Film der Einheit Wasserstoff

Transkript

1 Film der Einheit Wasserstoff Vorkommen im Universum und auf der Erde Atombau und Platz des Wasserstoffs im PSE Kovalente Bindung (Atombindung) im H 2 - Molekül Eigenschaften des Wasserstoffs: Dichte, Diffusion, Verbrennung Reaktionsgeschwindigkeit (H 2 -Bildung) Kollisionshypothese Molare Größen H 2 und andere Gase Zustandsgleichung Verbrennungsvorgang Reaktionsgleichungen Reaktionsenthalpie Relation: Struktur - Eigenschaften am Bsp. brennbarer Gase Aktivierungsenergie und Katalyse am Bsp. der H 2 -Oxidation Technische Herstellung und aktuelle Nutzung von Wasserstoff Wasserstoff als Energieträger der Zukunft Literatur [1] M. Tausch, M. v. Wachtendonk (Hrsg.), Chemie I, C.C. Buchner, Bamberg 2006 [2] M. Tausch, M. v. Wachtendonk (Hrsg.), Chemie 2000+, C.C. Bochner, Bamberg 2007 [3] P. W. Atkins, J. A. Beran, Chemie einfach alles, VCH, Weinheim, 2006

2 Wasserstoff t = 0: D = g/cm 3 ; T = K E = mc 2 t = 1 s (vor a): T = K - häufigstes Element des interstellaren Raums - ca. 84 Gew.% der Sonne

3 Wasserstoff auf dem Planeten Erde nur gebunden (Wasser, Erdgas, Erdöl, Zucker, Fette, Eiweiße..) - 0,88 Gew.% der Erdkruste - 10 % des Gewichts eines Menschen

4 Kern-Hülle Modell des Atoms Lit. [1]: S

5 Ionisierungsenergien der Elemente Periodensystem der Elemente und Atombau Schalen-Modell der Elektronenhülle Lit. [1]: S

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7 Experiment Entfärbung von Methylenblau mit nascierendem Wasserstoff

8 4.Modell 3.Fakten 2.Hypothese 1.Experiment 3.Fakten Wasserstoff-Moleküle sind zweiatomig: H 2 Elektronenpaarbindung oder kovalente Bindung oder Atombindung Lit. [1]: S

9 Wasserstoff physikalische und chemische Eigenschaften Lit. [1]: S

10 Experimente Brenneigenschaften von Wasserstoff - Luftballon, Teedose

11 Wasserstofforgel

12 Dichte und Diffusion von Wasserstoff Lit. [1]: S. 81; A: Welche Eigenschaften des Wasserstoffs werden hier deutlich?

13 Kerze in Wasserstoff Lit. [1]: S. 78; A: Welche Eigenschaften des Wasserstoffs werden hier deutlich?

14 Explosionsgrenzen verschiedener Gas-Luft-Gemische Gas untere obere Explosionsgrenze Propan 2 % 10 % Benzindampf 1 % 11 % Ethin 4 % 82 % Wasserstoff: 4 % 75 %

15 Experimente Verbrennung von Wasserstoff im Vergleich zu: Isobuten

16 Was geschieht bei einer Verbrennung? Wovon hängt es ab, wie viel Wärme verfügbar wird? Wie lässt sich das exakt formulieren und berechnen?

17 Antoine Laurent Lavoisier, um 1777: a) Wasserstoff und Sauerstoff durch Wasserthermolyse b) Sauerstofftheorie der Oxidation a) H 2 O(l) 2H 2 (g) + O 2 (g) b) 2Fe(s) + O 2 (g) 2FeO(s) Lit. [1]: S

18 Reaktionsenthalpie H R Definition Wärme, die bei einer unter konstantem Druck verlaufenden Reaktion zugeführt werden muss oder abgegeben wird, bezeichnet man als Reaktionsethalpie H R. Molare Enthalpien Aufgabe: Der Brennwert von Glucose (Traubenzucker) C 6 H 12 O 6 ist 17 kj/g. Berechnen Sie die molare Verbrennungsenthalpie. Lit. [2]: S. 98; A: Lösen Sie die Aufgabe aus dem oben stehenden Kasten

19 Die Stoffmenge n Formeln für die Stöchiometrie (chemisches Rechnen) Stoffportionen von jeweils n = 1 mol Jede dieser Stoffportionen enthhält N A = 6, Teilchen. Das sind: 18 g Wasser (N A H 2 O - Moleküle) 32 g Schwefel (N A S - Atome) 63,5 g Kupfer (N A Cu - Atome) 12 g Kohlenstoff (N A C - Atome) 40 g Magnesiumoxid (N A MgO - Formeleinheiten) 2 g Wasserstoff (N A H 2 - Moleküle) Lit. [1]: S ; Lit.[2]: Formelsammlung

20 Avogadro und die Gase Lit. [1]: S. 91

21 Wie schnell verläuft eine Reaktion? Was ist die Reaktionsgeschwindigkeit? Wovon hängt sie ab?

22 Reaktionsgeschwindigkeit Volumetrie Definition der mittleren Reaktionsgeschwindigkeit: v r = n / t [v r ] = 1 mol. s -1 Definition der momentaten Reaktionsgeschwindigkeit: v r (t) = dn / dt [v r ] = 1 mol/s -1 Für Reaktionen in Lösungen: v r = c / t [v r ] = 1 mol. l -1. s -1 Lit.[2]: S ; A: Lösen Sie die Aufgabe aus B2, S. 32

23 Beeinflussung der Reaktionsgeschwindigkeit: - durch die Oberfläche der Edukte bei heterogenen Reaktionen, z.b. technischen Verbrennungen siehe Beispiel hier: Kollisionshypothese - durch die Konzetration der Edukte bei homogenen Reaktionen (Beispiele folgen später) - durch die Temperatur ( siehe: Aktivierungsenergie) Lit.[2]: S

24 Experiment Entzündung von Wasserstoff auf verschiedene Arten: - mit Flamme - mit Katalysator

25 Zünden einer Wasserstoffflamme mit Platin-Katalysator Lit. [1]: S

26 Aktivierungsenergie E A Energie Aktivierungsenergie 1 Edukt Produkt Reaktionsverlauf

27 Aktivierungsenergie und Katalysator Energie Aktivierungsenergie 1 Edukt Edukt Aktivierungsenergie 2 Produkt ohne Kat. Produkt mit Kat. Reaktionsverlauf

28 Heterogene Katalyse Diffusion Wasserstoff Diffusion Pt-Katalysator Desorption Adsorption Reaktion

29 Herstellung von Wasserstoff a) durch Wasserspaltung:Thermolyse, Elektrolyse oder Photolyse 2H 2 O(l) 2H 2 (g) + O 2 (g); G o = +472 kj b) aus Erdgas, Erdöl oder Kohle (Wassergasprozeß) CH 4 (g) + H 2 O(g) 3H 2 (g) + CO(g); H o = +206 kj C(s) + H 2 O(g) H 2 (g) + CO(g); H o > 0 c) bei der Chloralkalielektrolyse 2Cl - (aq) + 2H 2 O(l) Cl 2 (g) + H 2 (g) + 2OH - ; U 3 V

30 Industrielle Wasserstoff-Produktion ca. 500 Milliarden N-Kubikmeter H 2 /Jahr (2% des Weltenergieverbrauchs) 2% 10% 1% Wasserstoff Herstellung aus 32% 55% Öl Erdgas Chloralkali-Elektrolyse Kohle Sonstiges

31 Wofür wird Wasserstoff verbraucht? 500 Milliarden N-Kubikmeter H 2 /Jahr (2% des Weltenergieverbrauchs) 6% Wasserstoff Verbrauch für 28% 46% Chemische Industrie Petrochemie Prozeßw ärme Sonstiges 20%

32 Wasserstoff als Raketentreibstoff

33 Challenger-Shuttle 1986

34 Das Ende der Hindenburg 1937

35 Wasserstoff als Treibstoff für Nutzfahrzeuge

36 Wasserstoff als Treibstoff für Nutzfahrzeuge Erste öffentliche Tankstelle der Welt für Flüssigwasserstoff eröffnet am FJS-Flughafen München

37 Energieträger im Vergleich Speichervermögen 1 kg Wasserstoff speichert mehr als doppelt so viel kwh / kg Energie wie 1 kg Benzin Neben den Energieträgern im 0 Methanol Steinkohle Heizöl Dieselöl Speichertyp Benzin Flüssiggas Wasserstoff Diagramm sind auch folgende Vergleichszahlen interessant: Blei-Akku: 0,04 kwh/kg Uran: kwh/kg

38 E(Sonne/a) = 100 x Weltreserven Verfügbare Energien J/a a Jahreseinstrahlung 2, J Kohle + Erdöl + Erdgas + Uran. 100 Weltreserven

39 Solar-Wasserstoffszenario Lit. [1]: S

40 Begriffe für das Glossar Aktivierungsenergie Atombindung Atomkern Atommasse Avogadro-Konstante N A Brennstoffzelle Diffusion Elektron Elektronenhülle Elektronenpaarbindung Element endergonisch endotherm Energiediagramm Energiespeicherdichte Energieträger exergonisch exotherm Explosionsgrenzen Gruppe Isotop Katalysator Knallgasgemisch kovalente Bindung molare Masse M molares Volumen unter NB, (V mn = 22,41 l/mol) molares Volumen V m Neutron Nuklid Ordnungszahl Periode Proton PSE (Periodensystem der Elemente) Radionuklid Reaktionsenthalpie H R Reaktionsgeschwindigkeit Rutherford-Versuch Schalenmodell Solarwasserstoff Stoffmenge n Urknall Volumetrie Wasserstofftechnologie Zustandsgleichung der Gase

41 Übungen zur Einheit Wasserstoff Lit. [1], S. 134: A7 bis A11 (Schalenmodell der Elektronenhülle) Lit. [1], S. 82: A8, A9, A11 (Wasserstoff u.a. Gase) Lit. [1], S. 41: A1 bis A4 (Lavoisier, Verbrennung) Lit. [1], S. 95: A1 bis A9 (Einfache Reaktionsgleichungen) Lit. [1], S. 100: A3 bis A6 (Stöchiometrie) Vgl. auch die Aufgaben von den Folien Nr. 18 und Nr. 22

42 Lit.[1] Lit.[2] Lit.[3]: Atkins 002_b2.jpg CD-ROM ergänzend zu den Lehrbüchern www. chemiedidaktik. uni-wuppertal.de Online Ergänzungen