Wasserstoff – Steckbrief

Symbol: H
Ordnungszahl: 1
Atommasse: 1,008 u
Periode: 1
Gruppe: 1
Kategorie: zweiatomiges Nichtmetall
Elektronenkonfiguration: 1s¹
Elektronegativität: 2,2
Atomradius: 53 pm
Valenzelektronen: 1
Aggregatzustand (Standardbedingungen): gasförmig
Schmelzpunkt: -259,34 °C
Siedepunkt: -252,87 °C
Dichte: 0,0899 g/L
Entdeckt: 1766

Wasserstoff ist das leichteste und zugleich häufigste Element im Universum. Mit der Ordnungszahl 1 steht er ganz am Anfang des Periodensystems. Auf der Erde kommt er fast nie frei vor, sondern gebunden, vor allem im Wasser. Als Energieträger spielt Wasserstoff heute eine wichtige Rolle in der Diskussion um eine klimafreundliche Industrie.

Stellung im Periodensystem

1HWasserstoff

3LiLithium 4BeBeryllium

Zum ganzen Periodensystem

Vorkommen und Gewinnung

Im Weltall ist Wasserstoff mit großem Abstand das häufigste Element: Sterne wie unsere Sonne bestehen überwiegend aus Wasserstoff und gewinnen ihre Energie aus der Kernfusion, bei der Wasserstoffkerne zu Heliumkernen verschmelzen. Auf der Erde sieht es anders aus. Das Gas ist so leicht, dass freie Wasserstoffmoleküle aus der Atmosphäre entweichen. In der Luft findet man deshalb nur Spuren. Gebunden ist Wasserstoff dagegen überall: in jedem Wassermolekül, in Erdöl, Erdgas und Kohle sowie in allen Lebewesen, denn Zucker, Fette, Eiweiße und die DNA enthalten Wasserstoffatome.

Technisch wird Wasserstoff heute überwiegend aus Erdgas gewonnen. Bei der Dampfreformierung reagiert Methan mit Wasserdampf bei hohen Temperaturen zu Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid, in einem weiteren Schritt entsteht Kohlenstoffdioxid. Dieser sogenannte graue Wasserstoff belastet das Klima. Eine Alternative ist die Elektrolyse von Wasser: Mit elektrischem Strom wird Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. Stammt der Strom aus Wind- oder Solarenergie, spricht man von grünem Wasserstoff. Im Labor lässt sich Wasserstoff einfach herstellen, etwa indem Zink mit verdünnter Salzsäure reagiert. Als Entdecker gilt Henry Cavendish, der das Gas 1766 als eigenen Stoff beschrieb; den Namen gab ihm später Antoine Lavoisier, weil bei der Verbrennung Wasser entsteht.

Eigenschaften und Reaktionen

Wasserstoff hat die Elektronenkonfiguration 1s¹, also ein einziges Elektron, das zugleich sein Valenzelektron ist. Zwei Wasserstoffatome teilen sich ihre Elektronen und bilden das Molekül H₂. Dieses Gas ist farblos, geruchlos und mit einer Dichte von 0,0899 g/L sehr viel leichter als Luft. Erst bei -252,87 °C wird Wasserstoff flüssig, bei -259,34 °C fest. Die Elektronegativität beträgt 2,2 und liegt damit zwischen den Werten typischer Metalle und Nichtmetalle. Deshalb kann Wasserstoff in Verbindungen sowohl Elektronen teilen, wie in Wasser oder Chlorwasserstoff, als auch eines aufnehmen, wie in den Hydriden der Alkalimetalle.

Die bekannteste Reaktion ist die Knallgasreaktion: Ein Gemisch aus Wasserstoff und Sauerstoff reagiert nach dem Zünden explosionsartig zu Wasser. Diese Reaktion ist stark exotherm und dient im Unterricht als Nachweis für Wasserstoff (Knallgasprobe). Mit Halogenen bildet Wasserstoff Halogenwasserstoffe, mit Stickstoff im Haber-Bosch-Verfahren Ammoniak. Außerdem wirkt Wasserstoff als Reduktionsmittel: Er kann Metalloxiden den Sauerstoff entziehen, zum Beispiel wird aus Kupferoxid Kupfer. Im Periodensystem steht Wasserstoff in Periode 1 und Gruppe 1, obwohl er sich chemisch deutlich von den Alkalimetallen unterscheidet. Es gibt drei natürliche Isotope: Wasserstoff-1 (Protium), Wasserstoff-2 (Deuterium) und das radioaktive Wasserstoff-3 (Tritium).

Verwendung in Alltag und Technik

Die größten Mengen Wasserstoff verbraucht die chemische Industrie. Im Haber-Bosch-Verfahren entsteht aus Wasserstoff und Stickstoff Ammoniak, der Grundstoff für Düngemittel. Raffinerien nutzen Wasserstoff, um Schwefel aus Kraftstoffen zu entfernen und schwere Erdölfraktionen zu spalten. Bei der Fetthärtung werden flüssige Pflanzenöle mit Wasserstoff zu streichfähigen Fetten umgesetzt, so entsteht zum Beispiel Margarine. Auch Methanol wird aus Wasserstoff und Kohlenstoffoxiden hergestellt.

Als Energieträger gewinnt Wasserstoff an Bedeutung. In einer Brennstoffzelle reagiert er kontrolliert mit Sauerstoff zu Wasser und liefert dabei elektrischen Strom. Busse, Lastwagen und Züge mit Brennstoffzellen sind bereits im Einsatz. In der Stahlindustrie soll Wasserstoff den Koks als Reduktionsmittel ersetzen, damit bei der Eisengewinnung Wasser statt Kohlenstoffdioxid entsteht. Flüssiger Wasserstoff dient als Raketentreibstoff, etwa in den Oberstufen großer Trägerraketen. Früher füllte man Luftschiffe mit Wasserstoff; nach dem Unglück der Hindenburg wurde dafür Helium bevorzugt. Heute begegnet dir Wasserstoff im Alltag vor allem indirekt: in Dünger, Kraftstoffen und Kunststoffen, deren Herstellung ohne ihn nicht denkbar wäre.

Moleküle mit diesem Element

Wasserstoff H₂
Ammoniak NH₃
Bromwasserstoff HBr

Kurz gefragt

Welches dieser Elemente besitzt die hoechste Elektronegativitaet?

Häufige Fragen

Ist Wasserstoff gefährlich?

Wasserstoff ist nicht giftig, aber hochentzündlich. Mit Luft bildet er in einem weiten Mischungsbereich explosive Gemische, die schon ein kleiner Funke zündet. Weil das Gas so leicht ist, steigt es schnell auf und verteilt sich, in geschlossenen Räumen kann es sich aber unter der Decke sammeln. Im Labor arbeitet man deshalb mit kleinen Mengen, offenen Fenstern oder dem Abzug und ohne offene Flammen in der Nähe größerer Gasmengen; die Knallgasprobe wird nur mit wenigen Millilitern durchgeführt.

Warum steht Wasserstoff in der ersten Gruppe, obwohl er kein Metall ist?

Wasserstoff hat wie die Alkalimetalle ein einziges Valenzelektron, deshalb steht er in Gruppe 1. Chemisch verhält er sich jedoch anders: Er ist ein Gas, bildet Moleküle und gibt sein Elektron nicht so leicht ab wie Natrium oder Kalium. Manche Periodensysteme setzen ihn deshalb etwas abseits oder zeigen ihn zusätzlich über den Halogenen, weil ihm wie diesen ein Elektron zur vollen Schale fehlt.

Was ist grüner Wasserstoff?

Grüner Wasserstoff wird durch Elektrolyse von Wasser hergestellt, wobei der Strom aus erneuerbaren Quellen wie Wind oder Sonne stammt. Dabei entsteht kein Kohlenstoffdioxid. Grauer Wasserstoff kommt dagegen aus Erdgas und setzt bei der Herstellung Kohlenstoffdioxid frei. Blauer Wasserstoff ist grauer Wasserstoff, bei dem das Kohlenstoffdioxid abgeschieden und gespeichert wird.