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Wasserstoff

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Team Digital
Wasserstoff
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Grundlagen zum Thema Wasserstoff

Wasserstoff – Chemie

Das chemische Element Wasserstoff steht in der 1. Hauptgruppe und der 1. Periode des Periodensystems der Elemente. Da es besondere Eigenschaften besitzt, wird es jedoch nicht zu den Alkalimetallen der 1. Hauptgruppe gezählt. Aber was macht Wasserstoff so besonders? Die Antworten auf diese Frage findest du im folgenden Text.

Wasserstoff – Definition

Wasserstoff ist ein chemisches Element mit dem Formelzeichen $\ce{H}$. Sein lateinischer Name lautet Hydrogenium. Meist kommt Wasserstoff in gebundener Form, wie zum Beispiel in Wasser $(\ce{H2O}$), vor. Weißt du auch, welche physikalischen und chemischen Eigenschaften Wasserstoff hat? Das wollen wir uns im Folgenden genauer ansehen.

Wasserstoff – chemische Eigenschaften

Betrachtet man Wasserstoff auf atomarer Ebene, so besitzt es eine Elektronenschale mit einem Valenzelektron. Die Ordnungszahl (Kernladungszahl) von Wasserstoff ist also eins. Wasserstoff ist sehr reaktiv. Nicht selten verlaufen Reaktionen mit Wasserstoff explosiv. In Verbindung mit anderen Elementen ist Wasserstoff immer einfach positiv geladen.

Im Periodensystem hat Wasserstoff das Symbol $\ce{H}$. Wasserstoff liegt jedoch normalerweise molekular als $\ce{H2}$ vor. Die beiden Außenelektronen bilden in dieser Verbindung eine kovalente Bindung aus. Das Wasserstoffmolekül $\ce{H2}$ ist in der folgenden Abbildung dargestellt:

Eigenschaften von Wasserstoff: Strukturformel Element Wasserstoffmolekül

Wasserstoff – physikalische Eigenschaften

Im folgenden Steckbrief sind die physikalischen Eigenschaften von Wasserstoff zusammengefasst:

Eigenschaft Wert
Aggregatzustand gasförmig. Es handelt sich um ein farbloses, geruchloses Gas.
Schmelzpunkt $\pu{-259,1°C}$
Siedepunkt $\pu{-252,7°C}$
Dichte $\pu{0,00009 g/cm3}$. Wasserstoff ist der leichteste aller bekannten Stoffe.
Atommasse $\pu{1,0079u}$

Wasserstoff – Reaktionen

In diesem Abschnitt betrachten wir für Wasserstoff typische chemische Reaktionen. Wasserstoff kann zum Beispiel organische Verbindungen hydrieren. Die folgende Tabelle gibt einen Überblick über weitere wichtige Reaktionen, an denen Wasserstoff beteiligt ist:

Reaktionspartner Reaktion
Sauerstoff $\ce{O2}$ Beim Verbrennen von Wasserstoff entsteht Wasser in einer als Knallgasreaktion bezeichneten Reaktion:
$\ce{2H2 + O2 → 2H2O}$
Halogene, beispielsweise Chlor $\ce{Cl2}$ und Fluor $\ce{F2}$ Mit Halogenen reagiert Wasserstoff unter Bildung von Halogenwasserstoffen. Zum Beispiel reagiert Wasserstoff mit Salzsäure $\ce{HCl}$ und Flusssäure $\ce{HF}$:
$\ce{H2 + Cl2 → 2HCl}$
$\ce{H2 + F2 → 2HF}$
Metalloxide, beispielsweise Kupferoxid
$\ce{CuO}$
Metalloxide werden durch Reaktion mit Wasserstoff reduziert, wobei die reinen Metalle gewonnen werden:
$\ce{H2 +CuO → Cu + H2O}$

Die Knallgasreaktion wird auch zum Nachweis von Wasserstoff eingesetzt.

Wasserstoff – Vorkommen

Wasserstoff kommt auf der Erde und im Weltall in unterschiedlichen Anteilen vor. In der Erdhülle kommt Wasserstoff nur zu $1 \%$ vor, hauptsächlich im Wasser. Er ist aber auch ein wichtiger Bestandteil organischer Verbindungen. Im Weltall hingegen ist reiner Wasserstoff mit $75 \%$ das häufigste Element. Beispielsweise sind Sterne riesige Kugeln aus heißem Gas, die vor allem aus Wasserstoff und Helium bestehen und durch die Schwerkraft zusammengehalten werden. Sie erzeugen ihre Energie selbst und strahlen sie aus. Die gute Brennbarkeit von Wasserstoff ermöglicht auch erst das Leben auf der Erde: Wusstest du, dass unsere Sonne in jeder Sekunde $600$ Millionen Tonnen Wasserstoff zu Helium verbrennt?

Wasserstoff – Herstellung

Wie bereits erwähnt findet man reinen Wasserstoff fast nur im Weltall vor. Elementarer Wasserstoff kann jedoch im Labor erzeugt werden, zum Beispiel durch die Reaktion von unedlen Metallen mit Mineralsäuren. In der Industrie wird Wasserstoff heute hauptsächlich durch eine sogenannte Dampfreformierung aus Erdgas gewonnen. Dabei wird jedoch viel Kohlenstoffdioxid $\ce{CO2}$ freigesetzt. Das macht diesen Prozess leider nicht so umweltfreundlich. Alternativ kann die Herstellung von Wasserstoff) auch mit Strom durch eine Elektrolyse erfolgen.

Wasserstoff – Verwendung

Für was verwendet man Wasserstoff? Darüber gibt folgende Liste Auskunft:

  • Als Raketentreibstoff
  • Zum Schweißen
  • Zur Ammoniaksynthese
  • Zur Kohlehydrierung bei der Herstellung von Benzin
  • Zur Fetthärtung, beispielsweise bei der Herstellung von Margarine aus Speiseöl
  • Als Lebensmittelzusatzstoff
  • Als Kryogen (Stoffe, die zum Erhalt niedriger Temperaturen eingesetzt werden)

Dieses Video

In diesem Video lernst du die Eigenschaften und den Aufbau von Wasserstoff kennen. Du erfährst, warum Wasserstoff brennbar ist und was bei der Verbrennung von Wasserstoff passiert.

Nach dem Betrachten des Videos hast du die Möglichkeit, Arbeitsblätter zum Thema zu bearbeiten. Viel Spaß!

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Vorschaubild einer Übung

Transkript Wasserstoff

Heute ist unser Motto: Klein aber OHOOO! Es geht um den Star des Periodensystems und den Stoff aus dem die Sterne sind! In diesem Video geht es um "Wasserstoff". Im Periodensystem findest du Wasserstoff unter "H", das ist die Abkürzung für lateinisch "hydrogenium" was in etwa mit "Wassererzeuger" übersetzt werden kann. Der Name ist auf die Experimente von Antoine Lavoisier zurückzuführen, der erkannte, dass beim Verbrennen des Gases Wasser entsteht. Wasserstoff befindet sich an der ersten Position im Periodensystem – ganz klare Nummer Eins! Hier steht er in der ersten Hauptgruppe, jedoch gehört Wasserstoff im Gegensatz zu den anderen Elementen dieser Gruppe NICHT zu den Alkalimetallen, sondern zu den "Nichtmetallen". Wasserstoff ist ein farbloses, geruchloses und geschmackloses Gas und zudem das leichteste aller Elemente. Dass Wasserstoff meist gasförmig und nicht in anderen Aggregatzuständen vorliegt, liegt unter anderem daran, dass zum Verflüssigen eine Temperatur von minus zweihundert dreiundfünfzig Grad Celsius benötigt wird. Sinkt die Temperatur ein kleines bisschen mehr, wird Wasserstoff sogar fest, denn die Schmelztemperatur liegt bei minus zweihundert neunundfünfzig Grad. Das ist schon sehr nah am Absoluten Nullpunkt. Wasserstoff ist bei Raumtemperatur relativ reaktionsträge und wird erst bei hohen Temperaturen reaktionsfreudig. Um die Reaktivität besser verstehen zu können, werfen wir einen Blick zurück ins Periodensystem. Die Ordnungszahl eins und die Position in der ersten Periode und der ersten Gruppe verrät, dass Wasserstoff eine Elektronenschale mit EINEM Valenzelektron besitzt. Die Struktur ist also sehr einfach und besteht lediglich aus einem Elektron und einem Proton. Dies ist auch der Grund, warum Wasserstoff viele Eigenschaften mit den Elementen der siebten Hauptgruppe, den "Halogenen", teilt. Genau wie diese, benötigt er nämlich nur ein Elektron, um die Edelgaskonfiguration zu erreichen. Im Falle von Wasserstoff ist die Edelgaskonfiguration von Helium mit insgesamt nur zwei Außenelektronen erreicht. In den meisten Verbindungen verhält sich Wasserstoff jedoch wie ein Alkalimetall und gibt ein Elektron ab. Wasserstoff liegt bevorzugt als H-zwei Molekül vor, wobei beide Außenelektronen eine sogenannte "kovalente Bindung" ausbilden. Verbindet sich Wasserstoff mit Sauerstoff oder Chlor, gibt es sogar eine heftige Reaktion: es bildet sich sogenanntes Knallgas beziehungsweise Chlorknallgas. Warum das so heißt, kannst du dir vermutlich denken. Es wird dabei jedenfalls laut! So weit so gut: Und wo kommt Wasserstoff vor? Wasserstoff ist das am häufigsten vorkommende Element unseres Universums und macht ganze fünfundsiebzig Prozent der gesamten Masse unseres Sonnensystems aus. Auf unserer Erde sieht es da anders aus: die Erdhülle weist einen Wasserstoffanteil von lediglich einem Prozent auf. Dabei kommt Wasserstoff in molekularer Form nur in Spuren vor. Meist liegt er in gebundener Form vor, zum Beispiel in Wasser, aber auch in Erdöl und Erdgas. Wasser gibt es auf dem "blauen Planeten" ja reichlich. Dabei ist es nicht nur in den Ozeanen vorhanden. Du und ich, sowie Tiere und Pflanzen bestehen ebenfalls zu einem Großteil aus Wasser und damit auch aus Wasserstoff. Kommen wir zuletzt noch zur Verwendung von Wasserstoff. Wasserstoff ist ein vielseitiges Element und kann in sehr vielen Bereichen verwendet werden. So zum Beispiel in der chemischen Industrie: hier wird Wasserstoff unter anderem zur Herstellung von Ammoniak, Methanol und anderen wichtigen Chemikalien eingesetzt. Zudem kann mit Wasserstoff Erdöl und Erdgas gefiltert und dadurch gereinigt werden, wodurch die Verbrennung der Treibstoffe etwas weniger umweltschädlich ist. Apropos Treibstoff! Wasserstoff könnte in Zukunft sehr wichtig für unsere Mobilität sein: In sogenannten Brennstoffzellen reagiert Wasserstoff mit Sauerstoff zu Wasser, wodurch elektrische Energie freigesetzt wird und so Fahrzeuge klimaneutral angetrieben werden können. Bleiben wir bei der Energie, vielleicht hast du ja schon einmal etwas von "grünem Wasserstoff" gehört? So bezeichnet man Wasserstoff, der mittels Elektrolyse gewonnen wird. Das bedeutet, dass Wasser durch einen aus erneuerbaren Energien hergestellten elektrischen Strom, in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten wird. So kann Wasserstoff ohne Einsatz von fossilen Rohstoffen hergestellt und für Brennstoffzellen verwendet werden. Übrigens: Die Sonne schafft es sogar, Wasserstoff zu Helium zu fusionieren. Ob wir das jemals auch auf unserer Erde schaffen, liegt allerdings noch in den Sternen. Alles klar, genug in die Zukunft geguckt, wir fassen zusammen! Wasserstoff ist das kleinste und leichteste aller Elemente. Das farb-, geruch- und geschmacklose Gas liegt in elementarer Form als H-zwei-Molekül vor. Bei hohen Temperaturen ist Wasserstoff sehr reaktionsfreudig und reagiert vor allem mit Sauerstoff und Halogenen zu stabilen Verbindungen. Außerdem ist Wasserstoff ein vielversprechender Treibstoff der Zukunft. Also wenn du EINE Sache von diesem Video mitnehmen kannst, dann auf jeden Fall, dass kleine Dinge nicht zu unterschätzen sind. Naja und hoffentlich noch die ein oder andere Information.

Wasserstoff Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Wasserstoff kannst du es wiederholen und üben.
  • Vervollständige den Steckbrief zum Element Wasserstoff.

    Tipps

    Das Elementsymbol besteht aus einem oder zwei Buchstaben und steht über dem vollständigen Elementnamen.

    Zwei Begriffe bleiben übrig.

    Lösung

    Wasserstoff ist das am häufigsten vorkommende Element unseres Universums. Seine Eigenschaften kann man folgendermaßen zusammenfassen:

    • Im Periodensystem der Elemente findest du Wasserstoff unter dem Elementsymbol $\ce {\mathbf{H}}$. Das ist die Abkürzung für das lateinische Wort „Hydrogenium“. Dies kann in etwa mit „Wassererzeuger“ übersetzt werden.
    • Es steht in der ersten Hauptgruppe, jedoch gehört Wasserstoff – im Gegensatz zu den anderen Elementen dieser Gruppe – nicht zu den Alkalimetallen, sondern zu den Nichtmetallen.
    • Wasserstoff ist ein farbloses, geruchloses und geschmackloses Gas.
    • Es ist das leichteste aller Elemente.
    • Dass Wasserstoff meist gasförmig und nicht flüssig vorliegt, hat unter anderem mit seiner Siedetemperatur von $−253\,\pu{°C}$ zu tun.
    • Sinkt die Temperatur ein kleines bisschen mehr, wird Wasserstoff sogar fest, denn die Schmelztemperatur liegt bei $−259\,\pu{°C}$. Das ist sehr nah am absoluten Nullpunkt, der bei $−273\,\pu{°C}$ liegt.
    • Wasserstoff ist bei Raumtemperatur relativ reaktionsträge und wird erst bei hohen Temperaturen reaktionsfreudig.
  • Bestimme weitere Eigenschaften von Wasserstoff.

    Tipps

    Es gibt zwei richtige Antworten.

    Beim Verdampfen von Wasser ändert sich lediglich der Aggregatzustand von flüssig zu gasförmig.

    Wasserstoff liegt unter normalen Bedingungen als Gas vor.

    Lösung

    Im Periodensystem der Elemente findest du Wasserstoff unter dem Elementsymbol $\ce {\mathbf{H}}$. Das ist die Abkürzung für das lateinische Wort „Hydrogenium“. Dies kann in etwa mit „Wassererzeuger“ übersetzt werden. Der Name ist auf die Experimente von Antoine Lavoisier zurückzuführen, der erkannte, dass beim Verbrennen von Wasserstoff Wasser entsteht.
    Im Periodensystem steht Wasserstoff in der ersten Hauptgruppe, jedoch gehört er – im Gegensatz zu den anderen Elementen dieser Gruppe – nicht zu den Alkalimetallen, sondern zu den Nichtmetallen.
    Wasserstoff befindet sich an der ersten Position im Periodensystem, besitzt also die Ordnungszahl $1$. Das bedeutet, dass ein Wasserstoffatom ein Elektron sowie ein Proton besitzt.
    Wasserstoff liegt bevorzugt als $\ce {\mathbf{H_2}}$-Molekül vor, wobei beide Außenelektronen eine sogenannte kovalente Bindung ausbilden. Durch die Verbindung zweier Wasserstoffatome zu einem $\ce {H2}$-Molekül erreichen beide Wasserstoffatome die Edelgaskonfiguration.

  • Beschreibe das Vorkommen und das Reaktionsverhalten von Wasserstoff.

    Tipps

    Wasserstoff macht drei Viertel der Masse unseres Sonnensystems aus.

    In der ersten Hauptgruppe stehen die Alkalimetalle.

    Die Halogene nehmen ein Elektron auf, um die Edelgaskonfiguration zu erreichen.

    Lösung

    Wasserstoff ist das am häufigsten vorkommende Element unseres Universums und macht ganze $\mathbf{75}$ Prozent der gesamten Masse unseres Sonnensystems aus. Auf unserer Erde sieht es da anders aus: Die Erdhülle weist einen Wasserstoffanteil von lediglich einem Prozent auf.

    Meist liegt Wasserstoff in gebundener Form vor, zum Beispiel in Wasser. Davon gibt es auf dem Blauen Planeten ja reichlich. Dabei ist es nicht nur in den Ozeanen vorhanden: Menschen, Tiere und Pflanzen bestehen ebenfalls zu einem großen Teil aus Wasser und damit auch aus Wasserstoff.

    Ein Atom Wasserstoff besteht aus einem Elektron und einem Proton. Dies ist auch der Grund, warum er viele Eigenschaften mit den Elementen der siebten Hauptgruppe (die Halogene) teilt. Genau wie diese benötigt Wasserstoff nämlich nur ein Elektron, um die Edelsgaskonfiguration zu erreichen.

    Im Falle von Wasserstoff ist die Edelgaskonfiguration von Helium mit insgesamt nur zwei Außenelektronen erreicht. In den meisten Verbindungen verhält sich Wasserstoff jedoch wie die Alkalimetalle und gibt ein Elektron ab.

  • Gib an, wofür das vielseitige Element Wasserstoff verwendet wird.

    Tipps

    Wasser ist eine Verbindung, die aus den Elementen Wasserstoff und Sauerstoff besteht.

    Bei der Elektrolyse wird Wasser in seine Bestandteile gespalten.

    Lösung

    Wasserstoff ist ein vielseitiges Element und kann in sehr vielen Bereichen verwendet werden:

    • In der chemischen Industrie wird Wasserstoff für die Herstellung von Ammoniak, Methanol und anderen wichtigen Chemikalien genutzt.
    • Zudem wird Wasserstoff zur Filterung und Reinigung von Erdöl und Erdgas eingesetzt. Dadurch ist die Verbrennung der Treibstoffe etwas weniger umweltschädlich.
    • Bei der Elektrolyse wird Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff gespalten. Die Spaltung geschieht durch einen aus erneuerbaren Energien hergestellten elektrischen Strom. So kann Wasserstoff ohne Einsatz von fossilen Rohstoffen produziert und für Brennstoffzellen verwendet werden.
    • In sogenannten Brennstoffzellen wird elektrische Energie freigesetzt, indem Wasserstoff mit Sauerstoff zu Wasser reagiert. Dadurch können Fahrzeuge klimaneutral angetrieben werden.
  • Gib an, was „grüner“ Wasserstoff ist.

    Tipps

    Zwei Antworten sind richtig.

    Durch die Elektrolyse wird Wasserstoff gewonnen, indem Wasser aufgespalten wird.

    Wenn etwas „grün“ ist, dann handelt es sich meistens um den Einsatz erneuerbarer Energie.

    Lösung

    Mit „grünem“ Wasserstoff bezeichnet man Wasserstoff, der mittels Elektrolyse gewonnen wird. Das bedeutet, dass Wasser durch einen aus erneuerbaren Energien hergestellten elektrischen Strom in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten wird. So kann Wasserstoff ohne Einsatz von fossilen Rohstoffen hergestellt und für Brennstoffzellen verwendet werden.

  • Begründe, warum für Luftballons Helium und nicht Wasserstoff verwendet wird.

    Tipps

    Es gibt zwei richtige Antworten.

    Helium steht in der achten Hauptgruppe und hat eine vollständig besetzte äußere Elektronenschale. Weißt du, was dies über seine Reaktivität verrät?

    Lösung

    Wasserstoff und Helium sind beides Gase, die leichter als Luft sind. Somit würden sich beide für die Verwendung bei Luftballons eignen. Der kleine, aber entscheidende Unterschied liegt in deren Reaktionsverhalten:
    Helium steht in der achten Hauptgruppe. Dort sind alle Halogene aufgelistet. Ihre besondere Eigenschaft ist, dass sie nicht mit anderen Stoffen reagieren, weil sie durch ihre acht Außenelektronen bereits die Edelgaskonfiguration erreicht haben. Das macht sie ungefährlich, denn aufgrund ihrer Reaktionsträgheit können keine gefährlichen Stoffe entstehen.
    Anders verhält es sich bei Wasserstoff. Denn dieser steht in der ersten Hauptgruppe und hat somit ein Außenelektron. Das Atom ist also „unvollständig“ und strebt stets die Edelgaskonfiguration an, denn ihm fehlt ein Elektron. Das macht Wasserstoff zu einem sehr reaktionsfreudigen Element, vor allem bei hohen Temperaturen. Verbindet sich Wasserstoff mit Sauerstoff oder Chlor, gibt es sogar eine heftige Reaktion: eine Explosion mit lautem Knall. Man nennt dies Knallgasreaktion.

    Da in unserer Luft Sauerstoff enthalten ist, sollte auf keinen Fall Wasserstoff, sondern Helium für das Befüllen von Luftballons verwendet werden!