Synthese und Analyse des Wassers
Beim Chemie-Experiment im Fachraum leitet deine Lehrerin Gleichstrom durch Wasser, und an beiden Elektroden steigen Gasblasen auf. Wasser ist doch eine Flüssigkeit, die Feuer löscht. Woher kommen dann Gase, die sogar brennen können? Und warum ist Wasser kein einfaches Gemisch aus diesen Gasen?
Die Analyse: Wasser wird zerlegt
Im Hoffmann'schen Zersetzungsapparat befindet sich Wasser, dem man etwas Schwefelsäure oder Natriumsulfat zusetzt, damit es den Strom leitet. Schließt man Gleichstrom an, laufen an den Elektroden chemische Reaktionen ab. Man nennt das Elektrolyse. In den beiden Glasrohren sammeln sich Gase.
Beobachtung: Am Minuspol entsteht doppelt so viel Gas wie am Pluspol. Das Volumenverhältnis beträgt
$$V(\text{Wasserstoff}) : V(\text{Sauerstoff}) = 2 : 1$$Wasser wird dabei in seine Elemente zerlegt. Eine solche Zerlegung einer Verbindung heißt Analyse. Die Wortgleichung lautet:
$$\text{Wasser} \xrightarrow{\text{elektrischer Strom}} \text{Wasserstoff} + \text{Sauerstoff}$$Damit die Reaktion abläuft, muss ständig Energie zugeführt werden (elektrische Energie). Schaltest du den Strom ab, hört die Zersetzung auf.
Wasser ist eine chemische Verbindung aus Wasserstoff und Sauerstoff. a) Gib die Formel von Wasser an. b) Nenne die beiden Elemente, aus denen Wasser besteht. c) Ergänze:…
Wasser ist eine chemische Verbindung aus Wasserstoff und Sauerstoff.
- a) Gib die Formel von Wasser an.
- b) Nenne die beiden Elemente, aus denen Wasser besteht.
- c) Ergänze: Bei der Zersetzung von Wasser entstehen die beiden Gase $\dots$ und $\dots$.
Im Hoffmann'schen Zersetzungsapparat wird Wasser mit Gleichstrom zerlegt. Nach einiger Zeit haben sich in den beiden Glasrohren Gase gesammelt. a) Gib an, in welchem…
Im Hoffmann'schen Zersetzungsapparat wird Wasser mit Gleichstrom zerlegt. Nach einiger Zeit haben sich in den beiden Glasrohren Gase gesammelt.
- a) Gib an, in welchem Volumenverhältnis die beiden Gase entstehen.
- b) Nenne den Namen der beiden Gase.
Bei der Elektrolyse von Wasser im Hoffmann'schen Zersetzungsapparat werden an einer Elektrode $12\ \text{mL}$ Wasserstoff aufgefangen. a) Berechne, wie viel Milliliter…
Bei der Elektrolyse von Wasser im Hoffmann'schen Zersetzungsapparat werden an einer Elektrode $12\ \text{mL}$ Wasserstoff aufgefangen.
- a) Berechne, wie viel Milliliter Sauerstoff gleichzeitig an der anderen Elektrode entstehen.
- b) Formuliere das Reaktionsschema (Wortgleichung) für die Zersetzung von Wasser.
- c) Gib an, ob dabei Energie zugeführt oder abgegeben wird.
Nachweisreaktionen
Woher weißt du, welches Gas im Rohr ist? Man prüft es mit einer Nachweisreaktion.
| Stoff | Nachweis | Beobachtung |
|---|---|---|
| Sauerstoff $\mathrm{O_2}$ | Glimmspanprobe | Ein glimmender Holzspan glüht hell auf oder flammt auf. |
| Wasserstoff $\mathrm{H_2}$ | Knallgasprobe | Das Gas brennt mit einem pfeifenden oder bellenden Geräusch. |
| Wasser $\mathrm{H_2O}$ | weißes Kupfersulfat | Das weiße Pulver färbt sich blau. |
Bei der Knallgasprobe verbrennt Wasserstoff mit dem Sauerstoff der Luft. Dabei entsteht wieder Wasser. Du kannst es als Beschlag am Reagenzglas sehen und mit Kupfersulfat nachweisen.
Ordne jedem Nachweis das richtige Gas oder den richtigen Stoff zu (Wasserstoff, Sauerstoff, Wasser): a) Ein glimmender Holzspan glüht hell auf. b) Das Gas verbrennt mit…
Ordne jedem Nachweis das richtige Gas oder den richtigen Stoff zu (Wasserstoff, Sauerstoff, Wasser):
- a) Ein glimmender Holzspan glüht hell auf.
- b) Das Gas verbrennt mit einem pfeifenden Geräusch (Knallgasprobe).
- c) Weißes Kupfersulfat färbt sich blau.
Lena füllt ein Reagenzglas mit dem Gas, das bei der Wasserzerlegung an der Elektrode mit dem größeren Gasvolumen entstanden ist. Sie hält ein brennendes Streichholz an…
Lena füllt ein Reagenzglas mit dem Gas, das bei der Wasserzerlegung an der Elektrode mit dem größeren Gasvolumen entstanden ist. Sie hält ein brennendes Streichholz an die Öffnung und hört ein leises Pfeifen.
- a) Bestimme, um welches Gas es sich handelt.
- b) Nenne den Stoff, der bei dieser Reaktion entsteht.
- c) Beschreibe, wie Lena nachweisen könnte, dass dieser Stoff entstanden ist.
Die Synthese: Wasser entsteht aus den Elementen
Die Umkehrung der Analyse heißt Synthese: Aus den Elementen entsteht die Verbindung. Wasserstoff verbrennt mit Sauerstoff zu Wasser, dabei wird Energie als Wärme und Licht abgegeben.
$$\text{Wasserstoff} + \text{Sauerstoff} \rightarrow \text{Wasser} \quad (\text{Energie wird abgegeben})$$Die Reaktionsgleichung mit Formeln musst du ausgleichen. Wasserstoff und Sauerstoff bestehen aus zweiatomigen Molekülen:
$$\mathrm{H_2} + \mathrm{O_2} \rightarrow \mathrm{H_2O}$$Links stehen 2 Sauerstoffatome, rechts nur 1. Also schreibst du vor $\mathrm{H_2O}$ den Koeffizienten 2. Dann sind rechts 4 Wasserstoffatome, links nur 2, also vor $\mathrm{H_2}$ ebenfalls 2:
$$2\,\mathrm{H_2} + \mathrm{O_2} \rightarrow 2\,\mathrm{H_2O}$$Die Koeffizienten 2 : 1 : 2 geben das Teilchenzahlverhältnis an. Die Indizes verändert man nie, sonst wäre es ein anderer Stoff.
Weil Zerlegung und Bildung in entgegengesetzte Richtungen verlaufen, sind sie umkehrbare Reaktionen:
$$2\,\mathrm{H_2O} \underset{\text{Synthese}}{\overset{\text{Analyse}}{\rightleftharpoons}} 2\,\mathrm{H_2} + \mathrm{O_2}$$Wasserstoff reagiert mit Sauerstoff zu Wasser. a) Stelle die Reaktionsgleichung mit Formeln auf: $\text{H}2 + \text{O}2 \rightarrow \text{H}2\text{O}$ muss ausgeglichen…
Wasserstoff reagiert mit Sauerstoff zu Wasser.
- a) Stelle die Reaktionsgleichung mit Formeln auf: $\text{H}_2 + \text{O}_2 \rightarrow \text{H}_2\text{O}$ muss ausgeglichen werden.
- b) Erkläre, warum man die Bildung von Wasser aus den Elementen „Synthese“ nennt.
- c) Erkläre, warum die Zerlegung und die Bildung von Wasser als umkehrbare Reaktionen bezeichnet werden.
Verbindung oder Gemisch?
Ein Gemisch aus Wasserstoff und Sauerstoff heißt Knallgas. Es ist ein Gas, das beim Zünden explosionsartig reagiert. Wasser ist dagegen eine Verbindung: ganz andere Eigenschaften, und die Atome sind chemisch verbunden.
| Knallgas (Gemisch) | Wasser (Verbindung) | |
|---|---|---|
| Aggregatzustand | gasförmig | flüssig |
| Brennbarkeit | explosiv | brennt nicht, löscht Feuer |
| Zusammensetzung | beliebig mischbar | immer $\mathrm{H_2O}$ |
| Trennung | physikalisch möglich | nur durch chemische Reaktion |
Ein Schüler behauptet: „Wasser ist ein Gemisch aus Wasserstoff und Sauerstoff, weil man beide Gase daraus gewinnen kann.“ a) Widerlege die Behauptung mit zwei Argumenten…
Ein Schüler behauptet: „Wasser ist ein Gemisch aus Wasserstoff und Sauerstoff, weil man beide Gase daraus gewinnen kann.“
- a) Widerlege die Behauptung mit zwei Argumenten (Eigenschaften, Reaktionsverhalten).
- b) Erkläre den Unterschied zwischen einem Gemisch aus Wasserstoff und Sauerstoff (Knallgas) und der Verbindung Wasser.
Massen und Volumen
Bei jeder Reaktion gilt das Gesetz von der Erhaltung der Masse: $m(\text{Edukte}) = m(\text{Produkte})$. Bei der Elektrolyse ist die Masse des zersetzten Wassers gleich der Summe der Massen der entstandenen Gase.
Warum unterscheiden sich Massen- und Volumenverhältnis (1 : 8 und 2 : 1)? Gleiche Volumina verschiedener Gase haben verschiedene Massen: Sauerstoff ist deutlich schwerer als Wasserstoff. Zwei Raumteile Wasserstoff haben zusammen nur eine Masse von 2 Teilen (relativ), ein Raumteil Sauerstoff dagegen von 16 Teilen. Die Massen verhalten sich also wie 2 : 16 = 1 : 8.
Beim Zünden von Gasgemischen musst du das Volumenverhältnis 2 : 1 beachten. Bei $10\,\text{mL}$ Wasserstoff werden nur $5\,\text{mL}$ Sauerstoff verbraucht. Ist mehr Sauerstoff vorhanden, bleibt er als Rest übrig. Du weist ihn mit der Glimmspanprobe nach.
Bei der Elektrolyse von Wasser werden $2{,}0\ \text{g}$ Wasserstoff und $16\ \text{g}$ Sauerstoff erzeugt. a) Berechne die Masse des zersetzten Wassers und nenne das…
Bei der Elektrolyse von Wasser werden $2{,}0\ \text{g}$ Wasserstoff und $16\ \text{g}$ Sauerstoff erzeugt.
- a) Berechne die Masse des zersetzten Wassers und nenne das Gesetz, das du verwendest.
- b) Berechne das Massenverhältnis von Wasserstoff zu Sauerstoff im Wasser.
- c) Erkläre, warum das Massenverhältnis ein anderes ist als das Volumenverhältnis der entstehenden Gase.
In einem Versuch werden $10\ \text{mL}$ Wasserstoff und $10\ \text{mL}$ Sauerstoff in einem Gasbehälter gezündet. Es entsteht flüssiges Wasser. a) Stelle die…
In einem Versuch werden $10\ \text{mL}$ Wasserstoff und $10\ \text{mL}$ Sauerstoff in einem Gasbehälter gezündet. Es entsteht flüssiges Wasser.
- a) Stelle die Reaktionsgleichung auf.
- b) Bestimme, welches Gas im Überschuss vorliegt und wie viel Milliliter davon nach der Reaktion übrig bleiben (Volumenverhältnis $2:1$).
- c) Beschreibe, wie man den Gasrest nachweisen kann.
Auf einen Blick
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Wasser ist eine Verbindung aus Wasserstoff und Sauerstoff, kein Gemisch.
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Analyse (Elektrolyse): $2\,\mathrm{H_2O} \rightarrow 2\,\mathrm{H_2} + \mathrm{O_2}$, Energie wird zugeführt. Volumenverhältnis $\mathrm{H_2} : \mathrm{O_2} = 2 : 1$.
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Synthese: $2\,\mathrm{H_2} + \mathrm{O_2} \rightarrow 2\,\mathrm{H_2O}$, Energie wird abgegeben. Beide Reaktionen sind umkehrbar.
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Nachweise: Glimmspanprobe (Sauerstoff), Knallgasprobe (Wasserstoff), weißes Kupfersulfat (Wasser).
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Massenerhaltung: $m(\text{Wasser}) = m(\text{Wasserstoff}) + m(\text{Sauerstoff})$; Massenverhältnis $1 : 8$.
Zurück zum Anfang: Die Gase kommen aus dem Wasser, weil es eine Verbindung ist, die man mit Energie zerlegen kann. Gemische kann man dagegen ohne chemische Reaktion trennen.