View source for Wasserstoff

{{Infobox Chemisches Element
<!-- Periodensystem -->
| Name = Wasserstoff
| Symbol = H
| Ordnungszahl = 1
| Massenzahl = 
| Serie = Nm
| Gruppe = 1
| Periode = 1
| Block = s
| Hauptquelle = <ref>Die Werte für die Eigenschaften (Infobox) sind, wenn nicht anders angegeben, aus [http://www.webelements.com/hydrogen/ www.webelements.com (Wasserstoff)] entnommen.</ref>
| Aussehen = farbloses Gas
| Massenanteil = 0,88 %<ref name="Harry H. Binder">Harry H. Binder: ''Lexikon der chemischen Elemente'', S. Hirzel Verlag 1999, ISBN 3-7776-0736-3</ref>
|CAS = 1333-74-0
| Atommasse = 1,00794
| Atomradius = 25
| AtomradiusBerechnet = 53
| KovalenterRadius = 31
| VanDerWaalsRadius = 120
| Elektronenkonfiguration = 1s<sup>1</sup>
| ElektronenProEnergieNiveau = 1
| Austrittsarbeit = 
| Ionisierungsenergie_1 = 1312
| Aggregatzustand = gasförmig
| Dichte = 0,0899 kg · m<sup>−3</sup><ref name="BGIA GESTIS">{{GESTIS|Name=Wasserstoff |ZVG= |CAS=1333-74-0 |Datum=12.07.2009 }}</ref>
| RefTempDichte_K = 273
| Magnetismus =<!-- [[Magnetische Suszeptibilität|Magn. Suszeptibilität]] = 8 · 10<sup>−9</sup><br /> ([[Diamagnetismus|diamagnetisch]]) Quelle?-->
| Schmelzpunkt = 14.01
| Siedepunkt   = 20.28
| MolaresVolumen = 22,42 · 10<sup>−3</sup>
| Verdampfungswärme = 0,458
| Schmelzwärme = 0,558
| Dampfdruck = <!--209 · 10<sup>3</sup> Quelle?-->
| RefTempDampfdruck_K = 23
| Schallgeschwindigkeit = 1270
| RefTempSchallgeschwindigkeit_K = 298,15
| SpezifischeWärmekapazität = 14304
| ElektrischeLeitfähigkeit = 
| RefTempElektrischeLeitfähigkeit_K = 
| Wärmeleitfähigkeit = 0,1805
| RefTempWärmeleitfähigkeit_K = 
| Oxidationszustände = +1, 0, −1
| Oxide = H<sub>2</sub>O , H<sub>2</sub>O<sub>2</sub>
| Basizität = amphoter
| Normalpotential = 0 V
| Elektronegativität = 2,2
| Quelle GefStKz = {{RL|1333-74-0}}
| Gefahrensymbole = {{Gefahrensymbole|F+}}
| R               = {{R-Sätze|12}}
| S               = {{S-Sätze|(2)|9|16|33}}
| Radioaktiv      = 
<!-- Isotope -->
| Isotope = 
{{Vorlage:Infobox Chemisches Element/Isotop|
| AnzahlZerfallstypen = 0
| OZ= 1
| Massenzahl = 1
| Symbol = H
| NH= 99,9885(70)
}}
{{Vorlage:Infobox Chemisches Element/Isotop|
| AnzahlZerfallstypen = 0
| OZ= 1
| Massenzahl = 2
| Symbol = H ([[Deuterium|D]])
| NH= 0,0115(70)
}}
{{Vorlage:Infobox Chemisches Element/Isotop
| AnzahlZerfallstypen = 1
| Massenzahl = 3
| Symbol = H ([[Tritium|T]])
| NH = 10<sup>−15</sup>
| Halbwertszeit = 12,33 [[Jahr|a]] 
| Zerfallstyp1ZM = [[Betastrahlung|β<sup>-</sup>]]
| Zerfallstyp1ZE = 0,019
| Zerfallstyp1ZP = [[Helium|<sup>3</sup>He]]
}}
| NMREigenschaften=
{{Infobox_Chemisches_Element/NMR
| Symbol = H
| Massenzahl_1 = 1
| Massenzahl_2 = 2
| Kernspin_1 = 1/2
| Kernspin_2 = 1
| Gamma_1 = 26,752 · 10<sup>7</sup>
| Gamma_2 = 4,107 · 10<sup>7</sup>
| Empfindlichkeit_1 = 1,00
| Empfindlichkeit_2 = 1,45 · 10 <sup>−6</sup>
| Larmorfrequenz_1 = 100,0 (2,348 T)
| Larmorfrequenz_2 = 15,351 (2,348 T)
}}
}}
<!-- Wer weiss, was dies soll, bitte einfügen
! colspan="2" bgcolor="#00CD00" | NMR-Eigenschaften
|-----
| colspan="2" |
{| width="100%" cellspacing="0" cellpadding="2" border="1" style="background-color:#f9f9f9;border:1px #aaa solid;border-collapse:collapse;"
!
! <sup>1</sup>H
! <sup>2</sup>H
! <sup>3</sup>H

-->
'''Wasserstoff''' ist ein [[chemisches Element]] mit dem Symbol H (für [[latein]]isch ''{{lang|la|hydrogenium}}'' „Wassererzeuger“; von [[Griechische Sprache|altgriechisch]] {{Polytonisch|ὕδωρ}} ''{{lang|grc-Latn|hydōr}}'' „[[Wasser]]“ und {{Polytonisch|γίγνομαι}} ''{{lang|grc-Latn|gignomai}}'' „werden, entstehen“) und der [[Ordnungszahl]] 1. Im [[Periodensystem]] steht es in der [[Periode-1-Element|1. Periode]] und der [[Gruppe-1-Element|1. Gruppe]], nimmt also den ersten Platz ein.

Wasserstoff ist das häufigste chemische Element im Universum, jedoch nicht in der Erdrinde. Er ist Bestandteil des [[Wasser]]s und beinah aller [[Organische Chemie|organischen Verbindungen]], somit kommt gebundener Wasserstoff auch in sämtlichen lebenden Organismen vor.

Wasserstoff ist das leichteste der chemischen Elemente, das häufigste [[Isotop]] besteht aus nur einem [[Proton]] und einem [[Elektron]] und heißt Protium. Unter Bedingungen, die normalerweise auf der Erde herrschen (siehe auch [[Normalbedingungen]]), kommt dieser ''atomare Wasserstoff'' nicht vor, stattdessen liegt Wasserstoff in der [[Dimerisation|dimerisierten]] Form vor, dem ''molekularen Wasserstoff'' H<sub>2</sub>, einem farb- und geruchlosen [[Gas]]. Dennoch kommt es vor, dass bei bestimmten chemischen Reaktionen Wasserstoff sehr kurz atomar als H, bezeichnet als [[Naszierender Stoff|Status Nascendi]], auftritt und abreagiert.

== Geschichte ==
Entdeckt wurde Wasserstoff vom englischen [[Chemiker]] und [[Physiker]] [[Henry Cavendish]] im Jahre [[1766]], als er mit [[Quecksilber]] und [[Säure]]n experimentierte. Als er die beiden Substanzen zusammenbrachte, entstanden im Gemisch kleine Gasbläschen. Diese konnte er bei einer näheren Untersuchung nicht als eines der bekannten Gase identifizieren. Obwohl er fälschlicherweise annahm, dass der Wasserstoff ein Bestandteil des Quecksilbers sei (anstatt Bestandteil der Säure), konnte er die Eigenschaften des Gases gut beschreiben.

[[Datei:Lavoisier.jpg|thumb|left|Antoine Laurent de Lavoisier. Er gab dem Wasserstoff seinen Namen]]
Eine genauere Analyse geschah durch [[Antoine Lavoisier]], der dem Wasserstoff auch seinen Namen gab. Der französische Chemiker entdeckte das Gas im Jahr [[1787]] unabhängig von Cavendish, als er in einem Experiment zeigen wollte, dass bei chemischen Reaktionen keine [[Masse (Physik)|Masse]] verloren geht oder erzeugt wird. Er leitete Wasserdampf in einer [[Abgeschlossenes System|abgeschlossenen Apparatur]] über glühende Eisenspäne und ließ ihn an anderer Stelle  [[Kondensation|kondensieren]]. Dabei stellte er fest, dass die Masse des kondensierten Wassers etwas  geringer war als die der ursprünglichen Menge. Dafür entstand ein Gas  (H<math>_2</math>), dessen Masse zusammen mit dem Gewichtszuwachs des oxidierten  Eisens genau der „verlorengegangenen“ Wassermenge entsprach. Sein eigentliches Experiment war also erfolgreich.

Lavoisier untersuchte das entstandene Gas weiter und führte die heute als [[Knallgasprobe]] bekannte Untersuchung durch, wobei das Gas verbrannte. Er nannte es daher zunächst „brennbare Luft“. Als er in weiteren Experimenten zeigte, dass sich aus dem Gas umgekehrt auch Wasser erzeugen lässt, taufte er es als hydro-gène (griechisch: ''hydro'' = Wasser; ''genes'' = erzeugend). Das Wort bedeutet demnach: „Wasserbildner“. Die deutsche Bezeichnung lässt auf die gleiche Begriffsherkunft schließen.

== Vorkommen ==
Wasserstoff ist das häufigste chemische Element in der [[Sonne]] und den großen Gasplaneten [[Jupiter (Planet)|Jupiter]], [[Saturn (Planet)|Saturn]], [[Uranus (Planet)|Uranus]] und [[Neptun (Planet)|Neptun]], die über 99,99 % der Masse des Sonnensystems in sich vereinen. Wasserstoff stellt 75 % der gesamten Masse beziehungsweise 93 % aller Atome des Sonnensystems. Im gesamten [[Weltall]] wird (unter Nichtbeachtung [[Dunkle Materie|dunkler Materie]]) ein noch höherer Anteil an Wasserstoff vermutet. 

=== Vorkommen im Universum ===
[[Datei:Saturnringe.jpg|thumb|left|Der Saturn mit seinen Ringen aus Eis und Staub. Der Planet selbst besteht größtenteils aus Wasserstoff und Helium.]]
Schon kurz nach der Entstehung des Universums waren Protonen und Neutronen in überwältigender Zahl vorhanden. Bei den vorherrschenden hohen Temperaturen vereinigten sich diese zu leichten Atomkernen, wie <sup>2</sup>H und <sup>4</sup>He. Die meisten Protonen blieben allerdings unverändert und stellten die zukünftigen <sup>1</sup>H-Kerne dar.
Nach ungefähr 380.000 Jahren war die Strahlungsdichte des Universums so gering geworden, dass sich Wasserstoff-Atome einfach durch Zusammenschluss der Kerne mit den Elektronen bilden konnten ohne gleich wieder durch ein Photon auseinander gerissen zu werden.

Mit der weitergehenden Abkühlung des Universums formten sich unter den Einfluss der [[Gravitation]] und ausgehend von räumlichen Dichteschwankungen allmählich Wolken aus Wasserstoffgas, die sich zunächst großräumig zu [[Galaxie]]n und darin zu [[Protostern]]en zusammenballten. Unter dem wachsenden Druck der [[Schwerkraft]] setzte schließlich die [[Kernfusion]] ein, bei der Wasserstoff zu Helium verschmilzt. So entstanden erste [[Stern]]e und auch die [[Sonne]].

Gegen [[Stern#Spätstadien|Ende des Lebenszyklus]] jeder Sonne entstehen je nach deren Größe in ein oder mehreren Fusionsstufen schwerere Elemente wie [[Kohlenstoff]], [[Neon]], [[Sauerstoff]], [[Silicium]] und [[Eisen]], welche die Grundbausteine aller bekannten Lebensformen sind. Noch schwerere Elemente können nur noch in den extrem stark erhitzten äußeren Gasschichten explodierender [[Supernova|Supernovae]] entstehen.

Sterne bestehen weit überwiegend aus Wasserstoff-[[Plasma (Physik)|Plasma]]. Die [[Kernfusion]] von Wasserstoff <sup>1</sup>H erfolgt hauptsächlich über die Zwischenstufen [[Deuterium]] <sup>2</sup>H und [[Tritium]] <sup>3</sup>H zu [[Helium]] <sup>4</sup>He. Die dabei frei werdende Energie ist die Energiequelle der Sterne. Der in unserer [[Sonne]] enthaltene Wasserstoff macht den größten Teil der gesamten Masse unseres Sonnensystems aus.

Aber auch die schweren Gasplaneten bestehen zu großen Teilen aus Wasserstoff, was den Massenanteil des Elements im Sonnensystem weiter erhöht. Unter den extremen Drücken, die in großen Tiefen in den großen Gasplaneten [[Jupiter (Planet)|Jupiter]] und [[Saturn (Planet)|Saturn]] herrschen, kann er in [[Metallischer Wasserstoff|metallischer Form]] existieren. Wahrscheinlich ist der Anteil an metallischem Wasserstoff in den Himmelskörpern noch größer als bisher angenommen. Dieser Zustand ist wegen der elektrischen Leitfähigkeit vermutlich für die Ausbildung der planetaren [[Magnetfeld]]er verantwortlich.

Außerhalb unseres Sonnensystems kommt Wasserstoff auch in gigantischen Gaswolken vor. In den so genannten [[H-I-Gebiet]]en liegt das Element nichtionisiert und molekular vor. Diese Gebiete emittieren Strahlung von etwa 1420&nbsp;MHz, die [[HI-Linie|21-cm-Linie]], die von Übergängen des Gesamtdrehimpulses herrührt. Sie spielt eine wichtige Rolle in der Astronomie und dient dazu, Wasserstoffvorkommen im All zu lokalisieren und zu untersuchen.

Ionisierte Gaswolken mit atomarem Wasserstoff nennt man dagegen [[H-II-Gebiet]]e. In diesen Gebieten strahlen große Sterne hohe Mengen ionisierende Strahlung ab. Mit ihrer Hilfe lassen sich Rückschlüsse auf die Zusammensetzung der interstellaren Materie ziehen. Wegen ständiger Ionisation und Rekombination der Atome senden sie mitunter sichtbare Strahlung aus, die oft so stark ist, dass man diese Gaswolken mit einem relativ kleinen Fernrohr sehen kann.

=== Irdische Vorkommen ===
Auf der [[Erde]] ist der Massenanteil wesentlich geringer. Bezogen auf die Erd-Gesamtmasse bestehen etwa 0,12 % und bezogen auf die Erdkruste etwa 2,9 % aus Wasserstoff. Außerdem liegt der irdische Wasserstoff im Gegensatz zu den Vorkommen im All überwiegend gebunden und nur selten in reiner Form als unvermischtes Gas vor. Von keinem anderen Element sind so viele Verbindungen bekannt. Die bekannteste und am häufigsten auftretende Verbindung ist das [[Wasser]].

==== Erdkruste ====
Das Element kommt aber auch in allen Lebewesen, in [[Erdöl]], [[Erdgas]], natürlichen [[Gas]]e wie beispielsweise [[Methan]] (CH<sub>4</sub>) und in mehr als der Hälfte aller bekannten [[Mineral]]e – überwiegend als Bestandteil von [[Kristallwasser]] – vor.<ref>[http://webmineral.com/chem/Chem-H.shtml Webmineral - Mineral Species sorted by the element H (Hydrogen)] (englisch)</ref>

==== Salz- und Süßwasser ====
Der größte Anteil irdischen Wasserstoffs kommt in der Verbindung Wasser vor. In dieser Form bedeckt er über zwei Drittel der Erdoberfläche. Die gesamten Wasservorkommen der Erde belaufen sich auf circa 1,386&nbsp;Milliarden km³. Davon entfallen 1,338&nbsp;Milliarden km³ (96,5 %) auf Salzwasser in den [[Ozean]]en. Die verbliebenen 3,5 % liegen als Süßwasser vor. Davon befindet sich wiederum der größte Teil im festen Aggregatzustand: in Form von [[Eis]] in der [[Arktis]] und [[Antarktis]] sowie in den [[Permafrost]]böden vor allem in [[Sibirien]]. Der geringe restliche Anteil ist flüssiges Süßwasser und findet sich meist in [[See (Gewässer)|Seen]] und [[Fluss|Flüssen]], aber auch in unterirdischen Vorkommen, etwa als [[Grundwasser]].

==== Atmosphäre ====
In der [[Erdatmosphäre]] liegt Wasserstoff hauptsächlich chemisch gebunden in Form von [[Wasserdampf]] vor. Dessen Anteil an der Luft schwankt stark und liegt bei bis zu über 4 Volumenprozent. Er wird als [[Luftfeuchtigkeit|relative Luftfeuchtigkeit]] gemessen. Diese gibt den Anteil an Wasserdampf im Verhältnis zum temperaturabhängigen [[Sättigungsdampfdruck]] an. Beispielsweise entsprechen bei 30&nbsp;°C Lufttemperatur 100 % Luftfeuchtigkeit 4,2 Volumenprozent Wasserdampf in der Luft.

Die Häufigkeit von molekularem Wasserstoff in der Atmosphäre beträgt nur 0,55 [[Parts per million|ppm]]. Dieser niedrige Anteil kann mit der hohen thermischen Geschwindigkeit der Moleküle und dem hohen Anteil an Sauerstoff in der Atmosphäre erklärt werden. Bei der mittleren Temperatur der Atmosphäre bewegen sich die H<sub>2</sub>-Teilchen im Durchschnitt mit fast 7.000&nbsp;km/h. Das ist rund ein Sechstel der [[Kosmische Geschwindigkeiten|Fluchtgeschwindigkeit]] auf der Erde. Aufgrund der [[Maxwell-Boltzmann-Verteilung]] der Geschwindigkeiten der H<sub>2</sub>-Moleküle gibt es aber dennoch eine beträchtliche Zahl von Molekülen, welche die Fluchtgeschwindigkeit trotzdem erreichen. Die Moleküle haben jedoch nur eine extrem geringe freie Weglänge, sodass nur Moleküle in den [[Exosphäre|oberen Schichten]] der Atmosphäre tatsächlich entweichen. Weitere H<sub>2</sub>-Moleküle kommen aus darunter liegenden Schichten nach, und es entweicht wieder ein bestimmter Anteil, bis letztlich nur noch Spuren des Elements in der Atmosphäre vorhanden sind. Zudem wird der Wasserstoff in den unteren Schichten der Atmosphäre durch eine photoaktivierte Reaktion mit Sauerstoff zu Wasser verbrannt. Bei einem geringen Anteil stellt sich ein Gleichgewicht zwischen Verbrauch und Neuproduktion (durch Bakterien und photonische Spaltung des Wassers) ein.

== Gewinnung ==
→ ''Hauptartikel: [[Wasserstoffherstellung]]''

=== Molekularer Wasserstoff ===
Einfache chemische Prozesse zur Produktion von H<sub>2</sub> sind die Reaktion verdünnter [[Säuren]] mit unedlen [[Metalle]]n (z.&nbsp;B. [[Zink]]) oder die Zersetzung des Wassers durch Alkalimetalle. Diese, im chemischen Laboratorium für kleine Mengen üblichen Methoden, sind aber für die industrielle Herstellung ungeeignet und unwirtschaftlich.

Eine Methode zur industriellen Gewinnung von molekularem Wasserstoff ist die [[Dampfreformierung]]. Unter hoher Temperatur und hohem Druck werden [[Kohlenwasserstoffe]] mit Wasser umgesetzt. Dabei entsteht [[Synthesegas]], ein Gemisch aus [[Kohlenstoffmonoxid]] und Wasserstoff. Das Mengenverhältnis kann dann durch die sogenannte [[Wassergas-Shift-Reaktion]] eingestellt werden. Diese Methode wird hauptsächlich für industrielle Hochdrucksynthesen eingesetzt. Die zweite gängige Methode in der Industrie ist die [[partielle Oxidation]]. Hierbei reagiert meistens [[Erdgas]] mit Sauerstoff unter Bildung von H<sub>2</sub> und Kohlenmonoxid.

Eine alte und effiziente Möglichkeit zur Wasserstoffgewinnung ist die [[Elektrolyse]] von Wasser. Dabei wird Wasser mit Hilfe von elektrischem Strom in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten.

: <math>\mathrm{2\ H_2O(l)\ _{\overrightarrow {\rm Elektrolyse}}\ 2\ H_2(g) + O_2(g)}</math>
: <small>Wasser wird durch elektrischen Strom in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten.</small>

Meist wird dem Wasser ein wenig Säure zur [[Katalyse]] der Reaktion zugesetzt. An der [[Kathode]] entsteht Wasserstoffgas, an der [[Anode]] Sauerstoffgas, im Mol- und Volumenverhältnis 2:1.

Diese Methode wird heute allerdings nur noch in sehr geringem Umfang eingesetzt, vor allem zur Gewinnung von „[[Schweres Wasser|schwerem Wasser]]“, das sich bei der Elektrolyse im nicht umgesetzten Rest anreichert.

Eine sehr moderne Methode ist das [[Kværner-Verfahren]]. Dabei zerlegt ein Plasmabrenner Kohlenwasserstoffe zu [[Kohlenstoff]] und Wasserstoff und erreicht dabei enorm hohe Wirkungsgrade. Ein anderes modernes Verfahren bedient sich der [[Grünalge]]n. Hier kommen biologische Prozesse zum Einsatz. Die benötigte Energie entnehmen die Algen einfach dem Sonnenlicht. Das Verfahren ist also sehr ökologisch. Allerdings verursacht der Unterhalt der Algen hohe Kosten und ist somit wenig ökonomisch und wird deshalb kaum angewendet.

=== Atomarer Wasserstoff ===
Atomarer Wasserstoff kann durch Zufuhr der [[Dissoziation (Chemie)|Dissoziationsenergie]] aus dem molekularen Element erzeugt werden. Methodisch wird dieses bewerkstelligt durch Erhitzung auf mehrere tausend Grad, elektrische Entladung bei hoher Stromdichte und niedrigem Druck, Bestrahlung mit [[Ultraviolett]]licht, Beschuss mit Elektronen bei 10 bis 20 [[Elektronenvolt]] oder [[Mikrowellenstrahlung]]. Allerdings reagiert atomarer Wasserstoff sehr schnell wieder zu molekularem Wasserstoff. Es stellt sich somit ein Fließgleichgewicht ein, das in der Regel weit auf der Seite des molekularen Wasserstoffs liegt.

: <math>\mathrm{H_2\ \overrightarrow{\leftarrow}\ 2\ H} \qquad \Delta H_{R}^0 = 435,0\ \mathrm\ {kJ/mol}</math><ref>RÖMPP, 9. erweiterte Auflage</ref>
: <small>Durch Energiezufuhr dissoziiert molekularer Wasserstoff in die atomare Form.</small>

Zur Darstellung von größeren Mengen atomaren Wasserstoffs sind das Woodsche Darstellungsverfahren ([[Robert Williams Wood]], [[1898]]) und dasjenige von [[Irving Langmuir]] besonders geeignet.

== Physikalische Eigenschaften ==
Wasserstoff ist das Element mit der geringsten [[Dichte]]. Molekularer Wasserstoff (H<sub>2</sub>, ein [[Molekül]] besteht also jeweils aus 2 Wasserstoffatomen) ist etwa 14,4-mal leichter als [[Luft]]. Sein Siedepunkt liegt bei 20,27 [[Kelvin]], der Schmelzpunkt bei 14,02 Kelvin. Die [[Löslichkeit]] von Wasserstoff in Wasser beträgt 1,6&nbsp;mg/l.

Einige [[Thermodynamik|thermodynamische]] Eigenschaften (Transportphänomene) sind aufgrund der geringen [[Molekülmasse]] und der daraus resultierenden hohen mittleren Geschwindigkeit der Wasserstoffmoleküle (1770 m/s bei 25&nbsp;°C) von besonderer Bedeutung, (wie z. B. beim Oberth-Effekt- [[Raketentreibstoff]]). Wasserstoff besitzt bei Raumtemperatur das höchste [[Diffusion]]svermögen, die höchste [[Wärmeleitfähigkeit]] und die höchste [[Effusion (Physik)|Effusionsgeschwindigkeit]] aller Gase. Eine geringere [[Viskosität]] weisen nur drei- oder mehratomige [[Reales Gas|reale Gase]] wie zum Beispiel [[Butan|n-Butan]] auf.

Die [[Mobilität]] des Wasserstoffs in einer festen Matrix ist, bedingt durch den geringen Molekülquerschnitt, ebenfalls sehr hoch. So diffundiert Wasserstoff durch Materialien wie [[Polyethylen]] und glühendes [[Quarzglas]]. Ein sehr wichtiges Phänomen ist die außerordentlich hohe Diffusionsgeschwindigkeit in [[Eisen]], [[Platin]] und einigen anderen [[Übergangsmetalle]]n, da es dort dann zur [[Wasserstoffversprödung]] kommt. In Kombination mit einer hohen Löslichkeit treten bei einigen Werkstoffen extrem hohe [[Permeation]]sraten auf. Hieraus ergeben sich technische Nutzungen zur Wasserstoffanreicherung, aber auch technische Probleme beim Transportieren, Lagern und Verarbeiten von Wasserstoff und Wasserstoffgemischen, da nur Wasserstoff diese räumlichen Begrenzungen durchwandert (siehe [[Wasserstoff#Sicherheitshinweise|Sicherheitshinweise]]).

[[Datei:visible spectrum of hydrogen.jpg|thumb|1000x60px|Sichtbarer Bereich des Wasserstoff-Spektrums. Es sind sechs Linien der Balmer-Serie sichtbar, da die CCD-Sensoren der Kamera auch ein wenig in den ultravioletten Teil des Spektrums hinein sensitiv sind]]

Die ersten [[Spektrallinie]]n im sichtbaren Bereich, zusammengefasst in der so genannten [[Balmer-Serie]], liegen bei 656 [[Nanometer|nm]], 486&nbsp;nm, 434&nbsp;nm und 410&nbsp;nm. Daneben gibt es weitere Serien von Spektrallinien im Infrarot- ([[Paschen-Serie]], [[Brackett-Serie]] und [[Pfund-Serie]]) und eine im Ultraviolettbereich ([[Lyman-Serie]]) des [[Elektromagnetisches Spektrum|elektromagnetischen Spektrums]]. Eine besondere Bedeutung in der [[Radioastronomie]] hat die [[HI-Linie|21-Zentimeter-Linie]] in der [[Hyperfeinstruktur]].

In einem [[Magnetisches Feld|magnetischen Feld]] verhält sich H<sub>2</sub> sehr schwach [[Diamagnetismus|diamagnetisch]]. Das bedeutet, die Dichte der Feldlinien eines extern angelegten Magnetfeldes nimmt in der Probe ab. Die [[magnetische Suszeptibilität]] ist bei Normdruck <math>\chi_m</math> = 9,9·10<sup>−9</sup> und typischerweise einige Größenordnungen unter der von diamagnetischen Festkörpern.

Gegenüber elektrischem Strom ist H<sub>2</sub> ein Isolator. In einem [[Elektrisches Feld|elektrischen Feld]] hat er eine [[Durchschlagsfestigkeit]] von mehreren Millionen Volt pro Meter.

=== Aggregatzustände {{Anker|LH2}} ===
[[Datei:Linde-Wasserstofftank.JPG|thumb|Tank für flüssigen Wasserstoff der Firma Linde, Museum Autovision in Altlußheim]]
Bei Temperaturen unterhalb von 20,27&nbsp;Kelvin kondensiert Wasserstoff zu einer klaren, farblosen Flüssigkeit. Dieser Zustand wird auch als '''LH<sub>2</sub>''' abgekürzt (engl. ''liquid'', „flüssig“). Senkt man die Temperatur weiter, dann geht Wasserstoff bei 14,02&nbsp;Kelvin (−259,2&nbsp;[[Celsius|°C]]) in einen schlammartigen Zustand, genannt [[Slush]] über, bevor er gefriert und einen kristallinen Festkörper mit [[Dichteste Kugelpackung|hexagonal dichtester Kugelpackung]]&nbsp;(hcp) bildet, wobei jedes Molekül von zwölf weiteren umgeben ist.

Anders als bei [[Helium]] tritt beim Verflüssigen von einfachem Wasserstoff (<sup>&nbsp;1</sup>H) keine [[Suprafluidität]] auf; prinzipiell kann aber das Isotop [[Deuterium]] (<sup>&nbsp;2</sup>H) suprafluid werden.

Der [[Tripelpunkt]] des Wasserstoffs, bei dem seine drei Aggregatzustände gleichzeitig vorkommen, ist einer der Fixpunkte der [[Internationale Temperaturskala|Internationalen Temperaturskala]]. Er liegt bei einer Temperatur von exakt 13,8033 Kelvin <ref name="NIST">P.J. Linstrom and W.G. Mallard, Eds., NIST Chemistry WebBook, NIST Standard Reference Database Number 69, June 2005, National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg MD, 20899</ref> und einem Druck von 7,042&nbsp;kPa<ref name="NIST"/>. Der [[Kritischer Punkt (Thermodynamik)|kritische Punkt]] liegt bei 33,18&nbsp;K<ref name="NIST"/> und 13,0&nbsp;bar<ref name="NIST"/>, die kritische Dichte beträgt 0,03136 g/cm<sup>3</sup> (die niedrigste kritische Dichte aller Elemente) <ref>Römpps Chemielexikon achte Auflage 1988</ref>.

Unter extremen Drücken, wie sie innerhalb von [[Gasplanet]]en herrschen, wird wahrscheinlich [[metallischer Wasserstoff]], d. h. in metallischer Form, ausgebildet. Dabei wird er elektrisch leitend (vgl. [[Metalle#Metalle in der Chemie|Leiterbahn]]).

=== Atom- und kernphysikalische Eigenschaften ===
[[Datei:HAtomOrbitals.png|thumb|Orbitale des Wasserstoffatoms für verschiedene n- und l-Quantenzahlen]]
→ ''Hauptartikel: [[Wasserstoffatom]]''

Ein einzelnes Wasserstoffatom besteht aus einem positiv geladenen [[Atomkern|Kern]] und einem
negativ geladenen Elektron, das über die [[Coulombkraft|Coulomb-Wechselwirkung]] an den Kern gebunden ist. Dieser besteht stets aus einem einzelnen Proton (<sup>1</sup>H-Isotop) und je nach [[Isotop]] aus einem oder zwei zusätzlichen [[Neutron]]en (<sup>2</sup>H bzw. <sup>3</sup>H-Isotop). Das [[Wasserstoffatom]] <sup>1</sup>H wird aufgrund seines einfachen Aufbaus als „Modellatom“ in der physikalischen Beschreibung der [[Atom]]e herangezogen.

So entstand aus Untersuchungsergebnissen am Wasserstoff das [[Bohrsches Atommodell|Bohrsche Atommodell]], mit dessen Hilfe eine vergleichsweise einfache Beschreibung vieler Eigenschaften des Wasserstoffatoms möglich ist. Man stellt sich dazu vor, dass das Elektron den Kern auf einer bestimmten konzentrischen, kugelförmigen Kreisbahn umläuft. Nach Bohr kann das Elektron auch auf andere, im Abstand zum Kern genau definierte Bahnen springen, so auch auf weiter außen liegende, wenn ihm die dazu nötige Energie zugeführt wird (z.&nbsp;B. durch Erhitzen). Beim Rücksprung von einer äußeren auf eine innere Bahn wird jeweils eine [[Elektromagnetische Welle|elektromagnetische Strahlung oder Welle]] einer bestimmten, der frei werdenden Energie entsprechende [[Wellenlänge]] abgegeben. Mit diesem Modell lassen sich die Spektrallinien des H-Atoms erklären, die im sichtbaren Licht bei Wellenlängen von 656&nbsp;nm, 486&nbsp;nm, 434&nbsp;nm und 410&nbsp;nm liegen ([[Balmer-Serie]]); im [[ultraviolett]]en Bereich liegt die [[Lyman-Serie]] mit Wellenlängen von 122&nbsp;nm, 103&nbsp;nm, 97&nbsp;nm und 95&nbsp;nm. Wichtige Serien im [[Infrarot]]en sind die [[Paschen-Serie]] (1,9 [[Meter#Mikrometer|µm]]; 1,3&nbsp;µm; 1,1&nbsp;µm und 1&nbsp;µm) und die [[Brackett-Serie]] (4,1&nbsp;µm; 2,6&nbsp;µm; 2,2&nbsp;µm und 1,9&nbsp;µm) (in allen Serien sind hier nur die ersten vier Linien angegeben). Das Bohrsche Modell reicht aber bei der Betrachtung von Details und für andere Atome zur Erklärung der dabei beobachteten bzw. gemessenen Phänomene nicht aus.

Physikalisch korrekter ist die [[Quantenmechanik|quantenmechanische]] Beschreibung. Das H-Atom ist das einzige, für das sich das [[Eigenwertproblem]] sowohl der nichtrelativistischen [[Schrödingergleichung]] als auch der relativistischen [[Diracgleichung]] analytisch, das heißt ohne den Einsatz [[Numerische Mathematik|numerischer Verfahren]], lösen lässt. Das ist sonst nur für Ionen möglich, denen lediglich ein Elektron verblieben ist (beispielsweise He<sup>+</sup>, Li<sup> 2+</sup>, usw.).

Andere quantenmechanische Phänomene bewirken weitere Effekte. Die [[Feinstruktur (Physik)|Feinstruktur]] der Spektrallinien kommt u.&nbsp;a. daher, dass Bahndrehimpuls und [[Spin]] des Elektrons miteinander koppeln. Berücksichtigt man darüber hinaus auch den [[Kernspin]], kommt man zur [[Hyperfeinstruktur]]. Eine sehr kleine, aber physikalisch besonders interessante Korrektur durch [[Vakuumfluktuation]]en ist die [[Lambverschiebung]]. Durch all diese Korrekturen wird bereits das Spektrum des Wasserstoffs zu einem komplexen Phänomen, dessen Verständnis im Rahmen der Quantenmechanik viel theoretisches Wissen erfordert.

=== Kernspinzustände im H<sub>2</sub>-Molekül ===
Unter normalen Bedingungen ist Wasserstoffgas H<sub>2</sub> ein Gemisch zweier Molekülzustände, die sich durch die „Richtung“ ihrer [[Kernspin]]s unterscheiden. Diese beiden Formen werden ''ortho''- und ''para''-Wasserstoff benannt (kurz o- und p-Wasserstoff). Bei o-Wasserstoff haben die Kernspins die gleiche (parallele) Richtung, während sie beim p-Wasserstoff entgegengesetzte (antiparallele) Richtung aufweisen. o-Wasserstoff ist die energiereichere Form. Die beiden Molekülzustände hängen über folgende, temperaturabhängige [[Gleichgewicht (Physik)|Gleichgewichtsbeziehung]] miteinander zusammen:

: <math>\text{ortho-H}_2\ \rightleftarrows\ \text{para-H}_2 \qquad \Delta H_{R}^0 = -0{,}08\ \mathrm{kJ/mol} </math>
: <small>Die beiden Formen können unter Energieaufnahme bzw. -abgabe ineinander übergehen.</small>

Am [[Absoluter Nullpunkt|absoluten Nullpunkt]] findet man ausschließlich p-Wasserstoff. Unter [[Standardbedingungen]] liegen 25 % des Wasserstoffs als p-Form und 75 % als o-Form vor. Theoretische Berechnungen ergeben, dass der Anteil der o-Form nicht über diesen Anteil hinaus gesteigert werden kann. Die physikalischen Eigenschaften von o- und p-Wasserstoff sind geringfügig verschieden. So liegen beispielsweise der Schmelz- und Siedepunkt der p-Form etwa 0,1&nbsp;[[Kelvin|K]] unter denen der o-Form.

Bei der industriellen Herstellung von flüssigem Wasserstoff spielt obiges Gleichgewicht eine wichtige Rolle. Der Wechsel der Kerne in die antiparallele Orientierung (→ p-Wasserstoff) erfolgt beim Abkühlen nur sehr langsam, da die Wechselwirkungen zwischen den Kernen – genauer gesagt beeinflussen sich die Kerne über ihre [[Magnetisches Moment|magnetischen Momente]] – nur sehr schwach sind. Deswegen versucht man, die Einstellung des Gleichgewichts durch den Einsatz von [[Katalysator]]en zu beschleunigen.

== Chemische Eigenschaften ==
=== Besonderheiten ===
Im [[Periodensystem]] steht Wasserstoff in der I. Hauptgruppe weil er 1 [[Valenzelektron]] besitzt. Ähnlich wie die ebenfalls dort stehenden [[Alkalimetall]]e hat er in vielen Verbindungen die [[Oxidationszahl]] '''+1'''. Allerdings sitzt sein Valenzelektron auf der K-Schale, die nur maximal 2 Elektronen haben kann und somit die [[Edelgaskonfiguration]] bereits mit 2 Elektronen und nicht mit 8 wie die anderen Schalen erreicht.

Durch Aufnahme eines Elektrons kann er also die Edelgaskonfiguration des Heliums erreichen. Er hat dann die Oxidationszahl '''-1''', und hat in Bindungen einen Halogencharakter. Diese Bindungen geht er mit sehr unedlen Metallen ein. Man spricht dann von einem [[Hydrid]].

Diese Stellung „in der Mitte“ zwischen Edelgaskonfigurationen, in der er die gleiche Anzahl Elektronen aufnehmen oder abgeben kann, ist eine Eigenschaft, die der IV. Hauptgruppe ähnelt, was auch seine [[Elektronegativität]] erklärt, die eher der des [[Kohlenstoff]]s ähnelt, als der des [[Lithium]]s.

Aufgrund dieser „gemäßigten“ Elektronegativität sind die für die I. Hauptgruppe typischen Bindungen des Wasserstoffs in der Oxidationszahl '''+1''' keine Ionenbindungen wie bei den Alkalimetallen, sondern [[kovalent]]e Molekülbindungen. 

Zusammenfassend sind die Eigenschaften des Wasserstoffs für die I. Hauptgruppe atypisch, da aufgrund der Tatsache, dass die K-Schale nur 2 Elektronen aufnehmen kann, auch teilweise Eigenschaften anderer Gruppen hinzukommen.

=== Molekularer Wasserstoff ===
[[Datei:Wasserstoff.svg|thumb|150px|[[Lewisformel]] des Wasserstoffmoleküls]]

Bei Zündung reagiert Wasserstoff mit [[Sauerstoff]] und [[Chlor]] heftig, ist sonst aber vergleichsweise beständig und wenig reaktiv. Bei hohen Temperaturen wird das Gas reaktionsfreudig und geht mit Metallen und Nichtmetallen gleichermaßen Verbindungen ein.

Mit [[Chlor]] reagiert Wasserstoff [[exotherm]] unter Bildung von gasförmigem [[Chlorwasserstoff]], welches in Wasser gelöst [[Salzsäure]] ergibt. Beide Gase reagieren dabei mit gleichen [[Stoffmenge]]nanteilen:

: <math>\mathrm{Cl_2 + H_2 \rightarrow 2\ HCl}</math>
: <small>je ein Chlor- und Wasserstoffmolekül reagieren zu zwei Chlorwasserstoffmolekülen</small>

Diese Reaktion ist unter dem Namen [[Chlorknallgas]]reaktion bekannt, welche sich schon durch die Bestrahlung mit Licht zünden lässt. Für die [[Knallgas]]reaktion (Wasserstoff und Sauerstoff) bedarf es einer Zündung
: <math>\mathrm{O_2 + 2 H_2 \rightarrow 2\ H_2O}</math>
: <small>je ein Sauerstoff- und zwei Wasserstoffmoleküle reagieren zu zwei Wassermolekülen</small>

Die aggressivste Reaktion bei niedrigen Temperaturen geht jedoch Wasserstoff mit [[Fluor]] ein. Wird Wasserstoffgas bei -200&nbsp;°C auf gefrorenes Fluor geleitet, reagieren die beiden Stoffe sofort explosiv miteinander.

: <math>\mathrm{F_2 + H_2 \rightarrow 2\ HF}</math>
: <small>je ein Fluor- und Wasserstoffmolekül reagieren zu zwei Fluorwasserstoffmolekülen</small>

=== Angeregter Wasserstoff ===
Wasserstoff im ''[[Nascierender Stoff|statu nascendi]]'', d.&nbsp;h. im ''Zustand des Entstehens'' unmittelbar nach einer Wasserstoff erzeugenden Reaktion, existiert nur für Sekundenbruchteile. Innerhalb dieser Zeitspanne reagieren in der Regel zwei H-Atome miteinander. Aber auch nach diesem Zusammenschluss liegt der Wasserstoff für kurze Zeit in einem angeregten Zustand vor und kann so –&nbsp;abweichend vom „normalen“ chemischen Verhalten&nbsp;– für verschiedene Reaktionen genutzt werden, die mit molekularem Wasserstoff nicht möglich sind.

So gelingt es zum Beispiel nicht, mit Hilfe von im [[Kippscher Apparat|Kippschen Apparat]] erzeugtem Wasserstoffgas, in einer angesäuerten, violetten [[Kaliumpermanganat]]lösung (KMnO<sub>4</sub>) oder gelben [[Kaliumdichromat]]lösung (K<sub>2</sub>Cr<sub>2</sub>O<sub>7</sub>) den die Reduktion anzeigenden Farbwechsel hervorzurufen. Mit direkt in diesen Lösungen, durch Zugabe von [[Zink]]pulver generiertem Wasserstoff ''in statu nascendi'' gelingt diese [[Reduktion (Chemie)|reduktive]] Farbänderung.

: <math>\mathrm{MnO_4^- + 8\ H^+ + 5\ H \rightarrow Mn^{2+} + 4\ H_2O + 5\ H^+}</math>
: <small>Nascierender Wasserstoff vermag unter sauren Bedingungen violette Permanganatlösung zu entfärben.</small>

: <math>\mathrm{Cr_2O_7^{2-} + 14\ H^+ + 6\ H \rightarrow 2\ Cr^{3+} + 7\ H_2O + 6\ H^+}</math>
: <small>Unter sauren Bedingungen wird gelbe Dichromatlösung grün durch die reduktive Wirkung des nascierenden Wasserstoffs.</small>

=== Atomarer Wasserstoff ===
Um molekularen Wasserstoff in die Atome zu zerlegen, muss Energie von etwa 4,5&nbsp;[[Elektronenvolt|eV]] pro Molekül oder genauer 436,22 [[Joule|kJ]]/[[mol]] aufgewendet werden (der Chemiker spricht von [[Enthalpie]]); beim Zusammenschluss zu Wasserstoffmolekülen (H<sub>2&nbsp;</sub>) wird diese Energie wieder freigesetzt:

: <math>\mathrm{2\ H\ \overrightarrow{\leftarrow}\ H_2} \qquad \Delta H_{R}^0 = -436{,}22\ \mathrm{kJ/mol} </math>
: <small>Zwei H-Atome reagieren zu einem H<sub>2</sub>-Molekül und setzen dabei Energie frei.</small>
Das Gleichgewicht dieser Reaktion liegt unter Normalbedingungen vollkommen auf der rechten Seite der dargestellten Gleichung, denn atomarer Wasserstoff reagiert sehr rasch und stark [[exotherm]] zu molekularem Wasserstoff (oder mit anderen Reaktionspartnern, wenn solche in der Nähe sind).

Eine Anwendung findet diese Reaktion beim [[Arcatom-Schweißen]].

Auch im [[Weltraum]] liegt bei niedrigen Temperaturen in der Regel molekularer Wasserstoff vor.
In der Nähe heißer Sterne wird molekularer Wasserstoff jedoch von deren Strahlung aufgespalten, so dass dort die atomare Form überwiegt. Diese ist zwar sehr reaktiv und geht schnell neue Verbindungen ein, vor allem mit anderen Wasserstoffatomen, die jedoch von der Strahlung ebenfalls wieder gespalten werden. ''Siehe dazu auch [[H-II-Gebiet]].''

Anmerkung: Wasserstoff in den [[Stern]]en liegt nicht nur atomar vor, sondern auch als Plasma: Die Elektronen sind infolge der dort herrschenden hohen Temperaturen je nach Temperatur von den Protonen mehr oder weniger abgetrennt. Die Oberfläche der Sonne hat jedoch nur eine Temperatur von ungefähr 6000&nbsp;°C. Bei dieser Temperatur ist immer noch der größte Teil des Wasserstoffes nicht ionisiert und sogar molekular, d.&nbsp;h. das Gleichgewicht liegt weit auf der Seite des molekularen Wasserstoffes. Die thermische Energie ist bei 6000&nbsp;°C weit unter der Energie von 4,5 eV, die zur Auflösung der molekularen Bindung erforderlich ist. Die Sonne ist jedoch in der [[Korona (Sonne)|Korona]] mit mindestens einer Million Kelvin wesentlich heißer. Daher sind im Sonnenlicht die Übergänge der Elektronen im atomaren Wasserstoff erkennbar. Chemische Verbindungen können sich bei so hohen Temperaturen kaum bilden und zerfallen sofort.

=== Wasserstoffbrückenbindung ===
Eine wichtige Eigenschaft des Wasserstoffs ist die so genannte [[Wasserstoffbrückenbindung]], eine anziehende elektrostatische [[Coulombsches Gesetz|Kraft]] zwischen zwei Molekülen. Ist H an ein stark [[Elektronegativität|elektronegatives]] Atom, wie zum Beispiel [[Fluor]] oder Sauerstoff, gebunden, so befindet sich sein Elektron eher in der Nähe des Bindungspartners. Es tritt also eine Ladungsverschiebung auf und das H-Atom wirkt nun positiv polarisiert. Der Bindungspartner wirkt entsprechend negativ. Kommen sich zwei solche Moleküle nahe genug, tritt eine anziehende elektrische Kraft zwischen dem positiven H-Atom des einen Moleküls und des negativen Teils des jeweiligen Partners auf. Das ist eine Wasserstoffbrückenbindung.

Da die Wasserstoffbrückenbindung mit nur 17&nbsp;kJ/mol bis 167&nbsp;kJ/mol<ref>{{Literatur|Autor=George A. Jeffrey|Titel=An Introduction to Hydrogen Bonding|Verlag=Oxford University Press|ISBN=978-0195095494|Jahr=1997}}</ref> schwächer ist als die Bindungskraft innerhalb eines Moleküls, verbinden sich die Moleküle nicht dauerhaft. Vielmehr bleibt die Wasserstoffbrücke wegen [[Thermische Energie|ständigen Bewegung]] nur Bruchteile einer Sekunde bestehen. Dann lösen sich die Moleküle voneinander, um erneut eine Wasserstoffbrückenbindung mit einem anderen Molekül einzugehen. Dieser Vorgang wiederholt sich ständig.

Die Wasserstoffbrückenbindung ist für viele Eigenschaften verschiedener Verbindungen verantwortlich, wie etwa [[Desoxyribonukleinsäure|DNA]] oder [[Wasser]]. Bei Letzterem führen diese Bindungen zu den [[Wasser#Die „Anomalie des Wassers“|Anomalien des Wassers]], insbesondere der [[Dichteanomalie]].

Anmerkung: Die Wasserstoffbrückenbindung sollte nicht mit der ''[[Van-der-Waals-Bindung]]'' verwechselt werden, die auf ungleichmäßigen Ladungsverteilungen bei ''nicht''polaren Molekülen beruht und unter anderem für den Schmelz- oder Siedepunkt einen Stoffes verantwortlich ist.

== Isotope ==
[[Datei:Hydrogen Deuterium Tritium Nuclei Schmatic-de.svg|thumb|Wasserstoff, [[Deuterium]], [[Tritium]]]] 
Es existieren drei natürlich vorkommende [[Isotop]]e des Wasserstoffs. Von allen Elementen unterscheiden sich beim Wasserstoff – wenn auch nur geringfügig – die Isotope in ihren chemischen Reaktionsfähigkeiten am meisten. Das liegt an dem vergleichsweise großen Gewichtsunterschied (Deuterium doppelt, Tritium dreimal so schwer wie Wasserstoff). Dieser Unterschied beträgt schon bei den Isotopen des nächstschwereren Elements Helium nur noch 25 %. In jüngerer Zeit gelang es, die kurzzeitige Existenz von vier weiteren Kernen nachzuweisen (<sup>4</sup>H, <sup>5</sup>H, <sup>6</sup>H und <sup>7</sup>H)<ref>[http://physicsweb.org/articles/news/7/3/3 physicsweb.org: Hydrogen-7 makes its debut]</ref>. Diese Kerne haben aber alle eine sehr kurze Lebensdauer (<&nbsp;10<sup>−21</sup>&nbsp;s). [[1955]] taucht in dem satirischen Roman „[[Die Maus, die brüllte]]“ („The Mouse That Roared“) die Bezeichnung ''Quadium'' für <sup>4</sup>H in der fiktiven Waffe „Q-Bombe“ auf.

{| class="prettytable" width="100%"
|- bgcolor="#dfdfdf"
! Isotop || Name ||Symbol||Eigenschaften
|----
|&nbsp;&nbsp; <sup>1</sup>H || Protium ||&nbsp;&nbsp;H ||Das einfachste Wasserstoff-Isotop <sup>1</sup>H besitzt keine Neutronen im Kern und wird gelegentlich Protium genannt. Es hat mit einer relativen Häufigkeit von 99,99 % den weitaus größten Anteil am irdisch vorkommenden Wasserstoff. Es ist nicht [[radioaktiv]], also stabil.
|----
|&nbsp;&nbsp; <sup>2</sup>H || [[Deuterium]] ||&nbsp;&nbsp;D ||Das Isotop <sup>2</sup>H hat neben dem Proton ein Neutron im Kern. Man bezeichnet es als Deuterium. Für Deuterium gibt es das D als ein eigenes [[Elementsymbol]]. Verwendung findet es z.&nbsp;B. als Bestandteil von Lösungsmitteln für die <sup>1</sup>H-NMR Spektroskopie, da es dabei kein störendes Nebensignal liefert. Es macht 0,0115 % aller Wasserstoffatome aus (nach [[IUPAC]]). Deuterium ist ebenfalls stabil.
|----
|&nbsp;&nbsp; <sup>3</sup>H || [[Tritium]] ||&nbsp;&nbsp;T ||Tritium ist das dritte natürlich vorkommende Isotop des Wasserstoffs. Es hat aber nur einen verschwindenden Anteil am gesamten in der Natur vorkommenden Wasserstoff. Tritium besitzt zwei Neutronen und wird mit <sup>3</sup>H oder T gekennzeichnet. Tritium ist [[radioaktiv]] und zerfällt durch [[Betazerfall]] (β<sup>−</sup>) mit einer [[Halbwertszeit]] von 12,32&nbsp;Jahren in [[Helium|<sup>3</sup>He]]. Nach <ref name="Lal_Peters">D. Lal und B. Peters: ''Cosmic ray produced radioactivity on the earth.'' Handbuch der Physik, Band 46/2, Seiten 551–612, Springer, Berlin, '''1967'''.</ref> wird Tritium durch [[Kernreaktion]]en in der oberen [[Atmosphäre]] ständig als kosmogenes [[Radionuklid]] gebildet. Bei einem Gleichgewicht von natürlicher Produktion und Zerfall ergibt sich, entsprechend der Quelle, ein Inventar von 3,5&nbsp;kg auf der Erde. Tritium kann in [[Oberflächenwasser]]n und in Lebewesen nachgewiesen werden. Durch Kernwaffentests ist die Konzentration des Tritiums in der Atmosphäre nach 1950 deutlich angestiegen.
|}

== Verwendung ==
Jedes Jahr werden weltweit mehr als 600 Milliarden Kubikmeter Wasserstoff (rd.&nbsp;30&nbsp;Mio.&nbsp;t) für zahllose Anwendungen in Industrie und Technik produziert. Wichtige Einsatzgebiete sind:

* ''[[Energieträger]]'': Beim [[Schweißen]], als [[Raketentreibstoff]]. Auch als Kraftstoff für [[Strahltriebwerk]]e oder [[Verbrennungsmotor]]en kann Wasserstoff verwendet werden – dieser Weg ist kurzfristig technologisch einfacher umzusetzen und besonders für Nutzfahrzeuge mit hohen Kilometerleistungen aufgrund der mangelnden Standfestigkeit der Brennstoffzellen die einzige Möglichkeit, siehe [[Wasserstoffantrieb]].
* ''[[Reduktion (Chemie)|Reduktionsmittel]]'': H<sub>2</sub> kann mit Metalloxiden reagieren und ihnen dabei den Sauerstoff entziehen. Es entsteht Wasser und das reduzierte Metall. Das Verfahren wird bei der [[Verhüttung]] von metallischen [[Erz]]en angewandt, insbesondere um Metalle möglichst rein zu gewinnen.
* Mit dem ([[Haber-Bosch-Verfahren]]) wird aus [[Stickstoff]] und Wasserstoff [[Ammoniak]] hergestellt und daraus wichtige Düngemittel und Sprengstoffe.
* ''[[Kohlehydrierung]]'': Durch verschiedene chemische Reaktionen wird Kohle mit H<sub>2</sub> in flüssige [[Kohlenwasserstoff]]e überführt. So lassen sich [[Motorenbenzin|Benzin]], [[Dieselkraftstoff|Diesel]] und [[Heizöl]] künstlich herstellen. Momentan hat das Verfahren wegen höherer Kosten kaum wirtschaftliche Bedeutung. Das könnte sich aber drastisch ändern, sobald die Ölvorräte der Erde zur Neige gehen.
* ''[[Fetthärtung]]'': Gehärtete [[Fette]] werden oft aus Pflanzenöl mittels [[Hydrierung]] gewonnen. Dabei werden die Doppelbindungen in den Fettsäure-Ketten der Fettmoleküle mit Wasserstoff abgesättigt. Die entstandenen Fette haben einen höheren Schmelzpunkt, wodurch das Produkt fest wird. Auf diese Weise stellt man [[Margarine]] her. Dabei können sich auch so genannte [[Trans-Fettsäuren|''trans''-Fettsäuren]] bilden. 
* ''[[Lebensmittelzusatzstoff]]'': Wasserstoff ist als E 949 zugelassen und wird als Treibgas, Packgas, Gas zum Aufschlagen von Sahne u.ä. verwendet.<ref>[[ZZulV]]: [http://bundesrecht.juris.de/zzulv_1998/BJNR023100998.html Verordnung über die Zulassung von Zusatzstoffen zu Lebensmitteln zu technologischen Zwecken]</ref>
* ''Kühlmittel'': Aufgrund seiner hohen [[Wärmekapazität]] benutzt man Wasserstoff in Kraftwerken und den dort eingesetzten [[Turbogenerator]]en als Kühlmittel. Insbesondere setzt man H<sub>2</sub> dort ein, wo eine Flüssigkeitskühlung problematisch werden kann. Die Wärmekapazität kommt dort zum Tragen, wo das Gas nicht oder nur langsam zirkulieren kann. Weil die [[Wärmeleitfähigkeit]] ebenfalls hoch ist, verwendet man strömendes H<sub>2</sub> auch zum Abtransport von thermischer Energie in große Reservoire (z.&nbsp;B. Flüsse). In diesen Anwendungen schützt Wasserstoff die Anlagen vor Überhitzung und erhöht die Effizienz.
* ''[[Kryogen (Technik)|Kryogen]]'': Wegen der hohen Wärmekapazität eignet sich flüssiger Wasserstoff als Cryogen, also als Kühlmittel für extrem tiefe Temperaturen. Auch größere Wärmemengen können von flüssigem Wasserstoff gut absorbiert werden, bevor eine merkliche Erhöhung in seiner Temperatur auftritt. So wird die tiefe Temperatur auch bei äußeren Schwankungen aufrechterhalten.
* ''[[Traggas]]'': In [[Ballon]]s und [[Luftschiff]]en fand Wasserstoff eine seiner ersten Verwendungen. Wegen der leichten Entzündlichkeit von H<sub>2</sub>-Luft-Gemischen führte dies jedoch wiederholt zu Unfällen. Die größte Katastrophe in diesem Zusammenhang ist wohl das Unglück der [[LZ 114|„Dixmude“]] 1923, am bekanntesten wurde sicherlich die [[LZ 129|„Hindenburg-Katastrophe“]] im Jahr [[1937]]. Wasserstoff als Traggas wurde mittlerweile durch Helium ersetzt und erfüllt diesen Zweck nur noch in sehr speziellen Anwendungen.

Die beiden natürlichen Isotope haben spezielle Einsatzgebiete.

'''Deuterium''' findet (in Form von [[Schweres Wasser|schwerem Wasser]]) in [[Schwerwasserreaktor]]en als [[Moderator (Neutronenphysik)|Moderator]] Verwendung, d.&nbsp;h. zum Abbremsen der bei der [[Kernspaltung]] entstehenden schnellen [[Neutron]]en auf thermische Geschwindigkeit.

Deuterierte Lösungsmittel werden in der [[NMR-Spektroskopie|magnetischen Kernresonanzspektroskopie]] benutzt, da Deuterium einen Kernspin von Eins besitzt und im NMR-Spektrum des normalen Wasserstoff-Isotops nicht sichtbar ist.

In der [[Chemie]] und [[Biologie]] helfen Deuteriumverbindungen bei der Untersuchung von Reaktionsabläufen und Stoffwechselwegen ([[Isotopenmarkierung]]), da sich Verbindungen mit Deuterium chemisch und biochemisch meist nahezu identisch verhalten wie die entsprechenden Verbindungen mit Wasserstoff. Die Reaktionen werden von der Markierung nicht gestört, der Verbleib des Deuteriums ist in den Endprodukten dennoch feststellbar.

Ferner sorgt der erhebliche Massenunterschied zwischen Wasserstoff und Deuterium für einen deutlichen [[Isotopeneffekt]] bei den massenabhängigen Eigenschaften. So hat das [[Schweres Wasser|schwere Wasser]] einen messbar höheren Siedepunkt als Wasser.

Das radioaktive Isotop '''Tritium''' wird in [[Kernreaktor]]en in industriell verwertbaren Mengen hergestellt. Außerdem ist es neben Deuterium ein Ausgangsstoff bei der Kernfusion zu Helium. In der zivilen Nutzung dient es in [[Biologie]] und [[Medizin]] als radioaktiver [[Marker]]. So lassen sich beispielsweise Tumorzellen aufspüren. In der [[Physik]] ist es einerseits selbst Forschungsgegenstand, andererseits untersucht man mit hochbeschleunigten Tritiumkernen schwere Kerne oder stellt künstliche Isotope her.

Mit Hilfe der [[Tritiummethode]] lassen sich Wasserproben sehr genau datieren. Mit einer Halbwertszeit von etwa zwölf Jahren eignet es sich besonders für die Messung relativ kurzer Zeiträume (bis zu einigen hundert Jahren). Unter anderem lässt sich so das Alter eines [[Wein]]es feststellen.

Es findet auch Verwendung als langlebige, zuverlässige Energiequelle für [[Leuchtfarbe]]n (im Gemisch mit einem [[Fluoreszenzfarbstoff]]), vor allem in militärischen Anwendungen, aber auch in Armbanduhren. Weitere militärische Verwendung findet das Isotop in der [[Wasserstoffbombe]] und gewissen Ausführungen von [[Kernwaffe]]n, deren Wirkung auf Spaltung beruht.

=== Wasserstoff als Energiespeicher ===
→ ''Hauptartikel: [[Wasserstoffspeicherung]]''

Wasserstoff wird oft als „[[Energieträger]] der Zukunft“ ([[Wasserstoffwirtschaft]]), der keinerlei schädliche Emissionen, insbesondere kein [[Kohlendioxid]], verursacht, tituliert – oft in einem Atemzug etwa mit Wind und Sonne. Derartige Aussagen sind aber mit Vorsicht zu genießen und beruhen zum Teil auf Verwechselung von Primärenergie und Energie(über)träger. Unzweifelhaft enthält Wasserstoffgas mehr Energie pro Gewichtseinheit als jeder andere chemische Brennstoff, jedoch muss Wasserstoff zunächst erst einmal energieintensiv hergestellt werden. Insofern ist Wasserstoff keine Energiequelle, sondern seine Erzeugung bietet ggf. Möglichkeiten, anderweitig gewonnene Energie (etwa aus Wind und Sonne) zu speichern. Allerdings sind auch die Probleme bei Speicherung und Transport groß. Wasserstoffatome sind aber auch in den Molekülen vieler etablierter Energieträger wie [[Erdöl]], [[Erdgas]] oder [[Biomasse]] enthalten; Wasserstoff hat also auch einen nicht unerheblichen Anteil am [[Brennwert]] bzw. [[Heizwert]] dieser Stoffe.
Die Speicherung von Wasserstoff als [[Kraftstoff]] für [[Kraftfahrzeug]]e stellt besondere Anforderungen an die Konstruktion von Wasserstoff-Tanks, einerseits im Hinblick auf Sicherheitsbedenken insbesondere in Unfallsituationen, andererseits aus ökonomischen Gesichtspunkten. Beispielsweise sind beim [[Wasserstoffantrieb]] mit [[Brennstoffzelle]]n oder in einem [[Verbrennungsmotor]] die Größe und das Gewicht des Tanks im Verhältnis zur Reichweite des Fahrzeugs sehr groß, der Energieaufwand für die Kühlung und Wasserstoffverluste durch Diffusion sind zu berücksichtigen.

In Anbetracht der vorstehenden Überlegungen konkurrieren drei Speichermethoden miteinander:
* die Speicherung von gasförmigem Wasserstoff in [[Druckbehälter]]n,
* die Speicherung von flüssigem Wasserstoff in [[Dewargefäß|vakuumisolierten Behältern]],
* die Einlagerung von Wasserstoff in [[Metallhydrid]]en oder in Kohlenstoff-[[Nanoröhre]]n

Die ersten beiden Methoden erlauben eine einfache Wiedergewinnung des Wasserstoffs.
Sie genügen auch im vollem Maße den Sicherheitsanforderungen. Drucktanks mit bis zu 700bar sind Behälter, die als nahezu unzerstörbar gelten. Da sich das Sicherheitsventil für Überdruck innerhalb des Tanks befindet, wird Wasserstoff im Notfall schrittweise abgegeben und verflüchtigt sich schnell. Wenn eine Zündquelle in der Nähe ist kann sich der Wasserstoff entzünden, verbrennt aber schnell und mit geringer Wärmeabstrahlung. Eine Explosion ist nahezu unmöglich, da die Konzentration des Wasserstoff in der Luft nicht ausreicht. Reiner Wasserstoff ist nicht explosiv.
Dagegen sind die herkömmlichen Plastikbenzintanks deutlich unsicherer. Sollte ein Benzinauto brennen wird es im Auto viel schneller warm, durch die höhere Wärmeabstrahlung.
Der Flüssigtank ist leichter zu beschädigen, aber im Vergleich mit heuten Tanks auch sicher.

Die Speicherung in [[Hydride]]n und Nanoröhren stellt die sicherste Methode da. Die [[Tank (Behälter)|Tanks]] sind allerdings sehr schwer, in einem 200-kg-Tank können nur etwa 2&nbsp;kg Wasserstoff gespeichert werden, was energetisch etwa 8 Litern [[Motorenbenzin|Benzin]] entspricht. Auch ist die Rückgewinnung gasförmigen Wasserstoffs komplizierter, v.&nbsp;a. in größeren Mengen zur gleichen Zeit. Die dazu verwendete Technik erfordert hohes technisches und physikalisches Verständnis und hochwertige Bauteile. Diese Form der Speicherung kann daher sehr teuer werden.

==== Energiedichten im Vergleich ====
Auf die Masse bezogen<ref>[http://www.hydox.de/wasserstoff.htm Energieinhalte im Vergleich]</ref>: 
* Wasserstoff: 33,3&nbsp;kWh/kg
* Erdgas: 13,9 kWh/kg
* Benzin: 12,7 kWh/kg

Auf das Volumen bezogen: 
* Wasserstoff (flüssig): 2360 kWh/m³
* Benzin: 8760 kWh/m³
* Erdgas (20 MPa): 2580 kWh/m³
* Wasserstoffgas (20 MPa): 530 kWh/m³
* Wasserstoffgas (Normaldruck): 3 kWh/m³

=== Kernfusion ===
[[Datei:Ivy Mike (Eniwetok-Atoll - 31. Oktober 1952).jpg|thumb|Am 31. Oktober 1952 gelingt erstmalig die Freisetzung von Energie durch Kernfusion in der Wasserstoffbombe „Ivy Mike“]]
→ ''Hauptartikel: [[Kernfusion]]''

Schon bald nach den Anfängen der Kernphysik im ersten Viertel des [[20. Jahrhundert]]s wurde die Aufmerksamkeit der Physiker auf die Energiegewinnung gelenkt. Neben der Kernspaltung wurde auch der Weg einer Verschmelzung der Kerne, die Kernfusion, erforscht. Die ersten gefundenen Reaktionen sind die [[Proton-Proton-Reaktion]]en, bei denen Wasserstoffkerne direkt zu Helium verschmelzen. Das konnte die Energiegewinnung in leichten Sternen, wie unserer Sonne, größtenteils erklären. Zwischen [[1937]] und [[1939]] entwickelten [[Hans Bethe]] und [[Carl Friedrich von Weizsäcker]] eine Theorie zur Kernfusion in sehr schweren Sternen, den nach ihnen benannten [[Bethe-Weizsäcker-Zyklus]]. Darin spielt Wasserstoff die überwiegende Rolle in der Energiegewinnung. Er wird aber nicht direkt zu Helium verschmolzen, sondern fusioniert in verschiedenen Reaktionen mit Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff. Am Ende des Zyklus entsteht Helium; die anderen Elemente wirken als Katalysatoren.

Während des Kalten Krieges bauten die Großmächte ihre nuklearen Waffenarsenale aus. Der Schritt zu den Fusionswaffen gelang zuerst den USA: basierend auf der [[Atombombe]], die ihre Energie aus der [[Kernspaltung]] bezieht, konstruierten amerikanische Forscher unter [[Edward Teller]] die [[Wasserstoffbombe]]. In ihr wird durch die Kernfusion ein Vielfaches der Energie einer Uranbombe freigesetzt. [[1952]] testen die Vereinigten Staaten die erste Wasserstoffbombe auf einer kleinen Pazifikinsel. Brennstoff war allerdings nicht Wasserstoff, sondern das Isotop Deuterium. Es war die erste vom Menschen erzeugte Kernfusion. In der Bombe liefen vor allem folgende Kernreaktion ab:

:<math>\mathrm{D + D \rightarrow \, ^3He + n + 3{,}2689 \, MeV}</math>

:<math>\mathrm{D + D \rightarrow T + p + 4{,}0327 \, MeV}</math>

Das entstandene Tritium und [[Helium]]-3 können noch weiter reagieren:

:<math>\mathrm{T + D \rightarrow \,^4He + n + 17{,}588\,MeV}</math>

:<math>\mathrm{\,^3He + D \rightarrow \, ^4He + p + 18{,}353 \, MeV}</math>

In Summe entstehen aus drei Deuteronen ein Heliumkern sowie ein Neutron und ein Proton.

Da Deuterium wie Wasserstoff schwer zu speichern ist, wird bei den meisten Fusionswaffen inzwischen auf [[Lithium]]-Deuterid LiD als Brennstoff zurückgegriffen. Durch die bei der Primärreaktion von Deuterium entstehenden Neutronen wird aus dem Lithium Tritium erbrütet:

: <math>\mathrm{n + \,^6Li \rightarrow \,^4He + T}</math>
: <math>\mathrm{n + \,^7Li \rightarrow \,^4He + T + n}</math>
: <small>Der Neutronenbeschuss von Lithium erzeugt Helium und den Fusionsbrennstoff Tritium.</small>

Bei der Reaktion mit Lithium-6 wird zudem noch Energie frei, während die Reaktion mit Lithium-7 Energie verbraucht, dafür aber wieder ein Neutron erzeugt, das für die weitere Tritium-Produktion zur Verfügung steht.

Physiker forschen aber auch an einer friedlichen Nutzung der Kernverschmelzung. Früh entwickelten sie verschiedene Vorschläge zur Energiegewinnung durch Fusion. Die gewaltigen Temperaturen, die zu einer Kernfusion nötig sind, bereiten bei einer kontrollierten Reaktion aber nach wie vor Schwierigkeiten. Vor einigen Jahrzehnten wurden die ersten Forschungsreaktoren errichtet, die Wasserstoff zu Helium verschmelzen sollen. Mittlerweile existieren einige dieser Vorrichtungen; beispielsweise [[Joint European Torus|JET]] und [[ITER]] (international, in Planung) in Europa, ein deutscher [[Tokamak]]-Reaktor in Garching sowie der [[Stellarator]] [[Wendelstein 7-X]], welcher derzeit am [[Max-Planck-Institut für Plasmaphysik]] (IPP) in Greifswald aufgebaut wird.

Falls diese Experimente an den Forschungsanlagen erfolgreich verlaufen, sollen die gewonnenen Erkenntnisse für den Bau eines Demonstrationskraftwerks ([[DEMO]]) dienen. Die gegenwärtigen Planungen gehen von der Inbetriebnahme von DEMO etwa 2030 und der möglichen kommerziellen Nutzung ab etwa 2050 aus. Diese kommerziellen Reaktoren werden aber anders als Wasserstoffbomben voraussichtlich nur die Deuterium-Tritium-Reaktion zur Energiegewinnung nutzen können, und sind somit unbedingt auf Lithium zur Erbrütung des eigentlichen Brennstoffs Tritium angewiesen. Während Deuterium über die Weltmeere in fast beliebiger Menge zur Verfügung steht, sind die bekannten Lithium-Vorräte beschränkt.

== Kernfusion in Sonne und Sternen ==
Mit [[Wasserstoffbrennen]] wird die [[Kernfusion]] von Wasserstoff in [[Helium]] im Inneren von [[Stern]]en (oder im Fall einer [[Nova (Stern)|Nova]], auf der Oberfläche eines [[Weißer Zwerg|Weißen Zwergs]]) bezeichnet. Diese Reaktion stellt in normalen Sternen während des Großteils ihres Lebenszyklus die wesentliche [[Energie]]quelle dar. Sie hat trotz ihres historisch bedingten Namens nichts mit einer chemischen [[Verbrennung (Chemie)|Verbrennung]] zu tun.

Der Prozess der Kernfusion kann beim Wasserstoffbrennen auf zwei Arten ablaufen, bei denen auf verschiedenen Wegen jeweils vier [[Proton]]en, die [[Atomkern]]e des Wasserstoffs, in einen Heliumkern <small><sup>4</sup></small>He umgewandelt werden:
* die relativ direkte [[Proton-Proton-Reaktion]]
* der schwere Elemente ([[Kohlenstoff]], [[Stickstoff]], [[Sauerstoff]]) nutzende [[Bethe-Weizsäcker-Zyklus]] (''CNO-Zyklus'')

Für die exakte Berechnung der freigesetzten Energie ist zu berücksichtigen, dass in Teilreaktion der [[Proton-Proton-Reaktion]] und auch des [[Bethe-Weizsäcker-Zyklus]] zwei [[Positron]]en freigesetzt werden, die bei der [[Annihilation]] mit einem [[Elektron]] 1,022 [[MeV]] entsprechend der Ruhemassen von Elektron und Positron freisetzen. Zur Massendifferenz der vier Protonen und des Heliumkerns ist folglich die zweifache Elektronenmasse zu addieren. Diese Massendifferenz ist identisch der Differenz der vierfachen Atommasse von Protium, Wasserstoff bestehend aus Protonen und Elektronen und der Atommasse von <sup>4</sup>He. Diese Atommassen sind näherungsweise aber nicht exakt identisch mit den Atommassen von Wasserstoff und Helium, da es verschiedene [[Isotop]]e dieser Elemente gibt. Ferner verlässt ein kleiner Teil der Energie die Sonne in Form von [[Neutrino]]s.

Insgesamt wird beim Wasserstoffbrennen etwa 0,73 % der Masse in Energie umgewandelt, was man als [[Massendefekt]] bezeichnet. Die aus der Massendifferenz erzeugte Energie ergibt sich aus der [[Äquivalenz von Masse und Energie|einsteinschen Beziehung]] ''E''&nbsp;=&nbsp;''mc''².
Sie resultiert aus der [[Bindungsenergie|Kernbindungsenergie]] der [[Nukleon]]en, der Kernbausteine.

Die Fusion von Wasserstoff zu Helium ist am ergiebigsten; die nächste Stufe stellarer Fusionsreaktionen, das [[Heliumbrennen]], setzt pro erzeugtem Kohlenstoffkern nur noch etwa ein Zehntel dieser Energie frei.

== Biologische Bedeutung ==
Wasserstoff ist in Form verschiedenster [[Chemische Verbindung|Verbindungen]] essentiell für alle bekannten Lebewesen. An vorderster Stelle zu nennen ist hier Wasser, welches als Medium für alle [[Zelle (Biologie)|zellulären]] Prozesse und für alle Stofftransporte dient. Zusammen mit [[Kohlenstoff]], [[Sauerstoff]], [[Stickstoff]] (und seltener auch anderen Elementen) ist er Bestandteil derjenigen Moleküle aus der [[Organische Chemie|organischen Chemie]], ohne die jegliche uns bekannte Form von Leben schlicht unmöglich ist.

Wasserstoff spielt im Organismus auch aktive Rollen, so bei einigen [[Koenzym]]en wie z. B. [[Nicotinamid-Adenin-Dinucleotid]] (NAD/NADH), die als Reduktionsäquivalente (oder „Protonentransporter“) im Körper dienen und bei [[Redoxreaktion]]en mitwirken. In den [[Mitochondrium|Mitochondrien]], den Kraftwerken der Zelle, dient die Übertragung von Wasserstoffkationen (Protonen) zwischen verschiedenen Molekülen der so genannten [[Atmungskette]] dazu, ein [[Potenzial]], einen [[Protonengradient]]en, zur Generierung von energiereichen Verbindungen wie [[Adenosintriphosphat]] (ATP) bereitzustellen. Bei der [[Photosynthese]] in [[Pflanzen]] und [[Bakterien]] wird der Wasserstoff aus dem Wasser dazu benötigt, das fixierte [[Kohlendioxid]] in [[Kohlenhydrate]] umzuwandeln.

Bezogen auf die Masse ist Wasserstoff im [[Daten des menschlichen Körpers#Chemische Daten|menschlichen Körper]] das drittwichtigste Element: Bei einer Person mit einem Körpergewicht von 70&nbsp;kg, sind rund 7&nbsp;kg (= 10 Gew.-%) auf den enthaltenen Wasserstoff zurückzuführen. Nur [[Kohlenstoff]] (ca. 20 Gew.-%) und [[Sauerstoff]] (ca. 63 Gew.-%) machen einen noch größeren Gewichtsanteil aus. Bezogen auf die Anzahl der Atome ist der sehr leichte Wasserstoff sogar das mit Abstand häufigste Atom im Körper eines jeden Lebewesens. (Die 7&nbsp;kg beim Menschen entsprechen 3,5·10<sup>3</sup>&nbsp;Mol Wasserstoff mit je 2·6·10<sup>23</sup> Atomen, das sind rund 4,2·10<sup>27</sup> Wasserstoffatome).

== Medizinische Bedeutung ==

In biologischen Systemen reagiert molekularer Wasserstoff mit [[Reaktive Sauerstoffspezies|reaktiven Sauerstoffspezies]] und wirkt so als [[Antioxidantien|Antioxidans]]. Im Tierversuch führt die Anreicherung von Trinkwasser mit molekularem Wasserstoff nach [[Nierentransplantation]] zu einem besseren Überleben des Transplantates, zu einem verminderten Auftreten einer chronischen Schädigung des Transplantates, zu einer Verminderung der Konzentration an reaktiven Sauerstoffspezies und zu einer Hemmung von [[Signaltransduktion|Signalwegen]], welche die [[Entzündung|entzündliche Aktivität]] verstärken (proinflammatorische Signalwege).<ref>{{Cite journal
| doi = 10.1038/ki.2009.421
| issn = 1523-1755
| volume = 77
| issue = 2
| pages = 101-109
| last = Cardinal
| first = Jon S
| coauthors = Jianghua Zhan, Yinna Wang, Ryujiro Sugimoto, Allan Tsung, Kenneth R McCurry, Timothy R Billiar, Atsunori Nakao
| title = Oral hydrogen water prevents chronic allograft nephropathy in rats
| journal = Kidney International
| accessdate = 2010-04-21
| date = 2010-01
| url = http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/19907413
}}</ref>

== Sicherheitshinweise ==
Wasserstoff ist ein hochentzündliches Gas. Von der EU und somit auch der deutschen [[Gefahrstoffverordnung]] ist er als [[Gefahrstoff]] eingestuft mit ''[[Gefahrensymbole#Übersicht Gefahrensymbole|F+]]; [[R- und S-Sätze|R12]]''<br /> für „hochentzündlich“; seine Behälter müssen dementsprechend gekennzeichnet werden. Nach DIN&nbsp;EN&nbsp;1089-3 werden H<sub>2</sub>-Druck[[gasflasche]]n mit roter [[Flaschenschulter]] und rotem [[Flaschenkörper]] versehen.

In geringen Mengen ist Wasserstoff für Menschen ungiftig. In hohen Konzentrationen können allerdings Bewegungsstörungen auftreten. Weitere Exposition kann zur [[Bewusstlosigkeit]] und schließlich zum Erstickungstod führen. In einem solchen Falle ist die betroffene Person (unter Selbstschutz) an die frische Luft zu bringen und ein Arzt hinzuzuziehen. Bei einem Atemstillstand muss die Person künstlich beatmet werden.

Beim Mischen mit Luft zu 4 bis 76 [[Volumenprozent]] (Vol.-%) Wasserstoff entsteht [[Knallgas]], das bereits durch einen wenig energiereichen Funken zur [[Explosion]] gebracht werden kann. In einem ausgewogenen Mischungsverhältnis von O<sub>2</sub> und H<sub>2</sub> kann eine Knallgasexplosion verheerende Wirkung haben. In jedem Fall ist darauf zu achten, keine leicht entzündlichen Materialien oder offene Flammen in der Nähe zu lagern. H<sub>2</sub> reagiert auch heftig mit [[Chlor]] ([[Chlorknallgas]]) und [[Fluor]].

Sauerstoff/Wasserstoffgemische mit einem Anteil von unter 10,5 Volumenprozent Wasserstoff sind schwerer als Luft und sinken zu Boden<ref>[http://abenteuerwissen.zdf.de/ZDFde/inhalt/20/0,1872,5562740,00.html?dr=1 ZDF abenteuer wissen]</ref>. Die Entmischung erfolgt nicht unmittelbar, so das bis zur Unterschreitung der 4 Volumenprozent Grenze die Zündfähigkeit erhalten bleibt. Beim Umgang mit Wasserstoff müssen Sicherheitsvorschriften und Entlüftungsanlagen dieses Verhalten berücksichtigen.

Wird molekularer Wasserstoff in einfachen Metalltanks gelagert, so kommt es wegen der geringen Molekülgröße zu Diffusion, das heißt Gas tritt langsam durch die Gefäßwände aus. Dies ist bei der Speicherung problematisch, insbesondere für Wasserstoff-betriebene Fahrzeuge, wenn diese lange an einem abgeschlossenen Platz (Garage, Tiefgarage) stehen. (''Siehe dazu'': [[Wasserstoffspeicherung]].) Zudem rechnet man beim Betanken mit relativ hohen Verlusten von einigen Prozent der Gesamtmenge. Flüssiger Wasserstoff in Metalltanks neigt bei Beschädigungen oder Lecks zur Selbstentzündung.

Der Austausch von Wasserstoff-Isotopen in chemischen Verbindungen kann die [[Toxizität]] der entsprechenden Verbindung beeinflussen. So ist [[Schweres Wasser]] (D<sub>2</sub>O) – das Isotop <sup>1</sup>H wurde gegen <sup>2</sup>H (Deuterium) ausgetauscht – im Vergleich zu Wasser [[gift]]ig für viele [[Lebewesen]]. Die für Menschen gefährliche Menge ist aber recht groß und im Regelfall kaum zu erreichen.

== Nachweis ==
Molekularen Wasserstoff kann man durch die [[Knallgasprobe]] nachweisen. Bei dieser [[Nachweisreaktion]] wird eine kleine, beispielsweise während einer Reaktion aufgefangene Menge eines Gases, in einem [[Reagenzglas]] entzündet. Wenn danach ein dumpfer Knall, ein Pfeifen oder ein Bellen zu hören ist, so ist der Nachweis positiv (das heißt, es war Wasserstoff in dem Reagenzglas). Der Knall kommt durch die Reaktion von Wasserstoffgas mit dem Luftsauerstoff zustande:

: <math>\mathrm{2\ H_2 + O_2 \rightarrow 2\ H_2O}</math> (exotherme Reaktion)
: <small>Wasserstoff reagiert mit Sauerstoff zu Wasser</small>

Mit der gleichen Reaktion verbrennt Wasserstoff mit einer schwach bläulichen Flamme, wenn man ihn gleich an der Austrittsstelle entzündet (Pfeifgas).

Die Knallgasprobe ist die „klassische“ Methode zum Nachweis und ist besonders in Schulversuchen beliebt. Sehr viel genauer lässt sich das Element mit Hilfe der [[Kernspinresonanz]]spektroskopie (kurz NMR; ''nuclear magnetic resonance'') nachweisen, die daher bevorzugt im Laborbetrieb angewandt wird. Dabei macht man sich [[Quantenmechanik|quantenmechanische]] Gegebenheiten zu Nutze: Der Kern[[spin]] eines Wasserstoffatoms kann sich in einem angelegten äußeren Magnetfeld unterschiedlich ausrichten. Dadurch liegt der Atomkern in einem von zwei möglichen Energiezuständen vor, deren Differenz umso größer ist, je stärker das äußere Magnetfeld ist. Diese Differenz ist charakteristisch für jedes Element und kann durch Strahlungsanregung gemessen werden.

== Verbindungen ==
Wasserstoff geht mit den meisten chemischen Elementen Verbindungen mit der allgemeinen [[Summenformel]] EH<sub>n</sub> (n = 1, 2, 3, 4) ein. Einige wenige dieser [[Elementwasserstoffe]] sind nur in Form so genannter [[Addukt]]e bekannt, wie L<sub>m</sub> • EH<sub>n</sub> (L steht für einen [[Ligand]]en).

Wasserstoff kann in Verbindungen sowohl positive als auch negative [[Elektrische Ladung|Ladungsanteile]] tragen. Das ist abhängig davon, ob der Bindungspartner eine höhere oder eine niedrigere [[Elektronegativität]] als Wasserstoff (2,2) besitzt. Zwischen den beiden Verbindungstypen lässt sich im Periodensystem keine scharfe Grenze ziehen, da zum Beispiel das [[Säure-Base-Reaktion|Säure-Base-Verhalten]] mit berücksichtigt werden muss. Eine mehr oder weniger willkürliche Betrachtung besagt, dass in den Wasserstoffverbindungen der Elemente [[Bor]], [[Silicium]], [[Germanium]], [[Zinn]] und [[Blei]] sowie allen links davon der Wasserstoff negativ polarisiert ist, in Verbindungen mit [[Kohlenstoff]], [[Phosphor]], [[Arsen]], [[Antimon]], [[Bismut]] und allen Elementen rechts davon positiv. Entsprechend lässt sich bei [[Monosilan]] (SiH<sub>4</sub>) die [[Oxidationszahl]] für [[Silicium]] auf +4 (Wasserstoff dementsprechend −1), in [[Methan]] (CH<sub>4</sub>) für Kohlenstoff auf −4 (Wasserstoff +1) festlegen.

Zur Darstellung von Wasserstoffverbindungen EH<sub>n</sub> werden hauptsächlich drei verschiedene Verfahren genutzt:
* Die Umsetzung des entsprechenden Elements E mit Wasserstoff (H<sub>2</sub>; [[Hydrogenolyse]])
: <math>\mathrm{\frac{1}{x}\ E_x + \frac{n}{2}\ H_2\ \overrightarrow{\leftarrow}\ EH_n}</math>
: <small>Ein Element reagiert mit Wasserstoff bei Energiezufuhr zum entsprechenden Elementwasserstoff.</small>
* Die Reaktion von Metallverbindungen des Typs M<sub>n</sub>E mit Wasserstoffsäuren (H<sup>+</sup>; [[Protolyse]])
: <math>\mathrm{M_nE + n\ HA\ \overrightarrow{\leftarrow}\ n\ MA + EH_n}</math>
: <small>Eine Metallverbindung des Elements E reagiert mit einer Säure HA zum Elementwasserstoff und einem Metallsalz.</small>
* Die Umsetzung von Halogenverbindungen (EHal<sub>n</sub>) mit Hydriden (H<sup>−</sup>; [[Hydridolyse]])
: <math>\mathrm{EHal_n + n\ H^-\ \overrightarrow{\leftarrow}\ n\ Hal^- + EH_n}</math>
: <small>Hydridionen setzen aus einer Halogenverbindung des Elements E den entsprechenden Elementwasserstoff frei.</small>

=== Salzartige Verbindungen ===
In Verbindung mit Metallen kann Wasserstoff jeweils ein Elektron aufnehmen, so dass negativ geladene Wasserstoffionen (Hydridionen, H<sup>-</sup>) entstehen, die mit Metallkationen [[Salze]] bilden. Diese Verbindungen werden [[Hydride]] genannt. Salzartige Elementwasserstoffe sind von den [[Alkalimetalle|Alkali-]] und, mit Ausnahme von [[Beryllium]], den [[Erdalkalimetalle]]n bekannt. Außerdem zählt man die Dihydride des [[Europium]]s und [[Ytterbium]]s (EuH<sub>2</sub> und YbH<sub>2</sub>) dazu.

Metallhydride reagieren sehr heftig mit Wasser unter Freisetzung von molekularem Wasserstoff (H<sub>2</sub>) und können sich an der Luft selbst entzünden, wobei sich Wasser und das Metalloxid bilden. In der Mehrzahl sind sie aber nicht explosiv. [[Mineral]]e, die (an Sauerstoff gebundenen) Wasserstoff enthalten, sind [[Kristallwasser|Hydrate]] oder [[Hydroxide]].

=== Metallartige Verbindungen ===
In metallartigen Wasserstoffverbindungen – mit wenigen Ausnahmen sind das die Übergangsmetallhydride – ist atomarer Wasserstoff in der entsprechenden Metallstruktur eingelagert. Man spricht in diesem Fall auch von Wasserstoff-Einlagerungsverbindungen, obwohl sich bei der Aufnahme des Wasserstoffs die Struktur des Metalls ändert (was eigentlich nicht der Definition für [[Einlagerungsmischkristall|Einlagerungsverbindungen]] entspricht). Das Element besetzt die oktaedrischen und tetraedrischen Lücken in den kubisch- bzw. hexagonal-dichtesten [[Dichteste Kugelpackung|Metallatompackungen]].

Die [[Löslichkeit]] von Wasserstoff steigt mit zunehmender Temperatur. Man findet jedoch selbst bei Temperaturen über 500 Grad Celsius selten mehr als 10 Atomprozente Wasserstoff im betreffenden Metall. Am meisten Wasserstoff können die Elemente [[Vanadium]], [[Niob]] und [[Tantal]] aufnehmen. Bei Raumtemperatur sind folgende [[Stöchiometrie]]n zu beobachten: VH<sub>0,05</sub>, NbH<sub>0,11</sub> und TaH<sub>0,22</sub>. Ab 200 Grad Celsius findet man bei diesen Metallen eine 1:1-Stöchiometrie (MH) vor. Das kubisch-raumzentrierte [[Kristallgitter]] bleibt dabei unangetastet.

=== Kovalente Verbindungen ===
Verbindungen, bei denen Wasserstoff der elektropositivere Partner ist, haben einen hohen [[kovalent]]en Anteil. Als Beispiele seien [[Fluorwasserstoff]] (HF) oder [[Chlorwasserstoff]] (HCl) genannt. In Wasser reagieren diese Stoffe als [[Säuren]], da der Wasserstoff sofort als [[Proton (Chemie)|Proton]] (H<sup>+</sup>-Ion) von umgebenden Wassermolekülen abgespalten werden kann. Isolierte H<sup>+</sup>-Ionen verbinden sich in wässriger Lösung sofort mit Wassermolekülen zu [[Oxonium|H<sub>3</sub>O<sup>+</sup>-Ionen]]; dieses Ion ist verantwortlich für die saure Eigenschaft von wässrigen Chlorwasserstofflösungen.

==== Säure-Base-Verhalten ====
[[Datei:H-Oxide.PNG|thumb|Schematische Darstellung verschiedener Wasserstoffoxide]]
Die kovalenten Wasserstoffverbindungen der Elemente der IV. bis VII. Hauptgruppe des Periodensystems sowie Borwasserstoffe sind [[Säuren]] nach der Definition von [[Johannes Nicolaus Brønsted|Brønsted]], geben also Protonen an andere Verbindungen ab.

: <math>\mathrm{EH_n\, \overrightarrow{\leftarrow}\, EH^-_{n-1} + H^+}</math>

Die [[Säurestärke]] der Verbindungen nimmt dabei in den Hauptgruppen von oben nach unten und in den Perioden von links nach rechts zu. Ebenso steigt sie mit der Zahl der Element-Element-[[Chemische Bindung|Bindungen]] bei Wasserstoffverbindungen eines bestimmten Elements. So ist zum Beispiel Wasser (H<sub>2</sub>O) eine schwächere Säure als Wasserstoffperoxid (H<sub>2</sub>O<sub>2</sub>), [[Ethan]] (C<sub>2</sub>H<sub>6</sub>) in der Säurestärke schwächer als [[Ethen]] (C<sub>2</sub>H<sub>4</sub>) und [[Ethin]] (C<sub>2</sub>H<sub>2</sub>).

Umgekehrt können kovalente Elementwasserstoffe als [[Basen (Chemie)|Basen]] fungieren. Wasserstoffverbindungen der Elemente aus Hauptgruppe V bis VII können Protonen aufnehmen, da sie über freie [[Elektronenpaar]]e verfügen.

: <math>\mathrm{EH_n + H^+\, \overrightarrow{\leftarrow}\, EH^+_{n+1}}</math>

===== pH-Wert =====
Ursache für die [[Acidität]] oder [[Basizität]] einer wässrigen Lösung ist die [[Stoffkonzentration]] an Protonen (H<sup>+</sup>-Ionen). Den negativen dekadischen [[Logarithmus]] dieser Konzentration nennt man [[pH-Wert]]. Z. B. bedeutet eine Konzentration von 0,001&nbsp;mol&nbsp;H<sup>+</sup>-Ionen pro Liter Wasser „pH&nbsp;3,0“. Dieses Beispiel trifft auf eine Säure zu. Wasser ohne jeden Zusatz hat bei [[Normalbedingungen]] den pH&nbsp;7, Basen haben pH-Werte bis&nbsp;14

==== Oxide ====
[[Wasserstoffoxide]] (auch Hydrogeniumoxide) sind Verbindungen, die nur aus Wasserstoff und Sauerstoff bestehen, von größter Wichtigkeit ist das Wasser (Wasserstoffoxid); von technischer Bedeutung ist daneben [[Wasserstoffperoxid]], früher Wasserstoffsuperoxid genannt. Ein weiteres, aber selteneres [[Oxide|Oxid]] ist das [[Dihydrogentrioxid]].

Von außerordentlicher Bedeutung für alles Leben auf der Erde sind auch Alkohole und Saccharide sowie Carbonsäuren, die (nur) Wasserstoff, Sauerstoff und Kohlenstoff enthalten.

==== Kohlenwasserstoffe ====
Wasserstoff bildet mit [[Kohlenstoff]] die kovalenten [[Kohlenwasserstoffe]], deren Studium sich die Kohlenwasserstoffchemie verschrieben hat.

== Einzelnachweise ==
<references/>

== Literatur ==
'''Chemie'''
* HANDBUCH DER EXPERIMENTELLEN CHEMIE SEKUNDARBEREICH II, Band 1, Wasserstoff, Stickstoff und Sauerstoffgruppen, Aulis Verlag Deubner & Co. KG * Köln
* Erwin Riedel: ''Anorganische Chemie''. de Gruyter, Berlin 2002, ISBN 3-11-017439-1
* A. F. Holleman, Egon Wiberg: ''Lehrbuch der Anorganischen Chemie''. de Gruyter, Berlin 1995, ISBN 3-11-012641-9
* ''dtv-Atlas zur Chemie.'' Bd 1. Allgemeine und anorganische Chemie, ISBN 3-423-03217-0
* Harry H. Binder: ''Lexikon der chemischen Elemente - das Periodensystem in Fakten, Zahlen und Daten.'' Hirzel, Stuttgart 1999, ISBN 3-7776-0736-3

'''Technik'''
* Sven Geitmann: ''Wasserstoff & Brennstoffzellen – Die Technik von morgen.'' Hydrogeit Verlag, Kremmen 2004 (2. Aufl.), ISBN 3-937863-04-4
* Alf-Sibrand Rühle: ''Wasserstoff & Wirtschaft – Investieren in eine saubere Zukunft'' Hydrogeit Verlag, Kremmen 2005, ISBN 3-937863-02-8
* Rex A. Ewing: ''Hydrogen – A Journey Into a World of Hydrogen Energy and Fuel Cells.'' Pixyjack Press, Masonville CO 2004, ISBN 0-9658098-6-2

'''Bedeutung'''
* [[Hoimar von Ditfurth]]: ''Im Anfang war der Wasserstoff.'' dtv, München 2002, ISBN 3-423-33015-5

== Weblinks ==
{{Wiktionary|Wasserstoff}}
{{Commons|Hydrogen|Wasserstoff}}
{{dmoz|World/Deutsch/Wissenschaft/Ingenieurwissenschaften/Energie/Wasserstoff/|Wasserstoff}}
* [http://www.HydrogenLab.de/ 3D Visualisierungen des Wasserstoffatoms bei HydrogenLab]
* [http://www.hydox.de/wasserstoff.htm Informationen über Wasserstoff bei hydrox.de]
* [http://www.innovations-report.de/html/berichte/verfahrenstechnologie/bericht-29914.html Suprafluider Wasserstoff bei Innovationsreport 4. Juni 2002]
* [http://www.hydrogeit.de/ Informationen und Bücher über Wasserstoff im Verlag Hydrogeit]
* [http://www.dwv-info.de/publikationen/2004/pm_04st.pdf ''Wasserstoff – Der neue Energieträger'' Über die Rolle des Wasserstoffs in existierenden und zukünftigen Energiesystemen in Deutscher Wasserstoff- und Brennstoffzellenverband e.V. (Hrsg.) 2004] (PDF-Datei; 150 kB)
* [http://www.bio-wasserstoff.de/ ''Solare Wasserstoffwirtschaft'' bei biowasserstoff.de]
* [http://www.iceland.de/index.php?id=658 ''Wasserstofftestfeld Island'' in Iceland Guide 2006]
* [http://www.pse-mendelejew.de/bilder/h.jpg Eine Wasserstoff-] und [http://www.pse-mendelejew.de/bilder/d.jpg Deuterium-Spektralröhre] Betrieb mit 1,8 kV, 18 mA und einer Frequenz von 35&nbsp;kHz.

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[[Kategorie:Brenngas]]
[[Kategorie:Wasserstofftechnik| Wasserstoff]]
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[[haw:Haikokene]]
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[[ht:Idwojèn]]
[[hu:Hidrogén]]
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[[mr:हायड्रोजन]]
[[ms:Hidrogen]]
[[mt:Idroġenu]]
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[[nds:Waterstoff]]
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[[ne:हाइड्रोजन]]
[[new:हाइड्रोजन]]
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[[nn:Hydrogen]]
[[no:Hydrogen]]
[[nov:Hidrogene]]
[[nv:Tó Báʼátʼéhígíí]]
[[oc:Idrogèn]]
[[os:Донгуыр]]
[[pa:ਹਾਈਡ੍ਰੋਜਨ]]
[[pap:Hidrogeno]]
[[pih:Hiidrojen]]
[[pl:Wodór]]
[[pnt:Υδρογόνον]]
[[pt:Hidrogénio]]
[[qu:Yakuchaq]]
[[ro:Hidrogen]]
[[ru:Водород]]
[[sa:हाइड्रोजन]]
[[sc:Idrogeno]]
[[scn:Idrògginu]]
[[sco:Hydrogen]]
[[sh:Vodik]]
[[simple:Hydrogen]]
[[sk:Vodík]]
[[sl:Vodik]]
[[sq:Hidrogjeni]]
[[sr:Водоник]]
[[stq:Woaterstof]]
[[su:Hidrogén]]
[[sv:Väte]]
[[sw:Hidrojeni]]
[[ta:ஐதரசன்]]
[[te:హైడ్రోజన్]]
[[tg:Ҳидроген]]
[[th:ไฮโดรเจน]]
[[tl:Hidroheno]]
[[tr:Hidrojen]]
[[tt:Водород]]
[[ug:ھىدروگېن]]
[[uk:Водень]]
[[ur:آبساز]]
[[uz:Vodorod]]
[[vi:Hiđrô]]
[[vls:Woaterstof]]
[[wa:Idrodjinne]]
[[war:Hidroheno]]
[[wuu:氢]]
[[xal:Үстөр]]
[[yi:הידראגען]]
[[yo:Hydrogen]]
[[zh:氢]]
[[zh-classical:氫]]
[[zh-min-nan:H (goân-sò͘)]]
[[zh-yue:氫]]