Zu den Eigenschaften von Wasserstoff gehört, dass er in seinem natürlichen Zustand auf der Erde ein farbloses, geruchloses und hochentzündliches Gas ist. Es ist das leichteste Element, das in der Natur bekannt ist, und nimmt durchschnittlich 75% der gesamten Masse des Universums in Sternen, Planeten und anderen stellaren Objekten ein. Wasserstoff ist auch für alles Leben auf der Erde unerlässlich, wo er 14% des Gewichts der lebenden Materie ausmacht, da er leicht Bindungen mit Sauerstoff eingeht, um Wasser und Kohlenstoff zu erzeugen, um die Moleküle zu schaffen, auf denen lebende Strukturen und die meisten organischen Moleküle basieren sind gebaut.
Während die häufigste Form von Wasserstoff Protium ist, wo es nur ein Proton in seinem Atomkern und ein Elektron in der Umlaufbahn um den Kern hat, existieren auch zwei andere Wasserstoffisotope. Protium macht 99.985% des gesamten natürlichen Wasserstoffs aus, und Deuterium macht weitere fast 0.015% aus und hat sowohl ein Proton als auch ein Neutron im Atomkern, was ihm eine Masse verleiht, die doppelt so groß ist wie die von Protium. Tritium ist die dritte Form von Wasserstoff, die in der Natur äußerst selten vorkommt, aber künstlich hergestellt werden kann. Es ist instabil und weist einen radioaktiven Zerfall mit einer Halbwertszeit von 12.32 Jahren auf. Es hat zwei Neutronen im Atomkern für ein Proton und ist eine Schlüsselverbindung, die in Wasserstoffbombenwaffen hergestellt und verwendet wird, um deren Ausbeute zu erhöhen, sowie in der Kernspaltungsenergieerzeugung und in der Kernfusionsforschung.
Die chemischen Eigenschaften von Wasserstoff mit nur einem Elektron in der Umlaufbahn machen ihn zu einem hochreaktiven Element, das mit vielen anderen Elementen Bindungen eingeht. In seinem natürlichen Zustand in der Atmosphäre bindet es sich wie Sauerstoff an ein anderes Wasserstoffatom, um H2 zu bilden. H2-Moleküle können auch in Abhängigkeit vom Spin ihrer Kerne einzigartig sein, wobei H2-Moleküle, bei denen sich beide Kerne in die gleiche Richtung drehen, als Orthowasserstoff bezeichnet werden und solche mit entgegengesetzten Spins als Parawasserstoff bezeichnet werden. Orthowasserstoff ist die häufigste Form von H2 bei normalem atmosphärischem Druck und normaler Temperatur in Gasform, aber wenn er in flüssiger Form abgekühlt wird, wie für Raketentreibstoff, ändert sich Orthowasserstoff in Parawasserstoff.
Die physikalischen Eigenschaften von Wasserstoff und sein weit verbreiteter Vorkommen an Land und in den Weltmeeren machen ihn als nahezu grenzenloses Energieangebot zu einem wichtigen Forschungsgebiet. Alle Formen fossiler Brennstoffe und Alkohole wie Benzin, Erdgas und Ethanol bestehen aus Kohlenwasserstoffketten, in denen Wasserstoff, Kohlenstoff und manchmal Sauerstoff miteinander verbunden sind. Die Abtrennung von reinem Wasserstoff als sauber verbrennende, reichlich vorhandene Brennstoffquelle selbst ist leicht möglich, aber die Kraft, die erforderlich ist, um Wasserstoff von chemischen Bindungen zu lösen und ihn dann zur Speicherung abzukühlen, erfordert oft mehr Energie, als der reine Wasserstoff selbst erzeugen kann. Aus diesem Grund wird Wasserstoff aufgrund seiner Eigenschaften am häufigsten dort verwendet, wo er in chemischen Bindungen mit anderen Elementen vorkommt.
Auch die Forschung zur Fusionsenergiegewinnung stützt sich auf die chemischen Eigenschaften der Wasserstoffverbindungen Deuterium und Tritium. Die Eigenschaften des von allen Sternen verwendeten Wasserstoffs verschmelzen Wasserstoffatome unter starkem Druck, um Helium und Energie in Form von Licht und Wärme freizusetzen. Ähnliche Drücke werden in Forschungseinrichtungen mit starken Magnetfeldern, Trägheitsbegrenzungslasern oder elektrischen Pulsen in den USA, Europa und Japan erzeugt.
Beim Verschmelzen von Wasserstoffatomen entsteht ein Heliumatom, das 20 % der überschüssigen Energie aus dem Prozess trägt, und 80 % der Energie werden von einem freien Neutron getragen. Diese Neutronenenergie oder Wärme wird dann von einer Flüssigkeit absorbiert, um Dampf zu erzeugen und eine Turbine zur Stromerzeugung anzutreiben. Der Prozess bleibt jedoch ab 2011 noch experimentell. Dies ist auf die enormen Drücke zurückzuführen, die aufrechterhalten werden müssen, um Wasserstoffatome kontinuierlich miteinander zu verschmelzen und Maschinen herzustellen, die bei der Fusion Temperaturen von bis zu 212,000,000 ° Fahrenheit (100,000,000 ° Celsius .) standhalten ).