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Wasserstoff

Symbol: H
Ordnungszahl: 1
Relative Atommasse: 1,00794
Schmelzpunkt: 14,01 K
Siedepunkt: 20,28 K
Dichte: 0,0899 *10-3 g cm-3
Elektronegativität: 2,2
Ionisierungsenergie: 13,598 eV
Konfiguration: 1 s
Oxidationszahlen: 1, -1
Atomradius: 37,3 pm
Ionenradius: 21 pm (-1)

Wasserstoff ist das häufigste Element im Universum und macht etwa drei Viertel der gesamten klassischen Materie aus. Es entstand aus der ersten Materie im frühen Universum, als sich das Weltall hinreichend abkühlte, dass sich Protonen und Elektronen zu Atomen zusammenfinden konnten. Bestehend aus nur einem Proton und einem Elektron, ist Wasserstoff das einfachste und leichteste Element. Bei Zimmertemperatur ist es ein brennbares, farb-, geruch- und geschmackloses Gas, das aus H2-Molekülen besteht. Durch seine geringe Molekülmasse leitet Wasserstoff Wärme sehr gut. Unter sehr hohem Druck bildet das Element eine feste metallische Phase. Man vermutet, dass die inneren Bereiche der Riesenplaneten metallischen Wasserstoff enthalten.

In Wasser und anderen Lösungsmitteln ist Wasserstoff wenig löslich. Dagegen vermögen einige Metalle beträchtliche Mengen an Wasserstoff aufzunehmen, Palladium zum Beispiel mehr als das 800-Fache seines Volumens. Obwohl molekularer Wasserstoff wenig reaktiv ist, geht das Element mit sehr vielen Stoffen Verbindungen ein. Auf der Erde kommt es nicht nur in Verbindung mit Sauerstoff als Wasser vor, auch nahezu alle organischen Moleküle enthalten Wasserstoff; sitzt das Element an einem elektronegativen Atom wie zum Beispiel Sauerstoff oder Stickstoff, kann es eine Wasserstoffbrücke bilden. Diese wenig stabile, aber gerade in der Biologie um so bedeutsamere Bindungsart ist in ihren Details bis heute rätselhaft.

In organischen und vielen anorganischen Verbindungen hat Wasserstoff die Oxidationsstufe +1, es bildet aber auch Verbindungen mit Metallen. In diesen Hydriden hat es die Oxidationsstufe -1. Aus vielen organischen Verbindungen lässt sich Wasserstoff als H+ abspalten, solche Verbindungen bezeichnet man als Brönstedt-Säuren. Wie sauer eine wässrige Lösung ist, ist abhängig von der Konzentration an H+-Ionen, ihre Konzentration gibt man als pH-Wert an.

Industriell gewinnt man Wasserstoff hauptsächlich durch Dampfreformierung (Steam Reforming); dabei setzt man Methan aus Kohlenwasserstoffgemischen oder Erdgas mit Wasserdampf zu Kohlenmonoxid und Wasserstoff um. Zukünftig wird möglicherweise die Wasserelektrolyse bedeutsam – vorausgesetzt, der nötige Strom steht zur Verfügung. Wegen seiner geringen Dichte setzte man Wasserstoff eine Zeit lang als Auftriebsgas für Ballons und Luftschiffe ein, was sich allerdings wegen seiner Brennbarkeit in Gegenwart von Sauerstoff als nicht allzu gute Idee erwies. Die größte Menge des Wasserstoffes verbraucht derzeit die petrochemische Industrie zum Veredeln von Kraftstoffen, beispielsweise, um Schwefel aus dem Rohprodukt zu entfernen. Darüber hinaus nutzt man das Element, um im Haber-Bosch-Verfahren Ammoniak, den Ausgangsstoff für Stickstoffdünger, herzustellen. In Turbinen dient Wasserstoff wegen seiner hohen Wärmeleitung als Kühlmittel.

Außerdem kann man Wasserstoff als flüssigen oder gasförmigen Energieträger für Fahrzeuge nutzen. Diese Möglichkeit ist vor allem deswegen in der Diskussion, weil Wasserstoff sauber verbrennt und im Prinzip aus Wasser beliebig nachproduziert werden kann, ohne Kohlendioxid freizusetzen. Allerdings ist seine Energiedichte pro Volumen deutlich geringer als die fossiler Kraftstoffe, und für seiner Herstellung und Speicherung wird sehr viel Energie benötigt. Deswegen sehen viele Fachleute die Wasserstofftechnik kritisch. Die Wasserstoffisotope Deuterium und Tritium wären der Brennstoff für Fusionskraftwerke, ob und wann diese Technik kommt, ist allerdings unklar.

Wegen seiner Bedeutung für die organische Chemie spielt Wasserstoff auch in der Biologie eine große Rolle. Die Konzentration von Wasserstoffionen in Zellen ist präzise gesteuert und für alle Organismen entscheidend. Unterschiede in der Konzentration über eine Membran hinweg treiben die Bildung des zellulären Energieträgers ATP an. Viele Mikroorganismen erzeugen oder verbrauchen Wasserstoff. Fachleute vermuten, dass geochemisch entstandener Wasserstoff einen großen Teil der tiefen Biosphäre, der Mikroorganismen im Grundgestein, ernährt.

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