Bereits im 17. Jahrhundert beobachteten Chemiker, dass bei der Reaktion eines Metalls mit einer Säure ein brennbares Gas freigesetzt wurde. 1766 isolierte Henry Cavendish (1731-1810) dieses Gas und bezeichnete es als „brennbare Luft“, wobei er zeigte, dass es bei der Verbrennung Wasser erzeugt. 1783 interpretierte Antoine Lavoisier (1743-1794) Cavendishs Ergebnisse korrekt und bewies, dass Wasser eine Verbindung und kein Element ist. Er nannte dieses Gas Wasserstoff (von griechisch hydro = Wasser und genes = erzeugen).
Wasserstoff (Symbol H, Ordnungszahl 1) ist das einfachste chemische Element, bestehend aus einem einzelnen Proton und Elektron, dem Protium (¹H). Es gibt weitere Isotope: Deuterium \(\,^{2}\mathrm{H}\), Tritium \(\,^{3}\mathrm{H}\), \(\,^{4}\mathrm{H}\)...
Bei Raumtemperatur liegt Wasserstoff als zweiatomiges Gas (H₂) vor, extrem leicht (Dichte ≈ 0,08988 g/L), farblos, geruchlos und hochentzündlich. Die Temperatur, bei der die flüssigen und festen Zustände von Wasserstoff im Gleichgewicht koexistieren können (Schmelzpunkt): 13,99 K (−259,16 °C). Die Temperatur, bei der er vom flüssigen in den gasförmigen Zustand übergeht (Siedepunkt): 20,271 K (−252,879 °C).
| Isotop / Notation | Protonen (Z) | Neutronen (N) | Atommasse (u) | Natürliche Häufigkeit | Halbwertszeit / Stabilität | Zerfall / Anmerkungen |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Protium — \(\,^{1}\mathrm{H}\,\) | 1 | 0 | 1.007825 u | ≈ 99,985 % | Stabil | Kern reduziert auf ein Proton; Grundlage des atomaren Wasserstoffs. |
| Deuterium — \(\,^{2}\mathrm{H}\) (D) | 1 | 1 | 2.014102 u | ≈ 0,0156 % | Stabil | Ein Proton + ein Neutron; gebundener Kern, verwendet in NMR und Fusion. |
| Tritium — \(\,^{3}\mathrm{H}\) (T) | 1 | 2 | 3.016049 u | Spur | 12,32 Jahre | Radioaktiver β\(^-\)-Zerfall zu \(\,^{3}\mathrm{He}\). In Reaktoren produziert und für D–T-Fusion verwendet. |
| Extreme neutronenreiche Isotope — \(\,^{4}\mathrm{H},\,^{5}\mathrm{H},\,^{6}\mathrm{H},\,^{7}\mathrm{H}\) | 1 | 3 — 6 | — (Resonanzen) | Unnatürlich | \(10^{-22}\) — \(10^{-21}\) s | Sehr instabile Zustände, im Labor beobachtet; sofortiger Zerfall durch Neutronenemission. |
N.B. :
Elektronenschalen: Wie sich Elektronen um den Atomkern anordnen.
Wasserstoff besitzt nur 1 Elektron, das in einer einzigen Elektronenschale verteilt ist. Seine vollständige Elektronenkonfiguration ist: 1s¹, in der K-Schale. Wasserstoff ist das einfachste Element im Periodensystem.
K-Schale (n=1): Enthält nur 1 Elektron im 1s-Unterschale. Diese einzige Schale ist unvollständig, da sie bis zu 2 Elektronen aufnehmen kann. Es fehlt also 1 Elektron, um diese erste Schale zu sättigen und die stabile Konfiguration von Helium zu erreichen.
Das einzige Elektron (1s¹) ist das Valenzelektron von Wasserstoff. Diese Konfiguration erklärt seine einzigartigen chemischen Eigenschaften:
Durch den Verlust seines 1s-Elektrons bildet Wasserstoff das H⁺-Ion (Oxidationsstufe +1), das tatsächlich nur ein isoliertes Proton ist. Dieser Zustand ist in Säuren und wässrigen Lösungen häufig.
Durch die Aufnahme von 1 Elektron bildet Wasserstoff das Hydrid-Ion H⁻ (Oxidationsstufe -1), das in metallischen Hydriden wie NaH oder LiH vorkommt und so die stabile Konfiguration von Helium [He] annimmt.
Die Oxidationsstufe 0 entspricht dem Dihydrogen H₂, seiner natürlichen molekularen Form, bei der zwei Wasserstoffatome ein Elektronenpaar teilen und eine einfache kovalente Bindung bilden.
Die Elektronenkonfiguration von Wasserstoff, mit seinem einzigen 1s-Elektron, verleiht ihm eine einzigartige und ambivalente Position im Periodensystem. Diese Struktur verleiht ihm außergewöhnliche Eigenschaften: Wasserstoff kann sowohl sein Elektron verlieren (wie Alkalimetalle) als auch eines gewinnen (wie Halogene), was ihm ein duales chemisches Verhalten verleiht. Im Gegensatz zu Alkalimetallen ist Wasserstoff unter normalen Bedingungen jedoch ein Nichtmetall und bildet hauptsächlich kovalente Bindungen statt ionische. Das H⁺-Ion ist extrem klein (nur ein Proton) und existiert in Lösung nie isoliert; es ist immer mit Wassermolekülen assoziiert und bildet das Hydronium-Ion H₃O⁺.
Dihydrogen H₂ ist ein farbloses, geruchloses, extrem leichtes Gas (das leichteste Molekül, das existiert) und hochentzündlich. Seine Verbrennung mit Sauerstoff erzeugt nur Wasser, was es zu einem idealen sauberen Brennstoff macht. Wasserstoff bildet kovalente Bindungen mit praktisch allen Nichtmetallen und kann Wasserstoffbrückenbindungen bilden, schwache, aber für viele biologische und chemische Phänomene essentielle Wechselwirkungen.
Die Bedeutung von Wasserstoff ist absolut grundlegend und universell: Wasserstoff ist das häufigste Element im Universum (etwa 75% der baryonischen Masse), der Hauptbestandteil von Sternen, wo er zu Helium fusioniert und Sonnenenergie freisetzt; er ist essenziell für die gesamte organische Chemie und das Leben, vorhanden in Wasser H₂O, in allen organischen Verbindungen, Säuren und Basen; Wasserstoffbrückenbindungen stabilisieren die Struktur von DNA, Proteinen und bestimmen die einzigartigen Eigenschaften von Wasser; industriell wird Wasserstoff massiv im Haber-Bosch-Verfahren zur Herstellung von Ammoniak NH₃ (Grundlage von Düngemitteln), bei der Raffination von Erdöl (Hydrierung), der Methanolproduktion und der Synthese vieler Chemikalien eingesetzt; Wasserstoff gilt als Energieträger der Zukunft für eine kohlenstofffreie Wirtschaft: Brennstoffzellen wandeln Wasserstoff in Elektrizität um, wobei Wasser als einziges Nebenprodukt entsteht, wasserstoffbetriebene Fahrzeuge entwickeln sich, und Wasserstoff kann überschüssige erneuerbare Energie speichern; in der Metallurgie dient Wasserstoff als Reduktionsmittel; es gibt drei natürliche Isotope: Protium ¹H (99,98%), Deuterium ²H oder D (0,02%, als Tracer und in der Kernfusion verwendet) und Tritium ³H oder T (radioaktiv, in der Datierung und Fusionsforschung verwendet).
Wasserstoff ist ein starkes Reduktionsmittel und bildet chemische Bindungen mit vielen Elementen: Halogene, Sauerstoff, Schwefel, Metalle usw. Er bildet Hydride und kann je nach Kontext als Säure (Protonendonator) oder Base (Protonenakzeptor) wirken. Wasserstoff ist an der Reduktion von Metalloxiden beteiligt, indem er ein Proton abgibt, wenn er als Säure wirkt, und bei der Hydrierung organischer Verbindungen, indem er ein Proton aufnimmt, wenn er als Base wirkt.
Wasserstoff macht etwa 75 % der baryonischen Masse des Universums aus. Er wurde in großen Mengen während des Urknalls synthetisiert. In Sternen dient er als Brennstoff für thermonukleare Fusionsreaktionen über den Proton-Proton-Zyklus oder den CNO-Zyklus. Im interstellaren Medium kommt er in atomarer (H I), molekularer (H₂) oder ionisierter (H⁺) Form vor. Seine 21-cm-Linie ist ein wichtiges Werkzeug der Radioastronomie zur Kartierung der galaktischen Struktur.
Das Wasserstoffatom ist das einfachste Quantensystem und dient als Modell zur Überprüfung der Vorhersagen der Quantenmechanik und Quantenelektrodynamik (QED). Sein elektronisches Spektrum, das sehr genau gemessen ist, ermöglicht die Einschränkung fundamentaler Konstanten und die Erforschung von Hypothesen über die Variation dieser Konstanten in Raum und Zeit.
N.B.:
Die 21-cm-Linie ist ein Radiosignal, das von neutralem Wasserstoff im Weltraum emittiert wird. Sie entsteht, wenn eine leichte Änderung der Ausrichtung der Spins von Proton und Elektron im Wasserstoffatom ein Photon freisetzt. Obwohl dieser Übergang selten und sehr schwach ist, ist er für Astronomen sehr nützlich, um die Verteilung von Wasserstoff in unserer Galaxie und in nahen Galaxien zu „sehen“, da er leicht Staubwolken durchdringt, die sichtbares Licht blockieren.
