Wasserstoff

Grundlagen und Vorkommen

Wasserstoff ist das chemische Element mit dem Symbol H und der Ordnungszahl 1. Es steht in der 1. Periode und der 1. IUPAC-Gruppe des Periodensystems und gehört zu den Nichtmetallen. Sein häufigstes Isotop besitzt nur ein Proton und ein Elektron. Unter Normalbedingungen liegt Wasserstoff nicht atomar, sondern als molekularer Wasserstoff H₂ vor: als farb- und geruchloses Gas.

Mit etwa 70 % Massenanteil ist Wasserstoff das häufigste Element im Universum. Im Sonnensystem stellt er etwa 75 % der Masse beziehungsweise 93 % aller Atome dar. Auf der Erde ist sein Anteil deutlich kleiner; der Artikel nennt 0,87 % der Erdhülle beziehungsweise etwa 0,03 % der Erdgesamtmasse. Die unterschiedlichen Angaben beziehen sich auf verschiedene Bezugsgrößen.

Der größte Teil des irdischen Wasserstoffs ist im Wasser gebunden. Die Erde besitzt etwa 1,386 Milliarden km³ Wasser, davon 96,5 % Salzwasser und 3,5 % Süßwasser. Wasserstoff kommt außerdem in Methan, Erdöl, Mineralen, Pflanzen und allen bekannten Lebewesen vor. Molekularer Wasserstoff macht in der Atmosphäre nur 0,55 ppm aus. Gründe sind sein leichtes, schnelles Molekül, das teilweise aus der Atmosphäre entweicht, sowie seine Reaktion mit Sauerstoff zu Wasser.

Im Universum bildeten sich kurz nach dessen Entstehung aus Protonen und Neutronen leichte Atomkerne, darunter Deuterium und Helium. Die meisten Protonen blieben als Kerne des späteren ¹H erhalten. Nach etwa 380.000 Jahren konnten sich daraus stabile Wasserstoffatome bilden. Durch Gravitation entstanden Wasserstoffwolken, Galaxien und Sterne. In H-I-Gebieten liegt neutraler atomarer Wasserstoff vor; seine Strahlung bei etwa 1420 MHz bildet die 21-cm-Linie. Ionisierte Wasserstoffwolken heißen H-II-Gebiete.

Stand Mai 2026 wird nur ein kleines Vorkommen von H₂-Gas in Mali ausgebeutet. Unter den Pyrenäen wird ein Vorkommen für möglich gehalten, falls Mantelgestein auf 8–12 km Tiefe aufsteigt und dort bei 200–350 °C durch eindringendes Grundwasser aus Olivin Serpentinit und Wasserstoff bildet.

Physikalische Eigenschaften und Isotope

Wasserstoff besitzt die geringste Dichte aller Elemente. H₂ ist etwa 14,4-mal weniger dicht als Luft. Die Dichte des Gases beträgt 0,0899 kg/m³ bei 273 K; flüssiger Wasserstoff hat 0,0709 g/cm³ bei 20,324 K. Er ist schlecht wasserlöslich: Bei 20 °C und Normaldruck lösen sich 19,4 ml/l beziehungsweise 1,6 mg/l. In Metallen ist die Löslichkeit deutlich höher.

Der Schmelzpunkt liegt je nach Angabe bei 14,01 beziehungsweise 14,02 K, der Siedepunkt bei 21,15 K. Unter 21,15 K ist H₂ flüssig, unter etwa 14,02 K fest. Der Tripelpunkt liegt bei 13,8033 K und 7,042 kPa, der kritische Punkt bei 33,18 K und 13,0 bar; die kritische Dichte beträgt 0,03012 g/cm³. Unter extrem hohem Druck kann Wasserstoff metallisch und elektrisch leitfähig werden, etwa im Inneren großer Gasplaneten.

Wegen der geringen Molekülmasse bewegen sich Wasserstoffmoleküle schnell. Bei 25 °C beträgt ihre mittlere Geschwindigkeit 1770 m/s. Wasserstoff hat bei Raumtemperatur das höchste Diffusionsvermögen, die höchste Wärmeleitfähigkeit und die höchste Effusionsgeschwindigkeit aller Gase. Er diffundiert durch viele Werkstoffe und kann in Eisen, Platin und anderen Metallen Wasserstoffversprödung verursachen. H₂ ist diamagnetisch und elektrisch nicht leitend.

Das Wasserstoffatom besitzt ein Proton und ein Elektron; Deuterium und Tritium enthalten zusätzlich ein beziehungsweise zwei Neutronen. Das Bohrsche Atommodell erklärt die Spektrallinien durch Elektronenübergänge zwischen Energieniveaus. Sichtbare Linien der Balmer-Serie liegen unter anderem bei 656 nm, 486 nm, 434 nm und 410 nm. Weitere Serien sind Lyman im Ultraviolett sowie Paschen, Brackett und Pfund im Infrarot. Die quantenmechanische Beschreibung verwendet Atomorbitale; für das Wasserstoffatom lässt sich das Eigenwertproblem analytisch lösen.

Natürlich vorkommende Isotope sind ¹H, ²H und ³H. ¹H (Protium) ist mit etwa 99,98 % beziehungsweise 99,9855(78) % stabil und enthält kein Neutron. ²H (Deuterium, D) ist mit etwa 0,015 % beziehungsweise 0,0145(78) % ebenfalls stabil. ³H (Tritium, T) ist radioaktiv, zerfällt mit einer Halbwertszeit von 12,32 Jahren durch β⁻-Zerfall zu ³He und kommt nur in kleinsten Mengen vor. Die schwereren Isotope ⁴H bis ⁷H leben nur etwa 10⁻²² bis 10⁻²¹ s.

H₂ besteht aus Ortho- und Parawasserstoff. Ortho-Wasserstoff besitzt Gesamtspin S = 1 und ungerade Rotationsquantenzahlen J; Para-Wasserstoff besitzt S = 0 und gerade J. Bei 0 K liegt ausschließlich Para-Wasserstoff vor, oberhalb von etwa 200 K beträgt das Verhältnis Ortho zu Para 3:1. Dieser Übergang ist bei der Herstellung von Flüssigwasserstoff wichtig, weil die Umwandlung Wärme freisetzt.

Chemisches Verhalten und Verbindungen

Wasserstoff hat die Elektronenkonfiguration 1s¹, eine Elektronegativität von 2,2 und die Oxidationszustände −1, ±0 und +1. Obwohl er in der 1. Gruppe steht, ist er wegen der kleinen K-Schale und seiner mittleren Elektronegativität kein typisches Alkalimetall. Er kann ein Elektron aufnehmen und Hydridionen H⁻ bilden oder es in kovalenten Bindungen teilweise abgeben.

Molekularer Wasserstoff ist nach der Zündung mit Sauerstoff und Chlor sehr reaktionsfähig, sonst aber vergleichsweise beständig. Die Knallgasreaktion lautet 2 H₂ + O₂ → 2 H₂O. Mit Chlor entsteht exotherm HCl: Cl₂ + H₂ → 2 HCl. Mit Fluor reagiert Wasserstoff selbst bei −200 °C explosiv zu HF. Atomarer Wasserstoff entsteht durch Dissoziation von H₂. Dafür sind 436,22 kJ/mol beziehungsweise 4,52 eV pro Molekül nötig; die Reaktion beginnt ab 1500 K und ist bei 3000 K vollständig.

„Nascierender Wasserstoff“ bezeichnet H-Atome, die unmittelbar bei einer Wasserstoff bildenden Reaktion für Sekundenbruchteile auftreten. Sie sind wesentlich reaktiver als H₂ und können beispielsweise saure Kaliumpermanganat- oder Kaliumdichromatlösungen reduzieren. Permanganat wird dabei entfärbt, Dichromat wechselt von Gelb zu Grün.

Wasserstoff bildet mit den meisten Elementen Verbindungen der allgemeinen Formel EHₙ mit n = 1, 2, 3 oder 4. Je nach Bindungspartner kann Wasserstoff positiv oder negativ polarisiert sein. Wichtige Herstellungswege sind die Reaktion eines Elements mit H₂ (Hydrogenolyse), die Protolyse einer Metallverbindung mit einer Säure sowie die Hydridolyse einer Halogenverbindung mit Hydriden.

Salzartige Hydride enthalten H⁻-Ionen und kommen vor allem mit Alkali- und Erdalkalimetallen vor. Sie reagieren meist heftig mit Wasser und setzen H₂ frei. Metallartige Verbindungen, vor allem Übergangsmetallhydride, enthalten atomaren Wasserstoff in Metallstrukturen. Bei Raumtemperatur nehmen Vanadium, Niob und Tantal beispielsweise die Mengen VH₀,₀₅, NbH₀,₁₁ und TaH₀,₂₂ auf; ab 200 °C wird eine MH-Stöchiometrie beobachtet.

Kovalente Wasserstoffverbindungen sind etwa HF, HCl, Wasser, Wasserstoffperoxid und Kohlenwasserstoffe. In Wasser bilden HF und HCl Oxoniumionen H₃O⁺ und wirken als Säuren. Wasserstoffverbindungen der Hauptgruppen IV bis VII sowie Borwasserstoffe können Protonen abgeben; Verbindungen der Hauptgruppen V bis VII können wegen freier Elektronenpaare auch Protonen aufnehmen. Der pH-Wert ist der negative dekadische Logarithmus der Protonenkonzentration. 0,001 mol H⁺ pro Liter entsprechen pH 3,0; reines Wasser hat pH 7.

Eine Wasserstoffbrückenbindung ist die elektrostatische Anziehung zwischen einem positiv polarisierten H-Atom und einem elektronegativen Bindungspartner eines anderen Moleküls. Sie ist mit 17 bis 167 kJ/mol schwächer als eine Molekülbindung, beeinflusst aber wichtige Eigenschaften von Wasser und DNA. Wasserstoffoxide sind vor allem Wasser und Wasserstoffperoxid; außerdem gibt es Dihydrogentrioxid.

Gewinnung, Speicherung und Verwendung

Kleine Mengen H₂ entstehen bei der Reaktion verdünnter Säuren mit unedlen Metallen wie Zink: verdünnte Säure + unedles Metall → H₂ + Metallsalz. Zink gibt Elektronen ab; Protonen werden zu elementarem Wasserstoff reduziert. Bei Alkalimetallen kann sogar Wasser Wasserstoff bilden, weshalb Metallbrände nicht mit Wasser gelöscht werden dürfen.

Industriell ist die Dampfreformierung von Kohlenwasserstoffen, vor allem Methan, das wichtigste Verfahren. Zunächst entsteht Synthesegas aus Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff. Durch die Wassergas-Shift-Reaktion lässt sich der Wasserstoffanteil erhöhen, allerdings entsteht Kohlendioxid. Der Wirkungsgrad von Erdgas zu Wasserstoff beträgt nur etwa 60 bis 70 %. Bei der Wasserelektrolyse wird Wasser mit elektrischer Energie gespalten: 2 H₂O(l) → 2 H₂(g) + O₂(g).

Als Energieträger ist Wasserstoff keine Primärenergie, sondern muss aus Primärenergie hergestellt werden. Bei Herstellung mit Wind-, Sonnen-, Wasser- oder Kernenergie entsteht bei seiner Nutzung kein Kohlendioxid; entsprechende Bezeichnungen sind grüner beziehungsweise rosa Wasserstoff. 2019 wurde Wasserstoff jedoch fast ausschließlich aus fossiler Primärenergie, überwiegend durch Erdgasreformierung, gewonnen. Power-to-Gas durch Elektrolyse erreichte praktisch kaum mehr als 60 % Wirkungsgrad und war laut Artikel wirtschaftlich nicht konkurrenzfähig zur Erdgasreformierung.

Wasserstoff besitzt zwar eine hohe Brennenergie pro Masse, aber eine geringe Energiedichte pro Volumen. Sein Brennwert beträgt 39,39 kWh/kg beziehungsweise 141,8 MJ/kg. Bei Normaldruck enthält ein Kubikmeter Wasserstoffgas nur 3 kWh; bei 200 bar sind es 530 kWh/m³, bei 700 bar 1855 kWh/m³ und verflüssigt 2360 kWh/m³. Zum Vergleich: Benzin erreicht 8760 kWh/m³, Erdgas 2580 kWh/m³.

Verwendet wird Wasserstoff als Energieträger beim Schweißen und als Raketentreibstoff, außerdem für Brennstoffzellen und Verbrennungsmotoren. Weitere Anwendungen sind die Kohlehydrierung zu Benzin, Diesel und Heizöl, die Gewinnung reiner Metalle aus Metalloxiden, die Ammoniakherstellung nach Haber-Bosch, die Fetthärtung zur Margarineherstellung, der Lebensmittelzusatzstoff E 949, Kühlmittel in Turbogeneratoren, flüssiger Wasserstoff als Kryogen, Traggas für Wetterballons und der Betrieb von Flammenionisationsdetektoren.

Deuterium dient in Form schweren Wassers als Moderator in Schwerwasserreaktoren und in deuterierten Lösungsmitteln für die NMR-Spektroskopie. Tritium wird als radioaktiver Marker, zur Datierung von Wasserproben und als Energiequelle für Leuchtfarben verwendet.

Kernfusion und Sternenergie

Beim Wasserstoffbrennen verschmelzen in Sternen vier Protonen schrittweise zu einem Heliumkern ⁴He. Es handelt sich trotz der Bezeichnung nicht um eine chemische Verbrennung. Der Prozess läuft hauptsächlich über die Proton-Proton-Kette oder den CNO-Zyklus (Bethe-Weizsäcker-Zyklus), an dem Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff beteiligt sind.

Dabei werden 26,7 MeV Bindungsenergie als elektromagnetische Strahlung frei. Die Masse des Heliumkerns ist wegen des Massendefekts um 0,73 % kleiner als die Masse der vier Protonen. Diese Energie versorgt Sterne über den größten Teil ihrer Lebensdauer auf der Hauptreihe.

Eine kontrollierte Nutzung in Fusionsreaktoren soll Energie erzeugen. Die Forschung konzentriert sich auf sehr heißes Plasma; die erforderlichen Temperaturen sind schwer technisch zu beherrschen. Voraussichtlich wird in Reaktoren vor allem die Deuterium-Tritium-Reaktion eingesetzt.

Die erste von Menschen ausgelöste Freisetzung von Fusionsenergie im Megatonnenmaßstab erfolgte am 31. Oktober 1952 mit der Wasserstoffbombe „Ivy Mike“. In Fusionswaffen reagieren Deuteronen unter anderem zu ³He oder Tritium sowie Neutronen und setzen mehrere MeV frei. Häufig wird Lithium-Deuterid verwendet, aus dessen Lithium durch Neutronen Tritium erbrütet wird.

Biologie, Klima und Sicherheit

Wasserstoff ist in Form von Wasser und organischen Verbindungen für alle bekannten Lebewesen unentbehrlich. Wasser dient als Medium für Zellprozesse und Stofftransporte. In NAD/NADH und der Atmungskette übertragen Wasserstoff beziehungsweise Protonen Energie; dabei entsteht über einen Protonengradienten ATP. Bei der Photosynthese wird Wasserstoff aus Wasser genutzt, um Kohlendioxid in Kohlenhydrate umzuwandeln.

Bei einem Menschen mit 70 kg Körpermasse entfallen rund 7 kg beziehungsweise 10 Gew.-% auf Wasserstoff. Nach der Atomzahl ist Wasserstoff das häufigste Element im Körper; die 7 kg entsprechen etwa 4,2 · 10²⁷ Wasserstoffatomen. Medizinisch wird molekularer Wasserstoff als Antioxidans untersucht. Im Tierversuch verbesserte wasserstoffangereichertes Trinkwasser nach Nierentransplantation unter anderem das Überleben des Transplantats und verringerte reaktive Sauerstoffspezies.

Das Treibhauspotenzial von H₂ ist nicht abschließend geklärt. Schätzungen reichen für 100 Jahre vom 1,9- bis zum 16-Fachen der Wirkung von CO₂; eine Studie von 2023 ermittelte 11,6 ± 2,8. Wasserstoff ist kein direktes Treibhausgas, weil er keine Infrarotstrahlung absorbiert. Er reagiert jedoch mit Hydroxylradikalen, wodurch der Abbau von Methan behindert und zusätzlicher Wasserdampf in der Stratosphäre gebildet wird. H₂ wird nicht in den Listen des Pariser Klimaschutzabkommens und der Klimarahmenkonventionen geführt.

Wasserstoff ist extrem entzündbar. Luft-Wasserstoff-Gemische sind bei 4 bis 76 Vol.-% entzündbar und ab 18 Vol.-% explosiv; die Zündtemperatur in Luft beträgt 560 °C. Die Flamme ist kaum sichtbar. Hohe Konzentrationen können ab etwa 30 Vol.-% durch Sauerstoffmangel zu Bewusstlosigkeit und Ersticken führen; austretendes Gas kann Kälteverbrennungen verursachen. Zündquellen und oxidierende Stoffe sind fernzuhalten. Wegen seiner hohen Diffusion müssen geeignete Materialien für Leitungen und Tanks verwendet werden.

Der klassische Nachweis ist die Knallgasprobe: Eine kleine Gasmenge wird entzündet. Ein dumpfer Knall, Pfeifen oder Bellen zeigt Wasserstoff an. Ursache ist die exotherme Reaktion 2 H₂ + O₂ → 2 H₂O. Direkt an der Austrittsstelle brennt Wasserstoff mit schwach bläulicher Flamme.