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Volumenverhältnisse bei Knallgasreaktionen
Nur für Lehrkräfte geeignet

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Stoffe  Wasserstoff und Sauerstoff aus der Gasflasche
Geräte  7cm langes Schlauchstück eines Vakuum-Druckschlauches, Gummis, 2 Stecknadeln, Piezokeramischer Zünder, 2 Krokoklemmen und 2 Kabel, zwei 50ml-Spritzen, evt. Kolbenprober, Stativ
Sicherheit  
Die Hinweise beim Umgang mit Laborgasen sind zu beachten. Das Tragen einer Schutzbrille für alle im Raum ist Vorschrift! Bei den Reaktionen ist stets der Mund zu öffnen. Eine Schutzscheibe sichert die Zuschauer zwar zusätzlich vor der direkten Druckwelle, sie führt aber zu einer höheren Gefahr für die Lehrkraft. Dann wäre ein Gehörschutz angesagt. Es dürfen in einem Raum niemals mehr als 30ml Wasserstoff-Sauerstoff-Gemisch auf einmal gezündet werden! Der Sicherheitsabstand für die Ohren der Lehrkraft beträgt mindestens 2 Meter, daher sollte nur ein Piezozünder mit einem entsprechend langen Kabel eingesetzt werden. Niemals dürfen sich ungeschützte Ohren in der unmittelbaren Nähe einer Knallgasreaktion befinden. Für die Zuschauer beträgt der Sicherheitsabstand etwa das Doppelte. Ein Fenster seitlich kann zur Druckentlastung geöffnet werden. Zwischen Versuchsaufbau und offenem Fenster dürfen sich dann aber keine Personen ohne Gehörschutz aufhalten.

 
Didaktische Bemerkungen
 
Das Gesetz der Massenerhaltung besagte, dass Masse bei chemischen Reaktionen nicht verloren geht. Bei genaueren Untersuchungen und Experimenten stellt sich heraus, dass Reaktionspartner immer in bestimmten Mengenverhältnissen reagieren (Joseph Louis Proust), so auch bei der Reaktion von Kupfer und Schwefel: Eine bestimmte Menge Kupfer reagiert mit einer bestimmten Menge Schwefel zu Kupfersulfid. Wird das Mengenverhältnis nicht eingehalten, reagieren die Reaktionspartner nicht vollständig. Gase reagieren sogar im Volumenverhältnis kleiner, ganzer Zahlen (Gay Lussac). Mit Hilfe eines Eudiometers können diese Verhältnisse bestimmt werden. Für die Schule eignet sich ein Low-Cost-Gerät, das mit einfachen Mitteln zusammengebaut werden kann und gute Ergebnisse liefert (beschrieben in der Literatur als "Lubalex").
 

Vorbereitende Arbeiten

Der Eudiometer besteht aus einem einfachen 7cm langen Schlauchstück eines Vakuum-Druckschlauchs, an den zwei Luftballons angeschlossen sind. Die beiden Ballons werden vorher zur Dehnung mehrfach aufgeblasen und wieder entspannt und dann am Schlauchstück mit zwei satten Gummis befestigt (siehe Bild). Zur elektrischen Zündung sticht man zwei Stecknadeln in den Hohlraum des Schlauchstücks und achtet dabei darauf, dass die Nadeln einen möglichst minimalen Abstand im Hohlraum haben, ohne sich zu berühren.
 
 
Eudiometer
Zünder
Low-Cost-Eudiometer
Umgebauter piezokeramischer Zünder
 
 
Der Zünder wird aus einem piezokeramischen Zündelement gebastelt (Firma Conrad) oder durch Umbau eines Gasanzünders hergestellt (siehe Bild). An die Enden der Kabel lötet man zwei Krokoklemmen, die dann mit den Stecknadeln des Eudiometers verbunden werden. Durch den Einblick in den Schlauch von der Seite kontrolliert man, ob zwischen den Stecknadeln ein Zündfunke auftritt. Die Gasentnahme aus den Gasflaschen erfolgt mit Hilfe von 50ml-Spritzen und dünnen Kanülen, wie sie in Apotheken erhältlich sind.
 
 
Durchführung der Demonstration

Zunächst wird mit der Kanüle einer Spritze in den Gummischlauch gestochen und die gesamte Luft evakuiert. Der Vakuum-Druckschlauch ist so elastisch, dass beim Herausziehen der Kanüle die Öffnung wieder vollständig verschlossen wird. Zwei Spritzen werden mit den Gasen Sauerstoff und Wasserstoff gefüllt. Das Einfüllen der Gase in den Eudiometer erfolgt durch einfaches Durchstechen des Gummischlauchs. Die Reaktion bei verschiedenen Gasmischungen wird getestet.
 
 
Bild
 
 
Beobachtungen: Je nachdem welche Gasmischung vorliegt, erfolgt ein kurzer, heftiger Knall. Die Ballons blasen sich kurz auf und fallen dann wieder zusammen. Bei optimaler Mischung (siehe Tabelle) sind die Ballons nach der Reaktion wieder ganz zusammengezogen. Gibt man ein Gas im Überschuss hinzu, bleibt Gas in den Ballons auch nach der Reaktion zurück. Das verbleibende Gasvolumen kann durch Herausziehen des Gases mit einer leeren Spritze oder einem Kolbenprober gemessen werden.
 
 
Mischungsverhältnis
H2  :  O2
Reaktion
Ergebnis bei den
Ballons (optisch)
Messung des
Restgases
20ml : 10ml
heftiger Knall
vollständiges
Zusammenziehen
0 ml
10ml : 10ml
schwächerer Knall
geringe Restmenge
ca. 10ml
10ml : 20ml
geringer Knall
größere Restmenge
ca. 15ml
 
 
Der Eudiometer verkraftet etwa die doppelte Menge an Gas, allerdings ist dann schon mit einem sehr lauten Knall zu rechnen. Daher sollte nicht mehr als die angegebene Menge eingesetzt werden. Aufgrund der Messergebnisse kann auch die chemische Formel von Wasser vermutet werden: In einem Wassermolekül müssen Wasserstoff- und Sauerstoffatome im Verhältnis 2:1 vorliegen.
 
Theorie: Wasserstoff und Sauerstoff reagieren in einer stark exothermen Reaktion zu Wasser:
 
2 H2  +  O2   2 H2O     ΔHR = -572 kJ/mol
 
Da bei dieser Reaktion keine Feststoffe verwendet werden und keine Volumenzunahme durch entstehende Gase auftritt, dehnen sich die Ballons nicht wesentlich aus, was beispielsweise bei der Explosion eines Sprengstoffes wie beim Airbag zu erwarten wäre. Mit einem stöchiometrischen Gasgemisch wurde bereits bei der Chlor-Knallgas-Reaktion gearbeitet. Darauf kann nochmals hingewiesen werden.
 
 
Literatur
  • S. Nick, I. Parchmann, R. Demuth: Chemisches Feuerwerk, Aulis-Verlag, 2001
  • Heinz Böhland: Chemische Schulexperimente, Band 5, Verlag Harri Deutsch 1979
 
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