Wasserstoff wurde im 18. Jahrhundert als eigenständige Substanz identifiziert. Schon im 17. Jahrhundert beobachteten Gelehrte wie Robert Boyle (1627-1691), dass bei der Reaktion eines Metalls mit einer Säure ein brennbares Gas freigesetzt wurde. Erst 1766 isolierte Henry Cavendish (1731-1810) dieses Gas und untersuchte es systematisch. Er nannte es "brennbare Luft" und zeigte, dass es bei der Verbrennung Wasser erzeugt.
1783 interpretierte Antoine Lavoisier (1743-1794) Cavendishs Ergebnisse richtig und bewies, dass Wasser eine Verbindung und kein Element ist. Er nannte dieses Gas Wasserstoff, was "Wasser erzeugend" bedeutet (von griechisch hydro = Wasser und genes = erzeugen). Diese Entdeckung war entscheidend für den Aufbruch der modernen Chemie.
Wasserstoff (Symbol H, Ordnungszahl 1) ist das einfachste chemische Element und besteht aus einem einzigen Proton und einem Elektron. Sein häufigstes Isotop, Protium (¹H), besitzt kein Neutron. Zwei weitere Isotope existieren: Deuterium (²H), stabil und natürlich in geringen Mengen vorhanden, und Tritium (³H), radioaktiv mit einer Halbwertszeit von etwa 12,3 Jahren.
Bei Raumtemperatur liegt Wasserstoff als diatomares Gas (H₂) vor, extrem leicht (Dichte ≈ 0,08988 g/L), farblos, geruchlos und hochentzündlich. Es schmilzt bei 13,99 K und siedet bei 20,27 K.
| 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 | Radioaktiv β\(^-\) 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. |
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.
Hinweis :
Die 21-cm-Linie ist ein Radiosignal, das von neutralem Wasserstoff im Weltraum ausgesendet wird. Sie entsteht, wenn sich die Spinausrichtung von Proton und Elektron im Wasserstoffatom leicht ändert und 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.
Das Wasserstoffatom ist das einfachste Quantensystem und dient als Modell zur Überprüfung der Vorhersagen der Quantenmechanik und der Quantenelektrodynamik (QED). Sein elektronisches Spektrum, das sehr genau gemessen wurde, ermöglicht es, fundamentale Konstanten einzuschränken und Hypothesen über die Variation dieser Konstanten in Raum und Zeit zu erforschen.
