Experimente mit Wasserstoff

Am Wasserstoff – dem Element Nummer 1 im Periodensystem – lassen sich viele Stoffeigenschaften aufzeigen, die nicht alltäglich sind und zum Staunen anregen. Wasserstoff ist das Element mit der geringsten Dichte. Es ist 14,4 mal leichter als Luft und bildet mit Luft explosionsfähige Gemische. Die Verbrennung von Wasserstoff stellt eine besondere Form der Oxidation dar. In der Technik besitzt das Gas eine zukunftsweisende Bedeutung. Wasserstoff steht zwar in der ersten Hauptgruppe des Periodensystems, wird aber nicht zu den Alkalimetallen gezählt. All diese Gründe prädestinieren den Wasserstoff, ihn als erstes Element des Periodensystems ausführlich zu behandeln.

Demonstration 1 Farbe und Geruch

Zunächst zeigt man die Gasflasche, weist auf die rote Farbe hin und erläutert die Funktionsweise der verschiedenen Ventile. Beim Ausströmen des Wasserstoffs ist zunächst nichts zu sehen. Auch durch das Riechen an dem ausströmenden Gas lässt sich der Wasserstoff nicht kennzeichnen. Nun steckt man eine kurze Glasröhre (d = 8 mm) auf den Schlauch, taucht das Ende der Röhre in eine Seifenblasen-Lösung und lässt vorsichtig Gas ausströmen.

Beobachtungen: Mit ein wenig Geschick lassen sich viele Seifenblasen erzeugen, die alle sehr zügig nach oben in Richtung Decke aufsteigen. Bei der Frage nach Verwendungsmöglichkeiten für dieses Gas, nennen die Schüler vielleicht schon das Luftschiff oder den Ballon. Dies führt auf die Demonstration 2 hin:

Demonstration 2 Der Wasserstoff-Ballon

Ein roter Luftballon wird satt mit Wasserstoff gefüllt, mit einem Knoten verschlossen und an einer dünnen Nylonschnur befestigt. Danach nähert man sich vorsichtig mit einem brennenden Holzspan. Achtung: Kopf fernhalten und Schutzhandschuhe aus Leder tragen! Auf Brandschutz im Raum achten! Bei der Zündung Mund weit öffnen, auch Zuschauer! Alle im Raum tragen Schutzbrillen!

Variationen: Man füllt mehrere Ballons mit Wasserstoff und befestigt an Schnüren Zettel mit Botschaften der Schüler. Dann geht man ins Freie und lässt die Ballons fliegen. Das Aufsteigen der Ballons wird genau beobachtet. Vom Füllen des Ballons mit Wasserstoff-Luft-Gemischen oder mit Wasserstoff-Sauerstoff-Gemischen ist dringend abzuraten!

Ergänzende Informationen: Das Luftschiff Hindenburg flog im Mai 1937 von Frankfurt nach New York. Kurz vor der Landung am 6. Mai, beim Anflug auf den Ankermast, fing der Lack der Außenhaut durch eine elektrostatische Entladung Feuer und begann zu brennen. Das Feuer breitete sich aus und griff auf die Gastanks über, so dass sich der ausströmende Wasserstoff entzündete. Innerhalb von 30 Sekunden stand das 245 Meter lange Luftschiff in Flammen und stürzte als riesiger Feuerball zu Boden. 32 Menschen starben, wie durch ein Wunder überlebten 62 Passagiere und Besatzungsmitglieder.

Diese Demonstration sollte gut vorbereitet werden, da die Gefahr besteht, dass der Inhalt der Büchse schon direkt beim Zünden explodiert. Der Kopf ist dabei fernzuhalten. Büchsen mit scharfen Kanten dürfen nicht verwendet werden. Die Büchse darf während des Füllens und auch danach niemals angehoben werden (sondern höchstens leicht gekippt), weil sonst Luft durch Verwirbelungen hineingelangt! Die Schüler sind vor einem Knall zu warnen und sollten sich während der Demonstration völlig ruhig verhalten. Alle Beteiligten im Raum inklusive Lehrkraft tragen Schutzbrillen und müssen den Mund weit öffnen, sie halten genügend Sicherheitsabstand, am besten am hinteren Ende des Raumes. Zum Erstellen einer Gefährdungsbeurteilung unbedingt Bemerkungen zum Gehörschutz beachten! Für die Lehrkraft wird das Tragen eines Gehörschutzes generell empfohlen, wenn ein Knall auftritt, weil eine Unbedachtsamkeit zu einem Knalltrauma führen kann, wenn sie zu nahe dabei steht.

Eine hohe und unten offene Blechbüchse mit etwa 1,5 Liter Inhalt wird oben mit einem 2 Millimeter großen Loch durchbohrt. Dann legt man alle benötigten Geräte auf den Tisch, wo die Demonstration vorgeführt werden soll: Die Büchse wird mit der Öffnung nach unten mit einer Kante auf ein Streichholz gestellt, der Brenner und ein Holzspan liegen bereit. Die Gasflasche wird zur Entnahme von Wasserstoff vorbereitet. Der Brenner wird entzündet.

Nun stellt man die Büchse ein wenig schräg und schiebt den Schlauch von der Gasflasche in die Büchse. Das Loch wird mit einem Finger verschlossen. Danach lässt man Wasserstoff langsam in die Büchse strömen. Da dabei mit einem Übermaß Wasserstoff gearbeitet wird, damit die Büchse auch wirklich voll ist, muss unbedingt die Raumlüftung eingeschaltet sein. Nach dem Entfernen des Schlauchs wird der Finger vom Loch der Büchse weggenommen und der ausströmende Wasserstoff am besten mit einem langen Gasanzünder gezündet.

Beobachtungen: Zunächst verbrennt der oben aus dem Loch ausströmende Wasserstoff mit ruhiger Flamme. Nach etwa einer Minute ist ein hoher Ton wahrnehmbar, der allmählich tiefer wird, während sich die Flamme langsam in die Büchse zurückzieht. Plötzlich explodiert der Inhalt der Büchse mit einem Knall, wobei die Büchse angehoben wird. Eine Flamme schlägt dabei unten aus der Büchse. Danach fühlt sie sich warm an und ist innen für kurze Zeit mit einem Beschlag benetzt.

Erklärungen: Beim Ausströmen und Verbrennen des Wasserstoffs füllt sich die Büchse von unten her allmählich mit Luft. Nach einer Weile entsteht ein explosionsfähiges Wasserstoff-Luft-Gemisch, das durch die sich hineinziehende Flamme gezündet wird.

Demonstration 4 Knallgas-Probe

Ein Glasrohr mit sauberer Düse und Rückschlagsicherung (Eisenwolle) wird an einem Stativ befestigt und mit dem Entnahmeschlauch der Wasserstoff-Flasche verbunden. Die Raumlüftung muss laufen! Dann leitet man einen schwachen Wasserstoff-Strom durch die Düse und führt zweimal eine Knallgasprobe durch:

a) Entnahme von Wasserstoff in einem umgekehrten Reagenzglas direkt nach dem Öffnen des Gasventils und Durchführung der Knallgas-Probe (siehe Film)

b) Entnahme nach einer Weile und erneute Durchführung der Knallgas-Probe

Fällt die Knallgas-Probe negativ aus oder ist nur ein „Blupp“ zu hören und brennt der Wasserstoff ruhig in das Reagenzglas, dann kann der ausströmende Wasserstoff an der Düse gezündet werden. Bei einem lauten „Pfiff“ darf noch nicht gezündet werden. Der Pfiff kann auch absichtlich herbeigeführt werden, wenn man das Reagenzglas nicht ganz voll mit Wasserstoff füllt. Freiwillige können die Knallgas-Probe dann selbst vorführen. Im Anschluss an diese Demonstration eignet sich auch die Durchführung der Schülerübung „Herstellung von Wasserstoff“.

Eine mindestens 3 Zentimeter dicke und 0,6 Meter lange Glasröhre aus Quarzglas wird senkrecht in ein Stativ gespannt. Man entzündet an einer Düse ausströmenden Wasserstoff (siehe Demonstration 4) und schiebt die Düse mit der brennenden Flamme von unten in das Glasröhre. Durch Regulieren des Gasstroms wird die Höhe der Flamme größer und dann wieder kleiner gestellt.

Beobachtungen: Je nach Größe der Röhre entsteht ein Ton, der durch die Flammenhöhe geringfügig moduliert werden kann.

Erläuterungen: Das Phänomen wurde im Jahre 1777 von dem englischen Arzt Bryan Higgins (1737–1818) erstmals entdeckt. Die in einem Rohr singende Wasserstoff-Flamme wurde bald als „chemische Harmonika“ in vielen Vorlesungssälen vorgeführt. Selbst Johann Wolfgang von Goethe war von der Demonstration begeistert. Die Erklärung für das Phänomen lieferte Michael Faraday im Jahre 1818: Beim Verbrennen von Wasserstoff entstehen viele kleine Knallgasexplosionen, die die Luftsäule im Rohr zum Schwingen anregen. Im Jahre 1882 wurden in Paris sogenannte „Lustres chantantes“ gebaut, orgelähnliche Tasteninstrumente mit gläsernen Röhren, in denen Wasserstoff-Flammen Töne erzeugten. Aufgrund der akuten Knallgas-Gefahr konnte sich die Wasserstoff-Orgel jedoch nicht durchsetzen.

Zu diesem Versuch liegt auch ein Arbeitsblatt vor Zunächst werden alle benötigten Geräte (siehe Grafik unten) auf den Experimentiertisch gelegt, so dass alle beteiligten Schüler die Geräte deutlich sehen. An einer Düse wird ausströmender Wasserstoff nach negativer Knallgasprobe entzündet. Nun hält man für kurze Zeit einen kalten Rundkolben aus Duranglas in die Flamme.

Auf der Außenseite bildet sich ein Beschlag, der nach einigen Sekunden wieder weggeht oder mit einem Lappen weggewischt werden kann. Die Schüler äußern nun Vermutungen über den Beschlag. Dabei ergeben sich Fragen, zum Beispiel:

Handelt es sich bei dem Beschlag um Wasserdampf?
Woher kommt der Beschlag, aus der Luft oder aus der Flamme?
Wie lässt sich beweisen, dass es sich um Wasserdampf handelt?
Wie lassen sich größere Mengen des Beschlags herstellen?

Zur Beantwortung der Fragen sind weitere Experimente notwendig. Hält man ein Becherglas mit der Öffnung nach unten in die Flamme, tritt der Beschlag im Becherglas auf. Diese Demonstration weist darauf hin, dass das Phänomen mit der Flamme zu tun hat. Der Beschlag rührt offenbar von der Flamme her. Vielleicht äußern die Schüler die Vermutung, dass der Beschlag ein Verbrennungsprodukt des Wasserstoffs ist. Gemeinsam mit den Schülern wird dann eine Apparatur entwickelt, die das Herstellen einer größeren Menge dieses Verbrennungsprodukts ermöglicht. Es dürfen nur Silikonschläuche verwendet werden. Ein Kühlgefäß zum Kondensieren eines Gases kennen die Schülerinnen und Schüler bereits von der Destillationsapparatur her.

Nach dem Einschalten der Wasserstrahlpumpe wird durch die Apparatur Luft gesaugt. Die Schüler sehen das Sprudeln in der Gaswaschflasche. Nun stellt man die Wasserstoff-Flamme unter den Trichter und fährt die Hebebühne mit dem Kühlwasser hoch, so dass das U-Rohr gekühlt wird.

Beobachtungen: Im U-Rohr bildet sich ein wasserähnlicher Beschlag. Nach einer Weile formen sich Tröpfchen, die sich am Boden sammeln. Hat sich ein Bodensatz einer Flüssigkeit gebildet, schaltet man die Wasserstrahlpumpe aus und entfernt die Wasserstoff-Flamme. Mit Hilfe von weißem Kupfer(II)-sulfat oder mit Wassernachweispapier („Watesmo“) kann bewiesen werden, dass es sich um Wasser handelt.

Theorie: Bei der Verbrennung des Wasserstoffs entsteht Wasserstoffoxid, das den Schülerinnen und Schüler als Wasser bereits bekannt ist. Dieser Vorgang ist exotherm, da dabei Energie frei wird. Die Herstellung eines Stoffes durch eine Stoffvereinigung nennt man Synthese:

Bei der Synthese von Wasser wurde aus Wasserstoff und Sauerstoff in einer exothermen Reaktion das Wasser gebildet. Es stellt sich nun die Frage, ob dieser Vorgang auch umkehrbar ist. Zur Durchführung der Demonstration wird ein Hofmannscher Wasserzersetzungsapparat mit 10%iger Schwefelsäure gefüllt. Auf die Platinelektroden gibt man 15 Volt Gleichspannung und wartet ab, bis eine größere Gasmenge entstanden ist. Die Schüler werden befragt, wie sie die Beobachtungen interpretieren.

Beobachtungen: An beiden Platinelektroden steigen Bläschen auf. Am oberen Ende der Gassammelrohre sammeln sich durch Wasserverdrängung Gase, wobei an der mit dem Minuspol verbundenen Elektrode etwa die doppelte Gasmenge entsteht. Der entstehende Wasserstoff lässt sich mit der Knallgasprobe nachweisen. Der an der mit dem Pluspol verbundenen Elektrode entstehende Sauerstoff wird mit der Glimmspanprobe nachgewiesen: Man öffnet den Hahn vorsichtig und hält einen glimmenden Holzspan an das ausströmende Gas. Dabei ist ein kurzes Aufflammen zu beobachten.

Theorie: Bei der Zerlegung von Wasser durch Elektrolyse entstehen die Gase Wasserstoff und Sauerstoff. Da dabei ständig Energie in Form von elektrischem Strom zugegeben werden muss, handelt es sich bei dem Vorgang um eine endotherme Reaktion. Die Zerlegung eines Stoffes nennt man Analyse:

Der Hofmannsche Wasserzersetzungsapparat kann mit Hilfe eines großen Solarzellenmoduls betrieben werden. Der Wasserstoff dient dabei als Energiespeicher (Näheres siehe >Wasserstofftechnologie). Die Apparatur wird so aufgebaut, dass die Solarzellen eine 12-Volt-Autobatterie aufladen, wenn der Hofmannsche Apparat nicht angeschlossen ist. Zur direkten Entnahme des Stroms von den Solarzellen werden von der Batterie die Steckverbindungen abgezogen. Zum Schutz der Solarzellen wird eine Diode zwischen Batterie und Solarzellen geschaltet. Diese verhindert das Zurückfließen des Stroms von der Batterie zu den Solarzellen (siehe Schaltplan). Die Apparatur verdeutlicht das Prinzip der Energiespeicherung: Sie ermöglicht die Produktion von Wasserstoff auch wenn keine Sonne scheint.

Verwendet man am Hofmannschen Apparat keine Platin-Elektroden, sondern Graphit-Elektroden, tritt nach der Elektrolyse ein Phänomen auf, wenn man an den Elektroden eine Spannungsmessung vornimmt. Dabei lässt sich eine Spannung von etwas mehr als einem Volt messen, die längere Zeit anhält und mit der man sogar einen Solarmotor betreiben kann. Die porösen Elektroden speichern bei der Elektrolyse die entstehenden Gase, so dass eine echte Brennstoffzelle vorliegt, solange die Gase noch darin enthalten sind. Das Phänomen tritt theoretisch auch bei Platin-Elektroden auf, allerdings nicht so deutlich. Auch bei einer Elektrolyse von 10%iger Schwefelsäure in einem U-Rohr mit Seitenrohren ist das Phänomen nach der Elektrolyse deutlich messbar.

Achtung: Es darf nur mit minimalen Mengen Magnesium gearbeitet werden. Keinesfalls darf man den Wasserstoff direkt an der Düse entzünden. Der Wasserstoff-Nachweis erfolgt durch die Knallgas-Probe mit dem im kleinen Reagenzglas aufgefangenen Gas. Das gebogene Reagenzglas muss aus Quarzglas gefertigt sein. Schutzbrille tragen!

Zuerst hält man das völlig trockene, gebogene Reagenzglas aus Quarzglas senkrecht. Mit Hife eines Trichters füllt man es zwei Zentimeter hoch mit Sand. Mit Hilfe einer langen Pipette befeuchtet man den Sand mit Wasser, ohne dass die anderen Stellen im Reagenzglas feucht werden. Danach spannt man das Reagenzglas waagerecht in ein Stativ. Ein 10 Zentimeter langes Magnesium-Band wird zerknüllt und mit Hilfe einer langen Pinzette in die Mitte des Reagenzglases gelegt. Alternativ kann man auch mit einem Glühschiffchen und wenig Magnesium-Pulver arbeiten. Dann setzt man den Stopfen mit dem gebogenen Glasrohr und der langgezogenen Düse auf und stellt das kleine Reagenzglas 16 × 160 mm auf die Düse.

Zuerst wird das Magnesium-Band mit der rauschenden Brenner-Flamme bis zum Glühen erhitzt. Danach erhitzt man sofort den Sand, so dass Wasserdampf über das glühende Magnesium strömt. Man wartet ab, bis die Reaktion abgeschlossen ist und führt danach die Knallgas-Probe mit dem Gas im kleinen Reagenzglas durch.

Wasserstoff aus Magnesium und Wasserdampf herstellen

Reinigung des Reagenzglases: Zuerst spült und putzt man das erkaltete Quarz-Reagenzglas gut mit Wasser und einer Bürste. Dann wird es im Abzug senkrecht in ein Stativ gespannt und mit 10%iger Salzsäure gefüllt. Unbedingt Schutzbrille tragen! Es entstehen Gasbläschen, die aufsteigen und sich bei Luftkontakt spontan mit einem kleinen Knall entzünden. Das Reagenzglas ist gereinigt, sobald keine Gasentwicklung mehr stattfindet.