Knallgas - Filmdose
 

Inhaltsverzeichnis

1. Knallgasreaktion
2. Didaktische Eignung der Knallgasreaktion mit Filmdöschen
3. Vorbereitung der Filmdöschen
4. Filmdose mit Wasserstoff füllen
5. Didaktische Hinweise

 
1. Knallgasreaktion

Knallgas wird das Gemisch von Wasserstoff und Sauerstoff . Das Volumenverhältnis von 2:1 führt zur quantitativen Verbrennung. Es verbrennt beim Zünden mit einem heftigen Knall, wobei praktisch keine Flamme zu sehen ist. Die Explosionsgrenzen für die Verbrennung mit Luft liegen zwischen 4% und ca. 76% Wasserstoff.

Es gibt eine Reihe von Möglichkeiten, die Knallgasreaktion im Unterricht zu demonstrieren.

Die einfachste Art ist die Darstellung von Knallgas durch eine Elektrolyse. Das Gemisch kann in eine starkwandigen Reagensglas, durch Bekleben mit Bucheinbindefolie als zusätzlicher Splitterschutz direkt gezündet werden.

Gefahrloser lässt sich das Gemisch nach Einleiten des Knallgasgemisches als Schaum in einer pneumatische Wanne aus Kunststoff zünden. Dazu ist die pneumatische Wanne mit einer Lösung eines Spülmittel-Wassergemisch gefüllt. Der gebildete Schaum läst sich mit einer Kerze, die an einem längeren Stab befestigt ist, zünden. (Vorsicht, Verbrennungsgefahr!)

In der Fachliteratur ist auch das Zünden von Wasserstoff als Lehrerversuch beschrieben. Der Wasserstoff befindet sich in einer Blechdose (Konservendose). Davor ist jedoch aus zwei Gründen zu warnen. Der Knall ist sehr erheblich, kommt für die meisten Schüler unvermittelt und kan zum Knalltrauma führen. Außerdem wird die Blechdose mit große Wucht unter die Decke geschleudert und kann dort Deckenlampen zerstören. Die herabfallende scharfkantige Dose kann Schülerinnen oder Schüler erletzen.

Die Verwendung einer kleinen Plastikdose, wie sie als Verpackung eines Kleinbildfilmes Verwendung findet, minimiert dien Knall und die Verletzung durch das Herumfliegen der Teile. Die Präparation der Dose wird in den folgenden Abschnitten beschrieben.

 

 

 

2. Didaktische Eignung der Knallgasreaktion mit Filmdöschen

Die schwarzen Kunststoffdosen, wie sie für Verpackung von Kleinbildfilmen Verwendet werden, sind sehr geeignet, um die Knallgasreaktionen in Schülerübungen durchführen zu lassen.

Dafür sprechen, dass sich alle Beobachtungen wie bei großen Dosen machen lassen:

  1. Die kleine Gasportion führt zu einem zwar lauten, aber nicht das Gehör gefährdenden Knall.
  2. Bei vorsichtigem Befüllen mit Wasserstoff lassen verzögerte Knallgasreaktionen entstehen, die auf Explosionsgrenzen hinweisen.
  3. Beim Abbrennen hört man nur das Entzündungsgeräusch, die Flamme bleibt unsichtbar und kurz vor dem Knall hört man einen tiefer werdenden Ton, der auf die Mischungsverhältnisse hindeutet.
  4. Durch die herumfliegenden Dosen können wegen des geringen Gewichts und der Verformbarkeit keine Verletzungen eintreten.

    Außerdem
  5. Durch die Beteiligung der Schülergruppen lassen sich in gleicher Zeit eine Vielzahl von Experimenten durchführen, die
  6. sich quantitativ auswerten lassen.
  7. Es ergiebt sich die Möglichkeit, die Methoden von "naturwissenschaftlicher Tabelle" und "naturwissenschaftlichem Diagramm" einzuführen.
  8. Mit der Kenntnis der Dichte von Wasserstoff lässt sich sogar die molare Masse von Magnesium bestimmen und als Methode für andere unedle metallische Elemente ausdehnen.

 

 

3. Vorbereitung der Filmdöschen

Mit einem Handbohrer werden zwei Löcher in die Filmdosen gebohrt. In den Boden kommt ein Loch von 2mm. Dieses Loch wird später oben sei und dort wird der austretende Wasserstoff entzündet.

Bild 1: Bohren des 2mm-Kopflochs in den Boden der Dose.

 

In die Seite kommt ein Loch von 4mm. Durch dieses Loch wird später der Wasserstoff aus der 50 mL-Kunststoffspritze eingefüllt.

Bild 2: Bohren des 4mm-Seitenlochs in den Boden der Dose.

 

 

4. Filmdose mit Wasserstoff füllen

Bild 3: Befüllen der Filmdose mit Wasserstoff.

Vor dem Füllen der Filmdöschen muss ein Feuerzeug mit langen Handgriff (Grillanzünder) oder ein angekohlter Holzspieß mit Kerzenflamme bereitgehalten werden!

Zum Befüllen mit Wasserstoff wird die Filmdose so gehalten, dass das Loch im Boden nach unten zeigt. Der Luer-Anschluss des Kolbenproner wird in das Seitenloch gesteckt und sicherheitshalber festgehalten. Anschließend wird der Wasserstoff gleichmäßig, ganz langsam in die Dose geleitet, so dass der Wasserstoff von oben kommend die schwerere Luft aus der Filmdose aus dem unteren Loch verdrängt, ohne sich wesentlich zu vermischen.

Nach dem Umdrehen wird die Filmdose sofort auf den Tisch gestellt wie es im Bild 4 zusehen ist. Dabei muss bis zum Zünden das Kopfloch und das Seitenloch mit den Fingern verschlossen werden!

 

 

4. Wasserstoff zünden

Bild 4: Zünden des Wasserstoff in der Fildose

Sofort nach dem Befüllen und Abstellen muss der Inhalt des Fildöschens gezündet werden.

Wenn es vrher leise ist, kann man ein leichtet "Plopp" beim Zünden hören. Kommt es sofort beim Zünden zur Detonation. Deshalb sollte man mit einer langstieligen Zündquelle zünden. Man wiederholt das Experiment bis man eine verzögerte Zündung mit dem zuvor hörbaren tiefenwerdenden Ton erreicht hat.

 

5. Didaktische Hinweise

Man kann das Experiment der Erzeugung von Wasserstoff aus Magnesium mit dem Knallgasexperiment zur Motivation und als Einstiegsexperiment für eine Unterrichtreihe benutzen.

Wenn man die Schülerinnen und Schüler beauftragt, die verwendete Portion Magnesium vorher abzumessen und das dabei gewonnen Volumen Wasserstoff zu notieren, so kann man mit der Klasse

  • eine wissenschaftliche Tabelle entwerfen
  • ein Diagramm zu erstellen,
  • Interpolieren und Extrapolieren zu erlernen,
  • eine Ausgleichsgerade zur Mittelung einsetzen
  • eine Arbeitshyphothese zur Voraussage entwerfen, wieviel Magnesium nötig ist, um 2g Wasserstoff zu entwickeln,
  • die Arbeitshypothese an Hand der molaren Masse des Magnesium am Periodensystem zu überprüfen
  • und auf andere Elemente wie Calcium, Zink, Eisen in Schülerversuchen zu übertragen.

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Mit Lithium, Natrium, Kalium in Verbindung mit Alkohol als Protonendonator lassen sich auch die Molmassen von Alkalimetallen bestimmen.

 

 

Literatur

Autor:

Klaus-G. Häusler; haeusler[at]muenster[dot]de

Quelle:

Knallgas wikipedia

Brennbare Gase und Flüssigkeiten buk

Unterrichtsreihe Redoxchemie Wasserstoff/Wasser Kupfer/Kupferoxid