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Wasserstoff wurde 1776 von Henry Cavendish als eigenständige Substanz anerkannt. Schema eines einfachen Wasserstoffatoms.

Wasserstoff

Atomzahl:	1	Atomischer Radius:	120 pm (Van der Waals)
Atomisches Symbol:	H	Schmelzpunkt:	-259.16 °C
Atomgewicht:	1.008	Siedepunkt:	-252.879 °C
Elektronenkonfiguration:	1s1	Oxidationszustände:	-1, +1 (ein amphoteres Oxid)

Geschichte

Aus dem griechischen Wort hydro (Wasser), und genes (bilden). Wasserstoff wurde 1776 von Henry Cavendish als eigenständige Substanz erkannt. Diagramm eines einfachen Wasserstoffatoms.

Wasserstoff ist das häufigste aller Elemente im Universum. Die schwereren Elemente entstanden ursprünglich aus Wasserstoffatomen oder aus anderen Elementen, die ursprünglich aus Wasserstoffatomen entstanden sind.

Quellen

Wasserstoff macht schätzungsweise mehr als 90 % aller Atome aus – drei Viertel der Masse des Universums! Dieses Element ist in den Sternen zu finden und spielt durch die Proton-Proton-Reaktion und den Kohlenstoff-Stickstoff-Zyklus eine wichtige Rolle bei der Energieversorgung des Universums. Stellare Wasserstofffusionsprozesse setzen gewaltige Mengen an Energie frei, indem sie Wasserstoff zu Helium verbinden.

Die Produktion von Wasserstoff beträgt allein in den USA etwa 3 Milliarden Kubikfuß pro Jahr. Wasserstoff wird hergestellt durch

• Dampf auf erhitztem Kohlenstoff,
• Zersetzung bestimmter Kohlenwasserstoffe durch Hitze,
• Reaktion von Natrium- oder Kaliumhydroxid auf Aluminium
• Elektrolyse von Wasser oder
• Verdrängung von Säuren durch bestimmte Metalle.

Flüssiger Wasserstoff ist wichtig in der Kryotechnik und bei der Erforschung der Supraleitung, da sein Schmelzpunkt nur 20 Grad über dem absoluten Nullpunkt liegt.

Tritium lässt sich leicht in Kernreaktoren herstellen und wird für die Herstellung der Wasserstoffbombe verwendet.

Wasserstoff ist der Hauptbestandteil des Jupiters und der anderen Gasriesenplaneten. In einer gewissen Tiefe im Inneren des Planeten ist der Druck so groß, dass sich fester molekularer Wasserstoff in festen metallischen Wasserstoff umwandelt.

Im Jahr 1973 hat eine Gruppe russischer Experimentatoren möglicherweise metallischen Wasserstoff bei einem Druck von 2,8 Mbar hergestellt. Beim Übergang änderte sich die Dichte von 1,08 auf 1,3 g/cm3. Bereits 1972 berichtete eine Gruppe in Livermore, Kalifornien, über ein ähnliches Experiment, bei dem sie einen Druck-Volumen-Punkt bei 2 Mbar beobachtete. Vorhersagen besagen, dass metallischer Wasserstoff metastabil sein könnte; andere haben vorhergesagt, dass er bei Raumtemperatur ein Supraleiter sein würde.

Verbindungen

Obwohl reiner Wasserstoff ein Gas ist, finden wir nur sehr wenig davon in unserer Atmosphäre. Wasserstoffgas ist so leicht, dass er im ungebundenen Zustand durch Zusammenstöße mit anderen Gasen so viel Geschwindigkeit gewinnt, dass er schnell aus der Atmosphäre herausgeschleudert wird. Auf der Erde kommt Wasserstoff hauptsächlich in Verbindung mit Sauerstoff im Wasser vor, aber auch in organischer Materie wie lebenden Pflanzen, Erdöl, Kohle usw. ist er vorhanden. In der Atmosphäre ist er als freies Element vorhanden, allerdings nur in einer Konzentration von weniger als 1 ppm nach Volumen. Als leichtestes aller Gase verbindet sich Wasserstoff mit anderen Elementen – manchmal explosionsartig – zu Verbindungen.

Verwendungen

Große Mengen Wasserstoff werden kommerziell für die Stickstofffixierung nach dem Haber-Ammoniak-Verfahren und für die Hydrierung von Fetten und Ölen benötigt. Er wird auch in großen Mengen bei der Methanolherstellung, der Hydrodealkylierung, dem Hydrocracken und der Entschwefelung verwendet. Weitere Verwendungszwecke sind Raketentreibstoff, Schweißen, Herstellung von Salzsäure, Reduktion von Metallerzen und Füllen von Ballons.

Die Hubkraft von 1 Kubikfuß Wasserstoffgas beträgt etwa 0,07 lb bei °C, 760 mm Druck.

Die Wasserstoff-Brennstoffzelle ist eine sich entwickelnde Technologie, die es ermöglichen wird, große Mengen an elektrischer Energie aus einer Wasserstoffgasquelle zu gewinnen.

Eine gesamte Wirtschaft, die auf solar- und nuklear erzeugtem Wasserstoff basiert, wird in Erwägung gezogen. Die öffentliche Akzeptanz, die hohen Investitionskosten und die hohen Kosten von Wasserstoff im Vergleich zu den heutigen Brennstoffen sind nur einige der Probleme, mit denen eine solche Wirtschaft zu kämpfen hat. In abgelegenen Regionen gelegene Kraftwerke würden Meerwasser elektrolysieren; der erzeugte Wasserstoff würde über Pipelines in weit entfernte Städte transportiert. Umweltfreundlicher Wasserstoff könnte Erdgas, Benzin usw. ersetzen und als Reduktionsmittel in der Metallurgie, chemischen Verarbeitung, Raffination usw. dienen. Er könnte auch verwendet werden, um Müll in Methan und Ethylen umzuwandeln.

Formen

Abgesehen von den Isotopen hat sich gezeigt, dass Wasserstoffgas unter normalen Bedingungen ein Gemisch aus zwei Arten von Molekülen ist, die als ortho- und para-Wasserstoff bezeichnet werden und sich durch die Spins ihrer Elektronen und Kerne voneinander unterscheiden.

Normaler Wasserstoff enthält bei Raumtemperatur 25% der para-Form und 75% der ortho-Form. Die ortho-Form kann nicht in reinem Zustand hergestellt werden. Da sich die beiden Formen energetisch unterscheiden, sind auch die physikalischen Eigenschaften unterschiedlich. Die Schmelz- und Siedepunkte von Parawasserstoff sind etwa 0,1°C niedriger als die von normalem Wasserstoff.

Isotope

Das gewöhnliche Isotop des Wasserstoffs, H, ist als Protium bekannt, die beiden anderen Isotope sind Deuterium (ein Proton und ein Neutron) und Tritium (ein Proton und zwei Neutronen). Wasserstoff ist das einzige Element, dessen Isotope unterschiedliche Namen haben. Deuterium und Tritium werden beide als Brennstoff in Kernfusionsreaktoren verwendet. Ein Deuteriumatom kommt in etwa 6000 gewöhnlichen Wasserstoffatomen vor.

Deuterium wird als Moderator verwendet, um Neutronen abzubremsen. Tritium-Atome sind ebenfalls vorhanden, aber in viel geringeren Mengen. Tritium wird leicht in Kernreaktoren erzeugt und bei der Herstellung von Wasserstoffbomben (Fusionsbomben) verwendet. Es wird auch als radioaktives Mittel bei der Herstellung von Leuchtfarben und als Tracer verwendet.