„Wasserstoff“ – Versionsunterschied

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{{Infobox Chemisches Element
{| width="40%" {{Prettytable-R}}
<!--- Periodensystem --->
! colspan="2" style="background-color:#00CD00" | <font size="+1">Wasserstoff</font>
| Name = Wasserstoff
|-----
| Symbol = H
| colspan="2" style="background-color:#FFFFFF;" |
| Ordnungszahl = 1
{| align="center"
| Serie = Nm
|
| Gruppe = 1
| align="center" | '''Wasserstoff''' – [[Helium]]
| Periode = 1
|-----
| Block = s
| &nbsp;<br />'''H'''<br />[[Lithium|Li]]&nbsp;&nbsp;<br />&nbsp;<br />&nbsp;
<!--- Allgemein --->
| <div id="table" style="position:relative;">
| Hauptquelle = <ref>Die Werte für die Eigenschaften (Infobox) sind, wenn nicht anders angegeben, aus [http://www.webelements.com/hydrogen/ www.webelements.com (Wasserstoff)] entnommen.</ref>
{{Periodensystem}}
| Aussehen = farbloses Gas (H<sub>2</sub>)
<div id="text0" style="font-size:12px; position:absolute; top:11px; left:27px;">1s<sup>1</sup></div>
| Massenanteil = 0,9 % (9. Rang)<ref>Harry H. Binder: ''Lexikon der chemischen Elemente – das Periodensystem in Fakten, Zahlen und Daten.'' S. Hirzel Verlag, Stuttgart 1999, ISBN 3-7776-0736-3.</ref>
<div id="text1" style="font-size:10px; position:absolute; top:5px; left:146px;">1</div>
| CAS =
<div id="text2" style="font-size:10px; position:absolute; top:15px; left:146px;">1</div>
* {{CASRN|12385-13-6}} (H)
<div id="text3" style="font-size:20px; font-weight:bold; position:absolute; top:11px; left:155px;">H</div>
* {{CASRN|1333-74-0|Q0}} (H<sub>2</sub>)
<div id="box2" style="border:solid 1px black; position:absolute; top:0px; left:0px; width:7px; height:9px; overflow:hidden;" />
| EG-Nummer = 215-605-7
</div>
| ECHA-ID = 100.014.187
<div style="text-align: right"><small>[[Periodensystem]]</small></div>
<!--- Atomar --->
|}
| Atommasse = 1,008 (1,00784–1,00811)<ref>Angegeben ist der von der IUPAC empfohlene Standardwert, da die Isotopenzusammensetzung dieses Elements örtlich schwanken kann, ergibt sich für 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.&nbsp;1, [[doi:10.1351/PAC-REP-10-09-14]].</ref><ref name="IUPAC">[http://www.ciaaw.org/pubs/TSAW2013_xls.xls IUPAC, Standard Atomic Weights Revised 2013].</ref>
|-----
| Atomradius = 25
! colspan="2" style="background-color:#00CD00" | Allgemein
| AtomradiusBerechnet = 53
|-----
| KovalenterRadius = 31
| [[Liste der chemischen Elemente nach dem Namen|Name]], [[Liste der chemischen Elemente nach Symbol|Symbol]], [[Liste der chemischen Elemente nach der Ordnungszahl|Ordnungszahl]]
| VanDerWaalsRadius = 120
| Wasserstoff, H, 1
| Elektronenkonfiguration = 1[[S-Orbital|s]]<sup>1</sup>
|-----
| Austrittsarbeit =
| [[Serie des Periodensystems|Serie]] || [[Nichtmetalle]]
| Ionisierungsenergie_1 = {{ZahlExp|13,59843449|suffix=(8)|post=[[Elektronenvolt|eV]]<ref name="NIST-ASD-hydrogen">{{NIST-ASD|hydrogen|Abruf=2020-06-11}}</ref>}} ≈ {{ZahlExp|1312,05|post=[[Joule|kJ]]/[[mol]]<ref name="Webelements-hydrogen">{{Webelements|hydrogen|atoms|Abruf=2020-06-11}}</ref>}}
|-----
<!--- Physikalisch --->
| [[Gruppe des Periodensystems|Gruppe]], [[Periode des Periodensystems|Periode]], [[Block des Periodensystems|Block]]
| Aggregatzustand = gasförmig (H<sub>2</sub>)
| [[Gruppe-1-Element|1 (IA)]], [[Periode-1-Element|1]], [[S-Block|s]]
| Dichte = gasförmig 0,0899 kg · m<sup>−3</sup> bei 273 K<ref name="GESTIS">{{GESTIS|Name=Wasserstoff|ZVG=7010|CAS=1333-74-0|Abruf=2021-10-23}}</ref> <br /> flüssig 0,0709 kg/l bei 20,324 K
|-----
| Magnetismus = [[Diamagnetismus|diamagnetisch]] ([[Magnetische Suszeptibilität|''χ<sub>m</sub>'']] = −2,2 · 10<sup>−9</sup>)<ref>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 maßeinheitslose SI-Wert.</ref>
| Massenanteil an der [[Erdhülle]]
| Schmelzpunkt_K = 14,01
| 0,88 %
| Schmelzpunkt_C = −259,14
|-----
| Siedepunkt_K = 21,15 K<ref name="Zhang">Yiming Zhang, Julian R. G. Evans, Shoufeng Yang: ''Corrected Values for Boiling Points and Enthalpies of Vaporization of Elements in Handbooks.'' In: ''Journal of Chemical & Engineering Data.'' 56, 2011, S.&nbsp;328–337, [[doi:10.1021/je1011086]].</ref>
! colspan="2" style="background-color:#00CD00" | Atomar
| Siedepunkt_C = −252
|-----
| MolaresVolumen = (fest) 11,42 · 10<sup>−6</sup>
| [[Atommasse]]
| Verdampfungswärme = 0,90 kJ·mol<sup>−1</sup><ref name="Zhang" />
| 1,00794 g/[[mol]]
| Schmelzwärme = 0,558
|-----
| Dampfdruck = <!--209 · 10<sup>3</sup> Quelle?-->
| [[Atomradius]] (berechnet) || 25 (53) [[Picometer|pm]]
| RefTempDampfdruck_K = 23
|-----
| Schallgeschwindigkeit = 1270
| [[Kovalenter Radius]] || 37 pm
| RefTempSchallgeschwindigkeit_K = 298,15
|-----
| SpezifischeWärmekapazität = 14304
| [[Van-der-Waals-Radius]] || 120 pm
| ElektrischeLeitfähigkeit =
|-----
| RefTempElektrischeLeitfähigkeit_K =
| [[Elektronenkonfiguration]] || 1s<sup>1</sup>
| Wärmeleitfähigkeit = 0,1805
|-----
| RefTempWärmeleitfähigkeit_K =
| [[Elektronen]] pro [[Energieniveau]] || 1
|-----
<!--- Chemisch --->
| Oxidationszustände = +1, 0, −1
| [[Ionisierungsenergie]] || 1312 [[Kilojoule pro Mol|kJ/(mol H)]]
| Normalpotential = 0 V
|-----
| Elektronegativität = 2,2
! colspan="2" style="background-color:#00CD00" | Physikalisch
| CLH = {{CLH-ECHA|ID=100.014.187|Name=Hydrogen|Abruf=2016-08-01}}
|-----
| Quelle GHS-Kz = <ref name="GESTIS" />
|chemische Struktur<br />
| GHS-Piktogramme = {{GHS-Piktogramme|02|04}}
unter Normalbedingungen
| GHS-Signalwort = Gefahr
|Dihydrogen H<sub>2</sub>
| H = {{H-Sätze|220|280}}
|-----
| EUH = {{EUH-Sätze|-}}
| [[Aggregatzustand]] (bei 20°C)
| P = {{P-Sätze|210|377|381|403}}
| gasförmig
| Quelle P = <ref name="GESTIS" />
|-----
| Radioaktiv =
| [[Kristallstruktur]] || [[hexagonal]]
|-----
<!--- Isotope --->
| Isotope =
| [[Farbe]] || farblos
{{Infobox Chemisches Element/Isotop
|-----
| AnzahlZerfallstypen = 0
| [[Dichte]] (Gas)
| Massenzahl = 1
| 0,0899 [[Kilogramm pro Kubikmeter|kg/m<sup>3</sup>]]
| Symbol = H
|-----
| NH = 99,9885(70)
| [[Dichte]] (flüssig)
}}
| ca. 70 [[Kilogramm pro Kubikmeter|kg/m<sup>3</sup>]]
{{Infobox Chemisches Element/Isotop
|-----
| AnzahlZerfallstypen = 0
| [[Molares Volumen]]
| Massenzahl = 2
| 22,42 · 10<sup>-3</sup> [[Kubikmeter pro Mol|m<sup>3</sup>/(mol H<sub>2</sub>)]]
| Symbol = H ([[Deuterium|D]])
|-----
| NH = 0,0115(70)
| [[Suszeptibilität|magnetische Suszeptibilität]]
}}
| 9,9 · 10<sup>-9</sup>
{{Infobox Chemisches Element/Isotop
|-----
| AnzahlZerfallstypen = 1
| [[Schmelzpunkt]]
| Massenzahl = 3
| 14,025 [[Kelvin|K]] (-259,125 °[[Celsius|C]])
| Symbol = H ([[Tritium|T]])
|-----
| NH = 10<sup>−15</sup>
| [[Siedepunkt]] || 20,268 K (-252,882 °C)
| Halbwertszeit = 12,33 [[Jahr|a]]
|-----
| Zerfallstyp1ZM = [[Betastrahlung|β<sup>−</sup>]]
| [[Tripelpunkt]] || 13,8033&nbsp;K; 7,042&nbsp;kPa
| Zerfallstyp1ZE = 0,019
|-----
| Zerfallstyp1ZP = [[Helium|<sup>3</sup>He]]
| [[Kritischer Punkt (Thermodynamik)|Kritischer Punkt]] || 32,97&nbsp;K; 1,293&nbsp;MPa; 310&nbsp;kg/m<sup>3</sup>
}}
|-----
| NMREigenschaften=
| [[Reaktionsenthalpie]] (H<sub>2</sub> + ½ O<sub>2</sub> -> H<sub>2</sub>O) || 285.9 kJ/(mol H<sub>2</sub>)<ref name="K. Strauss">''Kraftwerkstechnik'', Springer Berlin 1998, Seite 32</ref>
{{Infobox Chemisches Element/NMR
|-----
| Symbol = H
| [[Verdampfungswärme]]
| Massenzahl_1 = 1
| 0,891 kJ/(mol H<sub>2</sub>)
| Massenzahl_2 = 2
|-----
| Massenzahl_3 = 3
| [[Schmelzwärme]] || 0,117 kJ/(mol H<sub>2</sub>)
| Kernspin_1 = 1/2
|-----
| Kernspin_2 = 1
| [[Dampfdruck]]
| Kernspin_3 = 1/2
| 209 k[[Pascal (Einheit)|Pa]] bei 23 K (p-Wasserstoff)
| Gamma_1 = +26,752 · 10<sup>7</sup>
|-----
| Gamma_2 = {{0}}+4,107 · 10<sup>7</sup>
| [[Schallgeschwindigkeit]]
| Gamma_3 = +28,535 · 10<sup>7</sup>
| 1261 [[Meter pro Sekunde|m/s]]<br />1314 m/s bei 298,15 K
| Empfindlichkeit_1 = 1,00
|-----
| Empfindlichkeit_2 = 9,65&nbsp;·&nbsp;10<sup>−3</sup>
| [[Spezifische Wärmekapazität]]
| Empfindlichkeit_3 = 1,21
| 14,304 [[Kilojoule|kJ]]/([[Kelvin|K]]·[[Kilogramm|kg]])
| Larmorfrequenz_1 = 200,11
|-----
| Larmorfrequenz_2 = {{0}}30,72
| [[Elektrische Leitfähigkeit]] || -
| Larmorfrequenz_3 = 213,32
|-----
}}
| [[Wärmeleitfähigkeit]]
}}
| 0,1815 [[Watt pro Meter und Kelvin|W/(m · K)]]
[[Datei:Hydrogen Deuterium Tritium Nuclei Schmatic-de.svg|mini|hochkant|'''Wasserstoff''' (Protium), '''[[Deuterium]]''', '''[[Tritium]]''']]
|-----
| [[Energiedichte]] je m<sup>3</sup>
| 10,7 MJ/m<sup>3</sup>
|-----
| [[Energiedichte]] je kg
| 120 MJ/kg
|-----
! colspan="2" style="background-color:#00CD00" | Chemisch
|-----
| [[Oxidationszahl|Oxidationszustände]]
| +1, 0, -1
|-----
| [[Oxide]] ([[Basizität]])
| H<sub>2</sub>O ([[amphoter]])
|-----
| [[Normalpotenzial]] || 0 [[Volt (Einheit)|V]] (H<sup>+</sup> + e<sup>-</sup> → H)
|-----
| [[Elektronegativität]] || 2,1 ([[Pauling-Skala]])
|-----
! colspan="2" bgcolor="#00CD00" | Isotope
|-----
| colspan="2" |
{| width="100%" cellspacing="0" cellpadding="2" border="1" style="background-color:#f9f9f9;border:1px #aaa solid;border-collapse:collapse;"
! [[Isotop]]
! [[Natürliche Häufigkeit|NH]]
! [[Halbwertszeit|t<sub>1/2</sub>]]
! [[Radioaktivität|ZM]]
! [[Zerfallsenergie|ZE]] [[Mega|M]][[Elektronenvolt|eV]]
! [[Zerfallsprodukt|ZP]]
|-----
| <sup>1</sup>H || '''99,985 %'''
| colspan="4" | H ist [[Stabiles Isotop|stabil]] mit 0 [[Neutron]]en
|-----
| <sup>2</sup>H || 0,0145 %
| colspan="4" | H ist stabil mit 1 Neutron
|-----
| <sup>3</sup>H || 10<sup>-15</sup> % || 12,33 [[Jahr|a]]
| [[Betastrahlung|β<sup>-</sup>]]
| 0,019 || [[Helium|<sup>3</sup>He]]
|-----
| <sup>4</sup>H
| [[Synthetisches Radioisotop|{syn.}]]
| 9,93696x10<sup>-23</sup> s || [[Neutronen-Emission|n]] || 2,910 || <sup>3</sup>H
|-----
| <sup>5</sup>H
| [[Synthetisches Radioisotop|{syn.}]]
| 8,01930x10<sup>-23</sup> s || [[Neutronen-Emission|n]] || k.A. || <sup>4</sup>H
|-----
| <sup>6</sup>H
| [[Synthetisches Radioisotop|{syn.}]]
| 3,26500x10<sup>-22</sup> s || [[Neutronen-Emission|n]] || k.A. || <sup>3</sup>H
|-----
| <sup>7</sup>H
| [[Synthetisches Radioisotop|{syn.}]]
| k.A. || [[Neutronen-Emission|n]] || k.A. || k.A.
|}
|-----
! colspan="2" bgcolor="#00CD00" | NMR-Eigenschaften
|-----
| colspan="2" |
{| width="100%" cellspacing="0" cellpadding="2" border="1" style="background-color:#f9f9f9;border:1px #aaa solid;border-collapse:collapse;"
!
! <sup>1</sup>H
! <sup>2</sup>H
! <sup>3</sup>H
|-----
| [[Kernspin]] || 1/2 || 1 || 1/2
|-----
| gamma / [[rad]]/[[Tesla (Einheit)|T]] || 2,675 · 10<sup>8</sup> || 4,106 · 10<sup>7</sup>
| 2,853 · 10<sup>8</sup>
|-----
| Empfindlichkeit || 1 || 0,00965 || 1,21
|-----
| [[Larmorfrequenz]] bei ''B'' = 4,7 [[Tesla (Einheit)|T]]
| 200 [[Mega|M]][[Hertz (Einheit)|Hz]]
| 30,7 MHz
| 213 MHz
|}
|-----
! colspan="2" style="background-color:#00CD00; line-height:1.2em; text-align:center" |<small>Soweit möglich und gebräuchlich, werden [[SI-Einheitensystem|SI-Einheiten]] verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei [[Standardbedingungen]].</small>
|}


'''Wasserstoff''' ist das [[Chemisches Element|chemische Element]] mit der [[Ordnungszahl]] 1 und wird durch das [[Elementsymbol]] H abgekürzt (für [[Latein|lateinisch]] ''hydrogenium'' „Wassererzeuger“; von [[Griechische Sprache|altgriechisch]] ''ύδωρ'' „[[Wasser]]“ und ''γίγνομαι'' „werden“, „entstehen“). Im [[Periodensystem]] steht es in der [[Periode-1-Element|1. Periode]] und der [[Gruppe-1-Element|1. Gruppe]], nimmt also den ersten Platz ein.
'''Wasserstoff''' ist ein [[chemisches Element]] mit dem [[Elementsymbol|Symbol]]&nbsp;H (für {{laS|Hydrogenium}} „Wasserbildner“) und der [[Ordnungszahl]]&nbsp;1. Im [[Periodensystem]] steht das Element Wasserstoff in der [[Chemische Elemente der ersten Periode|1.&nbsp;Periode]] und in der 1.&nbsp;[[Gruppe des Periodensystems|IUPAC-Gruppe]].


Wasserstoff ist das häufigste chemische Element des Universums, jedoch nicht in der Erdrinde. Es ist Bestandteil des [[Wasser]]s und der meisten [[Organische Chemie|organischen Verbindungen]]; insbesondere kommt es in sämtlichen lebenden Organismen vor.
Wasserstoff ist mit einem Massenanteil von etwa 70 % das häufigste chemische Element im Universum, jedoch nicht auf der Erde, wo sein Massenanteil an der [[Erdhülle]] nur 0,87 % beträgt.<ref name="brown">{{Literatur |Autor=Theodore L. Brown, H. Eugene LeMay, Bruce E. Bursten |Hrsg= |Titel=Chemie. Die zentrale Wissenschaft |Verlag=Pearson Studium |Datum=2007 |ISBN=978-3-8273-7191-1 |Seiten=1087-1090}}</ref>


Der Großteil des Wasserstoffs auf der Erde ist im [[Wasser]] gebunden, der Verbindung mit [[Sauerstoff]], deren Masse zu 11 % aus Wasserstoff besteht. Wasserstoff kommt gebunden an andere Elemente in sämtlichen [[Pflanzen]] und lebenden Organismen vor. Wasserstoff ist ein fester Bestandteil fast aller [[Organische Chemie|organischen]] chemischen Substanzen.
Wasserstoff ist das leichteste der chemischen Elemente, das häufigste [[Isotop]] besteht aus nur einem [[Proton]] und einem [[Elektron]]. Unter den Bedingungen, die normalerweise auf der Erde herrschen (siehe auch [[Normalbedingungen]]), kommt dieser ''atomare Wasserstoff'' nicht vor, stattdessen liegt Wasserstoff in der [[Dimerisation|dimerisierten]] Form vor, dem ''molekularen Wasserstoff'' H<sub>2</sub>, einem farb- und geruchlosen [[Gas]].

Wasserstoff ist das chemische Element mit der geringsten [[Atommasse]]. Sein häufigstes [[Isotop]], Protium, ist das einzige stabile Isotop ohne ein [[Neutron]]. Es besteht nur aus nur einem [[Proton]] und einem [[Elektron]]. Es existieren zwei weitere natürlich vorkommende [[#Isotope|Wasserstoffisotope]], von denen das nicht-radioaktive [[Deuterium]] 0,0156 % des natürlichen Wasserstoffs ausmacht, während das in den oberen Schichten der Atmosphäre gebildete radioaktive [[Tritium]] nur in kleinsten Mengen vorkommt.<ref name="brown" /><ref>{{Literatur |Autor=Jürgen Sültenfuß |Titel=Das Radionuklid Tritium im Ozean: Messverfahren und Verteilung von Tritium im Südatlantik und im Weddellmeer |TitelErg=Dissertation |Sammelwerk=Berichte zur Polarforschung |Nummer=256 |Datum=1998 |Kapitel=1.1 ''Das Isotop Tritium'' |Seiten=2–4 |Online=https://epic.awi.de/id/eprint/26436/1/BerPolarforsch1998256.pdf |DOI=10.2312/BzP_0256_1998}}</ref>

Unter Bedingungen, die normalerweise auf der Erde herrschen (siehe [[Normalbedingungen]]), liegt das gasförmige Element Wasserstoff nicht als ''atomarer Wasserstoff'' mit dem Symbol&nbsp;H vor, sondern als ''molekularer Wasserstoff'' mit dem Symbol H<sub>2</sub>, als ein farb- und geruchloses [[Gas]]. Wenn z.&nbsp;B bei [[Redoxreaktion]]en Wasserstoff neu gebildet wird, tritt das Element vorübergehend atomar als H auf und wird als [[Naszierender Stoff|naszierender Wasserstoff]] bezeichnet. In dieser reaktiven Form reagiert Wasserstoff besonders gut 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 „{{lang|en|inflammable air}}“ („brennbare Luft“). Er untersuchte das Gas eingehend und veröffentlichte seine Erkenntnisse.<ref>Ernst F. Schwenk: ''Sternstunden der frühen Chemie.'' Verlag C. H. Beck, 1998, ISBN 3-406-45601-4.</ref> Auf ähnliche Weise (Einwirkung von Säuren auf Metalle) hatten allerdings schon im 17.&nbsp;Jahrhundert [[Théodore Turquet de Mayerne]] (um 1620) und [[Robert Boyle]] (um 1670) ein Gas erzeugt, das sie [[Knallgas]] genannt hatten. Eine genauere Analyse erfolgte aber erst durch [[Antoine Laurent de Lavoisier]], der erkannte, dass bei der Verbrennung des Gases Wasser entstand und deshalb das brennbare Gas als „{{lang|fr|hydrogène}}“ bezeichnete ({{laS|hydrogenium}}: „Wasser erzeugender Stoff“, davon kurz „Hydrogen“; von {{grcS|ὕδωρ|hydōr}} „[[Wasser]]“ und [[-gen]]) und ihm damit seinen heutigen Namen gab.<!-- Dasselbe wird im nächsten Absatz nochmals in sehr ähnlichen Worten und ebenso ausführlich wiederholt! --> Cavendish hatte inzwischen – eine Beobachtung von [[Joseph Priestley]] aufgreifend – erkannt, dass bei der Verbrennung von Wasserstoff Wasser entsteht (veröffentlicht erst 1784).<ref>Martin Carrier, Cavendishs Version der Phlogistonchemie oder: Über den empirischen Erfolg unzutreffender theoretischer Ansätze, in: J. Mittelstraß, Chemie und Geisteswissenschaften, Akademie Verlag, Berlin 1992, S. 35–52, [https://pub.uni-bielefeld.de/publication/1777463 (online)]</ref> Lavoisier erfuhr von den Experimenten von Cavendish beim Besuch von dessen Assistenten [[Charles Blagden]] 1783. Cavendish war Anhänger der [[Phlogiston]]lehre und sein Wasserstoff war für ihn ein Kandidat für diese hypothetische Substanz. Lavoisier aber zeigte in aufsehenerregenden Experimenten, dass das Gas ein eigenständiges Element war und ein Bestandteil des Wassers, das man damals vielfach noch selbst für elementar hielt, gemäß der alten [[Vier-Elemente-Lehre]]. Lavoisier führte seine Experimente quantitativ aus unter Verwendung der von ihm postulierten Massenerhaltung. Er leitete Wasserdampf in einer [[Abgeschlossenes System|abgeschlossenen Apparatur]] über glühende Eisenspäne und ließ die entstandenen Gase an anderer Stelle [[Kondensation|kondensieren]]. Dabei stellte er fest, dass die Masse des kondensierten Wassers etwas geringer war als die der ursprünglich eingesetzten Masse. Dafür war ein Gas entstanden, dessen Masse zusammen mit dem Gewichtszuwachs des oxidierten Eisens genau der „verloren gegangenen“ Wassermenge entsprach. Sein eigentliches Experiment war also erfolgreich.
{{Doppeltes Bild|rechts|Cavendish Henry signature.jpg|165|Lavoisier.jpg|160|[[Henry Cavendish]], Entdecker des Wasserstoffs|Antoine Laurent de Lavoisier. Er gab dem Wasserstoff seinen Namen}}
Lavoisier untersuchte das entstandene Gas weiter und führte die als [[Knallgasprobe]] bekannte Untersuchung durch, wobei das Gas verbrannte. Er nannte es daher zunächst wie Cavendish ''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-gène (griechisch: ''hydro'' = Wasser; ''genes'' = erzeugend).<!-- redundant, s.o. --> 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 ==
[[Datei:PIA01966 Saturn and its Ring System.jpg|mini|Der [[Saturn (Planet)|Saturn]] mit seinen Ringen aus Eis und Staub. Der Planet selbst besteht größtenteils aus Wasserstoff und Helium.]]

Wasserstoff ist das häufigste chemische Element in der Sonne und den großen Gasplaneten [[Jupiter (Planet)|Jupiter]], [[Saturn (Planet)|Saturn]], [[Uranus (Planet)|Uranus]] und [[Neptun (Planet)|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 [[Dunkle Materie|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-Plasma]]s zu [[Baryon]]en nur mehr Protonen und Neutronen (nebst [[Elektron]]en) vorhanden. Bei den vorherrschenden hohen Temperaturen vereinigten sich diese zu leichten Atomkernen, wie <sup>2</sup>H und <sup>4</sup>He. Die meisten Protonen blieben unverändert und stellten die zukünftigen <sup>1</sup>H-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 [[Galaxie]]n und darin zu [[Protostern]]en 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 (Physik)|Plasma]]. Die [[Kernfusion]] von Wasserstoff <sup>1</sup>H zu [[Helium]] <sup>4</sup>He erfolgt hauptsächlich über die Zwischenstufen [[Deuterium]] <sup>2</sup>H und Helium <sup>3</sup>He 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.

Die Gasplaneten bestehen zu großen Teilen aus Wasserstoff. Unter den extremen Drücken, die in großen Tiefen in den großen [[Gasplanet]]en [[Jupiter (Planet)|Jupiter]] und [[Saturn (Planet)|Saturn]] herrschen, kann er in [[Metallischer Wasserstoff|metallischer Form]] existieren. Dieser „metallische“ Kern ist elektrisch [[Elektrische Leitfähigkeit|leitfähig]] und erzeugt vermutlich das [[Magnetfeld]] der Gasplaneten.

Außerhalb von Sternensystemen kommt Wasserstoff in Gaswolken vor. In den so genannten [[H-I-Gebiet]]en liegt das Element atomar und nichtionisiert vor. Diese Gebiete emittieren Strahlung von etwa 1420&nbsp;MHz, die sogenannte [[HI-Linie|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-Gebiet]]e. 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 %.<ref>{{Internetquelle |url=http://quake.mit.edu/hilstgroup/CoreMantle/EarthCompo.pdf |titel=The composition of the Earth |format=PDF |archiv-url=https://web.archive.org/web/20110928074153/http://quake.mit.edu/hilstgroup/CoreMantle/EarthCompo.pdf |archiv-datum=2011-09-28 |abruf=2019-12-16}}</ref> Außerdem liegt der irdische Wasserstoff im Gegensatz zu den Vorkommen im All überwiegend gebunden und nur selten in [[Natürlicher Wasserstoff|reiner Form]] als unvermischtes Gas vor. Die bekannteste Verbindung ist das Wasser. Neben diesem sind Erdgase wie [[Methan]] sowie Erdöl wichtige wasserstoffhaltige Verbindungen auf der Erde. In mehr als der Hälfte aller bisher bekannten Minerale ist Wasserstoff (meist als [[Kristallwasser]]) enthalten.<ref>[http://webmineral.com/chem/Chem-H.shtml H (Hydrogen).] Webmineral – Mineral Species sorted by the element (englisch).</ref>

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&nbsp;Milliarden&nbsp;km³. Davon entfallen 1,338&nbsp;Milliarden km³ (96,5 %) auf Salzwasser in den [[Ozean]]en. 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 [[Permafrost]]böden vor allem in [[Sibirien]]. Der geringe restliche Anteil ist flüssiges Süßwasser und findet sich meist in Seen und Flüssen, aber auch 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&nbsp;°C Temperatur bis zu einem Volumenanteil von 4,2 % 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&nbsp;[[Parts per million|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 H<sub>2</sub>-Teilchen im Durchschnitt mit fast 2&nbsp;km/s. Das ist rund ein Sechstel der [[Kosmische Geschwindigkeiten|Fluchtgeschwindigkeit]] auf der Erde. Aufgrund der [[Maxwell-Boltzmann-Verteilung]] der Geschwindigkeiten der H<sub>2</sub>-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 [[Exosphäre|oberen Schichten]] der Atmosphäre tatsächlich entweichen. Weitere H<sub>2</sub>-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 ==
{{Hauptartikel|Wasserstoffherstellung}}

=== Molekularer Wasserstoff ===
Kleinere Mengen Wasserstoff können bei Schauversuchen durch Reaktionen von verdünnten Säuren mit unedlen Metallen wie [[Zink]] gewonnen werden. Für die Reaktion gilt schematisch:
:<math>\text{verdünnte Säure} + \text{unedles Metall}\ \rightarrow \ \mathrm H_2(g) + \text{Metallsalz}</math>
Bei dieser Reaktion handelt es sich um eine [[Redoxreaktion]], in der das Zink als [[Reduktionsmittel]] wirkt und die Protonen der Säure durch Abgabe von Elektronen zum elementaren Wasserstoff reduziert, während das Zink nach Abgabe der Elektronen als [[Kation|kationisches]] Zink mit dem Anion der Säure ein [[Zinksalz]] bildet. Wenn bei dieser Reaktion die Temperatur erhöht wird oder wenn gar an Stelle von Zink [[Alkalimetalle]] als sehr starke Reduktionsmittel verwendet werden, dann bildet sich Wasserstoff bereits mit [[Schwache Säuren|schwachen Säuren]], wie z.&nbsp;B. Wasser. Das ist der Grund dafür, dass [[Metallbrand|Metallbrände]] niemals mit Wasser gelöscht werden dürfen, denn gebildeter Wasserstoff würde dann als Brandverstärker wirken.<ref name="brown" />

Das wichtigste großtechnische Verfahren zur industriellen Gewinnung von molekularem Wasserstoff ist die um 1920 entwickelte [[Dampfreformierung]]. Bei dieser Reaktion werden unter hoher Temperatur und hohem Druck [[Kohlenwasserstoffe]] wie Methan und andere als Reduktionsmittel für die Protonen des Wassers eingesetzt. Dabei entsteht zunächst ein sogenanntes [[Synthesegas]], ein Gemisch aus [[Kohlenstoffmonoxid]] und Wasserstoff. Das Mengenverhältnis der Reaktionsprodukte kann anschließend mit der sogenannten [[Wassergas-Shift-Reaktion]] zu Gunsten von Wasserstoff zwar noch verbessert werden, jedoch entsteht dabei unerwünschtes Kohlendioxid und der Wirkungsgrad (Erdgas zu Wasserstoff) erreicht nur etwa 60 bis&nbsp;70 %.<ref name="brown" />

Derzeit gewinnt im Rahmen der Debatte um die Vermeidung von Kohlendioxid und um die [[Power-to-Gas]]-Strategie die [[Wasserelektrolyse]] als Methode zur Herstellung von Wasserstoff immer mehr an Bedeutung. Bei der Wasserelektrolyse wird [[Wasser]] in einer elektrochemischen Redoxreaktion durch Zufuhr von elektrischer Energie in die Bestandteile Wasserstoff und [[Sauerstoff]] zerlegt.

: <math>\mathrm{2\ H_2O(l)\ _{\overrightarrow \text{Elektrolyse}}\ 2\ H_2(g) + O_2(g)}</math>
: <small>Wasser wird durch elektrischen Strom in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten.</small>

=== Atomarer Wasserstoff ===
Atomarer Wasserstoff kann durch Zufuhr der [[Dissoziation (Chemie)|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 [[Ultraviolett]]licht, Beschuss mit Elektronen bei 10 bis 20 [[Elektronenvolt]] oder [[Mikrowellenstrahlung]]. Allerdings reagiert atomarer Wasserstoff (z.&nbsp;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.

: <math>\mathrm{H_2\ \rightleftarrows\ 2\,H} \qquad \Delta H_{R}^0 = 436{,}0 \mathrm{\ kJ/mol} = 104{,}204 \mathrm{\ kcal/mol} </math><ref name="Römpp">{{RömppOnline |ID=RD-23-00368 |Name=Wasserstoff |Abruf=2015-01-02}}</ref>
: <small>Durch Energiezufuhr dissoziiert molekularer Wasserstoff in die atomare Form. Diese Reaktion beginnt ab 1500 K und ist vollständig bei 3000 K.</small>

Zur Darstellung von größeren Mengen atomaren Wasserstoffs sind das Woodsche Darstellungsverfahren ([[Robert Williams Wood]], 1898) und dasjenige von [[Irving Langmuir]], die [[Arcatom-Schweißen#Arcatom-Schweißen|Langmuir-Fackel]] besonders geeignet.


== Physikalische Eigenschaften ==
== Physikalische Eigenschaften ==
[[Datei:Hydrogen discharge tube.jpg|mini|Wasserstoff in einer [[Entladungsröhre]]]]
Molekularer Wasserstoff (H<sub>2</sub>, ein [[Molekül]] 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. Die [[Löslichkeit]] von Wasserstoff in Wasser beträgt 1,6&nbsp;mg/L.


Wasserstoff ist das Element mit der geringsten Dichte. Molekularer Wasserstoff (H<sub>2</sub>) ist etwa 14,4-mal weniger dicht als Luft. Flüssiger Wasserstoff wiegt je nach Temperatur zwischen 77,00 und 31,26 Gramm pro Liter.<ref>{{Internetquelle |autor=Nist Datenbank |url=https://webbook.nist.gov/cgi/fluid.cgi?TLow=&THigh=&TInc=&Digits=5&ID=C1333740&Action=Load&Type=SatP&TUnit=C&PUnit=bar&DUnit=kg%2Fm3&HUnit=kJ%2Fkg&WUnit=m%2Fs&VisUnit=uPa*s&STUnit=N%2Fm&RefState=DEF |titel=Saturation Properties for Hydrogen — Temperature Increments |hrsg=National Institute of Standards and Technology |abruf=2020-07-06}}</ref> Sein Schmelzpunkt liegt bei 14,02&nbsp;K (−259&nbsp;°C), der Siedepunkt bei 21,15&nbsp;[[Kelvin|K]] (−252&nbsp;°C). Wasserstoff ist in Wasser und anderen Lösungsmitteln schlecht löslich. Für Wasser beträgt die Löslichkeit 19,4&nbsp;m[[Liter|l]]/l (1,6&nbsp;mg/l)<ref name="GESTIS" /> bei 20&nbsp;°C und Normaldruck. Dagegen ist die Löslichkeit (genauer: maximale [[Volumenkonzentration]]) in Metallen deutlich höher.
Einige [[Thermodynamik|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. Wasserstoff besitzt bei Raumtemperatur das höchste [[Diffusion]]svermögen, die höchste [[Wärmeleitfähigkeit]] und die höchste [[Effusion (Physik)|Effusionsgeschwindigkeit]] aller Gase. Eine geringere [[Viskosität]] weisen nur drei- oder mehratomige [[Reales Gas|reale Gase]] wie zum Beispiel [[Butan|n-Butan]] auf.


Einige [[Thermodynamik|thermodynamische]] Eigenschaften (Transportphänomene) sind aufgrund der geringen [[Molekülmasse]] und der daraus resultierenden hohen mittleren Geschwindigkeit der Wasserstoffmoleküle (1770&nbsp;m/s bei 25&nbsp;°C) von besonderer Bedeutung, wie z.&nbsp;B. beim [[Raketentreibstoff#Oberth-Effekt|Oberth-Effekt-Raketentreibstoff]]. Der Joule-Thomson-Koeffizient von Wasserstoff ist bei Raumtemperatur negativ ([[Joule-Thomson-Effekt]]). Das bedeutet, dass bei einer [[Isenthalpe Zustandsänderung|Isenthalpen]] Entspannung des Drucks das Gas bei dieser Temperatur im Gegensatz zu den meisten anderen Gasen nicht abkühlt, sondern erwärmt. Wasserstoff besitzt bei Raumtemperatur das höchste [[Diffusion]]svermögen, die höchste [[Wärmeleitfähigkeit]] und die höchste [[Effusion (Physik)|Effusionsgeschwindigkeit]] aller Gase. Eine geringere [[Viskosität]] weisen nur drei- oder mehratomige [[Reales Gas|reale Gase]] wie [[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 [[Übergangsmetalle]]n, da es dort dann zur [[Wasserstoffversprödung]] kommt. In Kombination mit einer hohen Löslichkeit treten bei einigen Werkstoffen extrem hohe [[Permeation]]sraten 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 [[Wasserstoff#Sicherheitshinweise|Sicherheitshinweise]]).


Die [[Beweglichkeit (Physik)|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 [[Übergangsmetalle]]n, da es dort dann zur [[Wasserstoffversprödung]] kommt. In Kombination mit einer hohen Löslichkeit treten bei einigen Werkstoffen extrem hohe [[Permeation]]sraten 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|Sicherheitshinweise]]).
Die ersten [[Spektrallinie]]n im sichtbaren Bereich, zusammengefasst in der so genannten [[Balmer-Serie]], liegen bei 656 [[Nanometer|nm]], 486 nm, 434 nm und 410 nm. Daneben gibt es weitere Serien von Spektrallinien im Infrarot- und eine im Ultraviolettbereich des [[Elektromagnetisches Spektrum|elektromagnetischen Spektrums]]. Eine besondere Bedeutung in der [[Radioastronomie]] hat die [[HI-Linie|21-Zentimeter-Linie]] in der [[Hyperfeinstruktur]].


{{Panorama|Visible spectrum of hydrogen.jpg|750|Sichtbarer Bereich des Wasserstoff-Spektrums. Es sind 6 Linien der [[Balmer-Serie]] sichtbar: 389 nm (kaum zu sehen), 397 nm (schwach zu sehen), 410 nm, 434 nm (violett), 486 nm (türkis) und 656 nm (rötlich)}}
In einem [[Magnetisches Feld|magnetischen Feld]] verhält sich H<sub>2</sub> sehr schwach [[Diamagnetismus|diamagnetisch]]. Das bedeutet, die Dichte der Feldlinien eines extern angelegten Magnetfeldes nimmt in der Probe ab. Die [[Suszeptibilität|magnetische Suszeptibilität]] ist bei Normdruck <math>\chi_m</math> = 9,9•10<sup>-9</sup> und typischerweise einige Größenordnungen unter der von diamagnetischen Festkörpern.


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 [[Spektrallinie]]n im sichtbaren Bereich, zusammengefasst in der so genannten [[Balmer-Serie]], liegen bei 656 [[Nanometer|nm]], 486&nbsp;nm, 434&nbsp;nm und 410&nbsp;nm. Daneben gibt es weitere [[Liste der Emissionslinien von Wasserstoff|Serien von Spektrallinien]] im Infrarot- ([[Paschen-Serie]], [[Brackett-Serie]] und [[Pfund-Serie]]) und eine im Ultraviolettbereich ([[Lyman-Serie]]) des [[Elektromagnetisches Spektrum|elektromagnetischen Spektrums]]. Eine besondere Bedeutung in der [[Radioastronomie]] hat die [[HI-Linie|21-Zentimeter-Linie]] (HI-Linie) in der [[Hyperfeinstruktur]].
Gegenüber elektrischem Strom ist H<sub>2</sub> ein Isolator. In einem [[Elektrisches Feld|elektrischen Feld]] hat er eine [[Durchschlagsfestigkeit]] von mehreren Millionen Volt pro Meter.


In einem [[Magnetisches Feld|magnetischen Feld]] verhält sich H<sub>2</sub> sehr schwach [[Diamagnetismus|diamagnetisch]]. Das bedeutet, die Dichte der Feldlinien eines extern angelegten Magnetfeldes nimmt in der Probe ab. Die [[magnetische Suszeptibilität]] ist bei Normdruck <math>\chi_{m}</math> = {{ZahlExp|-2,2|-9}} und typischerweise einige Größenordnungen unter der von diamagnetischen Festkörpern.
==== Aggregatzustände ====
Bei Temperaturen unterhalb von 20,27&nbsp;Kelvin kondensiert das Gas zu einer klaren, farblosen Flüssigkeit. Senkt man die Temperatur weiter, dann geht Wasserstoff bei 14,02&nbsp;Kelvin (-259,2&nbsp;[[Celsius|°C]]) in einen schlammartigen Zustand, genannt [[Slush]] über, bevor er gefriert und einen kristallinen Festkörper mit [[Dichteste Kugelpackung|hexagonal dichtester Kugelpackung]]&nbsp;(hcp) bildet, wobei jedes Atom von zwölf weiteren umgeben ist.


Gegenüber elektrischem Strom ist H<sub>2</sub> ein Isolator. In einem [[Elektrisches Feld|elektrischen Feld]] hat er eine [[Durchschlagsfestigkeit]] von mehreren Millionen Volt pro Meter.
Anders als bei [[Helium]] tritt beim Verflüssigen von einfachem Wasserstoff (<sup>&nbsp;1</sup>H) keine [[Suprafluidität]] auf; prinzipiell kann aber das Isotop [[Deuterium]] (<sup>&nbsp;2</sup>H) suprafluid werden.


Der empirische [[Atomradius]] von ([[atomar]]em) Wasserstoff beträgt 25&nbsp;[[Pikometer|pm]], der [[Kovalenter Radius|kovalente Radius]] 31&nbsp;pm und der [[Van-der-Waals-Radius]] 120&nbsp;pm.<ref name="Webelements-hydrogen" /> In höchstangeregten Wasserstoffatomen ([[Rydberg-Zustand|Rydberg-Zuständen]]), wie sie unter den Vakuumbedingungen interstellarer Nebel vorkommen, befinden sich deren Elektronen auf Bahnen mit Atomradien von bis zu 0,339 Millimetern.<ref>''GIT Labor-Fachzeitschrift.'' Heft 9/2013, S. 596, nach Jürgen Quadbeck-Seeger (Hrsg.): ''Chemie Rekorde''. Wiley-VCH.</ref>
Der [[Tripelpunkt]] des Wasserstoffs, bei dem seine drei Aggregatzustände gleichzeitig vorkommen, ist einer der Fixpunkte der [[Internationale Temperaturskala|Internationalen Temperaturskala]]. Er liegt bei einer Temperatur von exakt 13,8033 Kelvin und einem Druck von 7,042&nbsp;kPa.


=== Aggregatzustände {{Anker|LH2}} ===
Unter extremen Drücken, wie sie innerhalb von [[Gasplanet]]en herrschen, wird wahrscheinlich [[Metallischer Wasserstoff|metallischer Wasserstoff]], d.h. in metallischer Form, ausgebildet. Dabei wird er elektrisch leitend (vgl. [[Metall#Metalle in der Chemie|Leiterbahn]]). Über diesen Aggregatzustand sind nur wenige experimentelle Daten vorhanden, denn die Erzeugung ist im Labor äußerst schwierig und der Zustand sehr kurzlebig. Dennoch gelang [[1996]] einer Forschungsgruppe am [[Lawrence Livermore National Laboratory]] unerwartet der Nachweis der Existenz des metallischen Wasserstoffs. Der Zustand bestand etwa eine Mikrosekunde lang. Man vermutet, dass unter hohem Druck entstandener metallischer Wasserstoff teilweise in dieser Form bestehen bleibt, wenn er wieder in eine Umgebung mit Normalbedingungen zurückgeführt wird. Stellt sich das als wahr heraus, könnte metallischer Wasserstoff in Zukunft ein hochinteressanter Werkstoff mit bemerkenswerten Eigenschaften sein.
[[Datei:Linde-Wasserstofftank.JPG|mini|Tank für flüssigen Wasserstoff im Museum Autovision in Altlußheim]]


Bei Temperaturen unterhalb von 21,15&nbsp;K (−252&nbsp;°C) kondensiert Wasserstoff zu einer klaren, farblosen Flüssigkeit. Dieser Zustand wird als '''LH<sub>2</sub>''' abgekürzt (engl. ''liquid'', „flüssig“). Unterhalb von 14,02&nbsp;K (−259,2&nbsp;[[Grad Celsius|°C]]) bildet Wasserstoff einen kristallinen Festkörper mit [[Dichteste Kugelpackung|hexagonal dichtester Kugelpackung]]&nbsp;(hcp), dort ist jedes Molekül von zwölf weiteren umgeben. Am Gefrierpunkt bildet sich beim Abkühlen ein schlammartiges Zweiphasengemisch, ein sogenannter [[Slush]].
=== Atom- und kernphysikalische Eigenschaften ===
[[Bild:HAtomOrbitals.png|thumb|Orbitale des Wasserstoffatoms für verschiedene n- und l-Quantenzahlen]]
''Für detaillierte quantenmechanische Aspekte siehe Artikel [[Wasserstoffatom]].''


Anders als bei [[Helium]] tritt beim Verflüssigen von einfachem Wasserstoff (<sup>&nbsp;1</sup>H) keine [[Suprafluidität]] auf; prinzipiell kann aber das Isotop [[Deuterium]] (<sup>&nbsp;2</sup>H) suprafluid werden.
Ein einzelnes Wasserstoffatom besteht aus einem positiv geladenen [[Atomkern|Kern]] und einem
negativ geladenen Elektron, das über die [[Coulombkraft|Coulomb-Wechselwirkung]] an den Kern gebunden ist. Dieser besteht stets aus einem einzelnen Proton (<sup>1</sup>H-Isotop) und je nach [[Isotop]] aus einem oder zwei zusätzlichen [[Neutron]]en (<sup>2</sup>H bzw. <sup>3</sup>H-Isotop). Das [[Wasserstoffatom]] <sup>1</sup>H wird aufgrund seines einfachen Aufbaus als „Modellatom“ in der physikalischen Beschreibung der [[Atom]]e herangezogen.


Der [[Tripelpunkt]] des Wasserstoffs, bei dem seine drei Aggregatzustände gleichzeitig vorkommen, ist einer der Fixpunkte der [[Internationale Temperaturskala|Internationalen Temperaturskala]]. Er liegt bei einer Temperatur von 13,8033&nbsp;K<ref name="NIST">{{NIST|1333-74-0}}.</ref> und einem Druck von 7,042&nbsp;kPa.<ref name="NIST" /> Der [[Kritischer Punkt (Thermodynamik)|kritische Punkt]] liegt bei 33,18&nbsp;K<ref name="NIST" /> und 13,0&nbsp;bar,<ref name="NIST" /> die kritische Dichte beträgt 0,03012 g/cm³<ref name="Römpp" /> (die niedrigste kritische Dichte aller Elemente).
So entstand aus Untersuchungsergebnissen am Wasserstoff das [[Bohrsches Atommodell|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 konzentrischen, kugelförmigen 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.&nbsp;B. durch Erhitzen). Beim Sprung von einer äußeren auf eine innere Bahn wird jeweils eine [[Elektromagnetische Welle|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&nbsp;nm, 486&nbsp;nm, 434&nbsp;nm und 410&nbsp;nm liegen ([[Balmer-Serie]]); im [[Ultraviolett|ultravioletten]] Bereich liegt die [[Lyman-Serie]] mit Wellenlängen von 122&nbsp;nm, 103&nbsp;nm, 97&nbsp;nm und 95&nbsp;nm. Wichtige Serien im [[Infrarot]]en sind die [[Paschen-Serie]] (1,9 [[Mikrometer|µm]]; 1,3&nbsp;µm; 1,1&nbsp;µm und 1&nbsp;µm) und die [[Brackett-Serie]] (4,1&nbsp;µm; 2,6&nbsp;µm; 2,2&nbsp;µm und 1,9&nbsp;µm) (in allen Serien sind hier nur die ersten vier Linien angegeben). Das Bohrsche Modell reicht aber bei der Betrachtung von Details und für andere Atome zur Erklärung der dabei beobachteten bzw. gemessenen Phänomene nicht aus.


Unter extremen Drücken, wie sie innerhalb von [[Gasplanet]]en herrschen, wird wahrscheinlich [[metallischer Wasserstoff]], d.&nbsp;h. in metallischer Form, ausgebildet. Dabei wird er elektrisch leitend (vgl. [[Leitungsband]]).
Physikalisch korrekter ist die [[Quantenmechanik|quantenmechanische]] Beschreibung. 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 [[Numerik|numerischer Verfahren]], lösen lässt. Das ist sonst nur für Ionen möglich, denen lediglich ein Elektron verblieben ist (beispielsweise He<sup>+</sup>, Li<sup> 2+</sup>, usw.).


=== Atom- und kernphysikalische Eigenschaften ===
Andere quantenmechanische Phänomene bewirken weitere Effekte. Die [[Feinstruktur]] der Spektrallinien kommt u.&nbsp;a. daher, dass Bahndrehimpuls und [[Spin]] des Elektrons miteinander koppeln. Berücksichtigt man darüber hinaus auch den [[Kernspin]], kommt man zur [[Hyperfeinstruktur]]. Eine sehr kleine, aber physikalisch besonders interessante Korrektur durch [[Vakuumfluktuation]]en, ist die [[Lambverschiebung]]. Durch all diese Korrekturen wird bereits das Spektrum des Wasserstoffs zu einem komplexen Phänomen, dessen Verständnis im Rahmen der Quantenmechanik viel theoretisches Wissen erfordert.
{{Hauptartikel|Wasserstoffatom}}


Ein einzelnes Wasserstoffatom besteht aus einem positiv geladenen [[Atomkern|Kern]] und einem negativ geladenen [[Elektron]], das über die [[Coulombkraft|Coulomb-Wechselwirkung]] an den Kern gebunden ist. Dieser besteht stets aus einem einzelnen Proton (Hauptisotop <sup>1</sup>H) und seltener je nach [[Isotop]] einem oder zwei zusätzlichen [[Neutron]]en ([[Deuterium|<sup>2</sup>H]] bzw. [[Tritium|<sup>3</sup>H-Isotop]]). Das [[Wasserstoffatom]] <sup>1</sup>H spielte aufgrund seines einfachen Aufbaus in der Entwicklung der Atomphysik als „Modellatom“ eine herausragende Rolle.
==== Isotope ====
Es existieren drei natürlich vorkommende [[Isotop]]e des Wasserstoffs. Von allen Elementen unterscheiden sich beim Wasserstoff – wenn auch nur geringfügig – die Isotope in ihren chemischen Reaktionsfähigkeiten am meisten. Das liegt an dem vergleichsweise großen Gewichtsunterschied (Deuterium doppelt, Tritium dreimal so schwer wie Wasserstoff). Dieser Unterschied beträgt schon bei den Isotopen des nächstschwereren Elements Helium nur noch 25&nbsp;%. In jüngerer Zeit gelang es, die kurzfristige Existenz von vier weiteren Kernen nachzuweisen (<sup>4</sup>H, <sup>5</sup>H, <sup>6</sup>H und <sup>7</sup>H, siehe zum Beispiel dieser [http://physicsweb.org/articles/news/7/3/3 Artikel auf Englisch]). Diese Kerne haben aber alle eine sehr kurze Lebensdauer (<&nbsp;10<sup>-22</sup>&nbsp;s). [[1955]] taucht in dem satirischen Roman „[[Die Maus, die brüllte]]“ („The Mouse That Roared“) die Bezeichnung ''Quadium'' für <sup>4</sup>H in der fiktiven Waffe „Q-Bombe“ auf.


[[Datei:Atomic-orbital-clouds spd m0.png|mini|Orbitale des Wasserstoffatoms für verschiedene ''n''- und ''l''-Quantenzahlen]]
{| {{prettytable}} width="100%"
|- bgcolor="#dfdfdf"
! Isotop || Name ||Symbol||Eigenschaften
|----
|&nbsp;&nbsp; <sup>1</sup>H || [[Protium]] ||&nbsp;&nbsp;H ||Das einfachste Wasserstoff-Isotop <sup>1</sup>H besitzt keine Neutronen im Kern und wird gelegentlich Protium genannt. Es hat mit einer relativen Häufigkeit von 99,99&nbsp;% den weitaus größten Anteil am irdisch vorkommenden Wasserstoff. Es ist nicht [[radioaktiv]], also stabil.
|----
|&nbsp;&nbsp; <sup>2</sup>H || [[Deuterium]] ||&nbsp;&nbsp;D ||Das Isotop <sup>2</sup>H hat neben dem Proton ein Neutron im Kern. Man bezeichnet es als Deuterium. Für Deuterium gibt es das D als ein eigenes [[Elementsymbol]]. Verwendung findet es z.&nbsp;B. als Bestandteil von Lösungsmitteln für die <sup>1</sup>H-NMR Spektroskopie, da es dabei kein störendes Nebensignal liefert. Es macht 0,015&nbsp;% aller Wasserstoffatome aus (nach [[IUPAC]]). Deuterium ist ebenfalls stabil.
|----
|&nbsp;&nbsp; <sup>3</sup>H || [[Tritium]] ||&nbsp;&nbsp;T ||Tritium ist das dritte natürlich 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 <sup>3</sup>H oder T gekennzeichnet. Tritium ist [[radioaktiv]] und zerfällt durch [[Betazerfall]] (β<sup>-</sup>) mit einer [[Halbwertszeit]] von 12,32&nbsp;Jahren in [[Helium|<sup>3</sup>He]]. Nach <ref name="Lal_Peters">D. Lal und B. Peters: ''Cosmic ray produced radioactivity on the earth.'' Handbuch der Physik, Band 46/2, Seiten 551-612, Springer, Berlin, '''1967'''.</ref> wird Tritium durch [[Kernreaktion]]en in der oberen [[Atmosphäre]] ständig als kosmogenes [[Radionuklid]] gebildet. Bei einem Gleichgewicht von natürlicher Produktion und Zerfall ergibt sich, entsprechend der Quelle, ein Inventar von 3,5&nbsp;kg auf der Erde. Tritium kann im [[Oberflächenwasser]]n und in Lebewesen nachgewiesen werden. Durch Kernwaffentests ist die Konzentration des Tritiums in der Atmosphäre nach 1950 deutlich angestiegen.
|}


So entstand 1913 aus Untersuchungsergebnissen am Wasserstoff das [[Bohrsches Atommodell|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 auf weiter außen liegende, wenn ihm die dazu nötige Energie zugeführt wird (z.&nbsp;B. durch Stöße im erhitzten Gas oder in der elektrischen [[Gasentladung]]). Beim Rücksprung von einer äußeren auf eine innere Bahn wird jeweils eine [[Elektromagnetische Welle|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&nbsp;nm, 486&nbsp;nm, 434&nbsp;nm und 410&nbsp;nm liegen ([[Balmer-Serie]]); im [[ultraviolett]]en Bereich liegt die [[Lyman-Serie]] mit Wellenlängen von 122&nbsp;nm, 103&nbsp;nm, 97&nbsp;nm und 95&nbsp;nm. Wichtige Serien im [[Infrarot]]en sind die [[Paschen-Serie]] (1,9&nbsp;[[Meter#Mikrometer|μm]]; 1,3&nbsp;μm; 1,1&nbsp;μm und 1&nbsp;μm) und die [[Brackett-Serie]] (4,1&nbsp;μm; 2,6&nbsp;μm; 2,2&nbsp;μm und 1,9&nbsp;μm) (in allen Serien sind hier nur die ersten vier Linien angegeben). Das Bohrsche Modell reicht aber bei der Betrachtung von Details und für andere Atome zur Erklärung der dabei beobachteten bzw. gemessenen Phänomene nicht aus.
==== Kernspinzustände im H<sub>2</sub>-Molekül ====
Unter normalen Bedingungen ist Wasserstoffgas H<sub>2</sub> ein Gemisch zweier Molekülzustände, die sich durch die „Richtung“ ihrer [[Kernspin]]s unterscheiden. Diese beiden Formen werden ''ortho''- und ''para''-Wasserstoff benannt (kurz o- und p-Wasserstoff). Bei o-Wasserstoff haben die Kernspins die gleiche (parallele) Richtung, während sie beim p-Wasserstoff entgegengesetzte (antiparallele) Richtung aufweisen. o-Wasserstoff ist die energiereichere Form. Die beiden Molekülzustände hängen über folgende, temperaturabhängige [[Gleichgewicht]]sbeziehung miteinander zusammen:


Physikalisch korrekter ist die [[Quantenmechanik|quantenmechanische]] Beschreibung, die dem Elektron anstelle der flachen bohrschen Bahnen räumlich ausgedehnte [[Atomorbital]]e 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 [[Numerische Mathematik|numerischer Verfahren]], lösen lässt. Das ist sonst nur für die ebenfalls ausgiebig untersuchten wasserstoffähnlichen Ionen möglich, denen lediglich ein Elektron verblieben ist (He<sup>+</sup>, Li<sup>2+</sup> usw. bis U<sup>91+</sup>).
: <math>\mathrm{ortho-H_2\ \overrightarrow{\leftarrow}\ para-H_2} \qquad \Delta H_{R}^0 = -0{,}08\ \mathrm{kJ/mol} </math>
: <small>Die beiden Formen können unter Energieaufnahme bzw. -abgabe ineinander übergehen.</small>


Andere quantenmechanische Phänomene bewirken weitere Effekte. Die [[Feinstruktur (Physik)|Feinstruktur]] der Spektrallinien kommt u.&nbsp;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 [[Vakuumfluktuation]]en. Durch all diese Korrekturen wird bereits das Spektrum des Wasserstoffs zu einem komplexen Phänomen, dessen Verständnis viel theoretisches Wissen in Quantenmechanik und Quantenelektrodynamik erfordert.
Am [[Absoluter Nullpunkt|absoluten Nullpunkt]] findet man ausschließlich p-Wasserstoff. Unter [[Standardbedingungen]] liegen 25&nbsp;% des Wasserstoffs als p-Form und 75&nbsp;% als o-Form vor. Theoretische Berechnungen ergeben, dass der Anteil der o-Form nicht über diesen Anteil hinaus gesteigert werden kann. Die physikalischen Eigenschaften von o- und p-Wasserstoff sind geringfügig verschieden. So liegen beispielsweise der Schmelz- und Siedepunkt der p-Form etwa 0,1&nbsp;[[Kelvin|K]] unter denen der o-Form.


=== Isotope ===
Bei der industriellen Herstellung von flüssigem Wasserstoff spielt obiges Gleichgewicht eine wichtige Rolle. Der Wechsel der Kerne in die antiparallele Orientierung (→ p-Wasserstoff) erfolgt beim Abkühlen nur sehr langsam, da die Wechselwirkungen zwischen den Kernen - genauer gesagt beeinflussen sich die Kerne über ihre [[Magnetisches Moment|magnetischen Momente]] - nur sehr schwach sind. Deswegen versucht man, die Einstellung des Gleichgewichts durch den Einsatz von [[Katalysator]]en zu beschleunigen.
Es existieren drei natürlich vorkommende [[Isotop]]e 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]] <sup>2</sup>H doppelt, [[Tritium]] <sup>3</sup>H dreimal so schwer wie Wasserstoff <sup>1</sup>H).


* Das einfachste Wasserstoff-Isotop <sup>1</sup>H besitzt lediglich ein Proton im Kern und wird daher gelegentlich '''Protium''' genannt. Es hat mit einer relativen Häufigkeit von 99,98 % den weitaus größten Anteil am irdisch vorkommenden Wasserstoff. Es ist nicht [[radioaktiv]], also stabil.
== Chemische Eigenschaften ==
* Das Isotop <sup>2</sup>H hat neben dem Proton ein Neutron im Kern. Man bezeichnet es als '''Deuterium'''. Für Deuterium gibt es das D als ein eigenes [[Elementsymbol]].<ref name="DTsymbol" /> Verwendung findet es z.&nbsp;B. als Bestandteil von Lösungsmitteln für die <sup>1</sup>H-NMR Spektroskopie, da es dabei kein störendes Nebensignal liefert. Es macht 0,015 % aller Wasserstoffatome aus. Deuterium ist ebenfalls stabil.
* Das Isotop <sup>3</sup>H hat neben dem Proton zwei Neutronen im Kern. Man bezeichnet es als '''Tritium''' mit dem Elementsymbol&nbsp;T. Es hat nur einen verschwindenden Anteil am gesamten in der Natur vorkommenden Wasserstoff. Es ist [[radioaktiv]] und zerfällt durch [[Betazerfall]] (β<sup>−</sup>) mit einer [[Halbwertszeit]] von 12,32&nbsp;Jahren in [[Helium|<sup>3</sup>He]]. Tritium wird durch [[Kernreaktion]]en in der oberen [[Erdatmosphäre]] ständig als kosmogenes [[Radionuklid]] gebildet.<ref name="Lal_Peters">D. Lal, B. Peters: ''Cosmic ray produced radioactivity on the earth.'' In: ''Handbuch der Physik.'' Band 46/2, Springer, Berlin 1967, S.&nbsp;551–612.</ref> Im Gleichgewicht von natürlicher Produktion und Zerfall befinden sich ca. 3,5&nbsp;kg Tritium in der [[Biosphäre]]. Tritium kann in [[Oberflächenwasser]]n und in Lebewesen nachgewiesen werden.
* Die schwereren Isotope <sup>4</sup>H, <sup>5</sup>H, <sup>6</sup>H und <sup>7</sup>H haben sehr kurze Lebensdauern in der Größenordnung von 10<sup>−22</sup>&nbsp;s bis 10<sup>−21</sup>&nbsp;s.


=== Kernspinzustände im H<sub>2</sub>-Molekül ===
=== Atomarer Wasserstoff ===
{{Hauptartikel|Ortho- und Parawasserstoff}}
Um molekularen Wasserstoff in die Atome zu zerlegen, muss viel Energie (436,22 [[Joule|kJ]]/[[mol]]} aufgewendet werden (man spricht in diesem Fall von [[Atomisierungsenthalpie]]); beim Zusammenschluss zu Wasserstoffmolekülen (H<sub>2&nbsp;</sub>) wird diese Energie wieder freigesetzt:
Unter normalen Bedingungen ist Wasserstoffgas H<sub>2</sub> ein Gemisch von Molekülen, die sich durch die Symmetrie ihrer [[Kernspin]]s voneinander unterscheiden: ''ortho''- und ''para''-Wasserstoff (kurz o- und p-Wasserstoff). Bei o-Wasserstoff haben die Kernspins symmetrische Konfiguration, daher Gesamtspin ''S''&nbsp;=&nbsp;1 und für die Molekülrotation nur ungerade Quantenzahlen ''J''&nbsp;= 1,&nbsp;3&nbsp;… Beim p-Wasserstoff nehmen die Kernspins einen antisymmetrischen Zustand ein, bilden also den Gesamtspin ''S''&nbsp;=&nbsp;0 und haben für die Molekülrotation nur gerade Quantenzahlen ''J''&nbsp;=&nbsp;0,&nbsp;2 … Mit ''J''&nbsp;=&nbsp;0 ist p-Wasserstoff die energieärmste Form, also der [[Grundzustand]]. Der erste angeregte Zustand ist bei 15,1&nbsp;meV Energie o-Wasserstoff mit ''J''&nbsp;=&nbsp;1.


Nahe dem [[Absoluter Nullpunkt|absoluten Nullpunkt]] ''T''&nbsp;=&nbsp;0&nbsp;K findet man im thermodynamischen Gleichgewicht ausschließlich p-Wasserstoff, für nicht zu kaltes Wasserstoffgas ein Gemisch aus der p- und der o-Form. Da es für Gesamtspin ''S''&nbsp;=&nbsp;0 nur einen Spinzustand gibt, bei symmetrischen Kernspins (''S''&nbsp;=&nbsp;1) aber drei Zustände verschiedener Orientierung im Raum, überwiegen diese ab etwa ''T''&nbsp;>&nbsp;200&nbsp;K im Gleichgewicht im Verhältnis ortho/para-Wasserstoff von bis zu 3:1. Weiter kann der Anteil der o-Form im thermodynamischen Gleichgewicht nicht gesteigert werden.
: <math>\mathrm{2\ H\ \overrightarrow{\leftarrow}\ H_2} \qquad \Delta H_{R}^0 = -436{,}22\ \mathrm{kJ/mol} </math>
: <small>Zwei H-Atome reagieren zu einem H<sub>2</sub>-Molekül und setzen dabei Energie frei.</small>
Das Gleichgewicht dieser Reaktion liegt unter Normalbedingungen vollkommen auf 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]].


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 H<sub>2</sub> unterscheiden sie sich sogar makroskopisch durch deutlich verschiedenen Temperaturverlauf der [[Spezifische Wärme|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&nbsp;K unter denen der o-Form.
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]].''


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 [[Katalysator]]en.
Anmerkung: Wasserstoff in den Sternen liegt nicht nur atomar vor, sondern auch als Plasma: Die Elektronen sind infolge der dort herrschenden hohen Temperaturen (Sonne: 6000&nbsp;°C) je nach Temperatur von den Protonen mehr oder weniger abgetrennt. Dennoch ist selbst bei 6000 °C immer noch der größte Teil des Wassersoffes nicht ionisiert, d.&nbsp;h. das Gleichgewicht liegt weit auf der Seite des neutralen Wassersoffes. Chemische Verbindungen können sich bei so hohen Temperaturen kaum bilden und zerfallen sofort.


=== Angeregter Wasserstoff ===
== Chemische Eigenschaften ==
=== Besonderheiten ===
Wasserstoff im ''[[Nascierender Stoff|status nascendi]]'', d.&nbsp;h. im ''Zustand des Entstehens'' unmittelbar nach einer Wasserstoff erzeugenden Reaktion, existiert ebenfalls nur für Sekundenbruchteile. Innerhalb dieser Zeitspanne reagieren in der Regel zwei H-Atome miteinander. Aber auch nach diesem Zusammenschluss liegt der Wasserstoff für kurze Zeit in einem angeregten Zustand vor und kann so -&nbsp;abweichend vom „normalen“ chemischen Verhalten&nbsp;- für verschiedene Reaktionen genutzt werden, die mit molekularem Wasserstoff nicht möglich sind.
Im [[Periodensystem]] steht Wasserstoff in der I.&nbsp;Hauptgruppe, weil er 1 [[Valenzelektron]] besitzt. Ähnlich wie die ebenfalls dort stehenden [[Alkalimetall]]e 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 [[Halogenide|Halogenidcharakter]] und werden als [[Hydrid]]e bezeichnet.
So gelingt es zum Beispiel nicht, mit Hilfe von im [[Kippscher Apparat|Kippschen Apparat]] erzeugtem Wasserstoffgas, in einer angesäuerten, violetten [[Kaliumpermanganat]]lösung (KMnO<sub>4</sub>) oder gelben [[Kaliumdichromat]]lösung (K<sub>2</sub>Cr<sub>2</sub>O<sub>7</sub>) den die Reduktion anzeigenden Farbwechsel hervorzurufen. Mit direkt in diesen Lösungen, durch Zugabe von [[Zink]]pulver generiertem Wasserstoff ''in statu nascendi'' gelingt diese [[Reduktion (Chemie)|reduktive]] Farbänderung.


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.&nbsp;Hauptgruppe ähnelt, was seine [[Elektronegativität]] erklärt, die eher der des ebenfalls „in der Mitte“ stehenden [[Kohlenstoff]]s als der des [[Lithium]]s gleicht.
: <math>\mathrm{MnO_4^- + 8\ H^+ + 5\ H \rightarrow Mn^{2+} + 4\ H_2O + 5\ H^+}</math>
: <small>Nascierender Wasserstoff vermag unter sauren Bedingungen violette Permanganatlösung zu entfärben.</small>


Aufgrund dieser „gemäßigten“ Elektronegativität sind die für die I.&nbsp;Hauptgruppe typischen Bindungen des Wasserstoffs in der Oxidationszahl ''+1'' keine Ionenbindungen wie bei den Alkalimetallen, sondern [[kovalent]]e Molekülbindungen.
: <math>\mathrm{Cr_2O_7^{2-} + 14\ H^+ + 6\ H \rightarrow 2\ Cr^{3+} + 7\ H_2O + 6\ H^+}</math>

: <small>Unter sauren Bedingungen wird gelbe Dichromatlösung grün durch die reduktive Wirkung des nascierenden Wasserstoffs.</small>
Zusammenfassend sind die Eigenschaften des Wasserstoffs für die I.&nbsp;Hauptgruppe atypisch, da aufgrund der Tatsache, dass die K-Schale nur 2 Elektronen aufnehmen kann, Eigenschaften anderer Gruppen hinzukommen.


=== Molekularer Wasserstoff ===
=== Molekularer Wasserstoff ===
[[Bild:Wasserstoff.svg|thumb|150px|[[Lewisformel]] des Wasserstoffmoleküls]]
[[Datei:Wasserstoff.svg|mini|hochkant|[[Valenzstrichformel]] des Wasserstoffmoleküls]]


Bei Zimmertemperatur 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.
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]], welches in Wasser gelöst [[Salzsäure]] ergibt. Beide Gase reagieren dabei mit gleichen [[Stoffmenge]]nanteilen:
Mit [[Chlor]] reagiert Wasserstoff [[exotherm]] unter Bildung von gasförmigem [[Chlorwasserstoff]], der in Wasser gelöst [[Salzsäure]] ergibt. Beide Gase reagieren dabei mit gleichen [[Stoffmenge]]nanteilen:


: <math>\mathrm{Cl_2 + H_2 \rightarrow 2\ HCl}</math>
:<math>\mathrm{Cl_2(g) + H_2(g) \rightarrow 2\; HCl(g)}</math>
: <small>je ein Chlor- und Wasserstoffmolekül reagieren zu zwei Chlorwasserstoffmolekülen</small>
: <small>je ein Chlor- und Wasserstoffmolekül reagieren zu zwei Chlorwasserstoffmolekülen</small>


Diese Reaktion ist unter dem Namen [[Chlorknallgas]]reaktion bekannt, welche sich schon durch die Bestrahlung mit Licht zünden lässt. Für die [[Knallgas]]reaktion (Wasserstoff und Sauerstoff) bedarf es einer Zündung
Diese Reaktion ist unter dem Namen [[Chlorknallgas]]reaktion bekannt, die sich schon durch die Bestrahlung mit Licht zünden lässt. Für die [[Knallgas]]reaktion (Wasserstoff und Sauerstoff) bedarf es einer Zündung.
: <math>\mathrm{O_2 + 2 H_2 \rightarrow 2\ H_2O}</math>
:<math>\mathrm{O_2(g) + 2 \; H_2(g) \rightarrow 2\; H_2O(g)}</math>
: <small>je ein Sauerstoff- und zwei Wasserstoffmoleküle reagieren zu zwei Wassermolekülen</small>
: <small>je ein Sauerstoff- und zwei Wasserstoffmoleküle reagieren zu zwei Wassermolekülen</small>


Die aggressivste Reaktion bei niedrigen Temperaturen geht jedoch Wasserstoff mit [[Fluor]] ein. Wird Wasserstoffgas bei -200&nbsp;°C auf gefrorenes Fluor geleitet, reagieren die beiden Stoffe sofort explosiv miteinander.
Die aggressivste Reaktion bei niedrigen Temperaturen geht jedoch Wasserstoff mit [[Fluor]] ein. Wird Wasserstoffgas bei −200&nbsp;°C auf gefrorenes Fluor geleitet, reagieren die beiden Stoffe sofort explosiv miteinander.


: <math>\mathrm{F_2 + H_2 \rightarrow 2\ HF}</math>
:<math>\mathrm{F_2(s) + H_2(g) \rightarrow 2\; HF(g)}</math>
: <small>je ein Fluor- und Wasserstoffmolekül reagieren zu zwei Fluorwasserstoffmolekülen</small>
: <small>je ein Fluor- und Wasserstoffmolekül reagieren zu zwei Fluorwasserstoffmolekülen</small>


Wird der molekulare Wasserstoff ionisiert, so spricht man vom [[Diwasserstoff-Kation]]. Dieses Teilchen tritt z.&nbsp;B. in Niedertemperatur-Plasmaentladungen in Wasserstoff als häufiges Ion auf.
=== Wasserstoffbrückenbindung ===
Eine wichtige Eigenschaft des Wasserstoffs ist die so genannte [[Wasserstoffbrückenbindung]], eine anziehende elektrostatische Kraft zwischen zwei Molekülen. Ist H an ein stark [[Elektronegativität|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.


: <math>\mathrm{H_2 + e^- \rightarrow H_2^+ + 2\; e^-}</math>
Da die Wasserstoffbrückenbindung schwächer ist als die Bindungskraft innerhalb eines Moleküls, verbinden sich die Moleküle nicht dauerhaft. Vielmehr bleibt die Wasserstoffbrücke 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.
: <small>Ionisation durch ein schnelles Elektron im Plasma</small>


=== Nascierender Wasserstoff ===
Die Wasserstoffbrückenbindung ist für viele Eigenschaften verschiedener Verbindungen verantwortlich, wie etwa [[Desoxyribonukleinsäure|DNA]] oder [[Wasser]]. Bei letzterem führen diese Bindungen zu den [[Wasser#Die „Anomalie des Wassers“|Anomalien des Wassers]], insbesondere der [[Dichteanomalie]].
Wasserstoff ''[[Nascierender Stoff|in statu nascendi]]'', d.&nbsp;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 [[Angeregter Zustand|angeregten Zustand]] befindet. Nascierender Wasserstoff kann –&nbsp;abweichend vom „normalen“ chemischen Verhalten&nbsp;– verschiedene Reaktionen bewirken, die mit molekularem Wasserstoff nicht möglich sind.


So gelingt es zum Beispiel nicht, mit Hilfe von im [[Kippscher Apparat|Kippschen Apparat]] erzeugtem Wasserstoffgas in einer angesäuerten, violetten [[Kaliumpermanganat]]lösung (KMnO<sub>4</sub>) oder gelben [[Kaliumdichromat]]lösung (K<sub>2</sub>Cr<sub>2</sub>O<sub>7</sub>) den die Reduktion anzeigenden Farbwechsel hervorzurufen. Mit direkt in diesen Lösungen durch Zugabe von Zinkpulver erzeugtem Wasserstoff ''in statu nascendi'' gelingt diese [[Reduktion (Chemie)|reduktive]] Farbänderung.
Anmerkung: Die Wasserstoffbrückenbildung sollte nicht mit der ''[[Van-der-Waals-Bindung]]'' verwechselt werden, die auf ungleichmäßigen Ladungsverteilungen bei ''nicht''polaren Molekülen beruht und unter anderem für den Schmelz- oder Siedepunkt einen Stoffes verantwortlich ist.


: <math>\mathrm{MnO_4^- + 3\ H^+ + 5\ H \rightarrow Mn^{2+} + 4\ H_2O }</math>
== Nachweis ==
: <small>Nascierender Wasserstoff vermag unter sauren Bedingungen violette Permanganatlösung zu entfärben.</small>
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:


: <math>\mathrm{2\ H_2 + O_2 \rightarrow 2\ H_2O}</math> (exotherme Reaktion)
: <math>\mathrm{Cr_2O_7^{2-} + 14\ H^+ + 6\ H \rightarrow 2\ Cr^{3+} + 7\ H_2O + 6\ H^+}</math>
: <small>Unter sauren Bedingungen wird gelbe Dichromatlösung grün durch die reduzierende Wirkung des nascierenden Wasserstoffs.</small>
: <small>Wasserstoff reagiert mit Sauerstoff zu Wasser</small>


=== Atomarer Wasserstoff ===
Mit der gleichen Reaktion verbrennt Wasserstoff mit einer schwach bläulichen Flamme, wenn man ihn gleich an der Austrittsstelle entzündet (Pfeifgas).
Um molekularen Wasserstoff in die Atome zu zerlegen, muss Energie von 436,22&nbsp;[[Joule|kJ]]/[[mol]] (4,52&nbsp;[[Elektronenvolt|eV]] pro Molekül) aufgewendet werden (der Chemiker spricht von [[Enthalpie]]); beim Zusammenschluss zu Wasserstoffmolekülen wird diese Energie wieder freigesetzt:


: <math>\mathrm{2\ H\ \rightleftarrows H_2} \qquad \Delta H_{R}^0 = -436{,}22\ \mathrm{kJ/mol} </math>
Die Knallgasprobe ist die „klassische“ Methode zum Nachweis und ist besonders in Schulversuchen beliebt. Sehr viel genauer lässt sich das Element mit Hilfe der [[Kernspinresonanz]]spektroskopie (kurz NMR; ''nuclear magnetic resonance'') nachweisen, die daher bevorzugt im Laborbetrieb angewandt wird. Dabei macht man sich [[Quantenmechanik|quantenmechanische]] Gegebenheiten zu Nutze: Der Kern[[spin]] eines Wasserstoffatoms kann sich in einem angelegten äußeren Magnetfeld unterschiedlich ausrichten. Dadurch liegt der Atomkern in einem von zwei möglichen Energiezuständen vor, deren Differenz umso größer ist, je stärker das äußere Magnetfeld ist. Diese Differenz ist charakteristisch für jedes Element und kann durch Strahlungsanregung gemessen werden.
Diese Energie ist unter [[Standardbedingungen]] weit höher als die thermische Energie <math display="inline">k_\mathrm B\cdot T \approx 0{,}24\;\mathrm{eV}</math>, daher liegt das Gleichgewicht vollkommen auf der rechten Seite der dargestellten Gleichung.


Eine Anwendung findet diese Reaktion beim [[Arcatom-Schweißen]].
== Verbindungen ==
Wasserstoff geht mit den meisten chemischen Elementen Verbindungen mit der allgemeinen [[Summenformel]] EH<sub>n</sub> (n = 1, 2, 3, 4) ein. Einige wenige dieser [[Elementwasserstoffe]] sind nur in Form so genannter [[Addukt]]e bekannt, wie L<sub>m</sub> • EH<sub>n</sub> (L steht für einen [[Ligand]]en).


Im Weltraum liegt bei niedrigen Temperaturen in der Regel molekularer Wasserstoff vor. In der Nähe heißer Sterne wird molekularer Wasserstoff jedoch von deren Strahlung aufgespalten, so dass dort die atomare Form überwiegt oder auch die Atome ionisiert werden ([[H-II-Gebiet]]).
Wasserstoff kann in Verbindungen sowohl positive als auch negative [[Elektrische Ladung|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-Reaktion|Säure-Base-Verhalten]] mit berücksichtigt werden muss. Eine mehr oder weniger willkürliche Betrachtung besagt, dass in den Wasserstoffverbindungen der Elemente [[Bor]], [[Silizium]], [[Germanium]], [[Zinn]] und [[Blei]] sowie alle 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]] (SiH<sub>4</sub>) die [[Oxidationszahl]] für [[Silicium]] auf +4 (Wasserstoff dementsprechend -1), in [[Methan]] (CH<sub>4</sub>) für Kohlenstoff auf -4 (Wasserstoff +1) festlegen.


Innerhalb von Sternen liegt Wasserstoff infolge der dort herrschenden hohen Temperaturen nicht atomar vor, sondern als [[Plasma (Physik)|Plasma]]. Die Oberfläche der Sonne hat jedoch „nur“ eine Temperatur von ca. 5500&nbsp;°C, was einer thermischen Energie von 0,5&nbsp;eV entspricht, weit unter der Energie von 4,5&nbsp;eV, die zur Auflösung der molekularen Bindung erforderlich ist. Bei dieser Temperatur ist daher der größte Teil des Wasserstoffes nicht ionisiert und sogar molekular. Im Außenbereich der Sonne, der [[Korona (Sonne)|Korona]], herrschen hingegen Temperaturen um eine Million Kelvin. Daher sind im Sonnenlicht die Übergänge der Elektronen im atomaren Wasserstoff erkennbar.
Zur Darstellung von Wasserstoffverbindungen EH<sub>n</sub> werden hauptsächlich drei verschiedene Verfahren genutzt:
* Die Umsetzung des entsprechenden Elements E mit Wasserstoff (H<sub>2</sub>; [[Hydrogenolyse]])
: <math>\mathrm{\frac{1}{x}\ E_x + \frac{n}{2}\ H_2\ \overrightarrow{\leftarrow}\ EH_n}</math>
: <small>Ein Element reagiert mit Wasserstoff bei Energiezufuhr zum entsprechenden Elementwasserstoff.</small>
* Die Reaktion von Metallverbindungen des Typs M<sub>n</sub>E mit Wasserstoffsäuren (H<sup>+</sup>; [[Protolyse]])
: <math>\mathrm{M_nE + n\ HA\ \overrightarrow{\leftarrow}\ n\ MA + EH_n}</math>
: <small>Eine Metallverbindung des Elements E reagiert mit einer Säure HA zum Elementwasserstoff und einem Metallsalz.</small>
* Die Umsetzung von Halogenverbindungen (EHal<sub>n</sub>) mit Hydriden (H<sup>-</sup>; [[Hydridolyse]])
: <math>\mathrm{EHal_n + n\ H^-\ \overrightarrow{\leftarrow}\ n\ Hal^- + EH_n}</math>
: <small>Hydridionen setzen aus einer Halogenverbindung des Elements E den entsprechenden Elementwasserstoff frei.</small>


=== Salzartige Verbindungen ===
=== Wasserstoffbrückenbindung ===
Eine wichtige Eigenschaft des Wasserstoffs ist die so genannte [[Wasserstoffbrückenbindung]], eine anziehende elektrostatische [[Coulombsches Gesetz|Kraft]] zwischen zwei Molekülen. Ist Wasserstoff an ein stark [[Elektronegativität|elektronegatives]] Atom, wie Fluor oder Sauerstoff, gebunden, so befindet sich sein Elektron eher in der Nähe des Bindungspartners. Es tritt also eine Ladungsverschiebung auf und das H-Atom wirkt nun positiv polarisiert. Der Bindungspartner wirkt entsprechend negativ. Kommen sich zwei solche Moleküle nahe genug, tritt eine anziehende elektrische Kraft zwischen dem positiven H-Atom des einen Moleküls und des negativen Teils des jeweiligen Partners auf. Das ist eine Wasserstoffbrückenbindung.
In Verbindung mit Metallen kann Wasserstoff jeweils ein Elektron aufnehmen, so dass negativ geladene Wasserstoffionen (Hydridionen, H<sup>-</sup>) entstehen, die mit Metallkationen [[Salze]] bilden. Diese Verbindungen werden [[Hydride]] genannt. Salzartige Elementwasserstoffe sind von den [[Alkalimetalle|Alkali-]] und, mit Ausnahme von [[Beryllium]], den [[Erdalkalimetalle]]n bekannt. Außerdem zählt man die Dihydride des [[Europium]]s und [[Ytterbium]]s (EuH<sub>2</sub> und YbH<sub>2</sub>) dazu.


Da die Wasserstoffbrückenbindung mit nur 17&nbsp;kJ/mol bis 167&nbsp;kJ/mol<ref>{{Literatur |Autor=George A. Jeffrey |Titel=An Introduction to Hydrogen Bonding |Verlag=Oxford University Press |Datum=1997 |ISBN=0-19-509549-9}}</ref> schwächer ist als die Bindungskraft innerhalb eines Moleküls, verbinden sich die Moleküle nicht dauerhaft. Vielmehr bleibt die Wasserstoffbrücke wegen [[Thermische Energie|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.
Metallhydride reagieren sehr heftig mit Wasser unter Freisetzung von molekularem Wasserstoff (H<sub>2</sub>) und können sich an der Luft selbst entzünden, wobei sich Wasser und das Metalloxid bilden. In der Mehrzahl sind sie aber nicht explosiv. [[Mineral]]e, die (an Sauerstoff gebundenen) Wasserstoff enthalten, sind [[Hydrate]] oder [[Hydroxide]].


Die Wasserstoffbrückenbindung ist für viele Eigenschaften verschiedener Verbindungen verantwortlich, wie [[Desoxyribonukleinsäure|DNA]] oder [[Wasser]]. Bei Letzterem führen diese Bindungen zu den [[Eigenschaften des Wassers#Dichte und Dichteanomalie|Anomalien des Wassers]], insbesondere der [[Dichteanomalie]].
=== Metallartige Verbindungen ===
In metallartigen Wasserstoffverbindungen - mit wenigen Ausnahmen sind das die [[Übergangsmetall]]hydride - 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 nach der Definition für [[Einlagerungsmischkristall|Einlagerungsverbindungen]] eigentlich nicht zulässig ist). Das Element besetzt die oktaedrischen und tetraedrischen Lücken in den kubisch- bzw. hexagonal-dichtesten [[Dichteste Kugelpackung|Metallatompackungen]].


== Verwendung ==
Die [[Löslichkeit]] von Wasserstoff steigt mit zunehmender Temperatur. Man findet jedoch selbst bei Temperaturen über 500 Grad Celsius selten mehr als 10 Atomprozente Wasserstoff im betreffenden Metall. Am meisten Wasserstoff können die Elemente [[Vanadium]], [[Niob]] und [[Tantal]] aufnehmen. Bei Raumtemperatur sind folgende [[Stöchiometrie]]n zu beobachten: VH<sub>0,05</sub>, NbH<sub>0,11</sub> und TaH<sub>0,22</sub>. Ab 200 Grad Celsius findet man bei diesen Metallen eine 1:1-Stöchiometrie (MH) vor. Das kubisch-raumzentrierte [[Kristallgitter]] bleibt dabei unangetastet.
{{Siehe auch|Wasserstoffhandel}}
Jedes Jahr werden weltweit mehr als 600 Milliarden Kubikmeter Wasserstoff (rd.&nbsp;30&nbsp;Mio.&nbsp;t) für zahllose Anwendungen in Industrie und Technik gewonnen. Wichtige Einsatzgebiete sind:


* ''[[Energieträger]]'': Beim Schweißen, als [[Raketentreibstoff]]. Von seiner Verwendung als Kraftstoff für [[Strahltriebwerk]]e, in [[Wasserstoffverbrennungsmotor]]en oder über [[Brennstoffzelle]]n verspricht man sich, in absehbarer Zeit die Nutzung von Erdölprodukten ablösen zu können (siehe [[Wasserstoffantrieb]]), weil bei der Verbrennung vor allem Wasser entsteht, doch kein Ruß und kein [[Kohlenstoffdioxid]]. Wasserstoff ist jedoch im Gegensatz zu Erdöl keine [[Primärenergie]].
=== Kovalente Verbindungen ===
* ''[[Kohlehydrierung]]'': Durch verschiedene chemische Reaktionen wird Kohle mit H<sub>2</sub> in flüssige [[Kohlenwasserstoff]]e überführt. So lassen sich [[Motorenbenzin|Benzin]], [[Dieselkraftstoff|Diesel]] und [[Heizöl]] künstlich herstellen.
Verbindungen, bei denen Wasserstoff der elektropositivere Partner ist, haben einen hohen [[kovalent]]en Anteil. Als Beispiele seien [[Fluorwasserstoff]] (HF) oder [[Chlorwasserstoff]] (HCl) genannt. In Wasser reagieren diese Stoffe als [[Säuren]], da der Wasserstoff sofort als Proton (H<sup>+</sup>-Ion) von umgebenden Wasser-Molekülen abgespalten werden kann. Isolierte H<sup>+</sup>-Ionen verbinden sich in wässriger Lösung sofort mit Wassermolekülen zu [[Oxonium|H<sub>3</sub>O<sup>+</sup>-Ionen]]; dieses Ion ist verantwortlich für die saure Eigenschaft von wässrigen Chlorwasserstofflösungen.
* ''[[Reduktion (Chemie)|Reduktionsmittel]]'': H<sub>2</sub> kann mit Metalloxiden reagieren und ihnen dabei den Sauerstoff entziehen. Es entsteht Wasser und das reduzierte Metall. Dieses Verfahren der [[Verhüttung]] von [[Erz]]en und Zwischenprodukten wird genützt um Metalle möglichst rein zu gewinnen, etwa [[Wolfram]]. Denn Kohle und Koks bringen Begleitstoffe wie Phosphor und Schwefel ein.
* ''[[Ammoniak]]herstellung'': Mit dem [[Haber-Bosch-Verfahren]] wird aus [[Stickstoff]] und Wasserstoff Ammoniak hergestellt und daraus wichtige Düngemittel und Sprengstoffe.
* ''[[Fetthärtung]]'': Gehärtete [[Fette]] werden aus Pflanzenöl mittels [[Hydrierung]] gewonnen. Dabei werden die Doppelbindungen in ungesättigten Fettsäure-Resten der [[Glycerid]]e mit Wasserstoff abgesättigt. Die entstehenden Fette haben einen höheren Schmelzpunkt, wodurch das Produkt fest wird. Auf diese Weise stellt man [[Margarine]] her. Dabei können als Nebenprodukt gesundheitlich bedenkliche [[Trans-Fettsäuren|''trans''-Fette]] entstehen.
* {{Anker|E 949}}''[[Lebensmittelzusatzstoff]]'': Wasserstoff ist als E 949 zugelassen und wird (selten) als Treibgas, Packgas u.&nbsp;ä. verwendet.<ref>{{EU-Verordnung|2008|1333|konsolidiert=2022-10-31}}</ref>
* ''Kühlmittel'': Aufgrund seiner hohen [[Wärmekapazität]] benutzt man (gasförmigen) Wasserstoff in Kraftwerken und den dort eingesetzten [[Turbogenerator]]en als Kühlmittel. Insbesondere setzt man H<sub>2</sub> dort ein, wo eine Flüssigkeitskühlung problematisch werden kann. Die Wärmekapazität kommt dort zum Tragen, wo das Gas nicht oder nur langsam zirkulieren kann. Weil die [[Wärmeleitfähigkeit]] ebenfalls hoch ist, verwendet man strömendes H<sub>2</sub> zum Abtransport von thermischer Energie in große Reservoire (z.&nbsp;B. Flüsse). In diesen Anwendungen schützt Wasserstoff die Anlagen vor Überhitzung und erhöht die Effizienz. Von Vorteil ist dabei, dass Wasserstoff durch seine geringe Dichte, die in die [[Reynoldszahl]] eingeht, bis zu höheren Geschwindigkeiten widerstandsarm [[laminar]] strömt als andere Gase.
* ''[[Kryogen (Technik)|Kryogen]]'': Wegen der hohen Wärmekapazität und des niedrigen Siedepunkts eignet sich flüssiger Wasserstoff als Kryogen, also als Kühlmittel für extrem tiefe Temperaturen. Auch größere Wärmemengen können von flüssigem Wasserstoff gut absorbiert werden, bevor eine merkliche Erhöhung in seiner Temperatur auftritt. So wird die tiefe Temperatur bei äußeren Schwankungen aufrechterhalten.
* ''[[Traggas]]'': In [[Ballon]]s und [[Luftschiff]]en fand Wasserstoff eine seiner ersten Verwendungen. Wegen der leichten Entzündlichkeit von H<sub>2</sub>-Luft-Gemischen führte dies jedoch wiederholt zu Unfällen. Die größte Katastrophe in diesem Zusammenhang ist wohl das Unglück der [[LZ 114|„Dixmude“]] 1923, am bekanntesten wurde sicherlich die [[LZ 129|„Hindenburg-Katastrophe“]] im Jahr 1937. In bemannten Zeppelinen wurde daraufhin der Wasserstoff durch Helium ersetzt. Spielt der Sicherheitsaspekt keine Rolle, beispielsweise bei [[Wetterballon]]s, wird weiterhin der vielfach kostengünstigere und leichtere Wasserstoff bevorzugt.
* In der instrumentellen Analytik: so beim Betrieb des [[Flammenionisationsdetektor]]s (FID) in [[Gaschromatograph]]en.


Die beiden natürlichen Isotope haben spezielle Einsatzgebiete.
==== Säure-Base-Verhalten ====
[[Bild:H-Oxide.PNG|thumb|Schematische Darstellung verschiedener Wasserstoffoxide]]
Die kovalenten Wasserstoffverbindungen der Elemente der IV. bis VII. Hauptgruppe des Periodensystems sowie Borwasserstoffe sind [[Säuren]] nach der Definition von [[Johannes Nicolaus Brønsted|Brønsted]], geben also Protonen an andere Verbindungen ab.


'''Deuterium''' (D = <sup>2</sup>H)<ref name="DTsymbol">Anm. Nur für die 2 schwereren Isotope des Wasserstoffs werden eigene chemische Zeichen benutzt.</ref> findet (in Form von [[Schweres Wasser|schwerem Wasser]]) in [[Schwerwasserreaktor]]en als [[Moderator (Physik)|Moderator]] Verwendung, d.&nbsp;h. zum Abbremsen der bei der [[Kernspaltung]] entstehenden schnellen [[Neutron]]en auf thermische Geschwindigkeit.
: <math>\mathrm{EH_n\, \overrightarrow{\leftarrow}\, EH^-_{n-1} + H^+}</math>


Deuterierte Lösungsmittel werden in der [[NMR-Spektroskopie|magnetischen Kernresonanzspektroskopie]] benutzt, da Deuterium einen Kernspin von Eins besitzt und im NMR-Spektrum des normalen Wasserstoff-Isotops nicht sichtbar ist.
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 Zunahme der Element-Element-[[Chemische Bindung|Bindungen]] bei Wasserstoffverbindungen eines bestimmten Elements. So ist zum Beispiel Wasser (H<sub>2</sub>O) eine schwächere Säure als Wasserstoffperoxid (H<sub>2</sub>O<sub>2</sub>), [[Ethan]] (C<sub>2</sub>H<sub>6</sub>) in der Säurestärke schwächer als [[Ethen]] (C<sub>2</sub>H<sub>4</sub>) und [[Ethin]] (C<sub>2</sub>H<sub>2</sub>).


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.
Umgekehrt können kovalente Elementwasserstoffe als [[Base (Chemie)|Basen]] fungieren. Wasserstoffverbindungen der Elemente aus Hauptgruppe V bis VII können Protonen aufnehmen, da sie über freie [[Elektronenpaar]]e verfügen.


Ferner sorgt der erhebliche Massenunterschied zwischen Wasserstoff und Deuterium für einen deutlichen [[Isotopeneffekt]] bei den massenabhängigen Eigenschaften. So hat das [[Schweres Wasser|schwere Wasser]] einen messbar höheren Siedepunkt als Wasser.
: <math>\mathrm{EH_n + H^+\, \overrightarrow{\leftarrow}\, EH^+_{n+1}}</math>


Das radioaktive Isotop '''Tritium''' (T = <sup>3</sup>H) wird in [[Kernreaktor]]en 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.
===== pH-Wert =====
Ursache für die [[Acidität]] oder [[Basizität]] einer wässrigen Lösung ist die [[Stoffkonzentration]] an Protonen (H<sup>+</sup>-Ionen). Den negativen dekadischen [[Logarithmus]] dieser Konzentration nennt man [[pH-Wert]]. Z.B. bedeutet eine Konzentration von 0,001&nbsp;mol&nbsp;H<sup>+</sup>-Ionen pro Liter Wasser „pH&nbsp;3,0“. Dieses Beispiel trifft auf eine Säure zu. Wasser ohne jeden Zusatz hat bei [[Normalbedingungen]] den pH&nbsp;7, Basen haben pH-Werte bis&nbsp;14


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 [[Wein]]es feststellen.
==== 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 [[Oxide|Oxid]] ist das [[Dihydrogentrioxid]].


Es findet Verwendung als langlebige, zuverlässige Energiequelle für [[Leuchtfarbe]]n (im Gemisch mit einem [[Fluoreszenzfarbstoff]]), vor allem in militärischen Anwendungen, auch in Armbanduhren. Weitere militärische Verwendung findet das Isotop in der [[Wasserstoffbombe]] und gewissen Ausführungen von [[Kernwaffe]]n, deren Wirkung auf Spaltung beruht.
Von außerordentlicher Bedeutung für alles Leben auf der Erde sind auch Alkohole und Saccharide sowie Carbonsäuren, die (nur) Wasserstoff, Sauerstoff und Kohlenstoff enthalten.


=== Wasserstoff als Energiespeicher ===
==== Kohlenwasserstoffe ====
[[Datei:2018. Sotavento. Planta de transformación de hidróxeno en enerxía eléctrica.jpg|mini|[[Power-to-Gas]]-Anlage samt Wasserstoffspeicher in einem spanischen [[Windpark]]]]
Wasserstoff bildet mit [[Kohlenstoff]] die kovalenten [[Kohlenwasserstoffe]], deren Studium sich die Kohlenwasserstoffchemie verschrieben hat.
Wasserstoff gilt als ein Energieträger der Zukunft.<ref>{{Webarchiv |url=http://www.vde.com/DE/FG/ETG/ARCHIV/AKTUELLES/Seiten/Wasserstoff%20Energietraeger%20der%20Zukunft.aspx |text=Wasserstoff als Energieträger der Zukunft |wayback=20121026095412}} VDE; abgerufen am 11. April 2012.</ref>
{{Siehe auch|Wasserstoffwirtschaft}}


==== Herstellung von Wasserstoff ====
== Biologische Bedeutung ==
Wasserstoff ist in Form verschiedenster [[Chemische Verbindung|Verbindungen]] essentiell für alle Lebewesen. An vorderster Stelle zu nennen ist hier Wasser, welches als Medium für alle [[Zelle (Biologie)|zellulären]] Prozesse und für alle Stofftransporte dient. Zusammen mit [[Kohlenstoff]], [[Sauerstoff]], [[Stickstoff]] (und seltener auch anderen Elementen) ist er Bestandteil derjenigen Moleküle aus der [[organische Chemie|organischen Chemie]], ohne die jegliche uns bekannte Form von Leben schlicht unmöglich ist.


{{Hauptartikel|Wasserstoffherstellung}}
Wasserstoff spielt im Organismus auch aktive Rollen, so bei einigen [[Koenzym]]en wie z.B. [[Nicotinamid-Adenin-Dinucleotid]] (NAD/NADH), die als Reduktionsäquivalente (oder "Protonentransporter") im Körper dienen und bei [[Redoxreaktion]]en mitwirken. In den [[Mitochondrium|Mitochondrien]], den Kraftwerken der Zelle, dient die Übertragung von Wasserstoffkationen (Protonen) zwischen verschiedenen Molekülen der so genannten [[Atmungskette]] dazu, ein [[Potenzial]], einen [[Protonengradient]]en, 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.
{{Siehe auch|Liste der Wasserstofftechnologien#Technologien der Wasserstoffherstellung|titel1=Technologien der Wasserstoffherstellung}}
Als [[Energieträger]] ist Wasserstoff – wie elektrische Energie – keine [[Primärenergie]], sondern muss wie [[Elektrische Energie|Strom]] aus Primärenergie hergestellt werden.


Wasserstoff als Energieträger verursacht kein [[Kohlenstoffdioxid]], wenn er mit [[Erneuerbare Energien|erneuerbaren Energien]] wie [[Windenergie]] oder [[Sonnenenergie]] gewonnen wird (sogenannter [[grüner Wasserstoff]]). [[Biowasserstoff]] verursacht in der Nettobilanz kein Kohlendioxid, wenn Anbau und Verarbeitung der genutzten Biomasse CO<sub>2</sub>-neutral erfolgen. Derzeit (2019) erfolgt die Wasserstoff-Herstellung jedoch fast ausschließlich aus fossiler Primärenergie, überwiegend durch [[Wasserstoffherstellung#Dampfreformierung|Erdgas-Reformierung]].
Bezogen auf die Masse ist Wasserstoff im [[Daten des menschlichen Körpers#Chemische Daten|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&nbsp;*&nbsp;10<sup>3</sup>&nbsp;Mol&nbsp;Wasserstoff je 2&nbsp;*&nbsp;6&nbsp;*&nbsp;10<sup>23</sup> Atomen, das sind rd. 4,2 * 10<sup>27</sup> Wasserstoffatome).


Die unter dem Schlagwort „[[Power-to-Gas]]“ oft favorisierte Gewinnung durch [[Wasserelektrolyse]] mit überschüssigem erneuerbaren Strom gilt bei praktisch realisierten Wirkungsgraden von kaum über 60 %<ref>[https://www.energieagentur.nrw/brennstoffzelle/brennstoffzelle-wasserstoff-elektromobilitaet/erzeugung energieagentur.nrw] Information der Energieagentur Nordrhein-Westfalen zu Brennstoffzelle und Wasserstoff: alkalische Elektrolyse/Lurgi-Verfahren, abgerufen am 11. August 2020</ref> 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 [[Power-to-Gas#Liste der Anlagen in Deutschland|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-Steuer|CO<sub>2</sub>-Abgabe]] belegt wird.<ref>{{Internetquelle |autor=[Rüdiger Paschotta] |url=https://www.energie-lexikon.info/power_to_gas__ein_hype.html |titel=Power to Gas – ein Hype? |werk=energie-lexikon.info |abruf=2022-12-19}}</ref>
== Vorkommen ==
[[Bild:Saturnringe.jpg|thumb|Der Saturn mit seinen Ringen aus Eis und Staub. Der Planet selbst besteht größtenteils aus Wasserstoff und Helium.]]
Wasserstoff ist das häufigste chemische Element im [[Weltall]]. Wasserstoff macht 75&nbsp;% der gesamten Masse (unter Nichtbeachtung dunkler Materie), beziehungsweise 92,71&nbsp;% aller Atome im Universum aus.


=== Vorkommen im Universum ===
==== Speicherung von Wasserstoff ====
Schon kurz nach der Entstehung des Universums waren Protonen und Neutronen in überwältigender Zahl vorhanden. Bei den vorherrschenden hohen Temperaturen vereinigten sich diese zu leichten Atomkernen, wie D und <sup>4</sup>He. Die meisten Protonen blieben allerdings unverändert und stellten die zukünftigen <sup>1</sup>H-Kerne dar.
Nach circa 380.000 Jahren, nachdem die Strahlungsdichte des Universums klein genug geworden war, konnten sich Wasserstoff-Atome einfach durch Zusammenschluss der Kerne mit den Elektronen bilden, ohne gleich wieder durch ein Photon auseinander gerissen zu werden. Seit diesem Zeitpunkt gibt es die (ungestreute!) kosmische Hintergrundstrahlung und ist das All mit Wasserstoff gefüllt.


{{Hauptartikel|Wasserstoffspeicherung}}
Mit der weitergehenden Abkühlung des Universums teilte sich die Masse asymmetrisch auf und formte Wolken aus Wasserstoffgas. Unter dem Einfluss der Gravitation verdichteten sich diese zunehmend zuerst zu Galaxien und später verdichtete sich das Gas der Galaxien zu Protosternen, und unter dem enormem Druck der [[Schwerkraft]] setzte die Verschmelzung ([[Fusion]]) der H-Atome zu He-Atomen ein. So entstanden erste [[Stern]]e und [[Sonne]]n. Später, besonders in sehr großen Sternen, entstanden aber - ebenfalls durch Fusion - auch schwerere Elemente wie [[Kohlenstoff]], [[Stickstoff]] und [[Sauerstoff]], die die Grundbausteine aller bekannten Lebensformen sind.
{{Siehe auch|Liste der Wasserstofftechnologien#Technologien der Wasserstoffspeicherung|titel1=Technologien der Wasserstoffspeicherung}}


==== Energiedichten im Vergleich ====
Sterne bestehen hauptsächlich aus Wasserstoff-[[Plasma (Physik)|Plasma]]. Die [[Kernfusion]] von Wasserstoff <sup>1</sup>H erfolgt hauptsächlich über die Zwischenstufen [[Deuterium]] <sup>2</sup>H und [[Tritium]] <sup>3</sup>H zu [[Helium]] <sup>4</sup>He. Die dabei frei werdende Energie ist die Energiequelle der Sterne. Der in unserer [[Sonne]] enthaltene Wasserstoff macht den größten Teil der gesamten Masse unserem Sonnensystems aus.


{| class="wikitable"
Aber auch die schweren Gasplaneten bestehen zu großen Teilen aus Wasserstoff, was den Massenanteil des Elements im Sonnensystem weiter erhöht. Unter den extremen Drücken, die in großen Tiefen in den großen Gasplaneten [[Jupiter (Planet)|Jupiter]] und [[Saturn (Planet)|Saturn]] herrschen, kann er in [[Metallischer Wasserstoff|metallischer Form]] existieren. Wahrscheinlich ist der Anteil an metallischem Wasserstoff in den Himmelskörpern noch größer als bisher angenommen. Dieser Zustand ist wegen der elektrischen Leitfähigkeit vermutlich für die Ausbildung der planetaren [[Magnetfeld]]er verantwortlich.
|+ Brenn- und Heizwerte
|-
! Brennstoff !! Brennwert / Masse !! Dichte !! Brennwert / Vol !! Heizwert / Vol
|-
| Wasserstoff<ref name="energie-lexikon.info Wasserstoff">{{Internetquelle |autor=Rüdiger Paschotta |url=https://www.energie-lexikon.info/wasserstoff.html |titel=Wasserstoff |werk=energie-lexikon.info |sprache=de |abruf=2022-12-19}}</ref> || 39,39 kWh/kg = 141,8 MJ/kg|| 0,090 kg/m³ || {{0}}3,54 kWh/m³ = 12,7 MJ/m³|| {{0}}3,0 kWh/m³ = 10,8 MJ/m³
|-
| Methan CH<sub>4</sub><ref>{{Internetquelle |autor=Rüdiger Paschotta |url=https://www.energie-lexikon.info/methan.html |titel=Methan |werk=energie-lexikon.info |sprache=de |abruf=2022-12-19}}</ref> || 13,9{{0}} kWh/kg = {{0}}50{{0|,0}} MJ/kg || 0,72{{0}} kg/m³ || 10{{0|,00}} kWh/m³ = 36{{0|,0}} MJ/m³ || {{0}}9,0 kWh/m³ = 32,4 MJ/m³
|-
| Erdgas „H“<ref>{{Internetquelle |autor=Rüdiger Paschotta |url=https://www.energie-lexikon.info/erdgas.html |titel=Erdgas |werk=energie-lexikon.info |sprache=de |abruf=2022-12-19}}</ref> || 13,9{{0}} kWh/kg = {{0}}50{{0|,0}} MJ/kg || 0,80{{0}} kg/m³ || 11,1{{0}} kWh/m³ = 40{{0|,0}} MJ/m³ || 10 kWh/m³ = 36,0 MJ/m³
|-
| Diesel<ref>{{Internetquelle |autor=Rüdiger Paschotta |url=https://www.energie-lexikon.info/dieselkraftstoff.html |titel=Dieselkraftstoff |werk=energie-lexikon.info |sprache=de |abruf=2022-12-19}}</ref> || 12,5{{0}} kWh/kg = {{0}}45{{0|,0}} MJ/kg || 0,83{{0}} kg/L || 10,5{{0}} kWh/L = 37,8 MJ/L || {{0}}9,8{{0}} kWh/L = 35,3 MJ/L
|-
| Benzin<ref name="energie-lexikon.info Benzin">{{Internetquelle |autor=Rüdiger Paschotta |url=https://www.energie-lexikon.info/benzin.html |titel=Benzin |werk=energie-lexikon.info |sprache=de |abruf=2022-12-19}}</ref> || 12,0{{0}} kWh/kg = {{0}}43{{0|,0}} MJ/kg || 0,75{{0}} kg/L || {{0}}9,0{{0}} kWh/L = 32,4 MJ/L || {{0}}8,3{{0}} kWh/L = 30,0 MJ/L
|}


Auf das Volumen bezogen:<ref>Stephan Glante: [https://opus4.kobv.de/opus4-fau/frontdoor/deliver/index/docId/11248/file/StephanGlanteDissertation.pdf Untersuchungen zur Synthese von ZIF-8 und Wasserstoffspeicherung in ausgewählten metall-organischen Gerüstverbindungen] opus4.kobv.de, 6. Juni 2019, abgerufen am 5. November 2022.</ref>
Außerhalb unseres Sonnensystems kommt Wasserstoff auch in gigantischen Gaswolken vor. In den so genannten [[H-I-Gebiet]]en liegt das Element nichtionisiert und molekular vor. Diese Gebiete emittieren Strahlung von etwa 1420&nbsp;MHz, die [[HI-Linie|21-cm-Linie]], 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.
* Wasserstoff (flüssig, also tiefkalt): 2360&nbsp;kWh/m³
* Benzin: 8760&nbsp;kWh/m³
* Erdgas (20&nbsp;MPa = 200 bar): 2580&nbsp;kWh/m³
* Wasserstoffgas (20&nbsp;MPa): 530&nbsp;kWh/m³
* Wasserstoffgas (Normaldruck): 3&nbsp;kWh/m³


=== Kernfusion ===
Ionisierte Gaswolken mit atomarem Wasserstoff nennt man dagegen [[H-II-Gebiet]]e. In diesen Gebieten strahlen große Sterne hohe Mengen ionisierende Strahlung ab. Mit ihrer Hilfe lassen sich Rückschlüsse ziehen auf die Zusammensetzung der interstellaren Materie. Wegen ständiger 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.


{{Hauptartikel|Kernfusion}}
=== Irdische Vorkommen ===
[[Datei:Ivy Mike (Eniwetok-Atoll - 31. Oktober 1952).jpg|mini|Am 31.&nbsp;Oktober 1952 wurde erstmals von Menschenhand [[TNT-Äquivalent|Energie im Megatonnen-Maßstab]] durch Kernfusion freigesetzt – in der Wasserstoffbombe „Ivy Mike“]]
Auf der [[Erde (Planet)|Erde]] ist der Massenanteil wesentlich geringer, auf das Gesamtgewicht bezogen etwa 0,12%, auf die Erdkruste bezogen 2,9%. Außerdem liegt - im Gegensatz zu den Vorkommen im All - der irdische Wasserstoff überwiegend gebunden und fast nie rein (d.&nbsp;h. als unvermischtes Gas) vor. Von keinem anderen Element sind so viele Verbindungen bekannt; die häufigste ist Wasser.


==== Erdkruste ====
==== Kernfusion in der Sonne und in Sternen ====
Das Element kommt aber auch in allen Lebewesen, in [[Erdöl]], [[Erdgas]] und in vielen [[Mineral]]en vor. Andere natürliche Vorkommen sind natürliche [[Gas]]e, beispielsweise [[Methan]] (CH<sub>4</sub>).


Mit [[Wasserstoffbrennen]] wird die Kernfusion von Wasserstoff zu [[Helium]] im Inneren von Sternen bezeichnet. Diese Reaktion stellt in normalen Sternen während des Großteils ihres Lebenszyklus die wesentliche Energiequelle dar. Sie hat trotz ihres historisch bedingten Namens nichts mit einer chemischen Verbrennung zu tun.
==== Salz- und Süßwasser ====
Der größte Anteil irdischen Wasserstoffs kommt in der Verbindung Wasser vor. In dieser Form bedeckt er zu über zwei Dritteln die Erdoberfläche. Die gesamten Wasservorkommen der Erde belaufen sich auf circa 1386&nbsp;Milliarden km<sup>3</sup>. Davon entfallen 1338&nbsp;Milliarden km<sup>3</sup> (96,5&nbsp;%) auf Salzwasser in den [[Ozean]]en. Die verbliebenen 3,5&nbsp;% 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 [[Permafrost]]böden v.&nbsp;a. in [[Sibirien]]. Der geringe restliche Anteil ist flüssiges Süßwasser und findet sich meist in [[See (Gewässer)|Seen]] und [[Fluss (Gewässer)|Flüssen]], aber auch in unterirdischen Vorkommen, etwa als [[Grundwasser]].


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 <sup>4</sup>He umgewandelt werden:
In den gesamten Wasservorräten ist eine unvorstellbare Menge Wasserstoff enthalten. Daher gilt H<sub>2</sub> -&nbsp;das Brennmaterial bei der [[Kernfusion]]&nbsp;- als praktisch unbegrenzt vorhandene Energiequelle.
* die relativ direkte [[Proton-Proton-Reaktion]]
* der schwere Elemente (Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff) nutzende [[Bethe-Weizsäcker-Zyklus]] (''CNO-Zyklus'')


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 [[Äquivalenz von Masse und Energie|einsteinschen Beziehung]] ''E''&nbsp;=&nbsp;''mc''².
==== Atmosphäre ====
Sie resultiert aus der [[Bindungsenergie|Kernbindungsenergie]] der [[Nukleon]]en, der Kernbausteine.
In der [[Erdatmosphäre]] liegt Wasserstoff nur in Konzentrationen unter 1 ml/m<sup>3</sup> vor. Auch hier kommt er überwiegend als Wasserdampf (an Sauerstoff gebunden) vor. Die prozentuale Häufigkeit von ungebundenem, molekularem Wasserstoff in der Luft beträgt etwa 0,00005 %. Bei einer mittleren Temperatur der Atmosphäre von 20&nbsp;°C bewegen sich die H<sub>2</sub>-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 H<sub>2</sub>-Moleküle gibt es aber dennoch eine beträchtliche Zahl von Molekülen, die die Fluchtgeschwindigkeit trotzdem erreichen. Befinden sich diese in den [[Exosphäre|oberen Schichten]] der Atmosphäre, können sie aus der Gashülle entweichen. Weitere H<sub>2</sub>-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. Bei diesem geringen Anteil stellt sich ein Gleichgewicht zwischen Entweichen und Neuproduktion (durch Bakterien und photonische Spaltung des Wassers) ein.


== Gewinnung ==
==== Fusionswaffen ====
''Hauptartikel'' [[Wasserstoffherstellung]]


1952 testeten die Vereinigten Staaten die erste [[Wasserstoffbombe]]. Brennstoff war das Isotop [[Deuterium]]. In der Bombe liefen vor allem folgende Kernreaktionen ab:
=== Molekularer Wasserstoff ===
Einfache chemische Prozesse zur Produktion von H<sub>2</sub> sind die Reaktion verdünnter [[Säuren]] mit unedlen [[Metall]]en (z.&nbsp;B. [[Zink]]) oder die Zersetzung des Wassers durch Alkalimetalle. Diese im chemischen Laboratorium für kleine Mengen üblichen Methoden sind aber für die industrielle Herstellung ungeeignet und unwirtschaftlich.


:<math>\mathrm{D + D \rightarrow \, ^3He + n + 3{,}2689 \, MeV}</math>
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 [[Kohlenmonoxid]] und Wasserstoff. Das Mengenverhältnis kann dann durch die so genannte [[Wassergas-Shift-Reaktion]] eingestellt werden. Diese Methode wird hauptsächlich für industrielle Hochdrucksynthesen eingesetzt. Die zweite gängige Methode in der Industrie ist die [[partielle Oxidation]]. Hierbei reagiert meistens [[Erdgas]] mit Sauerstoff unter Bildung von H<sub>2</sub> und Kohlenmonoxid.


:<math>\mathrm{D + D \rightarrow T + p + 4{,}0327 \, MeV}</math>
Eine alte und effiziente Möglichkeit zur Wasserstoffgewinnung ist die [[Elektrolyse]] von Wasser. Dabei wird Wasser mit Hilfe von elektrischem Strom in Wasserstoff und Sauerstoff zersetzt.


Das entstandene Tritium und [[Helium]]-3 können noch weiter reagieren:
: <math>\mathrm{2\ H_2O(l)\ _{\overrightarrow {\rm Elektrolyse}}\ 2\ H_2(g) + O_2(g)}</math>
: <small>Wasser wird durch elektrischen Strom in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten.</small>


:<math>\mathrm{T + D \rightarrow \,^4He + n + 17{,}588\,MeV}</math>
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.


:<math>\mathrm{\,^3He + D \rightarrow \, ^4He + p + 18{,}353 \, MeV}</math>
Diese Methode wird heute allerdings nur noch in sehr geringem Umfang eingesetzt; vor allem zur Gewinnung von „[[schweres Wasser|schwerem Wasser]]“, das sich bei der Elektrolyse im nicht umgesetzten Rest anreichert.


In Summe entstehen aus drei Deuteronen ein Heliumkern sowie ein Neutron und ein Proton.
Eine sehr moderne Methode ist das [[Kværner-Verfahren]]. Dabei zerlegt ein Plasmabrenner Kohlenwasserstoffe zu [[Kohlenstoff]] und Wasserstoff und erreicht dabei enorm hohe Wirkungsgrade. Ein anderes modernes Verfahren bedient sich der [[Grünalge]]n. Hier kommen biologische Prozesse zum Einsatz. Die benötigte Energie entnehmen die Algen einfach dem Sonnenlicht. Das Verfahren ist also sehr ökologisch. Allerdings verursacht der Unterhalt der Algen hohe Kosten und ist somit wenig ökonomisch und wird deshalb kaum angewendet.


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:
=== Atomarer Wasserstoff ===
Der atomare Wasserstoff kann durch Energiezufuhr aus dem molekularen Element erzeugt werden. Methodisch wird dieses bewerkstelligt durch die Erhitzung auf mehrere tausend Grad, durch elektrische Entladung bei hoher Stromdichte und niedrigem Druck, Bestrahlung mit [[Ultraviolett]]licht, Beschuss mit Elektronen bei 10 bis 20 [[Elektronenvolt]] oder [[Mikrowellenstrahlung]]. Allerdings verwandelt sich atomarer Wasserstoff sofort wieder in molelukarem Wasserstoff. Es stellt sich somit ein Fließgleichgewicht ein, das in der Regel weit auf der Seite des molekularen Wasserstoffs liegt


: <math>\mathrm{H_2\ \overrightarrow{\leftarrow}\ 2\ H} \qquad \Delta H_{R}^0 = 436{,}22 \mathrm{kJ/mol} </math>
: <math>\mathrm{n + \,^6Li \rightarrow \,^4He + T}</math>
: <math>\mathrm{n + \,^7Li \rightarrow \,^4He + T + n}</math>
: <small>Durch Energiezufuhr zerfällt molekularer Wasserstoff in die atomare Form.</small>


==== Fusionsreaktoren ====
Zur Darstellung von größeren Mengen atomaren Wasserstoffs sind das Wood'sche Darstellungsverfahren ([[Robert Williams Wood]], [[1898]]) und dasjenige von [[Irving Langmuir]] besonders geeignet.


Physiker forschen an einer friedlichen Nutzung der Kernverschmelzung zur Energiegewinnung in [[Kernfusionsreaktor]]en. Am weitesten fortgeschritten sind Versuche, die Reaktion in einem [[Plasma (Physik)|Plasma]] kontrolliert ablaufen zu lassen. Die dazu nötigen sehr hohen Temperaturen sind schwierig zu realisieren. Anders als Wasserstoffbomben werden Reaktoren voraussichtlich nur die Deuterium-Tritium-Reaktion zur Energiegewinnung nutzen können.
== Speicherung ==
''Hauptartikel:'' [[Wasserstoffspeicherung]]


== Biologische Bedeutung ==
Die Speicherung von Wasserstoff als [[Kraftstoff]] für [[Kraftfahrzeug]]e stellt besondere Anforderungen an die Konstruktion von Wasserstoff-Tanks, einerseits im Hinblick auf Sicherheitsbedenken insbesondere in Unfallsituationen, andererseits aus ökonomischen Gesichtspunkten (z.&nbsp;B. Größe und Gewicht des Tanks im Verhältnis zur Reichweite des Fahrzeugs, Energieaufwand für die Kühlung, Wasserstoffverluste durch Diffusion).
Wasserstoff ist in Form verschiedenster [[Chemische Verbindung|Verbindungen]] essentiell für alle bekannten Lebewesen. An vorderster Stelle zu nennen ist hier Wasser, welches als Medium für alle [[Zelle (Biologie)|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 aktive Rollen, so bei einigen [[Koenzym]]en wie [[Nicotinamid-Adenin-Dinucleotid]] (NAD/NADH), die als Reduktionsäquivalente (oder „Protonentransporter“) im Körper dienen und bei [[Redoxreaktion]]en mitwirken. In den [[Mitochondrium|Mitochondrien]], den Kraftwerken der Zelle, dient die Übertragung von Wasserstoffkationen (Protonen) zwischen verschiedenen Molekülen der so genannten [[Atmungskette]] dazu, einen [[Protonengradient]]en durch [[Chemiosmotische Kopplung|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.
In Anbetracht der vorstehenden Überlegungen konkurrieren drei Speichermethoden miteinander:
* die Speicherung von gasförmigem Wasserstoff in [[Druckbehälter]]n,
* die Speicherung von flüssigem Wasserstoff in [[Dewargefäß|vakuumisolierten Behältern]],
* die Einlagerung von Wasserstoff in [[Metallhydrid]]en oder in Kohlenstoff-[[Nanoröhre]]n.


Bezogen auf die Masse ist Wasserstoff im [[Mensch|menschlichen Körper]] das drittwichtigste Element: Bei einer Person mit einem Körpergewicht von 70&nbsp;kg, sind rund 7&nbsp;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&nbsp;kg beim Menschen entsprechen 3,5·10<sup>3</sup>&nbsp;Mol Wasserstoff mit je 2·6·10<sup>23</sup> Atomen, das sind rund 4,2·10<sup>27</sup> Wasserstoffatome).
Die ersten beiden Methoden erlauben eine einfache Wiedergewinnung des Wasserstoffs, jedoch sind sie problematisch im Hinblick auf die Sicherheitskriterien. Bei einem Unfall mit H<sub>2</sub>-betriebenen Fahrzeugen können die Behälter leicht beschädigt werden und eventuell explodieren. Austretender Wasserstoff verdampft sofort und kann schwere Explosionen auslösen. Die Druckbehälter müssen also ausreichend gegen Beschädigungen gesichert werden, was zusätzlichen Materialaufwand und größeres Gewicht bedeutet. Die Speicherung in [[Hydride]]n und Nanoröhren ist dagegen vergleichsweise sicher. Die [[Tank (Behälter)|Tanks]] sind allerdings sehr schwer, in einem 200-kg-Tank können nur etwa 2 kg Wasserstoff gespeichert werden, was energetisch etwa 8 Litern [[Benzin]] entspricht. Auch ist die Rückgewinnung gasförmigen Wasserstoffs komplizierter, v.&nbsp;a. in größeren Mengen zur gleichen Zeit. Die dazu verwendete Technik erfordert hohes technisches und physikalisches Verständnis und hochwertige Bauteile. Diese Form der Speicherung kann daher sehr teuer werden.


== Verwendung ==
== Medizinische Bedeutung ==
In biologischen Systemen reagiert molekularer Wasserstoff mit [[Reaktive Sauerstoffspezies|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 [[Signaltransduktion|Signalwegen]], welche die [[Entzündung|entzündliche Aktivität]] verstärken (proinflammatorische Signalwege).<ref>{{Literatur |Autor=Jon S Cardinal, Jianghua Zhan, Yinna Wang, Ryujiro Sugimoto, Allan Tsung, Kenneth R McCurry, Timothy R Billiar, Atsunori Nakao |Titel=Oral hydrogen water prevents chronic allograft nephropathy in rats |Sammelwerk=[[Kidney International]] |Band=77 |Nummer=2 |Datum=2010-01 |Seiten=101–109 |DOI=10.1038/ki.2009.421 |PMID=19907413}}</ref>
===Einsatzgebiete===
Jedes Jahr werden weltweit mehr als 600 Milliarden Kubikmeter Wasserstoff (rd.&nbsp;30&nbsp;Mio&nbsp;t) für zahllose Anwendungen in Industrie und Technik produziert. Wichtige Einsatzgebiete sind:


== Ökologische Bedeutung ==
* ''Energiespeicher'': Beim [[Schweißen]], als [[Raketentreibstoff]], in neuerer Zeit immer mehr in Form von [[Brennstoffzelle]]n. Auch als Kraftstoff für [[Strahltriebwerk]]e oder [[Verbrennungsmotor]]en kann Wasserstoff verwendet werden - dieser Weg ist kurzfristig technologisch einfacher umzusetzen und besonders für Nutzfahrzeuge mit hohen Kilometerleistungen aufgrund der mangelnden Standfestigkeit der Brennstoffzellen die einzige Möglichkeit, siehe [[Wasserstoffantrieb]].
Das [[Treibhauspotential]] von Wasserstoff ist bisher nur wenig untersucht. Die Schätzungen reichen vom 1,9 bis zum 16fachen der Wirkung von [[Kohlenstoffdioxid]], bei einem Zeithorizont von 100 Jahren.<ref name="UBA">[https://www.umweltbundesamt.de/sites/default/files/medien/479/dokumente/uba_ist_wasserstoff_treibhausgasneutral.pdf Umweltbundesamt; Ist Wasserstoff treibhausgasneutral? Tabelle 1: Treibhauspotentialwerte von Wasserstoff]</ref> Eine 2023 publizierte Studie ermittelte über den Zeithorizont von 100 Jahren ein Treibhauspotential von 11,6 ±2,8, womit es 11,6 mal stärker wirkt als Kohlenstoffdioxid.<ref>{{Literatur | Autor=Maria Sand et al. | Titel=A multi-model assessment of the Global Warming Potential of hydrogen | Sammelwerk=communications earth & environment | Band=4 | Nummer= | Datum=2023 | Seiten= | DOI=10.1038/s43247-023-00857-8}} </ref>
* ''[[Reduktion (Chemie)|Reduktion]]smittel'': H<sub>2</sub> kann mit Metalloxiden reagieren und ihnen dabei den Sauerstoff entziehen. Es entsteht Wasser und das reduzierte Metall. Das Verfahren wird bei der [[Verhüttung]] von metallischen [[Erz]]en angewandt, insbesondere um Metalle möglichst rein zu gewinnen.
* Mit dem ([[Haber-Bosch-Verfahren]]) wird aus [[Stickstoff]] und Wasserstoff [[Ammoniak]] hergestellt und daraus wichtige Düngemittel und Sprengstoffe.
* ''[[Kohlehydrierung]]'': Durch verschiedene chemische Reaktionen wird Kohle mit H<sub>2</sub> in flüssige [[Kohlenwasserstoff]]e überführt. So lassen sich [[Benzin]], [[Diesel]] und [[Heizöl]] künstlich herstellen. Momentan hat das Verfahren wegen höhere Kosten kaum wirtschaftliche Bedeutung. Das könnte sich aber drastisch ändern, sobald die Ölvorräte der Erde zur Neige gehen.
* ''Fetthärtung'': Gehärtetes [[Fett]] wird oft aus Pflanzenöl mittels [[Hydrierung]] gewonnen, dabei können so genannte [[Transfettsäure]]n entstehen. Die Hauptreaktion ist aber, dass die Doppelbindungen in den Fettsäure-Ketten der Fettmoleküle mit Wasserstoff abgesättigt werden. Die entstandenen Moleküle haben einen höheren Schmelzpunkt, wodurch das Produkt fest wird. Auf diese Weise stellt man [[Margarine]] her.
* ''Kühlmittel'': Aufgrund seiner hohen [[Wärmekapazität]] benutzt man Wasserstoff in Kraftwerken und industriellen Anlagen als Kühlmittel. Insbesondere setzt man H<sub>2</sub> dort ein, wo eine Flüssigkeitskühlung problematisch werden kann. Die Wärmekapazität kommt dort zum Tragen, wo das Gas nicht oder nur langsam zirkulieren kann. Weil die [[Wärmeleitfähigkeit]] ebenfalls hoch ist, verwendet man strömendes H<sub>2</sub> auch zum Abtransport von thermischer Energie in große Reservoire (z.&nbsp;B. Flüsse). In diesen Anwendungen schützt Wasserstoff die Anlagen vor Überhitzung und erhöht die Effizienz.
* ''[[Cryogen]]'': Wegen der hohen Wärmekapazität eignet sich flüssiger Wasserstoff als Cryogen, also als Kühlmittel für extrem tiefe Temperaturen. Auch größere Wärmemengen können von flüssigem Wasserstoff gut absorbiert werden, bevor eine merkliche Erhöhung in seiner Temperatur auftritt. So wird die tiefe Temperatur auch bei äußeren Schwankungen aufrechterhalten.
* ''[[Traggas]]'': In [[Ballon]]s und [[Luftschiff]]en fand Wasserstoff eine seiner ersten Verwendungen. Wegen der leichten Entzündlichkeit von H<sub>2</sub>-Luft-Gemischen führte dies jedoch wiederholt zu Unfällen. Die größte Katastrophe in diesem Zusammenhang ist wohl das Unglück der [[LZ 114|„Dixmude“]] 1923, am bekanntesten wurde sicherlich die [[LZ 129|„Hindenburg-Katastrophe“]] im Jahr [[1937]]. Wasserstoff als Traggas wurde mittlerweile durch Helium ersetzt und erfüllt diesen Zweck nur noch in sehr speziellen Anwendungen.


Dabei ist Wasserstoff allerdings kein direktes Treibhausgas, denn es absorbiert keine Infrarotstrahlung. Stattdessen beeinflusst es das Vorkommen anderer Treibhausgase, sodass es indirekt Einfluss auf den Treibhauseffekt nimmt. Wenn H<sub>2</sub> in die Atmosphäre gelangt, reagiert es mit dem dort vorkommenden Hydroxylradikal und bildet Wasser. Dadurch steht zum einen zunächst weniger Hydroxylradikal zur Verfügung, welches eine wichtige Reinigungsfunktion hat, um Methan und andere Treibhausgase mit noch höherer Klimawirkung als Wasserstoff abzubauen. Zum anderen entsteht dabei Wasserdampf, welcher in der Stratosphäre ebenfalls eine hohe Klimawirkung hat. Laut einer von der britischen Regierung in Auftrag gegebenen Studie aus dem Jahr 2022 soll eine Tonne Wasserstoff über einen Zeitraum von 100 Jahren die Atmosphäre der Erde etwa elf Mal so stark erwärmen wie eine Tonne CO<sub>2</sub>. Allerdings kommen die Autoren ebenfalls zu dem Schluss, dass auch in den pessimistischsten Szenarien die schädlichen Effekte weit weniger gravierend sind als diejenigen, die das durch die Nutzung von klimaneutral hergestelltem Wasserstoff eingesparte CO<sub>2</sub> haben würde.<ref name="tdz">[https://assets.publishing.service.gov.uk/government/uploads/system/uploads/attachment_data/file/1067144/atmospheric-implications-of-increased-hydrogen-use.pdf Atmospheric implications of increased Hydrogen use]</ref> Trotz der klimaschädlichen Wirkung wird H<sub>2</sub> nicht in der Liste der Treibhausgase des Pariser Klimaschutzabkommens und den Inventaren der Klimarahmenkonventionen §12 aufgeführt. Es kann deshalb nicht in nationalen Klimabilanzen verrechnet werden.<ref name="UBA" />
Die beiden natürlichen Isotope haben spezielle Einsatzgebiete.


== Bedeutung im Leistungssport ==
'''Deuterium''' verwendet man in [[Kernkraftwerk]]en als [[Moderator (Reaktortechnik)|Moderator]], d.&nbsp;h. zum Abbremsen der bei der Kernspaltung entstehenden schnellen Neutronen auf thermische Geschwindigkeiten, denn nur langsame Neutronen können Kernspaltungen auslösen und somit die Kettenreaktion aufrechterhalten.
Aufgrund der Wirkung als [[Antioxidans]] hat Wasserstoff eine leistungssteigernde Wirkung bei [[anaerob]]en Belastungen. Er kann sowohl niedrig dosiert im Training über einen längeren Zeitraum verwendet werden als auch hochdosiert unmittelbar vor bzw. während des Wettkampfes, z.&nbsp;B. in Halbzeitpausen.<ref>Botek, M., Krejčí, J., McKune, A.J. et al. (2019), Hydrogen Rich Water Improved Ventilatory, Perceptual and Lactate Responses to Exercise. ''Int J Sports Med'' 40(14), 879-885.</ref> Er kann sowohl zum unmittelbaren Gebrauch Getränken beigefügt werden als auch in Gasform ähnlich wie bei [[Sauerstoff]] z.&nbsp;B. über eine Maske eingeatmet werden.<ref>Aoki, K., Nakao, A., Adachi, Tusdm et al. (2012): ''Pilot study: Effects of drinking hydrogen-rich water on muscle fatigue caused by acute exercise in elite athletes.'' In: ''Med Gas Res.'' 2 (12). [[doi:10.1186/2045-9912-2-12]]</ref> Nur die intravenöse Verabreichung ist durch die Anti-[[Doping]]-Bestimmungen verboten.<ref>[[Arnd Krüger]]: Wasserstoff. ''[[Leistungssport (Zeitschrift)|Leistungssport]]''. 50, (2020), 2, S. 29–32.</ref>
Deuterium (in Form von [[schweres Wasser|schwerem Wasser]]) mit der Massenzahl 2 eignet sich als Moderator sehr gut, weil es bei jedem Zusammenprall mit einem schnellen Neutron dessen Geschwindigkeit halbiert (siehe [[Impulserhaltungssatz]]).


== Sicherheitshinweise ==
Deuterierte Lösungsmittel werden in der [[NMR|magnetischen Kernresonanzspektroskopie]] benutzt, da Deuterium einen Kernspin von Eins besitzt und im NMR-Spektrum des normalen Wasserstoff-Isotops nicht sichtbar ist.
Wasserstoff ist extrem entzündbar (alte Bezeichnung: hochentzündlich). Er brennt mit reinem Sauerstoff oder Luft sowie mit anderen gasförmigen [[Oxidationsmittel]]n wie Chlor oder Fluor mit heißer Flamme. Da die Flamme kaum sichtbar ist, kann man unabsichtlich hinein geraten.<ref name="Stepken2003">Axel Stepken: {{webarchiv|url=http://www.linde-gas.de/internet.lg.lg.deu/de/images/WASSERSTOFFTAG-03_STEPKEN_HANDOUT565_71315.pdf |wayback=20151222094047 |text=Wasserstoff – So sicher wie Benzin}}, Medienforum Deutscher Wasserstofftag, 2003. (PDF; 704&nbsp;kB).<!--
alternative URLs:
* https://web.archive.org/web/20181222125409/http://www.linde-gas.de/de/legacy/attachment?files=tcm:T565-71315,tcm:565-71315,tcm:65-71315
* https://www.pangas.ch/de/images/WASSERSTOFFTAG-03_STEPKEN_HANDOUT_tcm553-115963.pdf -->
</ref> Gemische mit Chlor oder Fluor sind schon durch [[Ultraviolettstrahlung]] entzündbar (siehe ''[[Chlorknallgas]]''). Außer der nach [[Global harmonisiertes System zur Einstufung und Kennzeichnung von Chemikalien|GHS]] vorgeschriebenen Kennzeichnung (siehe Info-Box) müssen H<sub>2</sub>-Druck[[gasflasche]]n nach DIN&nbsp;EN&nbsp;1089-3 mit roter Flaschenschulter und rotem Flaschenkörper versehen sein.


Wasserstoff ist nicht als gesundheitsschädlich oder umweltgefährdend eingestuft. Daher ist kein [[Arbeitsplatzgrenzwert|AGW]]-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.<ref>Helmut Eichlseder, Manfred Klell: ''Wasserstoff in der Fahrzeugtechnik.'' 2010, ISBN 978-3-8348-0478-5.</ref> Durch rasch austretendes Gas können bei Kontakt mit der Haut Kälteverbrennungen auftreten.
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.


Gemische aus Luft mit einem Volumenanteil von 4 % bis 76 % Wasserstoff sind entzündbar. Ab einem Volumenanteil von 18 % in Luft ist das Gemisch explosiv ([[Knallgas]]). Aufgrund der hohen Diffusionsneigung und der geringen Dichte verflüchtigt sich Wasserstoff in offener Umgebung häufig, bevor es zur Bildung eines explosiven Gemischs kommt, oder brennt in heißen Umgebungen beim Erreichen der Konzentrationsgrenze von 4 % ab. Die Zündtemperatur in Luft beträgt 560&nbsp;°C. Bei der Handhabung ist der Wasserstoff von Zündquellen, dazu gehören elektrostatische Entladungen, fernzuhalten. Die Lagerung der Behälter sollte fern von oxidierenden Gasen (Sauerstoff, Chlor) und anderen oxidierenden (brandfördernden) Stoffen erfolgen.
Ferner sorgt der erhebliche Massenunterschied zwischen Wasserstoff und Deuterium für einen deutlichen [[Isotopeneffekt]] bei den massenabhängigen Eigenschaften. So hat das [[schweres Wasser|schwere Wasser]] einen messbar höheren Siedepunkt als Wasser.


Wasserstoff kann wegen seiner geringen Größe durch viele Feststoffe hindurchdiffundieren, das heißt, Gas kann langsam durch ungeeignete Materialien austreten. Die für Gastanks und Leitungen verwendeten Materialien und &#x2011;stärken berücksichtigen dies, sodass keine größeren Risiken bestehen als z.&nbsp;B. bei der Verwendung von Benzin.<ref>{{Internetquelle |url=https://www.wissenschaft.de/technik-digitales/spektakulaerer-test-zeigt-wasserstoff-im-auto-muss-nicht-gefaehrlicher-sein-als-benzin/ |titel=Spektakulärer Test zeigt: Wasserstoff im Auto muss nicht gefährlicher sein als Benzin |werk=wissenschaft.de |datum=2003-02-03 |abruf=2019-09-08}}</ref><ref>{{Webarchiv |url=http://www.hycar.de/sicherheit.htm |text=Sicherheitsaspekte bei der Verwendung von Wasserstoff |wayback=20120306012509}} Quelle: Hycar.</ref><ref>{{YouTube |id=lspiRxx1B9o |titel=Crashversuch der University of Miami}}</ref> Wasserstofffahrzeuge mit Drucktanks können problemlos in Parkhäusern und Tiefgaragen geparkt werden. Es existiert keine gesetzliche Bestimmung, die das einschränkt (''siehe dazu'': [[Wasserstoffspeicherung]]).
Das radioaktive Isotop '''Tritium''' wird in [[Kernreaktor]]en in industriell verwertbaren Mengen hergestellt. 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.


== Nachweis ==
Mit Hilfe der [[Tritiummethode]] lassen sich Wasserproben sehr genau datieren. Mit einer Halbwertszeit von etwa 12 Jahren eignet es sich besonders für die Messung relativ kurzer Zeiträume (bis zu einigen hundert Jahren). Unter anderem lässt sich so das Alter teurer [[Wein]]e feststellen.
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:


: <math>\mathrm{2\ H_2 + O_2 \rightarrow 2\ H_2O}</math> (exotherme Reaktion)
Es findet auch Verwendung als langlebige, zuverlässige Lichtquelle (Tritium leuchtet bläulich-grünlich) vor allem in militärischen Anwendungen. Weitere militärische Verwendung findet das Isotop in der [[Wasserstoffbombe]] und gewissen Ausführungen von [[Kernwaffe]]n, deren Wirkung auf Spaltung beruht.
: <small>Wasserstoff reagiert mit Sauerstoff zu Wasser</small>


Mit der gleichen Reaktion verbrennt Wasserstoff mit einer schwach bläulichen Flamme, wenn man ihn gleich an der Austrittsstelle entzündet (Pfeifgas).
=== Energieversorgung ===
Einen besonderen Stellenwert hat Wasserstoff in der Energiewirtschaft. So sind beispielsweise die wichtigen Energieträger [[Erdöl]] und [[Erdgas]] Wasserstoffverbindungen. Aber auch mit dem Element selbst verbindet man Hoffnung auf eine [[Wasserstoffwirtschaft]]. Zwei Technologien sind in dieser Richtung wegweisend: die [[Brennstoffzelle]] und die [[Kernfusion]].


Die Knallgasprobe ist die „klassische“ Methode zum Nachweis und ist besonders in Schulversuchen beliebt.
==== Brennstoffzelle ====
''Hauptartikel:'' [[Brennstoffzelle]]


== Verbindungen ==
Das Prinzip der Brennstoffzelle wurde [[1838]] von [[Christian Friedrich Schönbein]] anhand der Reaktion
Wasserstoff geht mit den meisten chemischen Elementen Verbindungen mit der allgemeinen [[Summenformel]] EH<sub>''n''</sub> (''n''&nbsp;=&nbsp;1, 2, 3, 4) ein. Einige wenige dieser [[Elementwasserstoffe]] sind nur in Form so genannter [[Addukt]]e bekannt, wie L<sub>''m''</sub> · EH<sub>''n''</sub> (L steht für einen [[Ligand]]en).
: <math>\mathrm{2\ H_2 + O_2 \to 2\ H_2O}</math>
Die Folgende Abbildung bietet eine Übersicht über wichtige Grundreaktionen des Wasserstoffs. Auf genaue Reaktionsbedingungen und Stöchiometrie ist hier nicht geachtet.
entdeckt. Viele Brennstoffzellentypen nutzen heutzutage diese Reaktion als „kalte Verbrennung“ zur Gewinnung elektrischer Energie.


[[Datei:The basic reactions of hydrogen.svg|hochkant=3|zentriert]]
Ein wichtiges Beispiel ist die Protonenaustauschermembran-Brennstoffzelle ([[PEMFC]]). Eine solche Brennstoffzelle verwendet in der Regel Wasserstoff als Energieträger und erreicht einen Wirkungsgrad von etwa 60%. Andere Konstruktionen arbeiten mit [[Methanol]] oder [[Methan]] und erzeugen daraus den Wasserstoff mittels [[Reformierung]]. Das Kernstück der PEMFC ist eine [[Polymer]]membran, die für Protonen durchlässig ist (also für H<sup>+</sup>-Ionen), die so genannte ''proton exchange membrane'' (PEM). Gleichzeitig stoppt die [[Membran]] größere Ionen und wirkt für diese isolierend. Das [[Oxidationsmittel]] ist dadurch räumlich vom [[Reduktionsmittel]] getrennt.


Wasserstoff kann in Verbindungen sowohl positive als auch negative [[Elektrische Ladung|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-Reaktion|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]] (SiH<sub>4</sub>) die [[Oxidationszahl]] für Silicium auf +4 (Wasserstoff dementsprechend −1), in [[Methan]] (CH<sub>4</sub>) für Kohlenstoff auf −4 (Wasserstoff +1) festlegen.
Wasserstoff wird an der [[Anode]] [[Katalysator|katalytisch]] oxidiert und dabei unter Abgabe von [[Elektron]]en in [[Oxonium|Hydronium-Ionen]] umgewandelt. Diese Elektronen werden aus der Brennstoffzelle abgeleitet und fließen über einen elektrischen Verbraucher, zum Beispiel eine Glühlampe, zur [[Kathode]]. An der Kathode wird das [[Oxidationsmittel]], hier [[Sauerstoff]], durch Aufnahme der Elektronen zu [[Anion]]en reduziert.
Gleichzeitig bewegen sich die Hydronium-Ionen durch die Protonenaustauschermembran (PEM) zur Kathode und reagieren gleichzeitig mit dem reduzierten Sauerstoff zu Wasser.
Die an den Elektroden der PEMFC auftretenden Bruttoreaktionen sind in den folgenden Gleichungen wiedergegeben:


Zur Darstellung von Wasserstoffverbindungen EH<sub>''n''</sub> werden hauptsächlich drei verschiedene Verfahren genutzt:
{| {{prettytable}}
* Die Umsetzung des entsprechenden Elements E mit Wasserstoff (H<sub>2</sub>; [[Hydrogenolyse]])
!
: <math>\frac{1}{x}\ \mathrm{E}_x + \frac{n}{2}\ \mathrm{H}_2\ \rightleftarrows\ \mathrm{EH}_n</math>
!Gleichung
: <small>Ein Element reagiert mit Wasserstoff bei Energiezufuhr zum entsprechenden Elementwasserstoff.</small>
|-
* Die Reaktion von Metallverbindungen des Typs M<sub>''n''</sub>E mit Wasserstoffsäuren (H<sup>+</sup>; [[Protolyse]])
|Anode
|<math>\mathrm{2\ H_2 + 4\ H_2O \to 4\ H_3O^+ + 4\ e^-}</math><br /><small>Oxidation / Elektronenabgabe</small>
: <math>\mathrm{M}_n\mathrm{E} + n\ \mathrm{HA}\ \rightleftarrows\ n\ \mathrm{MA} + \mathrm{EH}_n</math>
: <small>Eine Metallverbindung des Elements E reagiert mit einer Säure HA zum Elementwasserstoff und einem Metallsalz.</small>
|-
* Die Umsetzung von Halogenverbindungen (EHal<sub>''n''</sub>) mit Hydriden (H<sup>−</sup>; [[Hydridolyse]])
|Kathode
|<math>\mathrm{O_2 + 4\ H_3O^+ + 4\ e^- \to 6\ H_2O}</math><br /><small>Reduktion / Elektronenaufnahme</small>
: <math>\mathrm{EHal}_n + n\ \mathrm{H}^-\ \rightleftarrows\ n\ \mathrm{Hal}^- + \mathrm{EH}_n</math>
: <small>Hydridionen setzen aus einer Halogenverbindung des Elements E den entsprechenden Elementwasserstoff frei.</small>
|}


=== Salzartige Verbindungen ===
Einige Punkte auf dem Weg zur praktischen Nutzung stellen folgende Ereignisse dar:
In Verbindung mit Metallen kann Wasserstoff jeweils ein Elektron aufnehmen, so dass negativ geladene Wasserstoffionen (Hydridionen, H<sup>−</sup>) entstehen, die mit Metallkationen Salze bilden. Diese Verbindungen werden [[Hydride]] genannt. Salzartige Elementwasserstoffe sind von den [[Alkalimetalle|Alkali-]] und, mit Ausnahme von [[Beryllium]], den [[Erdalkalimetalle]]n bekannt. Außerdem zählt man die Dihydride des [[Europium]]s und [[Ytterbium]]s (EuH<sub>2</sub> und YbH<sub>2</sub>) dazu.
* Am [[13. April]] [[1994]] stellt die [[Daimler-Benz AG]] das erste Brennstoffzellen-Fahrzeug [[NECAR]] 1 (New Electric Car) der Öffentlichkeit vor. Das Fahrzeug verwendet eine PEM-Brennstoffzelle und nutzt [[Methanol]] als Treibstoff. Im Mai [[1997]] präsentiert die Firma den Stadtomnibus [[NEBUS]] mit Brennstoffzellenantrieb.
* [[2004]] wird das Wasserstoff-Leichtmobil [[Hysun3000]] vom TÜV zugelassen.
* Am [[26. Juni]] [[2005]] fand der „Eco-Marathon“ in Ladoux statt. Das PAC-II Car der [[Eidgenössische Technische Hochschule Zürich|ETH Zürich]] brauchte dabei nur 1,02 Gramm Wasserstoff, um 25&nbsp;km mit einer Geschwindigkeit von 30&nbsp;km/h zurückzulegen. Dies entspricht ca. 1 Liter Benzin für 5385&nbsp;km.


Metallhydride reagieren sehr heftig mit Wasser unter Freisetzung von molekularem Wasserstoff (H<sub>2</sub>) 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 [[Kristallwasser|Hydrate]] oder [[Hydroxide]].
==== Kernfusion ====
[[Bild:Ivy_Mike_(Eniwetok-Atoll_-_31._Oktober_1952).jpg|thumb|Am 31. Oktober 1952 gelingt die erste künstlich erzeugte Kernfusion in der Wasserstoffbombe „Mike“]]
''Hauptartikel:'' [[Kernfusion]]


=== Metallartige Verbindungen ===
Schon bald nach den Anfängen der Kernphysik im ersten Viertel des [[20. Jahrhundert]]s 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-Reaktion]]en, 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.
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 [[Einlagerungsmischkristall|Einlagerungsverbindungen]] entspricht). Das Element besetzt die oktaedrischen und tetraedrischen Lücken in den kubisch- bzw. hexagonal-dichtesten [[Dichteste Kugelpackung|Metallatompackungen]].


Die Löslichkeit von Wasserstoff steigt mit zunehmender Temperatur. Man findet jedoch selbst bei Temperaturen über 500&nbsp;°C selten mehr als einen [[Stoffmengenanteil]] von 10 % Wasserstoff im betreffenden Metall. Am meisten Wasserstoff können die Elemente [[Vanadium]], [[Niob]] und [[Tantal]] aufnehmen. Bei Raumtemperatur sind folgende [[Stöchiometrie]]n zu beobachten: VH<sub>0,05</sub>, NbH<sub>0,11</sub> und TaH<sub>0,22</sub>. Ab 200&nbsp;°C findet man bei diesen Metallen eine 1:1-Stöchiometrie (MH) vor. Das kubisch-raumzentrierte [[Kristallgitter]] bleibt dabei unangetastet.
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, konstruieren 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. Es war die erste vom Menschen erzeugte Kernfusion. In der Bombe lief unter anderem folgende Kernreaktion ab:


=== Kovalente Verbindungen ===
: <math>\mathrm{T + D \rightarrow \,^4He + n + 17{,}588\,MeV}</math>
Verbindungen, bei denen Wasserstoff der elektropositivere Partner ist, haben einen hohen [[kovalent]]en Anteil. Als Beispiele seien [[Fluorwasserstoff]] (HF) oder [[Chlorwasserstoff]] (HCl) genannt. In Wasser reagieren diese Stoffe als [[Säuren]], da der Wasserstoff sofort als [[Proton (Chemie)|Proton]] (H<sup>+</sup>-Ion) von umgebenden Wassermolekülen abgespalten werden kann. Isolierte H<sup>+</sup>-Ionen verbinden sich in wässriger Lösung sofort mit Wassermolekülen zu [[Oxonium|H<sub>3</sub>O<sup>+</sup>-Ionen]]; dieses Ion ist verantwortlich für die saure Eigenschaft von wässrigen Chlorwasserstofflösungen.
: <small>Die Verschmelzung von Tritium und Deuterium erzeugt Helium, ein Neutron und Energie.</small>


==== Säure-Base-Verhalten ====
Damit diese Reaktion aufrechterhalten werden kann, ist dem Fusionsmaterial das [[Lithium]]isotop <sup>6</sup>Li beigemengt. Die in der Primärreaktion freiwerdenden Neutronen regen die Umwandlung von Lithium in Tritium an:
[[Datei:Wasserstoffoxide.svg|mini|Schematische Darstellung verschiedener Wasserstoffoxide. Die Atomradien sind maßstabsgetreu.]]


Die kovalenten Wasserstoffverbindungen der Elemente der IV. bis VII. Hauptgruppe des Periodensystems sowie Borwasserstoffe sind Säuren nach der Definition von [[Johannes Nicolaus Brønsted]], geben also Protonen an andere Verbindungen ab.
: <math>\mathrm{n + ^6Li \rightarrow \,^4He + T}</math>
: <small>Der Neutronenbeschuss von Lithium erzeugt Helium und den Fusionsbrennstoff Tritium.</small>


: <math>\mathrm{EH}_n\ \rightleftarrows\ \mathrm{EH}^-_{n-1} + \mathrm{H}^+</math>
Physiker forschen aber auch an einer friedlichen Nutzung der Kernverschmelzung. Früh entwickelten sie verschiedene Vorschläge zur Energiegewinnung durch Fusion. Die gewaltigen Temperaturen, die zu einer Kernfusion nötig 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 [[Joint European Torus|JET]] und [[ITER]] (international, in Planung) in Europa und ein deutscher [[Tokamak]]-Reaktor in Garching. Bis diese Technologie aber industriell ausgereift ist, vergeht wohl noch viel Zeit.


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-[[Chemische Bindung|Bindungen]] bei Wasserstoffverbindungen eines bestimmten Elements. So ist zum Beispiel Wasser (H<sub>2</sub>O) eine schwächere Säure als Wasserstoffperoxid (H<sub>2</sub>O<sub>2</sub>), [[Ethan]] (C<sub>2</sub>H<sub>6</sub>) in der Säurestärke schwächer als [[Ethen]] (C<sub>2</sub>H<sub>4</sub>) und [[Ethin]] (C<sub>2</sub>H<sub>2</sub>).
== Sicherheitshinweise ==
{| width="40%" {{prettytable-R}}
|-
! colspan="2" style="background-color:#a9a9a9;" | Sicherheitshinweise
|-
| colspan="2" |{{Gefahrensymbol_1|FF}}
|-
| [[R- und S-Sätze]] || R: 12<br />S: 2, 9, 16, 33
|}
Wasserstoff ist ein hochentzündliches Gas. Von der EU und somit auch der deutschen [[Gefahrstoffverordnung]] ist er als [[Gefahrstoff]] eingestuft mit '''[[Gefahrensymbole#Übersicht Gefahrensymbole|F+]]; [[R- und S-Sätze|R12]]'''<br /> für „hochentzündlich“; seine Behälter müssen dementsprechend gekennzeichnet werden. Nach DIN&nbsp;EN&nbsp;1089-3 werden H<sub>2</sub>-Druck[[gasflasche]]n mit roter [[Flaschenschulter]] und rotem [[Flaschenkörper]] versehen.


Umgekehrt können kovalente Elementwasserstoffe als [[Basen (Chemie)|Basen]] fungieren. Wasserstoffverbindungen der Elemente aus Hauptgruppe V bis VII können Protonen aufnehmen, da sie über freie [[Elektronenpaar]]e verfügen.
In geringen Mengen ist Wasserstoff für Menschen ungiftig. In hohen Konzentrationen können allerdings Bewegungsstörungen auftreten. Weitere Exposition kann zur [[Bewusstlosigkeit]] und schließlich zum Erstickungstod führen. In einem solchen Falle ist die betroffene Person (unter Selbstschutz) an die frische Luft zu bringen und ein Arzt hinzuzuziehen. Bei einem Atemstillstand muss die Person künstlich beatmet werden.


: <math>\mathrm{EH}_n + \mathrm{H}^+\ \rightleftarrows\ \mathrm{EH}^+_{n+1}</math>
Beim Mischen mit Luft zu vier bis 76 [[Volumenprozent]] (Vol.-%) Wasserstoff entsteht [[Knallgas]], das bereits durch einen wenig energiereichen Funken zur [[Explosion]] gebracht werden kann. In einem ausgewogenen Mischungsverhältnis von O<sub>2</sub> und H<sub>2</sub> kann eine Knallgasexplosion verheerende Wirkung haben. In jedem Fall ist darauf zu achten, keine leicht entzündlichen Materialien oder offene Flammen in der Nähe zu lagern. H<sub>2</sub> reagiert auch heftig mit [[Chlor]] ([[Chlorknallgas]]) und [[Fluor]].


Ursache für die [[Acidität]] oder [[Basizität]] einer wässrigen Lösung ist die [[Stoffmengenkonzentration]] an Protonen (H<sup>+</sup>-Ionen). Den negativen dekadischen [[Logarithmus]] dieser Konzentration nennt man [[pH-Wert]]. Zum Beispiel bedeutet eine Konzentration von 0,001&nbsp;mol&nbsp;H<sup>+</sup>-Ionen pro Liter Wasser „pH&nbsp;3,0“. Dieses Beispiel trifft auf eine Säure zu. Wasser ohne jeden Zusatz hat bei [[Normalbedingungen]] den pH&nbsp;7, Basen haben pH-Werte bis&nbsp;14.
Wird molekularer Wasserstoff in einfachen Metalltanks gelagert, so kommt es wegen der geringen Molekülgröße zu Diffusion, das heißt Gas tritt langsam durch die Gefäßwände aus. Dies ist bei der Speicherung problematisch, insbesondere für Wasserstoff-betriebene Fahrzeuge, wenn diese lange an einem abgeschlossenen Platz (Garage, Tiefgarage) stehen. (''Siehe dazu den Abschnitt'': [[Wasserstoff#Speicherung|Speicherung]].) Zudem rechnet man beim Betanken mit relativ hohen Verlusten von einigen Prozent der Gesamtmenge. Flüssiger Wasserstoff in Metalltanks neigt bei Beschädigungen oder Lecks zur Selbstentzündung.


==== Oxide ====
Der Austausch von Wasserstoff-Isotopen in chemischen Verbindungen kann die [[Toxizität]] der entsprechenden Verbindung beeinflussen. So ist [[Schweres Wasser]] (D<sub>2</sub>O) - das Isotop <sup>1</sup>H wurde gegen <sup>2</sup>H (Deuterium) ausgetauscht - im Vergleich zu Wasser [[gift]]ig für viele [[Lebewesen]]. Die für Menschen gefährliche Menge ist aber recht groß und im Regelfall kaum zu erreichen.
[[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 [[Oxide|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.
== Geschichte ==
=== Entdeckungsgeschichte ===
[[Bild:Henry_Cavendish.jpg|thumb|Henry Cavendish]]
Entdeckt wurde Wasserstoff vom englischen [[Chemiker]] und [[Physiker]] [[Henry Cavendish]] im Jahre [[1766]], als er mit [[Quecksilber]] und [[Säure]]n experimentierte. Als er die beiden Substanzen zusammenbrachte, entstanden im Gemisch kleine Gasbläschen. Diese konnte er bei einer näheren Untersuchung nicht als eines der bekannten Gase identifizieren. Obwohl er fälschlicherweise annahm, dass der Wasserstoff ein Bestandteil des Quecksilbers sei (anstatt Bestandteil der Säure), konnte er die Eigenschaften des Gases gut beschreiben.


==== Kohlenwasserstoffe ====
[[Bild:Lavoisier.jpg|thumb|left|Antoine Laurent de Lavoisier. Er gab dem Wasserstoff seinen Namen]]
Wasserstoff bildet mit Kohlenstoff die kovalenten [[Kohlenwasserstoffe]], deren Studium sich die Kohlenwasserstoffchemie verschrieben hat.
Eine genauere Analyse geschah durch [[Antoine Lavoisier]]. Der französische Chemiker entdeckte das Gas im Jahr [[1787]] unabhängig von Cavendish, als er in einem Experiment zeigen wollte, dass bei chemischen Reaktionen keine [[Masse]] verloren geht oder erzeugt wird. Er erhitzte Wasser in einer [[Abgeschlossenes System|abgeschlossenen Apparatur]] und ließ den Dampf 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 (H<sub>2</sub>), dessen Masse genau der der „verlorengegangenen“ Wassermenge entsprach. Sein eigentliches Experiment war also erfolgreich.


== Siehe auch ==
Lavoisier untersuchte das entstandene Gas weiter und führte die heute als [[Knallgasprobe]] bekannte Untersuchung durch, wobei das Gas verbrannte. Er nannte es daher zunächst „brennbare Luft“. Als er in weiteren Experimenten zeigte, dass sich aus dem Gas auch umgekehrt Wasser erzeugen lässt, taufte er es als hydro-gène (hydro = Wasser, griechisch; genes = erzeugend). Das Wort bedeutet demnach: „Wasser-Bildner“. Die deutsche Bezeichnung lässt auf die gleiche Begriffsherkunft schließen.
* [[Grüner Wasserstoff]]
* [[Natürlicher Wasserstoff]]


== Literatur ==
== Literatur ==
'''Chemie'''
'''Chemie'''
* Erwin Riedel: ''Anorganische Chemie''. de Gruyter, Berlin 2002, ISBN 3-11-017439-1
* [[Erwin Riedel]]: ''Anorganische Chemie''. de Gruyter, Berlin 2002, ISBN 3-11-017439-1.
* {{Holleman-Wiberg |Auflage=102 |Startseite=259 |Endseite=296}}
* 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 – das Periodensystem in Fakten, Zahlen und Daten.'' S. Hirzel Verlag, Stuttgart 1999, ISBN 3-7776-0736-3.
* ''dtv-Atlas zur Chemie.'' Bd 1. Allgemeine und anorganische Chemie, ISBN 3-423-03217-0


'''Technik'''
'''Technik'''
* Peter Kurzweil: ''Brennstoffzellentechnik.'' 1. Auflage. Vieweg Verlag, Wiesbaden 2003, ISBN 3-528-03965-5.
* Sven Geitmann: ''Wasserstoff & Brennstoffzellen – Die Technik von morgen.'' Hydrogeit Verlag, Kremmen 2004 (2. Aufl.), ISBN 3937863044
* Udo Schelling: ''Brennstoffzellen.'' In: Richard Zahoransky (Hrsg.): ''Energietechnik.'' 5., überarb. u. erw. Auflage. Vieweg+Teubner Verlag, Wiesbaden 2010, ISBN 978-3-8348-1207-0, S. 203ff.
* Alf-Sibrand Rühle: ''Wasserstoff & Wirtschaft – Investieren in eine saubere Zukunft'' Hydrogeit Verlag, Kremmen 2005, ISBN 3937863028
* Helmut Eichlseder, Manfred Klell: ''Wasserstoff in der Fahrzeugtechnik.'' 1. Auflage. Vieweg+Teubner Verlag, Wiesbaden 2008, ISBN 978-3-8348-0478-5.
* Rex A. Ewing, ''Hydrogen - A Journey Into a World of Hydrogen Energy and Fuel Cells.'' Pixyjack Press, Masonville CO 2004, ISBN 0-96-580986-2
* Rex A. Ewing: ''Hydrogen – A Journey Into a World of Hydrogen Energy and Fuel Cells.'' Pixyjack Press, Masonville CO 2004, ISBN 0-9658098-6-2.


'''Bedeutung'''
'''Bedeutung'''
* [[Hoimar von Ditfurth]]: ''Am Anfang war der Wasserstoff.'' dtv, München 2002, ISBN 3-42-333015-5
* [[Hoimar von Ditfurth]]: ''Im Anfang war der Wasserstoff.'' dtv, München 2002, ISBN 3-423-33015-5.


== Weblinks ==
== Weblinks ==
{{Wiktionary|Wasserstoff}}
{{Commonscat|Hydrogen|Wasserstoff}}
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{{Wikibooks|Wikijunior Die Elemente/ Elemente/ Wasserstoff}}
{{dmoz|World/Deutsch/Wissenschaft/Ingenieurwissenschaften/Energie/Wasserstoff/|Wasserstoff}}
* {{DNB-Portal|4064784-5}}
* [http://www.webelements.com/webelements/elements/text/H/index.html Wasserstoff bei WebElements (englisch)]
* {{dmoz|World/Deutsch/Wissenschaft/Ingenieurwissenschaften/Energie/Wasserstoff/|Wasserstoff}}
* [http://www.HydrogenLab.de 3D Visualisierungen des Wasserstoffatoms bei HydrogenLab]
* [http://www.pse-mendelejew.de/bilder/h.jpg Eine Wasserstoff-] und [http://www.pse-mendelejew.de/bilder/d.jpg Deuterium-Spektralröhre] Betrieb mit 1,8&nbsp;kV, 18&nbsp;mA und einer Frequenz von 35&nbsp;kHz.
* [http://www.hydox.de/wasserstoff.htm Informationen über Wasserstoff bei hydrox.de]
* [http://www.innovations-report.de/html/berichte/verfahrenstechnologie/bericht-29914.html Suprafluider Wasserstoff bei Innovationsreport 04.06.02]
<br>


== Einzelnachweise ==
* [http://www.hydrogeit.de Informationen und Bücher über Wasserstoff im Verlag Hydrogeit]
<references responsive />
* [http://www.dwv-info.de/publikationen/2004/pm_04st.pdf ''Wasserstoff - Der neue Energieträger'' Über die Rolle des Wasserstoffs in existierenden und zukünftigen Energiesystemen in Deutscher Wasserstoff- und Brennstoffzellenverband e.V. (Hrsg.) 2004]
* [http://www.bio-wasserstoff.de ''Solare Wasserstoffwirtschaft'' bei biowasserstoff.de]
* [http://www.iceland.de/index.php?id=658 ''Wasserstofftestfeld Island'' in Iceland Guide 2006]


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[[uz:Vodorod]]
[[vi:Hiđrô]]
[[wa:Idrodjinne]]
[[zh:氢]]
[[zh-min-nan:H (goân-sò͘)]]
[[zh-yue:氫]]

Version vom 29. Mai 2024, 19:53 Uhr

Eigenschaften
Allgemein
Name, Symbol, OrdnungszahlWasserstoff, H, 1
ElementkategorieNichtmetalle
Gruppe, Periode, Block1, 1, s
Aussehenfarbloses Gas (H2)
CAS-Nummer
EG-Nummer215-605-7
ECHA-InfoCard100.014.187
Massenanteil an der Erdhülle0,9 % (9. Rang)[1]
Atomar[2]
Atommasse1,008 (1,00784–1,00811)[3][4] u
Atomradius (berechnet)25 (53) pm
Kovalenter Radius31 pm
Van-der-Waals-Radius120 pm
Elektronenkonfiguration1s1
1. Ionisierungsenergie13.59843449(8) eV[5]1312.05 kJ/mol[6]
Physikalisch[2]
Aggregatzustandgasförmig (H2)
Dichtegasförmig 0,0899 kg · m−3 bei 273 K[7]
flüssig 0,0709 kg/l bei 20,324 K
Magnetismusdiamagnetisch (χm = −2,2 · 10−9)[8]
Schmelzpunkt14,01 K (−259,14 °C)
Siedepunkt21,15 K[9] (−252 °C)
Molares Volumen(fest) 11,42 · 10−6 m3·mol−1
Verdampfungsenthalpie0,90 kJ·mol−1[9]
Schmelzenthalpie0,558 kJ·mol−1
Schallgeschwindigkeit1270 m·s−1 bei 298,15 K
Spezifische Wärmekapazität14304 J·kg−1·K−1
Wärmeleitfähigkeit0,1805 W·m−1·K−1
Chemisch[2]
Oxidationszustände+1, 0, −1
Normalpotential0 V
Elektronegativität2,2 (Pauling-Skala)
Isotope
IsotopNHt1/2ZAZE (MeV)ZP
1H99,9885(70) %Stabil
2H (D)0,0115(70) %Stabil
3H (T)10−15 %12,33 aβ0,0193He
Weitere Isotope siehe Liste der Isotope
NMR-Eigenschaften
 Spin-
Quanten-
zahl I
γ in
rad·T−1·s−1
Er (1H)fL bei
B = 4,7 T
in MHz
1H1/2+26,752 · 1071,00200,11
2H10+4,107 · 1079,65 · 10−3030,72
3H1/2+28,535 · 1071,21213,32
Sicherheitshinweise
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung aus Verordnung (EG) Nr. 1272/2008 (CLP),[10] ggf. erweitert[7]
GefahrensymbolGefahrensymbol

Gefahr

H- und P-SätzeH: 220​‐​280
P: 210​‐​377​‐​381​‐​403[7]
Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet.
Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

Wasserstoff (Protium), Deuterium, Tritium

Wasserstoff ist ein chemisches Element mit dem Symbol H (für lateinisch Hydrogenium „Wasserbildner“) und der Ordnungszahl 1. Im Periodensystem steht das Element Wasserstoff in der 1. Periode und in der 1. IUPAC-Gruppe.

Wasserstoff ist mit einem Massenanteil von etwa 70 % das häufigste chemische Element im Universum, jedoch nicht auf der Erde, wo sein Massenanteil an der Erdhülle nur 0,87 % beträgt.[11]

Der Großteil des Wasserstoffs auf der Erde ist im Wasser gebunden, der Verbindung mit Sauerstoff, deren Masse zu 11 % aus Wasserstoff besteht. Wasserstoff kommt gebunden an andere Elemente in sämtlichen Pflanzen und lebenden Organismen vor. Wasserstoff ist ein fester Bestandteil fast aller organischen chemischen Substanzen.

Wasserstoff ist das chemische Element mit der geringsten Atommasse. Sein häufigstes Isotop, Protium, ist das einzige stabile Isotop ohne ein Neutron. Es besteht nur aus nur einem Proton und einem Elektron. Es existieren zwei weitere natürlich vorkommende Wasserstoffisotope, von denen das nicht-radioaktive Deuterium 0,0156 % des natürlichen Wasserstoffs ausmacht, während das in den oberen Schichten der Atmosphäre gebildete radioaktive Tritium nur in kleinsten Mengen vorkommt.[11][12]

Unter Bedingungen, die normalerweise auf der Erde herrschen (siehe Normalbedingungen), liegt das gasförmige Element Wasserstoff nicht als atomarer Wasserstoff mit dem Symbol H vor, sondern als molekularer Wasserstoff mit dem Symbol H2, als ein farb- und geruchloses Gas. Wenn z. B bei Redoxreaktionen Wasserstoff neu gebildet wird, tritt das Element vorübergehend atomar als H auf und wird als naszierender Wasserstoff bezeichnet. In dieser reaktiven Form reagiert Wasserstoff besonders gut 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.[13] Auf ähnliche Weise (Einwirkung von Säuren auf Metalle) hatten allerdings schon im 17. Jahrhundert Théodore Turquet de Mayerne (um 1620) und Robert Boyle (um 1670) ein Gas erzeugt, das sie Knallgas genannt hatten. Eine genauere Analyse erfolgte aber erst durch Antoine Laurent de Lavoisier, der erkannte, dass bei der Verbrennung des Gases Wasser entstand und deshalb das brennbare Gas als „hydrogène“ bezeichnete (lateinisch hydrogenium: „Wasser erzeugender Stoff“, davon kurz „Hydrogen“; von altgriechisch ὕδωρ hydōrWasser“ und -gen) 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).[14] 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 aber zeigte in aufsehenerregenden Experimenten, dass das Gas ein eigenständiges Element war und ein Bestandteil des Wassers, das man damals vielfach noch selbst für elementar hielt, 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 die entstandenen Gase an anderer Stelle kondensieren. Dabei stellte er fest, dass die Masse des kondensierten Wassers etwas geringer war als die der ursprünglich eingesetzten Masse. Dafür war ein Gas entstanden, dessen Masse zusammen mit dem Gewichtszuwachs des oxidierten Eisens genau der „verloren gegangenen“ Wassermenge entsprach. Sein eigentliches Experiment war also erfolgreich.

Henry Cavendish, Entdecker des Wasserstoffs
Henry Cavendish, Entdecker des Wasserstoffs
Antoine Laurent de Lavoisier. Er gab dem Wasserstoff seinen Namen
Antoine Laurent de Lavoisier. Er gab dem Wasserstoff seinen Namen

Lavoisier untersuchte das entstandene Gas weiter und führte die als Knallgasprobe bekannte Untersuchung durch, wobei das Gas verbrannte. Er nannte es daher zunächst wie Cavendish 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-gène (griechisch: hydro = Wasser; genes = erzeugend). Das Wort bedeutet demnach: „Wassererzeuger“. Die deutsche Bezeichnung lässt auf die gleiche Begriffsherkunft schließen.

Nachdem man gemäß der Schule von Lavoisier lange Sauerstoff für den Säurecharakter verantwortlich gemacht hatte, änderte sich dies, 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

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

Wasserstoff ist das häufigste chemische Element in der Sonne und den großen 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.

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 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 %.[15] 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 Erdgase wie Methan sowie Erdöl wichtige wasserstoffhaltige Verbindungen auf der Erde. In mehr als der Hälfte aller bisher bekannten Minerale ist Wasserstoff (meist als Kristallwasser) enthalten.[16]

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 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 einem Volumenanteil von 4,2 % 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 können bei Schauversuchen durch Reaktionen von verdünnten Säuren mit unedlen Metallen wie Zink gewonnen werden. Für die Reaktion gilt schematisch:

Bei dieser Reaktion handelt es sich um eine Redoxreaktion, in der das Zink als Reduktionsmittel wirkt und die Protonen der Säure durch Abgabe von Elektronen zum elementaren Wasserstoff reduziert, während das Zink nach Abgabe der Elektronen als kationisches Zink mit dem Anion der Säure ein Zinksalz bildet. Wenn bei dieser Reaktion die Temperatur erhöht wird oder wenn gar an Stelle von Zink Alkalimetalle als sehr starke Reduktionsmittel verwendet werden, dann bildet sich Wasserstoff bereits mit schwachen Säuren, wie z. B. Wasser. Das ist der Grund dafür, dass Metallbrände niemals mit Wasser gelöscht werden dürfen, denn gebildeter Wasserstoff würde dann als Brandverstärker wirken.[11]

Das wichtigste großtechnische Verfahren zur industriellen Gewinnung von molekularem Wasserstoff ist die um 1920 entwickelte Dampfreformierung. Bei dieser Reaktion werden unter hoher Temperatur und hohem Druck Kohlenwasserstoffe wie Methan und andere als Reduktionsmittel für die Protonen des Wassers eingesetzt. Dabei entsteht zunächst ein sogenanntes Synthesegas, ein Gemisch aus Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff. Das Mengenverhältnis der Reaktionsprodukte kann anschließend mit der sogenannten Wassergas-Shift-Reaktion zu Gunsten von Wasserstoff zwar noch verbessert werden, jedoch entsteht dabei unerwünschtes Kohlendioxid und der Wirkungsgrad (Erdgas zu Wasserstoff) erreicht nur etwa 60 bis 70 %.[11]

Derzeit gewinnt im Rahmen der Debatte um die Vermeidung von Kohlendioxid und um die Power-to-Gas-Strategie die Wasserelektrolyse als Methode zur Herstellung von Wasserstoff immer mehr an Bedeutung. Bei der Wasserelektrolyse wird Wasser in einer elektrochemischen Redoxreaktion durch Zufuhr von elektrischer Energie in die Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt.

Wasser wird durch elektrischen Strom in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten.

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.

[17]
Durch Energiezufuhr dissoziiert molekularer Wasserstoff in die atomare Form. Diese Reaktion beginnt ab 1500 K und ist vollständig bei 3000 K.

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 in einer Entladungsröhre

Wasserstoff ist das Element mit der geringsten Dichte. Molekularer Wasserstoff (H2) ist etwa 14,4-mal weniger dicht als Luft. Flüssiger Wasserstoff wiegt je nach Temperatur zwischen 77,00 und 31,26 Gramm pro Liter.[18] Sein Schmelzpunkt liegt bei 14,02 K (−259 °C), der Siedepunkt bei 21,15 K (−252 °C). Wasserstoff ist in Wasser und anderen Lösungsmitteln schlecht löslich. Für Wasser beträgt die Löslichkeit 19,4 ml/l (1,6 mg/l)[7] bei 20 °C und Normaldruck. Dagegen ist die Löslichkeit (genauer: 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-Effekt-Raketentreibstoff. Der Joule-Thomson-Koeffizient von Wasserstoff ist bei Raumtemperatur negativ (Joule-Thomson-Effekt). Das bedeutet, dass bei einer Isenthalpen Entspannung des Drucks das Gas bei dieser Temperatur im Gegensatz zu den meisten anderen Gasen nicht abkühlt, sondern erwärmt. 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 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).

Sichtbarer Bereich des Wasserstoff-Spektrums. Es sind 6 Linien der Balmer-Serie sichtbar: 389 nm (kaum zu sehen), 397 nm (schwach zu sehen), 410 nm, 434 nm (violett), 486 nm (türkis) und 656 nm (rötlich)

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 = -2.2e-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 empirische Atomradius von (atomarem) Wasserstoff beträgt 25 pm, der kovalente Radius 31 pm und der Van-der-Waals-Radius 120 pm.[6] In höchstangeregten Wasserstoffatomen (Rydberg-Zuständen), wie sie unter den Vakuumbedingungen interstellarer Nebel vorkommen, befinden sich deren Elektronen auf Bahnen mit Atomradien von bis zu 0,339 Millimetern.[19]

Aggregatzustände

Tank für flüssigen Wasserstoff im Museum Autovision in Altlußheim

Bei Temperaturen unterhalb von 21,15 K (−252 °C) kondensiert Wasserstoff zu einer klaren, farblosen Flüssigkeit. Dieser Zustand wird 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 13,8033 K[20] und einem Druck von 7,042 kPa.[20] Der kritische Punkt liegt bei 33,18 K[20] und 13,0 bar,[20] die kritische Dichte beträgt 0,03012 g/cm³[17] (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.

Orbitale des Wasserstoffatoms für verschiedene n- und l-Quantenzahlen

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 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 μm; 1,3 μm; 1,1 μm und 1 μm) und die Brackett-Serie (4,1 μm; 2,6 μm; 2,2 μm und 1,9 μm) (in allen Serien sind hier nur die ersten vier Linien angegeben). Das Bohrsche Modell reicht aber bei der Betrachtung von Details und für andere Atome zur Erklärung der dabei beobachteten bzw. gemessenen Phänomene nicht aus.

Physikalisch korrekter ist 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.

Isotope

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).

  • Das einfachste Wasserstoff-Isotop 1H besitzt lediglich ein Proton im Kern und wird daher gelegentlich Protium genannt. Es hat mit einer relativen Häufigkeit von 99,98 % den weitaus größten Anteil am irdisch vorkommenden Wasserstoff. Es ist nicht radioaktiv, also stabil.
  • Das Isotop 2H hat neben dem Proton ein Neutron im Kern. Man bezeichnet es als Deuterium. Für Deuterium gibt es das D als ein eigenes Elementsymbol.[21] Verwendung findet es z. B. als Bestandteil von Lösungsmitteln für die 1H-NMR Spektroskopie, da es dabei kein störendes Nebensignal liefert. Es macht 0,015 % aller Wasserstoffatome aus. Deuterium ist ebenfalls stabil.
  • Das Isotop 3H hat neben dem Proton zwei Neutronen im Kern. Man bezeichnet es als Tritium mit dem Elementsymbol T. Es hat nur einen verschwindenden Anteil am gesamten in der Natur vorkommenden Wasserstoff. Es ist radioaktiv und zerfällt durch Betazerfall) mit einer Halbwertszeit von 12,32 Jahren in 3He. Tritium wird durch Kernreaktionen in der oberen Erdatmosphäre ständig als kosmogenes Radionuklid gebildet.[22] Im Gleichgewicht von natürlicher Produktion und Zerfall befinden sich ca. 3,5 kg Tritium in der Biosphäre. Tritium kann in Oberflächenwassern und in Lebewesen nachgewiesen werden.
  • Die schwereren Isotope 4H, 5H, 6H und 7H haben sehr kurze Lebensdauern in der Größenordnung von 10−22 s bis 10−21 s.

Kernspinzustände im H2-Molekül

Unter normalen Bedingungen ist Wasserstoffgas H2 ein Gemisch von Molekülen, die sich durch die Symmetrie ihrer Kernspins voneinander unterscheiden: ortho- und para-Wasserstoff (kurz o- und p-Wasserstoff). Bei o-Wasserstoff haben die Kernspins symmetrische Konfiguration, daher Gesamtspin S = 1 und für die Molekülrotation nur ungerade Quantenzahlen J = 1, 3 … Beim p-Wasserstoff nehmen die Kernspins einen antisymmetrischen Zustand ein, bilden also den Gesamtspin S = 0 und haben für die Molekülrotation nur gerade Quantenzahlen J = 0, 2 … Mit J = 0 ist p-Wasserstoff die energieärmste Form, also der Grundzustand. Der erste angeregte Zustand ist bei 15,1 meV Energie o-Wasserstoff mit J = 1.

Nahe dem absoluten Nullpunkt T = 0 K findet man im thermodynamischen Gleichgewicht ausschließlich p-Wasserstoff, für nicht zu kaltes Wasserstoffgas ein Gemisch aus der p- und der o-Form. Da es für Gesamtspin S = 0 nur einen Spinzustand gibt, bei symmetrischen Kernspins (S = 1) aber drei Zustände verschiedener Orientierung im Raum, überwiegen diese ab etwa T > 200 K im Gleichgewicht im Verhältnis ortho/para-Wasserstoff von bis zu 3:1. Weiter kann der Anteil der o-Form im thermodynamischen Gleichgewicht nicht gesteigert werden.

Im reinen Gas dauert bei tiefen Temperaturen die Einstellung des Gleichgewichts Monate, da die Wechselwirkungen zwischen den Kernen und der Hülle extrem schwach sind. Für diese Zeiten liegt damit praktisch eine Mischung von zwei unterschiedlichen Gasen vor. Trotz gleicher chemischer Zusammensetzung H2 unterscheiden sie sich sogar makroskopisch durch deutlich verschiedenen Temperaturverlauf 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, Eigenschaften anderer Gruppen hinzukommen.

Molekularer Wasserstoff

Valenzstrichformel des Wasserstoffmoleküls

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:

je ein Chlor- und Wasserstoffmolekül reagieren zu zwei Chlorwasserstoffmolekülen

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.

je ein Sauerstoff- und zwei Wasserstoffmoleküle reagieren zu zwei Wassermolekülen

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.

je ein Fluor- und Wasserstoffmolekül reagieren zu zwei Fluorwasserstoffmolekülen

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.

Ionisation durch ein schnelles Elektron im Plasma

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.

Nascierender Wasserstoff vermag unter sauren Bedingungen violette Permanganatlösung zu entfärben.
Unter sauren Bedingungen wird gelbe Dichromatlösung grün durch die reduzierende Wirkung des nascierenden Wasserstoffs.

Atomarer Wasserstoff

Um molekularen Wasserstoff in die Atome zu zerlegen, muss Energie von 436,22 kJ/mol (4,52 eV pro Molekül) aufgewendet werden (der Chemiker spricht von Enthalpie); beim Zusammenschluss zu Wasserstoffmolekülen wird diese Energie wieder freigesetzt:

Diese Energie ist unter Standardbedingungen weit höher als die thermische Energie , daher liegt das Gleichgewicht vollkommen auf der rechten Seite der dargestellten Gleichung.

Eine Anwendung findet diese Reaktion beim Arcatom-Schweißen.

Im Weltraum liegt bei niedrigen Temperaturen in der Regel molekularer Wasserstoff vor. In der Nähe heißer Sterne wird molekularer Wasserstoff jedoch von deren Strahlung aufgespalten, so dass dort die atomare Form überwiegt oder auch die Atome ionisiert werden (H-II-Gebiet).

Innerhalb von Sternen liegt Wasserstoff infolge der dort herrschenden hohen Temperaturen nicht atomar vor, sondern als Plasma. Die Oberfläche der Sonne hat jedoch „nur“ eine Temperatur von ca. 5500 °C, was einer thermischen Energie von 0,5 eV entspricht, weit unter der Energie von 4,5 eV, die zur Auflösung der molekularen Bindung erforderlich ist. Bei dieser Temperatur ist daher der größte Teil des Wasserstoffes nicht ionisiert und sogar molekular. Im Außenbereich der Sonne, der Korona, herrschen hingegen Temperaturen um eine Million Kelvin. Daher sind im Sonnenlicht die Übergänge der Elektronen im atomaren Wasserstoff erkennbar.

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 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[23] 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 DNA oder Wasser. Bei Letzterem führen diese Bindungen zu den Anomalien des Wassers, insbesondere der Dichteanomalie.

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:

  • Energieträger: Beim Schweißen, als Raketentreibstoff. Von seiner Verwendung als Kraftstoff für Strahltriebwerke, in Wasserstoffverbrennungsmotoren oder über Brennstoffzellen verspricht man sich, in absehbarer Zeit die Nutzung von Erdölprodukten ablösen zu können (siehe Wasserstoffantrieb), weil bei der Verbrennung vor allem Wasser entsteht, doch kein Ruß und kein Kohlenstoffdioxid. Wasserstoff ist jedoch im Gegensatz zu Erdöl keine Primärenergie.
  • Kohlehydrierung: Durch verschiedene chemische Reaktionen wird Kohle mit H2 in flüssige Kohlenwasserstoffe überführt. So lassen sich Benzin, Diesel und Heizöl künstlich herstellen.
  • Reduktionsmittel: H2 kann mit Metalloxiden reagieren und ihnen dabei den Sauerstoff entziehen. Es entsteht Wasser und das reduzierte Metall. Dieses Verfahren der Verhüttung von Erzen und Zwischenprodukten wird genützt um Metalle möglichst rein zu gewinnen, etwa Wolfram. Denn Kohle und Koks bringen Begleitstoffe wie Phosphor und Schwefel ein.
  • Ammoniakherstellung: Mit dem Haber-Bosch-Verfahren wird aus Stickstoff und Wasserstoff Ammoniak hergestellt und daraus wichtige Düngemittel und Sprengstoffe.
  • Fetthärtung: Gehärtete Fette werden aus Pflanzenöl mittels Hydrierung gewonnen. Dabei werden die Doppelbindungen in ungesättigten Fettsäure-Resten der Glyceride mit Wasserstoff abgesättigt. Die entstehenden Fette haben einen höheren Schmelzpunkt, wodurch das Produkt fest wird. Auf diese Weise stellt man Margarine her. Dabei können als Nebenprodukt gesundheitlich bedenkliche trans-Fette entstehen.
  • Lebensmittelzusatzstoff: Wasserstoff ist als E 949 zugelassen und wird (selten) als Treibgas, Packgas u. ä. verwendet.[24]
  • Kühlmittel: Aufgrund seiner hohen Wärmekapazität benutzt man (gasförmigen) Wasserstoff in Kraftwerken und den dort eingesetzten Turbogeneratoren als Kühlmittel. Insbesondere setzt man H2 dort ein, wo eine Flüssigkeitskühlung problematisch werden kann. Die Wärmekapazität kommt dort zum Tragen, wo das Gas nicht oder nur langsam zirkulieren kann. Weil die Wärmeleitfähigkeit ebenfalls hoch ist, verwendet man strömendes H2 zum Abtransport von thermischer Energie in große Reservoire (z. B. Flüsse). In diesen Anwendungen schützt Wasserstoff die Anlagen vor Überhitzung und erhöht die Effizienz. Von Vorteil ist dabei, dass Wasserstoff durch seine geringe Dichte, die in die Reynoldszahl eingeht, bis zu höheren Geschwindigkeiten widerstandsarm laminar strömt als andere Gase.
  • Kryogen: Wegen der hohen Wärmekapazität und des niedrigen Siedepunkts eignet sich flüssiger Wasserstoff als Kryogen, also als Kühlmittel für extrem tiefe Temperaturen. Auch größere Wärmemengen können von flüssigem Wasserstoff gut absorbiert werden, bevor eine merkliche Erhöhung in seiner Temperatur auftritt. So wird die tiefe Temperatur bei äußeren Schwankungen aufrechterhalten.
  • Traggas: In Ballons und Luftschiffen fand Wasserstoff eine seiner ersten Verwendungen. Wegen der leichten Entzündlichkeit von H2-Luft-Gemischen führte dies jedoch wiederholt zu Unfällen. Die größte Katastrophe in diesem Zusammenhang ist wohl das Unglück der „Dixmude“ 1923, am bekanntesten wurde sicherlich die „Hindenburg-Katastrophe“ im Jahr 1937. In bemannten Zeppelinen wurde daraufhin der Wasserstoff durch Helium ersetzt. Spielt der Sicherheitsaspekt keine Rolle, beispielsweise bei Wetterballons, wird weiterhin der vielfach kostengünstigere und leichtere Wasserstoff bevorzugt.
  • In der instrumentellen Analytik: so beim Betrieb des Flammenionisationsdetektors (FID) in Gaschromatographen.

Die beiden natürlichen Isotope haben spezielle Einsatzgebiete.

Deuterium (D = 2H)[21] 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 (T = 3H) 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, 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

Power-to-Gas-Anlage samt Wasserstoffspeicher in einem spanischen Windpark

Wasserstoff gilt als ein Energieträger der Zukunft.[25]

Herstellung von Wasserstoff

Als Energieträger ist Wasserstoff – wie elektrische Energie – keine Primärenergie, sondern muss wie Strom aus Primärenergie hergestellt werden.

Wasserstoff als Energieträger verursacht kein Kohlenstoffdioxid, wenn er mit erneuerbaren Energien wie Windenergie oder Sonnenenergie gewonnen wird (sogenannter grüner Wasserstoff). Biowasserstoff verursacht in der Nettobilanz kein Kohlendioxid, wenn Anbau und Verarbeitung der genutzten Biomasse CO2-neutral erfolgen. Derzeit (2019) erfolgt die Wasserstoff-Herstellung jedoch fast ausschließlich aus fossiler Primärenergie, überwiegend durch Erdgas-Reformierung.

Die unter dem Schlagwort „Power-to-Gas“ oft favorisierte Gewinnung durch Wasserelektrolyse mit überschüssigem erneuerbaren Strom gilt bei praktisch realisierten Wirkungsgraden von kaum über 60 %[26] 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.[27]

Speicherung von Wasserstoff

Energiedichten im Vergleich

Brenn- und Heizwerte
BrennstoffBrennwert / MasseDichteBrennwert / VolHeizwert / Vol
Wasserstoff[28]39,39 kWh/kg = 141,8 MJ/kg0,090 kg/m³03,54 kWh/m³ = 12,7 MJ/m³03,0 kWh/m³ = 10,8 MJ/m³
Methan CH4[29]13,90 kWh/kg = 050,0 MJ/kg0,720 kg/m³10,00 kWh/m³ = 36,0 MJ/m³09,0 kWh/m³ = 32,4 MJ/m³
Erdgas „H“[30]13,90 kWh/kg = 050,0 MJ/kg0,800 kg/m³11,10 kWh/m³ = 40,0 MJ/m³10 kWh/m³ = 36,0 MJ/m³
Diesel[31]12,50 kWh/kg = 045,0 MJ/kg0,830 kg/L10,50 kWh/L = 37,8 MJ/L09,80 kWh/L = 35,3 MJ/L
Benzin[32]12,00 kWh/kg = 043,0 MJ/kg0,750 kg/L09,00 kWh/L = 32,4 MJ/L08,30 kWh/L = 30,0 MJ/L

Auf das Volumen bezogen:[33]

  • Wasserstoff (flüssig, also tiefkalt): 2360 kWh/m³
  • Benzin: 8760 kWh/m³
  • Erdgas (20 MPa = 200 bar): 2580 kWh/m³
  • Wasserstoffgas (20 MPa): 530 kWh/m³
  • Wasserstoffgas (Normaldruck): 3 kWh/m³

Kernfusion

Am 31. Oktober 1952 wurde erstmals von Menschenhand Energie im Megatonnen-Maßstab durch Kernfusion freigesetzt – in der Wasserstoffbombe „Ivy Mike“

Kernfusion in der Sonne und in Sternen

Mit Wasserstoffbrennen wird die Kernfusion von Wasserstoff zu Helium im Inneren von Sternen bezeichnet. Diese Reaktion stellt in normalen Sternen während des Großteils ihres Lebenszyklus die wesentliche Energiequelle dar. Sie hat trotz ihres historisch bedingten Namens nichts mit einer chemischen Verbrennung zu tun.

Der Prozess der Kernfusion kann beim Wasserstoffbrennen auf zwei Arten ablaufen, bei denen auf verschiedenen Wegen jeweils vier Protonen, die Atomkerne des Wasserstoffs, in einen Heliumkern 4He umgewandelt werden:

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 = mc². Sie resultiert aus der Kernbindungsenergie der Nukleonen, der Kernbausteine.

Fusionswaffen

1952 testeten die Vereinigten Staaten die erste Wasserstoffbombe. Brennstoff war 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:

Fusionsreaktoren

Physiker forschen an einer friedlichen Nutzung der Kernverschmelzung zur Energiegewinnung in Kernfusionsreaktoren. Am weitesten fortgeschritten sind Versuche, die Reaktion in einem Plasma kontrolliert ablaufen zu lassen. Die dazu nötigen sehr hohen Temperaturen sind schwierig zu realisieren. Anders als Wasserstoffbomben werden Reaktoren voraussichtlich nur die Deuterium-Tritium-Reaktion zur Energiegewinnung nutzen können.

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 aktive Rollen, so bei einigen Koenzymen wie 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).[34]

Ökologische Bedeutung

Das Treibhauspotential von Wasserstoff ist bisher nur wenig untersucht. Die Schätzungen reichen vom 1,9 bis zum 16fachen der Wirkung von Kohlenstoffdioxid, bei einem Zeithorizont von 100 Jahren.[35] Eine 2023 publizierte Studie ermittelte über den Zeithorizont von 100 Jahren ein Treibhauspotential von 11,6 ±2,8, womit es 11,6 mal stärker wirkt als Kohlenstoffdioxid.[36]

Dabei ist Wasserstoff allerdings kein direktes Treibhausgas, denn es absorbiert keine Infrarotstrahlung. Stattdessen beeinflusst es das Vorkommen anderer Treibhausgase, sodass es indirekt Einfluss auf den Treibhauseffekt nimmt. Wenn H2 in die Atmosphäre gelangt, reagiert es mit dem dort vorkommenden Hydroxylradikal und bildet Wasser. Dadurch steht zum einen zunächst weniger Hydroxylradikal zur Verfügung, welches eine wichtige Reinigungsfunktion hat, um Methan und andere Treibhausgase mit noch höherer Klimawirkung als Wasserstoff abzubauen. Zum anderen entsteht dabei Wasserdampf, welcher in der Stratosphäre ebenfalls eine hohe Klimawirkung hat. Laut einer von der britischen Regierung in Auftrag gegebenen Studie aus dem Jahr 2022 soll eine Tonne Wasserstoff über einen Zeitraum von 100 Jahren die Atmosphäre der Erde etwa elf Mal so stark erwärmen wie eine Tonne CO2. Allerdings kommen die Autoren ebenfalls zu dem Schluss, dass auch in den pessimistischsten Szenarien die schädlichen Effekte weit weniger gravierend sind als diejenigen, die das durch die Nutzung von klimaneutral hergestelltem Wasserstoff eingesparte CO2 haben würde.[37] Trotz der klimaschädlichen Wirkung wird H2 nicht in der Liste der Treibhausgase des Pariser Klimaschutzabkommens und den Inventaren der Klimarahmenkonventionen §12 aufgeführt. Es kann deshalb nicht in nationalen Klimabilanzen verrechnet werden.[35]

Bedeutung im Leistungssport

Aufgrund der Wirkung als Antioxidans hat Wasserstoff eine leistungssteigernde Wirkung bei anaeroben Belastungen. Er kann sowohl niedrig dosiert im Training über einen längeren Zeitraum verwendet werden als auch hochdosiert unmittelbar vor bzw. während des Wettkampfes, z. B. in Halbzeitpausen.[38] Er kann sowohl zum unmittelbaren Gebrauch Getränken beigefügt werden als auch in Gasform ähnlich wie bei Sauerstoff z. B. über eine Maske eingeatmet werden.[39] Nur die intravenöse Verabreichung ist durch die Anti-Doping-Bestimmungen verboten.[40]

Sicherheitshinweise

Wasserstoff ist extrem entzündbar (alte Bezeichnung: 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.[41] Gemische mit Chlor oder Fluor sind schon durch Ultraviolettstrahlung entzündbar (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 nicht als gesundheitsschädlich oder umweltgefährdend eingestuft. Daher ist kein AGW-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.[42] Durch rasch austretendes Gas können bei Kontakt mit der Haut Kälteverbrennungen auftreten.

Gemische aus Luft mit einem Volumenanteil von 4 % bis 76 % Wasserstoff sind entzündbar. Ab einem Volumenanteil von 18 % in Luft ist das Gemisch explosiv (Knallgas). Aufgrund der hohen Diffusionsneigung und der geringen Dichte verflüchtigt sich Wasserstoff in offener Umgebung häufig, bevor es zur Bildung eines explosiven Gemischs kommt, oder brennt in heißen Umgebungen beim Erreichen der Konzentrationsgrenze von 4 % ab. Die Zündtemperatur in Luft beträgt 560 °C. Bei der Handhabung ist der Wasserstoff von Zündquellen, dazu gehören elektrostatische Entladungen, fernzuhalten. Die Lagerung der Behälter sollte fern von oxidierenden Gasen (Sauerstoff, Chlor) und anderen oxidierenden (brandfördernden) Stoffen erfolgen.

Wasserstoff kann wegen seiner geringen Größe durch viele Feststoffe hindurchdiffundieren, das heißt, Gas kann langsam durch ungeeignete Materialien austreten. Die für Gastanks und Leitungen verwendeten Materialien und ‑stärken berücksichtigen dies, sodass keine größeren Risiken bestehen als z. B. bei der Verwendung von Benzin.[43][44][45] 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:

(exotherme Reaktion)
Wasserstoff reagiert mit Sauerstoff zu Wasser

Mit der gleichen Reaktion verbrennt Wasserstoff mit einer schwach bläulichen Flamme, wenn man ihn gleich an der Austrittsstelle entzündet (Pfeifgas).

Die Knallgasprobe ist die „klassische“ Methode zum Nachweis und ist besonders in Schulversuchen beliebt.

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:

  • Die Umsetzung des entsprechenden Elements E mit Wasserstoff (H2; Hydrogenolyse)
Ein Element reagiert mit Wasserstoff bei Energiezufuhr zum entsprechenden Elementwasserstoff.
  • Die Reaktion von Metallverbindungen des Typs MnE mit Wasserstoffsäuren (H+; Protolyse)
Eine Metallverbindung des Elements E reagiert mit einer Säure HA zum Elementwasserstoff und einem Metallsalz.
  • Die Umsetzung von Halogenverbindungen (EHaln) mit Hydriden (H; Hydridolyse)
Hydridionen setzen aus einer Halogenverbindung des Elements E den entsprechenden Elementwasserstoff frei.

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 einen Stoffmengenanteil von 10 % 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

Schematische Darstellung verschiedener Wasserstoffoxide. Die Atomradien sind maßstabsgetreu.

Die kovalenten Wasserstoffverbindungen der Elemente der IV. bis VII. Hauptgruppe des Periodensystems sowie Borwasserstoffe sind Säuren nach der Definition von Johannes Nicolaus Brønsted, 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.

Siehe auch

Literatur

Chemie

Technik

  • Peter Kurzweil: Brennstoffzellentechnik. 1. Auflage. Vieweg Verlag, Wiesbaden 2003, ISBN 3-528-03965-5.
  • Udo Schelling: Brennstoffzellen. In: Richard Zahoransky (Hrsg.): Energietechnik. 5., überarb. u. erw. Auflage. Vieweg+Teubner Verlag, Wiesbaden 2010, ISBN 978-3-8348-1207-0, S. 203ff.
  • Helmut Eichlseder, Manfred Klell: Wasserstoff in der Fahrzeugtechnik. 1. Auflage. Vieweg+Teubner Verlag, Wiesbaden 2008, ISBN 978-3-8348-0478-5.
  • Rex A. Ewing: Hydrogen – A Journey Into a World of Hydrogen Energy and Fuel Cells. Pixyjack Press, Masonville CO 2004, ISBN 0-9658098-6-2.

Bedeutung

Commons: Wasserstoff – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
Wiktionary: Wasserstoff – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Einzelnachweise

  1. Harry H. Binder: Lexikon der chemischen Elemente – das Periodensystem in Fakten, Zahlen und Daten. S. Hirzel Verlag, Stuttgart 1999, ISBN 3-7776-0736-3.
  2. Die Werte für die Eigenschaften (Infobox) sind, wenn nicht anders angegeben, aus www.webelements.com (Wasserstoff) entnommen.
  3. Angegeben ist der von der IUPAC empfohlene Standardwert, da die Isotopenzusammensetzung dieses Elements örtlich schwanken kann, ergibt sich für 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. IUPAC, Standard Atomic Weights Revised 2013.
  5. Eintrag zu hydrogen in Kramida, A., Ralchenko, Yu., Reader, J. und NIST ASD Team (2019): NIST Atomic Spectra Database (ver. 5.7.1). Hrsg.: NIST, Gaithersburg, MD. doi:10.18434/T4W30F (physics.nist.gov/asd). Abgerufen am 11. Juni 2020.
  6. a b Eintrag zu hydrogen bei WebElements, www.webelements.com, abgerufen am 11. Juni 2020.
  7. a b c d Eintrag zu Wasserstoff in der GESTIS-Stoffdatenbank des IFA, abgerufen am 23. Oktober 2021. (JavaScript erforderlich)
  8. 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 maßeinheitslose SI-Wert.
  9. a b Yiming Zhang, Julian R. G. Evans, Shoufeng Yang: Corrected Values for Boiling Points and Enthalpies of Vaporization of Elements in Handbooks. In: Journal of Chemical & Engineering Data. 56, 2011, S. 328–337, doi:10.1021/je1011086.
  10. Eintrag zu Hydrogen im Classification and Labelling Inventory der Europäischen Chemikalienagentur (ECHA), abgerufen am 1. August 2016. Hersteller bzw. Inverkehrbringer können die harmonisierte Einstufung und Kennzeichnung erweitern.
  11. a b c d Theodore L. Brown, H. Eugene LeMay, Bruce E. Bursten: Chemie. Die zentrale Wissenschaft. Pearson Studium, 2007, ISBN 978-3-8273-7191-1, S. 1087–1090.
  12. Jürgen Sültenfuß: Das Radionuklid Tritium im Ozean: Messverfahren und Verteilung von Tritium im Südatlantik und im Weddellmeer. Dissertation. In: Berichte zur Polarforschung. Nr. 256, 1998, 1.1 Das Isotop Tritium, S. 2–4, doi:10.2312/BzP_0256_1998 (awi.de [PDF]).
  13. Ernst F. Schwenk: Sternstunden der frühen Chemie. Verlag C. H. Beck, 1998, ISBN 3-406-45601-4.
  14. Martin Carrier, Cavendishs Version der Phlogistonchemie oder: Über den empirischen Erfolg unzutreffender theoretischer Ansätze, in: J. Mittelstraß, Chemie und Geisteswissenschaften, Akademie Verlag, Berlin 1992, S. 35–52, (online)
  15. The composition of the Earth. (PDF) Archiviert vom Original am 28. September 2011; abgerufen am 16. Dezember 2019.
  16. H (Hydrogen). Webmineral – Mineral Species sorted by the element (englisch).
  17. a b Eintrag zu Wasserstoff. In: Römpp Online. Georg Thieme Verlag, abgerufen am 2. Januar 2015.
  18. Nist Datenbank: Saturation Properties for Hydrogen — Temperature Increments. National Institute of Standards and Technology, abgerufen am 6. Juli 2020.
  19. GIT Labor-Fachzeitschrift. Heft 9/2013, S. 596, nach Jürgen Quadbeck-Seeger (Hrsg.): Chemie Rekorde. Wiley-VCH.
  20. a b c d Eintrag zu Wasserstoff. In: P. J. Linstrom, W. G. Mallard (Hrsg.): NIST Chemistry WebBook, NIST Standard Reference Database Number 69. National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg MD.
  21. a b Anm. Nur für die 2 schwereren Isotope des Wasserstoffs werden eigene chemische Zeichen benutzt.
  22. D. Lal, B. Peters: Cosmic ray produced radioactivity on the earth. In: Handbuch der Physik. Band 46/2, Springer, Berlin 1967, S. 551–612.
  23. George A. Jeffrey: An Introduction to Hydrogen Bonding. Oxford University Press, 1997, ISBN 0-19-509549-9.
  24. Verordnung (EG) Nr. 1333/2008 in der konsolidierten Fassung vom 31. Oktober 2022
  25. Wasserstoff als Energieträger der Zukunft (Memento vom 26. Oktober 2012 im Internet Archive) VDE; abgerufen am 11. April 2012.
  26. energieagentur.nrw Information der Energieagentur Nordrhein-Westfalen zu Brennstoffzelle und Wasserstoff: alkalische Elektrolyse/Lurgi-Verfahren, abgerufen am 11. August 2020
  27. [Rüdiger Paschotta]: Power to Gas – ein Hype? In: energie-lexikon.info. Abgerufen am 19. Dezember 2022.
  28. Rüdiger Paschotta: Wasserstoff. In: energie-lexikon.info. Abgerufen am 19. Dezember 2022.
  29. Rüdiger Paschotta: Methan. In: energie-lexikon.info. Abgerufen am 19. Dezember 2022.
  30. Rüdiger Paschotta: Erdgas. In: energie-lexikon.info. Abgerufen am 19. Dezember 2022.
  31. Rüdiger Paschotta: Dieselkraftstoff. In: energie-lexikon.info. Abgerufen am 19. Dezember 2022.
  32. Rüdiger Paschotta: Benzin. In: energie-lexikon.info. Abgerufen am 19. Dezember 2022.
  33. Stephan Glante: Untersuchungen zur Synthese von ZIF-8 und Wasserstoffspeicherung in ausgewählten metall-organischen Gerüstverbindungen opus4.kobv.de, 6. Juni 2019, abgerufen am 5. November 2022.
  34. 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. Band 77, Nr. 2, Januar 2010, S. 101–109, doi:10.1038/ki.2009.421, PMID 19907413.
  35. a b Umweltbundesamt; Ist Wasserstoff treibhausgasneutral? Tabelle 1: Treibhauspotentialwerte von Wasserstoff
  36. Maria Sand et al.: A multi-model assessment of the Global Warming Potential of hydrogen. In: communications earth & environment. Band 4, 2023, doi:10.1038/s43247-023-00857-8.
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  38. Botek, M., Krejčí, J., McKune, A.J. et al. (2019), Hydrogen Rich Water Improved Ventilatory, Perceptual and Lactate Responses to Exercise. Int J Sports Med 40(14), 879-885.
  39. Aoki, K., Nakao, A., Adachi, Tusdm et al. (2012): Pilot study: Effects of drinking hydrogen-rich water on muscle fatigue caused by acute exercise in elite athletes. In: Med Gas Res. 2 (12). doi:10.1186/2045-9912-2-12
  40. Arnd Krüger: Wasserstoff. Leistungssport. 50, (2020), 2, S. 29–32.
  41. Axel Stepken:Wasserstoff – So sicher wie Benzin (Memento vom 22. Dezember 2015 im Internet Archive), Medienforum Deutscher Wasserstofftag, 2003. (PDF; 704 kB).
  42. Helmut Eichlseder, Manfred Klell: Wasserstoff in der Fahrzeugtechnik. 2010, ISBN 978-3-8348-0478-5.
  43. Spektakulärer Test zeigt: Wasserstoff im Auto muss nicht gefährlicher sein als Benzin. In: wissenschaft.de. 3. Februar 2003, abgerufen am 8. September 2019.
  44. Sicherheitsaspekte bei der Verwendung von Wasserstoff (Memento vom 6. März 2012 im Internet Archive) Quelle: Hycar.
  45. Crashversuch der University of Miami auf YouTube