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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 &gt :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

-.- IChemie in der Schule: www.chids.de

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 :

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'\ ~,; "" ""lEU. AII­SC",FU"EI/

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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

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