Wasserstoff (H): chemische Eigenschaften und Atomaufbau

POSITION

Wo steht Wasserstoff im Periodensystem?

Wasserstoff steht ganz oben in Periode 1 am linken Rand des Periodensystems. Auf ihn folgt Helium, das die erste Zeile abschließt. Eine Periode entspricht einer Zeile: Bei Wasserstoff zeigt Periode 1, dass sein Elektron das erste Energieniveau besetzt. Wasserstoff und Helium sind die einzigen Elemente dieser kurzen Zeile, gehören aber nicht allein deshalb zur gleichen chemischen Familie.

Die meisten Tabellen ordnen Wasserstoff der Spalte von Gruppe 1 zu. So wird sein einzelnes Außenelektron sichtbar und der Zusammenhang mit der Elektronenkonfiguration verständlich. Die Ähnlichkeit mit den typischen Metallen dieser Gruppe endet jedoch schnell. Lithium und Natrium sind feste Metalle, die leicht ein Elektron abgeben; Wasserstoff ist ein Nichtmetall und liegt normalerweise als H₂-Molekül vor. Manche Darstellungen setzen seine Zelle daher ab oder ergänzen einen Hinweis zur besonderen Stellung.

ATOM UND ELEKTRONEN

Ordnungszahl, Atomkern und Elektronenkonfiguration

Die Ordnungszahl 1 bedeutet, dass jeder Wasserstoffkern ein Proton enthält. Die häufigste Form heißt Protium oder Wasserstoff-1 und besitzt kein Neutron im Kern. Ein neutrales Atom hat zusätzlich ein Elektron. Dieser einfache Aufbau macht Wasserstoff zu einem guten Ausgangspunkt, um die Zahlen und Zeichen in einer Elementzelle zu verstehen.

Die Elektronenkonfiguration lautet 1s¹: Die 1 bezeichnet das erste Energieniveau, s die Art des Unterniveaus und der hochgestellte Index 1 das einzelne Elektron. Damit wird verständlich, weshalb Wasserstoff oft neben Gruppe 1 steht. Ein neutrales Atom ist dadurch aber noch kein Ion. H kann ein Wasserstoffatom bezeichnen, H₂ ein Molekül aus zwei gebundenen Atomen, H⁺ ein Atom nach Verlust seines Elektrons und H⁻ ein Atom nach Aufnahme eines Elektrons.

MASSE UND AGGREGATZUSTAND

Atommasse und physikalische Eigenschaften von Wasserstoff

Die relative Standardatommasse von Wasserstoff wird hier mit 1,008 u angegeben. Sie ist nicht genau 1, weil eine natürliche Probe Isotope mit unterschiedlicher Masse enthalten kann. Eine Zelle im Periodensystem zeigt einen Referenzmittelwert; die Massenzahl eines bestimmten Isotops zählt dagegen seine Protonen und Neutronen. Für die Identität des Elements bleibt die Ordnungszahl entscheidend.

Bei 20 °C und Umgebungsdruck ist elementarer Wasserstoff ein farb- und geruchloses Gas. Er kommt normalerweise als zweiatomiges Molekül H₂ und nicht als einzelnes H-Atom vor. Bei einem Druck von einer Atmosphäre liegt der Schmelzpunkt bei etwa 13,99 K und der Siedepunkt bei etwa 20,271 K. Diese tiefen Werte beschreiben den Wechsel zwischen fest, flüssig und gasförmig unter festgelegten Bedingungen, nicht typische Alltagstemperaturen.

VARIANTEN DES ATOMKERNS

Warum besitzt Wasserstoff mehrere Isotope?

Isotope sind Atome desselben Elements mit gleicher Protonenzahl, aber unterschiedlicher Neutronenzahl. Sie haben daher dieselbe Ordnungszahl und bleiben Wasserstoff, obwohl sich ihre Massenzahl unterscheidet. Dieser Unterschied erklärt, warum die mittlere Atommasse im Periodensystem keine ganze Zahl ist und warum ein ausführlicher Steckbrief Elementsymbol und Isotopenschreibweise getrennt aufführt.

Die drei wichtigen Namen sind Protium, Deuterium und Tritium. Protium ist die leichteste und häufigste Form; Deuterium besitzt ein zusätzliches Neutron; Tritium hat zwei und ist radioaktiv. Die ersten beiden Isotope sind stabil, Tritium zerfällt mit der Zeit. Ihre verschiedenen Kerne verändern Masse und manche Reaktionsgeschwindigkeiten, nicht aber die Ordnungszahl 1 des Wasserstoffs.

IM WELTRAUM UND AUF DER ERDE

Natürliches Vorkommen und chemische Rolle

Wasserstoff ist das häufigste Element im Universum und kommt in der Sonne sowie in vielen anderen Sternen vor. Auf der Erde findet man ihn überwiegend in Verbindungen und nicht in großen Vorräten reinen Gases. Ein Wassermolekül enthält zwei Wasserstoffatome. Außerdem ist Wasserstoff in vielen Molekülen des Lebens an Kohlenstoff, Sauerstoff, Stickstoff und weitere Elemente gebunden.

Molekularer Wasserstoff macht laut Royal Society of Chemistry weniger als einen Volumenteil pro Million in der Erdatmosphäre aus. Wasserstoff ist somit kosmisch sehr häufig, im Alltag aber selten allein anzutreffen. Seine Rolle in der Chemie hängt von Verbindung und Reaktion ab: Eine Eigenschaft eines H enthaltenden Moleküls darf nicht automatisch auf isolierten Wasserstoff übertragen werden.

HISTORISCHE HINWEISE

Von Cavendishs Experimenten zu Lavoisiers Namen

Brennbare Gase aus Reaktionen von Metallen mit Säuren waren schon vor dem 18. Jahrhundert beobachtet worden. Henry Cavendish untersuchte ein solches Gas jedoch systematisch. 1766 sammelte er das bei bestimmten Reaktionen entstehende Gas und zeigte, dass es sich wie ein eigener Stoff verhielt. Spätere Verbrennungsversuche trugen dazu bei zu zeigen, dass Wasser aus Wasserstoff und Sauerstoff entstehen kann und selbst kein einfaches Element ist.

Antoine Lavoisier schlug später den Namen Wasserstoff vor, der auf griechische Wortwurzeln für Wasser und Entstehung zurückgeht. Der Name erinnert an einen historischen Befund; die heutige Zelle im Periodensystem beschreibt das Element aber über seine Ordnungszahl und nicht über seine Entdeckungsgeschichte. Zum Auffinden von H genügen heute die Zahl 1, das Symbol und die Periode.

ANWENDUNGEN UND BEGRIFFE

Verwendung von Wasserstoff und Abgrenzung zu Wasserstoffenergie

Molekularer Wasserstoff wird in mehreren industriellen Verfahren eingesetzt. Er dient zur Herstellung von Ammoniak im Haber-Bosch-Verfahren, zur Entschwefelung bestimmter Kraftstoffe und zur Umwandlung von Ölen durch Hydrierung. Brennstoffzellen können die chemische Energie von Wasserstoff außerdem in elektrische Energie umwandeln. Dabei sind jeweils Reaktion und Bedingungen wichtig: Der Elementname allein beschreibt weder ein Verfahren noch dessen Umweltbilanz.

Ein Steckbrief zum Element Wasserstoff beantwortet Fragen wie „Welches Symbol hat es?“, „Wo steht H?“ und „Wie viele Protonen enthält es?“. Bei Wasserstoffenergie geht es dagegen um Herstellung, Speicherung, Transport und die Bilanz eines Energiesystems. Wasser, Wasserstoffperoxid und Kohlenwasserstoffe sind ebenfalls eigenständige Verbindungen mit Wasserstoff, aber keine austauschbaren Formen des reinen Elements. Diese Themen zu trennen macht die Angaben im Periodensystem leichter verständlich.

DREI ISOTOPE IM VERGLEICH

Protium, Deuterium und Tritium

Das Symbol H bleibt gleich; die Isotopenschreibweise gibt die Gesamtzahl der Nukleonen an. Die hochgestellte Zahl ist die Massenzahl.