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Dr. Ph. Reiß, im Juli 2007
ü b umzen im Experimentalvortrag SB 1 981
Kl a u s Grabowski, Am Ri c htsberg 38 , Te l. 4731 5
Versu chs u. Literatu r anga b en zum Them a : WAS :3ERSTOFF
Gl~ederRng des Vort r a r;e s :
1. Geschi cht l iches u . Darstel lungsmög l ichke i ten
2 . At ombau u. Mo l e k ü l b i ldun g
3 . Phys i k a l i s c h e Ei gens chaft en
4. S t e l l un g des H2 i m Pe r i od e n s y s t e m
5 . Che mische Eigens dha f t en
a) Wa s s e r - d a s Oxyd des Wa s s e r s t of f s
b ) Wa s s e r s t of f als Redukt ionsmitt e l
c) Hydr i d e
Zu 1) 1 766 entdeckt Henry Cavendish beim Au f l ös en v on ~jetallen i nI
verd ünnten S f u r en ,da B s i c h e i n brennbares Ga s entwi ck e l t .D iese s GasCI ( "'" I
wurde Hydrogen i um g en a nnt ( gr:itch. V. ~(JJf =vJas s e r; ,/,{'Iv,J \1 =er zeugen )
1. Versuch: Zersetzung v on Me t a l l in verdünnte r s ture
F",( f) -+ H'2 S01+ ((-t) ---4 F" 5Olf (f) +Ii z tGer ~te : Gr oß e s Re agensglas mi t s ei t l i c h em Ansatz ;durchboh~t r
Gummi stopfe n ;kle iner Tr opf t richt er mit Dr u ck a u sgl e i c hI
s e lbst ge s chn itten er Gummi ring ;Absper r h an mi t Küker ;
aus gezogene Glask app i l a re ; Gummisc hl a u c h ; Stativ it
Kl emme u. Mu f f e ;Re a gen sgl a s
Ch e mika l i en : 2N-Schwefels ~ure ;Zink-Granalien; Feuer
Ve r s u chsau fb a u : Gas en t wi ck l e r
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:> .L
3 . Ve r s u c h : Da r s t e l l un g von H2Gas~ t du r c h Elektrol~se mit
Ho f f ma nns c h e n Appa r a t e s .
Ge r Et e : Hof fmanns cher Appa r a t ~it zwei Pl a t i n e l ekt r od en ;
trafo;Stativ mi t Stange , Kl e mme u. Mu f f e .
2 . Ve r s u c h : Fül l e n eines Luftb allons mi t
Verschlie ß en d e s Ba l l on s un d
Ra u mde cke .
I IVersuchsdurchführun~ : s t u r e in d en Tropftri chte~ fül le~H u. 1n
Grana l ien ob e r halb des Gu mmi r i nge s ein f üllen, s o daß jk ine
Granal ien auf den unte r en Reag ensg lasboden f allen. Di e Appa
ratur s chl i e ß e n ,Hahn I u. 11 öffnen,die S cu re gelangt nun in
das Reag ensg las u. s te i g t h oc h .Er r e i cht s ie die Zn yr n alien
beginnt eine Ga s entwi ckl ung . Da s Gas ge l a n gt übe r d i e Kapil-I
l ar ein s F r e i e . Man ma cht e i ne Kn a l lgasprob e ! F ~llt dtese
negativ a u s ,wi rd d a s Gas an der Kap i l l a ret> en t zünd e t · rum Been
d en de r Gas en t wi ckl ung Hahn I s chl ießen . Durch das 3ph~ießen
ent steht ein Gasdr u ck im En t wi ck l e r , d e r d i e S E:u re in ~en
Tropftrichter t reibt un d s o die Ga sentwicklun g zum re t l. llst a n d
bringt. Am Ende S c h l i e ß en v on Ha hn 11 .
Zu 1 a) 1 78 3 erfolgte die erst e Anwen dung de s H2 Gase s durch den
Char les , der d en ersten Gasb a l lon ste i g en ließ. IH2 Gas a u s e iner Gasb~mbe .
ste i genl a s sen unt er d1e
Zu 1b) 178 9 erfolgte d ie Dar s t e l l ung d e s H2 Gas e s durc h El ektril s e
b e oba cht e t durch deh Chemike r Tr oos t wyk . IHi l f d es
Ir Rege l -
Ch e mi k a l i e n :Aqu a dest. ; einige Tr opfen 2N- Na OH ; Methylorang ' z um
An f 2rben des wa s s e r s
Ve r s u c h s a u f b au :
"/ V~lltftTS'fFA~
/ bM HAHIJ
Alf(;fFA.,'fJ "1.VH.U-11-' "" Ir r(.fI(FfN VO#l 11..0
l(ATH006 - ---flr-----IChemie in der Schule: www.chids.de
5",3~~SuchBdurch~ ührung: Apparatur zusammenbauen,Elektroden anSc plteßen
a~en Tr a f o , Ga s h ähn e schließen,Vorratsgef äß mit Wa s s er b ~
schicken,daß zur besseren Leitfhhigkeit mit einmgen Trop~en
NaOH versetzt wurde. Hähne vorsichtig öffnen u. die Luf t us der
Apparatur vertreiben. Na ch Ein s chalten des St r ome s ist ~i e
Gasentwicklung a~den Elektroden sichtbar,An der Anode le~lt s t eht
Sauerstoffga s u. an der Kat hod e Wa s s er s t of f . Na ch einige~ Zeit j
nachdem s i ch genügend Gas in den Röhr en geb i l d et hat ~ild di eReaktion unterbrochen und durch öffnen der Ga ah ähne di,e Gase
mi t einem Brennendem Streichholz nachgewi e s en.( H2 verbrennt fastI ;
farblo s u. ü2 l eBt das noch gl immende Stre ~ chho l z hell a fl euch- I
ten.) l
..Eigendi s s oziation des Wa s s er s :
1.1-I~O -;;::- ~:J 0 IP + OH G Jk:?~"( l....1· 1,,-7-/~ ~~V\
Reakti on~gJ e i c hungen
J
'---"
Zu 1c)
Zur
~ w..~~ :20H' -1 e0 --? /4 t o + 1z01.
~ M 4 JCJI.,Jt : 1. ü. - ze G -4 1-Iz.1l'-
Die neueste Ent wi ckl ung um Was s e r s t of f ga s he rzust el l en iSl dieDarstellung durch Pur pur bak t er i en . Es handelt sich hi e r um einPr oj ekt , daB durch Nut zbarma chung der in der Nat ur vorh~d nen
Energien u , ;3ub s t an zen umweltfreundlich u , billig energiefreiche
St of f e zu gewi nnen sucht , um so von d en alt en En er gi et rEre nlos zukornnen ,
Met hod e : Purpurb illcterien sind einzellige Lebewesen, die zu en
Spaltpilzeh z ähl en . Sie ern~hren s i ch von or gani s chen Subs anzenI
die sie umwandeln. Pur pur bakt er i en sind. aer ob e Bakt erien, d. h.I
s i e benötigen Saue r s t of f zum Leben. Diese Bakt e r ien kommen in
s t ehenden Gew äs sern oberhalb des 0chl ammes vo r . Man entni te i ne Wass erpr obe ,wf hl t d i e ent spre chenden Bakterien dur c
N ~::hrb od enaufzucht aus , ve rmehr t di e Bakterien im einer NBJ rl ösungi m Br ut s chr ank . I s t ge nug Bakter i enmasse vmrhanden wirde'n Te i l
mi t Wa s s er u. organi schen Sub s t anz en vers etzt und mi t qvlLicht
bestaahlt. Nach kurzer Ze i t ent stehen Gasb l a s eh , d i e aufst i gen u.
s i ch al s Wasserstoff entpuppen,d~~ gewonnen werden kann .
I8A-I<TfK'~N + HZ l'
V~fl.AE~h", ,,,..SR IITS{"{Z~tfl<
. '.0- "'r .
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~.~ Iz~ a) Das Wa s s er s t of f mol ekül besitzt e i ne kovalente Bi ndung .
b ) Für jedes der be iden H-At ome i m H2 HoLekü L wird die " "gskon f igur at i on de s He l i ums erreicht .
c ) Des ha l b i st das H2 Molekül unpo l ar und es gi bt nurintermol ekulare Anz iehungskr fft e
-:; H2 i st flüchti g--~ H2 i st r eaktionsträ,e
~'2 1-1 ~ Hz. + -1 01.f , '1~I~Die Bi l dungs ent ha l pi e b et r > :H ~ Hl® .. Ci) -7~ I"-#O[{ I(~ lm ~ v t{G
Was s erstoff i st f arb, ge s chmack u . geru chs l os es Gas, das m· t
Zufuhr von Sauer s t of f brennbar i st .Was s er s t of f i s t 14 ma l leichter a l s Luft. Hierauf beruht e r
Auf t r i eb eines Bal l ons . IWasser s t of f be s i t zt da s niedrigs te Mol ekul argewi cht alle
El ement e 2 ,016u . den kleinstem At omdurchmesser 0 , 6 K. IDiesen beiden Ei ge ns ch af t en ent sprechend hat vJa s s er s t olfdas gr öPt e Di ffus i ons u. Ef f us i onsvermögen a l le r Ga s e .
d)
e )
Zu 3) a )
b )
, c)I
"'---"
4 .Versuch : Diffusion des Was s er s t of f s in ei ne Tonzelle :
Ger;~t e : Reagensgla s mi t s eitlichem Ansat z ; 2 durchbohrt e Gu~m s topfen
por öse Tonz e l l e ; ?50 ml Be chergl a s ;Wa s s er s t of f bomhe ; r i s t a l-
l i sierschale; Stativ mit St ange Kl emme u~ Muf f e . ICh~mikal i en : Aqua . de st .;Tymolblau zum Anfärben des Wa sser s ; 12 Gas
Versu chsaufb au :
y ers1.1chsbe s chreibllDE :'- Han baut die Appar at ur nach Ze i chnung uf
und f üllt angef i=:r b t e s Wa s s er in da s Reagens glas . Das Ga ein-I
leitungsrohr wird nun un ter da s Be c~ergla s geführ t u. a s
Bomb env ent i l geöf f net . Das ausströhmende Gas diffundier
s of or t durch dj~e n or-öse Zel l e in da s untere Rea gens gl a
i"".
Da jedoch das wa s s er s t of f ga s s chne l l e r in di~ Ze l l e ge angt~ I
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JS I Ia ls d~e gr oßmol eku.l ar e Luft dur ch d.i,e Ze l l e nac h Al,ßen difffundi er en kann,entst eht i m ::3y s t em ei n Uberdruck ,der das Was s er durch
Kapi l lare am Reagensglas als Spr i ngbr unn en nach Außen tr~ ibt .
J chl i eßt man das Wa s s e r s t of f vent i l so ge l angt ke i n H2 mehr dur chdi e 'I'on z e Ll.e i n das ::3ystem. D. h . der Üb er druck l E:ßt n a ch. 1
Ei n neuer Ef f ek t stellt sich ein ,das l ei cht e Has s er s t qTga sI
ent weicht nun s chne l l er aus dem Syst em als da~ neue Luft ,on
außen in das Sys t em ge l angen kann . Es ent steht e i n Unterdr~ck i mSy s t em, der zur Fol ge hat , da s Luft durch die Kapil lare i 9 ~as
Sy s t em ge langt ,wel ch es s i ch an auf sreigenden Luf t bla sen er enn en
l äßt.
quant i t a t i v e Aus wer t ung : Aus s t rchmge s et z nach Bunsen :
Die Auss~rö~mgescgwindigkeiten u. die Di ffusionsge s c hwi~d ·gkeit en
u zwei e r Gas e , verha lten s i ch umgekehrt wie die .Q adra t -1 u. u2wur zel n i hre Di chten d1 u. d2 •
:- O/o3~ f;5
/].1 W
Verhalt en e i n e gewi s s e äuße r l i cheAl k a l imet a l len aufwe ist .
I-Iz ~J..,JM '\.r~ ~~~&~~
I
U1-I 1 l/1)T_: I
v.; 1/iiiis i ehe ent spre chende Se i t en}i n Ld t er-atrur-ange.b en . 1.. !
These : Wasserst of f i st ei n Ha l ogen ,da s inf olge se i ner rste l l unl
als erstes in de r Ge s amt r e i he der El ement e in s e i ne 1 che m•. I
Ver wandt s cha ft mi den
Die koval emt e Bindung v erleiht dem Wasse r s t of fmol ekül eine ewi s s e
Re akt i on s t rägh ei t b edi ngt dur ch die hohe Bi ldungs entha lpie . 1urI
mi t lF verbindet s i ch Wa s s e r s t of f so f ort zu }~ .Mit Chl or r r t
unter Li cht ei nwi r kung v on UV-Li cht zu HC1 . I m fo lgenden Vers ch
soll die Reakt i on mi t Saue r s t of f dur chgeführt werden ,die so enannt e
Kna l lgas r eak t i on , od er auch Bi ldung des Wa s s e r s t of f oxyd s H20 .
Zu 4)
Zu 5)
5.Ver s u ch : Darstellung von vJa s s er dur ch di e Kna l l ga s synthe s e
Ger ;:t e :Rege l t r a f o ; 2 Kabe l ; 750 ml Er l enmeyer kol b en mi t durchbI
St opfen ; Gummis chl auch ; Glasrohre ;Kristallisi ers cha~e ~
gr oße For ze l l ans cha l e ; Hol zst ab ;St r e i chhöl ze r ; 2 Eisend aht
elektroden
Che mika l i en : 10 % i ge NaOH ;Eis; Jeifenl ösung
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Versuchsdurc~führung: Di e Na OH wi r d in den Er l enmeyerkol b en gege enI'
u. verschlossen,die Eisene l ekt r oden ragen in die Lösung ,deKolb en wi r d zur Kühl ung in Eiswas ser gest e l l t .Na ch dem Ein chal-
I
ten des St r oame s setzt eine heftige Gas entwi ck lung ei n ,an denI
El ekt r od en .Da s Gas strä~mt dur ch einen Schl auch zu einerl
K pillarederen End e in die Sei f enl ösung der Porzellanschale ragt.Es bilden
I
s i ch durch den Gasaustritt öe i f enblasen ,die mi t einem H2 / 2Gemi s ch gefü l l t sind. Fl an sc ha l t et nun den St r om aus und Is t 11tden Gasent wi ck l er be iseite!Am Ende ei ne s 3tockes wird einSt r e i chhol z befes t igt , das entzündet an die Se i fenb las en ge a l tenwird. Sofort explodiere~die Gasb l a sen mi t heft i gem Kna l l .
Deutung: bei Zi mmer t emperat ur ve r einigen s i ch H2 u. 02 nur s ehr l angs a mEr hi t zt man an einer St e l l e , s o start et di e Heakt i on sofo1rt.
Dur ch di e dab e i freiwer dende Vier meenergie wer d en au ch die ~ach
barst e l l en erhitzt und zur Ums etzung anger egt . Es entsteht ei nemit ho her Geschwindigkeit ablaufende Ket t enreakt ion .
4. ) '2 ~ 2 0 + 57 K« I~--7 Z 1-1 •
'-..7 H- Q +'01--1 J.J-Q -+ H·--} !"f-o-H-+ U·
H- H + "10lf /(..ut!~~. + "6 - ö- -
10 + 14 -IlIt-§ + P_~
f ür H2/02 Gemische:Zündgr enz en
Reakt i onsgl ei chu:qg: 1 J.l 1 + 0tKet t enr e akt i on :
"10 '0 Ul. 4- ~ 0'I, 0"L -i'~
4- 0°1, ~2. -+ Go', O~ --+ ~~~ O~, H1- + /\110 °t ~ ~~Chemie in der Schule: www.chids.de
.J
5.7- I IBei der i nV. 5 aufgeführten Kna l l gasreakt i on en.tstand al s Reakt i r n s -produkt Wasser .Vom Wa s s e r war j edoch wegen de r s tark ex othermen IReak t i on nichts zu s ehe n . Um d en Nachwei s der Wa sse r b i l dung anzu r et en
de r folgend e Ver such .
6 .Vers uch : Di e kontrollierte \J asser b i l dung aus H2 u . 02 mit Hi l f e desDanie l l s chen Hahne s .
Ger .;:te : Sauerst offbomb e ;Was serstof f b ombe ;Dan i e l ls cher Hahn. ausDurangl as ( be im Glasbl t s er anfert i gen lassen);Stativ mit
Kl emme u , tJiuffe ; Gummis chl a-'ch ; Becherglas ;Ti gelzange
Chemika l ien : Sauer s t of fgas ;W a s s e r s t of fga s ;wasser f r e i es Cu 304
Ver s u chs auf bau :
FLAM,.1\f- ß/j
1o(}o 'C ~{Iß
I
Vers~gh§.<J._urchfÜhrung : Na ch dem Ans chluß des Hahne s anfiie beidenGasb omb en wi r d zue r s t da s Wa sser s t of f vent i l ge öf f net und das
au s s t r ömend e Gas ent zündet .Dana ch öffne t man das Bauer ?t f f f
verrt i.Ls D'i. e Fl amme b egi nnt zu r aus chen s HrL't man kurz mi t rTi ge l zange ein schwer s chmel zba r e s Be chergl as übe r di e Ftammedas mö gl ichst kühl sei n s ol l t e , s o kondensiert schon nac h kurz erZeit di e Ver brennungsgase a l s Wa s s er t r op f en i m Gl a s . Der a chweis von Ua ,sser kann nun mit CuS04 (wa s s er f r e i) gema cht we den .Das wei ße Ful ver f tx bt s i ch blau•
Aus wer t ung : Dur ch Zuf ühren des Sauerst of fe s er s t i m ~; oment des ;n t zün-I
dens wird eine Expl os i on vermieden, da s i ch di e Verbrennu g
wegen de s Fehl ens e i n es zündf Fhi gen Gemisches ni cht aU~bfeit en
kann . Die Wasse r bildung ,al s o di e Ve r br ennung von wa sserst , f f i nSaue r s t of f l ~uft s o kontro llier~ab . I
I
Ei ne wei t e re che mi s che Eigens chaft ma cht 19n Wa s s er s t of f f ür m t a l
l urgisc he Prozesse interessant . Wassersto ff r eagiert nicht nur it
fr eiem 8aue r s t of f ,sonder n kann auc h viel en Sauer s t of f v er bi ndun en
den gebundenen Sauerst of f ent ziehen,unter Bi l duhg von Wass e r .Er kann a l .so zu Reduktionen herangezo gen werden . I m Fo l genden ,ol l
d i e s er reduz ie r ende Cha r aJü e r vo rge s t e l l t werden , i nde rn CuO mi t H2zu Cu elementar reduzier t wi rd .
..
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s.87.Versuch : Reduz i er ende VJ i rl\:ung von H2 auf CuO:
GerEite: Gaswaschflasche; Quarzrohr;durchbohr te GummistoPfen; Erl,elFeyerkolbeuj Gl asrohr ;Bunsenbrenner; Kr i s tal l i s iers chal e; Porzle l lanschiffchen; Gurnmi schlauc h; Hebebühne; Zwei St at i v e mi t K,l e men
lVlu f f en ;1,Qasserstoffbombe.
Chemikalien : konz. Hi304 ;CuO ;Wasserstoffgas;wasserfreies CuS04; Eis
~ Versuchs aufb au :
.. n-[[(uD
'\ ~,; "" ""lEU. AIISC",FU"EI/
(.s'\, ~\"'~~Sf' F.~'
/ -.:... J(APIU4lE-
f?==~~~~C~a=-~ i
11:l/~L~:::S"",UI
----:::J
Reakt i ons gl ei chung :
Versuchsdurchfüh~yng: Na ch Auf bau der Apparatur gern E:: de r Zei chn gwird ein Por ze l lans chi f f ch en mit CuO be schickt und ins ~uarzro hr
gebr a cht .Di e Waschflasche wird mi t konz. H2S04 gef ül l t u. derEr l enmeye r kol ben mit Eiswasser gekü hl t . l n das Rohr vordemEr l enm eye r gi~t man etwas wasser f re ies CuO.Durch die Appar at ur wird nun ein gleichmbBi ger wa sser s : 1of fs t r omgeschickt u. nach negativ ausgefallener Knallgasprobe 1a s aus- Iströmende H2 entzün det. Hierauf erhitzt man das Quar zr o9r an
der St elle des Porzellanschiffchens mi t dem Bunsenbrenl er zurRotglut.Das Kupferoxyd glüht auf und im Erlenmeyer schlagensich vJ a s sert r opf en nieder,die auch das Cu ::304 Pul v er imRöhrchen vmn wei ß nach blau umschlagen las s en. Ean bEic~t nunden Versuch ab u , l ;~ßt die App ar a t ur abkühlen, i nd em wei lt e r ei.a
Wa s s er s t of fs t r om durch die Apparatur strömt. SuA/j r (.ffL rJ;J~rvS .f-f,,"'iP gVersuchsauswertung: Das schwarze CuO i st zum hellroten Cu r edudiert
worden
Zu 59 )
CvZ9 t '2 e -:::,C v Rf-OvKflqf./
H1 t? e -+ {li C; 0 (.. YPAi! 0'"(/ tJ + I-IL ~ Cv +1H~
Wa s er s t of f b i l det mi t fast allen El ement en der Hauptgrupplendes Per i odensystems vif asserst of f v er bmndung en . Di es e Verbin ~ngen
heißen Hydride. Sie werden in 4 Kl ass en eingeteilt. I
1. gas f örmi ge Hydr i de? hochnol"i-mere Hydr i d e~ . s al z~rtl ge Hyd~ide4. met a l l art ige Hydrj}Chemie in der Schule: www.chids.de
Im folg enden Ver s u ch soll e i n gas förmi ge s Hydrid dar geste l l t erden .I
8 . Ve rsu c h : Da r s t e l lung von Si l an- SiH~
G er i::te: Porze l lan s cha l e ;Ti gelzange ;Spatel--, -~ . --'
Chemi k a l i en : Mg ;::>S i ( JViagnesiumsili zid :Dargestellt nach del'l" Blilch var >eh Irlft
- Bi l z ,Kl emm , Fi s cher S . 2~1 Ik onz . HC l
Versuchsdurchf ühr ung :Man gi kt einige Br ock en fVlg 2Si in die i n d r Por zellanschale b e f i nd l i che HC l . Sof or t b i lden s ich Si
1
die unter Aufb l i tzen und l ei cht em Kna l l v e r brenn en
Ver s u cha au ,swer t ung : ;\'\82 Si + 4- H.lOß1 ~ 1.5; Ji~ + Z)/I1' 2el -r ltHIO
Si l an e s i nd sehr ins t abil und verbrennen an d er Lu
Si l i c i umdi oxyd und wa s s er .
Li ter a t ur ansaben :
1. Gme l ins Handbucg der anor~ani s chen Chemie8 .Auflage , Ver lag Chemi e Ber l i n 19( 7St i chwor t : Wasserstoff
.- '? Exper imente l l e Schul chemi e
Pukatsch/Glöckner , Aul i s Ver l a g Köl
\
1969
3. Di e Chemie in Versuchen
Rol f Flügel Te i l 11 :Anorgani s che Chemi e
Ni cht met a l l e I
Chemie in der Schule: www.chids.de