Experimente mit Wasserstoff

Transkript

1 Experimente mit Wasserstoff Wasserstoff [F + ] aus Druck-Gasflasche entnehmen mit sachgerechter Betätigung der Ventile beim Öffnen und Wiederverschließen. Allen Experimenten ist gemeinsam, dass Wasserstoff mit (Luft-)Sauerstoff in einer stark exothermen chemischen Reaktion zu Wasserstoffoxid (= Wasser) verbrennen kann (ggf. explosionsartiger Knall!!!! Daher Gehör schützen, z.b. durch Mund öffnen!!!! Schüler nach möglichen Vorschädigungen, z.b. "Knalltrauma" befragen!!!!). 1) Brennbarkeit: Reagenzglas von unten her mit Wasserstoff füllen und mit Gummistopfen dicht verschließen. Reagenzglas mit Öffnung nach oben zwischen Daumen und vier Fingern festhalten. Stopfen entfernen und sofort brennendes Streichholz an Öffnung halten (lassen). Es gibt ein "plop"-artiges Geräusch und die Finger fühlen sich von oben nach unten wärmer an. Das Reagenzglas zeigt in (ggf. ringartigen) Zonen einen feuchten Beschlag. Mögliche Erklärung der Wasserstoff wird vom brennenden Streichholz entzündet und brennt mit kaum sichtbarer, aber fühlbarer Flamme von oben nach unten ins Reagenzglas hinein. Als Verbrennungsprodukt entsteht Wasserdampf, der an kälteren Stellen zu flüssigem Wasser kondensiert. 2) Dichte: 2 Reagenzgläser mit Wasserstoff füllen und mit Gummistopfen dicht verschließen. Ein Reagenzglas mit Öffnung nach unten, das andere mit Öffnung nach oben halten. Stopfen gleichzeitig entfernen und nach 2min wieder aufsetzen. Brennbarkeit in beiden Reagenzgläsern prüfen. In dem mit der Öffnung nach oben gehaltenen Reagenzglas passiert nichts, selbst wenn das Streichholz in das Reagenzglas gehalten wird. Bei dem mit der Öffnung nach unten gehaltenen Reagenzglas gibt es ein lautes, pfeifendes Geräusch. Mögliche Erklärung der Die Dichte von Wasserstoff ist mit 0,08g/l (bei 20 C und 1013mbar) kleiner als die Dichte von Luft mit 1,3g/l (bei 20 C und 1013mbar), d.h. nach längerem Öffnen ist aller Wasserstoff nach oben entwichen. Bildung eines explosiven Wasserstoff- (Luft-)Sauerstoff-Gemischs (sog. "Knallgas"), da wegen der Diffusion beider Gase trotz unterschiedlicher Dichten ein Teil des Wasserstoffs austritt und ein Teil der Luft eintritt.

2 3) "Luftschiff"-Versuch: Luftleeren Luftballon mit ca. 1-1,5l Wasserstoff füllen. Ballon zuerst mit den Fingern zuknoten, dann mit dünnem, ca. 1m langem Faden nochmals sorgfältig verschließen. Faden an ausgestrecktem Arm vor gereinigte und trockene Tafel halten und bei leicht geöffnetem Mund brennende Kerze (an langem Draht oder Holzstab befestigt) von unten her langsam dem Ballon nähern. Der Ballon steigt in Luft schnell auf und muss festgehalten werden. Der Ballon zerplatzt mit dumpfem Knall und großer Stichflamme. An der Tafel ist kurz ein feuchter Beschlag zu sehen. Mögliche Erklärung der Dichte (Wasserstoff) < Dichte (Luft): "Luftschiff"-Effekt Wasserstoff reagiert mit dem umgebenden (Luft-)Sauerstoff schlagartig in einer stark exothermen Reaktion. Als Oxidationsprodukt entsteht Wasserdampf, der an kälteren Stellen zu flüssigem Wasser kondensiert. 4) Brennbar, aber nicht brandfördernd: 1l-Weithals-Erlenmeyerkolben umgedreht am Stativ befestigen und von unten her mit Wasserstoff füllen (komplette Füllung lässt sich an Geräuschveränderung beim Befüllen erkennen!!!!). Dann an Draht befestigte brennende Kerze von unten her langsam nach oben in Erlenmeyerkolben führen und langsam wieder nach unten herausziehen. Vorgang 3-4 mal wiederholen. Dann Erlenmeyerkolben umdrehen und restlichen Wasserstoff entweichen lassen (keine Zündquellen, z.b. offene Flammen!!!!). Es gibt ein dumpfes, knallartiges Geräusch. Im Erlenmeyer-Kolben erlischt die Kerze. Beim Herausziehen beginnt die Kerze wieder zu brennen. Mögliche Erklärung der Wasserstoff reagiert an der Füllgrenze mit (Luft-)Sauerstoff. Wasserstoff ist nicht brandfördernd, daher erlischt die brennende Kerze in reinem Wasserstoff. Die Kerze wird an der (kaum sichtbaren) Wasserstoff-Flamme wieder entzündet.

3 5) Getränkedosen-Versuche ("con variazioni"): In Bodenmitte einer leeren 0,33l-Getränkedose (z.b. Cola-Dose) mit Nagel ca. 1-1,5mm breites Loch schlagen. Dose bei mit Finger verschlossenem Loch von unten her mit Wasserstoff füllen und von unten wie oben abgedeckt mit Loch nach oben auf Fugen von Kacheltisch stellen. Sofort nach Wegnehmen des Fingers brennendes Streichholz an Loch halten (ggf. im Dunkeln). Es gibt allenfalls ein "plop"-artiges Geräusch. Nach einer gewissen Zeit gibt es ein zunehmend brummendes Geräusch und kurz danach einen lauten Knall sowie unten aus der Dose eine Stichflamme. Die Dose fliegt hoch. Mögliche Erklärung der Der ausströmende Wasserstoff reagiert am Loch bei kaum sichtbarer Flamme mit (Luft-)Sauerstoff. Durch die untere Öffnung gelangt nach und nach (Luft-)Sauerstoff in die Dose, der sich mit dem restlichen Wasserstoff mischt, bis ein zündfähiges "Knallgas"-Gemisch entsteht, das explosionsartig verbrennt. Das heiße Verbrennungsgas (Wasserdampf) strömt durch die größere Öffnung und lässt die Dose nach oben fliegen (Rückstoß- Effekt). Varianten: - Größere Dosen verwenden (z.b. 0,5l- bzw. 1l-Bier-Dose): Versuch dauert länger, Knall ist kaum lauter. - Drei mit Wasserstoff gefüllte 0,33l-Dosen etwa 10-15cm entfernt voneinander aufstellen und im Abstand von 10sec entzünden: Gleichzeitige Explosion in allen Dosen. - Zwei (ggf. auch drei) mit Wasserstoff gefüllte 0,33l-Dosen übereinander stellen und brennendes Streichholz an oberste Öffnung halten: Oberste Dose fliegt sehr hoch.

4 6) PET-Flaschen-Versuche: Boden von 1,5l-PET-Getränkeflasche (z.b. Cola-Plastik-Flasche) abtrennen (z.b. mit "Hitzdraht"- Instrument oder erhitztem Messer). Auf Flaschenöffnung Gummistopfen mit ca. 10cm langem Glasrohr setzen und Flasche am Stativ befestigen. Glasrohr-Öffnung mit Finger verschließen und Flasche von unten her mit Wasserstoff füllen. Brennendes Streichholz an Glasrohr- Öffnung halten. Versuch wiederholen mit kleinem Büschel Eisenwolle im Glasrohr. Nach völligem Erlöschen der Flamme von unten her in Flasche Funken-Gasanzünder betätigen. Es gibt ein "plop"-artiges Geräusch und bald darauf ist eine gelbe Flammenfärbung zu sehen. Die Flamme wird kleiner und schlägt bald zurück in die Flasche, wo mit dumpfem Knall eine Stichflamme entsteht. Mit Eisenwolle ist die Flamme kleiner und erlischt unter hörbarem "Klackern" nach einiger Zeit. Beim Betätigen des Funken-Gasanzünders im Inneren der Flasche entsteht eine Stichflamme. Mögliche Erklärung der Wegen der heißen Flamme werden winzige Glasstückchen mitgerissen (Natrium-Verbindungen färben die Flamme gelb). Immer weniger Wasserstoff strömt nach, schließlich wird im Behälter ein explosionsfähiges Gemisch durch die Flamme gezündet. Der Glasrohr-Querschnitt ist wegen der Eisenwolle kleiner. Das Metall Eisen leitet die Wärme gut ab, so dass die Entzündungstemperatur des explosionsfähigen Gemischs im Inneren der Flasche nicht erreicht wird. Der Funke zündet das noch in der Flasche befindliche explosionsfähige "Knallgas". 7) Katalytische Entzündung von Wasserstoff: Auf ein mit einer Pinzette gehaltenes Platin-Katalysator-Kügelchen (bzw. Stück von Autoabgas- Katalysator-Wabe) mit zur Spitze ausgezogenem Glasrohr (mit Eisenwolle-Bausch!!) schwachen Wasserstoff-Strom leiten, bis dieser entflammt. Flamme auspusten und Versuch evtl. mehrfach wiederholen. Das Kügelchen glüht nach kurzer Zeit auf. Der ausströmende Wasserstoff wird kurz darauf entflammt. Mögliche Erklärung der An der Platin-Oberfläche des Katalysators findet schon bei niedrigen Temperaturen die Oxidation von Wasserstoff statt. Durch diese exotherme chemische Reaktion wird auch das Kügelchen aufgeheizt, bis schließlich der Wasserstoffstrom gezündet werden kann.

5 8) Qualitative Synthese der Verbindung Wasser aus den Elementen Wasserstoff und Sauerstoff: 1l-Rundkolben über Waschbecken schräg am Stativ befestigen, Gummischlauch an Wasserhahn anschließen und von oben so am Stativ befestigen, dass das dauerhaft fließende Leitungswasser den Kolben weitgehend umspült. In den Kolben mit rechtwinklig gebogenem, langem Glasrohr andauernd schwachen Sauerstoffstrom einleiten, vollständige Füllung mit Glimmspanprobe überprüfen. Schwachen Wasserstoffstrom durch Lötrohr (ohne Mundstück) leiten, an Düse entzünden und Flammenhöhe von max. 2cm einstellen. Lötrohr schnell in Kolben einführen und Flamme möglichst weit von Glaswand 10-30sec lang brennen lassen. Dann Lötrohr herausziehen, erst Wasserstoffstrom, dann Sauerstoffstrom und schließlich Leitungswasser abstellen. Kolben vom Stativ nehmen, außen gut abtrocknen, innen mit blauem Cobaltchlorid-Papier [T, potenziell krebserregend] (oder mit weißem Kupfersulfat-Pulver [X n ]) Wasser-Nachweis führen. Die schlecht sichtbare Wasserstoff- Flamme wird in reinem Sauerstoff deutlich heller. An den Glaswänden bilden sich Flüssigkeitstropfen. Die Tropfen machen blaues Cobaltchlorid- Papier rosa (bzw. weißes Kupfersulfat-Pulver blau). Mögliche Erklärung der Verglichen mit Luft-Sauerstoff verläuft die Reaktion in reinem Sauerstoff heftiger. Das bei den hohen Temperaturen gasige Wasser kondensiert an der gekühlten Gefäßwand zu flüssigem Wasser. Wasser reagiert mit blauem Cobaltchorid zum rosafarbenem Cobaltchlorid-dihydrat (bzw. mit weißem Kupfersulfat zu blauem Kupfersulfat-pentahydrat).

6 9) Qualitative Analyse (= Zerlegung) der Verbindung Wasser in die Elemente Wasserstoff und Sauerstoff: 300ml-Weithals-Erlenmeyerkolben mit ca. 200ml 5%iger Natronlauge füllen und am Stativ befestigen. Passenden Gummistopfen folgendermaßen vorbereiten: - in der Mitte ein rechtwinklig gebogenes Glasrohr mit ca. 50cm langem Gummischlauch und zur Spitze ausgezogenem Glasrohr am anderen Ende; - möglichst weit voneinander entfernt zwei Fahrradspeichen, die fast bis zum Boden des Erlenmeyerkolbens reichen und deren Enden rechtwinklig nach außen abgeknickt sind. Ca. 15cm breite Eisen- oder Kunststoff-Schüssel gut zur Hälfte mit Wasser füllen und etwa 4Tropfen Spülmittel ohne Blasenbildung einrühren. Trafo mit zwei Kabeln über Krokodilklemmen an die Enden der beiden Fahrradspeichen anschließen und Gleichspannung von 4-6V einschalten. Glasrohr mit Spitze in Spülmittel- Wasser halten, bis etwa 20-40ml "Seifenblasen" entstanden sind. Dann Glasrohr aus Schüssel nehmen und weit davon (und von möglichen Zündquellen!!!!) entfernt ablegen und Trafo ausschalten. Holzspan entflammen und Brennbarkeit des "Seifenblasen"-Inhalts prüfen. Versuch unter den genannten Sicherheitsmaßnahmen "bis zum Abwinken" mehrfach wiederholen, dann abbauen und "Knallgas-Entwickler"-Apparatur in Nebenraum aufbewahren. Evtl. als Schauversuch: Etwas Spülmittel-Lösung in Hand geben, Knallgas einleiten und entstehende Seifenblase entzünden An beiden Fahrradspeichen bilden sich Gasbläschen. Die ersten beiden "Seifenblasen"- Füllungen zerplatzen lautlos. Über ein "plop" und einen zunehmend lauteren bis hin zu einem peitschenartigen Knall nimmt die Intensität der Geräusche zu. Mögliche Erklärung der An den Stromzuführungsstellen, den sog. "Elektroden", wird die (durch Natronlauge nur besser elektrisch leitfähig gemachte) Verbindung Wasser durch Zufuhr von elektrischer Energie in einer endothermen chemischen Reaktion zerlegt in die (gasigen) Elemente Wasserstoff und Sauerstoff. In den ersten Füllungen befindet sich noch kein zündfähiges Gemisch, sondern überwiegend Luft aus der Apparatur. Je mehr die noch vorhandene Luft verdrängt wird, umso mehr bilden sich zündfähige Gemische aus Wasserstoff und Sauerstoff (sog. "Knallgas"). Diese Gemische reagieren zunehmend heftiger (über die Stufen Verpuffung, Deflagration bzw. Explosion bis hin zur sehr lauten Detonation (vgl. UR1UE3A1z, Anhang4) bei einem ideal zusammengesetzten reinen Wasserstoff-Sauerstoff-Gemisch). In einer exothermen chemischen Reaktion entsteht wieder die Verbindung Wasserstoffoxid (=Wasser).