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Wasserstoff

Sicherheitshinweise
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung aus EU-Verordnung (EG) 1272/2008 (CLP) 
Gefahr
H- und P-Sätze H:
  • Extrem entzündbares Gas.
  • Enthält Gas unter Druck; kann bei Erwärmung explodieren.
EUH: keine EUH-Sätze
P:
  • Von Hitze / Funken / offener Flamme / heißen Oberflächen fernhalten. Nicht rauchen.
  • Brand von ausströmendem Gas: Nicht löschen, bis Undichtigkeit gefahrlosbeseitigt werden kann.
  • Alle Zündquellen entfernen, wenn gefahrlos möglich.-
    An einem gut belüfteten Ort aufbewahren.
 
Gefahrstoffkennzeichnung aus RL 67/548/EWG, Anh. I 
Hoch-
entzündlich
(F+)
R- und S-Sätze R: Hochentzündlich.
S:
  • Darf nicht in die Hände von Kindern gelangen. (Text nur erforderlich bei Abgabe an nichtgewerbliche Endverbraucher)
  • Behälter an einem gut gelüfteten Ort aufbewahren.
  • Von Zündquellen fernhalten — Nicht rauchen.
  • Maßnahmen gegen elektrostatische Aufladung treffen.

Wasserstoff ist ein chemisches Element mit dem Symbol H (für lateinisch hydrogenium "Wassererzeuger"; von altgriechisch hydōr "Wasser" und γίγνοµαι gignomai "werden, entstehen") und der Ordnungszahl 1. Im Periodensystem steht es in der 1. Periode und der 1. Gruppe, nimmt den ersten Platz ein.

Wasserstoff ist das häufigste chemische Element im Universum, jedoch nicht in der Erdrinde. Er ist Bestandteil des Wassers und beinah aller organischen Verbindungen, somit kommt gebundener Wasserstoff auch in sämtlichen lebenden Organismen vor.

Wasserstoff ist das leichteste der chemischen Elemente, das häufigste Isotop enthält kein Neutron und besteht aus nur einem Proton sowie einem Elektron; es heißt Protium. Unter Bedingungen, die normalerweise auf der Erde herrschen, kommt dieser atomare Wasserstoff nicht vor, stattdessen liegt Wasserstoff in der dimerisierten Form vor, dem molekularen Wasserstoff H2, einem farb- und geruchlosen Gas. Dennoch kommt es vor, dass bei bestimmten chemischen Reaktionen Wasserstoff sehr kurz atomar als H, bezeichnet als Status Nascendi, auftritt und abreagiert.

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". Er untersuchte das Gas eingehend und veröffentlichte seine Erkenntnisse darüber noch im selben Jahr.

Antoine Laurent de Lavoisier. Er gab dem Wasserstoff seinen Namen

Eine genauere Analyse geschah durch Antoine Laurent de Lavoisier, der dem Wasserstoff auch seinen Namen gab. 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 leitete Wasserdampf in einer abgeschlossenen Apparatur über glühende Eisenspäne und ließ ihn 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, dessen Masse zusammen mit dem Gewichtszuwachs des oxidierten Eisens genau der "verlorengegangenen" Wassermenge entsprach. Sein eigentliches Experiment war also erfolgreich.

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 umgekehrt auch Wasser erzeugen lässt, taufte er es hydro-gène (griechisch: hydro = Wasser; genes = erzeugend). Das Wort bedeutet demnach: "Wasserbildner". Die deutsche Bezeichnung lässt auf die gleiche Begriffsherkunft schließen.

Vorkommen

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 der dunklen Materie) ein noch höherer Anteil an Wasserstoff vermutet.

Eigenschaften
Allgemein
Name, Symbol, Ordnungszahl Wasserstoff, H, 1
Serie Nichtmetalle
Gruppe, Periode, Block 1, 1, s
Aussehen farbloses Gas
CAS-Nummer 1333-74-0
Massenanteil an der Erdhülle 0,88 %
Physikalisch
Aggregatzustand gasförmig
Dichte 0,0899 kg · m−3 bei 273 K
Magnetismus diamagnetisch (χm = −2,2 · 10-9)
Schmelzpunkt 14,01 K (-259,14 °C)
Siedepunkt 20,28 K (-252,87 °C)
Molares Volumen (fest) 11,42 · 10−6 m3/mol
Verdampfungswärme 0,458 kJ/mol
Schmelzwärme 0,558 kJ/mol
Schallgeschwindigkeit 1270 m/s bei 298,15 K
Spezifische Wärmekapazität 14304 J/(kg · K)
Wärmeleitfähigkeit 0,1805 W/(m · K)
Chemisch
Oxidationszustände +1, 0, −1
Oxide (Basizität) H2O , H2O2 (amphoter)
Normalpotential 0 V
Elektronegativität 2,2 (Pauling-Skala)

Vorkommen im Universum

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

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 2H und 4He. Die meisten Protonen blieben allerdings 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 auseinander gerissen 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 auch die Sonne.

Sterne bestehen weit überwiegend aus Wasserstoff-Plasma. Die Kernfusion von Wasserstoff 1H erfolgt hauptsächlich über die Zwischenstufen Deuterium 2H und Tritium 3H zu Helium 4He. 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.

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 und Saturn herrschen, kann er in metallischer Form existieren. Dieser Zustand ist wegen der elektrischen Leitfähigkeit vermutlich für die Ausbildung der planetaren Magnetfelder verantwortlich.

Außerhalb unseres Sonnensystems kommt Wasserstoff auch in gigantischen Gaswolken vor. In den so genannten H-I-Gebieten liegt das Element nichtionisiert und molekular 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 strahlen große Sterne hohe Mengen ionisierende Strahlung ab. Mit ihrer Hilfe 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 relativ kleinen Fernrohr sehen kann.

Irdische Vorkommen

Auf der Erde ist der Massenanteil wesentlich geringer. Bezogen auf die Erd-Gesamtmasse bestehen etwa 0,12 % und bezogen auf die Erdkruste etwa 2,9 % aus Wasserstoff. 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 und am häufigsten auftretende Verbindung ist das Wasser. Neben diesem sind auch Erdgase wie z.B. Methan sowie das Erdöl wichtige wasserstoffhaltige Verbindungen auf der Erde. Auch in mehr als der Hälfte aller bisher bekannten Minerale ist Wasserstoff enthalten.

Der größte Anteil irdischen Wasserstoffs 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 in unterirdischen Vorkommen, etwa als Grundwasser.

In der Erdatmosphäre liegt Wasserstoff hauptsächlich chemisch gebunden in Form von Wasserdampf vor. Dessen Anteil an der Luft schwankt stark und liegt bei bis zu über 4 Volumenprozent. Er wird als relative Luftfeuchtigkeit gemessen. Diese gibt den Anteil an Wasserdampf im Verhältnis zum temperaturabhängigen Sättigungsdampfdruck an. Beispielsweise entsprechen bei 30 °C Lufttemperatur 100 % Luftfeuchtigkeit 4,2 Volumenprozent Wasserdampf in der Luft.

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 7.000 km/h. 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 trotzdem 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

Einfache chemische Prozesse zur Produktion von H2 sind die Reaktion verdünnter Säuren mit unedlen Metallen (z.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.

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 Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff. Das Mengenverhältnis kann dann durch die sogenannte 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 H2 und Kohlenmonoxid.

Eine alte und effiziente Möglichkeit zur Wasserstoffgewinnung ist die Elektrolyse von Wasser. Dabei wird Wasser mit Hilfe von elektrischem Strom in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten.

\mathrm{2\ H_2O(l)\ _{\overrightarrow {\rm Elektrolyse}}\ 2\ H_2(g) + O_2(g)}
Wasser wird durch elektrischen Strom in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten.

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.

Diese Methode wird heute allerdings nur noch in sehr geringem Umfang eingesetzt, vor allem zur Gewinnung von "schwerem Wasser", das sich bei der Elektrolyse im nicht umgesetzten Rest anreichert.

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 Grünalgen. 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.

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 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.

\mathrm{H_2\ \overrightarrow{\leftarrow}\ 2\ H} \qquad \Delta H_{R}^0 = 435,0\ \mathrm\ {kJ/mol}
Durch Energiezufuhr dissoziiert molekularer Wasserstoff in die atomare Form.

Zur Darstellung von größeren Mengen atomaren Wasserstoffs sind das Woodsche Darstellungsverfahren (Robert Williams Wood, 1898) und dasjenige von Irving Langmuir besonders geeignet.

Physikalische Eigenschaften

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. Wasserstoff besitzt bei Raumtemperatur das höchste Diffusionsvermögen, die höchste Wärmeleitfähigkeit und die höchste Effusionsgeschwindigkeit aller Gase. Eine geringere Viskosität weisen nur drei- oder mehratomigereale Gase wie zum Beispiel n-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 Wasserstoff in der Lage ist räumlichen Begrenzungen zu durchwandern.

Aggregatzustände

Tank für flüssigen Wasserstoff der Firma Linde, Museum Autovision in Altlußheim

Bei Temperaturen unterhalb von 20,27 Kelvin kondensiert Wasserstoff zu einer klaren, farblosen Flüssigkeit. Dieser Zustand wird auch als LH2 abgekürzt (engl. liquid, "flüssig"). Senkt man die Temperatur weiter, dann geht Wasserstoff bei 14,02 Kelvin (-259,2 °C) in einen schlammartigen Zustand, genannt Slush über, bevor er gefriert und einen kristallinen Festkörper mit hexagonal dichtester Kugelpackung (hcp) bildet, wobei jedes Molekül von zwölf weiteren umgeben ist.

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 exakt 13,8033 Kelvin und einem Druck von 7,042 kPa. Der kritische Punkt liegt bei 33,18 K und 13,0 bar, die kritische Dichte beträgt 0,03136 g/cm3 (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.

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 sitzt 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 die anderen Schalen erreicht.

Durch Aufnahme eines Elektrons kann er also die Edelgaskonfiguration des Heliums erreichen. Er hat dann die Oxidationszahl -1 und in Bindungen einen Halogencharakter. Diese Bindungen geht er mit sehr unedlen Metallen ein. Man spricht dann von einem Hydrid.

Diese Stellung quasi "in der Mitte" zwischen Edelgaskonfigurationen, in der er die gleiche Anzahl Elektronen aufnehmen oder abgeben kann, ist eine Eigenschaft, die der IV. Hauptgruppe ähnelt, was auch seine Elektronegativität erklärt, die eher der des 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, auch teilweise Eigenschaften anderer Gruppen hinzukommen.

Molekularer Wasserstoff

Lewisformel 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:

\mathrm{Cl_2 + H_2 \rightarrow 2\ HCl}
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

\mathrm{O_2 + 2 H_2 \rightarrow 2\ H_2O}
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.

\mathrm{F_2 + H_2 \rightarrow 2\ HF}
je ein Fluor- und Wasserstoffmolekül reagieren zu zwei Fluorwasserstoffmolekülen

Atomarer Wasserstoff

Um molekularen Wasserstoff in die Atome zu zerlegen, muss Energie von etwa 4,5 eV pro Molekül oder genauer 436,22 kJ/mol aufgewendet werden (der Chemiker spricht von Enthalpie); beim Zusammenschluss zu Wasserstoffmolekülen (H2) wird diese Energie wieder freigesetzt:

\mathrm{2\ H\ \overrightarrow{\leftarrow}\ H_2} \qquad \Delta H_{R}^0 = -436{,}22\ \mathrm{kJ/mol}
Zwei H-Atome reagieren zu einem H2-Molekül und setzen dabei Energie frei.

Das Gleichgewicht dieser Reaktion liegt unter Standardbedingungen vollkommen auf der 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.

Wasserstoffbrückenbindung

Eine wichtige Eigenschaft des Wasserstoffs ist die so genannte Wasserstoffbrückenbindung, eine anziehende elektrostatische Kraft zwischen zwei Molekülen. Ist H an ein stark 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.

Da die Wasserstoffbrückenbindung mit nur 17 kJ/mol bis 167 kJ/mol schwächer ist als die Bindungskraft innerhalb eines Moleküls, verbinden sich die Moleküle nicht dauerhaft. Vielmehr bleibt die Wasserstoffbrücke wegen dieser Schwäche 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 etwa Desoxyribonukleinsäure (DNA) oder Wasser. Bei Letzterem führen diese Bindungen zu den Anomalien des Wassers, insbesondere der Dichteanomalie.

Anmerkung: Die Wasserstoffbrückenbindung sollte nicht mit der Van-der-Waals-Bindung verwechselt werden, die auf ungleichmäßigen Ladungsverteilungen bei nichtpolaren Molekülen beruht und unter anderem für den Schmelz- oder Siedepunkt einen Stoffes verantwortlich ist.

Isotope

Es existieren drei natürlich vorkommende Isotope 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 %. In jüngerer Zeit gelang es, die kurzzeitige Existenz von vier weiteren Kernen nachzuweisen (4H, 5H, 6H und 7H). Diese Kerne haben aber alle eine sehr kurze Lebensdauer (< 10-21 s).

Isotop Name Symbol Eigenschaften
   1H Protium    H Das einfachste Wasserstoff-Isotop 1H besitzt keine Neutronen im Kern und wird gelegentlich Protium genannt. Es hat mit einer relativen Häufigkeit von 99,99 % den weitaus größten Anteil am irdisch vorkommenden Wasserstoff. Es ist nicht radioaktiv, also stabil.
   2H Deuterium    D 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. Verwendung findet es z.B. als Bestandteil von Lösungsmitteln für die 1H-NMR Spektroskopie, da es dabei kein störendes Nebensignal liefert. Es macht 0,0115 % aller Wasserstoffatome aus (nach IUPAC). Deuterium ist ebenfalls stabil.
   3H Tritium    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 3H oder T gekennzeichnet. Tritium ist radioaktiv und zerfällt durch Betazerfall (β−) mit einer Halbwertszeit von 12,32 Jahren in 3He. Nach D. Lal und B. Peters wird Tritium durch Kernreaktionen in der oberen Erdatmosphäre ständig als kosmogenes Radionuklid gebildet. Bei einem Gleichgewicht von natürlicher Produktion und Zerfall ergibt sich, entsprechend der Quelle, ein Inventar von 3,5 kg auf der Erde. Tritium kann in Oberflächenwassern und in Lebewesen nachgewiesen werden. Durch Kernwaffentests ist die Konzentration des Tritiums in der Atmosphäre nach 1950 deutlich angestiegen.
  Myonium   Das Myonium besteht aus einem Kern mit einem Anti-Myon an Stelle eines Protons und einem Elektron. Auf Grund seiner Kernladungszahl von 1 e handelt es sich chemisch um Wasserstoff. Die Lebensdauer von Myonen beträgt 2 µs, so dass dieses Wasserstoffisotop nur im Teilchenbeschleuniger hergestellt werden kann. Wegen der geringen Atommasse von 0,1 u (1/36 von H) treten Isotopeneffekte bei chemischen Reaktionen besonders stark in Erscheinung, so dass damit Theorien für Reaktionsmechanismen gut überprüft werden können.
      Ein exotischer Wasserstoff mit einer Masse von 4,1 u entsteht, wenn in einem 4He-Atom ein Elektron durch ein Myon ersetzt ist. Auf Grund seiner wesentlich höheren Masse ist das Myon dicht am He-Kern lokalisiert und schirmt eine Elementarladung ab. Zusammen bilden He-Kern und Myon einen Kern mit einer Masse von 4,1 u und einer Ladung von 1 e, so dass es sich chemisch um Wasserstoff handelt. Die Lebensdauer ist wegen des Myons auf 2 µs begrenzt.

Verwendung

Jedes Jahr werden weltweit mehr als 600 Milliarden Kubikmeter Wasserstoff (rd. 30 Mio. t) für zahllose Anwendungen in Industrie und Technik produziert. Wichtige Einsatzgebiete sind:

Die beiden natürlichen Isotope haben spezielle Einsatzgebiete.

Deuterium 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 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.

Es findet auch Verwendung als langlebige, zuverlässige Energiequelle für Leuchtfarben (im Gemisch mit einem Fluoreszenzfarbstoff), vor allem in militärischen Anwendungen, aber auch in Armbanduhren. Weitere militärische Verwendung findet das Isotop in der Wasserstoffbombe und gewissen Ausführungen von Kernwaffen, deren Wirkung auf Spaltung beruht (Neutronenwaffen).

Wasserstoff als Energiespeicher

Wasserstoff wird oft als "Energieträger der Zukunft" (Wasserstoffwirtschaft), der keinerlei schädliche Emissionen, insbesondere kein Kohlendioxid, verursacht, tituliert — oft in einem Atemzug etwa mit Wind und Sonne. Derartige Aussagen sind aber mit Vorsicht zu genießen und beruhen zum Teil auf Verwechselung von Primärenergie und Energie(über)träger. Unzweifelhaft enthält Wasserstoffgas mehr Energie pro Gewichtseinheit als jeder andere chemische Brennstoff, jedoch muss Wasserstoff zunächst erst einmal energieintensiv hergestellt werden. Insofern ist Wasserstoff keine Energiequelle, sondern seine Erzeugung bietet ggf. Möglichkeiten, anderweitig gewonnene Energie (etwa aus Wind und Sonne) zu speichern. Allerdings sind auch die Probleme bei Speicherung und Transport groß. Wasserstoffatome sind aber auch in den Molekülen vieler etablierter Energieträger wie Erdöl, Erdgas oder Biomasse enthalten; Wasserstoff hat also auch einen nicht unerheblichen Anteil am Brennwert bzw. Heizwert dieser Stoffe. Die Speicherung von Wasserstoff als Kraftstoff für Kraftfahrzeuge stellt besondere Anforderungen an die Konstruktion von Wasserstoff-Tanks, einerseits im Hinblick auf Sicherheitsaspekte, andererseits aus ökonomischen Gesichtspunkten (Kosten - Nutzen).

Es konkurrieren drei Speichermethoden miteinander:

Die ersten beiden Methoden erlauben eine einfache Wiedergewinnung des Wasserstoffs. Sie genügen auch im vollem Maße den gegenwärtigen Sicherheitsanforderungen. Drucktanks mit bis zu 700bar sind Behälter, die heute als nahezu unzerstörbar gelten.

Die Speicherung in Hydriden und Nanoröhren stellt die sicherere Methode da. Die 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.a. in größeren Mengen zur gleichen Zeit.

Energiedichten im Vergleich

Auf die Masse bezogen:

Auf das Volumen bezogen:

Kernfusion

Urlaubsphotos die eigentlich keiner möchte

Schon bald nach den Anfängen der Kernphysik im ersten Viertel des 20. Jahrhunderts 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-Reaktionen, bei denen Wasserstoffkerne direkt zu Helium verschmelzen. Das konnte die Energiegewinnung in leichten Sternen, wie unserer Sonne, größtenteils erklären. Ende der 1930-er Jahre entstand eine Theorie zur Kernfusion in sehr schweren Sternen, der 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.

Der Schritt zu den Fusionswaffen gelang zuerst den USA: basierend auf der Atombombe, die ihre Energie aus der Kernspaltung bezieht, konstruierten 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. Brennstoff war allerdings nicht Wasserstoff, sondern das Isotop Deuterium. Es war die erste vom Menschen erzeugte Kernfusion.

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 JET, ein deutscher Tokamak-Reaktor in Garching sowie der Stellarator Wendelstein 7-X, welcher derzeit am Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP) in Greifswald aufgebaut wird.

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 auch aktive Rollen, so bei einigen Koenzymen wie z. B. 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, ein Potenzial, einen Protonengradienten, 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).

Sicherheitshinweise

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.

Beim Mischen mit Luft zu 4 bis 76 Volumenprozent (Vol.-%) Wasserstoff entsteht Knallgas, das bereits durch einen wenig energiereichen Funken zur Explosion gebracht werden kann. In einem ausgewogenen Mischungsverhältnis von O2 und H2 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. H2 reagiert auch heftig mit Chlor (Chlorknallgas) und Fluor.

Sauerstoff/Wasserstoffgemische mit einem Anteil von unter 10,5 Volumenprozent Wasserstoff sind schwerer als Luft und sinken zu Boden. Die Entmischung erfolgt nicht unmittelbar, so das bis zur Unterschreitung der 4 Volumenprozent Grenze die Zündfähigkeit erhalten bleibt. Beim Umgang mit Wasserstoff müssen Sicherheitsvorschriften und Entlüftungsanlagen dieses Verhalten berücksichtigen.

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. 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.

Der Austausch von Wasserstoff-Isotopen in chemischen Verbindungen kann die Toxizität der entsprechenden Verbindung beeinflussen. So ist Schweres Wasser (D2O) — das Isotop 1H wurde gegen 2H (Deuterium) ausgetauscht — im Vergleich zu Wasser für viele Lebewesen giftig. Die für Menschen gefährliche Menge ist aber recht groß und im Regelfall kaum zu erreichen.

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:

\mathrm{2\ H_2 + O_2 \rightarrow 2\ H_2O} (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. Sehr viel genauer lässt sich das Element mit Hilfe der Kernspinresonanzspektroskopie (kurz NMR; nuclear magnetic resonance) nachweisen, die daher bevorzugt im Laborbetrieb angewandt wird. Dabei macht man sich quantenmechanische Gegebenheiten zu Nutze: Der Kernspin 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.

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).

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:

\mathrm{\frac{1}{x}\ E_x + \frac{n}{2}\ H_2\ \overrightarrow{\leftarrow}\ EH_n}
Ein Element reagiert mit Wasserstoff bei Energiezufuhr zum entsprechenden Elementwasserstoff.
\mathrm{M_nE + n\ HA\ \overrightarrow{\leftarrow}\ n\ MA + EH_n}
Eine Metallverbindung des Elements E reagiert mit einer Säure HA zum Elementwasserstoff und einem Metallsalz.
\mathrm{EHal_n + n\ H^-\ \overrightarrow{\leftarrow}\ n\ Hal^- + EH_n}
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 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 Stöchiometrien zu beobachten: VH0,05, NbH0,11 und TaH0,22. Ab 200 Grad Celsius 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 kovalenten Wasserstoffverbindungen der Elemente der IV. bis VII. Hauptgruppe des Periodensystems sowie Borwasserstoffe sind Säuren nach der Definition von Brønsted, geben also Protonen an andere Verbindungen ab.

\mathrm{EH_n\, \overrightarrow{\leftarrow}\, EH^-_{n-1} + H^+}

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.

\mathrm{EH_n + H^+\, \overrightarrow{\leftarrow}\, EH^+_{n+1}}
pH-Wert

Ursache für die Acidität oder Basizität einer wässrigen Lösung ist die Stoffkonzentration an Protonen (H+-Ionen). Den negativen dekadischen Logarithmus dieser Konzentration nennt man pH-Wert. Z. B. 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 Standardbedingungen 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 Kohlenwassersalbedingungen 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:

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Basierend auf einem Artikel in Wikipedia.de


 
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Datum der letzten Änderung:  Jena, den: 22.12. 2023