Elemente, Schulbuch

Abb. 160.4: Reaktionsgleichung der Knallgas-Reaktion Abb. 160.3: Der Versuch 160.1 Abb. 160.2: Explosion des wasserstoffgefüllten Luft- schiffes „Hindenburg“ 1937 in Lakehurst (USA) 160 7 Chemische Eigenschaften einiger Stoffe 7.1 WAsseRsTOFF Wasserstoff ist das einzige Element, das sich nicht sinnvoll in das Periodensystem einordnen lässt. Mit seinem einzigen Elektron passt er zwar in die 1. Gruppe, ist aber ein Nichtmetall. In Verbindungen mit sehr unedlen Metallen wie Lithium bildet er Hydrid-Ionen ( H – ), würde also in dieser Hinsicht zu den Halogenen passen. Das Hy- drid-Ion ist aber zum Unterschied von den Halogeniden eine extrem starke Base (p K B ca. –26!) und zugleich ein ausgezeichnetes Reduktionsmittel. Als Kation (H + ) besteht Wasserstoff nur mehr aus dem Atomkern, also dem Proton. Die Übertra- gungsreaktionen dieses Protons, die Protolysen, wurden als Säure-Base-Reaktionen im Kapitel 4.2 bereits ausführlich behandelt. Wasserstoff hat also eine Zwischen- stellung zwischen einem normalen Element und einem Elementarteilchen. Auch die Wasserstoffbrückenbindung (Kap. 2.4) beruht auf dem Elementarteilchencharakter des Wasserstoffs. Durch Atombindungen gebundener Wasserstoff tritt in fast allen organischen Ver- bindungen auf, außerdem in wichtigen anorganischen Stoffen wie zB Wasser und Ammoniak. Zur Ammoniakherstellung benötigt man auch einen großen Teil der Wasserstoffproduktion. (Kap. 5.2) Ausgangsstoffe zur Wasserstoffherstellung sind vor allem Erdgas und Wasser. Elementarer Wasserstoff kommt auf der Erde nur in geringen Mengen vor (Vulkangase, äußerste Atmosphärenschicht). Im Weltall ist elementarer Wasserstoff der häufigste Stoff. Sowohl die interstellare Materie als auch die Fixsterne bestehen zum Großteil aus Wasserstoff. In den Fixsternen ist er der „Brennstoff“ für die Kernfusion. Elementarer Wasserstoff H 2 ist das Gas mit der kleinsten Molmasse und daher mit der geringsten Dichte. (Kap. 3.2) Zum Experimentieren muss er daher in oben ge- schlossenen Gefäßen aufgefangen werden. ■ 160.1: Die Dichte des Wasserstoffs Achtung! Jede Zündquelle fernhalten! a) Eine Tonzelle ist mit einem Glasrohr dicht verbunden. Dieses wird durch einen doppelt gebohrten Stopfen geführt, der einen Kolben mit Wasser verschließt. Ein zweites Glasrohr führt durch den Stopfen und taucht in das Wasser ein. Über die Tonzelle wird ein Becherglas gestülpt und dieses wird von unten mit Wasserstoff gefüllt (Abb. 160.3). Sofort spritzt Wasser aus dem Kolben. Durch seine geringe Molmasse hat Wasserstoff eine höhere Diffusionsgeschwindigkeit als Luft, so- dass mehr Wasserstoff in die Tonzelle hineindiffundiert als Luft heraus. Dadurch entsteht ein Überdruck. b) Man atmet Wasserstoff aus der Gasflasche tief ein und spricht einige Worte. Die Tonhöhe ist deutlich erhöht, da die Schallgeschwindigkeit in Wasserstoff fast viermal so hoch ist wie in der Luft. Auch dies beruht auf seiner geringen Molmas- se. Achtung! Keinesfalls darf selbst erzeugter Wasserstoff eingeatmet werden, da er gesundheitsschädliche Verunreinigungen enthalten kann. ■ 160.2: Knallgas I Achtung! Jede Zündquelle fernhalten! Man gibt in eine Porzellanreibschale eine gut schäumende Tensidlösung (Rezeptur: zB 40 g Schmierseife + 10 g Glycerol + 10 g Spülmittel + 140 g Wasser). Nun leitet man Wasserstoff aus der Gasflasche ein. Die wasserstoffgefüllten Schaumblasen steigen rasch zur Decke hoch. Sie können mit einer an einem längeren Glasstab befestigten brennenden Kerze entzündet werden. Es entstehen schöne Feuerbälle in der Luft (Verdunklung), die ruhig abbrennen, da Wasserstoff nicht mit Luft gemischt ist und die Verbrennung nur an der Grenzfläche stattfindet. LEHRERVERSUCH LEHRERVERSUCH Wasserstoff ist ein brennbares Gas, das mit Luft vermischt (4–76 % H 2 ) explosions- fähig sein kann. Solche Wasserstoff-Luft-Gemische werden Knallgas genannt. Daher sind Gasflaschen für Wasserstoff mit einem roten Warnanstrich versehen. Festpunkt: –259,4 °C Kochpunkt: –252,8 °C Molekül: H 2 Abb. 160.1: Wasserstoff: Daten Wasserstoff 1,0 1 EN 2,2 H 2 H 2 + O 2 → 2 H 2 O „Knallgas-Reaktion“ H 2 Tonzelle cn79d8 Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv