Aktivierungsenergie

Bei den Sulfid-Reaktionen zeigte sich schon, dass zum Einleiten einer chemischen Reaktion zunächst Energie zugeführt werden muss. Das Eisen-Schwefelgemisch ließ sich mit einem brennenden Span zünden, das Zink-Schwefel-Gemisch mit einer glühenden Stricknadel. Bei der folgenden Versuchsreihe soll gezeigt werden, dass es verschiedene Möglichkeiten gibt, Stoffe mit Aktivierungsenergie zu einer Reaktion zu veranlassen.

Demonstration 1   Ein Wasserstoffballon wird entzündet

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Ein Luftballon wird mit Wasserstoff gefüllt und an einer Schnur befestigt. Mit einem langen, brennenden Span nähert man sich vorsichtig dem Ballon. Kopf fernhalten! Schutzbrille und Schutzhandschuhe aus Leder tragen! Auf Brandschutz im Raum achten! Der Ballon zerplatzt, und der Wasserstoff verbrennt in einem Feuerball. Dieser Versuch zum Einstieg wurde ganz bewusst gewählt. Der brennende Span zerstört die Außenhaut des Systems Gasballon. Dieser Vorgang symbolisiert die Zerstörung eines stabilen Systems. Die Flamme aktiviert die chemische Reaktion, das Verbrennen des Wasserstoffs.

Lässt man aus einem Brenner wenig Butangas oder aus einer Wasserstoffflasche über eine Düse (mit Rückschlagsicherung) wenig Wasserstoff ausströmen, entzündet sich das Gas zunächst nicht. Die Schüler machen den Vorschlag, die Gasflamme mit einem Streichholz zu entzünden. Bei der Frage nach weiteren Möglichkeiten wird es schon schwieriger. Man kann probieren, ob sich die Flamme mit einem glühenden Draht oder mit einem elektrischen Zündfunken entzünden lässt. In allen Fällen ist die Zufuhr von Energie notwendig. Beim Feuerzeug wird das Gas entweder durch ein piezokeramisches Zündelement elektrisch oder durch das Reiben eines Cer-Eisen-haltigen Zündsteines an einer rauen Oberfläche entzündet. Nach letzterem Prinzip funktionieren auch die alten Gasanzünder:

Eine Knallerbse aus dem Spielzeugbedarf wird etwa 10 Zentimeter über den Boden gehalten und fallengelassen. Danach tut die Lehrkraft so, als ob die Knallerbse nicht funktioniert. Die Schülerinnen und Schüler werden sofort vorschlagen, die Knallerbse von weiter oben fallen zu lassen. Auch hier wird zu dem berührungsempfindlichen Sprengstoff in der Knallerbse Energie zugeführt. Sie entsteht durch das Fallen der Knallerbse aufgrund der Schwerkraft und durch die Kollision mit dem Boden, wobei die Energie beim Aufprall in das System der Knallerbse abgeleitet wird. Nun kann man weitere Möglichkeiten probieren, die Knallerbse zur Explosion zu bringen:

durch das Auftreten mit dem Fuß,
durch Werfen an die Wand,
durch Zerdrücken der Knallerbse mit den Fingern (Handschuhe tragen!),
durch Zerreiben der Knallerbse,
durch einen elektrischen Zündfunken

Man kann auch versuchen, eine Knallerbse zu öffnen und den Sprengstoff isolieren (Schutzbrille tragen!). Hierbei explodiert der Sprengstoff eventuell schon durch Reibung. Bei diesen Experimenten zeigt sich, dass nicht jede Energiemenge die Knallerbse zur Explosion bringt. Es ist ein bestimmter Energiebetrag notwendig, damit die chemische Reaktion eingeleitet wird.

Diese Demonstration wird für Schulen nicht empfohlen, stattdessen kann ein Film eingesetzt werden. Bei einer Durchführung müssen alle Sicherheitsbestimmungen beim Arbeiten mit Chlor und mit konzentrierter Salzsäure eingehalten werden:

Sämtliche Arbeiten sind in einem gut ziehenden Abzug durchzuführen!
Schutzbrille und Schutzhandschuhe tragen!
Ein ausreichender Splitterschutz muss vorhanden sein!
Die Herstellung des Chlor-Knallgas-Gemisches darf nur bei gedämpftem Kunst-Licht durchgeführt werden!

Sind diese Bestimmungen nicht gewährleistet, muss dringend von einer Durchführung der Demonstration abgeraten werden!

Die Herstellung von Chlorgas erfolgt in einem Gasentwickler. Ein Reagenzglas (20x180 mm) wird pneumatisch zur Hälfte mit Chlor gefüllt: Dazu legt man das Reagenzglas an den Boden einer mit Wasser gefüllten Schale, so dass es ganz voll mit Wasser ist, dreht es mit der Öffnung nach unten um und leitet das Chlor ein. Dann füllt man die zweite Hälfte mit Wasserstoff aus der Gasflasche und setzt einen Stopfen auf. Dabei ist zu beachten, dass sich in der Schlauchzuleitung von der Gasflasche keine Luft mehr befindet. Durch Mischbewegungen werden die beiden Gase vermischt. Das Reagenzglas wird an eine dunkle Stelle gelegt und mit einem Tuch bedeckt.

Ein Elektronenblitzgerät wird scharf gemacht und bereit gelegt. Dann dunkelt man den Raum noch mehr ab und stellt das vorbereitete Reagenzglas in den Abzug direkt hinter die Schutzscheibe. Das Anblitzen des Gemisches aus einem Meter Entfernung verursacht normalerweise keine Reaktion. Dann nähert man sich mit dem Blitz bis auf 10 Zentimeter. Alternativ kann über das Reagenzglas auch eine große Glocke aus Kunststoff oder besser noch eine umgedrehte Plexiglaswanne gestülpt werden. Ergänzend kann auch im Film gezeigt werden, dass eine Wasserstoffflamme in Chlorgas völlig ruhig brennt.

Beobachtung: Ist die Blitzenergie groß genug, explodiert das Chlorknallgas in dem Reagenzglas mit einem Knall, wobei das Glas zerfetzt wird. Beim Zünden des Gemisches in der Glocke beschlägt sich die Wand des Behälters von innen.

Theorie: Chlor und Wasserstoff explodieren bei optimaler Mischung (1 zu 1) heftig, wobei gasförmiger Chlorwasserstoff entsteht:

H₂ + Cl₂

2 HCl ΔH_R = −184kJ/mol

Diese Reaktion ist stark exotherm. Die entstehende Temperatur beträgt bis zu 2000 °C. Licht, vor allem hochenergetisches Licht wie UV-Licht, spaltet Chlormoleküle in zwei Chlor-Radikale:

Cl₂

2 Cl·

Diese Chlorradikale sind fähig, das Wasserstoffmolekül ebenfalls in Radikale aufzuspalten, es kommt zu einer Kettenreaktion:

Das Beispiel verdeutlicht, wie durch Aktivierungsenergie Übergangszustände und neu geordnete Systeme erreicht werden, so dass die Reaktion von selbst ablaufen kann.

Variationen: Die Zündung des Chlor-Knallgases kann unter Einhaltung der Sicherheitsvorschriften auch mit Tageslicht, mit einer starken Lampe oder durch Einblasen von Magnesiumpulver in eine Brennerflamme erfolgen. Allerdings ist dabei viel Fingerspitzengefühl notwendig. Robert Wilhelm Bunsen beschrieb diesen Versuch in einem Brief an Sir Henry Enfield Roscoe. Die Nachahmung sei nur geübten und sicheren Experimentatoren überlassen:

„Ich freue mich herzlich, mein teuerster Freund, dass Sie zeitig im Frühling herüberkommen wollen, damit wir unsere Arbeit zum Abschluss bringen können. Ich habe in diesen Tagen den photochemischen Vorlesungsversuch, von dem wir hier sprachen, ausgeführt, und hoffe mit Hülfe desselben noch einige recht interessante Daten für unsere Untersuchung zu gewinnen. Der Versuch gelingt auf folgende Weise am besten:

Man leitet die in unserem Wasserstoff-Chlor-Entwicklungsapparat erzeugte Gasmenge im Dunkeln durch das System von Glaskugeln B, die ungefähr die Größe eines Taubeney's haben und so dünn geblasen sind, dass sie sich mit dem Finger zerdrücken lassen und die vor dem Durchleiten stark mit Wasser inwendig benetzt sind. Ist der Apparat gefüllt, so schnürt man die Kautschukligaturen in geschmolzenes gelbes Wachs. Hält man eine solche Kugel, die sich mehrere Tage ohne zu verderben aufbewahren lässt, in die Nähe eines offenen Fensters, so explodiert sie momentan. Man kann die Kugel dabei ganz gefahrlos an ihrem Stiel mit der Hand halten, wenn man einen Handschuh anzieht und zwischen die Kugel und das Gesicht eine kleine Glasplatte hält. Die Explosion erfolgt an den trübsten Tagen selbst bei ziemlich dichtem Nebel und ist kaum gefährlicher, als die Entzündung einer mit O, H gefüllten Seifenblase. Ich habe nun in dem Fenster des Auditoriums eine rote und eine blaue Fensterscheibe einsetzen lassen: hält man die Kugel hinter die erstere, so bleibt sie unverändert, während sie vor die letztere gebracht augenblicklich explodiert. Es gibt kaum einen Vorlesungsversuch, der schöner wäre als dieser...“