Randnotizen zum Wasserstoff


Randnotizen zum Wasserstoff

Altbekanntes über den Wasserstoff

Wasserstoff ist ein chemisches Element, das mit dem Symbol $\mathrm H$ dargestellt wird. Wasserstoff ist das häufigste chemische Element im Universum. Auf unserer Erde kommt kommt Wasserstoff in seiner atomaren Form allerdings kaum vor, sondern zum größten Teil nur in seiner molekularen Form ($\mathrm H_2$). Wasserstoff ist Bestandteil des Wassers und ist besonders häufig in allen lebenden Organismen vorzufinden.

Wasserstoff ist das leichteste aller chemischen Elemente, denn er besteht nur aus 1 Proton und 1 Elektron.

Kurze Enteckungsgeschichte des Wasserstoffs

Wasserstoff wurde zuerst vom englischen Chemiker und Physiker Henry Cavendish entdeckt, als dieser im Jahr 1766 mit Metallen und Säuren experimentierte. Als er Quecksilber mit einem bei seinen Experimenten entstandenen Gas zusammenbrachte, sind im Gemisch Gasbläschen aufgestiegen. Da er das Gas anzünden konnte, nannte er es „entzündbare Luft“. 

Portrait von Lavoisier und seiner Frau
Portrait von Lavoisier und seiner Frau, die einen großen Anteil an seinen Forschungen hat.
Woher der Wasserstoff seinen Namen hat

Seinen heutigen Namen verdankt der Wasserstoff dem französischen Chemiker Antoine Lavoisier, der in einem Experiment eigentlich zeigen wollte, dass bei chemischen Reaktionen keine Masse verlorengeht oder erzeugt wird. Dazu hatte er Wasser in einer abgeschlossenen Apparatur erhitzt, leitete den Dampf über glühendes Eisen und ließ ihn an einer anderen Stelle kondensieren. Der berühmte Chemiker hatte bei diesem Vorgang entdeckt, dass die Masse des kondensierten Wassers geringer war als zuvor, wonach er seinen Versuch zunächst als gescheitert betrachtete. Rechnete er jedoch die Masse des während des Versuchs entstehenden Gases zu dem Gewichtszuwachs des zuvor glühenden Eisens hinzu, dann entsprach dies genau der Masse des „verlorengegangenen“ Wassers. Somit hatte er seinen ursprünglichen Gedanken doch noch bewiesen.

Lavoisier und seine unermüdliche Helferin - seine Ehefrau - analysierten das neue Gas weiter und führten einen Versuch durch, der noch heute bei kleinen Kindern großes Staunen hervorruft: Die Knallgasprobe. Dabei wird das Wasserstoffgas verbrannt oder besser gesagt: Es reagiert heftig und laut mit dem Sauerstoff der Luft:

$\mathrm{2 \ H_2 + O_2 \longrightarrow 2 \ H_2O}$

Genau wie Cavendish bezeichnete Lavoisier dieses Gas zunächst als brennbare Luft, doch bei weiteren Experimenten konnte er nachweisen, dass aus diesem Gas auch Wasser erzeugt werden konnte und nannte es daher hydro-gene, was aus dem Griechischen kommt und soviel wie Wasserbildner bedeutet.

Das Universum und sein Wasserstoff


Schaubild von drei Atomen: Wasserstoff, Helium und Kohlenstoff
Das Wesentliche der Materie: Alle Dinge um uns herum bestehen aus nur etwa hundert Grundstoffen, die Elemente genannt werden und aus einem einzelnen Atom bestehen. Der Kern eines Atoms besteht aus Protonen und (in den meisten Fällen) Neutronen. Der Wasserstoff (links) ist das einfachste und häufigste Element im Universum.

Kurz nach dem Urknall war das frühe Universum noch unvorstellbar heiß und es gab nur Elementarteilchen wie Protonen, Neutronen und Elektronen. Durch die hohen Temperaturen haben sich viele Protonen und Neutronen zu leichten Atomkernen verbunden (Deuterium, 2H und Helium, 4H), doch blieben die meisten Protonen unverändert erhalten - aus ihnen sind während der weiteren Abkühlung des Universums durch bloßes Einfangen der Elektronen die ersten Wasserstoffatome entstanden. Durch Dichteschwankungen im gleichmäßig verteilten Wasserstoffgas haben sich schließlich diese riesigen Wolken herausgebildet, die man heute auf den eindrucksvollen Fotos der Weltraumteleskope bewundern kann. Unter dem Einfluß der Gravitation haben sich bestimmte Regionen in diesen Wolken so stark verdichtet, dass durch Kernreaktionen alsbald die ersten Sterne aufleuchteten. Dieser Prozeß dauert bis heute an und so ist vor etwa 4 ½ Milliarden Jahren unsere Sonne mit ihren Planeten entstanden.


Galaxie und interstellare Gaswolken
Wasserstoff ist das häufigste Element im Universum.

Die Sonne und ihr Wasserstoff

Dass die Erde ein wohltemperierter Planet ist und dass dafür die von der Sonne abgestrahlte Wärme verantwortlich ist - das weiß jeder. Shon weniger wissen, was im Inneren der Sonne genau vorgeht - etwas, das ihre Oberfläche auf mehr als 6.000 °C aufheizt und ihr Inneres auf eine Temperatur von mehr als 15 Millionen Grad bringt! Es sind jene Kernreaktionen, bei denen durch Kernfusion vier Wasserstoffkerne zu einem Heliumkern verschmilzen und dabei - hochgerechnet auf die ganze Sonne - unvorstellbare Energiemengen frei werden. Die Kernfusion ist die Ursache dafür, dass die Sonne und alle leuchtenden Sterne Energie abstrahlen.

Kernfusion im Inneren der Sonne
Sonne ausgeschnitten
Wenn Wasserstoffatome sich zu Heliumatomen verbinden, wird eine Menge Energie freigesetzt.
Vorgang der Kernfusion
Wasserstoffkerne Kernfusion + andere Vorgänge Heliumkern + andere Teilchen
Vier Wasserstoffkerne verschmelzen zu einem Heliumkern. Dies ist ein mehrstufiger Prozess, bei dem auch zwei Neutronen aus zwei Protonen entstehen.

Die Erde und ihr Wasserstoff

Wasser - das Elixier des Lebens - ist ein einfaches Molekül, das - anders als viele Stoffe auf der Erde (z.B. das komplizierte Molekül Zinkcitrat) - nur aus zwei Atomen Wasserstoff und einem Atom Sauerstoff besteht. Diese chemische Verbindung ($\mathrm {H_2O}$) bedeckt $\mathrm {\tfrac{2}{3}}$ der Erde - somit ist das Wasserstoffatom nicht nur das häufigste Element im Weltall sondern auch eines der häufigsten Elemente auf der Erde.

In der Atmosphäre kommt der Wasserstoff - wie in der Erdkruste - fast ausschließlich in chemisch gebundener Form vor, und zwar - wie man regnerischen Tagen an den vielen Wolken erkennen kann - als Wasserdampf. Der verschwindend geringe Anteil an molekularem Wasserstoff kann teilweise mit dem hohen Anteil an Sauerstoff erklärt werden. Außerdem wird er durch eine vom Licht ausgelösten Reaktion zu Wasser verbrannt.


Künstlerische Ansicht von Wasser und Wolken
Künstlerische Darstellung von Wasser und Wolken - beide bestehen hauptsächlich aus Wasserstoff.

Physikalische Eigenschaften

In seiner atomaren Form $\mathrm {H}$ ist Wasserstoff 14,4 Mal leichter als Luft. Sein Schmelzpunkt liegt bei -259,15 °C (14,01 K), der Siedepunkt bei -252 °C (21,15 K).

Wasserstoff besitzt aufgrund eines geringen Molekülquerschnitts eine hohe Mobilität. Der Stoff diffundiert durch Materialien wie Polyethylen und glühendes Quarzglas. Die sehr hohe Diffusionsgeschwindigkeit ist ein weiteres wichtiges Phänomen, welches man bei diesem Stoff beobachten kann.

Bedeutung in der Biologie

Wasserstoff ist wichtig für alle Lebewesen. An erster Stelle ist natürlich das Wasser zu nennen, welches für alle zellulären Prozesse und Stofftransporte wichtig ist. Zusammen mit Sauerstoff und Kohlenstoff ist Wasserstoff unabdingbarer Bestandteil der Moleküle aus der organischen Chemie.

Im menschlichen Körper ist er das drittwichtigste Element, so besteht ein Mensch mit einem Gewicht von 70 kg aus 7 kg Wasserstoff.