Element-Lehre #01 - Wasserstoff

Element-Daten:

Ordnungszahl: 1
Aussehen: farbloses Gas (H₂)
Atommasse: 1,008 g/Mol
Elektronenkonfiguration: +1

Als nach dem Urknall die Materie entstand, bildete sich daraus rund 75% Wasserstoff. Das erste Element im Periodensystem macht selbst 13,8 Milliarden Jahre nach dem Urknall den größten Masseanteil der Materie im Universum aus, aber es wird immer weniger.

Ebenfalls 75% der Masse in unserem Sonnensystem kommt vom Wasserstoff. Wenn es nach der Anzahl der Atome geht, kommt das Wasserstoffatom sogar auf 93%. Das meiste davon befindet sich in den Gasplaneten Jupiter, Saturn, Uranus, Neptun und natürlich unserer Sonne.

Während das leichteste aller Elemente in den Gasplaneten vor sich hin existiert, verrichtet es in der Sonne Schwerstarbeit. Durch den enormen Druck und die Hitze im Stern, kommt es zu einer Kernfusion. Je zwei Wasserstoffatome fusionieren hier zu einem Heliumatom. Bei dieser Fusion wird eine gewaltige Energie frei, die sich in Form von Hitze und Licht in den Raum entlädt und dabei, neben dem Wasser auf der Erde, unseren Planeten mit Leben füllt. Wasserstoff ist somit das Fundament unserer materiellen Existenz.

Wasserstoff kommt auf der Erde vorwiegend in Wassermolekülen vor. Davon gibt es zwar auf unserem Planeten reichlich, dennoch macht es auf dem ganzen Planeten nur 0,12% aus. Zum Vergleich: Den ersten Platz nimmt Sauerstoff ein, mit ganzen 32%. Die Silbermedaille bekommt dabei Eisen mit 29%, Silizium holt sich mit 17% Bronze ab. In der Erdkruste – und damit ist auch die Oberfläche gemeint – kommt Wasserstoff am neunthäufigsten vor, noch vor Schwefel, Kupfer und Gold.

Man sollte also meinen, dass die Menschen schon sehr früh über Wasserstoffatome gestolpert sein sollten, aber weit gefehlt. Erst im 17. und 18. Jahrhundert bemerkte man bei Experimenten zwischen Metallen und Säure, dass sich bei der Auflösung des Metalls ein Gas bildet. Im Jahr 1776 wurde dies vom englischen Chemiker und Physiker Henry Cavendish schriftlich festgehalten.

Ein Beispiel mit Zink und Salzsäure. Gibt man Zink in die Säure, löst sich das Metall auf und es entweicht molekularer Wasserstoff. Da die Reaktion sehr schnell vor sich geht, ist die Gasbildung in Form von Luftbläschen nicht zu übersehen.

Formel: Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂

Wasserstoff ist ein brennbares, farbloses Gas und lässt sich durch eine sogenannte Knallgasprobe nachweisen, allerdings ergeben andere Gase wie Methan mit Sauerstoff gleiche Resultate. Als Gas (H₂) kommt es in der Natur nur selten vor, in den meisten Fällen ist es in der H₂O-Verbindung zu finden. Selbst als der Wasserstoff entdeckt wurde, hielt man Wasser noch für ein eigenes Element. Erst als man Sauerstoff 1774 als Element entdeckte, war klar, dass Wasser kein eigenes Element sein konnte und so gab man 1784 dem Wasserstoff den Namen „Wasser erzeugenden Stoff“ - oder auch „Hydrogen“, weshalb wir im Periodensystem ein „H“ als Symbol sehen.

Die Ladungszahl von Wasserstoff beträgt +1. Es gibt somit ein Elektron ab und was übrig bleibt, ist das Proton im Kern. Es geht, energetisch gesehen, gerne Verbindungen mit Halogenen ein und bildet Salzsäure (HCl), Flusssäure (HF) oder Bromwasserstoff (HBr), ein giftiges und farbloses Gas. Aber auch mit Elementen der Sauerstoffgruppe fühlt es sich wohl, wie etwa dem Wasser (H₂O) oder Schwefelwasserstoff (H₂S). Das ist zwar, wie das Bromwasserstoff, ebenfalls giftig, aber dafür stinkt es ausreichend um es rechtzeitig zu bemerken.

Mit den Kohlenwasserstoffen gibt es sogar eine ganze Stoffgruppe chemischer Verbindungen zwischen Wasserstoff und Kohlenstoff. Methan, Ethan und Benzol sind von denen sogar im Volksmund relativ geläufig.

Die Chlorkohlenwasserstoffe sind ebenfalls nicht unbekannt. Diese Stoffgruppe von organischen Verbindungen werden oft als Pflanzenschutzmittel verwendet, aber auch als Bestandteil von PVC.

Etwas unbeliebter sind mittlerweile die Fluorchlorkohlenwasserstoffe, auch als FCKW bekannt. Da es zur Zerstörung der Ozonschicht beiträgt, ist die Beliebtheit von FCKW stark gesunken.

Wissenschaftler sind wie kleine Kinder. Wenn sie etwas neues Entdecken, müssen sie erst jeden Unfug damit anstellen um herauszufinden, wozu man es gebrauchen kann. Mit der Wasserstoffbombe hat der handelsübliche Wasserstoff nur bedingt etwas zu tun. Schuld an der Erfindung von Edward Teller sind eher seine Brüder, Deuterium und Tritium. Das Normale Wasserstoffatom besteht lediglich aus einem Proton und einem Elektron. Bei Deuterium handelt es sich aber um Wasserstoff, der noch ein Neutron besitzt. Tritium besitzt sogar neben dem Proton zwei Neutronen. Deuterium und Tritium sind damit Isotope des Wasserstoffs, die dazu auch noch relativ selten vorkommen. Zur Beruhigung: Der „normale“ Wasserstoff, von dem wir sprechen, macht 99,9885% aller Wasserstoffatome aus.

Wasserstoff wird aber zum Glück an vielen Stellen für positive Zwecke eingesetzt. In Form von Säuren entfernt es Oxide von Metallen. Es wird als Raketentreibstoff eingesetzt, um… na ja, Raketen anzutreiben.

In Verbindung mit Stickstoff kann man daraus Ammoniak (NH₃) herstellen, woraus wiederum andere Stoffe wie Harnstoff hergestellt werden. Neben vielen anderen Dingen kann man auch Dünger daraus machen oder Sprengstoff.

Wasserstoff ist in vielen Bereichen unverzichtbar für unsere moderne Zivilisation. Obwohl es das am einfachsten aufgebaute Atom ist, sollte man es aber nicht unterschätzen. Um auf das Beispiel mit dem Zink zurück zu kommen. Zink kann nicht nur in Säuren aufgelöst werden, sondern als Zinkchlorid oder anderen Zinkverbindungen aus wässrigen Lösungen elektrolytisch abgeschieden werden. Dieses Verfahren wird „galvanische Verzinkung“ genannt und findet sich auf Milliarden kleiner Metallteile wieder, egal ob im Haushalt oder in Autos. Bei diesem Verfahren entsteht an der Oberfläche ein geringer Anteil atomarer Wasserstoff (H_at). Besonders bei gehärteten Stählen wandert dieser Wasserstoff, weil er so klein ist, in das Gefüge hinein. Treffen sich zwei Wasserstoffatome, verbinden sie sich zum molekularen Wasserstoff (H₂). Unter bestimmten Bedingungen wie erhöhte Temperaturen oder mechanische Belastung, kann dieser Wasserstoff das Metall von Innen zerreißen. Der gehärtete Stahl zerspringt dabei wie Glas. Man nennt diesen Effekt auch „wasserstoffinduzierter Sprödbruch“ oder kurz „Wasserstoffversprödung“. Es ist beeindruckend, welche Power dieses kleine Element haben kann.

In der Welt der Chemie ist das aber keine Seltenheit. Jedes Element birgt seine Geheimnisse und ist einzigartig. In der nächsten Folge der Element-Lehre schauen wir uns an, was Kohlenstoff zu bieten hat.