Wasserstoff

Der Wasserstoff, den Du hier gerade kennengelernt hast, ist das Isotop, das üblicherweise vorkommt. Bei Isotopen handelt es sich um verschiedene Variationen des gleichen Elements, die zwar die gleiche Anzahl an Protonen und Elektronen besitzen, aber eine abweichende Anzahl an Neutronen im Kern aufweisen.

Der übliche Wasserstoff wird dabei als Protium (¹H) bezeichnet, da er nur ein Proton im Kern enthält. Deuterium (²H) besitzt ein zusätzliches Neutron, während Tritium (³H) sogar zwei Neutronen sein Eigen nennt. Diese sind für Dich allerdings in den meisten Fällen irrelevant, da diese Neutronen an den Reaktionen nicht teilnehmen.

Damit Du Dir das dennoch besser vorstellen kannst, siehst Du in der folgenden Abbildung die drei Isotope mit ihrem Kern. Dort erkennst Du noch einmal deutlich, dass alle jeweils ein Proton (p) im Kern besitzen, mit genau einem Elektron (e), das um diesen herum kreist. Nur die Anzahl der Neutronen (n) steigt.

Abbildung 1: Die drei Isotope des Wasserstoffs

Wasserstoff Reaktivität

Gerade hast Du gelernt, dass Wasserstoff nur ein Elektron in seiner Hülle besitzt. Da dies gleichzeitig auch in der äußersten Schale ist, wird es als Valenzelektron oder Außenelektron bezeichnet. Mit diesem Elektron kann Wasserstoff zahlreiche Reaktionen eingehen.

In der typischsten Variation geht Wasserstoff eine sogenannte kovalente Verbindung ein, das heißt, es teilt sein Elektron mit anderen Elementen, die ihrerseits ein Elektron für die Bindung bereitstellen. Wasserstoff kann dieses nutzen, um den Edelgaszustand zu erreichen.

Jegliche Verbindungen, die Wasserstoff mit anderen Elementen eingeht, werden als Hydride bezeichnet. Diese Bezeichnung hat sich allerdings nur im Fall von Verbindungen mit den ersten zwei Hauptgruppen durchgesetzt.

Die Empfehlungen für die Bezeichnung wurden von der IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) ausgesprochen. Diese ist allgemein zuständig für die Benennung von chemischen Strukturen.

In diesen Verbindungen hat Wasserstoff die höhere Elektronegativität. Das bedeutet konkret, dass es die Elektronen stärker anzieht als die anderen gebundene Elemente. Die Elektronen der Bindung befinden sich als hauptsächlich bei Wasserstoff. Für Wasserstoff resultiert das in der Oxidationszahl -1.

Andere typische Verbindungen bestehen beispielsweise mit den Halogenen, den Elementen der siebenten Hauptgruppe. Diese werden als Wasserstoffhalogenide bezeichnet.

In diesem Fall hat Wasserstoff dann die Oxidationszahl +1. Sowohl Chlor als auch Brom nehmen dem Wasserstoff das Elektron fast vollständig ab, daher fehlt dem Wasserstoff diese eine negative Ladung zum Ausgleich. Es wird durch das Proton im Inneren dominiert.

Mit dieser Erklärung ist die sicherlich aufgefallen, dass Wasserstoff dementsprechend Elektronen abgeben kann, diese aber auch aufnehmen kann. Stoffe, die dazu in der Lage sind, bezeichnest Du als Ampholyte.

Wasserstoff Nachweis

Natürlich macht Chemie am meisten Spaß, wenn es ganz viel Puff und Peng gibt. Daher wird Dir dieser Aspekt für Wasserstoff nicht vorenthalten. Wenn Du Chlor und Wasserstoff miteinander reagieren lässt, gibt es ganz besonders viel Puff und Peng. Dafür ist eine energetische Aktivierung notwendig. Die Energie kann in Form von Licht oder Wärme zugeführt werden. Das 1:1-Gemisch von Chlor und Wasserstoff wird als Chlorknallgas bezeichnet.

Die Reaktionsgleichung dafür sieht wie folgt aus:

Chlor + Wasserstoff → Wasserstoffchlorid

Die übliche Reaktion der Knallgasprobe findet dabei überwiegend nicht mit Chlor, sondern mit Sauerstoff statt, um die Reinheit eines Gases nachzuweisen. Deine unbekannte Probe wird in Gasform dabei in einem Reagenzglas aufgefangen und erhitzt. Wenn es in diesem Fall zu einem deutlich hörbaren Knall kommt, ist die Probe positiv und Wasserstoff ist vorhanden. Beschreiben lässt sich dieser Vorgang mit der folgenden Gleichung:

Sauerstoff + Wasserstoff → Wasser

Wasserstoff herstellen

Nach der einführenden Theorie gelangst Du nun an den Punkt, an dem die Spannung weiter steigt. Dabei spielt besonders die letzte Reaktion, die Du kennengelernt hast, eine wichtige Rolle. Tatsächlich funktioniert sie nämlich auch in die andere Richtung, um Wasserstoff herzustellen. Damit näherst Du Dich der Thematik, die in der Einleitung angesprochen wurde. Der hier gemeinte Prozess wird als Elektrolyse bezeichnet.

Am besten beginnst Du erst einmal mit der Elektrolyse selbst.

Diese Reaktion kann dann entsprechend durch die umgekehrte Reaktionsgleichung beschrieben werden.

Wasser → Wasserstoff + Sauerstoff

Damit Du Dir dennoch besser vorstellen kannst, wie diese Apparatur aussieht, kannst Du die folgende Abbildung anschauen.

Abbildung 2: Aufbau zur Elektrolyse von Wasser

Wasser wird also hineingegeben und durch das Anlegen eines Stroms in Sauerstoff und Wasserstoff gespalten

Dies ist die häufigst verwendete Methode, um molekularen Wasserstoff (H₂) herzustellen. Allerdings gibt es noch weitere Verfahren, die jedoch nicht so bekannt sind.

Erinnerst Du Dich noch an die Frage, warum der Wasserstoff aus Kanada grün sei? Tatsächlich hat Wasserstoff als Gas keine Farbe. Vielmehr geht es hier um die Herstellung von eben jenem Gas und wie viel gasförmiger CO₂ dabei entsteht. Wenn er als Grün bezeichnet wird, dann wurde er mittels der gerade vorgestellten Elektrolyse hergestellt. Wichtig ist dabei, dass der verwendete Strom zur Spaltung des Wassers aus erneuerbaren Energien kommt. Es entsteht somit bei der Produktion kein CO₂.

Wasserstoff Dampfreformierung

Eine dieser weiteren Methoden nennt sich Dampfreformierung. Sie wurde 1920 erfunden und nutzt hohe Temperaturen sowie hohen Druck, um Wasserstoff von den Ausgangsstoffen abzutrennen. Als solche werden Kohlenwasserstoffe wie Methan, aber auch Wasser verwendet. Zu Beginn der Reaktion entsteht dabei ein Synthesegas. Dieses ist eine Mischung aus Kohlenstoffmonoxid (CO) und eben jenem gewünschten Wasserstoff.

Eine Reaktionsgleichung dafür sieht wie folgt aus:

Methan + Wasserdampf ⇌ Kohlenstoffmonoxid + Wasserstoff

Anschließend wird eine Wassergas-Shift-Reaktion durchgeführt. Diese verringert den Anteil an Kohlenstoffmonoxid im Gemisch, um möglichst reinen Wasserstoff zu erhalten. Als Nebenprodukt entsteht hier jedoch Kohlenstoffdioxid (CO₂).

Kohlenstoffmonoxid + Wasser ⇌ Kohlenstoffdioxid + Wasserstoff

Wasserstoff – Weitere Möglichkeiten der Herstellung

Und natürlich gibt es weitere Formen, genauer gesagt Farben, wie Wasserstoff hergestellt werden kann. Du hast gerade den grauen Wasserstoff kennengelernt. Kann das entstehende CO₂ jedoch im Erdboden gespeichert werden und gelangt nicht in die Atmosphäre, wird dieser als Blau bezeichnet. Dabei musst Du jedoch wissen, dass maximal 90 % gespeichert werden können.

Die letzte Form der Wasserstoffherstellung wird Türkis genannt. Das dazu notwendige Verfahren ist unter dem Namen Kværner-Verfahren bekannt. Dabei entsteht bei der thermischen Spaltung von Methan fester Kohlenstoff, der jedoch im Boden gespeichert werden kann. Dieses Verfahren der Methanpyrolyse ist allerdings noch nicht vollständig ausgereift.

Wasserstoff Verwendung

Obwohl nur knapp 1 % der Erde aus Wasserstoff bestehen, kommt dieser in zahlreichen Verbindungen vor und wird daher auch benötigt, um eben jene herzustellen. Dazu gehören Salzsäure, Methanol und Anilin. Selbst Ammoniak wird aus Wasserstoff hergestellt.

Wasserstoff wird zudem verwendet, um Metalloxide zu reduzieren. Wenn Wasserstoff mit diesen reagiert, entstehen Wasser und ein reines Metall. Somit können die abgebauten Erze, die meist als Oxide vorkommen, nutzbar gemacht werden.

Wasserstoff Brennstoffzelle

Da Du dieses Thema häufig in Verbindung mit der Verbrennung findest, will dieser Teil natürlich nicht zu kurz kommen. Wasserstoff kann also in Brennstoffzellen verwendet werden.

Dabei wird in den meisten Fällen eine Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle (PEMFC) verwendet. Die hier stattfindende Reaktion wird als „kalte Verbrennung“ bezeichnet, da keine Wärmeenergie entsteht. Stattdessen kann direkt die elektrische Energie genutzt werden.

Der Aufbau einer solchen Wasserstoffbrennstoffzelle ist im Folgenden dargestellt:

Abbildung 3: Aufbau einer Wasserstoff-Brennstoffzelle

Wie Du siehst, werden hier sowohl Wasserstoff (H₂) als auch Sauerstoff (O₂) eingeschleust. Beide Stoffe sind durch den Elektrolyten voneinander getrennt. Dieser sorgt dafür, dass Sauerstoff nicht hindurch gelangt, da der Elektrolyt nur für die Protonen des Wasserstoffs permeabel ist. Die Elektronen, die dafür abgegeben wurden, wandern von der Anode zur Kathode, wo sie Sauerstoff reduzieren. Dieser reagiert dann mit den Protonen zu Wasser (H₂O).

Da Du das ganze chemisch betrachten willst, siehst Du in der folgenden Tabelle die jeweils stattfindenden Reaktionen der Oxidation von Wasserstoff an der Anode sowie der Reduktion von Sauerstoff an der Kathode. Die resultierende Gleichung daraus ist Dir bereits von weiter oben in dieser Erklärung bekannt.

Schritt	Reaktionsgleichung
Oxidation
Reduktion
Gesamtgleichung

In diesem Kontext stellt sich natürlich die Frage, warum es in der Brennstoffzelle nicht zu einer Knallgasreaktion kommt, obwohl die Reaktionsgleichung offensichtlich die gleiche ist.

Ursache dafür ist, dass weder eine Zündquelle vorhanden ist, noch das Gemisch im richtigen Verhältnis für die Knallgasreaktion gemischt wird. Daher wird die gefährliche Reaktion unterdrückt. Die Gefahr von Wasserstoff besteht nur dann, wenn eine mögliche Zündquelle in die Nähe der Reaktion gebracht wird, die genügend Energie für die Knallgasprobe zuführt.

Wasserstoff Autos

Jetzt hast Du es endlich geschafft. Der Theorie-Teil ist hiermit abgeschlossen. Du widmest Dich nun der Anwendung von Wasserstoff und besonders der Wasserstoffbrennzelle. In diesem Kontext hast Du sicherlich schon von Wasserstoffautos gehört.

Erst einmal zu den positiven Neuigkeiten: Es gibt tatsächlich bereits wasserstoffbetriebene Autos als Hybride.Diese sind in der Lage, wasserstoffbetrieben zu fahren, aber auch wie bisher üblich durch Benzin oder Diesel angetrieben. Statistiken geben an, dass allein 2021 etwa 15.500 Wasserstoffautos verkauft worden sind. An einigen Tankstellen hast Du sicherlich auch schon die Formel H₂ gesehen. An Autobahnen kann ebenfalls Wasserstoff getankt werden.

Seit dem 24.08.2022 fahren zudem die ersten fünf Züge über 126 km nur mit Wasserstoff betrieben! Und das im Regelbetrieb. Obwohl die Zukunft des Wasserstoffs vor einigen Jahren nicht besonders rosig aussah, scheint es einen Aufschwung zu geben. Die Wasserstoffautos glänzen mit weiteren Vorteilen wie:

• kurze Tankzeit: In fünf Minuten ist das Auto voll beladen.
• hohe Reichweite: Die Reichweite von Dieselfahrzeuge kann bisher durchaus erreicht werden.
• geringe Explosionsgefahr bei Unfällen: Damit spielen hier wieder die Eigenschaften eine Rolle. Erinnerst Du Dich an die geringe Dichte von Wasserstoff? Er ist sogar deutlich leichter als Luft und steigt schnell auf. Im Fall von Unfällen ist die Gefahr somit sehr gering, dass es zu Explosionen kommt, deutlich geringer als bei Benzinern und Diesel-Fahrzeugen.

Doch zurück zum Anfang: Kann dieser tolle Wasserstoff das Klima retten?

Mit ein bisschen Forschung sicherlich!

Aktuell hat die Wasserstoffbrennzelle einen Wirkungsgrad von etwa 60 %. Im Auto selbst liegt der Wert der Elektrolyse nur bei 45 %. Durch die Umwandlung in Strom geht dann noch einmal die Hälfte verloren. Mit 25 bis 35 % Wirkungsgrad liegen die Wasserstoffautos damit deutlich hinter den batteriebetriebenen E-Autos zurück, die teilweise mit 80 % Wirkungsgrad glänzen können.

Besonders dieser Aspekt muss also noch ausgebaut werden, um Wasserstoffautos alltagstauglich zu machen. Dennoch wird großes Potenzial vor allem für die Luftfahrt sowie für Busse und LKWs gesehen. Wichtig ist dafür, dass die Herstellung möglichst grün ausfällt und der Import von grünem Wasserstoff aus Kanada ermöglicht die Verwendung auch in Deutschland. Bis es allerdings soweit ist, bleibt Wasserstoff erst einmal in der Chemie relevant für Dich.