Wasser – ein besonderer Stoff (S. 142/143) · von Wasser. b) Muss viel Energie eingesetzt werden, um Wasserstoff aus anderen Stoffen zu gewinnen, so ist der Einsatz von Wasserstoff

5 Wasser und Wasserstoff

78 Elemente Chemie 8 – 10 Baden-Württemberg

Wasser – ein besonderer Stoff (S. 142 / 143)

A1 Durch Transpiration der Pflanzen und durch Verdunstung von See- und Meerwasser gelangt Wasser als Wasserdampf (Luftfeuchtigkeit) in die Atmosphäre. Dort kann es über weite Strecken transportiert werden. Durch Niederschläge kann das Wasser wieder zurückgelangen und bildet Ober- flächenwasser. Im Hochgebirge entstehen schneebedeckte Berge. Durch Flüsse und Seen gelangt das Wasser ins Meer. Es kann auch Versickern und mit der Grundwasserströmung dem Meer zufließen. Niederschläge können auch über dem Meer entstehen.Teilkreisläufe:

– Verdunstung über einem See – Wasserdampf – Niederschläge – Oberflächenwasser – Seewasser – Verdunstung von Meerwasser – Niederschläge über dem Meer – Verdunstung von Meerwasser – Wasserdampftransport – Niederschläge – Versickerung –

Rückfluss zum Meer – Transpiration – Wasserdampf – Niederschläge – Oberflächenwasser – Flusswasser

A2 Das Wasser bewegt sich in einem Kreislauf. Wenn Wasser von der Erdoberfläche verdunstet, steigt es als Wasserdampf in höhere Luftschichten. Dort sammelt es sich in Wolken, aus denen es abregnet. Es kehrt so zur Erdoberfläche zurück. Wenn Wasser am Boden versickert, gelangt es ins Grundwasser, das in die Meere zurückfließt. Auch Wasser, das in Bächen und Flüssen abläuft, gelangt in die Meere. Das Wasser verschwindet also nie.

A3 Die Pumpe für den Wasserkreislauf ist die Sonne. Die Sonneneinstrahlung liefert die Energie, die das Eis schmelzen und das Wasser verdunsten lässt, sodass das Wasser aufsteigen kann.

A4 Im Sommer bildet sich eine Schichtung aus, bei der sich das von der Sonne bzw. Luft erwärm-te Wasser mit temperaturbedingter niedriger Dichte an der Oberfläche befindet. Das kühlere Wasser mit größerer Dichte bildet die tieferen Schichten.Im Winter wird durch die kalte Luft das Oberflächenwasser abgekühlt. Es sinkt ab bis zu einer Schicht gleicher Temperatur. Wird durch Abkühlung eine Oberflächentemperatur von 4 °C erreicht, ist die Schichtung aufgehoben, d. h., Oberflächen- und Tiefenwasser haben die gleiche Temperatur. Bei weiterer Abkühlung der Oberfläche dehnt sich das Wasser wieder aus, die Dichte nimmt ab. Als Folge entsteht eine kältere Deckschicht über dem tieferen Wasser (mit einer Temperatur von 4 °C). Bei 0 °C entsteht eine auf dem Wasser schwimmende Eisdecke.

A5 φ (Trinkwasser) =

V (Trinkwasser) _____ V (gesamtes Wasservolumen) = 7 5 3 k m 3 __ 111 5 3 k m 3 = 3 ⋅ 1 0 –4 = 0,03 %

A6 Siehe Internet oder Tagespresse.

A7 Gibt man z. B. über eine Suchmaschine im Internet „Cavendish Wasserstoff“ ein, bekommt man viele Adressen, bei denen man sich informieren kann.Kurz und bündig ist die Information bei „Wikipedia“ (www.wikipedia.de). Vor allem die Adresse „Was ist was“ (http: / / www.wasistwas.de) ist für die Jahrgangsstufe gut zu gebrauchen.Cavendish (Lord Henry) beschreibt die Entdeckung eines unbekannten Gases, das er unechte oder brennbare Luft nennt, in den 1766 erschienenen „On factitious airs“ (Über künstliche Gase). Er erhielt es durch Reaktionen von Metallen (Quecksilber, Eisen, Zink, Zinn) mit Luft. 1781 schrieb er über die Verbrennung des Wasserstoffs unter Bildung von Wasser.

A8 Individuelle Lösung

A9 Wenn der zur Herstellung von Wasserstoff benötigte Strom durch Solarenergie gewonnen wird, entsteht kein Kohlenstoffdioxid, wie es bei der Gewinnung von elektrischem Strom durch Verbrennung fossiler Energieträger der Fall wäre.

A10 Vier Steckbausteine (z. B. weiß) mit je 1 Noppen (für zwei H 2 -Moleküle) einzeln und zwei Steckbausteine (z. B. rot) mit je 2 Noppen zusammengesteckt zu einer Einheit (für ein Sauerstoff-Molekül) werden so zusammengesteckt, dass zwei Einheiten aus einem „Wasserstoff-Zweier“ und einem „Sauerstoff-Einser“ gebildet werden (zwei Wasser-Moleküle).

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5.1 Wasser und die chemische Formel H 2 O (S. 144 / 145)

A1 Da Wasser sich in zwei Reinstoffe, Sauerstoff und Wasserstoff, zerlegen lässt, ist es kein elementarer Stoff, sondern eine Verbindung.Oder: Da Magnesium mit Wasser oxidiert werden kann und gleichzeitig ein weiterer Stoff entsteht, ist Wasser kein elementarer Stoff, sondern eine Verbindung. (In der antiken Naturphilosophie wurde Wasser zusammen mit Feuer, Erde und Luft als Element bezeichnet.)

A2

A3 Das glühende Eisen reagiert mit dem Wasser (vgl. die Reaktion von Wasser mit dem Metall Magnesium). Dabei wird das Wasser zerlegt. Es entsteht Sauerstoff und Wasserstoff. Der entstandene Sauerstoff reagiert mit dem heißen Eisen zu Eisenoxid.

A4 Am Minus-Pol, der Kathode, entsteht Wasserstoff. Er lässt sich mithilfe der Knallgasprobe (Kap. 5.2) nachweisen.Am Plus-Pol, der Anode, entsteht Sauerstoff. Er kann durch die Glimmspanprobe nachgewiesen werden (Kap. 3.6).

A5 Lässt sich Wasser nur aus den beiden elementaren Stoffen Wasserstoff und Sauerstoff mithilfe einer chemischen Reaktion bilden, so ist klar, dass es sich um eine Wasserstoff-Sauerstoff-Verbindung handelt. Ansonsten könnten auch noch andere Atomarten am Aufbau der Stoffteilchen des Wassers beteiligt sein.

V1 Das Becherglas beschlägt, es setzt sich ein Flüssigkeitsfilm ab.

V2 Das zu verwendende Reaktionsrohr muss zwei Eigenschaften besitzen: – Es darf trotz großer Temperaturunterschiede nicht springen, es muss also aus Quarz sein. – Es muss lang genug sein, damit die Verbindungsstelle zum U-Rohr nicht zu stark erhitzt wird.

Zuerst öffnet man das Ventil zur Wasserstoffzufuhr, entzündet sofort den aus der Düse austretenden Wasserstoff an der Luft und stellt eine kleine Flamme ein. Dann lässt man den Sauerstoff ausströmen. Nun wird die Düse vorsichtig in das Quarzrohr eingeführt. Die Flamme brennt anfangs gelblich (aufgrund der Natrium-Ionen, die sich im Glas befinden) und später bläulich. Durch einen Überschuss an Sauerstoff muss sichergestellt sein, dass der Wasserstoff vollständig zu Wasser reagiert.

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Magnesiumband

nasser Sand

W asserstof f

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5.2 Eigenschaften von Wasserstoff (S. 146 / 147)

A1

Sauerstoff Stickstoff Wasserstoff Kohlenstoffdioxid

Eigenschaften gasförmig gasförmig gasförmig gasförmig

farblos farblos farblos farblos

geruchlos geruchlos geruchlos geruchlos

unterhält die Verbrennung

unterhält die Verbrennung nicht



nicht brennbar nicht brennbar brennbar nicht brennbar

Dichte größer als die der Luft

Dichte kleiner als die der Luft

Dichte kleiner als die der Luft

Dichte größer als die der Luft

Nachweise Glimmspanprobe positiv

Glimmspanprobe negativ

Plopp bei der Knall-gasprobe. Bei reinem Wasser-stoff ist die Knallgas-probe negativ.

Kalkwasserprobe

A2 Bedeutung der Gefahrenpiktogramme:links: Unter Druck stehende Gaserechts: Entzündbare Flüssigkeiten; Entzündbare Gase u. a.

A3 Wasserstoff bildet mit Luft explosive Gemische, wenn der Volumenanteil des Wasserstoffs zwischen 4 % und 75 % liegt. Um sich zu vergewissern, dass keine solch explosive Mischung, das sog. Knallgas, in der Apparatur vorliegt, führt man die Knallgasprobe durch.

A4 a) und b)Die Unfallserie begann am 11. März 2011 um 14:47 Uhr (Ortszeit) mit dem Tōhoku-Erdbeben und dem darauf folgenden Tsunami.Ab 15:35 Uhr trafen am Kraftwerk Tsunamiwellen mit einer Höhe von ungefähr 13 bis 15 Metern ein. Die an der Küste positionierten Meerwasserpumpen wurden zerstört; Wärme konnte nicht mehr an das Meerwasser abgegeben werden. Das Wasser lief in verschiedene Gebäude und überschwemmte dort fünf der zwölf laufenden Notstromaggregate und die meisten Stromverteilerschränke. Durch den Ausfall der Stromversorgung war keine ausreichende Kühlung mehr gewährleistet, um die Nachzerfallswärme aus den Reaktorkernen und Abklingbecken abzuführen. Die als letzte Notmaßnahme verwendbaren, dieselbetriebenen Pumpen des Feuerlöschsystems waren aus verschiedenen Gründen nicht einsetzbar. Es wurde kein frisches Kühlwasser mehr in die Reaktoren eingespritzt und das noch vorhandene Wasser verdampfte. Dadurch sank der Wasserstand ab und die Reaktorbrennstäbe waren zunächst teilweise, später gar nicht mehr von Wasser umgeben, wodurch sie sich aufgrund der Nachzerfallswärme weiter erhitzten.

Die Hüllen der Brennstäbe bestehen aus einer Zirkoniumlegierung. Bei Temperaturen ab etwa 800 °C reagiert das Zirkonium mit dem umgebenden Wasserdampf unter Bildung von Zirkoniumoxid und Wasserstoff. Die mit dem Oxidationsvorgang verbundene erhebliche Wärmeentwicklung treibt diesen weiter voran (exotherme Reaktion). Nachdem sich eine hinreichende Menge an Wasserstoff angesammelt hatte, kam es jeweils zu einer Wasserstoffexplosion, welche Teile des Gebäudes und Teile der darin enthaltenen Technik zerstörte.

A5 Nach dem Entzünden des Wasserstoffs am Loch der Dose oben brennt dieser zunächst mit hellblauer und damit fast unsichtbarer Flamme ab. Dadurch verringert sich das Wasserstoffvolumen in der Dose, Luft strömt von unten nach und durch Verwirbelungen bildet sich ein Wasserstoff-Luft-Gemisch in der Dose. Wenn der Wasserstoffanteil 75 % oder weniger beträgt, kommt es zur Explosion (siehe auch [A2]).

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V1 Beim Füllen des Ballons mit Wasserstoff darf keine Flamme in der Nähe sein, weil immer die Gefahr besteht, dass sich der Wasserstoff entzündet oder sich sogar ein Knallgasgemisch bildet, das bei Zündung explodiert.Die Entzündung sollte „mit einem langen Arm“ erfolgen, also mit einem möglichst langen Stabfeuer-zeug am ausgestreckten Arm. Die Brenndauer des Baumwollfadens sollte zuvor bestimmt werden, um ausreichend Zeit zu haben, sich zu entfernen.Der Knall ist eher dumpf, da reiner Wasserstoff verbrennt. Beim Platzen der Hülle ist lediglich im Rand- bereich der Gasblase ein zündfähiges Knallgasgemisch vorhanden. Anders verhält es sich bei [V3].

V2 Der Zylinder darf erst unmittelbar vor dem Experiment gefüllt werden. Bei längerer Wartezeit kann im Zylinder durch Diffusion Knallgas entstehen. Bei leichter Verdunklung lassen sich die Beob- achtungen besser machen.

Vorschlag für einen Tafelanschrieb zum Versuch

Durchführung Beobachtungen Erklärung

Brennende Kerze erreicht den Rand des Zylinders.

Schwache Verpuffung Das Wasserstoff-Luft-Gemisch entzündet sich.

Kerze wird in den Zylinder eingeführt.

Kerze erlischt. Wasserstoff unterhält die Ver-brennung nicht, Wasserstoff verbrennt ohne Sauerstoff nicht.

Kerze wird herausgezogen. Kerze brennt wieder. Kerze entzündet sich an dem am Zylinderrand verbrennen-den Wasserstoff. (Flamme kaum sichtbar !)

Der gesamte Vorgang wird wiederholt.

Zuletzt lässt sich die Kerze am Zylinderrand nicht mehr entzünden. Feuchtigkeitsbeschlag ist im Zylinder sichtbar.

Da die Flamme fehlt, kann sich die Kerze nicht wieder entzün-den. Bei der Verbrennung des Wasserstoffs entsteht Wasser.

V3 Beim Füllen eines Gefäßes mit Wasserstoff darf keine Flamme in der Nähe sein, weil immer die Gefahr besteht, dass sich der Wasserstoff entzündet oder sich sogar ein Knallgasgemisch bildet, das bei Zündung explodiert.Der durch das kleine Loch oben austretende Wasserstoff wird entzündet und brennt zunächst mit lautloser, fast unsichtbarer Flamme ab. Von unten strömt Luft nach und bildet mit dem noch in der Dose verbliebenen Wasserstoff ein Knallgasgemisch, das später durch die zurückschlagende Flamme gezündet wird. Ein Brummton, der in ein Heulen übergeht, kündigt die erwartete Explosion an. Vor dem Beginn des Experimentes werden die Schülerinnen und Schüler aufgefordert, den Mund zu öffnen (Druckausgleich, Schutz des Trommelfells).

5.3 Wasserstoff – ein Energieträger (S. 148)

A1 a) Man gewinnt Wasserstoff aus fossilen Brennstoffen, aus Biomasse oder mithilfe der Elektrolyse

von Wasser.b) Muss viel Energie eingesetzt werden, um Wasserstoff aus anderen Stoffen zu gewinnen, so ist der

Einsatz von Wasserstoff als Energieträger wenig effizient. Wird die Energie zur Gewinnung des Wasserstoffs aus regenerativen Energien bezogen, z. B. Sonnen- oder Windenergie, so kann Wasser- stoff als chemischer Energiespeicher sinnvoll eingesetzt werden.

A2 Betrieb eines Autos mit WasserstoffVorteile: – Abgase bestehen im Wesentlichen aus Wasserdampf. Es wird kein Kohlenstoffmonooxid bzw.

Kohlenstoffdioxid produziert. – Emission von umweltschädlichen Kohlenwasserstoffen entfällt.

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Nachteile: – Da nicht reiner Sauerstoff, sondern Luft als Oxidationsmittel dient, entstehen wegen der hohen

Temperaturen im Motor Stickstoffoxide. Allerdings entfällt das Problem bei Verwendung von Brennstoffzellen, da diese nicht so hohe Temperaturen zum Betrieb benötigen.

– Es werden spezielle Tankstellen benötigt. – Ein Wasserstoffspeicher („Wasserstofftank“) muss explosionssicher sein und besitzt eine große

Masse. – Der Betrieb des Autos ist zwar emissionsarm, nicht aber die Herstellung des Wasserstoffs, z. B.

durch Elektrolyse mit hohem Energieeinsatz.

5.4 Volumen und Teilchenanzahl von Gasen (S. 149)

A1 – Heißluftballon: Gas dehnt sich aus, Dichte sinkt. – Eine verschlossene, halb gefüllte PET-Flasche, steht in der Sonne. Die Flasche bläht sich auf (siehe

auch [A2]). Ebenso verhält es sich z. B. bei Wasserbällen oder Luftmatratzen, die nach dem Baden in der Sonne liegen.

– Wenn man einen Kochbeutel mit einem Fertiggericht in die Mikrowelle gibt, so dehnt sich die ent- haltene Luft beim Erwärmen ebenfalls aus und bläht den Beutel auf.

A2 Während das in [B1] gezeigte Beispiel, das Verhalten der Gase beim Erwärmen darstellt, lässt sich mit diesem einfachen Versuch der Fall des Abkühlens von Gasen bzw. von Luft ebenso beschrei-ben. Auf Stoffebene erkennt man, dass die Kunststoffflasche nach dem Abkühlen im Kühlschrank „zusammengedrückt“ aussieht. Auf Teilchenebene kann man das so erklären, dass durch den Entzug thermischer Energie die Anziehungskräfte zwischen den Stoffteilchen der Gase größer werden und dadurch die Abstände zwischen den Stoffteilchen geringer wird. Auf der Stoffebene wirkt sich das in einer Abnahme des Volumens (bei gleichem Druck) aus.

A3

ρ = m _ V , m (Sauerstoff) = 1,33 g _ l ⋅ 0,050 l = 0,0665 g

N (Sauerstoff-Moleküle) = m (Stoffportion)

_______ m (Sauerstoff-Moleküle in u) ⋅ 1,66 ⋅ 1 0 – 24 g

N (Sauerstoff-Moleküle) = 0,0665 g ___ 32 u ⋅ 1,66 ⋅ 1 0 – 24 g = 1,25 ⋅ 1 0 21

50 ml Sauerstoff enthalten 1,25 ⋅ 1 0 21 Moleküle Sauerstoff.

Hinweis: Im Schülerbuch der ersten Auflage hat sich leider der Druckfehlerteufel bemerkbar ge- macht. Wenn die Schülerinnen und Schüler mit der auf der Seite 149 in [B1] angegebenen Dichte von 1,142 g/l rechnen, erhalten sie als Ergebnis, dass 50 ml Sauerstoff 1,07 ⋅ 1 0 21 Moleküle Sauerstoff enthalten.

A4 Die Stoffteilchen haben eine unterschiedliche Masse bzw. Größe. Da die Dichte der Stoffteilchen = Masse der Stoffteilchen pro Volumen der Stoffteilchen ist, erklärt dies die unterschiedlichen Werte.

5.5 Bestätigung der Molekülformel von Wasser (S. 150 / 151)

A1 N 2 + 3 H 2 → 2 N H 3 Aus 4 Molekülen Edukten entstehen 2 Moleküle Produkte, d. h., das Volumen halbiert sich bei der Reaktion.

2 N 2 + O 2 → 2 N 2 O Aus 3 Molekülen Edukten entstehen 2 Moleküle Produkte, d. h., das Volumen verringert sich bei der Reaktion auf zwei Drittel.

C + 2 H 2 → C H 4 Aus 3 Molekülen Edukten entstehet ein Molekül Produkt, d. h., das Volumen verringert sich bei der Reaktion auf ein Drittel.

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A2 8 N H 3 + 6 N O 2 → 7 N 2 + 12 H 2 OAus 14 Molekülen Edukten entstehen 19 Moleküle Produkte, d. h., das Volumen erhöht sich bei der Reaktion.

A3 gegebene Größen: V m (Wasser) = 24 l/mol bei 20 °CM (Wasser) = 18 g/mol1 ml Wasser = 1 g Wasser

gesuchte GrößeV (Wasserstoff)

n (Wasser) = m (Wasser)

____ M (molare Masse Wasser) = 1 g __ 18 g/mol = 0,055 mol

Ferner gilt:

n (Wasser) = V (Wasser)

__ V m (Wasser)

Umstellung der Gleichung nach V (Wasser) ergibt:V (Wasser) = n (Wasser) ⋅ V m (Wasser)

= 0,055 mol ⋅ 24 l/mol = 1,33 ld. h., aus 1 ml flüssigem Wasser entstehen 1,33 l gasförmiges Wasser.

Reaktionsgleichung für die Elektrolyse von Wasser:2 H 2 O → 2 H 2 + O 2 d. h., aus 1,33 l gasförmigem Wasser entstehen 1,33 l Wasserstoff und 0,66 l Sauerstoff.

V1 Hinweis: Ob es sich bei dem „Restgas“ um Sauerstoff oder Wasserstoff handelt, lässt sich durch erneutes Einleiten eines dieser Gase und den anschließenden Zündversuch zeigen.

V2 Es ist wichtig, dass die Funkenstrecke während des Versuchs nicht abreißt. Der Wasserstoff muss in einem langsamen, aber kontinuierlichen Strom durch die Funkenstrecke gedrückt werden. Ein Zurückziehen des Kolbens ist unbedingt zu vermeiden. Dadurch würde ein explosives Gasgemisch in K I gelangen und zünden ! Durch gutes Festhalten des Kolbens kann vermieden werden, dass dies durch einen Druckanstieg in der Kugel durch die Temperaturerhöhung bei der Reaktion von selbst eintritt. Dieses kann v. a. auftreten, wenn K II schwergängig ist.

Bezugsquelle für die Apparatur (inkl. detaillierter Beschreibung):Zitt-Thoma GmbH, Laborbedarf / Glasbläser, Haslacher Str. 6, 79115 FreiburgAug. Hedinger, Heiligenwiesen 26, 70327 Stuttgart

5.6 Aktivierungsenergie und Katalyse (S. 152 / 153)

A1 Bei dieser Aufgabe geht es um einen anschaulichen Nachvollzug der Bildung von Molekülen, nicht um die Betrachtung experimentell nachgewiesener Reaktionsschritte.Durch diese Betrachtung wird aber deutlich, dass bei chemischen Reaktionen Bindungen getrennt und neu gebildet werden.Wenn Wasserstoff- und Sauerstoff-Moleküle mit großer Wucht zusammenstoßen, können die Mole- küle in Atome getrennt werden. In einem ersten Schritt kann sich z. B. ein Wasserstoff-Atom mit einem Sauerstoff-Atom verbinden, dieses Teilchen kann in einem zweiten Schritt mit einem weiteren Wasserstoff-Atom zu einem Wasser-Molekül reagieren. Es kann z. B. auch ein Sauerstoff-Atom mit einem Wasserstoff-Molekül zusammenstoßen und ein OH-Teilchen bilden, das dann weiter zu einem Wasser-Molekül reagiert.

A2 Zwischen den Platin-Atomen und den Wasserstoff- bzw. Sauerstoff-Molekülen herrschen An- ziehungskräfte. Die Moleküle haften an der Platinoberfläche. Dies bewirkt, dass die Atome in den Molekülen weniger fest zusammenhalten. Die Moleküle können also leichter gespalten werden als ohne die Einwirkung des Katalysators Platin. Nach der Bildung der Wasser-Moleküle lösen sich diese von der Platinoberfläche ab. Danach liegen die Platin-Atome wieder im Ausgangszustand vor und der beschriebene Vorgang kann mit weiteren Wasserstoff- und Sauerstoff-Molekülen erneut beginnen.

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ZusatzinformationEine Fehlvorstellung bei Schülerinnen und Schülern besteht z. B. darin, dass einem Reaktionsgemisch zunächst die gesamte Aktivierungsenergie bestimmter Größe zugeführt werden müsse, damit eine Reaktion ausgelöst werde. Es genügt aber, bei einem Reaktionsgemisch die Reaktion durch Zufuhr von Energie an einem – häufig sehr kleinen – Ort auszulösen.Die dann frei werdende Energie reicht aus, dass das ganze Gemisch mehr oder weniger zügig reagiert. Die Teilchenvorstellung wird auch von jüngeren Schülerinnen und Schülern als anschauliches Handwerkszeug genutzt. Es geht nicht um Reaktionsmechanismen. Entscheidend ist die Formulie-rung eines Übergangszustands, dessen Energie einen Maximalwert gegenüber allen anderen Zu- ständen des Reaktionsverlaufs hat. Der im Übergangszustand vorliegende aktivierte Komplex wird aus den reagierenden Teilchen gebildet.Es ist zweckmäßig, einen Reaktionsschritt zu betrachten, an dem nur drei Atome beteiligt sind. Die Reaktion eines Sauerstoff-Atoms mit einem Wasserstoff-Molekül ist hierfür geeignet.

Zu Beginn der Reaktion sind nur das Sauerstoff-Atom und das Wasserstoff-Molekül vorhanden. Bei genügend großem Abstand des Sauerstoff-Atoms vom Wasserstoff-Molekül entspricht die Gesamt-energie des Teilchensystems der Energie des Wasserstoff-Moleküls. Wird der Abstand der Wasser-stoff-Atome voneinander vergrößert, muss Energie aufgewendet werden. Die Gesamtenergie dieses Teilchensystems steigt an, bis der Zustand des aktivierten Komplexes erreicht wird. Dieser Zustand, der Übergangszustand, hat die höchste Energie. Bei der weiteren Annäherung des Wasserstoff-Atoms an das Sauerstoff-Atom bildet sich das OH-Teilchen, es wird Energie abgegeben. Je fester die Bindung zwischen dem O- und dem H-Atom wird, desto mehr Energie wird abgegeben. Gleichzeitig vergrößert sich der Abstand der beiden H-Atome.

In der obigen Abbildung ist also die Energie des Teilchensystems über dem H – H-Abstand aufgetragen. Dieser Weg, der vom H-Atom zurückgelegt wird, eignet sich als Reaktionskoordinate. Ihre Zunahme beschreibt hier den Platzwechsel des linken H-Atoms. Der Abstand der beiden H-Atome voneinander könnte z. B. in pm (Pikometer) angegeben werden.Durch derartige Betrachtungen kann deutlich werden, dass die Reaktionskoordinate ein Begriff der Teilchenebene und nicht der Stoffebene ist. Das oft gezeigte Diagramm „Energie über der Reaktions-koordinate“ sollte auf der Ebene von Atomen und Atomabständen verstanden werden. Über diesen Abständen wird die Energie eines Teilchensystems, nicht die Energie einer Stoffportion, aufgetragen.

A3 Durch das Verreiben in der Reibschale entsteht Reibungswärme, die das Reaktionsgemisch aus Kupfer und Schwefel aktiviert und damit die chemische Reaktion auslöst.

HinweisDer Versuch gelingt meist besser, wenn die Stoffe vorher getrocknet worden sind. Das Kupfer- und das Schwefelpulver sollten aber erst unmittelbar vor der Versuchsdurchführung gemischt werden, es sind bei vorher vorbereiteten Mischungen auch schon spontane Reaktionen erfolgt.

Teilchen der Ausgangsstoffe Teilchen der ReaktionsprodukteÜbergangszustand

: Abstand der H-Atome

H—H O—HO O

� �

H HH

Energie

Weg, der vom H-Atom zurückgelegt wird (Reaktionsweg)

Aktivierungs-energie

frei werdendeEnergie

O HH

O H H

OH H

Aktivierungsenergie. Auf dem Weg zur Bildung eines Wasser- Moleküls ist Energie zur Überwindung der Energiebarriere erfor- derlich. Im nächsten Schritt wird ein wei- teres H-Atom an das OH-Teilchen gebunden.



A4 Gründe können sein, dass dadurch die gewünschten Reaktionen rascher ablaufen oder bei niedrigeren Temperaturen ermöglicht werden. Wenn sie bei niedrigeren Temperaturen ablaufen, kann Energie eingespart werden.

V1 Gibt man zu einem Gasgemisch aus Wasserstoff und Luft in einem Reagenzglas eine Platin-Katalysatorperle hinzu, kann man zwei Beobachtungen machen: Zum einen erwärmt sich das Rea- genzglas, und zum anderen bildet sich an der Reagenzglaswand ein Beschlag. Dieser kann durch die Blaufärbung von Wassertestpapier als Wasser identifiziert werden. Wasserstoff und Sauerstoff haben ohne das Zuführen weiterer Energie bei Zimmertemperatur reagiert. Die Platin-Katalysatorperle liegt nach der Reaktion unverändert vor und kann weiter verwendet werden.Der Vorgang lässt sich auf der Teilchenebene erklären. Wasserstoff- und Sauerstoff-Moleküle bestehen jeweils aus zwei Atomen. Damit sie zu Wasser-Molekülen reagieren können, müssen sie zunächst in ihre beiden Atome getrennt werden.

An der Oberfläche der Katalysatorperlen lagern sich Wasserstoff- und Sauerstoff-Moleküle an den Platin-Atomen an. Die Bindungen zwischen den Atomen im Molekül werden geschwächt, sodass sie sich leichter trennen. Platin wirkt als Katalysator, indem es die Aktivierungsenergie der Reaktion verringert. Zwei Wasserstoff-Atome auf der Platinoberfläche reagieren mit einem Sauerstoff-Atom und bilden ein Wasser-Molekül. Nach der Ablösung der Wasser-Moleküle liegt Platin unverändert vor. Es kann erneut eingesetzt werden.

V2 Die erfolgreiche Durchführung des Versuchs erfordert etwas Übung, um die richtige Strömungs- geschwindigkeit des Wasserstoffs zu nutzen. Am besten gelingt es, wenn in einem Vorversuch er- mittelt wird, bei welcher Strömungsgeschwindigkeit gerade so viel Wasserstoff ausströmt, dass eine kleine Flamme erkennbar ist. Beginnendes Glühen zeigt die richtige Einstellung an. Bei stärker werdendem Gasstrom erlischt das Glühen, da zunehmend weniger Sauerstoff die Oberfläche des Katalysators erreicht. Bei optimaler Einstellung zeigt nach kurzer Zeit ein leises Plopp-Geräusch an, dass der Wasserstoff entzündet worden ist. Danach kann die Wasserstoffzufuhr erhöht werden, um eine größere und damit besser sichtbare Flamme zu erhalten.

5.7 Katalyse (S. 154)

V1 Aufgabenlösungen1. Man beobachtet beim Hin- und Herrollen der Katalysatorperlen Nebelspuren. Beim Befühlen stellt

man eine Erwärmung fest. Das Wassertestpapier färbt sich nach dem Ausreiben des Reagenzgla-ses blau. Wasserstoff reagiert bei Berührung der Katalysatorperlen mit dem Sauerstoff der Luft zu Wasser. Es handelt sich um eine exotherme Reaktion.

2. Nein, die Katalysatorperlen verändern sich nicht.

V2 Aufgabenlösungen1. Wenn die Katalysatorperlen in die Wasserstoffperoxid-Lösung gefallen sind, beginnt eine lebhafte

Gasentwicklung. Der glimmende Holzspan flammt hell auf. Mit den abgespritzten Katalysatorperlen lassen sich die gleichen Beobachtungen machen.

2. Die Katalysatorperlen verändern sich – jedenfalls nach der Betrachtung der Oberfläche – nicht. (Durch das Abspritzen kann ein wenig Abrieb erfolgen. Die Perlen sollten vorsichtig mit weichem Strahl abgespritzt werden.) Da sich durch die chemische Reaktion, also den Zerfall des Wasserstoffperoxids in Wasser und Sauerstoff, die Katalysatorperlen sich nicht verändern, können sie weitere Male verwendet werden. Ein Katalysator nimmt an einer Reaktion teil, liegt aber nach der Reaktion unverändert vor.

V3 Nach Zugabe der zerriebenen rohen Kartoffel setzt nach kurzer Zeit eine lebhafte Gasentwick-lung ein, auch die Glimmspanprobe verläuft positiv.Bei Einsatz der gekochten Kartoffel ist keine oder nur eine sehr geringe Gasentwicklung zu beobachten.

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5.8 Zusammenfassung und Übung (S. 155 / 156)

A1 Wasserstoff ist ein farbloses, geruchloses, brennbares Gas, das die Verbrennung aber nicht unterhält. Wasserstoff besitzt die geringste Dichte aller Stoffe.

A2 Handelt es sich tatsächlich um Wasser, so färbt die Flüssigkeit Wassertestpapier blau.

A3 Mg + H 2 O → MgO + H 2 Bei den Reaktionsprodukten handelt es sich um Magnesiumoxid und Wasserstoff.

A4 Der Katalysator setzt die Aktivierungsenergie für die Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff soweit herab, dass diese schon bei Zimmertemperatur ablaufen kann. Die dabei abgegebene Energie bringt die Katalysatorperle zum Glühen, sodass es schließlich zu einer Entzündung des Wasserstoffs an der Oberfläche der Katalysatorperle kommt.

A5 Durch das Verreiben in der Reibschale entsteht Reibungswärme, die das Reaktionsgemisch aus Kupfer und Schwefel aktiviert und damit die chemische Reaktion auslöst.

HinweisDer Versuch gelingt meist besser, wenn die Stoffe vorher getrocknet worden sind. Das Kupfer- und das Schwefelpulver sollten aber erst unmittelbar vor der Versuchsdurchführung gemischt werden, es sind bei vorher vorbereiteten Mischungen auch schon spontane Reaktionen erfolgt.

A6 Mit der Knallgasprobe kann untersucht werden, ob Knallgas, ein Gemisch aus Wasserstoff und Sauerstoff bzw. Luft vorliegt. Dieses Gemisch ist explosiv.Für die Knallgasprobe wird das zu untersuchende Gas in ein Reagenzglas mit Öffnung nach unten eingefüllt. Das Gas wird mithilfe einer Flamme an der Reagenzglasöffnung entzündet. Ist ein leises „Plopp“ zu hören und beschlägt daraufhin die Innenseite des Reagenzglases, so handelt es sich um reines Wasserstoffgas. Ertönt ein lauter Pfeifton so handelt es sich um explosives Knallgas.

A7 Gleiche Volumina von Gasen enthalten bei gleicher Temperatur und gleichem Druck gleich viele Stoffteilchen des jeweiligen Gases.

A8 a) Siehe Schülerband, S. 150 [B1]b) Man füllt in das Eudiometer Sauerstoff- und Wasserstoff-Gas in verschiedenen Volumenverhältnis-

sen ein. Durch einen Zündfunken wird das Gemisch zur Reaktion gebracht. Man bestimmt danach das Restvolumen an Gas. (Das Reaktionsprodukt Wasser hat sich in der Sperrflüssigkeit Wasser gelöst.) Dabei ergibt sich für eine vollständige Reaktion ein Volumenverhältnis von Wasserstoff : Sauerstoff = 2 : 1.

c) Nach dem Satz von Avogadro enthalten gleiche Volumina Gas gleich viele Stoffteilchen. Man kann daher von dem reagierenden Volumenverhältnis direkt auf das Stoffteilchenverhältnis schließen: 2 Wasserstoff-Moleküle reagieren mit 1 Sauerstoff-Molekül. Bezieht man dies auf die reagieren-den Atome, ergibt sich die Verhältnisformel von Wasser zu H 2 O.

A9 a) 2 Mg + C O 2 → 2 MgO + Cb) Es müsste sich Kohlenstoff als schwarzer Feststoff bilden.

A10 a) Die farblose Flüssigkeit kann durch wasserfreies Kupfer(II)sulfat oder mit Wassertestpapier, durch

Bestimmung der Dichte, der Siedetemperatur oder Erstarrungstemperatur identifiziert werden.b) Es entstehen Kupfer und Wasser.c) CuO + H 2 → Cu + H 2 Od) Die abgegebene Wärme reicht aus, um die benachbarte Stoffportion zu aktivieren.

A11 Ja, ein Reaktionsprodukt einer exothermen Reaktion, wie z. B. Wasser, kann durch Energie-zufuhr (z. B. Elektrolyse) wieder in seine Ausgangsstoffe umgewandelt werden.

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Wasser – ein besonderer Stoff (S. 142/143) · von Wasser. b) Muss viel Energie eingesetzt werden, um Wasserstoff aus anderen Stoffen zu gewinnen, so ist der Einsatz von Wasserstoff