąí1¬∑s‚ąí1
Er(1H) fL bei
B = 4,7 T
in MHz
1H 1/2 26,752 · 107 1,00 200,0
2H 1 4,107 ¬∑ 107 1,45 ¬∑ 10 ‚ąí6 7.676
Sicherheitshinweise
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung aus EU-Verordnung (EG) 1272/2008 (CLP) [7]
02 ‚Äď Leicht-/Hochentz√ľndlich 04 ‚Äď Gasflasche

Gefahr

H- und P-Sätze H: 220-280
EUH: keine EUH-Sätze
P: 210-‚Äč377-‚Äč381-‚Äč403 [4]
Gefahrstoffkennzeichnung aus RL 67/548/EWG, Anh. I [7]
Hochentz√ľndlich
Hoch-
entz√ľndlich
(F+)
R- und S-Sätze R: 12
S: (2)-9-16-33
Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet.
Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

Wasserstoff ist ein chemisches Element mit dem Symbol H (f√ľr lateinisch hydrogenium ‚ÄěWassererzeuger‚Äú; von altgriechisch ŠĹēőīŌČŌĀ hydŇćr ‚ÄěWasser‚Äú und ő≥őĮő≥őĹőŅőľőĪőĻ gignomai ‚Äěwerden, entstehen‚Äú) und der Ordnungszahl 1. Im Periodensystem steht es in der 1. Periode und der 1. Gruppe, nimmt also den ersten Platz ein.

Wasserstoff ist das häufigste chemische Element im Universum, jedoch nicht in der Erdrinde. Er ist Bestandteil des Wassers und beinah aller organischen Verbindungen. Somit kommt gebundener Wasserstoff auch in sämtlichen lebenden Organismen vor.

Wasserstoff ist das leichteste der chemischen Elemente. Das häufigste Isotop enthält kein Neutron, besteht aus nur einem Proton sowie einem Elektron und wird auch Protium genannt. Unter Bedingungen, die normalerweise auf der Erde herrschen (siehe auch Normalbedingungen), kommt dieser atomare Wasserstoff nicht vor, stattdessen liegt Wasserstoff in der dimerisierten Form vor, dem molekularen Wasserstoff H2, einem farb- und geruchlosen Gas. Dennoch kommt es vor, dass bei bestimmten chemischen Reaktionen Wasserstoff sehr kurz atomar als H, bezeichnet als Status nascendi, auftritt und in dieser hochreaktiven Form besonders gut mit anderen Verbindungen oder Elementen reagiert.

Inhaltsverzeichnis

Geschichte

Entdeckt wurde Wasserstoff vom englischen Chemiker und Physiker Henry Cavendish im Jahre 1766, als er mit Metallen (Eisen, Zink und Zinn) und S√§uren experimentierte. Cavendish nannte das dabei entstandene Gas wegen seiner Brennbarkeit "inflammable air". Er untersuchte das Gas eingehend und ver√∂ffentlichte seine Erkenntnisse dar√ľber noch im selben Jahr.[8]

Antoine Laurent de Lavoisier. Er gab dem Wasserstoff seinen Namen

Eine genauere Analyse geschah durch Antoine Laurent de Lavoisier, der dem Wasserstoff auch seinen Namen gab. Der franz√∂sische Chemiker entdeckte das Gas im Jahr 1787 unabh√§ngig von Cavendish, als er in einem Experiment zeigen wollte, dass bei chemischen Reaktionen keine Masse verloren geht oder erzeugt wird. Er leitete Wasserdampf in einer abgeschlossenen Apparatur √ľber gl√ľhende Eisensp√§ne und lie√ü ihn an anderer Stelle kondensieren. Dabei stellte er fest, dass die Masse des kondensierten Wassers etwas geringer war als die der urspr√ľnglichen Menge. Daf√ľr entstand ein Gas, dessen Masse zusammen mit dem Gewichtszuwachs des oxidierten Eisens genau der ‚Äěverlorengegangenen‚Äú Wassermenge entsprach. Sein eigentliches Experiment war also erfolgreich.

Lavoisier untersuchte das entstandene Gas weiter und f√ľhrte die heute als Knallgasprobe bekannte Untersuchung durch, wobei das Gas verbrannte. Er nannte es daher zun√§chst ‚Äěbrennbare Luft‚Äú. Als er in weiteren Experimenten zeigte, dass sich aus dem Gas umgekehrt auch Wasser erzeugen l√§sst, taufte er es hydro-g√®ne (griechisch: hydro = Wasser; genes = erzeugend). Das Wort bedeutet demnach: ‚ÄěWasserbildner‚Äú. Die deutsche Bezeichnung l√§sst auf die gleiche Begriffsherkunft schlie√üen.

Vorkommen

Wasserstoff ist das h√§ufigste chemische Element in der Sonne und den gro√üen Gasplaneten Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun, die √ľber 99,99 % der Masse des Sonnensystems in sich vereinen. Wasserstoff stellt 75 % der gesamten Masse beziehungsweise 93 % aller Atome des Sonnensystems. Im gesamten Weltall wird (unter Nichtbeachtung dunkler Materie) ein noch h√∂herer Anteil an Wasserstoff vermutet.

Vorkommen im Universum

Der Saturn mit seinen Ringen aus Eis und Staub. Der Planet selbst besteht größtenteils aus Wasserstoff und Helium.

Schon kurz nach der Entstehung des Universums waren Protonen und Neutronen in √ľberw√§ltigender Zahl vorhanden. Bei den vorherrschenden hohen Temperaturen vereinigten sich diese zu leichten Atomkernen, wie 2H und 4He. Die meisten Protonen blieben allerdings unver√§ndert und stellten die zuk√ľnftigen 1H-Kerne dar. Nach ungef√§hr 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 auseinander gerissen zu werden.

Mit der weitergehenden Abk√ľhlung des Universums formten sich unter dem Einfluss der Gravitation und ausgehend von r√§umlichen Dichteschwankungen allm√§hlich Wolken aus Wasserstoffgas, die sich zun√§chst gro√ür√§umig zu Galaxien und darin zu Protosternen zusammenballten. Unter dem wachsenden Druck der Schwerkraft setzte schlie√ülich die Kernfusion ein, bei der Wasserstoff zu Helium verschmilzt. So entstanden erste Sterne und auch die Sonne.

Sterne bestehen weit √ľberwiegend aus Wasserstoff-Plasma. Die Kernfusion von Wasserstoff 1H erfolgt haupts√§chlich √ľber die Zwischenstufen Deuterium 2H und Tritium 3H zu Helium 4He. Die dabei frei werdende Energie ist die Energiequelle der Sterne. Der in unserer Sonne enthaltene Wasserstoff macht den gr√∂√üten Teil der gesamten Masse unseres Sonnensystems aus.

Aber auch die schweren Gasplaneten bestehen zu gro√üen Teilen aus Wasserstoff, was den Massenanteil des Elements im Sonnensystem weiter erh√∂ht. Unter den extremen Dr√ľcken, die in gro√üen Tiefen in den gro√üen Gasplaneten Jupiter und Saturn herrschen, kann er in metallischer Form existieren. Dieser Zustand ist wegen der elektrischen Leitf√§higkeit vermutlich f√ľr die Ausbildung der planetaren Magnetfelder verantwortlich.

Au√üerhalb unseres Sonnensystems kommt Wasserstoff auch in gigantischen Gaswolken vor. In den so genannten H-I-Gebieten liegt das Element nichtionisiert und molekular vor. Diese Gebiete emittieren Strahlung von etwa 1420 MHz, die sogenannte 21-cm-Linie, auch HI- oder Wasserstofflinie genannt, die von √úberg√§ngen des Gesamtdrehimpulses herr√ľhrt. 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 dagegen H-II-Gebiete. In diesen Gebieten strahlen gro√üe Sterne hohe Mengen ionisierende Strahlung ab. Mit ihrer Hilfe lassen sich R√ľckschl√ľsse auf die Zusammensetzung der interstellaren Materie ziehen. Wegen st√§ndiger Ionisation und Rekombination der Atome senden sie mitunter sichtbare Strahlung aus, die oft so stark ist, dass man diese Gaswolken mit einem relativ kleinen Fernrohr sehen kann.

Irdische Vorkommen

Auf der Erde ist der Massenanteil wesentlich geringer. Bezogen auf die Erd-Gesamtmasse bestehen etwa 0,12 % und bezogen auf die Erdkruste etwa 2,9 % aus Wasserstoff. Au√üerdem liegt der irdische Wasserstoff im Gegensatz zu den Vorkommen im All √ľberwiegend gebunden und nur selten in reiner Form als unvermischtes Gas vor. Die bekannteste und am h√§ufigsten auftretende Verbindung ist das Wasser. Neben diesem sind auch Erdgase wie z. B. Methan sowie das Erd√∂l wichtige wasserstoffhaltige Verbindungen auf der Erde. Auch in mehr als der H√§lfte aller bisher bekannten Minerale ist Wasserstoff enthalten.[9]

Der gr√∂√üte Anteil irdischen Wasserstoffs kommt in der Verbindung Wasser vor. In dieser Form bedeckt er √ľber zwei Drittel der Erdoberfl√§che. 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 S√ľ√üwasser vor. Davon befindet sich wiederum der gr√∂√üte Teil im festen Aggregatzustand: in Form von Eis in der Arktis und Antarktis sowie in den Permafrostb√∂den vor allem in Sibirien. Der geringe restliche Anteil ist fl√ľssiges S√ľ√üwasser und findet sich meist in Seen und Fl√ľssen, aber auch in unterirdischen Vorkommen, etwa als Grundwasser.

In der Erdatmosph√§re liegt Wasserstoff haupts√§chlich chemisch gebunden in Form von Wasserdampf vor. Dessen Anteil an der Luft schwankt stark und liegt bei bis zu √ľber 4 Volumenprozent. Er wird als relative Luftfeuchtigkeit gemessen. Diese gibt den Anteil an Wasserdampf im Verh√§ltnis zum temperaturabh√§ngigen S√§ttigungsdampfdruck an. Beispielsweise entsprechen bei 30 ¬įC Lufttemperatur 100 % Luftfeuchtigkeit 4,2 Volumenprozent Wasserdampf in der Luft.

Die H√§ufigkeit von molekularem Wasserstoff in der Atmosph√§re betr√§gt nur 0,55 ppm. Dieser niedrige Anteil kann mit der hohen thermischen Geschwindigkeit der Molek√ľle und dem hohen Anteil an Sauerstoff in der Atmosph√§re erkl√§rt werden. Bei der mittleren Temperatur der Atmosph√§re bewegen sich die H2-Teilchen im Durchschnitt mit fast 7.000 km/h. Das ist rund ein Sechstel der Fluchtgeschwindigkeit auf der Erde. Aufgrund der Maxwell-Boltzmann-Verteilung der Geschwindigkeiten der H2-Molek√ľle gibt es aber dennoch eine betr√§chtliche Zahl von Molek√ľlen, welche die Fluchtgeschwindigkeit trotzdem erreichen. Die Molek√ľle haben jedoch nur eine extrem geringe freie Wegl√§nge, sodass nur Molek√ľle in den oberen Schichten der Atmosph√§re tats√§chlich entweichen. Weitere H2-Molek√ľle kommen aus darunter liegenden Schichten nach, und es entweicht wieder ein bestimmter Anteil, bis letztlich nur noch Spuren des Elements in der Atmosph√§re vorhanden sind. Zudem wird der Wasserstoff in den unteren Schichten der Atmosph√§re 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.

Gewinnung

‚Üí Hauptartikel: Wasserstoffherstellung

Molekularer Wasserstoff

Einfache chemische Prozesse zur Produktion von H2 sind die Reaktion verd√ľnnter S√§uren mit unedlen Metallen (z. B. Zink) oder die Zersetzung des Wassers durch Alkalimetalle. Diese, im chemischen Laboratorium f√ľr kleine Mengen √ľblichen Methoden, sind aber f√ľr die industrielle Herstellung ungeeignet und unwirtschaftlich.

Eine Methode zur industriellen Gewinnung von molekularem Wasserstoff ist die Dampfreformierung. Unter hoher Temperatur und hohem Druck werden Kohlenwasserstoffe mit Wasser umgesetzt. Dabei entsteht Synthesegas, ein Gemisch aus Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff. Das Mengenverh√§ltnis kann dann durch die sogenannte Wassergas-Shift-Reaktion eingestellt werden. Diese Methode wird haupts√§chlich f√ľr industrielle Hochdrucksynthesen eingesetzt. Die zweite g√§ngige Methode in der Industrie ist die partielle Oxidation. Hierbei reagiert meistens Erdgas mit Sauerstoff unter Bildung von H2 und Kohlenmonoxid.

Eine alte und effiziente Möglichkeit zur Wasserstoffgewinnung ist die Elektrolyse von Wasser. Dabei wird Wasser mit Hilfe von elektrischem Strom in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten.

\mathrm{2\ H_2O(l)\ _{\overrightarrow {\rm Elektrolyse}}\ 2\ H_2(g) + O_2(g)}
Wasser wird durch elektrischen Strom in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten.

Meist wird dem Wasser ein wenig Säure zur Katalyse der Reaktion zugesetzt. An der Kathode entsteht Wasserstoffgas, an der Anode Sauerstoffgas, im Mol- und Volumenverhältnis 2:1.

Diese Methode wird heute allerdings nur noch in sehr geringem Umfang eingesetzt, vor allem zur Gewinnung von ‚Äěschwerem Wasser‚Äú, das sich bei der Elektrolyse im nicht umgesetzten Rest anreichert.

Eine sehr moderne Methode ist das Kv√¶rner-Verfahren. Dabei zerlegt ein Plasmabrenner Kohlenwasserstoffe zu Kohlenstoff und Wasserstoff und erreicht dabei enorm hohe Wirkungsgrade. Ein anderes modernes Verfahren bedient sich der Gr√ľnalgen. Hier kommen biologische Prozesse zum Einsatz. Die ben√∂tigte Energie entnehmen die Algen einfach dem Sonnenlicht. Das Verfahren ist also sehr √∂kologisch. Allerdings verursacht der Unterhalt der Algen hohe Kosten und ist somit wenig √∂konomisch und wird deshalb kaum angewendet.

Forscher am Leibniz-Institut f√ľr Katalyse in Rostock stellten 2011 einen neuen Katalysator vor, mit dessen Hilfe sich Bioalkohol zur Wasserstoffgewinnung nutzen l√§sst. Der Katalysator auf Basis eines Ruthenium-Komplexes zeigt eine bisher unerreicht hohe Effizienz bei der Erzeugung von Wasserstoff aus Alkoholen unter milden Reaktionsbedingungen bei Temperaturen zwischen 60 und 80 ¬įC, wobei die Umsatzrate im Vergleich zu bisherigen Katalysatorsystemen um fast eine Zehnerpotenz h√∂her liegt.[10]

Atomarer Wasserstoff

Atomarer Wasserstoff kann durch Zufuhr der Dissoziationsenergie 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 mit Ultraviolettlicht, Beschuss mit Elektronen bei 10 bis 20 Elektronenvolt oder Mikrowellenstrahlung. Allerdings reagiert atomarer Wasserstoff sehr schnell wieder zu molekularem Wasserstoff. Es stellt sich somit ein Fließgleichgewicht ein, das in der Regel weit auf der Seite des molekularen Wasserstoffs liegt.

\mathrm{H_2\ \overrightarrow{\leftarrow}\ 2\,H} \qquad \Delta H_{R}^0 = 435{,}0 \mathrm{\ kJ/mol}[11]
Durch Energiezufuhr dissoziiert molekularer Wasserstoff in die atomare Form.

Zur Darstellung von größeren Mengen atomaren Wasserstoffs sind das Woodsche Darstellungsverfahren (Robert Williams Wood, 1898) und dasjenige von Irving Langmuir besonders geeignet.

Physikalische Eigenschaften

Wasserstoff in einer Entladungsröhre

Wasserstoff ist das Element mit der geringsten Dichte. Molekularer Wasserstoff (H2, ein Molek√ľl besteht also jeweils aus 2 Wasserstoffatomen) ist etwa 14,4-mal leichter als Luft. Sein Siedepunkt liegt bei 20,27 Kelvin, der Schmelzpunkt bei 14,02 Kelvin (‚ąí259 ¬įC). Die L√∂slichkeit von Wasserstoff in Wasser betr√§gt 1,6 mg/l.

Einige thermodynamische Eigenschaften (Transportph√§nomene) sind aufgrund der geringen Molek√ľlmasse und der daraus resultierenden hohen mittleren Geschwindigkeit der Wasserstoffmolek√ľle (1770 m/s bei 25 ¬įC) von besonderer Bedeutung, (wie z. B. beim Oberth-Effekt- Raketentreibstoff). Wasserstoff besitzt bei Raumtemperatur das h√∂chste Diffusionsverm√∂gen, die h√∂chste W√§rmeleitf√§higkeit und die h√∂chste Effusionsgeschwindigkeit aller Gase. Eine geringere Viskosit√§t weisen nur drei- oder mehratomige reale Gase wie zum Beispiel n-Butan auf.

Die Mobilit√§t des Wasserstoffs in einer festen Matrix ist, bedingt durch den geringen Molek√ľlquerschnitt, ebenfalls sehr hoch. So diffundiert Wasserstoff durch Materialien wie Polyethylen und gl√ľhendes Quarzglas. Ein sehr wichtiges Ph√§nomen ist die au√üerordentlich hohe Diffusionsgeschwindigkeit in Eisen, Platin und einigen anderen √úbergangsmetallen, da es dort dann zur Wasserstoffverspr√∂dung kommt. In Kombination mit einer hohen L√∂slichkeit treten bei einigen Werkstoffen extrem hohe Permeationsraten 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 r√§umlichen Begrenzungen durchwandert (siehe Sicherheitshinweise).

Sichtbarer Bereich des Wasserstoff-Spektrums. Es sind sechs Linien der Balmer-Serie sichtbar, da die CCD-Sensoren der Kamera auch ein wenig in den ultravioletten Teil des Spektrums hinein empfänglich sind.

Wasserstoff hat ein Linienspektrum und je nach Temperatur des Gases auch im sichtbaren Bereich ein mehr oder weniger ausgepr√§gtes kontinuierliches Spektrum. Letzteres ist beim Sonnenspektrum besonders ausgepr√§gt. Die ersten Spektrallinien im sichtbaren Bereich, zusammengefasst in der so genannten Balmer-Serie, liegen bei 656 nm, 486 nm, 434 nm und 410 nm. Daneben gibt es weitere Serien von Spektrallinien im Infrarot- (Paschen-Serie, Brackett-Serie und Pfund-Serie) und eine im Ultraviolettbereich (Lyman-Serie) des elektromagnetischen Spektrums. Eine besondere Bedeutung in der Radioastronomie hat die 21-Zentimeter-Linie in der Hyperfeinstruktur.

In einem magnetischen Feld verh√§lt sich H2 sehr schwach diamagnetisch. Das bedeutet, die Dichte der Feldlinien eines extern angelegten Magnetfeldes nimmt in der Probe ab. Die magnetische Suszeptibilit√§t ist bei Normdruck Ōám = ‚ąí2,2 ¬∑ 10‚ąí9 und typischerweise einige Gr√∂√üenordnungen unter der von diamagnetischen Festk√∂rpern.

Gegen√ľber elektrischem Strom ist H2 ein Isolator. In einem elektrischen Feld hat er eine Durchschlagsfestigkeit von mehreren Millionen Volt pro Meter.

Aggregatzustände

Tank f√ľr fl√ľssigen Wasserstoff der Firma Linde, Museum Autovision in Altlu√üheim

Bei Temperaturen unterhalb von 20,27 Kelvin kondensiert Wasserstoff zu einer klaren, farblosen Fl√ľssigkeit. Dieser Zustand wird auch als LH2 abgek√ľrzt (engl. liquid, ‚Äěfl√ľssig‚Äú). Senkt man die Temperatur weiter, dann geht Wasserstoff bei 14,02 Kelvin (‚ąí259,2 ¬įC) in einen schlammartigen Zustand, genannt Slush √ľber, bevor er gefriert und einen kristallinen Festk√∂rper mit hexagonal dichtester Kugelpackung (hcp) bildet, wobei jedes Molek√ľl von zw√∂lf weiteren umgeben ist.

Anders als bei Helium tritt beim Verfl√ľssigen von einfachem Wasserstoff ( 1H) keine Suprafluidit√§t auf; prinzipiell kann aber das Isotop Deuterium ( 2H) suprafluid werden.

Der Tripelpunkt des Wasserstoffs, bei dem seine drei Aggregatzust√§nde gleichzeitig vorkommen, ist einer der Fixpunkte der Internationalen Temperaturskala. Er liegt bei einer Temperatur von exakt 13,8033 Kelvin[12] und einem Druck von 7,042 kPa[12]. Der kritische Punkt liegt bei 33,18 K[12] und 13,0 bar[12], die kritische Dichte betr√§gt 0,03136 g/cm3 (die niedrigste kritische Dichte aller Elemente)[13].

Unter extremen Dr√ľcken, wie sie innerhalb von Gasplaneten herrschen, wird wahrscheinlich metallischer Wasserstoff, d. h. in metallischer Form, ausgebildet. Dabei wird er elektrisch leitend (vgl. Leiterbahn).

Atom- und kernphysikalische Eigenschaften

‚Üí Hauptartikel: Wasserstoffatom

Ein einzelnes Wasserstoffatom besteht aus einem positiv geladenen Kern und einem negativ geladenen Elektron, das √ľber die Coulomb-Wechselwirkung an den Kern gebunden ist. Dieser besteht stets aus einem einzelnen Proton (1H-Isotop) und je nach Isotop aus einem oder zwei zus√§tzlichen Neutronen (2H bzw. 3H-Isotop). Das Wasserstoffatom 1H wird aufgrund seines einfachen Aufbaus als ‚ÄěModellatom‚Äú in der physikalischen Beschreibung der Atome herangezogen.

Orbitale des Wasserstoffatoms f√ľr verschiedene n- und l-Quantenzahlen

So entstand aus Untersuchungsergebnissen am Wasserstoff das Bohrsche Atommodell, mit dessen Hilfe eine vergleichsweise einfache Beschreibung vieler Eigenschaften des Wasserstoffatoms m√∂glich ist. Man stellt sich dazu vor, dass das Elektron den Kern auf einer bestimmten konzentrischen, kugelf√∂rmigen Kreisbahn uml√§uft. Nach Bohr kann das Elektron auch auf andere, im Abstand zum Kern genau definierte Bahnen springen, so auch auf weiter au√üen liegende, wenn ihm die dazu n√∂tige Energie zugef√ľhrt wird (z. B. durch Erhitzen). Beim R√ľcksprung von einer √§u√üeren auf eine innere Bahn wird jeweils eine elektromagnetische Strahlung oder Welle einer bestimmten, der frei werdenden Energie entsprechende Wellenl√§nge abgegeben. Mit diesem Modell lassen sich die Spektrallinien des H-Atoms erkl√§ren, die im sichtbaren Licht bei Wellenl√§ngen von 656 nm, 486 nm, 434 nm und 410 nm liegen (Balmer-Serie); im ultravioletten Bereich liegt die Lyman-Serie mit Wellenl√§ngen von 122 nm, 103 nm, 97 nm und 95 nm. Wichtige Serien im Infraroten sind die Paschen-Serie (1,9 ¬Ķm; 1,3 ¬Ķm; 1,1 ¬Ķm und 1 ¬Ķm) und die Brackett-Serie (4,1 ¬Ķm; 2,6 ¬Ķm; 2,2 ¬Ķm und 1,9 ¬Ķm) (in allen Serien sind hier nur die ersten vier Linien angegeben). Das Bohrsche Modell reicht aber bei der Betrachtung von Details und f√ľr andere Atome zur Erkl√§rung der dabei beobachteten bzw. gemessenen Ph√§nomene nicht aus.

Physikalisch korrekter ist die quantenmechanische Beschreibung. Das H-Atom ist das einzige, f√ľr das sich das Eigenwertproblem sowohl der nichtrelativistischen Schr√∂dingergleichung als auch der relativistischen Diracgleichung analytisch, das hei√üt ohne den Einsatz numerischer Verfahren, l√∂sen l√§sst. Das ist sonst nur f√ľr Ionen m√∂glich, denen lediglich ein Elektron verblieben ist (beispielsweise He+, Li2+, usw.).

Andere quantenmechanische Ph√§nomene bewirken weitere Effekte. Die Feinstruktur der Spektrallinien kommt u. a. daher, dass Bahndrehimpuls und Spin des Elektrons miteinander koppeln. Ber√ľcksichtigt man dar√ľber hinaus auch den Kernspin, kommt man zur Hyperfeinstruktur. Eine sehr kleine, aber physikalisch besonders interessante Korrektur durch Vakuumfluktuationen ist die Lambverschiebung. Durch all diese Korrekturen wird bereits das Spektrum des Wasserstoffs zu einem komplexen Ph√§nomen, dessen Verst√§ndnis im Rahmen der Quantenmechanik viel theoretisches Wissen erfordert.

Kernspinzust√§nde im H2-Molek√ľl

Unter normalen Bedingungen ist Wasserstoffgas H2 ein Gemisch zweier Molek√ľlzust√§nde, die sich durch die ‚ÄěRichtung‚Äú ihrer Kernspins unterscheiden. Diese beiden Formen werden als ortho- und para-Wasserstoff bezeichnet (kurz o- und p-Wasserstoff). Bei o-Wasserstoff haben die Kernspins die gleiche (parallele) Richtung, w√§hrend sie beim p-Wasserstoff entgegengesetzte (antiparallele) Richtung aufweisen. o-Wasserstoff ist die energiereichere Form. Die beiden Molek√ľlzust√§nde h√§ngen √ľber folgende, temperaturabh√§ngige Gleichgewichtsbeziehung miteinander zusammen:

\text{ortho-H}_2\ \rightleftarrows\ \text{para-H}_2 \qquad \Delta H_{R}^0 = -0{,}08\ \mathrm{kJ/mol}
Die beiden Formen k√∂nnen unter Energieaufnahme bzw. -abgabe ineinander √ľbergehen.

Am absoluten Nullpunkt findet man ausschlie√ülich p-Wasserstoff. Unter Standardbedingungen liegen 25 % des Wasserstoffs als p-Form und 75 % als o-Form vor. Theoretische Berechnungen ergeben, dass der Anteil der o-Form nicht √ľber diesen Anteil hinaus gesteigert werden kann. Die physikalischen Eigenschaften von o- und p-Wasserstoff sind geringf√ľgig verschieden. So liegen beispielsweise der Schmelz- und Siedepunkt der p-Form etwa 0,1 K unter denen der o-Form.

Bei der industriellen Herstellung von fl√ľssigem Wasserstoff spielt die √úbergangsbedingung zwischen o- und p-Wasserstoff eine wichtige Rolle. Der Wechsel der Kerne in die antiparallele Orientierung (p-Wasserstoff) erfolgt beim Abk√ľhlen nur sehr langsam, da die Wechselwirkungen zwischen den Kernen ‚Äď genauer gesagt beeinflussen sich die Kerne √ľber ihre magnetischen Momente ‚Äď nur sehr schwach sind. Deswegen versucht man, die Einstellung des Gleichgewichts durch den Einsatz von Katalysatoren zu beschleunigen.

Chemische Eigenschaften

Besonderheiten

Im Periodensystem steht Wasserstoff in der I. Hauptgruppe, weil er 1 Valenzelektron besitzt. √Ąhnlich wie die ebenfalls dort stehenden Alkalimetalle hat er in vielen Verbindungen die Oxidationszahl +1. Allerdings sitzt sein Valenzelektron auf der K-Schale, die nur maximal 2 Elektronen haben kann und somit die Edelgaskonfiguration bereits mit 2 Elektronen und nicht mit 8 wie die anderen Schalen erreicht.

Durch Aufnahme eines Elektrons kann er also die Edelgaskonfiguration des Heliums erreichen. Er hat dann die Oxidationszahl ‚ąí1 und in Bindungen einen Halogencharakter. Diese Bindungen geht er mit sehr unedlen Metallen ein. Man spricht dann von einem Hydrid.

Diese Stellung quasi ‚Äěin der Mitte‚Äú zwischen Edelgaskonfigurationen, in der er die gleiche Anzahl Elektronen aufnehmen oder abgeben kann, ist eine Eigenschaft, die der IV. Hauptgruppe √§hnelt, was auch seine Elektronegativit√§t erkl√§rt, die eher der des Kohlenstoffs als der des Lithiums gleicht.

Aufgrund dieser ‚Äěgem√§√üigten‚Äú Elektronegativit√§t sind die f√ľr die I. Hauptgruppe typischen Bindungen des Wasserstoffs in der Oxidationszahl +1 keine Ionenbindungen wie bei den Alkalimetallen, sondern kovalente Molek√ľlbindungen.

Zusammenfassend sind die Eigenschaften des Wasserstoffs f√ľr die I. Hauptgruppe atypisch, da aufgrund der Tatsache, dass die K-Schale nur 2 Elektronen aufnehmen kann, auch teilweise Eigenschaften anderer Gruppen hinzukommen.

Molekularer Wasserstoff

Lewisformel des Wasserstoffmolek√ľls

Bei Z√ľndung reagiert Wasserstoff mit Sauerstoff und Chlor heftig, ist sonst aber vergleichsweise best√§ndig und wenig reaktiv. Bei hohen Temperaturen wird das Gas reaktionsfreudig und geht mit Metallen und Nichtmetallen gleicherma√üen Verbindungen ein.

Mit Chlor reagiert Wasserstoff exotherm unter Bildung von gasförmigem Chlorwasserstoff, der in Wasser gelöst Salzsäure ergibt. Beide Gase reagieren dabei mit gleichen Stoffmengenanteilen:

\mathrm{Cl_2 + H_2 \rightarrow 2\ HCl}
je ein Chlor- und Wasserstoffmolek√ľl reagieren zu zwei Chlorwasserstoffmolek√ľlen

Diese Reaktion ist unter dem Namen Chlorknallgasreaktion bekannt, die sich schon durch die Bestrahlung mit Licht z√ľnden l√§sst. F√ľr die Knallgasreaktion (Wasserstoff und Sauerstoff) bedarf es einer Z√ľndung

\mathrm{O_2 + 2 H_2 \rightarrow 2\ H_2O}
je ein Sauerstoff- und zwei Wasserstoffmolek√ľle reagieren zu zwei Wassermolek√ľlen

Die aggressivste Reaktion bei niedrigen Temperaturen geht jedoch Wasserstoff mit Fluor ein. Wird Wasserstoffgas bei ‚ąí200 ¬įC auf gefrorenes Fluor geleitet, reagieren die beiden Stoffe sofort explosiv miteinander.

\mathrm{F_2 + H_2 \rightarrow 2\ HF}
je ein Fluor- und Wasserstoffmolek√ľl reagieren zu zwei Fluorwasserstoffmolek√ľlen

Wird der molekulare Wasserstoff ionisiert, so spricht man vom Diwasserstoff-Kation. Dieses Teilchen tritt z.B. in niedertemperatur Plasmaentladungen in Wasserstoff als häufiges Ion auf.

\mathrm{H_2 + e^- \rightarrow H_2^+ + 2 e^-}
Ionisation durch ein schnelles Elektron im Plasma

Angeregter Wasserstoff

Wasserstoff im statu nascendi, d. h. im Zustand des Entstehens unmittelbar nach einer Wasserstoff erzeugenden Reaktion, existiert nur f√ľr Sekundenbruchteile. Innerhalb dieser Zeitspanne reagieren in der Regel zwei H-Atome miteinander. Aber auch nach diesem Zusammenschluss liegt der Wasserstoff f√ľr kurze Zeit in einem angeregten Zustand vor und kann so ‚Äď abweichend vom ‚Äěnormalen‚Äú chemischen Verhalten ‚Äď f√ľr verschiedene Reaktionen genutzt werden, die mit molekularem Wasserstoff nicht m√∂glich sind.

So gelingt es zum Beispiel nicht, mit Hilfe von im Kippschen Apparat erzeugtem Wasserstoffgas, in einer angesäuerten, violetten Kaliumpermanganatlösung (KMnO4) oder gelben Kaliumdichromatlösung (K2Cr2O7) den die Reduktion anzeigenden Farbwechsel hervorzurufen. Mit direkt in diesen Lösungen, durch Zugabe von Zinkpulver generiertem Wasserstoff in statu nascendi gelingt diese reduktive Farbänderung.

\mathrm{MnO_4^- + 8\ H^+ + 5\ H \rightarrow Mn^{2+} + 4\ H_2O + 5\ H^+}
Nascierender Wasserstoff vermag unter sauren Bedingungen violette Permanganatlösung zu entfärben.
\mathrm{Cr_2O_7^{2-} + 14\ H^+ + 6\ H \rightarrow 2\ Cr^{3+} + 7\ H_2O + 6\ H^+}
Unter sauren Bedingungen wird gelbe Dichromatl√∂sung gr√ľn durch die reduktive Wirkung des nascierenden Wasserstoffs.

Atomarer Wasserstoff

Um molekularen Wasserstoff in die Atome zu zerlegen, muss Energie von etwa 4,5 eV pro Molek√ľl oder genauer 436,22 kJ/mol aufgewendet werden (der Chemiker spricht von Enthalpie); beim Zusammenschluss zu Wasserstoffmolek√ľlen (H) wird diese Energie wieder freigesetzt:

\mathrm{2\ H\ \overrightarrow{\leftarrow}\ H_2} \qquad \Delta H_{R}^0 = -436{,}22\ \mathrm{kJ/mol}
Zwei H-Atome reagieren zu einem H2-Molek√ľl und setzen dabei Energie frei.

Das Gleichgewicht dieser Reaktion liegt unter Normalbedingungen vollkommen auf der rechten Seite der dargestellten Gleichung, denn atomarer Wasserstoff reagiert sehr rasch und stark exotherm zu molekularem Wasserstoff (oder mit anderen Reaktionspartnern, wenn solche in der Nähe sind).

Eine Anwendung findet diese Reaktion beim Arcatom-Schweißen.

Auch im Weltraum liegt bei niedrigen Temperaturen in der Regel molekularer Wasserstoff vor. In der N√§he hei√üer Sterne wird molekularer Wasserstoff jedoch von deren Strahlung aufgespalten, so dass dort die atomare Form √ľberwiegt. Diese ist zwar sehr reaktiv und geht schnell neue Verbindungen ein, vor allem mit anderen Wasserstoffatomen, die jedoch von der Strahlung ebenfalls wieder gespalten werden. Siehe dazu auch H-II-Gebiet.

Anmerkung: Wasserstoff in den Sternen liegt nicht nur atomar vor, sondern auch als Plasma: Die Elektronen sind infolge der dort herrschenden hohen Temperaturen je nach Temperatur von den Protonen mehr oder weniger abgetrennt. Die Oberfl√§che der Sonne hat jedoch nur eine Temperatur von ungef√§hr 6000 ¬įC. Bei dieser Temperatur ist immer noch der gr√∂√üte Teil des Wasserstoffes nicht ionisiert und sogar molekular, d. h. das Gleichgewicht liegt weit auf der Seite des molekularen Wasserstoffes. Die thermische Energie ist bei 6000 ¬įC weit unter der Energie von 4,5 eV, die zur Aufl√∂sung der molekularen Bindung erforderlich ist. Die Sonne ist jedoch in der Korona mit mindestens einer Million Kelvin wesentlich hei√üer. Daher sind im Sonnenlicht die √úberg√§nge der Elektronen im atomaren Wasserstoff erkennbar. Chemische Verbindungen k√∂nnen sich bei so hohen Temperaturen kaum bilden und zerfallen sofort.

Wasserstoffbr√ľckenbindung

Eine wichtige Eigenschaft des Wasserstoffs ist die so genannte Wasserstoffbr√ľckenbindung, eine anziehende elektrostatische Kraft zwischen zwei Molek√ľlen. Ist H an ein stark elektronegatives Atom, wie zum Beispiel Fluor oder Sauerstoff, gebunden, so befindet sich sein Elektron eher in der N√§he 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 Molek√ľle nahe genug, tritt eine anziehende elektrische Kraft zwischen dem positiven H-Atom des einen Molek√ľls und des negativen Teils des jeweiligen Partners auf. Das ist eine Wasserstoffbr√ľckenbindung.

Da die Wasserstoffbr√ľckenbindung mit nur 17 kJ/mol bis 167 kJ/mol[14] schw√§cher ist als die Bindungskraft innerhalb eines Molek√ľls, verbinden sich die Molek√ľle nicht dauerhaft. Vielmehr bleibt die Wasserstoffbr√ľcke wegen st√§ndiger Bewegung nur Bruchteile einer Sekunde bestehen. Dann l√∂sen sich die Molek√ľle voneinander, um erneut eine Wasserstoffbr√ľckenbindung mit einem anderen Molek√ľl einzugehen. Dieser Vorgang wiederholt sich st√§ndig.

Die Wasserstoffbr√ľckenbindung ist f√ľr viele Eigenschaften verschiedener Verbindungen verantwortlich, wie etwa DNA oder Wasser. Bei Letzterem f√ľhren diese Bindungen zu den Anomalien des Wassers, insbesondere der Dichteanomalie.

Anmerkung: Die Wasserstoffbr√ľckenbindung sollte nicht mit der Van-der-Waals-Bindung verwechselt werden, die auf ungleichm√§√üigen Ladungsverteilungen bei nichtpolaren Molek√ľlen beruht und unter anderem f√ľr den Schmelz- oder Siedepunkt einen Stoffes verantwortlich ist.

Isotope

Wasserstoff, Deuterium, Tritium

Es existieren drei nat√ľrlich vorkommende Isotope des Wasserstoffs. Von allen Elementen unterscheiden sich beim Wasserstoff ‚Äď wenn auch nur geringf√ľgig ‚Äď die Isotope in ihren chemischen Reaktionsf√§higkeiten am meisten. Das liegt an dem vergleichsweise gro√üen Gewichtsunterschied (Deuterium doppelt, Tritium dreimal so schwer wie Wasserstoff). Dieser Unterschied betr√§gt schon bei den Isotopen des n√§chstschwereren Elements Helium nur noch 25 %. In j√ľngerer Zeit gelang es, die kurzzeitige Existenz von vier weiteren Kernen nachzuweisen (4H, 5H, 6H und 7H).[15] Diese Kerne haben aber alle eine sehr kurze Lebensdauer (< 10‚ąí21 s).

Isotop Name Symbol Eigenschaften
   1H Protium   H Das einfachste Wasserstoff-Isotop 1H besitzt keine Neutronen im Kern und wird gelegentlich Protium genannt. Es hat mit einer relativen H√§ufigkeit von 99,99 % den weitaus gr√∂√üten Anteil am irdisch vorkommenden Wasserstoff. Es ist nicht radioaktiv, also stabil.
   2H Deuterium   D Das Isotop 2H hat neben dem Proton ein Neutron im Kern. Man bezeichnet es als Deuterium. F√ľr Deuterium gibt es das D als ein eigenes Elementsymbol. Verwendung findet es z. B. als Bestandteil von L√∂sungsmitteln f√ľr die 1H-NMR Spektroskopie, da es dabei kein st√∂rendes Nebensignal liefert. Es macht 0,0115 % aller Wasserstoffatome aus (nach IUPAC). Deuterium ist ebenfalls stabil.
   3H Tritium   T Tritium ist das dritte nat√ľrlich vorkommende Isotop des Wasserstoffs. Es hat aber nur einen verschwindenden Anteil am gesamten in der Natur vorkommenden Wasserstoff. Tritium besitzt zwei Neutronen und wird mit 3H oder T gekennzeichnet. Tritium ist radioaktiv und zerf√§llt durch Betazerfall (ő≤‚ąí) mit einer Halbwertszeit von 12,32 Jahren in 3He. Tritium wird durch Kernreaktionen in der oberen Erdatmosph√§re st√§ndig als kosmogenes Radionuklid gebildet.[16] Bei einem Gleichgewicht von nat√ľrlicher Produktion und Zerfall ergibt sich, entsprechend der Quelle, ein Inventar von 3,5 kg auf der Erde. Tritium kann in Oberfl√§chenwassern und in Lebewesen nachgewiesen werden. Durch Kernwaffentests ist die Konzentration des Tritiums in der Atmosph√§re nach 1950 deutlich angestiegen.

Exotische Isotope

Durch die Einbeziehung von Myonen, negativ geladenen instabilen Elementarteilchen mit ungef√§hr 10% der Masse eines Protons, k√∂nnen exotische kurzlebige Strukturen erstellt werden, die sich chemisch wie ein Wasserstoffatom verhalten.[17] Da Myonen selten nat√ľrlich vorkommen und ihre Lebensdauer lediglich 2 ¬Ķs betr√§gt werden solche Wasserstoffisotope k√ľnstlich an Teilchenbeschleunigern hergestellt.

Das Myonium besteht aus einem Elektron und einem positiv geladenen Antimyon, das die Rolle des Protons (also des Atomkerns) einnimmt. Auf Grund seiner Kernladungszahl von 1 e handelt es sich bei Myonium chemisch um Wasserstoff. Wegen der geringen Atommasse von 0,1 u (1/10 von H) treten Isotopeneffekte bei chemischen Reaktionen besonders stark in Erscheinung, so dass damit Theorien f√ľr Reaktionsmechanismen gut √ľberpr√ľft werden k√∂nnen.[17]

Ein exotischer Wasserstoff mit einer Masse von 4,1 u entsteht, wenn in einem 4He-Atom eines der Elektronen durch ein Myon ersetzt wird. Auf Grund seiner gegen√ľber dem Elektron wesentlich h√∂heren Masse ist das Myon dicht am He-Kern lokalisiert und schirmt eine der beiden Elementarladungen des Kerns ab. Zusammen bilden He-Kern und Myon effektiv einen Kern mit einer Masse von 4,1 u und einer Ladung von 1 e, so dass es sich chemisch um Wasserstoff handelt.[17]

Verwendung

Jedes Jahr werden weltweit mehr als 600 Milliarden Kubikmeter Wasserstoff (rd. 30 Mio. t) f√ľr zahllose Anwendungen in Industrie und Technik produziert. Wichtige Einsatzgebiete sind:

Momentan haben beide vorgenannten Verfahren wegen h√∂herer Kosten noch keine wirtschaftliche Bedeutung. Das k√∂nnte sich aber drastisch √§ndern, sobald die √Ėlvorr√§te der Erde zur Neige gehen.
  • Reduktionsmittel: H2 kann mit Metalloxiden reagieren und ihnen dabei den Sauerstoff entziehen. Es entsteht Wasser und das reduzierte Metall. Das Verfahren wird bei der Verh√ľttung von metallischen Erzen angewandt, insbesondere um Metalle m√∂glichst rein zu gewinnen.
  • Mit dem (Haber-Bosch-Verfahren) wird aus Stickstoff und Wasserstoff Ammoniak hergestellt und daraus wichtige D√ľngemittel und Sprengstoffe.
  • Fetth√§rtung: Geh√§rtete Fette werden oft aus Pflanzen√∂l mittels Hydrierung gewonnen. Dabei werden die Doppelbindungen in den Fetts√§ure-Ketten der Fettmolek√ľle mit Wasserstoff abges√§ttigt. Die entstandenen Fette haben einen h√∂heren Schmelzpunkt, wodurch das Produkt fest wird. Auf diese Weise stellt man Margarine her. Dabei k√∂nnen sich auch so genannte trans-Fetts√§uren bilden.
  • Lebensmittelzusatzstoff: Wasserstoff ist als E 949 zugelassen und wird als Treibgas, Packgas u.√§. verwendet.[18]
  • K√ľhlmittel: Aufgrund seiner hohen W√§rmekapazit√§t benutzt man Wasserstoff in Kraftwerken und den dort eingesetzten Turbogeneratoren als K√ľhlmittel. Insbesondere setzt man H2 dort ein, wo eine Fl√ľssigkeitsk√ľhlung problematisch werden kann. Die W√§rmekapazit√§t kommt dort zum Tragen, wo das Gas nicht oder nur langsam zirkulieren kann. Weil die W√§rmeleitf√§higkeit ebenfalls hoch ist, verwendet man str√∂mendes H2 auch zum Abtransport von thermischer Energie in gro√üe Reservoire (z. B. Fl√ľsse). In diesen Anwendungen sch√ľtzt Wasserstoff die Anlagen vor √úberhitzung und erh√∂ht die Effizienz.
  • Kryogen: Wegen der hohen W√§rmekapazit√§t eignet sich fl√ľssiger Wasserstoff als Cryogen, also als K√ľhlmittel f√ľr extrem tiefe Temperaturen. Auch gr√∂√üere W√§rmemengen k√∂nnen von fl√ľssigem Wasserstoff gut absorbiert werden, bevor eine merkliche Erh√∂hung in seiner Temperatur auftritt. So wird die tiefe Temperatur auch bei √§u√üeren Schwankungen aufrechterhalten.
  • Traggas: In Ballons und Luftschiffen fand Wasserstoff eine seiner ersten Verwendungen. Wegen der leichten Entz√ľndlichkeit von H2-Luft-Gemischen f√ľhrte dies jedoch wiederholt zu Unf√§llen. Die gr√∂√üte Katastrophe in diesem Zusammenhang ist wohl das Ungl√ľck der ‚ÄěDixmude‚Äú 1923, am bekanntesten wurde sicherlich die ‚ÄěHindenburg-Katastrophe‚Äú im Jahr 1937. Wasserstoff als Traggas wurde mittlerweile durch Helium ersetzt und erf√ľllt diesen Zweck nur noch in sehr speziellen Anwendungen.

Die beiden nat√ľrlichen Isotope haben spezielle Einsatzgebiete.

Deuterium findet (in Form von schwerem Wasser) in Schwerwasserreaktoren als Moderator Verwendung, d. h. zum Abbremsen der bei der Kernspaltung entstehenden schnellen Neutronen auf thermische Geschwindigkeit.

Deuterierte Lösungsmittel werden in der magnetischen 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 f√ľr einen deutlichen Isotopeneffekt bei den massenabh√§ngigen Eigenschaften. So hat das schwere Wasser einen messbar h√∂heren Siedepunkt als Wasser.

Das radioaktive Isotop Tritium wird in Kernreaktoren in industriell verwertbaren Mengen hergestellt. Au√üerdem 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 aufsp√ľren. In der Physik ist es einerseits selbst Forschungsgegenstand, andererseits untersucht man mit hochbeschleunigten Tritiumkernen schwere Kerne oder stellt k√ľnstliche Isotope her.

Mit Hilfe der Tritiummethode lassen sich Wasserproben sehr genau datieren. Mit einer Halbwertszeit von etwa zw√∂lf Jahren eignet es sich besonders f√ľr die Messung relativ kurzer Zeitr√§ume (bis zu einigen hundert Jahren). Unter anderem l√§sst sich so das Alter eines Weines feststellen.

Es findet auch Verwendung als langlebige, zuverl√§ssige Energiequelle f√ľr Leuchtfarben (im Gemisch mit einem Fluoreszenzfarbstoff), vor allem in milit√§rischen Anwendungen, aber auch in Armbanduhren. Weitere milit√§rische Verwendung findet das Isotop in der Wasserstoffbombe und gewissen Ausf√ľhrungen von Kernwaffen, deren Wirkung auf Spaltung beruht.

Wasserstoff als Energiespeicher

Wasserstoff gilt als Energieträger der Zukunft.[19] (→ Siehe auch Hauptartikel: Wasserstoffwirtschaft)

Wasserstoff als Energieträger verursacht keine schädlichen Emissionen, insbesondere kein Kohlendioxid, wenn er aus erneuerbaren Energien wie Wind, Sonne oder Biomasse gewonnen wird.

Wasserstoffgas enthält mehr Energie pro Gewichtseinheit als jeder andere chemische Brennstoff. Wasserstoff ist, wie auch elektrische Energie, keine Primärenergie sondern muss, analog zur Stromerzeugung, aus Primärenergie hergestellt werden. (→ Siehe auch Hauptartikel: Wasserstoffherstellung)

Die technischen Probleme bei der Speicherung von Wasserstoff gelten heute als gel√∂st. Verfahren wie Druck- und Fl√ľssigwasserstoffspeicherung und die Speicherung in Metallhydriden befinden sich im kommerziellen Einsatz. Daneben existieren weitere Verfahren, die sich noch im Stadium der Entwicklung oder in der Grundlagenforschung befinden. (‚Üí Siehe auch Hauptartikel: Wasserstoffspeicherung)

Die verschiedenen Speichermethoden werden nach ihren Eigenschaften und den spezifischen Anforderungen der Fahrzeuge (z. B. PKW, Bus, Schiff, Flugzeug) eingesetzt:

Die ersten beiden Methoden erlauben eine einfache Wiedergewinnung des Wasserstoffs. Drucktanks aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff mit bis zu 800 bar sind Behälter die allen Sicherheitsanforderungen der Fahrzeughersteller entsprechen[20] und vom TÜV abgenommen sind.[21]

Da sich das Sicherheitsventil f√ľr √úberdruck innerhalb des Tanks befindet, wird Wasserstoff im Notfall schrittweise abgegeben und verfl√ľchtigt sich schnell. Wenn eine Z√ľndquelle in der N√§he ist, kann sich der Wasserstoff entz√ľnden, verbrennt aber schnell und mit geringer W√§rmeabstrahlung. Eine Explosion ist nahezu unm√∂glich, da die Konzentration des Wasserstoffs in der Luft nicht ausreicht. Reiner Wasserstoff ist nicht explosiv.

Dagegen sind die herk√∂mmlichen Plastikbenzintanks deutlich unsicherer. Sollte ein Benzinauto brennen k√∂nnen sich durch die h√∂here W√§rmeabstrahlung brennbare Stoffe, wie z. B. Autositze, schneller entz√ľnden.

Speicherung in Hydriden oder Nanor√∂hren stellen die sichersten Methoden dar. Die Tanks sind allerdings schwerer, in einem 200-kg-Tank k√∂nnen nur etwa 2 kg Wasserstoff gespeichert werden, was energetisch etwa 8 Litern Benzin entspricht. Auch ist die R√ľckgewinnung gasf√∂rmigen Wasserstoffs durch W√§rmezuf√ľhrung aufw√§ndiger. Diese Form der Speicherung ist kostenintensiver als die Speicherung in Druck- und Fl√ľssiggastanks.

Energiedichten im Vergleich

Auf die Masse bezogen:[22]

  • Wasserstoff: 33,3 kWh/kg
  • Erdgas: 13,9 kWh/kg
  • Benzin: 12,7 kWh/kg

Auf das Volumen bezogen:

  • Wasserstoff (fl√ľssig): 2360 kWh/m¬≥
  • Benzin: 8760 kWh/m¬≥
  • Erdgas (20 MPa): 2580 kWh/m¬≥
  • Wasserstoffgas (20 MPa): 530 kWh/m¬≥
  • Wasserstoffgas (Normaldruck): 3 kWh/m¬≥

Kernfusion

Am 31. Oktober 1952 wurde erstmalig Energie durch Kernfusion freigesetzt ‚Äď in der Wasserstoffbombe ‚ÄěIvy Mike‚Äú
‚Üí Hauptartikel: Kernfusion

Schon bald nach den Anf√§ngen der Kernphysik im ersten Viertel des 20. Jahrhunderts 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, gr√∂√ütenteils erkl√§ren. Zwischen 1937 und 1939 entwickelten Hans Bethe und Carl Friedrich von Weizs√§cker eine Theorie zur Kernfusion in sehr schweren Sternen, den nach ihnen benannten Bethe-Weizs√§cker-Zyklus. Darin spielt Wasserstoff die √ľberwiegende 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 bauten die Großmächte ihre nuklearen Waffenarsenale aus. Der Schritt zu den Fusionswaffen gelang zuerst den USA: basierend auf der Atombombe, die ihre Energie aus der Kernspaltung bezieht, konstruierten amerikanische 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. Brennstoff war allerdings nicht Wasserstoff, sondern das Isotop Deuterium. Es war die erste vom Menschen erzeugte Kernfusion. In der Bombe liefen vor allem folgende Kernreaktionen ab:

\mathrm{D + D \rightarrow \, ^3He + n + 3{,}2689 \, MeV}
\mathrm{D + D \rightarrow T + p + 4{,}0327 \, MeV}

Das entstandene Tritium und Helium-3 können noch weiter reagieren:

\mathrm{T + D \rightarrow \,^4He + n + 17{,}588\,MeV}
\mathrm{\,^3He + D \rightarrow \, ^4He + p + 18{,}353 \, MeV}

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 auf Lithium-Deuterid LiD als Brennstoff zur√ľckgegriffen. Durch die bei der Prim√§rreaktion von Deuterium entstehenden Neutronen wird aus dem Lithium Tritium erbr√ľtet:

\mathrm{n + \,^6Li \rightarrow \,^4He + T}
\mathrm{n + \,^7Li \rightarrow \,^4He + T + n}
Der Neutronenbeschuss von Lithium erzeugt Helium und den Fusionsbrennstoff Tritium.

Bei der Reaktion mit Lithium-6 wird zudem noch Energie frei, w√§hrend die Reaktion mit Lithium-7 Energie verbraucht, daf√ľr aber wieder ein Neutron erzeugt, das f√ľr die weitere Tritium-Produktion zur Verf√ľgung steht.

Physiker forschen aber auch an einer friedlichen Nutzung der Kernverschmelzung. Fr√ľh entwickelten sie verschiedene Vorschl√§ge zur Energiegewinnung durch Fusion. Die gewaltigen Temperaturen, die zu einer Kernfusion n√∂tig sind, bereiten bei einer kontrollierten Reaktion aber nach wie vor Schwierigkeiten. Vor einigen Jahrzehnten wurden die ersten Forschungsreaktoren errichtet, die Wasserstoff zu Helium verschmelzen sollen. Mittlerweile existieren einige dieser Vorrichtungen; beispielsweise JET und ITER (international, in Planung) in Europa, ein deutscher Tokamak-Reaktor in Garching sowie der Stellarator Wendelstein 7-X, welcher derzeit am Max-Planck-Institut f√ľr Plasmaphysik (IPP) in Greifswald aufgebaut wird.

Falls diese Experimente an den Forschungsanlagen erfolgreich verlaufen, sollen die gewonnenen Erkenntnisse f√ľr den Bau eines Demonstrationskraftwerks (DEMO) dienen. Die gegenw√§rtigen Planungen gehen von der Inbetriebnahme von DEMO etwa 2030 und der m√∂glichen kommerziellen Nutzung ab etwa 2050 aus. Diese kommerziellen Reaktoren werden aber anders als Wasserstoffbomben voraussichtlich nur die Deuterium-Tritium-Reaktion zur Energiegewinnung nutzen k√∂nnen, und sind somit unbedingt auf Lithium zur Erbr√ľtung des eigentlichen Brennstoffs Tritium angewiesen. W√§hrend Deuterium √ľber die Weltmeere in fast beliebiger Menge zur Verf√ľgung steht, sind die bekannten Lithium-Vorr√§te beschr√§nkt.

Kernfusion in Sonne und Sternen

Mit Wasserstoffbrennen wird die Kernfusion von Wasserstoff in Helium im Inneren von Sternen (oder im Fall einer Nova, auf der Oberfläche eines Weißen Zwergs) 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 Heliumkern 4He umgewandelt werden:

F√ľr die exakte Berechnung der freigesetzten Energie ist zu ber√ľcksichtigen, dass in Teilreaktion der Proton-Proton-Reaktion und auch des Bethe-Weizs√§cker-Zyklus zwei Positronen freigesetzt werden, die bei der Annihilation mit einem Elektron 1,022 MeV entsprechend den Ruhemassen von Elektron und Positron freisetzen. Zur Massendifferenz der vier Protonen und des Heliumkerns ist folglich die zweifache Elektronenmasse zu addieren. Diese Massendifferenz ist identisch der Differenz der vierfachen Atommasse von Protium, Wasserstoff bestehend aus Protonen und Elektronen und der Atommasse von 4He. Diese Atommassen sind n√§herungsweise aber nicht exakt identisch mit den Atommassen von Wasserstoff und Helium, da es verschiedene Isotope dieser Elemente gibt. Ferner verl√§sst ein kleiner Teil der Energie die Sonne in Form von Neutrinos.

Insgesamt wird beim Wasserstoffbrennen etwa 0,73 % der Masse in Energie umgewandelt, was man als Massendefekt bezeichnet. Die aus der Massendifferenz erzeugte Energie ergibt sich aus der einsteinschen Beziehung E = mc¬≤. Sie resultiert aus der Kernbindungsenergie der Nukleonen, der Kernbausteine.

Die Fusion von Wasserstoff zu Helium ist am ergiebigsten; die nächste Stufe stellarer Fusionsreaktionen, das Heliumbrennen, setzt pro erzeugtem Kohlenstoffkern nur noch etwa ein Zehntel dieser Energie frei.

Biologische Bedeutung

Wasserstoff ist in Form verschiedenster Verbindungen essentiell f√ľr alle bekannten Lebewesen. An vorderster Stelle zu nennen ist hier Wasser, welches als Medium f√ľr alle zellul√§ren Prozesse und f√ľr alle Stofftransporte dient. Zusammen mit Kohlenstoff, Sauerstoff, Stickstoff (und seltener auch anderen Elementen) ist er Bestandteil derjenigen Molek√ľle aus der organischen Chemie, ohne die jegliche uns bekannte Form von Leben schlicht unm√∂glich ist.

Wasserstoff spielt im Organismus auch aktive Rollen, so bei einigen Koenzymen wie z. B. Nicotinamid-Adenin-Dinucleotid (NAD/NADH), die als Reduktions√§quivalente (oder ‚ÄěProtonentransporter‚Äú) im K√∂rper dienen und bei Redoxreaktionen mitwirken. In den Mitochondrien, den Kraftwerken der Zelle, dient die √úbertragung von Wasserstoffkationen (Protonen) zwischen verschiedenen Molek√ľlen der so genannten Atmungskette dazu, ein Potential, einen Protonengradienten, zur Generierung von energiereichen Verbindungen wie Adenosintriphosphat (ATP) bereitzustellen. Bei der Photosynthese in Pflanzen und Bakterien wird der Wasserstoff aus dem Wasser dazu ben√∂tigt, das fixierte Kohlendioxid in Kohlenhydrate umzuwandeln.

Bezogen auf die Masse ist Wasserstoff im menschlichen K√∂rper das drittwichtigste Element: Bei einer Person mit einem K√∂rpergewicht von 70 kg, sind rund 7 kg (= 10 Gew.-%) auf den enthaltenen Wasserstoff zur√ľckzuf√ľhren. Nur Kohlenstoff (ca. 20 Gew.-%) und Sauerstoff (ca. 63 Gew.-%) machen einen noch gr√∂√üeren Gewichtsanteil aus. Bezogen auf die Anzahl der Atome ist der sehr leichte Wasserstoff sogar das mit Abstand h√§ufigste Atom im K√∂rper 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).

Medizinische Bedeutung

In biologischen Systemen reagiert molekularer Wasserstoff mit reaktiven Sauerstoffspezies und wirkt so als Antioxidans. Im Tierversuch f√ľhrt die Anreicherung von Trinkwasser mit molekularem Wasserstoff nach Nierentransplantation zu einem besseren √úberleben des Transplantates, zu einem verminderten Auftreten einer chronischen Sch√§digung des Transplantates, zu einer Verminderung der Konzentration an reaktiven Sauerstoffspezies und zu einer Hemmung von Signalwegen, welche die entz√ľndliche Aktivit√§t verst√§rken (proinflammatorische Signalwege).[23]

Sicherheitshinweise

Wasserstoff ist hochentz√ľndlich; es reagiert mit reinem Sauerstoff oder Luft sowie mit anderen gasf√∂rmigen Oxidationsmitteln wie Chlor oder Fluor mit hei√üer Flamme. Gemische mit Chlor oder Fluor sind schon durch UV-Licht entz√ľndlich (siehe Chlorknallgas). Au√üer der nach GHS vorgeschriebenen Kennzeichnung (siehe Info-Box) m√ľssen H2-Druckgasflaschen nach DIN EN 1089-3 mit roter Flaschenschulter und rotem Flaschenk√∂rper versehen sein.

Wasserstoff ist ungiftig und schädigt auch nicht die Umwelt. Daher ist auch kein MAK-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.[24]

Beim Mischen mit Luft zu 4 bis 76 Volumenprozent (Vol.-%) ist Wasserstoff entz√ľndlich. Erst bei einer Konzentration von 18 % in der Luft ist Wasserstoff explosiv (Knallgas). Die Z√ľndtemperatur in Luft betr√§gt 560 ¬įC.[25] Das Sicherheitsdatenblatt ist zu beachten.[26] Bei der Handhabung ist der Wasserstoff von Z√ľndquellen, einschlie√ülich elektrostatischen Entladungen, fernzuhalten. Die Lagerung der Beh√§lter sollte fern von oxidierenden Gasen (Sauerstoff, Chlor) und anderen brandf√∂rdernden Stoffen erfolgen.

Sauerstoff/Wasserstoffgemische mit einem Anteil von unter 10,5 Volumenprozent Wasserstoff sind schwerer als Luft und sinken zu Boden.[27] Die Entmischung erfolgt nicht unmittelbar, so das bis zur Unterschreitung der 4-Volumenprozent-Grenze die Z√ľndf√§higkeit erhalten bleibt. Beim Umgang mit Wasserstoff m√ľssen Sicherheitsvorschriften und Entl√ľftungsanlagen dieses Verhalten ber√ľcksichtigen.

Wird Wasserstoff in einfachen Metalltanks unter Druck gelagert, so kommt es wegen der geringen Molek√ľlgr√∂√üe zur Diffusion, das hei√üt, Gasmolek√ľle treten langsam durch die Gef√§√üw√§nde aus. Die heute f√ľr Gastanks und Leitungen verwendeten Materialien ber√ľcksichtigen diese Eigenschaften des Wasserstoffs,[28][29] so dass im t√§glichen Gebrauch keine gr√∂√üeren Risiken entstehen als z. B. durch die Verwendung von Benzin.[30][31][32] Wasserstofffahrzeuge mit Drucktanks k√∂nnen problemlos in Parkh√§usern und Tiefgaragen geparkt werden. Es existiert keine gesetzliche Bestimmung, die das einschr√§nkt (siehe dazu: Wasserstoffspeicherung).

Der Austausch von Wasserstoff-Isotopen in chemischen Verbindungen kann die Toxizit√§t der entsprechenden Verbindung beeinflussen. So ist Schweres Wasser (D2O) ‚Äď das Isotop 1H wurde gegen 2H (Deuterium) ausgetauscht ‚Äď im Vergleich zu Wasser giftig f√ľr viele Lebewesen. Die f√ľr Menschen gef√§hrliche Menge ist aber recht gro√ü und im Regelfall kaum zu erreichen.

Nachweis

Molekularen Wasserstoff kann man durch die Knallgasprobe nachweisen. Bei dieser Nachweisreaktion wird eine kleine, beispielsweise w√§hrend einer Reaktion aufgefangene Menge eines Gases, in einem Reagenzglas entz√ľndet. Wenn danach ein dumpfer Knall, ein Pfeifen oder ein Bellen zu h√∂ren ist, so ist der Nachweis positiv (das hei√üt, es war Wasserstoff in dem Reagenzglas). Der Knall kommt durch die Reaktion von Wasserstoffgas mit dem Luftsauerstoff zustande:

\mathrm{2\ H_2 + O_2 \rightarrow 2\ H_2O} (exotherme Reaktion)
Wasserstoff reagiert mit Sauerstoff zu Wasser

Mit der gleichen Reaktion verbrennt Wasserstoff mit einer schwach bl√§ulichen Flamme, wenn man ihn gleich an der Austrittsstelle entz√ľndet (Pfeifgas).

Die Knallgasprobe ist die ‚Äěklassische‚Äú Methode zum Nachweis und ist besonders in Schulversuchen beliebt. Sehr viel genauer l√§sst sich das Element mit Hilfe der Kernspinresonanzspektroskopie (kurz NMR; nuclear magnetic resonance) nachweisen, die daher bevorzugt im Laborbetrieb angewandt wird. Dabei macht man sich quantenmechanische Gegebenheiten zu Nutze: Der Kernspin eines Wasserstoffatoms kann sich in einem angelegten √§u√üeren Magnetfeld unterschiedlich ausrichten. Dadurch liegt der Atomkern in einem von zwei m√∂glichen Energiezust√§nden vor, deren Differenz umso gr√∂√üer ist, je st√§rker das √§u√üere Magnetfeld ist. Diese Differenz ist charakteristisch f√ľr jedes Element und kann durch Strahlungsanregung gemessen werden.

Verbindungen

Wasserstoff geht mit den meisten chemischen Elementen Verbindungen mit der allgemeinen Summenformel EHn (n = 1, 2, 3, 4) ein. Einige wenige dieser Elementwasserstoffe sind nur in Form so genannter Addukte bekannt, wie Lm ‚ÄĘ EHn (L steht f√ľr einen Liganden).

Wasserstoff kann in Verbindungen sowohl positive als auch negative Ladungsanteile tragen. Das ist abh√§ngig davon, ob der Bindungspartner eine h√∂here oder eine niedrigere Elektronegativit√§t als Wasserstoff (2,2) besitzt. Zwischen den beiden Verbindungstypen l√§sst sich im Periodensystem keine scharfe Grenze ziehen, da zum Beispiel das S√§ure-Base-Verhalten mit ber√ľcksichtigt werden muss. Eine mehr oder weniger willk√ľrliche Betrachtung besagt, dass in den Wasserstoffverbindungen der Elemente Bor, Silicium, Germanium, Zinn und Blei sowie allen links davon der Wasserstoff negativ polarisiert ist, in Verbindungen mit Kohlenstoff, Phosphor, Arsen, Antimon, Bismut und allen Elementen rechts davon positiv. Entsprechend l√§sst sich bei Monosilan (SiH4) die Oxidationszahl f√ľr Silicium auf +4 (Wasserstoff dementsprechend ‚ąí1), in Methan (CH4) f√ľr Kohlenstoff auf ‚ąí4 (Wasserstoff +1) festlegen.

Zur Darstellung von Wasserstoffverbindungen EHn werden hauptsächlich drei verschiedene Verfahren genutzt:

  • Die Umsetzung des entsprechenden Elements E mit Wasserstoff (H2; Hydrogenolyse)
\mathrm{\frac{1}{x}\ E_x + \frac{n}{2}\ H_2\ \overrightarrow{\leftarrow}\ EH_n}
Ein Element reagiert mit Wasserstoff bei Energiezufuhr zum entsprechenden Elementwasserstoff.
  • Die Reaktion von Metallverbindungen des Typs MnE mit Wasserstoffs√§uren (H+; Protolyse)
\mathrm{M_nE + n\ HA\ \overrightarrow{\leftarrow}\ n\ MA + EH_n}
Eine Metallverbindung des Elements E reagiert mit einer Säure HA zum Elementwasserstoff und einem Metallsalz.
  • Die Umsetzung von Halogenverbindungen (EHaln) mit Hydriden (H‚ąí; Hydridolyse)
\mathrm{EHal_n + n\ H^-\ \overrightarrow{\leftarrow}\ n\ Hal^- + EH_n}
Hydridionen setzen aus einer Halogenverbindung des Elements E den entsprechenden Elementwasserstoff frei.

Salzartige Verbindungen

In Verbindung mit Metallen kann Wasserstoff jeweils ein Elektron aufnehmen, so dass negativ geladene Wasserstoffionen (Hydridionen, H‚ąí) entstehen, die mit Metallkationen Salze bilden. Diese Verbindungen werden Hydride genannt. Salzartige Elementwasserstoffe sind von den Alkali- und, mit Ausnahme von Beryllium, den Erdalkalimetallen bekannt. Au√üerdem z√§hlt man die Dihydride des Europiums und Ytterbiums (EuH2 und YbH2) dazu.

Metallhydride reagieren sehr heftig mit Wasser unter Freisetzung von molekularem Wasserstoff (H2) und k√∂nnen sich an der Luft selbst entz√ľnden, wobei sich Wasser und das Metalloxid bilden. In der Mehrzahl sind sie aber nicht explosiv. Minerale, die (an Sauerstoff gebundenen) Wasserstoff enthalten, sind Hydrate oder Hydroxide.

Metallartige Verbindungen

In metallartigen Wasserstoffverbindungen ‚Äď mit wenigen Ausnahmen sind das die √úbergangsmetallhydride ‚Äď 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 √§ndert (was eigentlich nicht der Definition f√ľr Einlagerungsverbindungen entspricht). Das Element besetzt die oktaedrischen und tetraedrischen L√ľcken in den kubisch- bzw. hexagonal-dichtesten Metallatompackungen.

Die L√∂slichkeit von Wasserstoff steigt mit zunehmender Temperatur. Man findet jedoch selbst bei Temperaturen √ľber 500 ¬įC selten mehr als 10 Atomprozente Wasserstoff im betreffenden Metall. Am meisten Wasserstoff k√∂nnen die Elemente Vanadium, Niob und Tantal aufnehmen. Bei Raumtemperatur sind folgende St√∂chiometrien zu beobachten: VH0,05, NbH0,11 und TaH0,22. Ab 200 ¬įC findet man bei diesen Metallen eine 1:1-St√∂chiometrie (MH) vor. Das kubisch-raumzentrierte Kristallgitter bleibt dabei unangetastet.

Kovalente Verbindungen

Verbindungen, bei denen Wasserstoff der elektropositivere Partner ist, haben einen hohen kovalenten Anteil. Als Beispiele seien Fluorwasserstoff (HF) oder Chlorwasserstoff (HCl) genannt. In Wasser reagieren diese Stoffe als S√§uren, da der Wasserstoff sofort als Proton (H+-Ion) von umgebenden Wassermolek√ľlen abgespalten werden kann. Isolierte H+-Ionen verbinden sich in w√§ssriger L√∂sung sofort mit Wassermolek√ľlen zu H3O+-Ionen; dieses Ion ist verantwortlich f√ľr die saure Eigenschaft von w√§ssrigen Chlorwasserstoffl√∂sungen.

Säure-Base-Verhalten

Schematische Darstellung verschiedener Wasserstoffoxide

Die kovalenten Wasserstoffverbindungen der Elemente der IV. bis VII. Hauptgruppe des Periodensystems sowie Borwasserstoffe sind S√§uren nach der Definition von Br√łnsted, geben also Protonen an andere Verbindungen ab.

\mathrm{EH_n\, \overrightarrow{\leftarrow}\, EH^-_{n-1} + H^+}

Die Säurestärke 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 als Ethen (C2H4) und Ethin (C2H2).

Umgekehrt k√∂nnen kovalente Elementwasserstoffe als Basen fungieren. Wasserstoffverbindungen der Elemente aus Hauptgruppe V bis VII k√∂nnen Protonen aufnehmen, da sie √ľber freie Elektronenpaare verf√ľgen.

\mathrm{EH_n + H^+\, \overrightarrow{\leftarrow}\, EH^+_{n+1}}
pH-Wert

Ursache f√ľr die Acidit√§t oder Basizit√§t einer w√§ssrigen L√∂sung ist die Stoffkonzentration an Protonen (H+-Ionen). Den negativen dekadischen Logarithmus dieser Konzentration nennt man pH-Wert. Z. B. bedeutet eine Konzentration von 0,001 mol H+-Ionen pro Liter Wasser ‚ÄěpH 3,0‚Äú. Dieses Beispiel trifft auf eine S√§ure zu. Wasser ohne jeden Zusatz hat bei Normalbedingungen den pH 7, Basen haben pH-Werte bis 14

Oxide

Wasserstoffoxide (auch Hydrogeniumoxide) sind Verbindungen, die nur aus Wasserstoff und Sauerstoff bestehen, von gr√∂√üter Wichtigkeit ist das Wasser (Wasserstoffoxid); von technischer Bedeutung ist daneben Wasserstoffperoxid, fr√ľher Wasserstoffsuperoxid genannt. Ein weiteres, aber selteneres Oxid ist das Dihydrogentrioxid.

Von au√üerordentlicher Bedeutung f√ľr alles Leben auf der Erde sind auch Alkohole und Saccharide sowie Carbons√§uren, die (nur) Wasserstoff, Sauerstoff und Kohlenstoff enthalten.

Kohlenwasserstoffe

Wasserstoff bildet mit Kohlenstoff die kovalenten Kohlenwasserstoffe, deren Studium sich die Kohlenwasserstoffchemie verschrieben hat.

Siehe auch

Literatur

Chemie

  • Erwin Riedel: Anorganische Chemie. de Gruyter, Berlin 2002, ISBN 3-11-017439-1.
  • A. F. Holleman, Egon Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie. de Gruyter, Berlin 1995, ISBN 3-11-012641-9.
  • Harry H. Binder: Lexikon der chemischen Elemente ‚Äď das Periodensystem in Fakten, Zahlen und Daten. S. Hirzel Verlag, Stuttgart 1999, ISBN 3-7776-0736-3.

Technik

  • Sven Geitmann: Wasserstoff & Brennstoffzellen ‚Äď Die Technik von morgen. 2. Aufl. Hydrogeit Verlag, Kremmen 2004, ISBN 3-937863-04-4.
  • Alf-Sibrand R√ľhle: Wasserstoff & Wirtschaft ‚Äď Investieren in eine saubere Zukunft Hydrogeit Verlag, Kremmen 2005, ISBN 3-937863-02-8.
  • Rex A. Ewing: Hydrogen ‚Äď A Journey Into a World of Hydrogen Energy and Fuel Cells. Pixyjack Press, Masonville CO 2004, ISBN 0-9658098-6-2.

Bedeutung

Weblinks

Wiktionary Wiktionary: Wasserstoff ‚Äď Bedeutungserkl√§rungen, Wortherkunft, Synonyme, √úbersetzungen
 Commons: Wasserstoff ‚Äď Album mit Bildern und/oder Videos und Audiodateien

Einzelnachweise

  1. ‚ÜĎ Harry H. Binder: Lexikon der chemischen Elemente, S. Hirzel Verlag, Stuttgart 1999, ISBN 3-7776-0736-3.
  2. ‚ÜĎ Die Werte f√ľr die Eigenschaften (Infobox) sind, wenn nicht anders angegeben, aus www.webelements.com (Wasserstoff) entnommen.
  3. ‚ÜĎ Angegeben ist der von der IUPAC empfohlene Standardwert, da die Isotopenzusammensetzung dieses Elements √∂rtlich schwanken kann, ergibt sich f√ľr das mittlere Atomgewicht der in Klammern angegebene Massenbereich. Siehe: Michael E. Wieser, Tyler B. Coplen: Atomic weights of the elements 2009 (IUPAC Technical Report). In: Pure and Applied Chemistry. 2010, S. 1, doi:10.1351/PAC-REP-10-09-14.
  4. ‚ÜĎ a b Eintrag zu Wasserstoff in der GESTIS-Stoffdatenbank des IFA, abgerufen am 12. Juli 2009 (JavaScript erforderlich).
  5. ‚ÜĎ Robert C. Weast (Hrsg.): CRC Handbook of Chemistry and Physics. CRC (Chemical Rubber Publishing Company), Boca Raton 1990, ISBN 0-8493-0470-9, S. E-129 bis E-145. Die Werte dort sind auf g/mol bezogen und in cgs-Einheiten angegeben. Der hier angegebene Wert ist der daraus berechnete ma√üeinheitslose SI-Wert.
  6. ‚ÜĎ David R. Lide (Hrsg.): CRC Handbook of Chemistry and Physics. 90. Auflage. CRC (Chemical Rubber Publishing Company), Boca Raton 2009, ISBN 978-1-4200-9084-0, S. 6-113.
  7. ‚ÜĎ a b Eintrag zu CAS-Nr. 1333-74-0 im European chemical Substances Information System ESIS (erg√§nzender Eintrag)
  8. ‚ÜĎ Ernst F. Schwenk: Sternstunden der fr√ľhen Chemie. Verlag C.H. Beck, 1998, ISBN 3-406-45601-4.
  9. ‚ÜĎ Webmineral ‚Äď Mineral Species sorted by the element H (Hydrogen) (englisch).
  10. ‚ÜĎ IDW-Online 28. September 2011
  11. ‚ÜĎ R√ĖMPP, 9. erweiterte Auflage.
  12. ‚ÜĎ a b c d P.J. Linstrom and W.G. Mallard, Eds., NIST Chemistry WebBook, NIST Standard Reference Database Number 69, June 2005, National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg MD, 20899.
  13. ‚ÜĎ R√∂mpps Chemielexikon achte Auflage 1988.
  14. ‚ÜĎ George A. Jeffrey: An Introduction to Hydrogen Bonding. Oxford University Press, 1997, ISBN 978-0-19-509549-4.
  15. ‚ÜĎ physicsweb.org: Hydrogen-7 makes its debut
  16. ‚ÜĎ D. Lal und B. Peters: Cosmic ray produced radioactivity on the earth. Handbuch der Physik, Band 46/2, Springer, Berlin 1967, S. 551‚Äď612.
  17. ‚ÜĎ a b c Chemie mit ungew√∂hnlichen Elementarteilchen, spektrumdirekt 28. Januar 2011.
  18. ‚ÜĎ ZZulV: Verordnung √ľber die Zulassung von Zusatzstoffen zu Lebensmitteln zu technologischen Zwecken
  19. ‚ÜĎ Wasserstoff als Energietr√§ger der Zukunft (Quelle: VDE Abgerufen am 3. August 2011)
  20. ‚ÜĎ Anforderungen an Kunststoffe f√ľr Wasserstoff-Hochdrucktanks (Quelle: Adam Opel GmbH, Stand: 30. Juni 2002)
  21. ‚ÜĎ Hochleistungs-Wasserstofftank erh√§lt T√úV-Zertifikat (Quelle: Motor-Talk, Stand: Stand: 30. Juni 2002)
  22. ‚ÜĎ Energieinhalte im Vergleich
  23. ‚ÜĎ Jon S Cardinal, Jianghua Zhan, Yinna Wang, Ryujiro Sugimoto, Allan Tsung, Kenneth R McCurry, Timothy R Billiar, Atsunori Nakao: Oral hydrogen water prevents chronic allograft nephropathy in rats. In: Kidney International. 77, Nr. 2, 2010-01, S. 101‚Äď109. doi:10.1038/ki.2009.421. Abgerufen am 21. April 2010.
  24. ‚ÜĎ Helmut Eichlseder, Manfred Klell: Wasserstoff in der Fahrzeugtechnik, 2010, ISBN 978-3-8348-0478-5.
  25. ‚ÜĎ Wasserstoff so sicher wie Benzin Quelle: Linde AG
  26. ‚ÜĎ EG Sicherheitdatenblatt Wasserstoff verdichtet Quelle: Linde AG Stand: 15. November 2010.
  27. ‚ÜĎ ZDF abenteuer wissen
  28. ‚ÜĎ Anforderungen an Kunststoffe f√ľr Wasserstoff-Hochdrucktanks Quelle: Adam Opel GmbH Stand: 30. Juni 2002.
  29. ‚ÜĎ Hochleistungs-Wasserstofftank erh√§lt T√úV-Zertifikat Quelle: Motor-Talk Stand: 30. Juni 2002.
  30. ‚ÜĎ Spektakul√§rer Test zeigt: Wasserstoff im Auto muss nicht gef√§hrlicher sein als Benzin Quelle: Bild der Wissenschaft Stand: 3. Februar 2003.
  31. ‚ÜĎ Sicherheitsaspekte bei der Verwendung von Wasserstoff Quelle: Hycar
  32. ‚ÜĎ Video: Chrashversuch der University of Miami
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