Wasserstoff

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Wasserstoff ist ein chemisches Element mit dem Symbol H (für lateinisch hydrogenium "Wassererzeuger"; von altgriechisch  hydor "Wasser" und ivoa gignomai "werden, entstehen") und der Ordnungszahl 1.
Im Periodensystem steht es in der 1. Periode und der 1. IUPAC-Gruppe.
Wasserstoff ist das häufigste chemische Element im Universum, jedoch nicht in der Erdrinde.
Er ist Bestandteil des Wassers und beinahe aller organischen Verbindungen.
Somit kommt gebundener Wasserstoff in sämtlichen lebenden Organismen vor.
Wasserstoff ist das chemische Element mit der geringsten Atommasse.
Sein häufigstes Isotop, das auch als Protium bezeichnet wird, enthält kein Neutron, sondern besteht aus nur einem Proton und einem Elektron.
Unter Bedingungen, die normalerweise auf der Erde herrschen (siehe auch Normalbedingungen), kommt nicht dieser atomare Wasserstoff H vor, sondern der molekulare Wasserstoff H2, ein farb- und geruchloses Gas.
Bei bestimmten chemischen Reaktionen tritt Wasserstoff vorübergehend atomar als H auf, bezeichnet als naszierender Wasserstoff.
In dieser Form reagiert er besonders stark mit anderen Verbindungen oder Elementen.
== Geschichte
Entdeckt wurde Wasserstoff vom englischen Chemiker und Physiker Henry Cavendish im Jahre 1766, als er mit Metallen (Eisen, Zink und Zinn) 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.
Auf ähnliche Weise (Einwirkung von Säuren auf Metalle) hatten allerdings schon im 17. Jahrhundert Theodore Turquet de Mayerne (um 1620) und Robert Boyle (um 1670) Knallgas erzeugt.
Eine genauere Analyse geschah durch Antoine Laurent de Lavoisier, der den Wasserstoff als "Wasser erzeugenden Stoff" oder "Hydrogen" bezeichnete und ihm damit seinen heutigen Namen gab.
Cavendish hatte inzwischen eine Beobachtung von Joseph Priestley aufgreifend erkannt, dass bei der Verbrennung von Wasserstoff Wasser entsteht (veröffentlicht erst 1784).
Lavoisier erfuhr von den Experimenten von Cavendish beim Besuch von dessen Assistenten Charles Blagden 1783.
Cavendish war Anhänger der Phlogistonlehre und sein Wasserstoff war für ihn ein Kandidat für diese hypothetische Substanz.
Lavoisier zeigte in aufsehenerregenden Experimenten, dass es ein eigenständiges Element war und Bestandteil des Wassers, das man damals vielfach selbst noch für elementar gehalten hatte gemäß der alten Vier-Elemente-Lehre.
Lavoisier führte seine Experimente quantitativ aus unter Verwendung der von ihm postulierten Massenerhaltung.
Er leitete Wasserdampf in einer abgeschlossenen Apparatur über glühende Eisenspäne und ließ ihn an anderer Stelle kondensieren.
Dabei stellte er fest, dass die Masse des kondensierten Wassers etwas geringer war als die der ursprünglichen Menge.
Dafür entstand ein Gas, dessen Masse zusammen mit dem Gewichtszuwachs des oxidierten Eisens genau der "verloren gegangenen" Wassermenge entsprach.
Sein eigentliches Experiment war also erfolgreich.
Lavoisier untersuchte das entstandene Gas weiter und führte die heute als Knallgasprobe bekannte Untersuchung durch, wobei das Gas verbrannte.
Er nannte es daher zunächst wie auch Cavendish als brennbare 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-gene (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, als Humphry Davy 1808 Chlorwasserstoff darstellte und nachwies, dass darin kein Sauerstoff enthalten war.
Danach erkannte man, dass statt Sauerstoff Wasserstoff für den Säurecharakter verantwortlich war.
== Vorkommen
Wasserstoff ist das häufigste chemische Element in der Sonne und den großen Gasplaneten Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun, die über 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 höherer Anteil an Wasserstoff vermutet.
=== Vorkommen im Universum
Kurz nach der Entstehung des Universums waren nach der mutmaßlichen Vernichtung der Antimaterie durch ein geringes Übermaß der Materie und der Kondensation eines Quark-Gluon-Plasmas zu Baryonen nur mehr Protonen und Neutronen (nebst Elektronen) vorhanden.
Bei den vorherrschenden hohen Temperaturen vereinigten sich diese zu leichten Atomkernen, wie 2H und 4He.
Die meisten Protonen blieben unverändert und stellten die zukünftigen 1H-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 der Gravitation und ausgehend von räumlichen Dichteschwankungen allmählich Wolken aus Wasserstoffgas, die sich zunächst großräumig zu Galaxien und darin zu Protosternen zusammenballten.
Unter dem wachsenden Druck der Schwerkraft setzte schließlich die Kernfusion ein, bei der Wasserstoff zu Helium verschmilzt.
So entstanden erste Sterne und später die Sonne.
Sterne bestehen weit überwiegend aus Wasserstoff-Plasma.
Die Kernfusion von Wasserstoff 1H zu Helium 4He erfolgt hauptsächlich über die Zwischenstufen Deuterium 2H und Helium 3He oder über den Bethe-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.
Auch die Gasplaneten bestehen zu großen Teilen aus Wasserstoff.
Unter den extremen Drücken, die in großen Tiefen in den großen Gasplaneten Jupiter und Saturn herrschen, kann er in metallischer Form existieren.
Dieser "metallische" Kern ist elektrisch leitfähig und erzeugt vermutlich das Magnetfeld der Gasplaneten.
Außerhalb von Sternensystemen kommt Wasserstoff auch in Gaswolken vor.
In den so genannten H-I-Gebieten liegt das Element atomar und nichtionisiert vor.
Diese Gebiete emittieren Strahlung von etwa 1420 MHz, die sogenannte 21-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 dagegen H-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.
=== Irdische Vorkommen
Auf der Erde ist der Massenanteil wesentlich geringer.
Bezogen auf die Erd-Gesamtmasse ist der Anteil etwa 0,03 % und bezogen auf die Erdkruste ist er etwa 2,9 %.
Außerdem liegt der irdische Wasserstoff im Gegensatz zu den Vorkommen im All überwiegend gebunden und nur selten in reiner Form als unvermischtes Gas vor.
Die bekannteste Verbindung ist das Wasser.
Neben diesem sind auch Erdgase wie z. B. Methan sowie Erdöl wichtige wasserstoffhaltige Verbindungen auf der Erde.
Auch in mehr als der Hälfte aller bisher bekannten Minerale ist Wasserstoff enthalten.
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 den Ozeanen.
Die verbliebenen 3,5 % liegen als Süßwasser vor.
Davon befindet sich wiederum der größte Teil im festen Aggregatzustand: in Form von Eis in der Arktis und Antarktis sowie in den Permafrostböden vor allem in Sibirien.
Der geringe restliche Anteil ist flüssiges Süßwasser und findet sich meist in Seen und Flüssen, aber auch in unterirdischen Vorkommen, etwa als Grundwasser.
In der Erdatmosphäre 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 4,2 Volumenprozent Wasserdampf aufnehmen.
Die relative Luftfeuchtigkeit beträgt dann 100 %, da der Sättigungsdampfdruck 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 an Sauerstoff 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 der Fluchtgeschwindigkeit auf der Erde.
Aufgrund der Maxwell-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 den oberen 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.
== Gewinnung
=== Molekularer Wasserstoff
Kleinere Mengen Wasserstoff werden im Labor oftmals durch die Reaktion von verdünnten Säuren mit unedlen Metallen wie z. B. Zink gewonnen.
Schematisch gilt:
v e r d u  n n t e S a  u r e + u n e d l e s M e t a l l = H 2 ( g ) + S a l z {\displaystyle \mathrm { verd{\ddot {u}}nnte\ S{\ddot {a}}ure\ +\ unedles\ Metall\ \rightarrow \ H_{2}(g)+Salz} }
Weiter kann molekularer Wasserstoff durch die Reaktion von Wasser mit Alkalimetallen dargestellt werden.
Diese Methode wird aber aus Kostengründen nur bei Schauversuchen angewendet.
Das wichtigste großtechnische Verfahren zur industriellen Gewinnung von molekularem Wasserstoff ist die Dampfreformierung.
Hierbei werden unter hoher Temperatur und hohem Druck Kohlenwasserstoffe mit Wasser umgesetzt.
Dabei entsteht Synthesegas, ein Gemisch aus Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff.
Das Mengenverhältnis der Reaktionsprodukte kann anschließend durch die sogenannte Wassergas-Shift-Reaktion eingestellt werden.
Derzeit gewinnt im Rahmen der Debatte um Power-To-Gas die Elektrolyse von Wasser immer mehr an Bedeutung.
Bei der Wasserelektrolyse wird Wasser durch Zuführung von elektrischer Energie in die Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt.
=== 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 (z. B. an Behälterwänden) 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.
Zur Darstellung von größeren Mengen atomaren Wasserstoffs sind das Woodsche Darstellungsverfahren (Robert Williams Wood, 1898) und dasjenige von Irving Langmuir, die Langmuir-Fackel besonders geeignet.
== Physikalische Eigenschaften
Wasserstoff ist das Element mit der geringsten Dichte.
Molekularer Wasserstoff (H2) ist etwa 14,4-mal weniger dicht als Luft.
Flüssiger Wasserstoff wiegt 70,8 Gramm pro Liter.
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) bei 20 °C und Normaldruck.
Dagegen ist die Löslichkeit (genauer maximale Volumenkonzentration) in Metallen deutlich höher.
Einige thermodynamische Eigenschaften (Transportphänomene) sind aufgrund der geringen Molekülmasse und der daraus resultierenden hohen mittleren Geschwindigkeit der Wasserstoffmoleküle (1770 m/s bei 25 °C) von besonderer Bedeutung, (wie z. B. beim Oberth Effect-Raketentreibstoff).
Wasserstoff besitzt bei Raumtemperatur das höchste Diffusionsvermögen, die höchste Wärmeleitfähigkeit und die höchste Effusionsgeschwindigkeit aller Gase.
Eine geringere Viskosität weisen nur drei- oder mehratomige reale Gase wie zum Beispiel n-Butan auf.
Die Mobilität des Wasserstoffs in einer festen Matrix ist, bedingt durch den geringen Molekülquerschnitt, ebenfalls sehr hoch.
So diffundiert Wasserstoff durch Materialien wie Polyethylen und glühendes Quarzglas.
Ein sehr wichtiges Phänomen ist die außerordentlich hohe Diffusionsgeschwindigkeit in Eisen, Platin und einigen anderen Übergangsmetallen, da es dort dann zur Wasserstoffversprödung kommt.
In Kombination mit einer hohen Löslichkeit 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 räumlichen Begrenzungen durchwandert (siehe Sicherheitshinweise).
Wasserstoff hat ein Linienspektrum und je nach Temperatur des Gases im sichtbaren Bereich ein mehr oder weniger ausgeprägtes kontinuierliches Spektrum.
Letzteres ist beim Sonnenspektrum besonders ausgeprägt.
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 (HI-Linie) in der Hyperfeinstruktur.
In einem magnetischen Feld verhält sich H2 sehr schwach diamagnetisch.
Das bedeutet, die Dichte der Feldlinien eines extern angelegten Magnetfeldes nimmt in der Probe ab.
Die magnetische Suszeptibilität ist bei Normdruck  m {\displaystyle \chi _{m}} = -2,2 * 10-9 und typischerweise einige Größenordnungen unter der von diamagnetischen Festkörpern.
Gegenüber elektrischem Strom ist H2 ein Isolator.
In einem elektrischen Feld hat er eine Durchschlagsfestigkeit von mehreren Millionen Volt pro Meter.
Der Atomradius von Wasserstoff wurde zu 37 Pikometer bestimmt.
In höchstangeregten Wasserstoffatomen, siehe Rydberg-Zustand, wie sie unter den Vakuumbedingungen interstellarer Nebel vorkommen, fliegen deren Elektronen auf Bahnen mit Atomradien von bis zu 0,339 Millimetern.
Wasserstoffgas hat ein Treibhauspotential von 6.
=== Aggregatzustände
Bei Temperaturen unterhalb von 21,15 K (-252 °C) kondensiert Wasserstoff zu einer klaren, farblosen Flüssigkeit.
Dieser Zustand wird als LH2 abgekürzt (engl. liquid, "flüssig").
Unterhalb von 14,02 K (-259,2 °C) bildet Wasserstoff einen kristallinen Festkörper mit hexagonal dichtester Kugelpackung (hcp), dort ist jedes Molekül von zwölf weiteren umgeben.
Am Gefrierpunkt bildet sich beim Abkühlen ein schlammartiges Zweiphasengemisch, ein sogenannter Slush.
Anders als bei Helium tritt beim Verflüssigen von einfachem Wasserstoff ( 1H) keine Suprafluidität auf; prinzipiell kann aber das Isotop Deuterium ( 2H) suprafluid werden.
Der Tripelpunkt des Wasserstoffs, bei dem seine drei Aggregatzustände gleichzeitig vorkommen, ist einer der Fixpunkte der Internationalen Temperaturskala.
Er liegt bei einer Temperatur von exakt 13,8033 K und einem Druck von 7,042 kPa.
Der kritische Punkt liegt bei 33,18 K und 13,0 bar, die kritische Dichte beträgt 0,03012 g/ cm3 (die niedrigste kritische Dichte aller Elemente).
Unter extremen Drücken, wie sie innerhalb von Gasplaneten herrschen, wird wahrscheinlich metallischer Wasserstoff, d. h. in metallischer Form, ausgebildet.
Dabei wird er elektrisch leitend (vgl. Leitungsband).
=== Atom- und kernphysikalische Eigenschaften
Ein einzelnes Wasserstoffatom besteht aus einem positiv geladenen Kern und einem negativ geladenen Elektron, das über die Coulomb-Wechselwirkung an den Kern gebunden ist.
Dieser besteht stets aus einem einzelnen Proton (Hauptisotop 1H) und seltener je nach Isotop einem oder zwei zusätzlichen Neutronen (2H bzw. 3H-Isotop).
Das Wasserstoffatom 1H spielte aufgrund seines einfachen Aufbaus in der Entwicklung der Atomphysik als "Modellatom" eine herausragende Rolle.
So entstand 1913 aus Untersuchungsergebnissen am Wasserstoff das bohrsche 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 auch auf weiter außen liegende, wenn ihm die dazu nötige Energie zugeführt wird (z. B. durch Stöße im erhitzten Gas oder in der elektrischen Gasentladung).
Beim Rücksprung von einer äußeren auf eine innere Bahn wird jeweils eine elektromagnetische Strahlung oder Welle einer bestimmten, der frei werdenden Energie entsprechende Wellenlänge 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); im ultravioletten Bereich liegt die Lyman-Serie mit Wellenlängen von 122 nm, 103 nm, 97 nm und 95 nm.
Wichtige Serien im Infraroten sind die Paschen-Serie (1,9 m; 1,3 m; 1,1 m und 1 m) und die Brackett-Serie (4,1 m; 2,6 m; 2,2 m und 1,9 m) (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 die quantenmechanische Beschreibung, die dem Elektron anstelle der flachen bohrschen Bahnen räumlich ausgedehnte Atomorbitale zuschreibt.
Das H-Atom ist das einzige, für das sich das Eigenwertproblem sowohl der nichtrelativistischen Schrödingergleichung als auch der relativistischen Diracgleichung analytisch, das heißt ohne den Einsatz numerischer 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.
Die Feinstruktur der Spektrallinien kommt u. a. daher, dass Bahndrehimpuls und Spin des Elektrons miteinander koppeln.
Berücksichtigt man darüber hinaus den Kernspin, kommt man zur Hyperfeinstruktur.
Eine sehr kleine, aber physikalisch besonders interessante Korrektur ist die Lambverschiebung durch elektromagnetische Vakuumfluktuationen.
Durch all diese Korrekturen wird bereits das Spektrum des Wasserstoffs zu einem komplexen Phänomen, dessen Verständnis viel theoretisches Wissen in Quantenmechanik und Quantenelektrodynamik erfordert.
=== Kernspinzustände im H2-Molekül
Unter normalen Bedingungen ist Wasserstoffgas H2 ein Gemisch von Molekülen in vier Kernspin-Zuständen, die sich durch die Symmetrie ihrer Kernspins voneinander unterscheiden.
Sie lassen sich weiter in zwei Formen von Wasserstoff unterscheiden, welche als ortho- und para-Wasserstoff bezeichnet werden (kurz o- und p-Wasserstoff).
Bei o-Wasserstoff haben die Kernspins symmetrische Konfiguration, während sie beim p-Wasserstoff einen antisymmetrischen Zustand einnehmen.
o-Wasserstoff ist die energiereichere Form.
Die beiden Molekülzustände können unter Energieaufnahme bzw. -abgabe ineinander übergehen.
Am absoluten Nullpunkt findet man ausschließlich p-Wasserstoff.
Da es für antiparallele Kernspins (Gesamte Spinquantenzahl S=0) nur einen Spinzustand gibt, bei parallelen Kernspins (S=1) aber drei Zustände verschiedener Orientierung im Raum, hat man dagegen für nicht zu kaltes Wasserstoffgas (etwa T>200 K) im Gleichgewicht ein Verhältnis para/ortho-Wasserstoff von fast genau 1:3.
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 der spezifischen 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 von Katalysatoren.
== Chemische Eigenschaften
=== Besonderheiten
Im Periodensystem steht Wasserstoff in der I. Hauptgruppe, weil er 1 Valenzelektron besitzt.
Ähnlich wie die ebenfalls dort stehenden Alkalimetalle hat er in vielen Verbindungen die Oxidationszahl +1.
Allerdings ist 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 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 einen Halogenidcharakter und werden als Hydride 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 seine Elektronegativität erklärt, die eher der des ebenfalls "in der Mitte" stehenden Kohlenstoffs als der des Lithiums 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, sondern kovalente 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, auch Eigenschaften anderer Gruppen hinzukommen.
=== Molekularer Wasserstoff
Bei Zündung reagiert Wasserstoff mit Sauerstoff und Chlor 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.
Mit Chlor reagiert Wasserstoff exotherm unter Bildung von gasförmigem Chlorwasserstoff, der in Wasser gelöst Salzsäure ergibt.
Beide Gase reagieren dabei mit gleichen Stoffmengenanteilen:
Diese Reaktion ist unter dem Namen Chlorknallgasreaktion bekannt, die sich schon durch die Bestrahlung mit Licht zünden lässt.
Für die Knallgasreaktion (Wasserstoff und Sauerstoff) bedarf es einer Zündung.
Die aggressivste Reaktion bei niedrigen Temperaturen geht jedoch Wasserstoff mit Fluor ein.
Wird Wasserstoffgas bei -200 °C auf gefrorenes Fluor geleitet, reagieren die beiden Stoffe sofort explosiv miteinander.
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.
=== Nascierender Wasserstoff
Wasserstoff in statu nascendi, d. h. im Zustand 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 einem angeregten 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 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 erzeugtem Wasserstoff in statu nascendi gelingt diese reduktive Farbänderung.
=== Atomarer Wasserstoff
Um molekularen Wasserstoff in die Atome zu zerlegen, muss Energie von etwa 4,5 eV pro Molekül oder genauer 436,22 kJ/ mol aufgewendet werden (der Chemiker spricht von Enthalpie); beim Zusammenschluss zu Wasserstoffmolekülen (H2 ) wird diese Energie wieder freigesetzt:
Das Gleichgewicht dieser Reaktion liegt unter Normalbedingungen vollkommen auf der rechten Seite der dargestellten Gleichung, denn atomarer Wasserstoff reagiert sehr rasch (z. B. an Behälterwänden) 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 Nähe heißer Sterne wird molekularer Wasserstoff jedoch von deren Strahlung aufgespalten, so dass dort die atomare Form überwiegt.
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 Oberfläche der Sonne hat jedoch nur eine Temperatur von ungefähr 6000 °C.
Bei dieser Temperatur ist immer noch der größte 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 °C weit unter der Energie von 4,5 eV, die zur Auflösung der molekularen Bindung erforderlich ist.
Die Sonne ist jedoch in der Korona mit mindestens einer Million Kelvin wesentlich heißer.
Daher sind im Sonnenlicht die Übergänge der Elektronen im atomaren Wasserstoff erkennbar.
Chemische Verbindungen können sich bei so hohen Temperaturen kaum bilden und zerfallen sofort.
=== Wasserstoffbrückenbindung
Eine wichtige Eigenschaft des Wasserstoffs ist die so genannte Wasserstoffbrückenbindung, eine anziehende elektrostatische Kraft zwischen zwei Molekülen.
Ist Wasserstoff an ein stark elektronegatives Atom, wie zum Beispiel 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 schwächer ist als die Bindungskraft innerhalb eines Moleküls, verbinden sich die Moleküle nicht dauerhaft.
Vielmehr bleibt die Wasserstoffbrücke wegen ständiger 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, wie etwa DNA oder Wasser.
Bei Letzterem führen diese Bindungen zu den Anomalien des Wassers, insbesondere der Dichteanomalie.
== Deuterium und Tritium
Es existieren drei natürlich vorkommende Isotope 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 (Deuterium 2H doppelt, Tritium 3H dreimal so schwer wie Wasserstoff 1H).
=== Wasserstoffähnliche Isotope
Durch die Einbeziehung von Myonen, negativ geladenen instabilen Elementarteilchen mit ungefähr 10 % der Masse eines Protons, können exotische kurzlebige Strukturen erstellt werden, die sich chemisch wie ein Wasserstoffatom verhalten.
Da Myonen selten natürlich vorkommen und ihre Lebensdauer lediglich 2 s beträgt, werden solche Wasserstoffisotope künstlich 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 für Reaktionsmechanismen gut überprüft werden können.
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 gegenüber dem Elektron wesentlich höheren 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.
== Verwendung
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:
Momentan haben beide vorgenannten Verfahren wegen höherer Kosten noch keine wirtschaftliche Bedeutung.
Das könnte sich aber drastisch ändern, sobald die Ölvorräte der Erde zur Neige gehen.
Die beiden natürlichen 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 für einen deutlichen Isotopeneffekt bei den massenabhängigen Eigenschaften.
So hat das schwere Wasser einen messbar höheren Siedepunkt als Wasser.
Das radioaktive Isotop Tritium wird in Kernreaktoren 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 der Tritiummethode 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 eines Weines feststellen.
Es findet Verwendung als langlebige, zuverlässige Energiequelle für Leuchtfarben (im Gemisch mit einem Fluoreszenzfarbstoff), vor allem in militärischen Anwendungen, aber auch in Armbanduhren.
Weitere militärische Verwendung findet das Isotop in der Wasserstoffbombe und gewissen Ausführungen von Kernwaffen, deren Wirkung auf Spaltung beruht.
=== Wasserstoff als Energiespeicher
Wasserstoff gilt als ein Energieträger der Zukunft.
==== Herstellung von Wasserstoff
(= Siehe auch Hauptartikel: Wasserstoffherstellung)
Als Energieträger ist Wasserstoff - wie auch elektrische Energie - keine Primärenergie, sondern muss wie Strom aus Primärenergie hergestellt werden.
Wasserstoff als Energieträger verursacht kein Kohlendioxid, wenn er mit erneuerbaren Energien wie Windenergie oder Sonnenenergie gewonnen wird.
Auch Biowasserstoff verursacht in der Nettobilanz kein Kohlendioxid und grüner Wasserstoff entsteht sogar völlig ohne Kohlendioxid.
Derzeit (2019) erfolgt die Wasserstoff-Herstellung aber fast ausschließlich aus fossiler Primärenergie, überwiegend durch Erdgas-Reformierung.
Die unter dem Schlagwort "Power-to-Gas" oft favorisierte Gewinnung durch Wasser-Elektrolyse mit überschüssigem erneuerbaren Strom gilt bei praktisch realisierten Wirkungsgraden von kaum über 60 % als relativ ineffizient und wirtschaftlich nicht konkurrenzfähig gegenüber Reformierung von Erdgas, 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- und Pilot-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 hohen CO2-Abgabe belegt wird.
(= Siehe auch Abschnitt: Technologien der Wasserstoffherstellung)
==== Speicherung von Wasserstoff
(= Siehe auch Hauptartikel: Wasserstoffspeicherung)
Wasserstoff enthält mehr Energie pro Masse als jeder andere Brennstoff: 141,8 MJ/kg  39,39 kWh/kg Brennwert.
Damit entspricht 1 kg Wasserstoff 3,3 kg Benzin.
Der Energiegehalt pro Volumen ist dagegen relativ gering und erreicht selbst in flüssigem Zustand nur 10 MJ/L  2,79 kWh/L, was nur 31 % der Energie pro Liter Benzin ist.
Wasserstoff erfordert daher große und schwere Tanks.
Die technischen Probleme bei der Speicherung von Wasserstoff entstehen vor allem durch dessen hohen Dampfdruck, dessen niedrigen Siedepunkt und die hohe Diffusionsneigung.
Verfahren wie Druck- und Flüssigwasserstoffspeicherung und die Speicherung in Metallhydriden befinden sich im kommerziellen Einsatz.
Weitere Verfahren sind noch im Stadium der Entwicklung oder der Grundlagenforschung.
(= Siehe auch Abschnitt: Technologien der Wasserstoffspeicherung)
Folgende Speichermethoden werden eingesetzt:
Wikipedia:WikiProjekt Ereignisse/Vergangenheit/ 2011
Hochdruck-Tanks aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff für bis zu 800 bar fassten um das Jahr 2010 zum Beispiel in 125 Litern Volumen bei 700 bar Nenndruck nur 5 kg Wasserstoff (entspricht 22 Litern Benzin) und wiegen ungefähr 125 kg.
==== Brandlast & Explosionsgefahr
Eine lokale Erhitzung eines Drucktanks kann unter der Wirkung des Betriebsdrucks zu einem lokalem mechanischen Versagen, also lokalen Perforation der Tankwand führen.
Hier ausströmendes Wasserstoffgas kann Ladungstrennung, also elektrostatische Aufladung erzeugen, deren Entladungsfunken ein brennbares Wasserstoff-Luft-Gemisch entzünden kann.
Auch andere Zündquellen sind relevant.
Die Verbrennung - außerhalb des Tanks - kann explosiv oder als Flamme erfolgen.
Durch die gesamtheitliche Erhitzung von Drucktank und Inhalt steigt der Innendruck etwa proportional zur absoluten Temperatur an, bis beim Berstdruck der Tank platzt.
Die Arbeitsgemeinschaft der Leiter der Berufsfeuerwehren geht bei wasserstoffbetriebenen Fahrzeuge " davon aus, dass aufgrund der hohen Behältersicherheit ein Feuer gelöscht werden kann, bevor es zum Bersten der Druckgasbehälter kommt." Das Platzen eines Tanks aus Metall (Druckgefäß Type 1) kann zum Fragmentieren des Tanks führen, sodass Teile der Tankwand voneinander wegfliegen.
Tanks aus Faserverbundwerkstoff (Composites, Type 2 bis 4) werden so konstruiert, dass sie im Fall des Platzens möglichst nur aufreißen, doch zusammenhängend bleiben.
Ein Sicherheitsventil soll vor dem Berstdruck ansprechen und Gas ablassen um den Druck zu reduzieren.
Auch ein Tankventil kann brechen.
Strömt dann Gas unter hohem Druck aus erfährt das Druckgefäß einen länger dauernden Rückstoß, der ein nicht befestigtes Gefäß auf hohe Geschwindigkeit beschleunigen kann.
Bei größeren Mengen in geschlossenen Räumen (z. B. beim Brand in einer Garage) ist jedoch die Bildung eines explosionsfähigen Luftgemisches ab 4 Volumenprozent denkbar.
Benzin breitet sich im Fall eines Tanklecks unter der Schwerkraft am Boden oder auf einer Gewässeroberfläche aus, auch Benzindampf ist schwerer als Luft und bleibt in Bodennähe konzentrierter, auch wenn Wind den Dampf verfrachtet.
Benzin und sein Dampf können in Abflüsse oder tieferliegende Geschosse rinnen.
Ausgetretener Wasserstoff hingegen strebt in Luft durch den Auftrieb nach oben.
Allenfalls reichert er sich unter der Decke eines geschlossenen gedeckten Raums an oder fließt durch Abluftkamine.
In geschlossenen Räumen kommt es eher zur Bildung eines explosionsfähigen Wasserstoff-Luft-Gemisches - ab 4 Volumenprozent - als im Freien.
Die Einfahrt von Pkw mit gespeichertem Wasserstoff in Tiefgaragen ist in Bremen, dem Saarland sowie durch sichtbare Einschränkung durch den Betreiber verboten.
Bei einer für FCHV Pkw typischen, geringen Speicherkapazität von maximal 5 kg Wasserstoff mit ca. 600 MJoule Heizwert ist die Brandlast geringer als diejenige von 20 Liter Benzin.
==== Energiedichten im Vergleich
Auf das Volumen bezogen:
=== Kernfusion
Schon bald nach den Anfängen der Kernphysik im ersten Viertel des 20. Jahrhunderts wurde die Aufmerksamkeit der Physiker auf die Energiegewinnung gelenkt.
Neben der Kernspaltung wurde der Weg einer Verschmelzung der Kerne, die Kernfusion, erforscht.
Die ersten gefundenen Reaktionen sind die Proton-Proton-Reaktionen, bei denen Wasserstoffkerne direkt zu Helium verschmelzen.
Das konnte die Energiegewinnung in leichten Sternen wie unserer Sonne größtenteils erklären.
Zwischen 1937 und 1939 entwickelten Hans Bethe und Carl Friedrich von Weizsäcker eine Theorie zur Kernfusion in sehr schweren Sternen, den nach ihnen benannten Bethe-Weizsäcker-Zyklus.
Darin spielt Wasserstoff die überwiegende Rolle in der Energiegewinnung.
Er wird aber nicht direkt zu Helium verschmolzen, sondern fusioniert in verschiedenen Reaktionen mit Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff.
Am Ende des Zyklus entsteht Helium; die anderen Elemente wirken als Katalysatoren.
Während des Kalten Krieges 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 testeten die Vereinigten Staaten die erste Wasserstoffbombe auf einer kleinen Pazifikinsel.
Brennstoff war nicht Wasserstoff, sondern das Isotop Deuterium.
In der Bombe liefen vor allem folgende Kernreaktionen ab:
Das entstandene Tritium und Helium-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 auf Lithium-Deuterid (LiD) als Brennstoff zurückgegriffen.
Durch die bei der Primärreaktion von Deuterium entstehenden Neutronen wird aus dem Lithium Tritium erbrütet:
Bei der Reaktion mit Lithium-6 wird zudem noch Energie frei, während die Reaktion mit Lithium-7 Energie verbraucht, dafür aber wieder ein Neutron erzeugt, das für die weitere Tritium-Produktion zur Verfügung steht.
Physiker forschen aber auch an einer friedlichen Nutzung der Kernverschmelzung zur Energiegewinnung.
Am weitesten fortgeschritten sind Versuche, die Reaktion in einem Plasma kontrolliert ablaufen zu lassen.
Die dazu nötigen sehr hohen Temperaturen sind schwierig zu realisieren.
Ab etwa 1970 wurden die ersten entsprechenden Versuchsanlagen errichtet.
Unter den heute (2016) führenden Anlagen sind beispielsweise JET und ITER (im Bau) in Europa, ein deutscher Tokamak-Reaktor in Garching sowie der Stellarator Wendelstein 7-X am Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP) in Greifswald.
Falls die Experimente erfolgreich verlaufen, sollen die gewonnenen Erkenntnisse für den Bau eines Demonstrationskraftwerks (DEMO) dienen.
Die gegenwärtigen Planungen gehen von der Inbetriebnahme von DEMO etwa 2040 und der möglichen kommerziellen Nutzung ab etwa 2050 aus.
Solche kommerziellen Reaktoren werden aber anders als Wasserstoffbomben voraussichtlich nur die Deuterium-Tritium-Reaktion zur Energiegewinnung nutzen können.
Sie sind somit unbedingt auf Lithium zur Erbrütung des eigentlichen Brennstoffs Tritium angewiesen.
Während Deuterium in den Weltmeeren in fast beliebiger Menge zur Verfügung steht, sind die bekannten Lithium-Vorräte beschränkt.
== Kernfusion in Sonne und Sternen
Mit Wasserstoffbrennen wird die Kernfusion von Wasserstoff in Helium im Inneren von Sternen (z. B. 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:
Für die exakte Berechnung der freigesetzten Energie ist zu berücksichtigen, dass in Teilreaktion der Proton-Proton-Reaktion und auch des Bethe-Weizsäcker-Zyklus zwei Positronen freigesetzt werden, die bei der Annihilation mit einem Elektron 1,022 MeV entsprechend den Massen 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 näherungsweise, aber nicht exakt identisch mit den Atommassen von Wasserstoff und Helium, da es verschiedene Isotope dieser Elemente gibt.
Ferner verlässt 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^2.
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 für alle bekannten Lebewesen.
An vorderster Stelle zu nennen ist hier Wasser, welches als Medium für alle zellulären 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.
Wasserstoff spielt im Organismus auch aktive Rollen, so bei einigen Koenzymen wie z. B. Nicotinamid-Adenin-Dinucleotid (NAD/NADH), die als Reduktionsäquivalente (oder "Protonentransporter") im Körper dienen und bei Redoxreaktionen mitwirken.
In den Mitochondrien, den Kraftwerken der Zelle, dient die Übertragung von Wasserstoffkationen (Protonen) zwischen verschiedenen Molekülen der so genannten Atmungskette dazu, einen Protonengradienten durch chemiosmotisches Membranpotenzial zur Generierung von energiereichen Verbindungen wie Adenosintriphosphat (ATP) bereitzustellen.
Bei der Photosynthese in Pflanzen und Bakterien wird der Wasserstoff aus dem Wasser dazu benötigt, das fixierte Kohlendioxid in Kohlenhydrate umzuwandeln.
Bezogen auf die Masse ist Wasserstoff im menschlichen 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).
== Medizinische Bedeutung
In biologischen Systemen reagiert molekularer Wasserstoff mit reaktiven Sauerstoffspezies und wirkt so als Antioxidans.
Im Tierversuch führt die Anreicherung von Trinkwasser mit molekularem Wasserstoff nach Nierentransplantation 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 von Signalwegen, welche die entzündliche Aktivität verstärken (proinflammatorische Signalwege).
== Bedeutung im Leistungssport
Aufgrund der Wirkung als Antioxidans hat Wasserstoff eine leistungssteigernde Wirkung bei anaeroben Belastungen.
Es 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.
Es kann zum unmittelbaren Gebrauch Getränken beigefügt werden als auch in Gasform ähnlich wie bei Sauerstoff z. B. über eine Maske eingeatmet werden.
Nur die intravenöse Verabreichung ist durch die Anti-Doping-Bestimmungen verboten.
== Sicherheitshinweise
Wasserstoff ist hochentzündlich.
Er brennt mit reinem Sauerstoff oder Luft sowie mit anderen gasförmigen Oxidationsmitteln wie Chlor oder Fluor mit heißer Flamme.
Da die Flamme kaum sichtbar ist, kann man unabsichtlich hinein geraten.
Gemische mit Chlor oder Fluor sind schon durch Ultraviolettstrahlung entzündlich (siehe Chlorknallgas).
Außer der nach GHS vorgeschriebenen Kennzeichnung (siehe Info-Box) müssen H2-Druckgasflaschen nach DIN EN 1089-3 mit roter Flaschenschulter und rotem Flaschenkörper 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.
Gemische aus Luft und 4 bis 76 Vol.-% Wasserstoff sind brennbar.
Ab einer Konzentration von 18 % in Luft ist das Gemisch explosiv (Knallgas).
Die Zündtemperatur in Luft beträgt 560 °C.
Bei der Handhabung ist der Wasserstoff von Zündquellen, einschließlich elektrostatischen Entladungen, fernzuhalten.
Die Lagerung der Behälter sollte fern von oxidierenden Gasen (Sauerstoff, Chlor) und anderen brandfördernden Stoffen erfolgen.
Wasserstoff kann wegen dessen geringer Atomgröße durch viele Feststoffe hindurchdiffundieren, das heißt, Gas kann langsam durch ungeeignete Materialien (z. B. Plaste) austreten.
Die für Gastanks und Leitungen verwendeten Materialien und -stärken berücksichtigen das, sodass keine größeren Risiken bestehen als z. B. mit Benzin.
Wasserstofffahrzeuge mit Drucktanks können problemlos in Parkhäusern und Tiefgaragen geparkt werden.
Es existiert keine gesetzliche Bestimmung, die das einschränkt (siehe dazu: Wasserstoffspeicherung).
== Nachweis
Molekularen Wasserstoff kann man durch die Knallgasprobe nachweisen.
Bei dieser Nachweisreaktion wird eine kleine, beispielsweise während einer Reaktion aufgefangene Menge eines Gases, in einem Reagenzglas 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:
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.
== 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 * EHn (L steht für einen Liganden).
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 negative Ladungsanteile tragen.
Das ist abhängig davon, ob der Bindungspartner eine höhere oder eine niedrigere Elektronegativität als Wasserstoff (2,2) besitzt.
Zwischen den beiden Verbindungstypen lässt sich im Periodensystem keine scharfe Grenze ziehen, da zum Beispiel das Säure-Base-Verhalten mit berücksichtigt werden muss.
Eine mehr oder weniger willkürliche 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 lässt sich bei Monosilan (SiH4) die Oxidationszahl für Silicium auf +4 (Wasserstoff dementsprechend -1), in Methan (CH4) für Kohlenstoff auf -4 (Wasserstoff +1) festlegen.
Zur Darstellung von Wasserstoffverbindungen EHn werden hauptsächlich drei verschiedene Verfahren genutzt:
=== Salzartige Verbindungen
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 werden Hydride genannt.
Salzartige Elementwasserstoffe sind von den Alkali- und, mit Ausnahme von Beryllium, den Erdalkalimetallen bekannt.
Außerdem zählt man die Dihydride des Europiums und Ytterbiums (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, sind Hydrate oder Hydroxide.
=== Metallartige Verbindungen
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 für Einlagerungsverbindungen entspricht).
Das Element besetzt die oktaedrischen und tetraedrischen Lücken in den kubisch- bzw. hexagonal-dichtesten Metallatompackungen.
Die Löslichkeit von Wasserstoff steigt mit zunehmender Temperatur.
Man findet jedoch selbst bei Temperaturen über 500 °C selten mehr als 10 Atomprozente Wasserstoff im betreffenden Metall.
Am meisten Wasserstoff können die Elemente Vanadium, Niob und Tantal aufnehmen.
Bei Raumtemperatur sind folgende Stöchiometrien 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-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 Säuren, da der Wasserstoff sofort als Proton (H+-Ion) von umgebenden Wassermolekülen abgespalten werden kann.
Isolierte H+-Ionen verbinden sich in wässriger Lösung sofort mit Wassermolekülen zu H3O+-Ionen; dieses Ion ist verantwortlich für die saure Eigenschaft von wässrigen Chlorwasserstofflösungen.
==== Säure-Base-Verhalten
Die kovalenten Wasserstoffverbindungen der Elemente der IV. bis VII.
Hauptgruppe des Periodensystems sowie Borwasserstoffe sind Säuren nach der Definition von Johannes Nicolaus Bronsted, geben also Protonen an andere Verbindungen ab.
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 können kovalente Elementwasserstoffe als Basen fungieren.
Wasserstoffverbindungen der Elemente aus Hauptgruppe V bis VII können Protonen aufnehmen, da sie über freie Elektronenpaare verfügen.
Ursache für die Acidität oder Basizität einer wässrigen Lösung ist die Stoffmengenkonzentration an Protonen (H+-Ionen).
Den negativen dekadischen Logarithmus dieser Konzentration nennt man pH-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 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 größter Wichtigkeit ist das Wasser (Wasserstoffoxid); von technischer Bedeutung ist daneben Wasserstoffperoxid, früher Wasserstoffsuperoxid genannt.
Ein weiteres, aber selteneres Oxid ist das Dihydrogentrioxid.
Von außerordentlicher Bedeutung für alles Leben auf der Erde sind auch Alkohole und Saccharide sowie Carbonsäuren, die (nur) Wasserstoff, Sauerstoff und Kohlenstoff enthalten.
==== Kohlenwasserstoffe
Wasserstoff bildet mit Kohlenstoff die kovalenten Kohlenwasserstoffe, deren Studium sich die Kohlenwasserstoffchemie verschrieben hat.
== Literatur
Chemie
Technik
Bedeutung

Klexikon (einfache Sprache):
Wasserstoff ist ein chemisches Element, also ein bestimmter chemischer Stoff.
Es ist der Stoff, der in unserem Universum am aller häufigsten vorkommt.
Er ist ein sehr leichtes und brennbares Gas.
Wasserstoff wird mit dem chemischen Symbol H abgekürzt:
Das steht für Hydrogenium.
Dieser griechisch-lateinische Ausdruck bedeutet in etwa "Wassererzeuger".
Wasserstoff ist einer der beiden Hauptbestandteile von Wasser, der andere ist Sauerstoff.
In chemisch gebundener Form kommt Wasserstoff in allen Lebewesen vor.
== Wo verwenden wir Wasserstoff?
Da Wasserstoff etwa 14 mal leichter als Luft ist, wurde er früher verwendet, um Ballone oder Zeppeline zu füllen.
Wegen der Explosionsgefahr verwendet man mittlerweile aber das Edelgas Helium, das im Gegensatz zu Wasserstoff nicht brennbar ist.
Die gute Brennbarkeit von Wasserstoff nutzt man, indem man ihn zum Beispiel als Raketentreibstoff einsetzt.
Außerdem gibt es die "Brennstoffzelle":
Das ist ein Motor, der mit Wasserstoff betrieben wird.
Diesen Motor nutzt man als Antrieb von Raumsonden, indem man den Wasserstoff mit einer Flamme verbrennt.
Mittlerweile gibt es aber auch eine Technik, bei der keine Flamme entsteht: Die Energie des Wasserstoffs wird direkt in elektrischen Strom umgewandelt.
So werden heute bereits zahlreiche Autos, Busse, Motorroller oder Flugzeuge angetrieben.
Brennstoffzellen haben den Vorteil, dass sie nur Wasserdampf als Abgas ausstoßen.
Eine weitere wichtige Eigenschaft von Wasserstoff ist, dass er sehr viel Wärme aufnehmen kann.
Deshalb nutzt man ihn zum Beispiel als Kühlmittel in Kraftwerken.
Auch in der chemischen Industrie wird Wasserstoff verwendet.