Wasserstoff (H) – Eigenschaften, Vorkommen und Verwendung

Wasserstoff (H) ist das leichteste und häufigste chemische Element im Universum. Er steht mit der Ordnungszahl 1 ganz am Anfang des Periodensystems und besitzt den einfachsten Atomaufbau aller Elemente. Dennoch ist seine Bedeutung gewaltig: Wasserstoff liefert die Energie unserer Sonne, ist Bestandteil des Wassers und spielt eine entscheidende Rolle für das Leben auf der Erde.

Das unscheinbare Gas ist außerdem ein wichtiger Rohstoff der chemischen Industrie und könnte künftig helfen, industrielle Prozesse klimafreundlicher zu gestalten. Doch warum ist Wasserstoff so besonders? Weshalb steht er im Periodensystem über den Alkalimetallen, obwohl er selbst kein Metall ist? Und was haben Wasserstoffbrücken mit der DNA und schwimmendem Eis zu tun?

Wasserstoff im Periodensystem – Steckbrief

Was ist Wasserstoff?

Wasserstoff ist ein chemisches Element, dessen Atome im einfachsten Fall nur aus einem Proton und einem Elektron bestehen. Das Proton bildet den positiv geladenen Atomkern, während sich das negativ geladene Elektron in der Atomhülle aufhält.

Im Vergleich zu anderen Atomen ist Wasserstoff besonders einfach aufgebaut. Ein Eisenatom beispielsweise besitzt 26 Protonen und 26 Elektronen. Beim gewöhnlichen Wasserstoff genügt jeweils eines.

Unter normalen Bedingungen tritt elementarer Wasserstoff überwiegend als Wasserstoffmolekül (H₂) auf. Dabei verbinden sich zwei Wasserstoffatome durch eine gemeinsame Elektronenpaarbindung.

Wasserstoff ist farblos, geruchlos und geschmacklos. Er ist außerdem etwa 14-mal leichter als Luft.

Warum steht Wasserstoff in der ersten Gruppe des Periodensystems?

Wasserstoff besitzt nur ein Elektron. Seine Elektronenkonfiguration lautet 1s¹. Deshalb wird er im Periodensystem meist über den Alkalimetallen wie Lithium, Natrium und Kalium angeordnet, die ebenfalls ein Elektron in ihrer äußersten besetzten Elektronenschale besitzen.

Trotz dieser Gemeinsamkeit ist Wasserstoff kein Alkalimetall. Er ist ein Nichtmetall und unterscheidet sich in seinen chemischen und physikalischen Eigenschaften deutlich von Lithium und Natrium.

Wasserstoff kann in Verbindungen die Oxidationszahl +1 oder −1 annehmen und bildet häufig kovalente Bindungen, bei denen Atome Elektronenpaare gemeinsam nutzen.

Aufgrund dieser Besonderheiten nimmt Wasserstoff eine Sonderstellung im Periodensystem ein.

Welche Eigenschaften hat Wasserstoff?

Wasserstoff ist das Element mit der geringsten Atommasse. Als Gas besitzt er eine sehr niedrige Dichte und außergewöhnlich niedrige Schmelz- und Siedetemperaturen.

Physikalische Eigenschaften

Bei normalem Luftdruck wird Wasserstoff erst bei etwa −253 °C flüssig und bei etwa −259 °C fest.

Der Grund liegt vor allem in der geringen Masse seiner Moleküle und den schwachen Anziehungskräften zwischen ihnen.

Zum Vergleich: Wasser, dessen Moleküle ebenfalls Wasserstoff enthalten, siedet unter Normaldruck bereits bei 100 °C. Dieser enorme Unterschied hängt wesentlich mit den Wasserstoffbrückenbindungen zwischen Wassermolekülen zusammen.

Wasserstoff besitzt außerdem eine hohe Wärmeleitfähigkeit. Seine kleinen Moleküle können durch viele Materialien relativ schnell diffundieren. Das stellt besondere Anforderungen an die technische Speicherung und den Transport.

Chemische Eigenschaften

Obwohl Wasserstoff ein brennbares Gas ist, reagiert er bei Raumtemperatur nicht automatisch mit jedem Stoff.

Die beiden Atome eines H₂-Moleküls sind durch eine starke chemische Bindung miteinander verbunden. Für viele Reaktionen muss diese Bindung zunächst aktiviert werden, beispielsweise durch Wärme, einen elektrischen Funken oder einen Katalysator.

Ein Katalysator ist ein Stoff, der eine chemische Reaktion beschleunigt, ohne dabei dauerhaft verbraucht zu werden.

Besonders bekannt ist die Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff.

Die Knallgasreaktion – wenn Wasserstoff zu Wasser wird

Wasserstoff und Sauerstoff können unter Freisetzung großer Energiemengen miteinander reagieren.

Die Reaktionsgleichung lautet:

2 H₂ + O₂ → 2 H₂O

Aus zwei Wasserstoffmolekülen und einem Sauerstoffmolekül entstehen zwei Wassermoleküle.

Die Reaktion ist stark exotherm. Das bedeutet, dass Energie an die Umgebung abgegeben wird.

Wird ein geeignetes Gemisch aus Wasserstoff und Sauerstoff entzündet, kann die Reaktion explosionsartig ablaufen. Deshalb spricht man von der Knallgasreaktion.

Das Bemerkenswerte daran: Zwei gasförmige Elemente bilden bei ihrer Reaktion Wasser – eine Verbindung mit völlig anderen Eigenschaften als die Ausgangsstoffe.

Die Knallgasreaktion verdeutlicht damit einen grundlegenden Gedanken der Chemie: Die Eigenschaften einer chemischen Verbindung lassen sich nicht einfach aus den Eigenschaften ihrer Elemente ableiten.

Wo kommt Wasserstoff vor?

Wasserstoff ist das häufigste chemische Element im Universum. Etwa drei Viertel der Masse der gewöhnlichen, aus Atomen aufgebauten Materie entfallen auf Wasserstoff.

Auf der Erde kommt er dagegen überwiegend in chemisch gebundener Form vor, beispielsweise in Wasser und organischen Verbindungen.

Wasserstoff im Universum – der Brennstoff der Sterne

Der Ursprung des Wasserstoffs reicht bis in die früheste Geschichte des Universums zurück.

Bereits in den ersten Minuten nach dem Urknall entstanden Wasserstoffkerne und andere leichte Atomkerne. Erst viel später konnten sich bei ausreichend niedrigen Temperaturen Elektronen dauerhaft an Atomkerne binden und neutrale Atome bilden.

Bis heute ist Wasserstoff der wichtigste Ausgangsstoff für die Energieerzeugung vieler Sterne.

Im Inneren unserer Sonne verschmelzen Wasserstoffkerne in mehreren Reaktionsschritten zu Helium. Bei dieser Kernfusion wird ein kleiner Teil der ursprünglichen Masse in Energie umgewandelt.

Diese Energie gelangt schließlich als Sonnenstrahlung zur Erde. Sie ermöglicht unter anderem die Photosynthese der Pflanzen und beeinflusst nahezu alle natürlichen Energieflüsse auf unserem Planeten.

Der leichteste Baustein der Materie ist damit zugleich eine wesentliche Grundlage für das Leben auf der Erde.

Wasserstoff auf der Erde

Auf unserem Planeten ist Wasserstoff vor allem im Wasser gebunden. Jedes Wassermolekül (H₂O) enthält zwei Wasserstoffatome und ein Sauerstoffatom.

Auch Erdgas, Erdöl, Pflanzen, Tiere und Menschen enthalten große Mengen chemisch gebundenen Wasserstoffs.

Besonders wichtig ist Wasserstoff als Bestandteil organischer Verbindungen. Dazu gehören Kohlenhydrate, Fette, Proteine und die Erbsubstanz DNA.

Freier Wasserstoff kommt in der Erdatmosphäre dagegen nur in sehr geringen Mengen vor. Auch natürliche Wasserstoffvorkommen im geologischen Untergrund sind bekannt und werden wissenschaftlich untersucht.

Die drei Isotope des Wasserstoffs: Protium, Deuterium und Tritium

Nicht alle Wasserstoffatome sind gleich schwer. Sie besitzen zwar immer genau ein Proton im Atomkern, können sich aber in der Anzahl ihrer Neutronen unterscheiden.

Solche Varianten eines chemischen Elements nennt man Isotope.

Wasserstoff besitzt drei besonders bekannte Isotope, die eigene Namen tragen.

Protium – das einfachste Atom

Protium ist die häufigste Form des Wasserstoffs. Sein Atomkern besteht nur aus einem Proton und enthält kein Neutron.

Damit ist Protium das einzige stabile Nuklid, dessen Atomkern ausschließlich aus einem einzelnen Proton besteht.

Deuterium – schwerer Wasserstoff

Deuterium enthält zusätzlich ein Neutron im Atomkern und ist deshalb ungefähr doppelt so schwer wie Protium.

Ersetzt man in Wassermolekülen beide gewöhnlichen Wasserstoffatome durch Deuterium, entsteht schweres Wasser (D₂O).

Schweres Wasser unterscheidet sich in einigen physikalischen Eigenschaften von gewöhnlichem Wasser und wird beispielsweise in bestimmten Kernreaktoren und wissenschaftlichen Untersuchungen verwendet.

Tritium – radioaktiver Wasserstoff

Tritium besitzt zwei Neutronen und ist radioaktiv. Seine Halbwertszeit beträgt etwa 12,3 Jahre.

Unter der Halbwertszeit versteht man die Zeitspanne, nach der im Mittel die Hälfte der ursprünglich vorhandenen radioaktiven Atomkerne zerfallen ist.

Tritium wird unter anderem in der Forschung eingesetzt. Zusammen mit Deuterium ist es außerdem für bestimmte Verfahren der kontrollierten Kernfusion von Bedeutung.

Wasserstoffbrückenbindungen – warum Wasser so außergewöhnlich ist

Wasser besitzt für ein Molekül seiner Größe ungewöhnliche Eigenschaften. Es siedet vergleichsweise spät, kann viel Wärme aufnehmen und dehnt sich beim Gefrieren aus.

Ein wesentlicher Grund dafür sind die Wasserstoffbrückenbindungen.

Warum ziehen sich Wassermoleküle gegenseitig an?

Ein Wassermolekül besteht aus einem Sauerstoffatom und zwei Wasserstoffatomen. Die Atome bilden keine gerade Linie, sondern einen Winkel von etwa 104,5°.

Sauerstoff zieht die gemeinsamen Bindungselektronen stärker an als Wasserstoff. Dadurch trägt das Sauerstoffatom eine negative Partialladung, während die Wasserstoffatome positive Partialladungen besitzen.

Das Wassermolekül ist deshalb ein elektrischer Dipol: Seine elektrische Ladung ist ungleichmäßig verteilt.

Zwischen dem partiell positiv geladenen Wasserstoffatom eines Wassermoleküls und dem Sauerstoffatom eines benachbarten Moleküls kann eine Wasserstoffbrückenbindung entstehen.

Diese Wechselwirkungen sind deutlich schwächer als die kovalenten O–H-Bindungen innerhalb eines Wassermoleküls. Gemeinsam beeinflussen sie jedoch die Eigenschaften des Wassers erheblich.

Warum schwimmt Eis auf Wasser?

Bei der Bildung von gewöhnlichem Eis ordnen sich Wassermoleküle durch Wasserstoffbrückenbindungen zu einer relativ offenen Kristallstruktur an.

Dadurch benötigen sie im festen Zustand mehr Raum als in flüssigem Wasser.

Eis besitzt deshalb eine geringere Dichte als flüssiges Wasser und schwimmt an der Oberfläche.

Für das Leben in Seen und anderen Gewässern ist diese Besonderheit von großer Bedeutung. Eine Eisdecke kann das darunterliegende Wasser gegen weitere Abkühlung isolieren.

Wasserstoffbrücken in DNA und Proteinen

Wasserstoffbrückenbindungen sind auch für biologische Moleküle unverzichtbar.

In der DNA tragen sie dazu bei, dass sich die passenden Nukleinbasen der beiden Stränge miteinander verbinden.

Adenin und Thymin bilden zwei, Guanin und Cytosin drei Wasserstoffbrückenbindungen aus.

Auch die räumliche Struktur vieler Proteine wird durch Wasserstoffbrücken stabilisiert.

Sie sind damit ein wichtiges Beispiel dafür, wie vergleichsweise schwache chemische Wechselwirkungen gemeinsam komplexe biologische Strukturen ermöglichen.

Wie wurde Wasserstoff entdeckt?

Die Geschichte des Wasserstoffs beginnt lange vor der modernen Chemie.

Bereits frühe Naturforscher beobachteten, dass bei der Einwirkung bestimmter Säuren auf Metalle ein brennbares Gas entsteht.

1661 beschrieb der englische Wissenschaftler Robert Boyle entsprechende Gasentwicklungen bei seinen Experimenten.

1766 untersuchte Henry Cavendish das Gas systematisch und erkannte es als einen besonderen Stoff. Er bezeichnete es als „brennbare Luft“.

Erst später wurde deutlich, dass dieses Gas ein eigenständiges chemisches Element darstellt.

Der französische Chemiker Antoine Laurent de Lavoisier zeigte im Zusammenhang mit seinen Untersuchungen zur Zusammensetzung des Wassers, dass Wasser keine elementare Substanz, sondern eine Verbindung aus Wasserstoff und Sauerstoff ist.

Der Name Hydrogène leitet sich aus dem Griechischen ab und bedeutet sinngemäß „Wasserbildner“.

Diese Erkenntnis war ein wichtiger Schritt auf dem Weg zur modernen Vorstellung chemischer Elemente und Verbindungen.

Wofür wird Wasserstoff verwendet?

Wasserstoff ist ein bedeutender industrieller Rohstoff. Er wird unter anderem zur Herstellung von Ammoniak, zur Verarbeitung von Erdöl und für zahlreiche chemische Reaktionen benötigt.

Daneben wird untersucht, wie Wasserstoff künftig stärker als Energieträger eingesetzt werden kann.

Ammoniakherstellung – Wasserstoff für die Landwirtschaft

Eine besonders wichtige Anwendung ist die Herstellung von Ammoniak durch das Haber-Bosch-Verfahren.

Dabei reagieren Stickstoff und Wasserstoff unter geeigneten Bedingungen miteinander:

N₂ + 3 H₂ ⇌ 2 NH₃

Ammoniak wird vor allem zur Herstellung von Stickstoffdüngemitteln benötigt.

Wasserstoff spielt deshalb indirekt eine bedeutende Rolle bei der weltweiten Nahrungsmittelproduktion.

Wasserstoff in der chemischen Industrie

In Erdölraffinerien wird Wasserstoff unter anderem eingesetzt, um Schwefelverbindungen aus Erdölprodukten zu entfernen.

Bei der Hydrierung können Wasserstoffatome an ungesättigte organische Moleküle angelagert werden. Solche Reaktionen sind beispielsweise bei der Herstellung chemischer Grundstoffe und verschiedener Industrieprodukte wichtig.

Brennstoffzellen – Strom aus Wasserstoff

In einer Brennstoffzelle reagieren Wasserstoff und Sauerstoff elektrochemisch miteinander.

Dabei entstehen elektrische Energie, Wärme und Wasser.

Anders als bei einer gewöhnlichen Verbrennung wird die chemische Energie nicht zunächst vollständig in Wärme umgewandelt, sondern teilweise direkt als elektrische Energie nutzbar gemacht.

Brennstoffzellen können beispielsweise in bestimmten Fahrzeugen und stationären Energieversorgungssystemen eingesetzt werden.

Ist Wasserstoff eine klimafreundliche Energiequelle?

Wasserstoff ist keine ursprüngliche Energiequelle wie Sonnenstrahlung, sondern ein Energieträger. Das bedeutet, dass zunächst Energie aufgewendet werden muss, um ihn herzustellen.

Bei der Elektrolyse wird Wasser mithilfe elektrischer Energie in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt:

2 H₂O → 2 H₂ + O₂

Wird der dafür benötigte Strom aus erneuerbaren Energiequellen gewonnen, kann der erzeugte Wasserstoff dazu beitragen, Treibhausgasemissionen zu verringern.

Allerdings entstehen bei Herstellung, Verdichtung, Transport, Speicherung und erneuter Energieumwandlung Verluste.

Deshalb ist Wasserstoff besonders dort interessant, wo elektrische Energie nicht ohne Weiteres direkt eingesetzt werden kann, etwa bei bestimmten industriellen Hochtemperaturprozessen und als chemischer Rohstoff.

Wasserstoff als Raketentreibstoff

Flüssiger Wasserstoff wird zusammen mit flüssigem Sauerstoff als Treibstoff für bestimmte Raketenantriebe verwendet.

Seine hohe massenbezogene Energiedichte ist dabei ein großer Vorteil. Die Speicherung bei extrem niedrigen Temperaturen ist allerdings technisch aufwendig.

Welche Bedeutung hat Wasserstoff für den menschlichen Körper?

Wasserstoff ist Bestandteil nahezu aller biologisch wichtigen Moleküle.

Er kommt nicht nur im Wasser vor, sondern auch in Kohlenhydraten, Fetten, Proteinen und Nukleinsäuren.

Betrachtet man die Anzahl der Atome im menschlichen Körper, gehört Wasserstoff zu den mit Abstand häufigsten Elementen.

Besonders interessant ist seine Rolle bei der Energiegewinnung in Zellen.

In den Mitochondrien, den sogenannten Kraftwerken der Zelle, wird ein elektrochemischer Protonengradient aufgebaut. Dabei entsteht ein Unterschied in der Konzentration und im elektrischen Potenzial von Wasserstoffionen über einer Membran.

Dieser Gradient treibt ein Enzym namens ATP-Synthase an, das den universellen zellulären Energieträger ATP bildet.

Wasserstoff ist damit nicht nur ein Bestandteil biologischer Moleküle, sondern in Form von Protonen auch an grundlegenden Vorgängen des Energiestoffwechsels beteiligt.

Fünf faszinierende Fakten über Wasserstoff

1. Das häufigste Element des Universums

Wasserstoff entstand bereits in der Frühzeit des Universums und ist bis heute dessen häufigstes chemisches Element.

2. Das einfachste Atom

Das häufigste Wasserstoffisotop besitzt einen Atomkern aus nur einem Proton – ohne Neutron.

3. Der Brennstoff unserer Sonne

Die Fusion von Wasserstoff zu Helium liefert den größten Teil der Energie, die unsere Sonne abstrahlt.

4. Ein Schlüssel zum Leben

Wasserstoff ist Bestandteil des Wassers, der DNA und nahezu aller organischen Moleküle.

5. Ein Element mit einer Sonderstellung

Wasserstoff steht im Periodensystem über den Alkalimetallen, ist aber selbst ein Nichtmetall und besitzt einzigartige chemische Eigenschaften.

Häufige Fragen zu Wasserstoff

Welche Ordnungszahl hat Wasserstoff?

Wasserstoff besitzt die Ordnungszahl 1. Sein Atomkern enthält deshalb genau ein Proton.

Ist Wasserstoff ein Metall oder ein Nichtmetall?

Wasserstoff ist unter normalen Bedingungen ein Nichtmetall. Obwohl er im Periodensystem meist über den Alkalimetallen steht, unterscheidet er sich deutlich von diesen.

Ist Wasserstoff gefährlich?

Wasserstoff ist leicht entzündlich und kann mit Luft oder Sauerstoff explosionsfähige Gemische bilden. Bei sachgerechter Handhabung und geeigneten technischen Sicherheitsmaßnahmen lässt er sich jedoch kontrolliert verwenden.

Warum ist Wasserstoff so leicht?

Ein gewöhnliches Wasserstoffatom besteht nur aus einem Proton und einem Elektron. Es besitzt damit die geringste Masse aller chemischen Atome.

Wo findet man Wasserstoff im Alltag?

Wasserstoff ist in Wasser, Lebensmitteln, Kunststoffen, Erdgas und nahezu allen organischen Stoffen enthalten. Freier gasförmiger Wasserstoff begegnet uns im Alltag dagegen vergleichsweise selten.

Welche Isotope besitzt Wasserstoff?

Die drei bekanntesten Isotope heißen Protium, Deuterium und Tritium. Sie besitzen jeweils ein Proton, unterscheiden sich aber durch ihre Neutronenzahl.

Wasserstoff im Online-Periodensystem von blume

Wasserstoff steht am Anfang des Periodensystems und zeigt bereits, wie vielseitig die Eigenschaften chemischer Elemente sein können.

Seine besondere Stellung, sein einfacher Atomaufbau und seine vielfältigen Verbindungen machen ihn zu einem idealen Ausgangspunkt, um die Systematik des Periodensystems zu verstehen.

Im Online-Periodensystem von blume lassen sich Wasserstoff und die weiteren Elemente im Zusammenhang ihrer Eigenschaften und ihrer Stellung im Periodensystem entdecken.

Wissenschaftliche Quellen und Literatur

Buchquellen

• Gray, Theodore: Die Elemente. Bausteine unserer Welt. Komet Verlag, Köln 2013. ISBN 978-3-86941-000-5.

• Quadbeck-Seeger, Hans-Jürgen (2006): Die Welt der Elemente – Die Elemente der Welt. 1. Auflage. Weinheim: Wiley-VCH. ISBN 978-3-527-31789-9. Kapitel „Die Historie des Atom-Modells“

Wissenschaftliche Referenzquellen

• International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC): Periodic Table of the Elements und Standard Atomic Weights.

• Commission on Isotopic Abundances and Atomic Weights (CIAAW): Atomic Weight of Hydrogen.

• National Institute of Standards and Technology (NIST): Atomic Weights and Isotopic Compositions sowie Chemistry WebBook.

• National Center for Biotechnology Information (NCBI): PubChem, Hydrogen.

Diese Referenzwerke dienen insbesondere zur Überprüfung der Atom- und Isotopendaten sowie physikalischer und chemischer Eigenschaften.