Wissen


Wissen…

Atomar

Wasserstoff hat das einfachste Atom, weil sein Kern aus nur einem Proton besteht. (Mit „Wasserstoff“ ist hier stets nur das stabile Nuklid 1H gemeint, gelegentlich auch „Protium“ genannt. Deuterium (2H) und Tritium (3H) können mengenmäßig vernachlässigt werden.) Wegnahme des einen Elektrons lässt den nackten Kern (Proton) übrig, mit entsprechenden Konsequenzen für die Beweglichkeit des Ions, und auch Hinzufügen von einem führt bereits zu einer abgeschlossenen Elektronenschale oder Edelgasschale (Helium). Die Einfachheit des Wasserstoffatoms hat es zum bevorzugten Untersuchungsobjekt für Forscher aller Disziplinen gemacht; das gilt auch für das Molekül.

Molekular

Freier Wasserstoff kommt so gut wie immer molekular vor. Das Wasserstoffmolekül (H2) hat wegen seines linearen Baus 5 Freiheitsgrade und ist das kleinste von allen. Daher dringt Wasserstoff leicht durch Lecks hindurch und hat auch einen hohen Diffusionskoeffizienten. Da im Wasserstoffmolekül zwei gleiche Kerne vorkommen, unterliegt es der Bose-Statistik. Wenn man flüssigen Wasserstoff an der Kristallisation hindert, findet man bei etwa 0,15 K Anzeichen für Superfluidität.

Physikalisch

Wasserstoff ist unter Normalbedingungen ein Gas, das sehr viel leichter ist als Luft und auch leichter als alle anderen Gase. Es weist weder Farbe noch Geruch noch Geschmack auf. Wasserstoffgas kommt in seinen Eigenschaften einem idealen Gas sehr nahe. Schallgeschwindigkeit und Wärmekapazität sind höher als bei anderen Gasen. Unter Normaldruck wird es bei 20,3 K flüssig (nur Helium siedet noch tiefer) und hat seinen Tripelpunkt bei 13 K.

Chemisch

Wertigkeit gewöhnlich +1, selten -1. Wasserstoff ist brennbar; allerdings strahlt die Flamme hauptsächlich im nahen UV und ist bei Tageslicht so gut wie unsichtbar. Wasserstoff bildet mit Luft oder anderen oxidierenden Gasen (auch mit Chlor) explosionsfähige Gemische. Bitte beachten: Wasserstoff selbst ist nicht explosiv, nur das Gemisch mit Luft in geeigneten Konzentrationen! Auch mit anderen Nichtmetallen, z. B. Schwefel, reagiert er exotherm. Mit Alkali- und Erdalkalimetallen bildet er Hydride. Freier Wasserstoff ist aber wegen seiner chemischen Aktivität in der Natur sehr selten, außer in den höheren Schichten der Atmosphäre. In der bodennahen Luft ist er nur in Spuren vorhanden. Fast immer tritt er in Verbindungen wie Wasser, Säuren oder organischen Stoffen sowie einigen Mineralien auf. Seine Ionisierungsenergie ist mit 13,5 eV ungewöhnlich hoch.

Geologie und Kosmologie

Wasserstoff war das erste Element im Universum und ist bis heute mit 75 % das häufigste. Auch die großen Planeten wie Jupiter und Saturn bestehen überwiegend aus Wasserstoff oder wasserstoffreichen Verbindungen (Methan). In der Erdkruste bis 16 km Tiefe ist Wasserstoff auf die Masse bezogen mit 0,9 % das neunthäufigste Element, auf die Zahl der Atome bezogen mit 15,4 % das dritthäufigste. Aus der Erdatmosphäre hat sich Wasserstoff wegen seiner geringen Dichte schon lange abgesetzt und kommt bei uns fast nur chemisch gebunden vor (Wasser, organische Stoffe).

Physiologisch

Wasserstoff ist physiologisch unbedenklich, wenn man davon absieht, dass er die Atmung nicht unterstützt. Der Kontakt mit tiefkaltem Wasserstoff oder mit durch ihn oder durch kaltes Gas abgekühlten Gegenständen (Rohrleitungen) führt zu verbrennungsartigen Reaktionen der Haut.

Wirtschaftlich

Wasserstoff ist ein wichtiger Grundstoff der Chemieindustrie für alle möglichen Prozesse. Eine große und immer noch größer werdende Rolle spielt er in der Petrochemie, zum Beispiel zur Herstellung von schadstoffverminderten Treibstoffen („reformulated fuels“). Auch in der Lebensmittelchemie wird er zur Fetthärtung verwendet (Margarine, Süßigkeiten). Energetische Anwendungen sind zur Zeit wirtschaftlich unbedeutend. (Weitere Informationen im Hyweb unter „Wissen“.)

Historisch

Anfang des 16. Jahrhunderts soll Paracelsus bei Versuchen mit Metallen und Säuren ein brennbares Gas gewonnen haben, das nach Lage der Dinge eigentlich nur Wasserstoff gewesen sein kann. Auch Robert Boyle berichtete im 17. Jahrhundert darüber. Als Element wurde er 1769 durch Cavendish erkannt. Der in vielen Sprachen so oder ähnlich übliche Name „Hydrogenium“ (griechisch, wörtlich: „Wassermacher“) stammt von Lavoisier.

Wegen seiner geringen Dichte wurde das Gas bald als Auftriebsmittel benutzt. Am 1. Dezember 1783, nur 10 Tage nach dem Heißluftballon der Brüder Montgolfier, startete in Paris der erste bemannte Wasserstoffballon mit Jacques Alexander Charles. 1785 überquerte Jean-Pierre-François Blanchard mit einem solchen Gefährt erstmals den Ärmelkanal und führte dabei auch die erste Luftpost der Geschichte mit. Spätestens 1793 hatte das französische Revolutionsheer Balloneinheiten zu Aufklärungszwecken; sie sollen entscheidend zu seinem Sieg bei Fleurus in jenem Jahr beigetragen haben. Auch im amerikanischen Bürgerkrieg wurden solche Ballons eingesetzt. Dort wurde der Graf Zeppelin auf diese Technik aufmerksam; die übrige Geschichte dürfte bekannt sein. Die auf ihn zurückgehenden Luftschiffe sind bis heute die größten Objekte, die der Mensch je in die Luft gebracht hat. (Bis jetzt – demnächst sollen noch größere Luftschiffe gebaut werden. Sie werden unter anderem deshalb so groß sein, weil sie mit Helium fliegen, das einen geringeren Auftrieb hat.) Heute ist die Zahl der Gasballons gegenüber der der Heißluftballons vernachlässigbar.

Die erste Verflüssigung von Wasserstoff gelang 1898 James Dewar in London. Danach war Wasserstoff etwa ein halbes Jahrhundert lang das Arbeitspferd für die Erzeugung tiefer Temperaturen für Forschungszwecke.

Bis etwa 1980 verwendeten ihn Kern- und Elementarteilchenforscher als Füllung für Blasenkammern (Detektoren). Geladene Teilchen hinterließen beim Durchgang eine Spur, die man fotografieren und auswerten konnte.

Und schließlich wäre die Raumfahrt ohne Wasserstoff nicht möglich.

Politisch

Unter den großen Industriestaaten haben die USA, Japan und Korea staatlich geförderte Wasserstoffprogramme. Die EU hatte 2008 eine Joint Technology Initiative ins Leben gerufen, das FCH JU (Fuel Cell & Hydrogen Joint Undertaking). In der Bundesrepublik Deutschland wird das Thema im Nationalen Innovationsprogramm Wasserstoff und Brennstoffzellen (NOW) gefördert. Auch eine ganze Reihe deutscher Länder fördern das Gebiet beispielhaft. Seit den 2010er Jahren erfahren Wasserstoff und Brennstoffzellen auch in Frankreich, Dänemark und dem UK verstärkt staatliche Förderung.

…und Unwissen

Wasserstoff ist nicht ...

  • explosiv ( siehe unten )
  • zerfallsfähig (wie Acetylen)
  • oxidierend („brandfördernd“, wie Sauerstoff oder Chlor)
  • giftig
  • radioaktiv
  • übelriechend
  • ansteckend
  • ätzend
  • wassergefährdend
  • krebserregend
  • fruchtschädigend
  • usw. usw. usw.

(Allerdings wollen wir nicht verschweigen, dass die Beschäftigung mit der Wasserstofftechnologie unter besonders ungünstigen Umständen geradezu Sucht erzeugend wirken kann. Besonders nachteilig wirkt sich hierbei die Mitgliedschaft im Deutschen Wasserstoff- und Brennstoffzellen-Verband aus. Fragen Sie mal ein DWV-Mitglied!)

Wasserstoff ist explosiv!! (... oder?)

Unwahr – nur seine Gemische mit Sauerstoff oder anderen oxidierenden Gasen (Chlor) in geeigneten Konzentrationen und bei ausreichender Zündenergie können explodieren. Das Molekül an sich ist stabil. Damit unterscheidet sich Wasserstoff zum Beispiel vorteilhaft von einem verbreiteten Brenngas wie Acetylen, das auch ohne Sauerstoff zerfallsfähig ist, oder von Sprengstoffen, die den Sauerstoff im Molekül haben. Wasserstoff ist, wie die meisten anderen brennbaren Gase, als Sprengstoff völlig ungeeignet. Selbst massive Energiezufuhr bewirkt keine Reaktion, so lange kein Sauerstoff anwesend ist. Da dies in einem Wasserstoffbehälter in der Regel nicht der Fall ist, sind sie grundsätzlich sicherer als Benzin- oder Heizöltanks, in denen die verbrauchte Flüssigkeit durch Luft ersetzt wird. (Der katastrophale Absturz eines TWA-Jumbos im Sommer 1997 vor der Ostküste der USA wurde durch die Explosion eines Kerosindampf/Luft-Gemischs im Haupttank herbeigeführt.)

Wasserstoff explodiert beim scharfen Hinsehen!! (... oder?)

Wasserstoff selbst explodiert gar nicht, siehe oben. Auch wenn die Mindestzündenergie von Wasserstoff/Luft-Gemischen geringer ist als für andere Gemische, ist die bloße Anwesenheit von Wasserstoff keine Garantie für eine Explosion, weil das zu dieser Mindestenergie gehörende nahezu stöchiometrische Gemisch in einer Unfallsituation recht selten auftreten dürfte. In der Nähe der Explosionsgrenzen sind die Zündenergien für Wasserstoff/Luft-Gemische etwa genauso hoch wie die anderer Gemische. Ohnehin geben die meisten gängigen Zündquellen (elektrische oder Schlagfunken) Energien ab, mit denen man auch alle anderen Gemische zünden kann.

Unser Lehrer hat uns in der Schule den Knallgasversuch vorgeführt - Junge, Junge!! (Kein oder!)

Unser Lehrer auch. Aber am Geräusch war nicht zu merken, ob er wirklich Wasserstoff oder nicht etwa Erdgas oder Propan im Ballon hatte. Außerdem musste er sich schon einige Mühe geben, um auch das richtige Gemisch herzustellen. „Knallgas“ ist nämlich das genau stöchiometrische Gemisch aus zwei Teilen Wasserstoff und einem Teil Sauerstoff, ohne Stickstoff oder andere inerte Gase. Bei einem eventuellen Störfall mit Wasserstoffaustritt kann es schon deswegen nicht entstehen, weil immer auch noch der Stickstoff der Luft anwesend ist. Die Zündung einer solchen freien Gemischwolke führt erfahrungsgemäß zu einem eher matten „Wumms“ mit vergleichsweise geringer Druckwelle.

Wasserstoff hat einen negativen Joule-Thomson-Koeffizienten!! (... oder?)

Das soll bedeuten: Im Gegensatz zu den meisten anderen Gasen kühlt er sich bei isenthalber Entspannung nicht ab, sondern wird wärmer. Das stimmt bei Temperaturen oberhalb etwa 200 K (Inversionstemperatur), aber eine Zünd- oder andere Gefahr ist damit nicht verbunden. Wenn Wasserstoff bei Raumtemperatur von 200 bar (Druck in einer gewöhnlichen vollen Gasflasche) in einem idealen Joule-Thomson-Prozess auf Atmosphärendruck entspannt wird, kann er sich um maximal 6 K erwärmen, womit offensichtlich keine Zündgefahr verbunden ist. Da es aber in der Praxis keine idealen Prozesse gibt, wird auch dieser Wert kaum je erreicht werden. Bei Temperaturen unterhalb der Inversionstemperatur (siehe oben) kühlt auch Wasserstoff sich im Joule-Thomson-Prozess ab, und bei adiabatischer Entspannung ohnehin.

Bei der Verbrennung von Wasserstoff entstehen Stickoxide!! (... oder?)

Das stimmt, aber es hat nichts mit dem Wasserstoff zu tun. Stickoxide entstehen bei jeder Verbrennung mit Luft, weil bei den hohen Flammentemperaturen von 2000 °C und mehr der Sauerstoff und der Stickstoff der Luft miteinander reagieren. Gerade beim Wasserstoff kann man dieses Problem aber wirksam bekämpfen: da die Bildungsrate der Stickoxide empfindlich von der Temperatur abhängt, da diese von der Konzentration des brennenden Gemischs abhängt und diese wiederum beim Wasserstoff über einen ungewöhnlich weiten Bereich verändert werden kann, lassen sich durch geeignete Wahl der Betriebszustände Emissionswerte erreichen, wie sie so niedrig bei der Verbrennung von Benzin oder Kerosin nicht einmal theoretisch möglich wären. Eher werden noch Schadstoffe aus der angesaugten Luft thermisch zersetzt. Ausspruch eines BMW -Entwicklers: „Aus unserem Motor geht die Luft manchmal sauberer hinaus als sie hereingekommen ist.“

Wasserstoff dringt durch alle möglichen und unmöglichen Lecks!! (... oder?)

Da das Wasserstoffmolekül so klein ist, tritt in der Tat durch ein eventuelles Leck mehr Wasserstoff durch als zum Beispiel Luft, Propan oder Erdgas. Nichtsdestoweniger ist der technisch dichte Einschluss von Wasserstoff seit einem Jahrhundert Stand der Technik. Hätten wir sonst jahrzehntelang in allen Straßen und Häusern Leitungen für Stadtgas gehabt, das etwa zur Hälfte aus Wasserstoff bestand? Selbst in Salzkavernen kann Wasserstoff sehr dicht aufbewahrt werden mit Verlustraten von weniger als 0,02 %-vol.

Wasserstoff diffundiert durch Metallwände und überhaupt alles!! (... oder?)

Da das Wasserstoffmolekül so klein ist, hat das Gas tatsächlich eine hohe Neigung zur Diffusion, auch in Festkörpern. Für metallische Umschließungen (Gasflaschen) ist das allerdings ein Effekt von rein akademischem Interesse. Bis sich eine nennenswerte Menge Gas draußen ansammeln kann, dürften mehrere Jahrtausende vergehen. Auch bei Behältern aus faserverstärktem Polymerwerkstoff sind die Raten so klein, dass keine Zündgefahr auftreten kann. Hier kann allerdings über längere Zeit (Monate, Jahre) hinweg ein durchaus merklicher Gasverlust eintreten.

Vom Wasserstoff werden alle Werkstoffe spröde!! (oder?)

Versprödung kann mehrere Gründe haben: Alle Werkstoffe verlieren Elastizität, wenn man sie abkühlt (egal womit). Für den Umgang mit tiefen Temperaturen müssen daher Materialien ausgewählt werden, die unter diesen Bedingungen noch eine gewisse Elastizität aufweisen. Das gilt auch für Behälter für flüssigen Wasserstoff, ist aber nicht wasserstoffspezifisch.

Davon völlig verschieden ist die sogenannte “ Wasserstoffversprödung „, ein Phänomen, das nur bei Metallen auftritt, und längst nicht bei allen. Man versteht darunter, dass der atomare Wasserstoff (wie er außer durch Aufspaltung von H2 noch mehr durch Dissoziation von Gasen wie H2S, HCl, HCN entsteht) den Zusammenhalt des Metallgitters schwächt (Dekohäsion) und etwa vorhandene Anrisse schneller wachsen lässt. Anders gesagt: Der Wasserstoff beschleunigt bei diesen Metallen die Spannungsrisskorrosion. Anfällig sind vorwiegend Metalle mit einem kubisch-raumzentrierten Gitter (etwa ferritische Stähle), wogegen Metalle mit einem kubisch-flächenzentrierten Gitter (austenitische Stähle, Aluminiumlegierungen, Nickel) nicht nennenswert angegriffen werden. Auch die Werkstoffe der zuerst genannten Gruppe können verwendet werden, wenn man durch geeignete Gestaltung der Werkstücke die darin auftretenden Spannungen unterhalb einer bestimmten Schwelle hält und wenn man durch Oberflächenbeschichtung usw. das Auftreten von Anrissen unterdrückt.

Welche Rolle spielt Wasserstoff bei Unfällen in der Nukleartechnik?

Wasserstoffenergie und Nuklearenergie haben normalerweise nichts miteinander zu tun. Allerdings bestehen die Umhüllungen von Brennstäben in Spaltkraftwerken aus einer Zirkoniumlegierung („Zirkalloy“), die unter den Bedingungen eines Störfalls durch eine chemische Reaktion mit Wasser Wasserstoff freisetzt. Bei den Druck- und Temperaturverhältnissen im Containment eines Kernkraftwerks im gestörten Betriebszustand ist eine Selbstzündung nicht ausgeschlossen, und diese könnte wegen der dort gegebenen Verdämmung sogar zu einer Detonation führen. Der Störfall von Harrisburg hätte das Ausmaß von Tschernobyl annehmen können, wenn der angesammelte Wasserstoff detoniert wäre. Ob ein Containment so etwas aushält, ist keineswegs gesichert. (Die Explosionsn in Fukushima ereigneten sich außerhalb des Containments.) Daher steht die Untersuchung von Verbrennungs- und Explosionsvorgängen aller Art und verwandter Phänomene bei Wasserstoff immer auf einem wichtigen Platz in Forschungsprogrammen zur Reaktorsicherheit. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse haben viel zu dem hohen Stand der Wasserstoff-Sicherheitstechnik beigetragen.

Die "Hindenburg" ist 1937 explodiert, weil sie Wasserstoff an Bord hatte!! (... oder?)

Das stimmt zwar nicht, aber diese Legende ist nicht tot zu kriegen. Selbst das höchst angesehene Smithsonian Air & Space Museum in Washington hat erst kürzlich seine Exponate auf den heute bekannten Tatsachenstand gebracht (nicht zuletzt auf Initiative des DWV und der NHA , unserer Partnerorganisation in den USA). Tatsache ist: Sie ist nicht explodiert, und es lag nicht am Wasserstoff. Siehe auch:  Truth_about_Hindenburg

Wie war das mit der Raumfähre "Challenger" 1986?

Diese Explosion, die sieben Astronauten das Leben kostete, ging von einer defekten Dichtung zwischen zwei Segmenten einer Hilfsrakete mit Festtreibstoff aus. Der dort verwendete O-Ring war für die winterlichen Temperaturen, bei denen dieser Start stattfand, nicht geeignet. Eine aus der Rakete seitlich austretende Stichflamme beschädigte nach einer Weile den Haupttank und seine Leitungen. Das führte zum Leck und zur Explosion. Der Hergang wäre genau der gleiche gewesen, wenn sich im Tank statt Wasserstoff ein anderer Treibstoff befunden hätte.

Und die Wasserstoffbombe?

Diese in der Tat nicht ungefährliche Vorrichtung beruht auf einem nuklearen Prozess (Kernfusion), wogegen alle hier behandelten Verfahren zur Energiegewinnung aus Wasserstoff auf chemischen Vorgängen (in der Elektronenhülle) beruhen. Die Frage, ob die „zahme Wasserstoffbombe“, also die kontrollierte Kernfusion, einmal eine technische beherrschbare und wirtschaftlich nutzbringende Energiequelle sein kann, liegt außerhalb des Arbeitsgebiets des DWV.

Wieso eigentlich "wasserstoffblond"?

Weil die begehrte blonde Haarfarbe früher oft durch die Anwendung von Wasserstoffperoxid (H2O2, seinerzeit auch „Wasserstoffsuperoxid“ genannt) als Bleichmittel erzielt wurde. Davon ist man heute weitgehend abgekommen, weil die Methode zu rabiat zu den Haaren war. Es kam vor, dass Kundinnen hinterher gar keine mehr hatten.