Eigenschaften und Vorkommen von Wasserstoff einfach erklärt

Wenn du an einem warmen Sommertag die Hitze der Sonne auf deiner Haut spürst, fühlst du eigentlich die unglaubliche Kraft von Wasserstoff. Die Sonne ist nämlich ein gigantischer Ball, der fast vollständig aus diesem einen Stoff besteht!

Wasserstoff ist das extremste Element, das wir kennen: Es ist das leichteste, das häufigste im Universum und gleichzeitig ein Stoff, der uns in Zukunft als sauberer Energieträger antreiben könnte. In diesem Artikel schauen wir uns die Eigenschaften und Vorkommen von Wasserstoff genauer an und finden heraus, was ihn so besonders macht und wie er sich verhält, wenn er auf Feuer trifft.

Vorwissen

• Elemente vs. Verbindungen: Ein Element ist ein reiner Stoff, der nur aus einer Atomart besteht. Eine Verbindung besteht aus verschiedenen, chemisch aneinander gebundenen Elementen.

  Beispiel: Sauerstoff ist ein Element, Wasser ist eine Verbindung aus Wasserstoff und Sauerstoff.

• Dichte: Gibt an, wie schwer ein Stoff im Verhältnis zu seiner Größe (seinem Volumen) ist.

  Beispiel: Ein Liter Luft ist viel leichter als ein Liter Wasser, weil Luft eine geringere Dichte hat.

• Bedingungen für ein Feuer: Damit etwas brennen kann, wird immer Sauerstoff benötigt.

Aufgabentyp 1: Vorkommen und physikalische Eigenschaften

Lass uns zunächst die Eigenschaften und Vorkommen von Wasserstoff im Universum und auf der Erde betrachten. Im gesamten Universum ist Wasserstoff der absolute Spitzenreiter: Er ist das am häufigsten vorkommende Element. Unsere Sonne besteht zu $75 \text{ \%}$ aus Wasserstoff. Dort verschmelzen die Wasserstoffteilchen miteinander und setzen dabei riesige Mengen an Energie frei.

Auf unserer Erde sieht das jedoch anders aus. Reiner Wasserstoff ist hier extrem selten. Er kommt fast ausschließlich versteckt in chemischen Verbindungen vor, am häufigsten gebunden im Wasser.

Wenn wir reinen Wasserstoff im Labor betrachten, hat er folgende physikalische Eigenschaften:

• Aussehen und Geruch: Bei Raumtemperatur ($20 \text{ °C}$) ist Wasserstoff ein völlig unsichtbares, farbloses, geruchloses und geschmackloses Gas.

• Extreme Temperaturen: Er wird erst bei unvorstellbar kalten $-253 \text{ °C}$ flüssig (Siedepunkt) und gefriert bei $-259 \text{ °C}$ zu einem Feststoff (Schmelzpunkt).

• Die Dichte: Wasserstoff hat die geringste Dichte aller bekannten Stoffe. Er ist etwa 14-mal leichter als Luft!

Weil Wasserstoff so extrem leicht ist und als Gas sehr viel Platz wegnimmt, ist die Lagerung gar nicht so einfach. Er löst sich auch kaum in Wasser. Um ihn zu transportieren, muss man ihn entweder unter sehr hohem Druck in dicke Druckgasflaschen pressen oder ihn extrem abkühlen, bis er flüssig wird, und in speziellen vakuumisolierten Tanks aufbewahren.

Aufgabentyp 2: Reaktion mit Feuer

Ein wichtiger Aspekt bei den Eigenschaften von Wasserstoff ist seine Brennbarkeit. Chemisch gesehen ist Wasserstoff ein sehr reaktionsfreudiges Gas. Wenn man ihn anzündet, ist er leicht entzündlich und verbrennt mit einer typischen, blassblauen Flamme.

Bei dieser Verbrennung reagiert der Wasserstoff mit dem Sauerstoff aus der Luft. Das Erstaunliche daran ist das Produkt, das dabei entsteht: Es bildet sich reines Wasser!

$\text{Wasserstoff} + \text{Sauerstoff} \to \text{Wasser}$

Da Wasserstoff so nützlich ist, wird er in der Industrie in großen Mengen hergestellt. Das passiert meistens durch die sogenannte Elektrolyse. Dabei wird Wasser mithilfe von elektrischem Strom wieder in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten.

Ein wichtiger Unterschied: Obwohl Wasserstoff selbst hervorragend brennt, unterhält er die Verbrennung anderer Stoffe nicht. Das bedeutet: Ein anderes Feuer braucht zwingend Sauerstoff zum Überleben. In einer Umgebung, die nur aus reinem Wasserstoff besteht, würde ein brennender Gegenstand sofort ersticken. Wie das genau aussieht, schauen wir uns im folgenden Experiment an.

Aufgabentyp 3: Experiment – Die brennende Kerze im Wasserstoff

Um die Eigenschaften und Vorkommen von Wasserstoff in der Praxis zu verstehen, hilft dieses klassische Experiment.

Schritt-für-Schritt-Anleitung

1. Halte den Glaszylinder mit Wasserstoff mit der Öffnung nach unten.
2. Führe die brennende Kerze zügig von unten ein.
3. Beobachte die Flamme am Rand und im Inneren des Zylinders.

Durchgerechnete Beispiele

Beispiel 1

Aufgabe

Wir wollen beweisen, dass Wasserstoff selbst brennt, aber die Verbrennung anderer Gegenstände nicht unterstützt. Ein dickwandiger Glaszylinder ist mit reinem Wasserstoffgas gefüllt, zudem haben wir eine brennende Kerze an einem langen Stab.

Lösung Schritt für Schritt

Fortschritt

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   Schritt 1
   Vorbereitung

   Der Glaszylinder mit dem Wasserstoff wird mit der Öffnung nach unten gehalten. (Erinnerung: Wasserstoff ist leichter als Luft und würde sofort nach oben entweichen, wenn man den Zylinder umdreht!).

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   Schritt 2
   Durchführung

   Die brennende Kerze wird zügig von unten in den umgedrehten Zylinder eingeführt.

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   Schritt 3 · Ergebnis
   Beobachtung

   Sobald die Kerze die Öffnung des Zylinders passiert, entzündet sich das Wasserstoffgas am Rand mit einer blassblauen Flamme. Schiebt man die Kerze jedoch weiter in das Innere des Zylinders, erlischt die Kerzenflamme sofort.

Ergebnis:

Am Rand der Öffnung trifft der Wasserstoff auf den Sauerstoff der Raumluft. Dort kann der Wasserstoff brennen (blassblaue Flamme). Tief im Inneren des Zylinders gibt es jedoch nur reinen Wasserstoff und keinen Sauerstoff. Da die Kerze zwingend Sauerstoff zum Brennen braucht, erstickt sie. Wasserstoff selbst brennt also, aber er ist nicht brandfördernd.

Wichtige Erkenntnisse

• Wasserstoff ist das häufigste Element im Universum, kommt auf der Erde aber fast nur in Verbindungen (wie Wasser) vor.
• Er ist ein farb-, geruch- und geschmackloses Gas mit extrem niedrigen Schmelz- und Siedepunkten.
• Wichtig: Wasserstoff hat die geringste Dichte aller Stoffe (14-mal leichter als Luft).
• Er ist leicht entzündlich (blassblaue Flamme) und reagiert mit Sauerstoff zu Wasser.
• Wasserstoff brennt selbst, aber er erstickt andere Flammen (er unterhält die Verbrennung nicht).