Wasser - ein Oxid?

Wasser - ein Oxid?
An kalten Wintertagen bilden sich hinter den Auspuffrohren Autos
weiße Nebelwolken. Wenn im Chemieraum viele Gasflammen brennen,
beschlagen manchmal die Fensterscheiben. Offenbar enthalten die
Flammen der Gasbrenner und die Auspuffgase auch Wasserdampf, der
an der kalten Luft oder den kalten Fensterscheiben zu
Wassertröpfchen kondensiert.
Aufgrund dieser Beobachtungen kann man vermuten, dass bei der
Verbrennung von Benzin und Brennergas Wasser gebildet wird. Diese
Vermutung muss allerdings bestätigt werden.
Ein Becherglas, das über eine Brennerflamme gehalten wird,
beschlägt mit einer farblosen Flüssigkeit. Die Siedetemperatur
der Flüssigkeit beträgt 100°C und die Dichte 1 g/cm3.
Bei der Verbrennung des Brennergases entsteht Wasser!
Wasser - eine Sauerstoffverbindung?
Wir wissen schon, dass Oxiden der Sauerstoff entzogen werden
kann. Man benötigt dazu einen Stoff mit besonders großem
Bindungsbestreben zu Sauerstoff. Ein solcher Stoff ist Magnesium.
Sein Bindungsbestreben zu Sauerstoff ist so groß, dass Magnesium
sogar unter Wasser brennt (Taucherfackel).
Hält man ein brennendes Magnesiumband in einen mit Wasserdampf
gefüllten Kolben, so verbrennt es unter Feuererscheinung zu
Magnesiumoxid. Das Magnesium kann den zur Verbrennung benötigten
Sauerstoff nur dem Wasser entzogen haben, da bei unserem
Experiment kein Luftsauerstoff zugegen war.
Bei genauem Hinsehen kann man eine weitere Flamme beobachten.
Rührt diese Flammenerscheinung vom brennenden Magnesium her oder
ist neben Magnesiumoxid ein brennbares Gas entstanden? Um dies zu
klären, leiten wir in einem weiteren Experiment Wasserdampf über
erhitztes Magnesium. Getrennt vom heftig reagierenden Magnesium
lässt sich an der Spitze des Glasrohrs ein brennbares Gas
entzünden. Bei seiner Verbrennung entsteht Wasserdampf.
Magnesium reagiert mit Wasser zu Magnesiumoxid und einem
brennbaren Gas; Magnesium hat also der Verbindung Wasser den
Sauerstoff entzogen.
Wasser ist eine Sauerstoffverbindung - ein Oxid!
Das brennbare Gas, bei dessen Oxidation Wasser entsteht, heißt
Wasserstoff.
Wasserstoff ist ebenso wie Sauerstoff ein Element. Wir werden im
Folgenden einige seiner Eigenschaften näher kennen lernen.
Eigenschaften des Wasserstoffs
Wasserstoff ist ein farb- und geruchloses Gas.
Wegen seiner geringen Dichte wurde Wasserstoff als Füllgas für
Freiballons und Zeppeline verwendet. Als der mit 200000 m3
Wasserstoff gefüllte deutsche Zeppelin "Hindenburg" am 6. Mai
1937 in Lakehurst (USA) in Brand geriet und innerhalb weniger
Minuten völlig vernichtet wurde), war dies zunächst das Ende der
Zeppelinluftfahrt. Heute werden diese mit dem unbrennbaren
Edelgas Helium gefüllten Luftschiffe wieder verstärkt eingesetzt.
Wasserstoff hat die kleinste Dichte alter Stoffe. Er ist
brennbar, unterhält die Verbrennung jedoch nicht.
Gefahren beim Umgang mit Wasserstoff. Vermischt sich Wasserstoff
mit Luft, bildet sich ein Gemisch, das beim Zünden
explosionsartig verbrennt. Noch heftiger erfolgt die Verbrennung
von Wasserstoff im Gemisch mit reinem Sauerstoff. Man bezeichnet
solche explosiven Gasgemische als Knallgas.
Außer Wasserstoff können auch andere brennbare Gase wie Erdgas
oder Campinggas und Dämpfe von brennbaren Flüssigkeiten wie
Benzin und Alkohol mit Luft explosive Gasgemische bilden. Man
muss die unerwünschte Entstehung solcher gefährlicher Gemische
verhindern. Wo sie dennoch entstehen können (z.B. an Tankstellen
und in Garagen), muss jede Entzündungsmöglichkeit (Rauchen,
offenes Feuer, elektrische Funken) vermieden werden.
Gemische von brennbaren Gasen mit Luft können explodieren.
Die Knallgasprobe
Bevor ein Wasserstoffstrom aus einer Apparatur entzündet werden
darf, muss geprüft werden, ob aus der Apparatur reiner
Wasserstoff oder das gefährliche Knallgas entströmt. Hierzu füllt
man am besten ein kleines Reagenzglas durch Wasserverdrängung mit
dem aus der Apparatur ausströmenden Gas, und nähert die nach
unten weisende Öffnung des Reagenzglases der Brennerflamme.
Brennt das Gas ruhig ab, so handelt es sich um reinen
Wasserstoff, der gefahrlos entzündet werden kann. Verbrennt es dagegen mit einem pfeifenden Geräusch, so liegt das
gefährliche Knallgas vor. In diesem Fall muss die Probe so oft
wiederholt werden, bis kein Geräusch mehr auftritt.
Eigenschaften des Wasserstoffs:
farblos geruchlos geschmacklos gasförmig
Brennbarkeit: sehr gut brennbar, bildet mit Luft und Sauerstoff
explosive Gemische
Dichte (20°C): (0,0887 g/l
Nachweis: Knallgasprobe
Eigenschaften des Sauerstoffs zum Vergleich:
farblos geruchlos geschmacklos gasförmig
Brennbarkeit: nicht brennbar, unterstützt die Verbrennung
Dichte (20°C): 1,4200 g/l
Nachweis: Glimmspanprobe
Bei der Untersuchung des Wassers haben wir festgestellt, dass die
Verbindung Wasser mindestens aus Sauerstoff und Wasserstoff
aufgebaut ist.
Ob jedoch die beiden Stoffe allein diese Verbindung aufbauen,
können wir noch nicht entscheiden. Es ist möglich, dass bei der
Reaktion von Magnesium mit Wasser noch andere Stoffe entstehen,
die uns entgangen sind. Gelingt es aber, nur aus Wasserstoff und
Sauerstoff Wasser herzustellen, haben wir bewiesen, dass Wasser
eine Verbindung aus diesen beiden Elementen ist. Das kann man mit
dem Eudiometer vornehmen. Oder man kann Wasser mit dem
Hoffmann’schen Apparat zerlegen s.u.).
Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff
Sowohl beim Verbrennen von Wasserstoff an der Luft als auch in
reinem Sauerstoff lässt sich eine farblose Flüssigkeit gewinnen.
Die Prüfung mit Kobaltchloridpapier zeigt, dass es sich jeweils
um Wasser handelt. Es hat sich durch Reaktion der beiden Elemente
Wasserstoff und Sauerstoff gebildet. Wasser ist ein Oxid des
Wasserstoffs, also Wasserstoffoxid. Bei seiner Bildung aus den
Elementen wird viel Wärme frei.
Wortgleichung:
Wasserstoff + Sauerstoff ----> Wasser(stoffoxid) / exotherm
Diese Reaktion wird in der Technik vielfältig genutzt. In
Raketentriebwerken verbrennt man flüssigen Wasserstoff mit
flüssigem Sauerstoff. Dabei entstehen hohe Temperaturen und
Drücke. Das Verbrennungsprodukt Wasser strömt deshalb mit großer
Geschwindigkeit aus der Düse der Rakete und bewirkt einen hohen
Schub. Autoingenieuren ist es gelungen, Wasserstoff anstelle von
Benzin als Treibstoff einzusetzen. Dadurch könnte der
Schadstoffgehalt der Luft erheblich vermindert werden.
Na also:
Wasser ist eine Verbindung aus den Elementen Sauerstoff und
Wasserstoff.
Mit Hilfe des Hoffmannschen Apparates haben wir Wasser
elektrolytisch zerlegt. Die Beobachtungen zeigen, dass dabei zwei
Volumenteile Wasserstoff und ein Volumenteil Sauerstoff
entstehen.
Jetzt geht’s ans Rechnen:
Wir können also aus dem Volumenverhältnis von 2:1
Dichten (s.o.) das Massenverhältnis bestimmen.
mit Hilfe der
Gehen wir von 2 Litern Wasserstoff und einem Liter Sauerstoff
aus:
Masse(Wasserstoff) = Dichte(Wasserstoff)
=
0,0887 g/l
x Volumen(Wasserstoff)
x
2 l
=
0,1774 g
----------------------------------------------------------------Masse(Sauerstoff) = Dichte(Sauerstoff)
x Volumen(Sauerstoff)
=
1,4200 g/l
x
1 l
=
1,4200 g
----------------------------------------------------------------Masse(Wasserstoff) : Masse(Sauerstoff) = 0,1774 g : 1,4200 g
=
1
:
8
Das Massenverhältnis von Wasserstoff zu Sauerstoff im Wasser
beträgt also 1 : 8.
Daraus können wir nun in gewohnter Weise das Teilchenverhältnis
ermitteln und die Formel aufstellen:
n(H)
n(H)
: n(O)
: n(O)
=
1g
---1u
=
1g
---1u
=
2
:
8g
---16u
(Kehrwert)
x
16u
---8g
(Kürzen)
:
1
Nun ist es heraus, Wasserstoff und Sauerstoff reagieren im
Teilchenverhältnis 2:1 zu Wasser.
Das entspricht genau dem Volumenverhältnis!
Stellen wir gleich Formel und Gleichung auf:
2 H
+
1 O
+
2 Teilchen
Wasserstoff
--->
1 H2O
--->
1 Teilchen
Sauerstoff
2 l Wasserstoff + 1 l Sauerstoff
1 zusammengesetztes
Teilchen Wasser
ein paar Tropfen Wasser
Hier sind die beiden Ergebnisse gleichzeitig dargestellt und wir
könnten mit der Erkenntnis zufrieden sein. Könnten....
... wenn man nicht eine weitere Beobachtung gemacht hätte.
Erhitzt man das schon oben erwähnte Eudiometer auf über 100°C, so
bildet sich aus den Wassertropfen gleich Wasserdampf. Und zwar
soviel:
+
2 l Wasserstoff
--->
1 l Sauerstoff
2 l Wasserdampf
Jetzt kommen wir mit unserer Rechnung mit dem Verhältnis der
Teilchen nicht mehr zum korrekten Ergebnis. Es entstehen
offensichtlich doppelt so viele Wasserteilchen!
Aus dieser misslichen Lage befreit uns Amadeo AVOGADRO, der
angenommen hat, dass Wasserstoff und Sauerstoff nicht aus
einzelnen (Atomen), sondern aus zusammengesetzten Teilchen
(Molekülen) bestehen. Wir sprechen von zweiatomigen Molekülen.
Jetzt passt es:
+
2H2
+
--->
O2
--->
2H2O
Ein Stoff im Gaszustand besteht aus isolierten kleinsten
Teilchen. Gasteilchen können einzelne Atome sein (nur bei den
Edelgasen Helium, Neon, usw.) oder sich aus zwei oder mehreren
Atomen zusammensetzen. Gasförmiges Wasser besteht aus frei
beweglichen Teilchen, von denen wir wissen, dass sie mindestens
ein Sauerstoffatom und doppelt so viele Wasserstoffatome
enthalten müssen. Kleinste Teilchen, die aus zwei oder mehreren
Atomen zusammengesetzt sind, nennt man Moleküle.
Der Satz von AVOGADRO
Die Zusammensetzung der Moleküle von Gasen lässt sich ermitteln
durch Anwendung einer Hypothese, die der italienische Physiker
AVOGADRO 1811 aufgestellt hatte. Er nahm an:
In gleichen Volumina verschiedener Gase sind gleich viele
Teilchen enthalten, wenn der Druck der Gasportionen und deren
Temperatur gleich sind.
Heute weiß man, dass AVOGADROs Hypothese zu richtigen
Schlussfolgerungen führt. Das Volumen einer Gasportion ist nicht
von der Größe und der Masse der Gasteilchen abhängig, sondern von
der Anzahl der Gasteilchen. Durch den Satz von AVOGADRO lässt
sich auch das Gleichverhalten der Gasvolumina bei
Temperaturänderung deuten.
Ebenso stammt die Erkenntnis von AVOGADRO, dass alle elementar
vorliegenden Gase (Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff, Chlor,
...) immer als zweiatomige Moleküle auftreten. Achtung: Nicht die
Edelgase! Wenn sie in Verbindungen vorliegen, muss das natürlich
nicht der Fall sein (s. Wassermolekül). Diese Tatsache müssen wir
bei der Aufstellung von Formelgleichungen beachten.
Von Lp 2004, unter Verwendung folgender Quellen:
Klett, Elemente I
PZ Berlin, Ein Weg zur chemischen Formelsprache