Demonstrationen
mit Wasserstoff
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Stoffe:
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Wasserstoff
(aus der Gasflasche), Seifenblasenlösung, weißes Kupfer(II)-sulfat
oder Wassernachweispapier ("Watesmo"), Schwefelsäure
10% |
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Geräte:
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Glasröhre d=8mm l=
10cm, Luftballon, Nylonschnur, 50cm langer Holzspan, Brenner, Blechbüchse
1,5 Liter, Streichhölzer, gebogenes Glasrohr mit Düse und Rückschlagsicherung,
Stativ, Reagenzgläser 20x180mm, Glasrohr 60cm und mind. 3cm Dicke,
Rundkolben 250ml, Gaswaschflasche, Wasserstrahlpumpe, Vakuumschlauch, Trichter
mit Silikonschlauchstück, kurzes Schlauchstück, Hebebühne,
Becherglas 600ml, U-Rohr, Hofmannscher Apparat, Stromversorgunsgerät,
Solarzellenmodul ca. 17V/1A, diverse Kabel, Diode 1A, Autobatterie 12V,
Voltmeter, Amperemeter |
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Vorschriften beim Umgang
mit Gasflaschen beachten. Achtung, Wasserstoff-Luftgemische bilden explosives
Knallgas! Schutzbrille tragen, keine Wasserstoff-Sauerstoff-Mischungen
verwenden! |
Inhalt:
Didaktische Bemerkungen
Demonstration 1: Ein farbloses
und leichtes Gas
Demonstration 2: Der Wasserstoffballon
Demonstration 3: Die Böllerbüchse
Demonstration 4: Knallgas-Probe
Demonstration 5: Die Wasserstoff-Orgel
Demonstration 6: Synthese
von Wasser: Verbrennungsprodukte von Wasserstoff
Demonstration 7: Analyse
von Wasser durch Elektrolyse
Demonstration 8: Wasserstofftechnologie
Literatur
Didaktische
Bemerkungen:
Am Wasserstoff
- dem Element Nummer 1 im Periodensystem
- lassen sich viele Stoffeigenschaften aufzeigen, die nicht alltäglich
sind und zum Staunen anregen. Wasserstoff ist das Element
mit der geringsten Dichte. Es ist 14,4mal leichter als Luft und bildet
mit Luft explosionsfähige Gemische. Die Verbrennung von Wasserstoff
stellt eine besondere Form der Oxidation dar.
In der Technik besitzt das Gas eine zukunftsweisende Bedeutung. Wasserstoff
steht zwar in der ersten Hauptgruppe des Periodensystems, wird aber nicht
zu den Alkalimetallen gezählt. All diese Gründe prädestinieren
den Wasserstoff, ihn als erstes Element des Periodensystems ausführlich
zu behandeln.
Demonstration
1: Ein farbloses und leichtes Gas
Zunächst zeigt man die Gasflasche,
weist auf die rote Farbe hin und erläutert die Funktionsweise der
verschiedenen Ventile. Beim Ausströmen des Wasserstoffs ist zunächst
nichts zu sehen. Auch durch das Riechen an dem ausströmenden Gas lässt
sich der Wasserstoff nicht kennzeichnen. Nun steckt man eine kurze Glasröhre
(d=8mm) auf den Schlauch, taucht das Ende der Röhre in eine Seifenblasenlösung
und lässt vorsichtig Gas ausströmen.
Beobachtungen:
Mit ein wenig Geschick lassen sich viele
Seifenblasen erzeugen, die alle sehr zügig nach oben in Richtung Decke
aufsteigen. Bei der Frage nach Verwendungsmöglichkeiten für dieses
Gas, nennen die Schüler vielleicht schon das Luftschiff oder den Ballon.
Dies führt auf die 2. Demonstration hin:
Demonstration
2: Der Wasserstoffballon
Ein roter Luftballon wird satt mit Wasserstoff
gefüllt, mit einem Knoten verschlossen und an einer dünnen Nylonschnur
befestigt. Danach nähert man sich vorsichtig mit einem brennenden
Holzspan. Achtung, Kopf fernhalten und Schutzhandschuhe tragen!
Beobachtungen:
Das Gas zieht den Ballon deutlich nach
oben. Bei der Zündung zerplatzt der Ballon und das Wasserstoffgas
verbrennt in einem großen Feuerball.
Film: Ein
Wasserstoffballon wird gezündet
(Kamera:
Erik Schilling)
Klicken
Sie zum Abspielen des Films auf das Bild
Variationen:
Man füllt mehrere Ballons mit Wasserstoff
und befestigt an Schnüren Zettel mit Botschaften der Schüler.
Dann geht man ins Freie und lässt die Ballons fliegen. Das Aufsteigen
der Ballons wird genau beobachtet. Vom Befüllen des Ballons mit Wasserstoff-Luftgemischen
oder mit Wasserstoff-Sauerstoffgemischen ist dringend abzuraten!
Ergänzende Informationen:
Das Luftschiff Hindenburg flog im Mai
1937 von Frankfurt nach New York. Kurz vor der Landung am 6. Mai, beim
Anflug auf den Ankermast, fing der Lack der Außenhaut durch eine
elektrostatische Entladung Feuer und begann zu brennen. Das Feuer breitete
sich aus und griff auf die Gastanks über, so dass sich der ausströmende
Wasserstoff entzündete. Innerhalb von 30 Sekunden stand das 245 Meter
lange Luftschiff in Flammen und stürzte als riesiger Feuerball zu
Boden. 32 Menschen starben, wie durch ein Wunder überlebten 62 Passagiere
und Besatzungsmitglieder.
Demonstration
3: Die Böllerbüchse
Diese Demonstration sollte gut vorbereitet
werden, da die Gefahr besteht, dass der Inhalt der Büchse schon direkt
beim Zünden explodiert. Aus diesem Grund ist unbedingt eine Schutzbrille
zu tragen und der Kopf fernzuhalten. Die Schüler sind vor einem Knall
zu warnen und sollten sich während der Demonstration völlig ruhig
verhalten.
Eine hohe und unten offene Blechbüchse
mit ca. 1,5 Liter Inhalt wird oben mit einem 2mm großen Loch durchbohrt.
Dann legt man alle benötigten Geräte auf den Tisch, wo die Demonstration
vorgeführt werden soll: Die Büchse wird mit der Öffnung
nach unten mit einer Kante auf ein Streichholz gestellt, der Brenner und
ein Holzspan liegen bereit. Die Gasflasche wird zur Entnahme von Wasserstoff
vorbereitet. Der Brenner wird entzündet.
Nun stellt man die Büchse ein wenig
schräg und schiebt den Schlauch von der Gasflasche in die Büchse.
Das Loch wird mit einem Finger verschlossen. Danach lässt man Wasserstoff
langsam in die Büchse strömen. Da dabei mit einem Übermaß
an Wasserstoff gearbeitet wird - damit die Büchse auch wirklich voll
ist - empfiehlt sich das Einschalten der Raumbelüftung. Nach dem Entfernen
des Schlauchs wird der Finger vom Loch der Büchse weggenommen und
der ausströmende Wasserstoff mit einem brennenden Holzspan gezündet.
Film: Die
Böllerbüchse
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Sie zum Abspielen des Films auf das Bild
Beobachtungen:
Zunächst verbrennt der oben aus dem
Loch ausströmende Wasserstoff mit ruhiger Flamme. Nach ca. 1 Minute
ist ein hoher Ton wahrnehmbar, der allmählich tiefer wird, während
sich die Flamme langsam in die Büchse zurückzieht. Plötzlich
explodiert der Inhalt der Büchse mit einem lauten Knall, wobei die
Büchse angehoben wird. Eine Flamme schlägt dabei unten aus der
Büchse. Nach der Explosion fühlt sie sich warm an und ist innen
für kurze Zeit mit einem Beschlag benetzt.
Erklärungen:
Beim Ausströmen und Verbrennen des
Wasserstoffs füllt sich die Büchse von unten her allmählich
mit Luft. Nach einer Weile entsteht ein explosionsfähiges Wasserstoff-Luftgemisch,
das durch die sich hineinziehende Flamme gezündet wird.
Demonstration
4: Knallgas-Probe
Ein gebogenes Glasrohr mit Düse und
Rückschlagsicherung (Eisenwolle) wird an einem Stativ befestigt und
mit dem Entnahmeschlauch der Wasserstoff-Flasche verbunden. Die Raumlüftung
wird eingeschaltet! Dann leitet man einen schwachen Wasserstoffstrom durch
die Düse und führt zweimal eine Knallgasprobe durch:
a) Entnahme von Wasserstoff in einem umgekehrten
Reagenzglas direkt nach dem Öffnen des Gasventils und Durchführung
der Knallgasprobe (siehe Film)
b) Entnahme nach einer Weile und erneute
Durchführung der Knallgasprobe
Fällt die Knallgasprobe negativ aus,
bzw. ist nur ein "Blupp" zu hören und brennt der Wasserstoff ruhig
in das Reagenzglas, dann kann der ausströmende Wasserstoff an der
Düse gezündet werden. Bei einem lauten "Pfiff" darf noch nicht
gezündet werden. Der Pfiff kann auch absichtlich herbeigeführt
werden, wenn man das Reagenzglas nicht ganz voll mit Wasserstoff füllt.
Filme: Positive
und negative Knallgasprobe
Klicken
Sie zum Abspielen der Filme auf die Bilder
Freiwillige können die Knallgasprobe
dann selbst vorführen. Im Anschluss an diese Demonstration eignet
sich auch die Durchführung der Schülerübung "Herstellung
von Wasserstoff".
Demonstration
5: Die Wasserstoff-Orgel
Eine lange, dicke Glasröhre von mindestens
60cm Länge und 3cm Dicke wird senkrecht in ein Stativ gespannt. Man
entzündet an einer Düse ausströmenden Wasserstoff (siehe
Demonstration 4) und schiebt die Düse mit der brennenden Flamme von
unten in die Glasröhre. Durch Regulieren des Gasstroms wird die Höhe
der Flamme größer und dann wieder kleiner gestellt.
Film: Die
Wasserstoff-Orgel
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Sie zum Abspielen des Films auf das Bild
Beobachtungen:
Je nach Größe der Röhre
entsteht ein Ton, der durch die Flammenhöhe geringfügig moduliert
werden kann.
Erläuterungen:
Das Phänomen wurde im Jahre 1777
von dem englischen Arzt Bryan Higgins (1737-1818) erstmals entdeckt. Die
in einem Rohr singende Wasserstoff-Flamme wurde bald als "chemische Harmonika"
in vielen Vorlesungssälen vorgeführt. Selbst Johann Wolfgang
von Goethe war von der Demonstration begeistert. Die Erklärung für
das Phänomen lieferte Michael Faraday im Jahre 1818: Beim Verbrennen
von Wasserstoff entstehen viele kleine Knallgasexplosionen, die die Luftsäule
im Rohr zum Schwingen anregen. Im Jahre 1882 wurden in Paris sogenannte
"Lustres chantantes" gebaut, orgelähnliche Tasteninstrumente mit gläsernen
Röhren, in denen Wasserstoff-Flammen Töne erzeugten. Aufgrund
der akuten Knallgas-Gefahr konnte sich die Wasserstoff-Orgel jedoch nicht
durchsetzen.
Demonstration
6: Verbrennungsprodukte von Wasserstoff
Zu diesem Versuch liegt auch ein Arbeitsblatt
vor.
Zunächst werden alle benötigten
Geräte (siehe Grafik unten) auf den Experimentiertisch gelegt, so
dass alle beteiligten Schüler die Geräte deutlich sehen. An einer
Düse wird ausströmender Wasserstoff nach negativer Knallgasprobe
entzündet. Nun hält man für kurze Zeit einen kalten Rundkolben
in die Flamme. Auf der Außenseite bildet sich ein Beschlag, der nach
einigen Sekunden wieder weggeht oder mit einem Lappen weggewischt werden
kann. Die Schüler äußern nun Vermutungen über den
Beschlag. Dabei ergeben sich Fragen, zum Beispiel:
-
Handelt es sich bei dem Beschlag um Wasserdampf?
-
Woher kommt der Beschlag, aus der Luft oder
aus der Flamme?
-
Wie lässt sich beweisen, dass es sich
um Wasserdampf handelt?
-
Wie lassen sich größere Mengen
des Beschlags herstellen?
Zur Beantwortung der Fragen sind weitere Experimente
notwendig. Hält man ein Becherglas mit der Öffnung nach unten
in die Flamme, tritt der Beschlag im Becherglas auf. Diese Demonstration
weist darauf hin, dass das Phänomen mit der Flamme zu tun hat. Der
Beschlag rührt offenbar von der Flamme her. Vielleicht äußern
die Schüler die Vermutung, dass der Beschlag ein Verbrennungsprodukt
des Wasserstoffs ist. Gemeinsam mit den Schülern wird dann eine Apparatur
entwickelt, die das Herstellen einer größeren Menge dieses Verbrennungsprodukts
ermöglicht. Ein Kühlgefäß zum Kondensieren eines Gases
kennen die Schüler bereits von der Destillationsapparatur her.
Nach dem Einschalten der Wasserstrahlpumpe
wird durch die Apparatur Luft gesaugt. Die Schüler sehen das Sprudeln
in der Gaswaschflasche. Nun stellt man die Wasserstoff-Flamme unter den
Trichter und fährt die Hebebühne mit dem Kühlwasser hoch,
so dass das U-Rohr gekühlt wird.
Beobachtungen:
Im U-Rohr bildet sich ein wasserähnlicher
Beschlag. Nach einer Weile formen sich Tröpfchen, die sich am Boden
sammeln. Hat sich ein Bodensatz einer Flüssigkeit gebildet, schaltet
man die Wasserstrahlpumpe aus und entfernt die Wasserstoff-Flamme. Mit
Hilfe von weißem Kupfer(II)-sulfat
oder mit Wassernachweispapier ("Watesmo") kann bewiesen werden, dass es
sich um Wasser handelt.
Theorie:
Bei der Verbrennung von Wasserstoff entsteht
Wasserstoffoxid, das den Schülern als Wasser bereits bekannt ist.
Dieser Vorgang ist exotherm, da dabei Energie frei wird. Die Herstellung
eines Stoffes durch eine Stoffvereinigung nennt man Synthese:
Wasserstoff + Sauerstoff
-----> Wasserstoffoxid (=Wasser)
2 H2
+ O2
----->
2 H2O
DHR
= -572kJ/mol
Demonstration
7: Analyse von Wasser
Bei der Synthese von Wasser
wurde aus Wasserstoff und Sauerstoff in einer exothermen Reaktion das Wasser
gebildet. Es stellt sich nun die Frage, ob dieser Vorgang auch umkehrbar
ist.
Zur Durchführung der Demonstration
wird ein Hofmannscher Wasserzersetzungsapparat mit 10%iger Schwefelsäure
gefüllt. Auf die Platinelektroden gibt man eine Spannung von 15 Volt
und wartet ab, bis eine größere Gasmenge entstanden ist. Die
Schüler werden befragt, wie sie die Beobachtungen interpretieren.
Beobachtungen:
Am Pluspol und am Minuspol der Platinelektroden
steigen Bläschen auf. Am oberen Ende der Gassammelrohre sammeln sich
durch Wasserverdrängung Gase, wobei am Minuspol etwa die doppelte
Gasmenge entsteht. Der am Minuspol entstehende Wasserstoff lässt sich
mit der Knallgasprobe nachweisen. Der am Pluspol entstehende Sauerstoff
wird mit der Glimmspanprobe nachgewiesen: Man öffnet den Hahn vorsichtig
und hält einen glimmenden Holzspan an das ausströmende Gas. Dabei
ist ein kurzes Aufflammen zu beobachten.
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Theorie:
Bei der Zerlegung von Wasser durch Elektrolyse
entstehen die Gase Wasserstoff und Sauerstoff.
Da dabei ständig Energie in Form von elektrischem Strom zugegeben
werden muss, handelt es sich bei dem Vorgang um eine endotherme Reaktion.
Die Zerlegung eines Stoffes nennt man Analyse:
Wasser
-----> Wasserstoff + Sauerstoff
2 H2O ----->
2 H2 +
O2 DHR
= +572kJ/mol
Demonstration
8: Wasserstofftechnologie
Auch zu dieser Demonstration liegt ein
Arbeitsblatt vor.
Der Hofmannsche Wasserzersetzungsapparat
kann mit Hilfe eines großen Solarzellenmoduls betrieben werden. Der
Wasserstoff dient dabei als Energiespeicher (Näheres siehe >Wasserstofftechnologie).
Die Apparatur wird so aufgebaut, dass die Solarzellen eine 12-Volt-Autobatterie
aufladen, wenn der Hofmannsche Apparat nicht angeschlossen ist. Zur direkten
Entnahme des Stroms von den Solarzellen werden von der Batterie die Steckverbindungen
abgezogen. Zum Schutz der Solarzellen wird eine Diode zwischen Batterie
und Solarzellen geschaltet. Diese verhindert das Zurückfließen
des Stroms von der Batterie zu den Solarzellen (vgl. Schaltplan):
Die Apparatur verdeutlicht die beiden
wichtigen Prinzipien der Energiespeicherung: Sie ermöglicht die Produktion
von Wasserstoff auch wenn keine Sonne scheint.
Ergänzende Informationen:
Wasserstoff ist ein umweltfreundlicher
Brennstoff, der die bisherigen fossilen Energieträger wie Erdöl,
Erdgas oder Kohle in naher Zukunft vielleicht ersetzt. Das Gas kann mit
Hilfe der Sonnenenergie gewonnen werden. Ein Nachteil der Sonnenenergie
ist die fehlende Stetigkeit der Sonnenscheindauer und der Intensität.
Nachts liefert die Sonne keine Energie. Außerdem scheint die Sonne
in unseren Breitengraden nur etwa 1300 bis 1900 Stunden pro Jahr. Im Winter
ergeben sich zusätzlich Probleme, da die Sonne dann einen flachen
Einfallswinkel hat und weniger Energie spendet. Wasserstoff löst das
Problem der Energiespeicherung und ist ein umweltfreundlicher Brennstoff:
Statt mit einem Benzinmotor kann ein Auto
mit einem Wasserstoffmotor betrieben werden. Wasserstoff ist umweltfreundlicher
als Benzin, da die Abgase nur sehr wenig Schadstoffe enthalten.
Der Wasserstoff beim Wasserstoffauto wird
in flüssiger Form getankt und transportiert. Ein 140 Liter Wasserstoff
umfassender Tank wiegt rund 100kg, wobei 10kg auf den Wasserstoff entfallen.
Da flüssiger Wasserstoff eine Temperatur von ca. -250°C besitzt,
muss der Tank gegen die Wärme von außen isoliert werden. Zwischen
Innen- und Außentank befindet sich ein luftleer gepumpter Zwischenraum
von ca. 3cm Dicke. Dadurch ist eine optimale Isolierung wie bei einer Thermoskanne
gewährleistet.
Wasserstoffautos - z.B. von BMW - sind
mit einem wasserstoffbetriebenen Motor ausgestattet, manche Modelle können
sogar auf Benzinbetrieb umgeschaltet werden. Zur Erzeugung von elektrischem
Strom dient eine Brennstoffzelle. Diese wandelt chemische Energie direkt
in elektrische Energie um. Sie ersetzt im Wasserstoffauto die Lichtmaschine.
Zur Erzeugung von Strom strömen in der Brennstoffzelle Wasserstoff
und Luft an Elektroden vorbei, wobei eine Spannung entsteht. Es handelt
sich dabei um den umgekehrten Vorgang der Elektrolyse.
Links:
2 Bilder mit freundlicher Genehmigung
der BMW (>Wasserstoffzeitalter
bei BMW)
