Didaktische Reduktion
von Stoffportionen
am Thema brennbare Gase
wwu-did > s-std2.htm 25.06.2004
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Didaktische Reduktion von Stoffportionen am Thema brennbare Gase
- Zusammenfassung
- Knallgasdose
- Luftfreier Wasserstoff aus Magnesium
- Seifenschaum
- Explosionsgrenze
- Wasserstoff im Experiment
Schülerinnen und Schüler bringen in den Chemieunterricht die Kenntnis mit, dass der Mensch Luft zum Atmen braucht. Ebenso wissen sie, dass es brennbare Gase gibt. Nachdem die Dichte von Gasen bestimmt wurde, kann vermutet werden, dass Gase gibt, die leichter als Luft sind. Erdgas (hupsächlich aus Methan bestehend) kann die Vermutung bestätigen, birgt aber die Gefährdung durch die Brennbarkeit. Als Luftballongas wird daher das Edelgas Helium genommen. Luftballons mit dem noch leichteren Gas Wasserstoff zu füllen, bedeutet aber eine unverantwortbare Gefährdung einzugehen, da Wasserstoff brennbar ist und größere Mengen davon mit einem Knall verbrennen können, der einen Hörschaden hervorrufen kann.
Um die Gefährdung gefahrlos zu demonstrieren, sind verschiedene DemonstrationsExperimente möglich. So kann man zum Beispiel Wasserstoff aus Gasspritzen in eine Seifenlösung blasen und kleine Portionen des Schaums zünden. Der Versuch kann abgewandelt werden, wenn man nur eine Blase mit stöchiometrischen Mengen von Wasserstoff und Sauerstoff herstellt und zündet. Es kommt dabei schon bei der Verwendung von 10-15 mL Knallgas zu erheblichen Explosionen. Der Versuch ist daher nur als LehrerExperiment in Plastikwannen zu empfehlen. Dabei kommt bei Schülerinnen und Schülern der Wunsch auf, das selbst durchzuführen. Um dem Wunsch der Schülerinnen und Schülern zu entsprechen und dabei die unkontrollierte Experimente zu vermeiden, sind Schülerversuche mit Wasserstoff erforderlich. Mit Hilfe der Halbmikrotechnik ist es in Schülerübungen möglich,
Die Schülerinnen und Schüler sind fasziniert sind vom Knall der Reaktion und wollen weitere Reaktionen machen. Der Fortgang des Unterrichts wird dadurch beschleunigt und liefern dazu quantitative Zusammenhänge: Aus dem einfachen Verhältnis der verbrauchten Stoffportion von Magnesiumband, die sich statt mit einer Waage einfach mit einem Millimeter-Maß bestimmen lässt, und dem Volumen des entstandenen Wassrstoffs kann die Proportionalität des Stoffumsatzes ermitteln. Dieses lässt sich bis zur Bestimmung der molaren Masse von Magnesium erweitern und mit Calcium bestätigen.
Mitunter entzündet sich der Wasserstoff nur und brennt zunächst mit einer unsichtbaren Flamme, explodiert dann jedoch verzögert. Hieraus lassen sich Unterrichtseinheiten über Explosionsgrenzen von brennbaren Gasen und die Rückschlagsicherung ableiten.
Die Dichte von Gasen, die größer sind als Luft, führen zu Gefahren, die mit einem herabfallenden Etherdämpfen in einer Fallrinne oder Fallrohr gezeigt werden können.
2 Knallgasdosen
Der richtigen Umgang mit Wasserstoff in Stahlflaschen ist beginnt mit der Beachtung des Zusammenlagerungsverbotes mit Sauerstoff. Außerdem müssen die Flaschen vor Umfallen gesichert aufgestellt sein. Der Transport von fast leeren und vollen Flaschen zum Schutz des Hauptventils darf nur mit Schutzkappen erfolgen. Beim Transport auf Flaschentransportwagen sind sie ebenfalls vor dem Umfallen zu sichern, auch hierbei dürfen sich Wasserstoff und Sauerstoff nicht auf einem Flaschenwagen befinden.
Zur Demonstration der Knallgasreaktion verbunden mit dem verzögerten Einsetzen der Reaktion durch Bildung eines Explosionsfähigen Gemisches werden häufig einseitig offenen Blechdosen eingesetzt. Diese werden speziell dafür präpariert, indem sie ein Loch von etwa 2-3 mm in dem Boden erhalten und ein ebenso großes in die Seitenwand nahe der offenen Seite. Das Füllen geschieht in immer gleicher Weise: Man stellt die Dose mit der großen Öffnung nach unten (Loch im Boden befindet sich oben!) und füllt den Wasserstoff mit einem dünnen Rohr nach leichtem Anheben von unten ein. Wenn die Luft aus der Dose verdrängt ist, verschließt man das Loch oben mit einem Finger und lässt sich einen langen, brennenden Holzspan reichen. Mit diesem entzündet man nach Entfernen des Fingers vom oberen Loch den austretenden Wasserstoff und entfernt sich mitsamt der geschlossenen Wasserstoffdruckflasche aus dem Gefahrenbereich. Der Wasserstoff verbrennt zunächst mit unsichtbarer Flamme. Je nach Größe der Dosen und der Größe der Zutrittsöffnung für Luft und der Austrittsöffnung des Wasserstoffs können bis zu Minuten bis zur Explosion vergehen. Häufig ist das Abbrennen mit einem dunkler werdenden pfeifenden Geräusch verbunden, dass auf eine pulsierende Flamme schließen lässt. Bleibt die Reaktion aus, so nähert man sich der Dose vorsichtig und schlägt eine eventuell noch brennende Flamme aus, bevor man die Dose umdreht.
Umgang mit der Wasserstoff - Knallgasdose
Zur Größe der Dose: In geschlossenen Klassenräumen ist eine übliche EURO - Konservendose (780mL) zu groß, der Knall zu laut, die Verletzungsgefahr durch das Metallgewicht und die scharfen Kanten unkalkulierbar.
Besser geeignet sind die kleineren und leichteren Dosen von Erfrischungsgetränken, noch besser kleine Gewürzdöschen.
Am besten geeignet sind Kunststoff-Filmdöschen von Kleinbildfilmen. Sie werden mit Deckel verwendet. Sie sind besonders leicht, eine Verletzung durch Bruch ist wegen des Weichplastiks und des sich leicht öffnenden Deckels nicht zu erwarten, der Explosionsknall ist auch bei größerer Nähe, wie sie bei Schülerübungen vorkommen, erträglich. Die Filmdöschen haben den Nachteil, dass das obere Loch durch die Hitze der Flamme gelegentlich zuschmilzt.
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Luftfreier
Wasserstoff aus Magnesium
Um Knallgasreaktionen mit Filmdöschen in Schülerübungen durchführen zu können, benötigt man eine gefahrlose Herstellung von Wasserstoff.
Man kann nahezu luftfreien Wasserstoff herstellen, wenn man Magnesiumband in kleinen Stücken in einen Kolbenprober gibt und wieder mit dem Kolben verschließt. Anschließend saugt man mit dem Kolbenprober eine verdünnte Salzsäure-Lösung auf. Es kann dafür bereits durch andere Versuche verunreinigte Säure verwendet werden, die man zu Reinigungszwecke aufbewahrt hat. Der entstehende Wasserstoff verdrängt die Säure aus dem Kolben.
HMT - Wasserstoff
in Schülerübungen mit der Halbmikrotechnik.
Wenn den Wasserstoff auf diese Weise in Schülerübungen herstellt und dann in Kombination mit den Filmdöschen und anderen Handversuchen verwendet, kann man die Schulklasse "nebenbei" die Proportionalität von der Länge des Magnesiumbandes und entstandenen Portion Wasserstoff überzeugen.
Auf die E
lässt sich so ohne Waage auf besonders einfache und für Schülerinnen und Schüler effektvolle Weise durchführen.
Die Überprüfung kann mit Calcium-Spänen vorgenommen werden, wobei allerdings die Calcium-Späne abgewogen werden müssen.
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Seifenschaum
Zur Bildung von Seifenschaum, der mit Wasserstoff gefüllt ist, eignet sich Leitungswasser mit Spülmittelzusatz. Als Gefäß sollten Plastikschalen verwendet werden. Erzeugt man die Blasen mit Hilfe von Kolbenprobern, kann man sogar Knallgas aus nahezu stöchiometrische Portionen Wasserstoff und Sauerstoff herstellen. Diese sollte man auf keinen Fall mit Metalldosen durchführen. Es gibt hierfür spezielle Standzylinder aus Messing, deren Volumina auf die Knallgasreaktion abgestimmt sind. Es waren auch Standzylinder für die Chlor -Knallgas und die Ethin - Knallgasreaktion erhältlich. Besonders bei Ethin ist der Knall jedoch sehr scharf, hoch und erheblich lauf, so dass sie Verwendung nicht durchgeführt werden sollte.
Sauerstoff-Darstellung
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Explosionsgrenzen
Zur Untersuchung der Verzögerung eignet sich ein Versuch mit zwei gleichartigen Dosen, die gleichermaßen mit Wasserstoff gefüllt werden und etwa 50 cm nebeneinander gestellt werden. Sie werden im Zeitlichen Abstand von etwa 15 Sekunden gezündet, explodieren aber immer gleichzeitig. Erklärung: Bei der Explosion der ersten Dose entsteht eine Druckwelle (Knall), der die Flamme der zweiten Dose in die Dose drückt und dort vorzeitig die Explosion auslöst.
Umg. mit brennbare Gasen und Flüssigkeiten
Explosionsgrenzen von Wasserstoff
Übung dazu mit anderen brennbaren Gasen
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Wasserstoff im Experiment
Wasserstoff ist wegen seiner reduzierenden Eigenschaften auf Metalloxide und wegen der Bildung von Wasser mit Sauerstoff für die Didaktik der Chemie, aber auch für die Chemietechnik von Bedeutung.
Hinweise auf Sicherheitsmaßnahmen in der SiNTU
SiNTU A 4.7 Aufbewahrung und Lagerung von brennbaren Gasen
Hinweise auf die gesetzlichen Bestimmungen
Chemikaliengesetz ChemG
Gefahrstoffverordnung GefStoffV
Richtlinie "Sicherheit im naturwissenschaftlich-technischen Unterricht" SiNTU
Helmut
Bergmann: Gefahren beim Umgang mit feuergefährlichen
Flüssigkeiten und Gasen 
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