- Der Wasserstoff ist das einfachste Atom - Volker Wollny
Über Wasserstoff wird heute immer wieder gesprochen. Er spielt eine wichtige Rolle bei möglichen Lösungen für das Problem, elektrische Energie zu speichern, die man aus erneuerbaren Energiequellen gewinnt: Vor allem mit der Windkraft erzeugte Elektrizität steht zwar oft in großen Mengen, aber nicht immer dann zur Verfügung, wenn man sie gerade braucht. Eine Lösung für diese Problem wäre, mit Hilfe des überschüssigen Stroms Wasserstoff aus Wasser zu gewinnen und diesen dann bei Bedarf zu verbrennen, um wiederum Strom zu erzeugen.
Das Wasserstoffatom, ein Winzling
Das ist im Grunde eine ganz einfache Sache, denn mit Hilfe der Elektrolyse kann man Wasser sehr leicht in Wasserstoff und Sauerstoff aufspalten. Diesen Wasserstoff kann man dann entweder in Verbrennungsmotoren arbeiten lassen, um Dynamomaschinen zur Stromerzeugung anzutreiben, oder mit seiner Hilfe in Brennstoffzellen unmittelbar elektrische Energie gewinnen. Das Problem dabei ist, dass der Wasserstoff sich nicht lange in irgendwelchen Behältern einsperren lässt und selbst aus scheinbar absolut dichten Stahltanks langsam aber sicher entschleicht.
Der Grund dafür ist, dass das Wasserstoffatom selbst für atomare Größenverhältnisse sehr klein ist. Wie die meisten Gase ist der Wasserstoff nicht gerne allein und seine Atome verbinden sich zu Pärchen. Diese normale Erscheinungsform des Wasserstoffes, das H2-Molekül, ist das kleinste Molekül, das es gibt. Es ist so winzig, dass es zum Beispiel durch die Kristallgitter von Metallen hindurch schlüpfen kann, was man als Diffusion bezeichnet.
Daher entweicht der Wasserstoff mit der Zeit auch aus fest verschlossenen Tanks und Gasflaschen. Das ist nicht nur ärgerlich, sondern auch noch gefährlich: Mit dem Sauerstoff der Luft bildet der Wasserstoff das hochexplosive Knallgas, so dass ein Wasserstoffbehälter in einem mehr oder weniger geschlossenen Raum eine gewaltige Gefahrenquelle darstellt.
Weniger Atom als das Wasserstoffatom geht nicht
Das Wasserstoffatom besitzt lediglich die für ein Atom absolut unverzichtbaren Bestandteile: Ein Proton und ein Elektron. Weniger als das geht nicht. Dieses eine Elektron lässt sich der Wasserstoff dann auch noch meistens klauen, wenn er eine chemische Verbindung eingeht. Eine wichtige Form der Entstehung chemischer Verbindungen besteht nämlich darin, dass Atome Elektronen an andere Atome abgeben beziehungsweise von ihnen aufnehmen.
Das Atom, welches ein oder mehrere Atome abgegeben hat, wird dadurch elektrisch positiv, denn Elektronen sind negativ geladen, weswegen sie ja normalerweise auch bei dem Atomkern aus positiven Protonen bleiben. Das Atom, welches die Elektronen aufnimmt, wird dadurch negativ. Durch die nun unterschiedlichen Ladungen ziehen sich die Atome an und bilden ein Molekül der jeweiligen chemischen Verbindung.
Welches Atom nun Elektronen mopst und welches sie sich mopsen lässt, darüber entscheidet die Elektronegativität der an einer Verbindung beteiligten Elemente. Sie ist gewissermaßen die Fähigkeit, Elektronen zu klauen und nimmt im Periodensystem von links oben nach rechts unten zu. Da der Wasserstoff ganz links oben steht, hat er von allen Elementen die geringste Elektronegativität, weshalb ihm sein eines einziges Elektron auch dauernd geklaut wird.
Der Wasserstoff macht sich lächerlich
Alle anderen Elemente lachen sich halbtot, wenn der Wasserstoff behauptet, ein Metall zu sein. Noch lustiger wird es, wenn das winzige Atom dann auch noch den Status eines Halogens für sich beansprucht. Aber wie kommt er darauf?
Theoretisch ist der Wasserstoff tatsächlich ein Metall: Er steht in der ersten Hauptgruppe des Periodensystems der Elemente – und dort haben normalerweise nur (Alkali-)Metalle etwas zu suchen. Allerdings besitzt er sonst keine der typischen Eigenschaften, an denen man Metalle erkennt und er erfüllt auch die wichtigste Definition nicht: Metalle sind diejenigen Elemente, deren Oxide mit Wasser Laugen bilden. Und das kann der Wasserstoff nun wirklich nicht. Sein häufigstes Oxid ist nämlich – Wasser. Und Wasser bildet mit Wasser eben keine Lauge. Bei seinem anderen Oxid, dem Wasserstoffsuperoxid, sieht es noch düsterer aus: Diese Verbindung bildet nämlich in Wasser eine schwache Säure, was das typische Verhalten der Nichtmetalle ist.
Mit der Behauptung, ein Halogen zu sein, verhält es sich ganz ähnlich: Formal hat der Wasserstoff damit Recht, denn er erfüllt das eigentliche Kriterium für den Halogenstatus: Ihm fehlt auf seiner äußersten (und auch einzigen) Elektronenschale nur ein Elektron zum Edelgaszustand. Tatsächlich ist das zweitkleinste Atom, das Heliumatom, ein Edelgas, denn mit seinen zwei Elektronen ist die erste Schale voll besetzt, wie bei allen anderen Edelgasen auch. Im Gegensatz zum Wasserstoff hält das Helium aber, was es verspricht: Es benimmt sich in der Tat wie ein Edelgas, indem es sich partout nicht mit anderen Atomen verbinden will. Der Wasserstoff hingegen ist in der Praxis alles andere als ein Halogen, denn diese sind als große Elektronendiebe bekannt; der Wasserstoff ist beim atomaren Tatbestand des Elektronendiebstahls jedoch praktisch immer das Opfer.
Der Wasserstoff trumpft auf
Das Lachen der anderen Elemente hört aber auf, wenn der Wasserstoff seine tatsächliche Trumpfkarte ausspielt: Ohne Frage ist er nämlich eines der wichtigsten Elemente dieser Welt. Ohne Wasserstoff gibt es kein Wasser und ohne Wasser kein Leben. Es gibt zwar gewisse niedrige Lebensformen, deren Stoffwechselvorgänge ohne Sauerstoff auskommen, jedoch nicht ohne Wasser. Zumindest auf unserem Planeten gibt es ohne Wasser kein Leben.
Auch die komplette organische Chemie, die Kohlenstoffchemie, wäre ohne den Wasserstoff nicht denkbar: Vom einfachsten Kohlenwasserstoff, dem Methan, bis zum allerkomplexesten Protein: Überall ist neben dem Kohlenstoff der arme, kleine Wasserstoff beteiligt und es geht ohne ihn nichts. Trotz seiner Unscheinbarkeit ist er also eines der ganz wichtigen Elemente und wenn wir Wege finden, ihn sicher zu speichern, wird er uns vielleicht auch eines Tages helfen, die gewaltigen Energiequellen Wind und Sonnenschein optimal zu nutzen.
Volker Wollny - Tätig als Publizist und Freier Dozent, abgeschlossenes Studium als Ingenieur für Produktionstechnik, Gesellenbriefe im ...
