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Versuche

Wasserzersetzung mit dem Hofmannschen Apparat

Zielsetzung

  • Du untersuchst, wie durch Elektrolyse Wasser in dessen Bestandteile zersetzt werden kann.

Hinweise zum Experiment

Damit in Chemie bzw. beim Experimentieren keine Unfälle passieren, musst du auf die Sicherheit achten. Die Sicherheit ist immer wichtig, wenn du in einem Fachraum oder Labor bist. Bitte beachte bei allen Experimenten die Hinweise zur Sicherheit im Labor.

Material

  • Hofmannscher Apparat
  • 2 Elektroden mit Stopfen
  • Stromversorgungsgerät (Gleichspannung)
  • 2 Verbindungskabel
  • Gasbrenner
  • Reagenzglas
  • Stopfen
  • Holzspan
  • Stopfen
  • Stativ
  • Muffe
  • Klemme
  • Holzspan

Chemikalien

  • Verdünnte Schwefelsäure \( \rm \frac {2\,mol} {L} \)
Direkt zur Versuchsbeschreibung

Edukte

Stoffname Summenformel Gefahrenhinweise
Schwefelsäure \( \ce {H2SO4} \)
GHS05 - Ätzend etc. Kat. 1
H290: Kann gegenüber Metallen korrosiv sein. H314: Verursacht schwere Verätzungen der Haut und schwere Augenschäden.
P280: Schutzhandschuhe/Schutzkleidung/Augenschutz/Gesichtsschutz tragen. P301+P330+P331: BEI VERSCHLUCKEN: Mund ausspülen. KEIN Erbrechen herbeiführen. P303+P361+P353: BEI BERÜHRUNG MIT DER HAUT (oder dem Haar): Alle kontaminierten Kleidungsstücke sofort ausziehen. Haut mit Wasser abwaschen oder duschen. P305+P351+P338+P310: BEI KONTAKT MIT DEN AUGEN: Einige Minuten lang behutsam mit Wasser spülen. Eventuell vorhandene Kontaktlinsen nach Möglichkeit entfernen. Weiter spülen. Sofort GIFTINFORMATIONSZENTRUM oder Arzt anrufen.
Link zur GESTIS-Stoffdatenbank
Schwefelsäure
\( \ce {H2SO4} \)
GHS05 - Ätzend etc. Kat. 1
H290: Kann gegenüber Metallen korrosiv sein. H314: Verursacht schwere Verätzungen der Haut und schwere Augenschäden.
P280: Schutzhandschuhe/Schutzkleidung/Augenschutz/Gesichtsschutz tragen. P301+P330+P331: BEI VERSCHLUCKEN: Mund ausspülen. KEIN Erbrechen herbeiführen. P303+P361+P353: BEI BERÜHRUNG MIT DER HAUT (oder dem Haar): Alle kontaminierten Kleidungsstücke sofort ausziehen. Haut mit Wasser abwaschen oder duschen. P305+P351+P338+P310: BEI KONTAKT MIT DEN AUGEN: Einige Minuten lang behutsam mit Wasser spülen. Eventuell vorhandene Kontaktlinsen nach Möglichkeit entfernen. Weiter spülen. Sofort GIFTINFORMATIONSZENTRUM oder Arzt anrufen.

Produkte

Stoffname Summenformel Gefahrenhinweise
Sauerstoff (als Reaktionsprodukt) \(\ce{O_2}\)
GHS03 - Brandfördernd
H270: Kann Brand verursachen oder verstärken; Oxidationsmittel.
P220: Von Kleidung und anderen brennbaren Materialien fernhalten.
Link zur GESTIS-Stoffdatenbank
Wasserstoff (als Reaktionsprodukt) \(\ce{H_2}\)
GHS02 - Entzündlich
H220: Extrem entzündbares Gas.
P210: Von Hitze, heißen Oberflächen, Funken, offenen Flammen sowie anderen Zündquellen fernhalten. Nicht rauchen. P403: An einem gut belüfteten Ort aufbewahren.
Link zur GESTIS-Stoffdatenbank
Sauerstoff (als Reaktionsprodukt)
\(\ce{O_2}\)
GHS03 - Brandfördernd
H270: Kann Brand verursachen oder verstärken; Oxidationsmittel.
P220: Von Kleidung und anderen brennbaren Materialien fernhalten.
Wasserstoff (als Reaktionsprodukt)
\(\ce{H_2}\)
GHS02 - Entzündlich
H220: Extrem entzündbares Gas.
P210: Von Hitze, heißen Oberflächen, Funken, offenen Flammen sowie anderen Zündquellen fernhalten. Nicht rauchen. P403: An einem gut belüfteten Ort aufbewahren.

Versuchsaufbau/Durchführung

1. Den Hofmann'schen Apparat aufbauen

  • Befestige den Hofmann’schen Apparat mit der Muffe und der Klemme an dem Stativ.
  • Stecke die Stopfen mit den Elektroden in die unteren Öffnungen, sodass sie sicher fest sind.
  • Öffne die Ventile.
  • Bereite das Spannungsgerät vor: Schließe es an die Stromzufuhr an, schalte es aber noch nicht ein. Stecke die Kabel in das Spannungsgerät, aber noch nicht an die Elektroden des Hofmann’schen Apparats.

2. Den Hofmann'schen Apparat befüllen und einschalten

  • Stelle das Stativ mit dem Hofmann’schen Apparat auf den Boden.
  • Fülle über die Mitte die Schwefelsäure ein, sodass die äußeren beiden Rohe bis unter die Ventile gefüllt sind.  
  • Schließe die Ventile und stelle das Stativ mit dem Apparat wieder auf den Experimentiertisch.
  • Schließe mit den Kabeln das Spannungsgerät an die Elektroden an.
  • Schalte die Stromzufuhr ein, max. \(\rm{15\,V}\) Gleichspannung.
  • Nachdem mind. \(\rm{15\,ml}\) eines Gases entstanden sind, wird die Stromzufuhr abgestellt.

3. Glimmspanprobe durchführen

  • Entnehme zuerst das Gas an der Seite, wo weniger entstanden ist.
  • Dafür hältst du das Reagenzglas über die Öffnung bei dem Ventil.
  • Dann öffnest du das Ventil, damit das Gas in das Reagenzglas strömen kann. Schließe das Ventil, bevor Schwefelsäure dadurch fließen kann.
  • Verschließe das Reagenz entweder mit deinem Daumen oder mit dem Stopfen.
  • Zünde den Holzspan an, sodass er glüht.
  • Halte den Glimmspan in das Reagenzglas mit dem Gas.

4. Knallgasprobe durchführen

  • Fange nun das Gas aus dem anderen Rohr genauso auf, wie eben schon beschrieben.
  • Verschließe das Reagenzglas mit dem Daumen oder Stopfen.
  • Halte das Reagenzglas schräg in die Brennerflamme oder Flamme eines Feuerzeugs.

Tipps und Tricks

Anstatt eines Gasbrenners kannst du auch ein Feuerzeug verwenden.

Verschließe die Reagenzgläser mit den Gasen schnell, sonst entweicht es direkt wieder. Denke daran: Sauerstoff ist schwerer als Luft, Wasserstoff ist leichter als Luft.

Aufgabe
Aufgabe

Führe den Versuch durch. Was kannst du beobachten?

Lösung

Beobachtung

Nachdem die Stromzufuhr eingeschaltet wird, entwickeln sich Gasbläschen an den Elektroden, die aufsteigen. An der einen Seite entwickeln sich die Gasbläschen doppelt so schnell wie an der anderen Seite. Die Gase sammeln sich in den oberen Teilen der äußeren Rohre des Hofmannschen Apparats. Wird an der Seite, wo weniger Gas entstanden ist, die Glimmspanprobe durchgeführt, leuchtet eine gelbe Flamme auf, sobald der Glimmspan in das Reagenzglas gehalten wird. Wenn die Knallgasprobe an der anderen Seite, wo mehr Gas entstanden ist, durchgeführt, gibt es ein ploppendes/pfeifendes Geräusch, wenn das Reagenzglas an die Brennerflamme gehalten wird.

Abb. 2 Wasserzersetzung mit dem Hofmannschen Apparat

 

Ergebnis

Durch Zufuhr von elektrischer Energie zersetzt sich Wasser in dessen Bestandteile: Sauerstoff und Wasserstoff. Die Schwefelsäure bzw. schwefelsaure Lösung wird anstelle des Wassers verwendet, weil der Zersetzungsprozess mit Wasser aufgrund der geringen Leitfähigkeit von reinem Wasser zu langsam ablaufen würde.

An der Kathode (Minuspol) geben die Wasserstoff-Ionen jeweils ein Elektron ab. Dadurch bekommen sie eine einfach positive Ladung. Immer zwei Wasserstoff-Atome gehen eine Verbindung ein und reagieren zu einem Wasserstoff-Molekül. Wasserstoff ist ein gasförmiger Stoff.

Kathodenreaktion: \(\ce{4 H^+ + 4 e^- -> 2 H2}\)

An der Anode (Pluspol) nehmen die Sauerstoff-Ionen jeweils zwei Elektronen auf. Dadurch bekommen sie eine zweifach negative Ladung. Zwei Sauerstoff-Atome gehen immer eine Verbindung ein und reagieren zu einem Sauerstoff-Molekül. Sauerstoff ist ein Gas.

Anodenreaktion: \(\ce{2 O^{2-} -> O2 + 4 e^-}\)

Insgesamt wird der Wasserstoff reduziert und der Sauerstoff oxidiert. Diese Reaktionen bilden eine Redox-Reaktion. Dadurch, dass die Elektronen von zwei Wasserstoff-Ionen benötigt werden, damit ein Sauerstoff-Ion oxidiert werden kann, findet die Gasbildung an der Kathode schneller als an der Anode statt.

Gesamtreaktion: \(\ce{2 H2O -> 2 H2 + O2}\)