Wasserstoff

Wasserstoff ist das chemische Element mit dem Symbol H und der Ordnungszahl 1. Mit einem Standard-Atomgewicht von 1,008 ist Wasserstoff das leichteste Element des Periodensystems. Wasserstoff ist die im Universum am häufigsten vorkommende chemische Substanz, die etwa 75% der gesamten baryonischen Masse ausmacht. Nicht-Reststerne bestehen hauptsächlich aus Wasserstoff im Plasmazustand. Das am häufigsten vorkommende Isotop des Wasserstoffs, genannt Protium (selten verwendeter Name, Symbol 1H), hat ein Proton und keine Neutronen.

Die universelle Entstehung von atomarem Wasserstoff erfolgte erstmals während der Rekombinationsepoche (Urknall). Bei Standardtemperatur und -druck ist Wasserstoff ein farbloses, geruchloses, geschmackloses, ungiftiges, nichtmetallisches, leicht brennbares zweiatomiges Gas mit der Summenformel H2. Da Wasserstoff leicht kovalente Verbindungen mit den meisten nichtmetallischen Elementen bildet, existiert der meiste Wasserstoff auf der Erde in molekularen Formen wie Wasser oder organischen Verbindungen.

Geschichte

Wasserstoffgas wurde erstmals im frühen 16. Jahrhundert durch die Reaktion von Säuren auf Metallen künstlich hergestellt. In den Jahren 1766-81 erkannte Henry Cavendish als erster, dass Wasserstoffgas eine diskrete Substanz ist und dass es bei der Verbrennung Wasser erzeugt, wofür es später benannt wurde: Im Griechischen bedeutet Wasserstoff “Wasserbildner”.

Natürliches Vorkommen

Vorkommen im Universum

Kurz nach der Entstehung des Universums waren Protonen und Neutronen bereits in überwältigender Zahl vorhanden. Diese verbanden sich bei den herrschenden hohen Temperaturen zu leichten Atomkernen wie D und 4He. Die meisten Protonen blieben jedoch unverändert und stellten die zukünftigen 1H-Kerne dar. Nach etwa 380.000 Jahren, als die Strahlungsdichte des Universums klein genug geworden war, konnten Wasserstoffatome einfach durch Vereinigung der Kerne mit den Elektronen gebildet werden, ohne dass sie durch ein Photon wieder auseinander gerissen wurden. Seitdem gibt es die (ungestreute!) kosmische Hintergrundstrahlung und das Universum ist mit Wasserstoff gefüllt.

Bei der weiteren Abkühlung des Universums spaltete sich die Masse asymmetrisch auf und bildete Wolken aus Wasserstoffgas. Unter dem Einfluss der Schwerkraft verdichteten sich diese Wolken zunehmend zuerst zu Galaxien und später das Gas der Galaxien zu Protosternen, und unter dem enormen Druck der Schwerkraft begann die Verschmelzung der H-Atome zu He-Atomen. So entstanden die ersten Sterne und Sonnen. Später jedoch, vor allem in sehr großen Sternen, entstanden auch schwerere Elemente wie Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff, die die Grundbausteine aller bekannten Lebensformen sind - ebenfalls durch Fusion.

Vorkommen auf der Erde

Auf der Erde ist der Massenanteil viel geringer, etwa 0,12 % des Gesamtgewichts und 2,9 % der Erdkruste. Zudem ist der terrestrische Wasserstoff im Gegensatz zu den Vorkommen im Weltraum überwiegend gebunden und fast nie rein (d.h. als unvermischtes Gas). Von keinem anderen Element ist bekannt, dass es so viele Verbindungen enthält, die häufigste ist Wasser.

Erdkruste

Aber das Element kommt auch in allen Lebewesen vor, in Erdöl, Erdgas und vielen Mineralien. Andere natürliche Vorkommen sind natürliche Gase wie Methan (CH4).

Salz und Süßwasser

Der größte Anteil des terrestrischen Wasserstoffs kommt im Verbundwasser vor. In dieser Form bedeckt er über zwei Drittel der Erdoberfläche. Die gesamten Wasservorräte der Erde belaufen sich auf etwa 1386 Milliarden km³. Davon sind 1338 Milliarden km³ (96,5 %) Salzwasser in den Ozeanen. Die restlichen 3,5 % stehen als Süßwasser zur Verfügung. Der größte Teil davon befindet sich im festen Zustand: in Form von Eis in der Arktis und Antarktis sowie in den Permafrostböden, insbesondere in Sibirien. Der kleine verbleibende Teil ist flüssiges Süßwasser und findet sich meist in Seen und Flüssen, aber auch in unterirdischen Lagerstätten, zum Beispiel als Grundwasser.

Atmosphäre

In der Erdatmosphäre ist Wasserstoff fast ausschließlich chemisch gebunden, hauptsächlich in Form von Wasser. Die prozentuale Häufigkeit von molekularem Wasserstoff in der Luft beträgt nur 0,55 ppm. Der Anteil von Wasserdampf liegt zwischen etwa 1 und 4 Prozent. Dieser Wert ist stark von Luftfeuchtigkeit und Temperatur abhängig.

Der geringe Anteil an molekularem Wasserstoff in der Atmosphäre lässt sich durch die hohe thermische Geschwindigkeit der Moleküle und den hohen Anteil an Sauerstoff in der Atmosphäre erklären. Bei der mittleren Temperatur der Atmosphäre bewegen sich die H2-Partikel mit durchschnittlich fast 7.000 km/h. Das ist etwa ein Sechstel der Fluchtgeschwindigkeit auf der Erde. Aufgrund der Maxwell-Boltzmann-Verteilung der Geschwindigkeiten der H2-Moleküle gibt es jedoch immer noch eine beträchtliche Anzahl von Molekülen, die dennoch die Fluchtgeschwindigkeit erreichen. Allerdings haben die Moleküle nur eine extrem kleine freie Weglänge, so dass nur Moleküle in den oberen Schichten der Atmosphäre tatsächlich entweichen. Aus den darunter liegenden Schichten folgen weitere H2-Moleküle, und ein gewisser Anteil entweicht wieder, bis schließlich nur noch Spuren des Elements in der Atmosphäre verbleiben. Vermutlich wird der Wasserstoff in den unteren Schichten der Atmosphäre weitgehend zu Wasser verbrannt. Bei einem kleinen Anteil wird ein Gleichgewicht zwischen Verbrauch und Neuproduktion (durch Bakterien und photonische Spaltung des Wassers) hergestellt.

Produktion

Die jährliche Wasserstoffproduktion liegt derzeit bei über 500 Milliarden Normkubikmetern. Der größte Teil davon stammt aus fossilen Quellen (Erdgas, Erdöl), aus der chemischen Industrie, wo er als Nebenprodukt bei der Chlorproduktion anfällt, und aus Prozessen der Erdölraffinerien.

Wenn Wasserstoff im Sinne einer Wasserstoff-Energiewirtschaft in großem Maßstab zur Energieerzeugung oder -speicherung eingesetzt werden soll, ist die Herstellung durch konventionelle Dampfreformierung nicht praktikabel. Als Einstiegsmöglichkeit, z.B. im Automobilsektor, ist sie aber dennoch möglich.

Inzwischen sind einige Wasserstoffproduktionsverfahren bis zur Serienreife entwickelt worden, andere befinden sich noch im Entwicklungsstadium:

  • Dampfreformer (Erdgas)
  • Partielle Oxidation (Ölvergasung)
  • Autothermer Reformer (Methanol-Reformierung)
  • Elektrolyse von Wasser
  • Biomasse (Vergasung, Vergärung)
  • Kværner-Verfahren
  • Wasserstoff aus Grünalgen

Wirtschaftliche Nutzung

Jährlich werden weltweit mehr als 600 Milliarden Kubikmeter Wasserstoff (ca. 30 Millionen Tonnen) für unzählige Anwendungen in Industrie und Technik produziert. Wichtige Anwendungsfelder sind:

  • Energieträger: Beim Schweißen, als Raketentreibstoff. Seine Verwendung als Treibstoff für Düsentriebwerke, in Wasserstoff-Verbrennungsmotoren oder über Brennstoffzellen wird voraussichtlich in absehbarer Zeit die Verwendung von Erdölprodukten ersetzen (siehe Wasserstoffantrieb), da bei der Verbrennung hauptsächlich Wasser, aber kein Ruß oder Kohlendioxid entsteht. Im Gegensatz zu Erdöl ist Wasserstoff jedoch kein Primärenergieträger.
  • Hydrierung von Kohle: Durch verschiedene chemische Reaktionen wird Kohle mit H2 in flüssige Kohlenwasserstoffe umgewandelt. Auf diese Weise lassen sich Benzin, Diesel und Heizöl künstlich herstellen. Beide genannten Verfahren haben zur Zeit aufgrund der höheren Kosten keine wirtschaftliche Bedeutung. Dies könnte sich jedoch drastisch ändern, sobald die Erdölreserven der Erde zur Neige gehen.
  • Reduktionsmittel: H2 kann mit Metalloxiden reagieren und ihnen Sauerstoff entziehen. Es bilden sich Wasser und das reduzierte Metall. Das Verfahren wird bei der Verhüttung metallischer Erze eingesetzt, insbesondere um möglichst reine Metalle zu gewinnen.
  • Das Haber-Bosch-Verfahren wird zur Herstellung von Ammoniak aus Stickstoff und Wasserstoff verwendet, und aus diesem Ammoniak werden wichtige __ Düngemittel und Sprengstoffe__ hergestellt.
  • Fetthärtung: Gehärtete Fette werden aus Pflanzenöl durch Hydrierung gewonnen. Bei diesem Prozess werden die Doppelbindungen in ungesättigten Fettsäureresten der Glyceride mit Wasserstoff gesättigt. Die resultierenden Fette haben einen höheren Schmelzpunkt, wodurch das Produkt fest wird. Auf diese Weise wird Margarine hergestellt. Als Nebenprodukt können auch gesundheitsschädliche Trans-Fette entstehen.
  • Lebensmittelzusatzstoff: Wasserstoff ist als E 949 zugelassen und wird als Treibgas, Verpackungsgas usw. verwendet.
  • Kühlmittel: Aufgrund seiner hohen Wärmekapazität wird (gasförmiger) Wasserstoff in Kraftwerken und den dort eingesetzten Turbogeneratoren als Kühlmittel eingesetzt. H2 wird insbesondere dort eingesetzt, wo die Flüssigkeitskühlung problematisch sein kann. Die Wärmekapazität kommt dort ins Spiel, wo das Gas nicht oder nur langsam zirkulieren kann. Da auch die Wärmeleitfähigkeit hoch ist, wird strömendes H2 auch zum Transport von Wärmeenergie zu großen Reservoirs (z.B. Flüssen) verwendet. Bei diesen Anwendungen schützt Wasserstoff die Anlagen vor Überhitzung und erhöht den Wirkungsgrad. Der Vorteil von Wasserstoff ist, dass er aufgrund seiner geringen Dichte, die in der Reynoldszahl enthalten ist, bis zu höheren Geschwindigkeiten als andere Gase laminar mit geringem Widerstand strömt.
  • Kryogen: Wegen seiner hohen Wärmekapazität und seines niedrigen Siedepunkts eignet sich flüssiger Wasserstoff als Kryogen, d.h. als Kühlmittel für extrem niedrige Temperaturen. Noch größere Wärmemengen können von flüssigem Wasserstoff gut absorbiert werden, bevor eine merkliche Erhöhung seiner Temperatur eintritt. Auf diese Weise bleibt die niedrige Temperatur auch bei äußeren Schwankungen erhalten.
  • Trägergas: Wasserstoff fand eine seiner ersten Anwendungen in Ballons und Luftschiffen. Aufgrund der leichten Entflammbarkeit von H2-Luft-Gemischen führte dies jedoch immer wieder zu Unfällen. Die größte Katastrophe in diesem Zusammenhang ist wohl der Unfall der “Dixmude” im Jahre 1923, die bekannteste war sicherlich die “Hindenburg-Katastrophe” 1937. Wasserstoff als Trägergas ist inzwischen durch Helium ersetzt worden und erfüllt diesen Zweck nur noch in ganz speziellen Anwendungen.

Die beiden natürlichen Isotope des Wasserstoffs, Deuterium und Tritium, haben spezielle Anwendungen:

Deuterium

Deuterium wird (in Form von schwerem Wasser) in Schwerwasserreaktoren als Moderator verwendet, d.h. um die bei der Kernspaltung entstehenden schnellen Neutronen auf thermische Geschwindigkeit zu verlangsamen.

Deuterierte Lösungsmittel werden in der kernmagnetischen Resonanzspektroskopie verwendet, weil Deuterium einen Kernspin von Eins hat und im NMR-Spektrum des normalen Wasserstoffisotops nicht sichtbar ist.

In der Chemie und Biologie helfen Deuteriumverbindungen bei der Untersuchung von Reaktionsprozessen und Stoffwechselwegen (Isotopenmarkierung), da sich Verbindungen mit Deuterium chemisch und biochemisch in der Regel nahezu identisch zu den entsprechenden Verbindungen mit Wasserstoff verhalten. Die Reaktionen werden durch die Markierung nicht gestört, aber das Schicksal von Deuterium in den Endprodukten kann dennoch bestimmt werden.

Darüber hinaus ergibt sich durch den erheblichen Massenunterschied zwischen Wasserstoff und Deuterium ein deutlicher Isotopeneffekt in den massenabhängigen Eigenschaften. So hat beispielsweise schweres Wasser einen messbar höheren Siedepunkt als Wasser.

Tritium

Das radioaktive Isotop Tritium wird in Kernreaktoren in industriell nutzbaren Mengen hergestellt. Neben Deuterium ist es auch ein Ausgangsstoff für die Kernfusion zu Helium. In der zivilen Nutzung dient es als radioaktiver Marker in Biologie und Medizin. Es kann zum Beispiel zum Nachweis von Tumorzellen verwendet werden. In der Physik ist es einerseits selbst Gegenstand der Forschung, andererseits werden hoch beschleunigte Tritiumkerne zur Untersuchung schwerer Kerne oder zur Herstellung künstlicher Isotope verwendet.

Mit Hilfe der Tritiummethode lassen sich Wasserproben sehr genau datieren. Mit einer Halbwertszeit von etwa zwölf Jahren eignet sie sich besonders für die Messung relativ kurzer Zeiträume (bis zu mehreren hundert Jahren). Sie kann unter anderem zur Bestimmung des Alters eines Weines verwendet werden.

Es wird als langlebige, zuverlässige Energiequelle für Leuchtfarben (in Mischung mit einem Fluoreszenzfarbstoff) vor allem in militärischen Anwendungen, aber auch in Armbanduhren eingesetzt. Das Isotop wird auch für militärische Zwecke in der Wasserstoffbombe und bestimmten Arten von Kernwaffen verwendet, deren Wirkung auf der Kernspaltung beruht.

Biologie

Wasserstoff in Form verschiedener Verbindungen ist für alle bekannten lebenden Organismen essentiell. Die wichtigste davon ist Wasser, das als Medium für alle zellulären Prozesse und für den gesamten Massentransport dient. Zusammen mit Kohlenstoff, Sauerstoff, Stickstoff (und seltener auch anderen Elementen) ist es Bestandteil jener Moleküle aus der organischen Chemie, ohne die jede uns bekannte Lebensform schlicht unmöglich ist.

Wasserstoff spielt auch eine aktive Rolle im Organismus, zum Beispiel in einigen Coenzymen wie Nikotinamid-Adenin-Dinukleotid (NAD/NADH), die als Reduktionsäquivalente (oder “Protonentransporter”) im Körper dienen und an Redoxreaktionen beteiligt sind. In den Mitochondrien, den Kraftwerken der Zelle, dient der Transfer von Wasserstoffkationen (Protonen) zwischen verschiedenen Molekülen der so genannten Atmungskette dazu, einen Protonengradienten durch das chemiosmotische Membranpotential bereitzustellen, um energiereiche Verbindungen wie Adenosintriphosphat (ATP) zu erzeugen. Bei der Photosynthese in Pflanzen und Bakterien wird Wasserstoff aus Wasser benötigt, um das gebundene Kohlendioxid in Kohlenhydrate umzuwandeln.

Gemessen an der Masse ist Wasserstoff das drittwichtigste Element im menschlichen Körper: Bei einem Menschen mit einem Körpergewicht von 70 kg können etwa 7 kg (= 10 Gew.-%) auf den enthaltenen Wasserstoff zurückgeführt werden. Lediglich Kohlenstoff (ca. 20 Gew.-%) und Sauerstoff (ca. 63 Gew.-%) machen einen noch größeren Anteil am Gewicht aus. Bezogen auf die Anzahl der Atome ist der sehr leichte Wasserstoff das mit Abstand häufigste Atom im Körper eines Lebewesens. (Die 7 kg beim Menschen entsprechen 3,5-103 Mol Wasserstoff mit jeweils 2-6-1023 Atomen, das sind etwa 4,2-1027 Wasserstoffatome).

Sicherheit

Wasserstoff ist hochentzündlich. Er verbrennt mit reinem Sauerstoff oder Luft sowie mit anderen gasförmigen Oxidationsmitteln wie Chlor oder Fluor mit einer heißen Flamme. Da die Flamme kaum sichtbar ist, kann man ungewollt in sie eindringen. Mischungen mit Chlor oder Fluor sind auch durch ultraviolette Strahlung brennbar (siehe Chlor-Sauerstoffgas). Zusätzlich zu der vom GHS vorgeschriebenen Kennzeichnung (siehe Infokasten) müssen H2-Druckgasflaschen nach DIN EN 1089-3 mit einer roten Flaschenschulter und einem roten Flaschenkörper versehen sein.

Wasserstoff ist ungiftig und schadet der Umwelt nicht. Daher wird kein MAK-Wert angegeben. Atem- oder Hautschutz ist nicht erforderlich. Erst beim Einatmen hoher Konzentrationen kann es aufgrund des Sauerstoffmangels ab ca. 30 Vol.-% zu Bewegungsstörungen, Bewusstlosigkeit und Ersticken kommen.

Gemische aus Luft und 4 bis 76 Volumenprozent Wasserstoff sind brennbar. Oberhalb einer Konzentration von 18 % in Luft ist das Gemisch explosiv (Knallgas). Die Zündtemperatur in Luft beträgt 560 °C. Während der Handhabung muss der Wasserstoff von Zündquellen, einschließlich elektrostatischer Entladungen, ferngehalten werden. Die Behälter sind entfernt von oxidierenden Gasen (Sauerstoff, Chlor) und anderen oxidierenden Stoffen zu lagern.

Aufgrund seiner geringen Atomgröße kann Wasserstoff durch viele Feststoffe diffundieren, d.h. Gas kann langsam durch ungeeignete Materialien (z.B. Kunststoffe) entweichen. Die für Gasbehälter und Rohrleitungen verwendeten Materialien und Dicken tragen dem Rechnung, so dass keine größeren Risiken als z.B. bei Benzin bestehen. Wasserstofffahrzeuge mit Drucktanks können problemlos in Parkhäusern und Tiefgaragen abgestellt werden. Es gibt keine gesetzliche Bestimmung, die dies einschränkt.