Quelltext der Seite Wasserstoff

{{Infobox Chemisches Element
<!--- Periodensystem --->
| Name         = Wasserstoff
| Symbol       = H
| Ordnungszahl = 1
| Serie        = Nm
| Gruppe       = 1
| Periode      = 1
| Block        = s
<!--- Allgemein --->
| 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 (H<sub>2</sub>)
| Massenanteil = 0,9 % (9. Rang)<ref>Harry H. Binder: ''Lexikon der chemischen Elemente – das Periodensystem in Fakten, Zahlen und Daten.'' S. Hirzel Verlag, Stuttgart 1999, ISBN 3-7776-0736-3.</ref>
| CAS          = 
* {{CASRN|12385-13-6}} (H)
* {{CASRN|1333-74-0|Q0}} (H<sub>2</sub>)
| EG-Nummer    = 215-605-7
| ECHA-ID      = 100.014.187
<!--- Atomar --->
| Atommasse = 1,008 (1,00784–1,00811)<ref>Angegeben ist der von der IUPAC empfohlene Standardwert, da die Isotopenzusammensetzung dieses Elements örtlich schwanken kann, ergibt sich für das mittlere Atomgewicht der in Klammern angegebene Massenbereich. Siehe: Michael E. Wieser, Tyler B. Coplen: ''Atomic weights of the elements 2009 (IUPAC Technical Report).'' In: ''Pure and Applied Chemistry.'' 2010, S.&nbsp;1, [[doi:10.1351/PAC-REP-10-09-14]].</ref><ref name="IUPAC">[http://www.ciaaw.org/pubs/TSAW2013_xls.xls IUPAC, Standard Atomic Weights Revised 2013].</ref>
| Atomradius = 25
| AtomradiusBerechnet = 53
| KovalenterRadius = 31
| VanDerWaalsRadius = 120
| Elektronenkonfiguration = 1[[S-Orbital|s]]<sup>1</sup>
| Austrittsarbeit = 
| Ionisierungsenergie_1 = {{ZahlExp|13,59843449|suffix=(8)|post=[[Elektronenvolt|eV]]<ref name="NIST-ASD-hydrogen">{{NIST-ASD|hydrogen|Abruf=2020-06-11}}</ref>}} ≈ {{ZahlExp|1312,05|post=[[Joule|kJ]]/[[mol]]<ref name="Webelements-hydrogen">{{Webelements|hydrogen|atoms|Abruf=2020-06-11}}</ref>}}
<!--- Physikalisch --->
| Aggregatzustand = gasförmig (H<sub>2</sub>)
| Dichte = gasförmig: 0,0899 kg/m<sup>3</sup> bei 273 K<ref name="GESTIS">{{GESTIS|Name=Wasserstoff|ZVG=7010|CAS=1333-74-0|Abruf=2021-10-23}}</ref> <br /> flüssig: 0,0709 g/cm<sup>3</sup> bei 20,324 K
| Magnetismus = [[Diamagnetismus|diamagnetisch]] ([[Magnetische Suszeptibilität|''χ<sub>m</sub>'']] = −2,2 · 10<sup>−9</sup>)<ref>Robert C. Weast (Hrsg.): ''CRC Handbook of Chemistry and Physics''. CRC (Chemical Rubber Publishing Company), Boca Raton 1990, ISBN 0-8493-0470-9, S. E-129 bis E-145. Die Werte dort sind auf g/mol bezogen und in cgs-Einheiten angegeben. Der hier angegebene Wert ist der daraus berechnete maßeinheitslose SI-Wert.</ref>
| Schmelzpunkt_K = 14,01
| Schmelzpunkt_C = −259,14
| Siedepunkt_K = 21,15 K<ref name="Zhang">Yiming Zhang, Julian R. G. Evans, Shoufeng Yang: ''Corrected Values for Boiling Points and Enthalpies of Vaporization of Elements in Handbooks.'' In: ''Journal of Chemical & Engineering Data.'' 56, 2011, S.&nbsp;328–337, [[doi:10.1021/je1011086]].</ref>
| Siedepunkt_C = −252
| MolaresVolumen = fest: 11,42 · 10<sup>−6</sup>
| Verdampfungswärme = 0,90 kJ·mol<sup>−1</sup><ref name="Zhang" />
| 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 = 
<!--- Chemisch --->
| Oxidationszustände = −1, ±0, +1
| Normalpotential = '''0''' V (Referenz: 2 H<sup>+</sup> + 2 e<sup>&minus;</sup> ⇌ H<sub>2</sub>)
| Elektronegativität = 2,2
| CLH             = {{CLH-ECHA|ID=100.014.187|Name=Hydrogen|Abruf=2016-08-01}}
| Quelle GHS-Kz   = <ref name="GESTIS" />
| GHS-Piktogramme = {{GHS-Piktogramme|02|04}}
| GHS-Signalwort  = Gefahr
| H               = {{H-Sätze|220|280}}
| EUH             = {{EUH-Sätze|-}}
| P               = {{P-Sätze|210|377|381|403}}
| Quelle P        = <ref name="GESTIS" />
| Radioaktiv      = 
<!--- Isotope --->
| Isotope = 
{{Infobox Chemisches Element/Isotop
| AnzahlZerfallstypen = 0
| Massenzahl = 1
| Symbol = H
| NH = 99,9885(70)
}}
{{Infobox Chemisches Element/Isotop
| AnzahlZerfallstypen = 0
| Massenzahl = 2
| Symbol = H ([[Deuterium|D]])
| NH = 0,0115(70)
}}
{{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
| Massenzahl_3 = 3
| Kernspin_1 = 1/2
| Kernspin_2 = 1
| Kernspin_3 = 1/2
| Gamma_1 = +26,752 · 10<sup>7</sup>
| Gamma_2 = {{0}}+4,107 · 10<sup>7</sup>
| Gamma_3 = +28,535 · 10<sup>7</sup>
| Empfindlichkeit_1 = 1,00
| Empfindlichkeit_2 = 9,65&nbsp;·&nbsp;10<sup>−3</sup>
| Empfindlichkeit_3 = 1,21
| Larmorfrequenz_1 = 200,11
| Larmorfrequenz_2 = {{0}}30,72
| Larmorfrequenz_3 = 213,32
}}
}}
[[Datei:Hydrogen Deuterium Tritium Nuclei Schmatic-de.svg|mini|hochkant|'''Wasserstoff''' (Protium), '''[[Deuterium]]''', '''[[Tritium]]''']]

'''Wasserstoff''' ist ein [[chemisches Element|chemische Element]] mit dem [[Elementsymbol|Symbol]] '''H''' (für {{laS|Hydrogenium|de=Wassererzeuger}} von {{grcS|ὕδωρ|hydōr|de=Wasser}}) und der [[Ordnungszahl]] 1. Im [[Periodensystem]] steht das Element Wasserstoff in der [[Chemische Elemente der ersten Periode|1.&nbsp;Periode]] und in der 1.&nbsp;[[Gruppe des Periodensystems|IUPAC-Gruppe]].

Wasserstoff ist mit einem [[Massenanteil]] von etwa 70 % das häufigste chemische Element im [[Universum]], jedoch nicht auf der Erde, wo sein Massenanteil an der [[Erdhülle]] nur 0,87 % beträgt.<ref name="brown">{{Literatur |Autor=Theodore L. Brown, H. Eugene LeMay, Bruce E. Bursten |Hrsg= |Titel=Chemie. Die zentrale Wissenschaft |Verlag=Pearson Studium |Datum=2007 |ISBN=978-3-8273-7191-1 |Seiten=1087-1090}}</ref>

Der Großteil des Wasserstoffs auf der Erde ist im [[Wasser]] gebunden, der Verbindung mit [[Sauerstoff]], deren Masse zu 11 % aus Wasserstoff besteht. Wasserstoff kommt gebunden an andere Elemente in sämtlichen [[Pflanzen]] und lebenden Organismen vor. Wasserstoff ist ein fester Bestandteil fast aller [[Organische Chemie|organischen]] chemischen Substanzen. 

Wasserstoff ist das chemische Element mit der geringsten [[Atommasse]]. Sein häufigstes [[Isotop]], Protium, ist das einzige stabile Isotop ohne ein [[Neutron]]. Es besteht nur aus einem [[Proton]] und einem [[Elektron]]. Es existieren zwei weitere natürlich vorkommende [[#Isotope|Wasserstoffisotope]], von denen das nicht-radioaktive [[Deuterium]] 0,0156 % des natürlichen Wasserstoffs ausmacht, während das in den oberen Schichten der [[Erdatmosphäre]] gebildete radioaktive [[Tritium]] nur in kleinsten Mengen vorkommt.<ref name="brown" /><ref>{{Literatur |Autor=Jürgen Sültenfuß |Titel=Das Radionuklid Tritium im Ozean: Messverfahren und Verteilung von Tritium im Südatlantik und im Weddellmeer |TitelErg=Dissertation |Sammelwerk=Berichte zur Polarforschung |Nummer=256 |Datum=1998 |Kapitel=1.1 ''Das Isotop Tritium'' |Seiten=2–4 |Online=https://epic.awi.de/id/eprint/26436/1/BerPolarforsch1998256.pdf |DOI=10.2312/BzP_0256_1998}}</ref>

Unter Bedingungen, die normalerweise auf der Erde herrschen (siehe [[Normalbedingungen]]), liegt das gasförmige Element Wasserstoff nicht als ''atomarer Wasserstoff'' mit dem Symbol&nbsp;H vor, sondern als ''molekularer Wasserstoff'' mit dem Symbol H<sub>2</sub>, als ein farb- und geruchloses [[Gas]]. Wenn z.&nbsp;B bei [[Redoxreaktion]]en Wasserstoff neu gebildet wird, tritt das Element vorübergehend atomar als H auf und wird als [[Naszierender Stoff|naszierender Wasserstoff]] bezeichnet. In dieser reaktiven Form reagiert Wasserstoff besonders gut mit anderen Verbindungen oder Elementen.

== Geschichte ==
Entdeckt wurde Wasserstoff vom englischen Chemiker und Physiker [[Henry Cavendish]] im Jahre 1766, als er mit Metallen ([[Eisen]], [[Zink]] und [[Zinn]]) und Säuren experimentierte. Cavendish nannte das dabei entstandene Gas wegen seiner Brennbarkeit „{{lang|en|inflammable air}}“ („brennbare Luft“). Er untersuchte das Gas eingehend und veröffentlichte seine Erkenntnisse.<ref>Ernst F. Schwenk: ''Sternstunden der frühen Chemie.'' Verlag C. H. Beck, 1998, ISBN 3-406-45601-4.</ref> Auf ähnliche Weise (Einwirkung von Säuren auf Metalle) hatten allerdings schon im 17.&nbsp;Jahrhundert [[Théodore Turquet de Mayerne]] (um 1620) und [[Robert Boyle]] (um 1670) ein Gas erzeugt, das sie [[Knallgas]] genannt hatten. Eine genauere Analyse erfolgte aber erst durch [[Antoine Laurent de Lavoisier]], der erkannte, dass bei der Verbrennung des Gases Wasser entstand und deshalb das brennbare Gas als „{{lang|fr|hydrogène}}“ bezeichnete ({{laS|hydrogenium}}: „Wasser erzeugender Stoff“, davon kurz „Hydrogen“; von {{grcS|ὕδωρ|hydōr}} „[[Wasser]]“ und [[-gen]]) und ihm damit seinen heutigen Namen gab.<!-- Dasselbe wird im nächsten Absatz nochmals in sehr ähnlichen Worten und ebenso ausführlich wiederholt! --> Cavendish hatte inzwischen – eine Beobachtung von [[Joseph Priestley]] aufgreifend – erkannt, dass bei der Verbrennung von Wasserstoff Wasser entsteht (veröffentlicht erst 1784).<ref>Martin Carrier, Cavendishs Version der Phlogistonchemie oder: Über den empirischen Erfolg unzutreffender theoretischer Ansätze, in: J. Mittelstraß, Chemie und Geisteswissenschaften, Akademie Verlag, Berlin 1992, S. 35–52, [https://pub.uni-bielefeld.de/publication/1777463 (online)]</ref> Lavoisier erfuhr von den Experimenten von Cavendish beim Besuch von dessen Assistenten [[Charles Blagden]] 1783. Cavendish war Anhänger der [[Phlogiston]]lehre und sein Wasserstoff war für ihn ein Kandidat für diese hypothetische Substanz. Lavoisier aber zeigte in aufsehenerregenden Experimenten, dass das Gas ein eigenständiges Element war und ein Bestandteil des Wassers, das man damals vielfach noch selbst für elementar hielt, gemäß der alten [[Vier-Elemente-Lehre]]. Lavoisier führte seine Experimente quantitativ aus unter Verwendung der von ihm postulierten Massenerhaltung. Er leitete Wasserdampf in einer [[Abgeschlossenes System|abgeschlossenen Apparatur]] über glühende Eisenspäne und ließ die entstandenen Gase an anderer Stelle [[Kondensation|kondensieren]]. Dabei stellte er fest, dass die Masse des kondensierten Wassers etwas geringer war als die der ursprünglich eingesetzten Masse. Dafür war ein Gas entstanden, dessen Masse zusammen mit dem Gewichtszuwachs des oxidierten Eisens genau der „verloren gegangenen“ Wassermenge entsprach. Sein eigentliches Experiment war also erfolgreich.
{{Doppeltes Bild|rechts|Cavendish Henry signature.jpg|165|Lavoisier.jpg|160|[[Henry Cavendish]], Entdecker des Wasserstoffs|Antoine Laurent de Lavoisier. Er gab dem Wasserstoff seinen Namen}}
Lavoisier untersuchte das entstandene Gas weiter und führte die als [[Knallgasprobe]] bekannte Untersuchung durch, wobei das Gas verbrannte. Er nannte es daher zunächst wie Cavendish ''brennbare Luft'' (im Französischen in umgekehrter Wortstellung „air inflammable“). Als er in weiteren Experimenten zeigte, dass sich aus dem Gas umgekehrt Wasser erzeugen lässt, taufte er es hydro-gène (griechisch: ''hydro'' = Wasser; ''genes'' = erzeugend).<!-- redundant, s.o. --> Das Wort bedeutet demnach: „Wassererzeuger“. Die deutsche Bezeichnung lässt auf die gleiche Begriffsherkunft schließen.

Nachdem man gemäß der Schule von Lavoisier lange Sauerstoff für den Säurecharakter verantwortlich gemacht hatte, änderte sich dies, als [[Humphry Davy]] 1808 [[Chlorwasserstoff]] darstellte und nachwies, dass darin kein Sauerstoff enthalten war. Danach erkannte man, dass statt Sauerstoff Wasserstoff für den Säurecharakter verantwortlich war.

== Vorkommen ==
[[Datei:PIA01966 Saturn and its Ring System.jpg|mini|Der [[Saturn (Planet)|Saturn]] mit seinen Ringen aus Eis und Staub. Der Planet selbst besteht größtenteils aus Wasserstoff und Helium.]]

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 ===
Kurz nach der Entstehung des Universums waren nach der mutmaßlichen Vernichtung der [[Antimaterie]] durch ein geringes Übermaß der Materie und der Kondensation eines [[Quark-Gluon-Plasma]]s zu [[Baryon]]en nur mehr Protonen und Neutronen (nebst [[Elektron]]en) 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 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 auseinandergerissen zu werden.

Mit der weitergehenden Abkühlung des Universums formten sich unter dem 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 Sterne und später die Sonne.

Sterne bestehen weit überwiegend aus Wasserstoff-[[Plasma (Physik)|Plasma]]. Die [[Kernfusion]] von Wasserstoff <sup>1</sup>H zu [[Helium]] <sup>4</sup>He erfolgt hauptsächlich über die Zwischenstufen [[Deuterium]] <sup>2</sup>H und Helium <sup>3</sup>He oder über den [[Bethe-Weizsäcker-Zyklus]]. 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.

Die Gasplaneten bestehen zu großen Teilen aus Wasserstoff. Unter den extremen Drücken, die in großen Tiefen in den großen [[Gasplanet]]en [[Jupiter (Planet)|Jupiter]] und [[Saturn (Planet)|Saturn]] herrschen, kann er in [[Metallischer Wasserstoff|metallischer Form]] existieren. Dieser „metallische“ Kern ist elektrisch [[Elektrische Leitfähigkeit|leitfähig]] und erzeugt vermutlich das [[Magnetfeld]] der Gasplaneten.

Außerhalb von Sternensystemen kommt Wasserstoff in Gaswolken vor. In den so genannten [[H-I-Gebiet]]en liegt das Element atomar und nichtionisiert vor. Diese Gebiete emittieren Strahlung von etwa 1420&nbsp;MHz, die sogenannte [[HI-Linie|21-cm-Linie]], auch HI- oder Wasserstofflinie genannt, 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 senden Sterne hohe Mengen ionisierender Strahlung aus. Mit Hilfe der H-II-Gebiete 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 kleinen Fernrohr sehen kann.

=== Irdische Vorkommen ===
Auf der Erde ist der Massenanteil wesentlich geringer. Bezogen auf die Erd-Gesamtmasse ist der Anteil etwa 0,03 %.<ref>{{Internetquelle |url=http://quake.mit.edu/hilstgroup/CoreMantle/EarthCompo.pdf |titel=The composition of the Earth |format=PDF |archiv-url=https://web.archive.org/web/20110928074153/http://quake.mit.edu/hilstgroup/CoreMantle/EarthCompo.pdf |archiv-datum=2011-09-28 |abruf=2019-12-16}}</ref> Außerdem liegt der irdische Wasserstoff im Gegensatz zu den Vorkommen im All überwiegend gebunden und nur selten in [[Natürlicher Wasserstoff|reiner Form]] als unvermischtes Gas vor. Die bekannteste Verbindung ist das Wasser. Neben diesem sind Erdgase wie [[Methan]] sowie Erdöl wichtige wasserstoffhaltige Verbindungen auf der Erde. In mehr als der Hälfte aller bisher bekannten Minerale ist Wasserstoff (meist als [[Kristallwasser]]) enthalten.<ref>[http://webmineral.com/chem/Chem-H.shtml H (Hydrogen).] Webmineral – Mineral Species sorted by the element (englisch).</ref>

Der größte Anteil des Wasserstoffs an der Erdoberfläche 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&nbsp;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 Seen und Flüssen, aber auch als Grundwasser.

In der [[Erdatmosphäre]] liegt Wasserstoff hauptsächlich als gasförmiges Wasser ([[Wasserdampf]]) vor. Wie viel Wasserdampf eine Volumeneinheit Luft enthält, hängt neben dem Vorhandensein von Wasser von der Lufttemperatur ab. Beispielsweise kann Luft von 30&nbsp;°C Temperatur bis zu einem Volumenanteil von 4,2 % Wasserdampf aufnehmen. Die [[relative Luftfeuchtigkeit]] beträgt dann 100 %, da der [[Sättigungsdampfdruck]] des Wassers erreicht ist.

Die Häufigkeit von molekularem Wasserstoff in der Atmosphäre beträgt nur 0,55&nbsp;[[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 2&nbsp;km/s. 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 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 ===
Kleinere Mengen Wasserstoff können bei Schauversuchen durch Reaktionen von verdünnten Säuren mit unedlen Metallen wie [[Zink]] gewonnen werden. Für die Reaktion gilt schematisch:
:<math>\text{verdünnte Säure} + \text{unedles Metall}\ \rightarrow \ \mathrm H_2(g) + \text{Metallsalz}</math>
Bei dieser Reaktion handelt es sich um eine [[Redoxreaktion]], in der das Zink als [[Reduktionsmittel]] wirkt und die Protonen der Säure durch Abgabe von Elektronen zum elementaren Wasserstoff reduziert, während das Zink nach Abgabe der Elektronen als [[Kation|kationisches]] Zink mit dem Anion der Säure ein [[Zinksalz]] bildet. Wenn bei dieser Reaktion die Temperatur erhöht wird oder wenn gar an Stelle von Zink [[Alkalimetalle]] als sehr starke Reduktionsmittel verwendet werden, dann bildet sich Wasserstoff bereits mit [[Schwache Säuren|schwachen Säuren]], wie z.&nbsp;B. Wasser. Das ist der Grund dafür, dass [[Metallbrand|Metallbrände]] niemals mit Wasser gelöscht werden dürfen, denn gebildeter Wasserstoff würde dann als Brandverstärker wirken.<ref name="brown" />

Das wichtigste großtechnische Verfahren zur industriellen Gewinnung von molekularem Wasserstoff ist die um 1920 entwickelte [[Dampfreformierung]]. Bei dieser Reaktion werden unter hoher Temperatur und hohem Druck [[Kohlenwasserstoffe]] wie Methan und andere als Reduktionsmittel für die Protonen des Wassers eingesetzt. Dabei entsteht zunächst ein sogenanntes [[Synthesegas]], ein Gemisch aus [[Kohlenstoffmonoxid]] und Wasserstoff. Das Mengenverhältnis der Reaktionsprodukte kann anschließend mit der sogenannten [[Wassergas-Shift-Reaktion]] zu Gunsten von Wasserstoff zwar noch verbessert werden, jedoch entsteht dabei unerwünschtes Kohlendioxid und der Wirkungsgrad (Erdgas zu Wasserstoff) erreicht nur etwa 60 bis&nbsp;70 %.<ref name="brown" />

Derzeit gewinnt im Rahmen der Debatte um die Vermeidung von Kohlendioxid und um die [[Power-to-Gas]]-Strategie die [[Wasserelektrolyse]] als Methode zur Herstellung von Wasserstoff immer mehr an Bedeutung. Bei der Wasserelektrolyse wird [[Wasser]] in einer elektrochemischen Redoxreaktion durch Zufuhr von elektrischer Energie in die Bestandteile Wasserstoff und [[Sauerstoff]] zerlegt.

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

=== 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 (z.&nbsp;B. an Behälterwänden) 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\ \rightleftarrows\ 2\,H} \qquad \Delta H_{R}^0 = 436{,}0 \mathrm{\ kJ/mol} = 104{,}204 \mathrm{\ kcal/mol} </math><ref name="Römpp">{{RömppOnline |ID=RD-23-00368 |Name=Wasserstoff |Abruf=2015-01-02}}</ref>
: <small>Durch Energiezufuhr dissoziiert molekularer Wasserstoff in die atomare Form. Diese Reaktion beginnt ab 1500 K und ist vollständig bei 3000 K.</small>

Zur Darstellung von größeren Mengen atomaren Wasserstoffs sind das Woodsche Darstellungsverfahren ([[Robert Williams Wood]], 1898) und dasjenige von [[Irving Langmuir]], die [[Arcatom-Schweißen#Arcatom-Schweißen|Langmuir-Fackel]] besonders geeignet.

== Physikalische Eigenschaften ==
[[Datei:Hydrogen discharge tube.jpg|mini|upright=1.1|Wasserstoff in einer [[Entladungsröhre]]]]

Wasserstoff ist das Element mit der geringsten Dichte. Molekularer Wasserstoff (H<sub>2</sub>) ist etwa 14,4-mal weniger dicht als Luft. Flüssiger Wasserstoff wiegt je nach Temperatur zwischen 77,00 und 31,26 Gramm pro Liter.<ref>{{Internetquelle |autor=Nist Datenbank |url=https://webbook.nist.gov/cgi/fluid.cgi?TLow=&THigh=&TInc=&Digits=5&ID=C1333740&Action=Load&Type=SatP&TUnit=C&PUnit=bar&DUnit=kg%2Fm3&HUnit=kJ%2Fkg&WUnit=m%2Fs&VisUnit=uPa*s&STUnit=N%2Fm&RefState=DEF |titel=Saturation Properties for Hydrogen — Temperature Increments |hrsg=National Institute of Standards and Technology |abruf=2020-07-06}}</ref> Sein Schmelzpunkt liegt bei 14,02&nbsp;K (−259&nbsp;°C), der Siedepunkt bei 21,15&nbsp;[[Kelvin|K]] (−252&nbsp;°C). Wasserstoff ist in Wasser und anderen Lösungsmitteln schlecht löslich. Für Wasser beträgt die Löslichkeit 19,4&nbsp;m[[Liter|l]]/l (1,6&nbsp;mg/l)<ref name="GESTIS" /> bei 20&nbsp;°C und Normaldruck. Dagegen ist die Löslichkeit (genauer: maximale [[Volumenkonzentration]]) in Metallen deutlich höher.

Einige [[Thermodynamik|thermodynamische]] Eigenschaften (Transportphänomene) sind aufgrund der geringen [[Molekülmasse]] und der daraus resultierenden hohen mittleren Geschwindigkeit der Wasserstoffmoleküle (1770&nbsp;m/s bei 25&nbsp;°C) von besonderer Bedeutung, wie z.&nbsp;B. beim [[Raketentreibstoff#Oberth-Effekt|Oberth-Effekt-Raketentreibstoff]]. Der Joule-Thomson-Koeffizient von Wasserstoff ist bei Raumtemperatur negativ ([[Joule-Thomson-Effekt]]). Das bedeutet, dass bei einer [[Isenthalpe Zustandsänderung|Isenthalpen]] Entspannung des Drucks das Gas bei dieser Temperatur im Gegensatz zu den meisten anderen Gasen nicht abkühlt, sondern erwärmt. 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 [[Butan]] auf.

Die [[Beweglichkeit (Physik)|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 [[#Sicherheitshinweise|Sicherheitshinweise]]).

{{Panorama|Visible spectrum of hydrogen.jpg|750|Sichtbarer Bereich des Wasserstoff-Spektrums. Es sind 6 Linien der [[Balmer-Serie]] sichtbar:<br>389 nm (kaum erkennbar), 397 nm (schwach violett), 410 nm (violett), 434 nm (indigo), 486 nm (türkis) und 656 nm (rot)}}

Wasserstoff hat ein Linienspektrum und je nach Temperatur des Gases im sichtbaren Bereich ein mehr oder weniger ausgeprägtes kontinuierliches Spektrum. Letzteres ist beim Sonnenspektrum besonders ausgeprägt. 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 [[Liste der Emissionslinien von Wasserstoff|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]] (HI-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> = {{ZahlExp|-2,2|-9}} 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.

Der empirische [[Atomradius]] von ([[atomar]]em) Wasserstoff beträgt 25&nbsp;[[Pikometer|pm]], der [[Kovalenter Radius|kovalente Radius]] 31&nbsp;pm und der [[Van-der-Waals-Radius]] 120&nbsp;pm.<ref name="Webelements-hydrogen" /> In höchstangeregten Wasserstoffatomen ([[Rydberg-Zustand|Rydberg-Zuständen]]), wie sie unter den Vakuumbedingungen interstellarer Nebel vorkommen, befinden sich deren Elektronen auf Bahnen mit Atomradien von bis zu 0,339 Millimetern.<ref>''GIT Labor-Fachzeitschrift.'' Heft 9/2013, S. 596, nach Jürgen Quadbeck-Seeger (Hrsg.): ''Chemie Rekorde''. Wiley-VCH.</ref>

=== Aggregatzustände {{Anker|LH2}} ===
[[Datei:Linde-Wasserstofftank.JPG|mini|Tank für flüssigen Wasserstoff im Museum Autovision in Altlußheim]]

Bei Temperaturen unterhalb von 21,15&nbsp;K (−252&nbsp;°C) kondensiert Wasserstoff zu einer klaren, farblosen Flüssigkeit. Dieser Zustand wird als '''LH<sub>2</sub>''' abgekürzt (engl. ''liquid'', „flüssig“). Unterhalb von 14,02&nbsp;K (−259,2&nbsp;[[Grad Celsius|°C]]) bildet Wasserstoff einen kristallinen Festkörper mit [[Dichteste Kugelpackung|hexagonal dichtester Kugelpackung]]&nbsp;(hcp), dort ist jedes Molekül von zwölf weiteren umgeben. Am Gefrierpunkt bildet sich beim Abkühlen ein schlammartiges Zweiphasengemisch, ein sogenannter [[Slush]].

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 13,8033&nbsp;K<ref name="NIST">{{NIST|1333-74-0}}.</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 0,03012 g/cm³<ref name="Römpp" /> (die niedrigste kritische Dichte aller Elemente).

Unter extremen Drücken, wie sie innerhalb von [[Gasplanet]]en herrschen, wird wahrscheinlich [[metallischer Wasserstoff]], d.&nbsp;h. in metallischer Form, ausgebildet. Dabei wird er elektrisch leitend (vgl. [[Leitungsband]]).

=== Atom- und kernphysikalische Eigenschaften ===
{{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 (Hauptisotop <sup>1</sup>H) und seltener je nach [[Isotop]] einem oder zwei zusätzlichen [[Neutron]]en ([[Deuterium|<sup>2</sup>H]] bzw. [[Tritium|<sup>3</sup>H-Isotop]]). Das [[Wasserstoffatom]] <sup>1</sup>H spielte aufgrund seines einfachen Aufbaus in der Entwicklung der Atomphysik als „Modellatom“ eine herausragende Rolle.

[[Datei:Atomic-orbital-clouds spd m0.png|mini|Orbitale des Wasserstoffatoms für verschiedene ''n''- und ''l''-Quantenzahlen]]

So entstand 1913 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 Kreisbahn umläuft. Nach Bohr kann das Elektron auch auf andere, im Abstand zum Kern genau definierte Bahnen springen, so auf weiter außen liegende, wenn ihm die dazu nötige Energie zugeführt wird (z.&nbsp;B. durch Stöße im erhitzten Gas oder in der elektrischen [[Gasentladung]]). 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&nbsp;[[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, die dem Elektron anstelle der flachen bohrschen Bahnen räumlich ausgedehnte [[Atomorbital]]e zuschreibt. 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 die ebenfalls ausgiebig untersuchten wasserstoffähnlichen Ionen möglich, denen lediglich ein Elektron verblieben ist (He<sup>+</sup>, Li<sup>2+</sup> usw. bis U<sup>91+</sup>).

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 den [[Kernspin]], kommt man zur [[Hyperfeinstruktur]]. Eine sehr kleine, aber physikalisch besonders interessante Korrektur ist die [[Lambverschiebung]] durch elektromagnetische [[Vakuumfluktuation]]en. Durch all diese Korrekturen wird bereits das Spektrum des Wasserstoffs zu einem komplexen Phänomen, dessen Verständnis viel theoretisches Wissen in Quantenmechanik und Quantenelektrodynamik erfordert.

=== Isotope ===
Es existieren drei natürlich vorkommende [[Isotop]]e des Wasserstoffs. Von allen Elementen unterscheiden sich beim Wasserstoff die Isotope in ihren chemischen Reaktionsfähigkeiten am deutlichsten voneinander. Das liegt an dem vergleichsweise großen Unterschied der Atommasse ([[Deuterium]] <sup>2</sup>H doppelt, [[Tritium]] <sup>3</sup>H dreimal so schwer wie Wasserstoff <sup>1</sup>H).

* Das einfachste Wasserstoff-Isotop <sup>1</sup>H besitzt lediglich ein Proton im Kern und wird daher gelegentlich '''Protium''' genannt. Es hat mit einer relativen Häufigkeit von 99,98 % den weitaus größten Anteil am irdisch vorkommenden Wasserstoff. Es ist nicht [[radioaktiv]], also stabil.
* 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]].<ref name="DTsymbol" /> 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 0,015 % aller Wasserstoffatome aus. Deuterium ist ebenfalls stabil.
* Das Isotop <sup>3</sup>H hat neben dem Proton zwei Neutronen im Kern. Man bezeichnet es als '''Tritium''' mit dem Elementsymbol&nbsp;T. Es hat nur einen verschwindenden Anteil am gesamten in der Natur vorkommenden Wasserstoff. Es ist [[radioaktiv]] und zerfällt durch [[Betazerfall]] (β<sup>−</sup>) mit einer [[Halbwertszeit]] von 12,32&nbsp;Jahren in [[Helium|<sup>3</sup>He]]. Tritium wird durch [[Kernreaktion]]en in der oberen [[Erdatmosphäre]] ständig als kosmogenes [[Radionuklid]] gebildet.<ref name="Lal_Peters">D. Lal, B. Peters: ''Cosmic ray produced radioactivity on the earth.'' In: ''Handbuch der Physik.'' Band 46/2, Springer, Berlin 1967, S.&nbsp;551–612.</ref> Im Gleichgewicht von natürlicher Produktion und Zerfall befinden sich ca. 3,5&nbsp;kg Tritium in der [[Biosphäre]]. Tritium kann in [[Oberflächenwasser]]n und in Lebewesen nachgewiesen werden.
* Die schwereren Isotope <sup>4</sup>H, <sup>5</sup>H, <sup>6</sup>H und <sup>7</sup>H haben sehr kurze Lebensdauern in der Größenordnung von 10<sup>−22</sup>&nbsp;s bis 10<sup>−21</sup>&nbsp;s.

=== Kernspinzustände im H<sub>2</sub>-Molekül ===
{{Hauptartikel|Ortho- und Parawasserstoff}}
Unter normalen Bedingungen ist Wasserstoffgas H<sub>2</sub> ein Gemisch von Molekülen, die sich durch die Symmetrie ihrer [[Kernspin]]s voneinander unterscheiden: ''ortho''- und ''para''-Wasserstoff (kurz o- und p-Wasserstoff). Bei o-Wasserstoff haben die Kernspins symmetrische Konfiguration, daher Gesamtspin ''S''&nbsp;=&nbsp;1 und für die Molekülrotation nur ungerade Quantenzahlen ''J''&nbsp;= 1,&nbsp;3&nbsp;… Beim p-Wasserstoff nehmen die Kernspins einen antisymmetrischen Zustand ein, bilden also den Gesamtspin ''S''&nbsp;=&nbsp;0 und haben für die Molekülrotation nur gerade Quantenzahlen ''J''&nbsp;=&nbsp;0,&nbsp;2 … Mit ''J''&nbsp;=&nbsp;0 ist p-Wasserstoff die energieärmste Form, also der [[Grundzustand]]. Der erste angeregte Zustand ist bei 15,1&nbsp;meV Energie o-Wasserstoff mit ''J''&nbsp;=&nbsp;1.

Nahe dem [[Absoluter Nullpunkt|absoluten Nullpunkt]] ''T''&nbsp;=&nbsp;0&nbsp;K findet man im thermodynamischen Gleichgewicht ausschließlich p-Wasserstoff, für nicht zu kaltes Wasserstoffgas ein Gemisch aus der p- und der o-Form. Da es für Gesamtspin ''S''&nbsp;=&nbsp;0 nur einen Spinzustand gibt, bei symmetrischen Kernspins (''S''&nbsp;=&nbsp;1) aber drei Zustände verschiedener Orientierung im Raum, überwiegen diese ab etwa ''T''&nbsp;>&nbsp;200&nbsp;K im Gleichgewicht im Verhältnis ortho/para-Wasserstoff von bis zu 3:1. Weiter kann der Anteil der o-Form im thermodynamischen Gleichgewicht nicht gesteigert werden.

Im reinen Gas dauert bei tiefen Temperaturen die Einstellung des Gleichgewichts Monate, da die Wechselwirkungen zwischen den Kernen und der Hülle extrem schwach sind. Für diese Zeiten liegt damit praktisch eine Mischung von zwei unterschiedlichen Gasen vor. Trotz gleicher chemischer Zusammensetzung H<sub>2</sub> unterscheiden sie sich sogar makroskopisch durch deutlich verschiedenen Temperaturverlauf der [[Spezifische Wärme|spezifischen Wärme]]. Abgesehen hiervon sind die physikalischen Eigenschaften von o- und p-Wasserstoff aber nur geringfügig verschieden. Beispielsweise liegen der Schmelz- und Siedepunkt der p-Form etwa 0,1&nbsp;K unter denen der o-Form.

Bei der industriellen Herstellung von flüssigem Wasserstoff spielt der Übergang zwischen o- und p-Wasserstoff eine wichtige Rolle, weil bei der Temperatur der Verflüssigung das Gleichgewicht schon stark zur p-Form hin tendiert und sich spätestens im flüssigen Zustand dann schnell einstellt. Damit die dabei frei werdende Wärme nicht gleich einen Teil der gewonnenen Flüssigkeit wieder verdampfen lässt, beschleunigt man die Einstellung des neuen Gleichgewichts schon im gasförmigen Zustand durch den Einsatz von [[Katalysator]]en.

== Chemische Eigenschaften ==
=== Besonderheiten ===
Im [[Periodensystem]] steht Wasserstoff in der I.&nbsp;Hauptgruppe, weil er 1 [[Valenzelektron]] besitzt. Ähnlich wie die ebenfalls dort stehenden [[Alkalimetall]]e hat er in vielen Verbindungen die [[Oxidationszahl]] '''+1'''. Allerdings ist 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 bei den anderen Schalen, erreicht.

Durch Aufnahme eines Elektrons von sehr unedlen Metallen kann Wasserstoff die Edelgaskonfiguration des Heliums erreichen und hat dann die Oxidationszahl '''−1'''. Diese Verbindungen haben einen [[Halogenide|Halogenidcharakter]] und werden als [[Hydrid]]e bezeichnet.

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

Aufgrund dieser „gemäßigten“ Elektronegativität sind die für die I.&nbsp;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.&nbsp;Hauptgruppe atypisch, da aufgrund der Tatsache, dass die K-Schale nur 2 Elektronen aufnehmen kann, Eigenschaften anderer Gruppen hinzukommen.

=== Molekularer Wasserstoff ===
[[Datei:Wasserstoff.svg|mini|hochkant|[[Valenzstrichformel]] 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]], der in Wasser gelöst [[Salzsäure]] ergibt. Beide Gase reagieren dabei mit gleichen [[Stoffmenge]]nanteilen:

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

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

Wird der molekulare Wasserstoff ionisiert, so spricht man vom [[Diwasserstoff-Kation]]. Dieses Teilchen tritt z.&nbsp;B. in Niedertemperatur-Plasmaentladungen in Wasserstoff als häufiges Ion auf.

: <math>\mathrm{H_2 + e^- \rightarrow H_2^+ + 2\; e^-}</math>
: <small>Ionisation durch ein schnelles Elektron im Plasma</small>

=== Nascierender Wasserstoff ===
Wasserstoff ''[[Nascierender Stoff|in statu nascendi]]'', d.&nbsp;h. im ''Zustand des Entstehens'' unmittelbar nach einer Wasserstoff erzeugenden Reaktion, existiert für Sekundenbruchteile in Form der einzelnen, sehr reaktiven H-Atome. Je zwei der Atome reagieren dann zum Molekül, das sich aber nach dem Zusammenschluss für kurze Zeit noch in einem [[Angeregter Zustand|angeregten Zustand]] befindet. Nascierender Wasserstoff kann –&nbsp;abweichend vom „normalen“ chemischen Verhalten&nbsp;– verschiedene Reaktionen bewirken, 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 Zinkpulver erzeugtem Wasserstoff ''in statu nascendi'' gelingt diese [[Reduktion (Chemie)|reduktive]] Farbänderung.

: <math>\mathrm{MnO_4^- + 3\ H^+ + 5\ H \rightarrow Mn^{2+} + 4\ H_2O }</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 reduzierende Wirkung des nascierenden Wasserstoffs.</small>

=== Atomarer Wasserstoff ===
Um molekularen Wasserstoff in die Atome zu zerlegen, muss Energie von 436,22&nbsp;[[Joule|kJ]]/[[mol]] (4,52&nbsp;[[Elektronenvolt|eV]] pro Molekül) aufgewendet werden (der Chemiker spricht von [[Enthalpie]]); beim Zusammenschluss zu Wasserstoffmolekülen wird diese Energie wieder freigesetzt:

: <math>\mathrm{2\ H\ \rightleftarrows H_2} \qquad \Delta H_{R}^0 = -436{,}22\ \mathrm{kJ/mol} </math>
Diese Energie ist unter [[Standardbedingungen]] weit höher als die thermische Energie <math display="inline">k_\mathrm B\cdot T \approx 0{,}024\;\mathrm{eV}</math>, daher liegt das Gleichgewicht vollkommen auf der rechten Seite der dargestellten Gleichung.

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

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 oder auch die Atome ionisiert werden ([[H-II-Gebiet]]).

Innerhalb von Sternen liegt Wasserstoff infolge der dort herrschenden hohen Temperaturen nicht atomar vor, sondern als [[Plasma (Physik)|Plasma]]. Die Oberfläche der Sonne hat jedoch „nur“ eine Temperatur von ca. 5500&nbsp;°C, was einer thermischen Energie von 0,5&nbsp;eV entspricht, weit unter der Energie von 4,5&nbsp;eV, die zur Auflösung der molekularen Bindung erforderlich ist. Bei dieser Temperatur ist daher der größte Teil des Wasserstoffes nicht ionisiert und sogar molekular. Im Außenbereich der Sonne, der [[Korona (Sonne)|Korona]], herrschen hingegen Temperaturen um eine Million Kelvin. Daher sind im Sonnenlicht die Übergänge der Elektronen im atomaren Wasserstoff erkennbar.

=== Wasserstoffbrückenbindung ===
Eine wichtige Eigenschaft des Wasserstoffs ist die so genannte [[Wasserstoffbrückenbindung]], eine anziehende elektrostatische [[Coulombsches Gesetz|Kraft]] zwischen zwei Molekülen. Ist Wasserstoff an ein stark [[Elektronegativität|elektronegatives]] Atom, wie 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 |Datum=1997 |ISBN=0-19-509549-9}}</ref> schwächer ist als die Bindungskraft innerhalb eines Moleküls, verbinden sich die Moleküle nicht dauerhaft. Vielmehr bleibt die Wasserstoffbrücke wegen [[Thermische Energie|ständiger 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 [[Desoxyribonukleinsäure|DNA]] oder [[Wasser]]. Bei Letzterem führen diese Bindungen zu den [[Eigenschaften des Wassers#Dichte und Dichteanomalie|Anomalien des Wassers]], insbesondere der [[Dichteanomalie]].

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

* ''[[Energieträger]]'': Beim Schweißen, als [[Raketentreibstoff]]. Von seiner Verwendung als Kraftstoff für [[Strahltriebwerk]]e, in [[Wasserstoffverbrennungsmotor]]en oder über [[Brennstoffzelle]]n verspricht man sich, in absehbarer Zeit die Nutzung von Erdölprodukten ablösen zu können (siehe [[Wasserstoffantrieb]]), weil bei der Verbrennung vor allem Wasser entsteht, doch kein Ruß und kein [[Kohlenstoffdioxid]]. Wasserstoff ist jedoch im Gegensatz zu Erdöl keine [[Primärenergie]].
* ''[[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.
* ''[[Reduktion (Chemie)|Reduktionsmittel]]'': H<sub>2</sub> kann mit Metalloxiden reagieren und ihnen dabei den Sauerstoff entziehen. Es entsteht Wasser und das reduzierte Metall. Dieses Verfahren der [[Verhüttung]] von [[Erz]]en und Zwischenprodukten wird genützt um Metalle möglichst rein zu gewinnen, etwa [[Wolfram]]. Denn Kohle und Koks bringen Begleitstoffe wie Phosphor und Schwefel ein.
* ''[[Ammoniak]]herstellung'': Mit dem [[Haber-Bosch-Verfahren]] wird aus [[Stickstoff]] und Wasserstoff Ammoniak hergestellt und daraus wichtige Düngemittel und Sprengstoffe.
* ''[[Fetthärtung]]'': Gehärtete [[Fette]] werden aus Pflanzenöl mittels [[Hydrierung]] gewonnen. Dabei werden die Doppelbindungen in ungesättigten Fettsäure-Resten der [[Glycerid]]e mit Wasserstoff abgesättigt. Die entstehenden Fette haben einen höheren Schmelzpunkt, wodurch das Produkt fest wird. Auf diese Weise stellt man [[Margarine]] her. Dabei können als Nebenprodukt gesundheitlich bedenkliche [[Trans-Fettsäuren|''trans''-Fette]] entstehen.
* {{Anker|E 949}}''[[Lebensmittelzusatzstoff]]'': Wasserstoff ist als E 949 zugelassen und wird (selten) als Treibgas, Packgas u.&nbsp;ä. verwendet.<ref>{{EU-Verordnung|2008|1333|konsolidiert=2022-10-31}}</ref>
* ''Kühlmittel'': Aufgrund seiner hohen [[Wärmekapazität]] benutzt man (gasförmigen) 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> 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. Von Vorteil ist dabei, dass Wasserstoff durch seine geringe Dichte, die in die [[Reynoldszahl]] eingeht, bis zu höheren Geschwindigkeiten widerstandsarm [[laminar]] strömt als andere Gase.
* ''[[Kryogen (Technik)|Kryogen]]'': Wegen der hohen Wärmekapazität und des niedrigen Siedepunkts eignet sich flüssiger Wasserstoff als Kryogen, 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 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. In bemannten Zeppelinen wurde daraufhin der Wasserstoff durch Helium ersetzt. Spielt der Sicherheitsaspekt keine Rolle, beispielsweise bei [[Wetterballon]]s, wird weiterhin der vielfach kostengünstigere und leichtere Wasserstoff bevorzugt.
* In der instrumentellen Analytik: so beim Betrieb des [[Flammenionisationsdetektor]]s (FID) in [[Gaschromatograph]]en.

Die beiden natürlichen Isotope haben spezielle Einsatzgebiete.

'''Deuterium''' (D = <sup>2</sup>H)<ref name="DTsymbol">Anm. Nur für die 2 schwereren Isotope des Wasserstoffs werden eigene chemische Zeichen benutzt.</ref> findet (in Form von [[Schweres Wasser|schwerem Wasser]]) in [[Schwerwasserreaktor]]en als [[Moderator (Physik)|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''' (T = <sup>3</sup>H) 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 Verwendung als langlebige, zuverlässige Energiequelle für [[Leuchtfarbe]]n (im Gemisch mit einem [[Fluoreszenzfarbstoff]]), vor allem in militärischen Anwendungen, 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 ===
[[Datei:2018. Sotavento. Planta de transformación de hidróxeno en enerxía eléctrica.jpg|mini|[[Power-to-Gas]]-Anlage samt Wasserstoffspeicher in einem spanischen [[Windpark]]]]
Wasserstoff gilt als ein Energieträger der Zukunft.<ref>{{Webarchiv |url=http://www.vde.com/DE/FG/ETG/ARCHIV/AKTUELLES/Seiten/Wasserstoff%20Energietraeger%20der%20Zukunft.aspx |text=Wasserstoff als Energieträger der Zukunft |wayback=20121026095412}} VDE; abgerufen am 11. April 2012.</ref>
{{Siehe auch|Wasserstoffwirtschaft}}

==== Herstellung von Wasserstoff ====

{{Hauptartikel|Wasserstoffherstellung}}

Als [[Energieträger]] ist Wasserstoff – wie elektrische Energie – keine [[Primärenergie]], sondern muss wie [[Elektrische Energie|Strom]] aus Primärenergie hergestellt werden.

Wasserstoff als Energieträger verursacht kein [[Kohlenstoffdioxid]], wenn er mit [[Erneuerbare Energien|erneuerbaren Energien]] wie [[Windenergie]] oder [[Sonnenenergie]] gewonnen wird (sogenannter [[grüner Wasserstoff]]). [[Biowasserstoff]] verursacht in der Nettobilanz kein Kohlendioxid, wenn Anbau und Verarbeitung der genutzten Biomasse CO<sub>2</sub>-neutral erfolgen. Derzeit (2019) erfolgt die Wasserstoff-Herstellung jedoch fast ausschließlich aus fossiler Primärenergie, überwiegend durch [[Wasserstoffherstellung#Dampfreformierung|Erdgas-Reformierung]].

Die unter dem Schlagwort „[[Power-to-Gas]]“ oft favorisierte Gewinnung durch [[Wasserelektrolyse]] mit überschüssigem erneuerbaren Strom gilt bei praktisch realisierten Wirkungsgraden von kaum über 60 %<ref>[https://www.energieagentur.nrw/brennstoffzelle/brennstoffzelle-wasserstoff-elektromobilitaet/erzeugung energieagentur.nrw] Information der Energieagentur Nordrhein-Westfalen zu Brennstoffzelle und Wasserstoff: alkalische Elektrolyse/Lurgi-Verfahren, abgerufen am 11. August 2020</ref> als relativ ineffizient und wirtschaftlich nicht konkurrenzfähig gegenüber Reformierung von [[Erdgas]], weil ausreichend billiger Strom-Überschuss tatsächlich nur für einige Stunden im Jahr genutzt werden kann und sich bei so meist geringer Auslastung die erforderliche Anlagen-Technik nur mit hohen Subventionen in Forschungs- und [[Power-to-Gas#Liste der Anlagen in Deutschland|Pilot-Anlagen]] finanzieren lässt. Das kann sich erst ändern, falls eine künftig überwiegend regenerativ umgestellte Strom-Versorgung noch wesentlich mehr und nicht anderweitig verwertbare Überschüsse abwirft oder aber Erdgas als Rohstoff teurer als regenerative Stromerzeugung werden sollte bzw. mit einer entsprechend hohen [[CO2-Steuer|CO<sub>2</sub>-Abgabe]] belegt wird.<ref>{{Internetquelle |autor=[Rüdiger Paschotta] |url=https://www.energie-lexikon.info/power_to_gas__ein_hype.html |titel=Power to Gas – ein Hype? |werk=energie-lexikon.info |abruf=2022-12-19}}</ref>

==== Speicherung von Wasserstoff ====

{{Hauptartikel|Wasserstoffspeicherung}}

==== Energiedichten im Vergleich ====

{| class="wikitable"
|+ Brenn- und Heizwerte
|-
! Brennstoff !! Brennwert / Masse !! Dichte !! Brennwert / Vol !! Heizwert / Vol
|-
| Wasserstoff<ref name="energie-lexikon.info Wasserstoff">{{Internetquelle |autor=Rüdiger Paschotta |url=https://www.energie-lexikon.info/wasserstoff.html |titel=Wasserstoff |werk=energie-lexikon.info |sprache=de |abruf=2022-12-19}}</ref> || 39,39 kWh/kg = 141,8 MJ/kg|| 0,090 kg/m³ || {{0}}3,54 kWh/m³ = 12,7 MJ/m³|| {{0}}3,0 kWh/m³ = 10,8 MJ/m³
|-
| Methan CH<sub>4</sub><ref>{{Internetquelle |autor=Rüdiger Paschotta |url=https://www.energie-lexikon.info/methan.html |titel=Methan |werk=energie-lexikon.info |sprache=de |abruf=2022-12-19}}</ref> || 13,9{{0}} kWh/kg = {{0}}50{{0|,0}} MJ/kg || 0,72{{0}} kg/m³ || 10{{0|,00}} kWh/m³ = 36{{0|,0}} MJ/m³ || {{0}}9,0 kWh/m³ = 32,4 MJ/m³
|-
| Erdgas „H“<ref>{{Internetquelle |autor=Rüdiger Paschotta |url=https://www.energie-lexikon.info/erdgas.html |titel=Erdgas |werk=energie-lexikon.info |sprache=de |abruf=2022-12-19}}</ref> || 13,9{{0}} kWh/kg = {{0}}50{{0|,0}} MJ/kg || 0,80{{0}} kg/m³ || 11,1{{0}} kWh/m³ = 40{{0|,0}} MJ/m³ || 10 kWh/m³ = 36,0 MJ/m³
|-
| Diesel<ref>{{Internetquelle |autor=Rüdiger Paschotta |url=https://www.energie-lexikon.info/dieselkraftstoff.html |titel=Dieselkraftstoff |werk=energie-lexikon.info |sprache=de |abruf=2022-12-19}}</ref> || 12,5{{0}} kWh/kg = {{0}}45{{0|,0}} MJ/kg || 0,83{{0}} kg/l || 10,5{{0}} kWh/l = 37,8 MJ/l || {{0}}9,8{{0}} kWh/l = 35,3 MJ/l
|-
| Benzin<ref name="energie-lexikon.info Benzin">{{Internetquelle |autor=Rüdiger Paschotta |url=https://www.energie-lexikon.info/benzin.html |titel=Benzin |werk=energie-lexikon.info |sprache=de |abruf=2022-12-19}}</ref> || 12,0{{0}} kWh/kg = {{0}}43{{0|,0}} MJ/kg || 0,75{{0}} kg/l || {{0}}9,0{{0}} kWh/l = 32,4 MJ/l || {{0}}8,3{{0}} kWh/L = 30,0 MJ/l
|}

Auf das Volumen bezogen:<ref>Stephan Glante: [https://opus4.kobv.de/opus4-fau/frontdoor/deliver/index/docId/11248/file/StephanGlanteDissertation.pdf Untersuchungen zur Synthese von ZIF-8 und Wasserstoffspeicherung in ausgewählten metall-organischen Gerüstverbindungen] opus4.kobv.de, 6. Juni 2019, abgerufen am 5. November 2022.</ref>
* Wasserstoff (flüssig, also tiefkalt): 2360&nbsp;kWh/m³
* Benzin: 8760&nbsp;kWh/m³
* Erdgas (20&nbsp;MPa = 200 bar): 2580&nbsp;kWh/m³
* Wasserstoffgas (20&nbsp;MPa): 530&nbsp;kWh/m³
* Wasserstoffgas (Normaldruck): 3&nbsp;kWh/m³

=== Kernfusion ===

{{Hauptartikel|Kernfusion}}
[[Datei:Ivy Mike (Eniwetok-Atoll - 31. Oktober 1952).jpg|mini|Am 31.&nbsp;Oktober 1952 wurde erstmals von Menschenhand [[TNT-Äquivalent|Energie im Megatonnen-Maßstab]] durch Kernfusion freigesetzt – in der Wasserstoffbombe „Ivy Mike“]]

==== Kernfusion in der Sonne und in Sternen ====

Mit [[Wasserstoffbrennen]] wird die Kernfusion von Wasserstoff zu [[Helium]] im Inneren von Sternen bezeichnet. Diese Reaktion stellt in normalen Sternen während des Großteils ihres Lebenszyklus die wesentliche Energiequelle dar. Sie hat trotz ihres historisch bedingten Namens nichts mit einer chemischen Verbrennung zu tun.

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

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.

==== Fusionswaffen ====

1952 testeten die Vereinigten Staaten die erste [[Wasserstoffbombe]]. Brennstoff war das Isotop [[Deuterium]]. In der Bombe liefen vor allem folgende Kernreaktionen 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>

==== Fusionsreaktoren ====

Physiker forschen an einer friedlichen Nutzung der Kernverschmelzung zur Energiegewinnung in [[Kernfusionsreaktor]]en. Am weitesten fortgeschritten sind Versuche, die Reaktion in einem [[Plasma (Physik)|Plasma]] kontrolliert ablaufen zu lassen. Die dazu nötigen sehr hohen Temperaturen sind schwierig zu realisieren. Anders als Wasserstoffbomben werden Reaktoren voraussichtlich nur die Deuterium-Tritium-Reaktion zur Energiegewinnung nutzen können.

== 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 organischen Chemie, ohne die jegliche uns bekannte Form von Leben schlicht unmöglich ist.

Wasserstoff spielt im Organismus aktive Rollen, so bei einigen [[Koenzym]]en wie [[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, einen [[Protonengradient]]en durch [[Chemiosmotische Kopplung|chemiosmotisches Membranpotenzial]] 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 [[Mensch|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 [[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>{{Literatur |Autor=Jon S Cardinal, Jianghua Zhan, Yinna Wang, Ryujiro Sugimoto, Allan Tsung, Kenneth R McCurry, Timothy R Billiar, Atsunori Nakao |Titel=Oral hydrogen water prevents chronic allograft nephropathy in rats |Sammelwerk=[[Kidney International]] |Band=77 |Nummer=2 |Datum=2010-01 |Seiten=101–109 |DOI=10.1038/ki.2009.421 |PMID=19907413}}</ref>

== Ökologische Bedeutung ==
Das [[Treibhauspotential]] von Wasserstoff ist bisher nur wenig untersucht. Die Schätzungen reichen vom 1,9 bis zum 16fachen der Wirkung von [[Kohlenstoffdioxid]], bei einem Zeithorizont von 100 Jahren.<ref name="UBA">[https://www.umweltbundesamt.de/sites/default/files/medien/479/dokumente/uba_ist_wasserstoff_treibhausgasneutral.pdf Umweltbundesamt; Ist Wasserstoff treibhausgasneutral? Tabelle 1: Treibhauspotentialwerte von Wasserstoff]</ref> Eine 2023 publizierte Studie ermittelte über den Zeithorizont von 100 Jahren ein Treibhauspotential von 11,6 ±2,8, womit es 11,6 mal stärker wirkt als Kohlenstoffdioxid.<ref>{{Literatur | Autor=Maria Sand et al. | Titel=A multi-model assessment of the Global Warming Potential of hydrogen | Sammelwerk=communications earth & environment | Band=4 | Nummer= | Datum=2023 | Seiten= | DOI=10.1038/s43247-023-00857-8}} </ref>

Dabei ist Wasserstoff allerdings kein direktes Treibhausgas, denn es absorbiert keine Infrarotstrahlung. Stattdessen beeinflusst es das Vorkommen anderer Treibhausgase, sodass es indirekt Einfluss auf den Treibhauseffekt nimmt. Wenn H<sub>2</sub> in die Atmosphäre gelangt, reagiert es mit dem dort vorkommenden Hydroxylradikal und bildet Wasser. Dadurch steht zum einen zunächst weniger Hydroxylradikal zur Verfügung, welches eine wichtige Reinigungsfunktion hat, um Methan und andere Treibhausgase mit noch höherer Klimawirkung als Wasserstoff abzubauen. Zum anderen entsteht dabei Wasserdampf, welcher in der Stratosphäre ebenfalls eine hohe Klimawirkung hat. Laut einer von der britischen Regierung in Auftrag gegebenen Studie aus dem Jahr 2022 soll eine Tonne Wasserstoff über einen Zeitraum von 100 Jahren die Atmosphäre der Erde etwa elf Mal so stark erwärmen wie eine Tonne CO<sub>2</sub>. Allerdings kommen die Autoren ebenfalls zu dem Schluss, dass auch in den pessimistischsten Szenarien die schädlichen Effekte weit weniger gravierend sind als diejenigen, die das durch die Nutzung von klimaneutral hergestelltem Wasserstoff eingesparte CO<sub>2</sub> haben würde.<ref name="tdz">[https://assets.publishing.service.gov.uk/government/uploads/system/uploads/attachment_data/file/1067144/atmospheric-implications-of-increased-hydrogen-use.pdf Atmospheric implications of  increased Hydrogen use]</ref> Trotz der klimaschädlichen Wirkung wird H<sub>2</sub> nicht in der Liste der Treibhausgase des Pariser Klimaschutzabkommens und den Inventaren der Klimarahmenkonventionen §12 aufgeführt. Es kann deshalb nicht in nationalen Klimabilanzen verrechnet werden.<ref name="UBA" />

== Bedeutung im Leistungssport ==
Aufgrund der Wirkung als [[Antioxidans]] hat Wasserstoff eine leistungssteigernde Wirkung bei [[anaerob]]en Belastungen. Er kann sowohl niedrig dosiert im Training über einen längeren Zeitraum verwendet werden als auch hochdosiert unmittelbar vor bzw. während des Wettkampfes, z.&nbsp;B. in Halbzeitpausen.<ref>Botek, M., Krejčí, J., McKune, A.J. et al. (2019), Hydrogen Rich Water Improved Ventilatory, Perceptual and Lactate Responses to Exercise. ''Int J Sports Med'' 40(14), 879-885.</ref> Er kann sowohl zum unmittelbaren Gebrauch Getränken beigefügt werden als auch in Gasform ähnlich wie bei [[Sauerstoff]] z.&nbsp;B. über eine Maske eingeatmet werden.<ref>Aoki, K., Nakao, A., Adachi, Tusdm et al. (2012): ''Pilot study: Effects of drinking hydrogen-rich water on muscle fatigue caused by acute exercise in elite athletes.'' In: ''Med Gas Res.'' 2 (12). [[doi:10.1186/2045-9912-2-12]]</ref> Nur die intravenöse Verabreichung ist durch die Anti-[[Doping]]-Bestimmungen verboten.<ref>[[Arnd Krüger]]: Wasserstoff. ''[[Leistungssport (Zeitschrift)|Leistungssport]]''. 50, (2020), 2, S. 29–32.</ref>

== Sicherheitshinweise ==
Wasserstoff ist extrem entzündbar (alte Bezeichnung: hochentzündlich). Er brennt mit reinem Sauerstoff oder Luft sowie mit anderen gasförmigen [[Oxidationsmittel]]n wie Chlor oder Fluor mit heißer Flamme. Da die Flamme kaum sichtbar ist, kann man unabsichtlich hinein geraten.<ref name="Stepken2003">Axel Stepken: {{webarchiv|url=http://www.linde-gas.de/internet.lg.lg.deu/de/images/WASSERSTOFFTAG-03_STEPKEN_HANDOUT565_71315.pdf |wayback=20151222094047 |text=Wasserstoff – So sicher wie Benzin}}, Medienforum Deutscher Wasserstofftag, 2003. (PDF; 704&nbsp;kB).<!--
alternative URLs:
* https://web.archive.org/web/20181222125409/http://www.linde-gas.de/de/legacy/attachment?files=tcm:T565-71315,tcm:565-71315,tcm:65-71315
* https://www.pangas.ch/de/images/WASSERSTOFFTAG-03_STEPKEN_HANDOUT_tcm553-115963.pdf -->
</ref> Gemische mit Chlor oder Fluor sind schon durch [[Ultraviolettstrahlung]] entzündbar (siehe ''[[Chlorknallgas]]''). Außer der nach [[Global harmonisiertes System zur Einstufung und Kennzeichnung von Chemikalien|GHS]] vorgeschriebenen Kennzeichnung (siehe Info-Box) müssen H<sub>2</sub>-Druck[[gasflasche]]n nach DIN&nbsp;EN&nbsp;1089-3 mit roter Flaschenschulter und rotem Flaschenkörper versehen sein.

Wasserstoff ist nicht als gesundheitsschädlich oder umweltgefährdend eingestuft. Daher ist kein [[Arbeitsplatzgrenzwert|AGW]]-Wert festgelegt. Atem- oder Hautschutz sind nicht erforderlich. Erst wenn hohe Konzentrationen eingeatmet werden, können durch den Mangel an Sauerstoff ab etwa 30 Vol.-% Bewegungsstörungen, [[Bewusstlosigkeit]] und Ersticken auftreten.<ref>Helmut Eichlseder, Manfred Klell: ''Wasserstoff in der Fahrzeugtechnik.'' 2010, ISBN 978-3-8348-0478-5.</ref> Durch rasch austretendes Gas können bei Kontakt mit der Haut Kälteverbrennungen auftreten.

Gemische aus Luft mit einem Volumenanteil von 4 % bis 76 % Wasserstoff sind entzündbar. Ab einem Volumenanteil von 18 % in Luft ist das Gemisch explosiv ([[Knallgas]]). Aufgrund der hohen Diffusionsneigung und der geringen Dichte verflüchtigt sich Wasserstoff in offener Umgebung häufig, bevor es zur Bildung eines explosiven Gemischs kommt, oder brennt in heißen Umgebungen beim Erreichen der Konzentrationsgrenze von 4 % ab. Die Zündtemperatur in Luft beträgt 560&nbsp;°C. Bei der Handhabung ist der Wasserstoff von Zündquellen, dazu gehören elektrostatische Entladungen, fernzuhalten. Die Lagerung der Behälter sollte fern von oxidierenden Gasen (Sauerstoff, Chlor) und anderen oxidierenden (brandfördernden) Stoffen erfolgen.

Wasserstoff kann wegen seiner geringen Größe durch viele Feststoffe hindurchdiffundieren, das heißt, Gas kann langsam durch ungeeignete Materialien austreten. Die für Gastanks und Leitungen verwendeten Materialien und &#x2011;stärken berücksichtigen dies, sodass keine größeren Risiken bestehen als z.&nbsp;B. bei der Verwendung von Benzin.<ref>{{Internetquelle |url=https://www.wissenschaft.de/technik-digitales/spektakulaerer-test-zeigt-wasserstoff-im-auto-muss-nicht-gefaehrlicher-sein-als-benzin/ |titel=Spektakulärer Test zeigt: Wasserstoff im Auto muss nicht gefährlicher sein als Benzin |werk=wissenschaft.de |datum=2003-02-03 |abruf=2019-09-08}}</ref><ref>{{Webarchiv |url=http://www.hycar.de/sicherheit.htm |text=Sicherheitsaspekte bei der Verwendung von Wasserstoff |wayback=20120306012509}} Quelle: Hycar.</ref><ref>{{YouTube |id=lspiRxx1B9o |titel=Crashversuch der University of Miami}}</ref> Wasserstofffahrzeuge mit Drucktanks können problemlos in Parkhäusern und Tiefgaragen geparkt werden. Es existiert keine gesetzliche Bestimmung, die das einschränkt (''siehe dazu'': [[Wasserstoffspeicherung]]).

== 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.

== Verbindungen ==
Wasserstoff geht mit den meisten chemischen Elementen Verbindungen mit der allgemeinen [[Summenformel]] EH<sub>''n''</sub> (''n''&nbsp;=&nbsp;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).
Die Folgende Abbildung bietet eine Übersicht über wichtige Grundreaktionen des Wasserstoffs. Auf genaue Reaktionsbedingungen und Stöchiometrie ist hier nicht geachtet.

[[Datei:The basic reactions of hydrogen.svg|hochkant=3|zentriert]]

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>\frac{1}{x}\ \mathrm{E}_x + \frac{n}{2}\ \mathrm{H}_2\ \rightleftarrows\ \mathrm{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}_n\mathrm{E} + n\ \mathrm{HA}\ \rightleftarrows\ n\ \mathrm{MA} + \mathrm{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\ \mathrm{H}^-\ \rightleftarrows\ n\ \mathrm{Hal}^- + \mathrm{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. Minerale, 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&nbsp;°C selten mehr als einen [[Stoffmengenanteil]] von 10 % 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&nbsp;°C 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:Wasserstoffoxide.svg|mini|Schematische Darstellung verschiedener Wasserstoffoxide. Die Atomradien sind maßstabsgetreu.]]

Die kovalenten Wasserstoffverbindungen der Elemente der IV. bis VII. Hauptgruppe des Periodensystems sowie Borwasserstoffe sind Säuren nach der Definition von [[Johannes Nicolaus Brønsted]], geben also Protonen an andere Verbindungen ab.

: <math>\mathrm{EH}_n\ \rightleftarrows\ \mathrm{EH}^-_{n-1} + \mathrm{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 + \mathrm{H}^+\ \rightleftarrows\ \mathrm{EH}^+_{n+1}</math>

Ursache für die [[Acidität]] oder [[Basizität]] einer wässrigen Lösung ist die [[Stoffmengenkonzentration]] an Protonen (H<sup>+</sup>-Ionen). Den negativen dekadischen [[Logarithmus]] dieser Konzentration nennt man [[pH-Wert]]. Zum Beispiel 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.

== Siehe auch ==
* [[Liste der Wasserstofftechnologien]]
* [[Natürlicher Wasserstoff]]

== Literatur ==
'''Chemie'''
* [[Erwin Riedel]]: ''Anorganische Chemie''. de Gruyter, Berlin 2002, ISBN 3-11-017439-1.
* {{Holleman-Wiberg |Auflage=102 |Startseite=259 |Endseite=296}}
* [[Harry H. Binder]]: ''Lexikon der chemischen Elemente – das Periodensystem in Fakten, Zahlen und Daten.'' S. Hirzel Verlag, Stuttgart 1999, ISBN 3-7776-0736-3.

'''Technik'''
* Peter Kurzweil: ''Brennstoffzellentechnik.'' 1. Auflage. Vieweg Verlag, Wiesbaden 2003, ISBN 3-528-03965-5.
* Udo Schelling: ''Brennstoffzellen.'' In: Richard Zahoransky (Hrsg.): ''Energietechnik.'' 5., überarb. u. erw. Auflage. Vieweg+Teubner Verlag, Wiesbaden 2010, ISBN 978-3-8348-1207-0, S. 203ff.
* Helmut Eichlseder, Manfred Klell: ''Wasserstoff in der Fahrzeugtechnik.'' 1. Auflage. Vieweg+Teubner Verlag, Wiesbaden 2008, ISBN 978-3-8348-0478-5.
* 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 ==
{{Commonscat|Hydrogen|Wasserstoff}}
{{Wiktionary}}
{{Wikibooks|Wikijunior Die Elemente/ Elemente/ Wasserstoff}}
* {{DNB-Portal|4064784-5}}
* {{dmoz|World/Deutsch/Wissenschaft/Ingenieurwissenschaften/Energie/Wasserstoff/|Wasserstoff}}
* [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&nbsp;kV, 18&nbsp;mA und einer Frequenz von 35&nbsp;kHz.

== Einzelnachweise ==
<references responsive />

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{{Exzellent|7. Dezember 2005|11403698}}
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[[Kategorie:Wasserstoff| ]]
[[Kategorie:Kraftstoff]]
[[Kategorie:Brenngas]]
[[Kategorie:Wasserstofftechnik|!Wasserstoff]]
[[Kategorie:Kühlmittel]]
[[Kategorie:Lebensmittelzusatzstoff (EU)]]