Knallgasprobe

Wenn bei einer Reaktion elementarer Wasserstoff entsteht und man Luft in das Reaktionsglas lässt, vermischt sich dieser Wasserstoff mit dem Sauerstoff aus der Luft und bildet das Knallgas. Bei dieser Reaktion handelt es sich um eine Redoxreaktion. Während also der nachzuweisende Wasserstoff oxidiert wird, wird der Sauerstoff reduziert.

Sauerstoff und Wasserstoff reagieren aber nicht spontan. Wenn man diesem Knallgas also die nötige Aktivierungsenergie mit einer Flamme zuführt, reagieren Sauerstoff und Wasserstoff unter Freisetzung von Energie exotherm zu Wasser und ein Knall ist zu hören.

Knallgasprobe – Wasserstoff

Als Erstes muss man Wasserstoff herstellen. Bis heute wird Wasserstoff oft auf eine sehr umweltschädliche Art gewonnen, nämlich aus Erdöl. Dieser Prozess nennt sich Dampfreformierung.

Die Dampfreformierung ist dabei ein allothermer Prozess, das bedeutet, dass bei diesem industriellen Verfahren von außen Energie in Form von Wärme zugeführt werden muss.

Knallgasprobe – Der Ablauf der Dampfreformierung

Die grundsätzliche Reaktion der Dampfreformierung besteht aus Methan, welches mit Wasser zu Kohlenstoffmonoxid und reinem Wasserstoff reagiert. Die Reaktionsgleichung lautet:

${\mathrm{CH}}_4+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\rightleftharpoons \mathrm{CO}+3{\mathrm{H}}_2$

Diese Reaktion, ohne zugeführte Energie, ist jedoch stark endotherm, benötigt also Energie, um abzulaufen. Darum wird eine partielle Oxidation eingebracht, die die nötige Energie liefert. Diese entsteht dadurch, dass statt Wasser reiner Sauerstoff zu dem Methan gegeben wird:

$2{\mathrm{CH}}_4+{\mathrm{O}}_2\rightleftharpoons 2\mathrm{CO}+4{\mathrm{H}}_2$

Dadurch erhöht sich einerseits die Wasserstoffausbeute und die Reaktion ist nun exotherm (gibt Wärme ab), andererseits muss auch mehr Methan bereitgestellt werden.

Um jetzt die Ausbeute zu erhöhen, kann das entstandene Kohlenstoffmonoxid weiter verwendet werden, indem es mit Wasser zu Kohlenstoffdioxid und einem weiteren Wasserstoffmolekül reagiert. Diese Methode ist ebenfalls leicht exotherm und benötigt damit keine weitere Energiezufuhr:

$\mathrm{CO}+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\rightleftharpoons {\mathrm{CO}}_2+{\mathrm{H}}_2$

Eine umweltfreundlichere Version der Wasserstoffgewinnung ist die Wasserelektrolyse, welche gleichzeitig auch eine größere Ausbeute sichert. Dabei zersetzt man Wasser elektrolytisch. Dafür setzt man für eine bessere elektrische Leitfähigkeit dem Wasser entweder eine Säure oder eine Lauge hinzu. Bei der Elektrolyse bildet sich Wasserstoff an der Kathode und Sauerstoff an der Anode.

Doch nun zur Elektrolyse.

Dabei gibt es zwei Reaktionspunkte, sogenannte Halbzellen, zwischen welchen ein Konzentrationsgradient entsteht. Je nachdem, ob dann eine Säure oder eine Base eingesetzt wurde, werden entweder Oxoniumionen (H₃O⁺) oder Hydroxidionen (OH^-) gebildet oder verbraucht. In saurem Milieu wandern die H₃O⁺ von der Anode zur negative geladenen Kathode und die OH^- wandern dementsprechend in basischem Milieu von der Kathode zur positiv geladenen Anode.

So können an den Elektroden dann die entsprechenden Reaktionen ablaufen:

Im Sauren läuft es so ab, dass an der Anode eine Oxidation von Wasser stattfindet, bei der Sauerstoff (O₂), Oxoniumionen (H₃O⁺) und Elektronen (e^-) resultieren.

Die Oxoniumionen und die Elektronen von der Anode wandern dann zur anderen Elektrode und reagieren dann an der Kathode, um die positive Ladung zu neutralisieren. Das bestrebt grundsätzlich jedes Ion, da es energetisch vorteilhafter ist. Dabei entsteht dann Wasser (H₂O) und Wasserstoff (H₂).

Kathodenreaktion:

Anodenreaktion:

Gesamtreaktion: $2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}⟶2{\mathrm{H}}_2+{\mathrm{O}}_2$

Im Basischen hingegen spalten sich an der Anode Hydroxidionen (OH^-) in Sauerstoff, Wasser und Elektronen. Das Wasser und die Elektronen reagieren dann an der Kathode zu Wasserstoff und Wasser.

Kathodenreaktion:

Anodenreaktion:

Gesamtreaktion: $2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}⟶2{\mathrm{H}}_2+{\mathrm{O}}_2$

Knallgasprobe – Wasserstoffsynthese über Zink-Salzsäure Reaktion

Alternativ kann man mithilfe des Kipp'schen Apparates Wasserstoff aus der Reaktion von Zink mit Salzsäure gewinnen.

Mit dem Kipp'schen Apparat können im Labor Gase hergestellt werden, welche aus der Reaktion eines Festkörpers mit einer Flüssigkeit entstehen. Der Apparat besteht aus drei Glasballons, die übereinander sitzen. Der mittlere Ballon hat dabei seitlich ein Rohr, woraus man das synthetisierte Gas auffangen kann.

Abbildung 2: Kipp'scher Apparat

Beim Kipp'scher Apparat wird in den mittleren Gasballon ein Feststoff und in den untersten Ballon eine Flüssigkeit, meist eine Säure, gefüllt. Durch das Befüllen mit der Flüssigkeit steigt der Pegel dieser bis zum Feststoff und reagiert so mit diesem zu einem Gas, welches dann oberhalb des Feststoffes im mittleren Gefäß aufgefangen wird.

Das System reguliert sich dabei selbst über den Druck, der durch das produzierte Gas entsteht. Denn wenn dieser Druck größer wird, drück er die Flüssigkeit wieder nach unten beziehungsweise sogar über das Mittelrohr wieder nach oben. Damit berührt es dann den Feststoff nicht mehr, keine Reaktion läuft ab und zusätzlich steigt auch der Druck nicht weiter an.

Wenn nun über das seitliche Rohr das synthetisierte Gas entlassen wird, sinkt der Druck, die Flüssigkeit steigt wieder, berührt damit auch den Feststoff und die Gassynthese fährt fort.

Der Wasserstoff, der bei dieser Reaktion entsteht, wird in einer sogenannten pneumatischen Wanne (Glaswanne mit Wasser gefüllt) in einem Reagenzglas aufgefangen. Das Reagenzglas ist dafür mit Wasser gefüllt und mit der Öffnung nach unten in der Wanne aufgestellt. Der Wasserstoff wird über einen Schlauch in dieses Reagenzglas eingeleitet. Dabei verdrängt das Gas das Wasser aus dem Reagenzglas. Nach vollständiger Verdrängung verschließt man die Öffnung des Reagenzglases noch im Wasser, damit Wasserstoff nicht entweicht.

Knallgasprobe – Versuchsablauf und Auswertung

Nun wird das mit Wasserstoff gefüllte Reagenzglas mit der Öffnung nach unten über einem Bunsenbrenner geöffnet. Jetzt können drei Fälle auftreten.

1. Es findet keine Reaktion statt; man hört oder sieht nichts. Damit ist in dem Reagenzglas kein Wasserstoff vorhanden.
2. Es ist kein Knall zu hören. Lediglich ein ruhiges verbrennen oder verpuffen ist festzustellen. Damit ist die Knallgasprobe negativ und das aufgefangene Gas ist kein Knallgas, sondern nur reiner Wasserstoff.
3. Man hört einen Knall oder ein Pfeifen. Damit ist die Knallgasprobe positiv und in dem Reagenzglas war somit Knallgas entstanden.

Knallgasprobe – Reaktionsgleichung

Bei der Knallgasprobe reagieren also Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser, womit sich die folgende Reaktionsgleichung aufstellen lässt:

Knallgasreaktion im Detail

Bei der Knallgasreaktion handelt es sich um eine Kettenreaktion. Als Erstes werden hier Wasserstoffmoleküle gespalten, welche Wasserstoffradikale bilden. Das stellt den Kettenstart der Kettenreaktion dar. Die dabei benötigte Energie wird durch Erhitzen der Knallgasmischung eingespeist.

(1)

Diese Wasserstoffradikale reagieren als Nächstes mit den Sauerstoffmolekülen, wodurch je ein Sauerstoffatom und ein Hydroxylradikal entstehen. Das aus der Reaktion resultierende, alleinstehende Sauerstoffatom reagiert daraufhin direkt mit einem weiteren Wasserstoffatom zu einem weiteren Hydroxylradikal.

(2)

Das hier entstandene Sauerstoffatom kann mit Wasserstoffmolekülen, ebenfalls unter Bildung von Hydroxylradikalen, reagieren.

(3)

Bildung von Wasser

Anschließend reagieren die Hydroxylradikale aus dem 2. und 3. Schritt der Kettenreaktion mit Wasserstoffmolekülen unter Bildung von Wassermolekülen und Wasserstoffradikalen.

(4) |x2

Summiert man nun die Gleichungen (2), (3) und 2x (4) so erhält man die Gesamtgleichung der Knallgasprobe:

Für jedes Wassermolekül, das gebildet wird, entsteht also zugleich ein Wasserstoffradikal, welche die Reaktion am Laufen hält. Die Schritte (2) - (4) werden immer wieder durchlaufen, wodurch mehr Wasserstoffradikale entstehen, was die explosionsartige Reaktion erklärt.

Der Kettenabbruch der Knallgasreaktion

Da Radikale sehr reaktionsfähig sind und sie nicht einfach stabil existieren, muss spätestens, wenn der Wasserstoff aufgebraucht ist, ein Kettenabbruch erfolgen. Hierzu können Radikale miteinander reagieren. So bilden sich aus zwei Wasserstoffatomen ein Wasserstoffmolekül; oder ein Wasserstoffradikal bildet mit einem Hydroxylradikal ein Wassermolekül.

Zusätzlich kann Wasserstoffperoxid, durch die Kettenabbruchreaktionen entstehen, wenn sich stabile Hydroperoxid-Radikale () bilden. Zwei Hydroperoxid-Radikale reagieren dann zu Wasserstoffperoxid () und Sauerstoff, als Produkte der Kettenabbruchreaktion.

Knallgasprobe – Aussagekraft

Die Knallgasprobe ist recht unspezifisch. Denn nicht nur die Knallgasprobe mit Sauerstoff funktioniert, sondern auch Methan bildet mit Sauerstoff ein Gemisch, welches ähnlich reagieren kann. Des Weiteren gibt es noch Chlorknallgas, ein Gemisch aus Chlor und Wasserstoff, welches, wie Knallgas, explosionsartig zu Chlorwasserstoff reagiert.

So kann nicht nur diese Reaktion zum Nachweisen der Anwesenheit von Wasserstoff genutzt werden, jedoch wird die Knallgasprobe hauptsächlich zur Demonstration genutzt.