Chemie-Wissen / Wasserstoff

Das Element Wasserstoff

Wasserstoff – Element im PSE

Wasserstoff ist ein chemisches Element im Periodensystem der Elemente (PSE). Es hat die Ordnungszahl 1 und das Elementsymbol H.

Wasserstoff steht an der ersten Position des Periodensystems und nimmt eine Sonderstellung ein. Das Element zählt nämlich nicht zur Gruppe der Alkalimetalle (im PSE direkt unter Wasserstoff angeordnet), sondern definiert sich als klassisches Nichtmetall.

Wasserstoff – Eigenschaften & Co.

Wasserstoff ist das leichteste chemische Element, dessen häufigstes Isotop (Protium) nur aus einem Proton und einem Elektron besteht. Unter normalen Bedingungen kommt Wasserstoff nicht in atomarer Form vor, sondern liegt als dimerisiertes Molekül H₂ vor – ein farb- und geruchloses Gas.

Bei einer Abkühlung auf -253 °C verflüssigt sich Wasserstoff, und bei weiterer Runterkühlung auf -259 °C geht er in einen festen Aggregatzustand über. Mit einer Dichte von 84 g/m³ bei 15 °C und 1 bar ist Wasserstoff das leichteste aller Gase. Seine Atommasse liegt bei 1,00784 u.

In reiner Form ist Wasserstoff weder brennbar noch explosiv. Er wird jedoch in Verbindung mit Sauerstoff entzündlich.

Wasserstoff im Periodensystem der ElementeWasserstoff im PSE

Entdeckung von Wasserstoff

Wasserstoff wurde 1766 vom englischen Chemiker Henry Cavendish entdeckt, als er mit Metallen und Säuren experimentierte. Dabei beobachtete er die Bildung eines brennbaren Gases, welches er wegen seiner Eigenschaften „inflammable air“ (brennbare Luft) nannte.

Der Name Wasserstoff selbst stammt vom französischen Chemiker Antoine Laurent de Lavoisier, der 1783 eine wichtige Entdeckung machte: Bei einer chemischen Reaktion stellte er fest, dass sich aus dem Gas durch Verbrennung Wasser erzeugen lässt. Dieser Vorgang wird heute als Knallgasprobe bezeichnet.

Nach der Entdeckung von Sauerstoff erkannte man das große Potenzial von Wasserstoff und nutzte ihn vor allem als Traggas für Ballone und Zeppeline. Doch aufgrund seiner hohen Entzündlichkeit und Explosionsgefahr wurde er später durch das sicherere, nicht brennbare Helium ersetzt.

Wasserstoff – Vorkommen & Herstellung

Vorkommen von Wasserstoff

Wasserstoff ist das häufigste chemische Element im Universum. Er ist ein wesentlicher Bestandteil von Wasser und nahezu allen organischen Verbindungen.

Auch unsere Sonne besteht hauptsächlich aus Wasserstoff. Im Inneren der Sonne herrschen hohe Temperaturen und Druckverhältnisse, unter welchen Wasserstoffatome miteinander verschmelzen und Helium bilden. Diese Kernfusion setzt enorme Mengen an Energie frei, die anschließend als Licht und Wärme auf die Erde strahlen. Die Sonne funktioniert also wie ein riesiger Kernfusionsreaktor, in dem der Wasserstoffvorrat nach und nach verbrannt wird. Laut Schätzungen des Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) dürfte dieser Vorrat der Sonne noch für rund 5 Milliarden Jahre ausreichen.

Damit ist Wasserstoff nicht nur der Ursprung des Lebens auf der Erde, sondern auch die treibende Kraft hinter der Energieversorgung unseres Sonnensystems.

Herstellung von Wasserstoff

Neben seinem natürlichen Vorkommen wird Wasserstoff auch hergestellt. Der weitaus größte Teil wird heute aus Erdgas gewonnen, ist also fossilen Ursprungs. Um Wasserstoff CO2-arm herzustellen, will man ihn künftig mithilfe von Strom aus Wasser, zum Beispiel durch Elektrolyse, produzieren.

Wasserstoff – Verwendung

Wasserstoff verbrennt mit Sauerstoff oder Luft zu Wasser. Diese Eigenschaft bestimmt die weitaus meisten Anwendungszwecke, wobei die technischen Ziele sehr unterschiedlich sein können. 

Wasserstoff wird in großen Mengen für Industrieprozesse genutzt:

  • In der Raumfahrt dient Wasserstoff als Antriebsbrennstoff und zur Stromerzeugung an Bord.
  • In der Metallindustrie sorgt Wasserstoff in Wärmebehandlungsöfen für glänzende Oberflächen bei Stahl. Zudem wird er zum schnellen Abkühlen von Werkstücken, in der Herstellung ultrafeiner Metallpulver, sowie beim Plasmaschweißen und -schneiden eingesetzt.
  • Ein bedeutendes Anwendungsgebiet ist die Herstellung von Ammoniak, der als wichtiger Bestandteil von Düngemitteln in der Landwirtschaft verwendet wird.
  • Auch in der Halbleiterindustrie ist Wasserstoff unverzichtbar. Er wird bei Abscheidungsprozessen eingesetzt, unter anderem in der Solarindustrie, der Lichttechnik für Leuchtmittel sowie der Produktion von Lichtwellenleitern.
  • In der Lebensmittelindustrie dient Wasserstoff zur Herstellung von Zuckerersatzstoffen und gehärteten Fetten, die beispielsweise Tiefkühlprodukte nach dem Auftauen stabil halten.
  • Wasserstoff wird zudem zur Reinigung von Abwasser verwendet.
  • In der Glasindustrie trägt Wasserstoff dazu bei, beim Schmelzen weniger Emissionen zu erzeugen und ein klareres Glas herzustellen.
  • Auch in der Pharmazie und Biotechnologie ist Wasserstoff von Bedeutung. Er wird zur Zellkonservierung sowie in der Labor- und Analysetechnik eingesetzt.
  • In Form von Wasserstoffperoxid dient er zudem als medizinisches Sterilisationsmittel.

Diese vielfältigen Einsatzmöglichkeiten verdeutlichen, dass Wasserstoff weit über seinen Nutzen als Energieträger hinaus eine entscheidende Rolle in der modernen Industrie spielt.

Wasserstoff als Energieträger

Wasserstoff ist ein vielseitiger Energieträger, welcher großes Potenzial für die Energiewende darstellt. Vor allem für die Speicherung von erneuerbaren Energien, der CO2 – Reduktion und der Dekarbonisierung der Industrie bietet Wasserstoff vielseitige, umweltfreundliche Chancen. Mit diesen Chancen gehen jedoch auch zahlreiche Herausforderungen bei der Gewinnung von Energie aus Wasserstoff einher – insbesondere in Bezug auf Sicherheit, Infrastruktur und eine nachhaltige Herstellung.

Risiken bei der Herstellung von Wasserstoff

Wasserstoff kann durch zwei unterschiedliche Verfahren erzeugt werden: der Elektrolyse von Wasser und der Dampfreformierung von Methan.

Bei der Elektrolyse müssen Hochspannungsanlagen verwendet werden, wodurch es zu einem hohen Risiko von Stromschlagen kommt. Außerdem ist Wasserstoff in bestimmten Verhältnissen in Kombination mit Luft sehr explosiv, weshalb bei der Herstellung stets auf die richtige Belüftung geachtet werden muss.

Bei der Dampfreformierung stellen die Farb- und Geruchslosigkeit von Wasserstoff eine große Herausforderung dar, da sich die Erkennung von Gaslecks als sehr schwierig gestaltet. Dies erhöht die Gefahr von Explosionen und Bränden bei der Herstellung.

Herausforderung beim Transport und Speicherung von Wasserstoff

Da Wasserstoff zur Versprödung von Metallen führen kann und diese so brüchig werden können, sind bestehende Erdgasleitungen für den Transport von Wasserstoff eigentlich nicht geeignet. Damit keine eigne Infrastruktur für den Transport aufgebaut werden muss, ist es notwendig, spezielle Materialien zu nutzen und häufige Kontrollen bezüglich Gaslecks durchzuführen, damit eine Versprödung verhindert werden kann.
Auch bei der Speicherung von Wasserstoff treten, durch seine besonderen Eigenschaften, Herausforderungen auf. Durch die geringe Schmelz- und Siedetemperatur von -259 °C und -252 °C erfordert die Lagerung von Flüssigwasserstoff eine extreme Kühlung.

Die Herstellung, der Transport und die Lagerung von Wasserstoff sind also grundlegend durchführbar, bringen aber eine große Sorgfalt und viel Arbeit mit sich. Auch die Integration von Wasserstoff in die Infrastruktur gestaltet sich aktuell noch schwierig, da neue Tankstellen gebaut und Pipelines angepasst werden müssen.

Dennoch ist die Energiegewinnung aus Wasserstoff ein Hoffnungsträger für unsere Umwelt. Mit gezielten Investitionen, technologischen Fortschritten und einer konsequenten Förderung erneuerbarer Energien kann das Gas in Zukunft eine Schlüsselrolle in einer nachhaltigen und klimafreundlichen Energieversorgung spielen.