„Film“ der Einheit „Wasserstoff“ · 40 g Magnesiumoxid (N A MgO - Formeleinheiten) 2 g Wasserstoff (N A H2 - Moleküle) Formeln für die Stöchiometrie (chemisches Rechnen)

M. W. Tausch Chemie kompakt1.Teil „Wasserstoff“

Vorkommen imUniversum undauf der Erde

Atombau undPlatz des Was-serstoffs im PSE

Kovalente Bindung(Atombindung)im H2 - Molekül

Eigenschaften desWasserstoffs: Dichte,Diffusion, Verbrennung

Relation: Struktur -Eigenschaften amBsp. brennbarer Gase

VerbrennungsvorgangReaktionsgleichungenReaktionsenthalpie

Molare GrößenH2 und andere GaseZustandsgleichung

Reaktionsgeschwin-digkeit (H2-Bildung)Kollisionshypothese

Aktivierungsenergieund Katalyse amBsp. der H2-Oxidation

Technische Herstellung und aktuelle Nutzung von Wasserstoff

Wasserstoff alsEnergieträger derZukunft

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

„Film“ der Einheit „Wasserstoff“

Wasserstoff

- häufigstes Element des interstellaren Raums- ca. 84 Gew.%der Sonne


t = 0: D = 1096 g/cm3; T = 1032 KE = mc2

t = 1 s (vor 18.109a): T = 1010 K

Wasserstoff auf dem Planeten Erdenur gebunden (Wasser, Erdgas, Erdöl, Zucker, Fette, Eiweiße ..)


- 0,88 Gew.%der Erdkruste- 10 % des Gewichts eines Menschen


Kern-Hülle Modelldes Atoms

Lit. [1]: S. 126-127


Ionisierungsenergiender Elemente

Schalen-Modell derElektronenhülle

Periodensystem der Elementeund Atombau

Lit. [1]: S. 130-133

ExperimentEntfärbung von Methylenblau mit nascierendem Wasserstoff


1.Experiment

2.Hypothese

3.Fakten

4.Modell

Elektronenpaarbindungoder

kovalente Bindungoder

Atombindung

⇑⇑⇑⇑

⇒⇒⇒⇒

⇒⇒⇒⇒

Wasserstoff-Molekülesind zweiatomig: H2

3.Fakten


Lit. [1]: S. 146-147

Wasserstoff physikalische und chemische

Eigenschaften


Lit. [1]: S. 78-81

ExperimenteBrenneigenschaften von Wasserstoff - Luftballon, Teedose


Wasserstofforgel


Dichte und Diffusion von Wasserstoff


Lit. [1]: S. 81; A: Welche Eigenschaften des Wasser stoffs werden hier deutlich?

Kerze in Wasserstoff


Lit. [1]: S. 78; A: Welche Eigenschaften des Wasser stoffs werden hier deutlich?

Explosionsgrenzen verschiedener Gas-Luft-Gemische

Gas untere obere Explosionsgrenze

Propan 2 % 10 %Benzindampf 1 % 11 %Ethin 4 % 82 %

Wasserstoff: 4 % 75 %


ExperimenteVerbrennung von Wasserstoff

im Vergleich zu:Isobuten



• Was geschieht bei einer Verbrennung?

• Wovon hängt es ab, wie viel Wärme verfügbar wird?

• Wie lässt sich das exakt formulieren und berechnen?

Antoine Laurent Lavoisier, um 1777:a) Wasserstoff und Sauerstoff durch Wasserthermolyseb) Sauerstofftheorie der Oxidation

a) H2O(l) →→→→ 2H2(g) + O2(g)

b) 2Fe(s) + O2(g) →→→→ 2FeO(s)


Lit. [1]: S. 40-43

M. W. Tausch Chemie kompakt1.Teil „Wasserstoff“ Reaktionsenthalpie∆∆∆∆HR

DefinitionWärme, die bei einer unter konstantem Druckverlaufenden Reaktion zugeführt werden mussoder abgegeben wird, bezeichnet man als Reak-

tionsethalpie∆∆∆∆HR.

Molare EnthalpienAufgabe:

Der Brennwert von Glucose (Traubenzucker) C6H12O6ist 17 kJ/g. Berechnen Sie die molare

Verbrennungsenthalpie.

Lit. [2]: S. 98; A: Lösen Sie die Aufgabe aus dem o ben stehenden Kasten


Stoffportionen von jeweils n = 1 mol Jede dieser Stoffportionen enthhältNA = 6,022 . 1023 Teilchen. Das sind:

18 g Wasser (NA H2O - Moleküle)32 g Schwefel (NA S - Atome)63,5 g Kupfer (NA Cu - Atome)12 g Kohlenstoff (NA C - Atome)40 g Magnesiumoxid (NA MgO - Formeleinheiten)2 g Wasserstoff (NA H2 - Moleküle)

Formeln für die Stöchiometrie(chemisches Rechnen)

Die Stoffmenge n

Lit. [1]: S. 96-97; Lit.[2]: Formelsammlung


Avogadround die

Gase

Lit. [1]: S. 91


• Wie schnell verläuft eine Reaktion?

• Was ist die Reaktionsgeschwindigkeit?

• Wovon hängt sie ab?


Definition der mittleren Reaktionsgeschwindigkeit:

vr = ∆n / ∆t [vr] = 1 mol . s-1

Definition der momentaten Reaktionsgeschwindigkeit:

vr(t) = dn / dt [vr] = 1 mol/s-1

Für Reaktionen in Lösungen:

vr = ∆c / ∆t [vr] = 1 mol . l-1 . s-1

Reaktionsgeschwindigkeit

Volumetrie

Lit.[2]: S. 32-33; A: Lösen Sie die Aufgabe aus B2, S. 32


Beeinflussung der Reaktionsgeschwindigkeit:- durch die Oberfläche der Edukte bei heterogenen Reaktionen, z.B. technischen Verbrennungensiehe Beispiel hier:

- durch die Konzetration der Edukte bei homogenen Reaktionen (Beispiele folgen später)- durch die Temperatur ( siehe: Aktivierungsenergie)

Kollisionshypothese

Lit.[2]: S. 32-33

ExperimentEntzündung von Wasserstoff auf verschiedene Arten:

- mit Flamme- mit Katalysator



Zünden einer Wasserstoffflamme mit Platin-Katalysator

Lit. [1]: S. 80-81

Reaktionsverlauf

Energie

Edukt

Aktivierungsenergie 1

Produkt

Aktivierungsenergie EAM. W. Tausch Chemie kompakt1.Teil „Wasserstoff“

Reaktionsverlauf

Energie

ProduktAktivierungsenergie 2

Aktivierungsenergie 1

Edukt

Produkt

mit Kat.

ohne Kat.

Edukt

Aktivierungsenergie und KatalysatorM. W. Tausch Chemie kompakt1.Teil „Wasserstoff“

Diffusion

Adsorption Reaktion

Desorption

Diffusion

Pt-Katalysator

Wasserstoff

Heterogene KatalyseM. W. Tausch Chemie kompakt1.Teil „Wasserstoff“

Herstellung von Wasserstoffa) durch Wasserspaltung:Thermolyse, Elektrolyse oder Photolyse

2H2O(l) →→→→ 2H2(g) + O2(g); ∆∆∆∆Go = +472 kJ

b) aus Erdgas, Erdöl oder Kohle (Wassergasprozeß)

CH4(g) + H2O(g) →→→→ 3H2(g) + CO(g); ∆∆∆∆Ho = +206 kJC(s) + H2O(g) →→→→ H2(g) + CO(g); ∆∆∆∆Ho > 0

c) bei der Chloralkalielektrolyse

2Cl-(aq) + 2H2O(l) →→→→ Cl2(g) + H2(g) + 2OH-; U ≈≈≈≈ 3 V


Wasserstoff Herstellung aus

55%32%

2%

10%1%

Öl

Erdgas

Chloralkali-Elektrolyse

Kohle

Sonstiges

Industrielle Wasserstoff-Produktionca. 500 Milliarden N-Kubikmeter H2/Jahr

(2% des Weltenergieverbrauchs)


Wasserstoff Verbrauch für

46%

20%

28%

6%

Chemische Industrie

Petrochemie

Prozeßw ärme

Sonstiges

Wofür wird Wasserstoff verbraucht ?500 Milliarden N-Kubikmeter H 2/Jahr

(2% des Weltenergieverbrauchs)


Wasserstoff als Raketentreibstoff


Challenger-Shuttle 1986


Das Ende der Hindenburg 1937


Wasserstoff als Treibstoff für Nutzfahrzeuge


Erste öffentliche Tank-stelle der Welt für Flüssigwasserstoff

eröffnet am 5.5.1999FJS-Flughafen München

Wasserstoff als Treibstoff für NutzfahrzeugeM. W. Tausch Chemie kompakt1.Teil „Wasserstoff“

Energieträger im Vergleich

• 1 kg Wasserstoff speichert

• mehr als doppelt so viel

• Energie wie 1 kg Benzin.

• Neben den Energieträgern im

• Diagramm sind auch folgende

• Vergleichszahlen interessant:

• Blei-Akku: 0,04 kWh/kg

• Uran: 200000 kWh/kg

Speichervermögen

0

5

10

15

20

25

30

35

Methan

olStei

nkoh

le

Heizöl

Dieselö

l

Benzin

Flüss

iggas

Was

sers

toff

Speichertyp

kWh

/ kg


E(Sonne/a) = 100 x Weltreserven

Verfügbare Energien

3 1024 J/a 1012 a . .

Jahreseinstrahlung

2,5 1022 J .

Kohle + Erdöl + Erdgas + Uran

Weltreserven

. 100


Solar-Wasserstoffszenario


Lit. [1]: S. 80-81


AktivierungsenergieAtombindungAtomkernAtommasseAvogadro-Konstante NABrennstoffzelleDiffusionElektronElektronenhülleElektronenpaarbindungElementendergonischendothermEnergiediagrammEnergiespeicherdichteEnergieträgerexergonischexotherm

ExplosionsgrenzenGruppeIsotopKatalysatorKnallgasgemischkovalente Bindungmolare Masse Mmolares Volumen unter NB, (Vmn = 22,41 l/mol)molares Volumen VmNeutronNuklidOrdnungszahlPeriodeProton

PSE (Periodensystem derElemente)RadionuklidReaktionsenthalpie∆ HRReaktionsgeschwindigkeitRutherford-VersuchSchalenmodellSolarwasserstoffStoffmenge nUrknallVolumetrieWasserstofftechnologie

Zustandsgleichung der Gase

Begriffe für das Glossar


Übungen zur Einheit „Wasserstoff“

Lit. [1], S. 134: A7 bis A11 (Schalenmodell der Ele ktronenhülle)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 Reaktionsgleic hungen)Lit. [1], S. 100: A3 bis A6 (Stöchiometrie)

Vgl. auch die Aufgaben von den Folien Nr. 18 und Nr . 22

CD-ROMergänzend zu

den Lehrbüchern

www.chemiedidaktik.

uni-wuppertal.de

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Online Ergänzungen

Lit.[1]Lit.[2]

Lit.[3]: Atkins …

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„Film“ der Einheit „Wasserstoff“ · 40 g Magnesiumoxid (N A MgO - Formeleinheiten) 2 g Wasserstoff (N A H2 - Moleküle) Formeln für die Stöchiometrie (chemisches Rechnen)