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Nachweise von Wasserstoff und Sauerstoff

Entdecke, wie man Wasserstoff und Sauerstoff sicher nachweist und sammelt. Erfahre, wie diese farb- und geruchlosen Gase, die teils gefährlich reagieren können, im Labor identifiziert werden durch die Glimmspanprobe für Sauerstoff und die Knallgasprobe für Wasserstoff. Bereit, mehr über diese spannenden Experimente zu lernen? Vertiefe dein Wissen mit unserem Text!

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Nachweise von Wasserstoff und Sauerstoff
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Grundlagen zum Thema Nachweise von Wasserstoff und Sauerstoff

Nachweise von Wasserstoff und Sauerstoff

Viele Gase sind farb- und geruchlos. Dann können wir diese Gase nicht mit unseren Sinnen unterscheiden. Das kann bei gesundheitsschädlichen oder explosiven Gasen sehr gefährlich sein. Im Labor müssen wir bei beobachteter Gasentwicklung wissen, welche Gase sich da entwickeln. Sauerstoff beispielsweise fördert Brände und Wasserstoff kann mit dem Luftsauerstoff explosionsartig reagieren. Für die Identifikation von Gasen gibt es Nachweismethoden. Wir schauen uns das für Sauerstoff und Wasserstoff genauer an. Zunächst lernen wir aber, wie man die Gase für einen Nachweis sammelt.

Methoden zum Sammeln von Gasen

Gassammlung mit dem Kolbenprober Ein Kolbenprober ähnelt einer Spritze aus Glas. In ihm kannst du über einen Stopfen und ein kleines Rohr die entstehenden Gase sammeln. Das Gas drückt dabei den Stempel des Kolbenprobers nach außen. Enthält der Kolbenprober eine Skala, kannst du auch gleich das Volumen des entstandenen Gases ablesen.

Gassammlung im Reagenzglas Hast du keinen Kolbenprober, kannst du auch ein Reagenzglas oder einen Standzylinder mit Wasser füllen und umgekehrt in eine mit Wasser gefüllte Glaswanne halten. Wenn du nun mit einem Schlauch das entstehende Gas in das Reagenzglas einleitest, wird das Wasser verdrängt und du kannst anschließend das Auffanggefäß mit Uhrglas oder Stopfen oder einfach mit dem Daumen verschließen.

Die so aufgefangenen Gase können nun weiter untersucht werden.

Nachweis von Sauerstoff mit der Glimmspanprobe

Durchführung der Glimmspanprobe: Ein Holzstab wird entzündet und so lange am Brennen gehalten, bis er nach dem Ausblasen noch glüht. Nun hält man den noch glühenden Holzstab in ein Reagenzglas mit dem gesammelten Gas. Beobachtung: Wenn sich der Holzstab im Reagenzglas wieder entzündet oder sehr hell glüht, dann handelt es sich um das Gas Sauerstoff.

Wie funktioniert die Glimmspanprobe?

Sauerstoff lässt sich daran erkennen, dass er die Verbrennung fördert.

Nachweis von Wasserstoff mit der Knallgasprobe

Durchführung der Knallgasprobe: Das Reagenzglas mit dem gesammelten Gas wird schräg nach unten an eine Flamme gehalten. Dann wird die Öffnung freigegeben. Das geht am einfachsten, wenn du das Reagenzglas mit dem Daumen schließt und öffnest. Beobachtung: Wenn sich im Reagenzglas ein Wasserstoff-Sauerstoffgemisch gesammelt hat, hörst du beim Öffnen an der Flamme ein Geräusch. Wasserstoff bildet mit dem Sauerstoff aus der Luft ein explosives Gasgemisch, das an der Flamme geräuschvoll zu Wasser reagiert. Der Name Knallgasprobe des Nachweises rührt von dem Knallgeräusch her, das dabei entstehen kann. Die Stärke des Geräusches hängt dabei davon ab, zu welchen Anteilen Sauerstoff und Wasserstoff vorliegen. Liegt Wasserstoff (fast) rein vor, entsteht höchstens ein leises, dumpfes Geräusch.

Herstellung von Wasserstoff und Sauerstoff

Herstellung von Wasserstoff Es gibt mehrere einfache Möglichkeiten, um Wasserstoff im Labor herzustellen:

  • Wasserstoff entsteht bei der Reaktion von unedlen Metallen mit Säure. Wenn du zum Beispiel ein kleines Stückchen Zink in Salzsäure gibst, dann löst sich das Zink auf und du kannst den Wasserstoff als kleine Gasbläschen aufsteigen sehen.
  • Wasserstoff entsteht auch bei der Reaktion des Erdalkalimetalls Calcium mit Wasser. Also einfach etwas Calciumgranulat in Wasser geben. Dann kannst du wieder den Wasserstoff als kleine Gasbläschen aufsteigen sehen.
  • Wasserstoff entsteht auch bei der Reaktion von Alkalimetallen wie Natrium mit Wasser. Für die Herstellung von Wasserstoff ist diese Reaktion aber zu heftig und daher nicht geeignet.

Herstellung von Sauerstoff Es gibt mehrere einfache Möglichkeiten, um Sauerstoff im Labor herzustellen:

  • Sauerstoff kann z. B. entstehen, wenn Wasserstoffperoxid ($H_2O_2$) mit Braunstein ($MnO_2$) katalytisch zersetzt wird.
  • Sauerstoff entsteht auch, wenn man etwas Kaliumpermanganat ($KMnO_4$) trocken im Reagenzglas erwärmt. Dieser Stoff zersetzt sich dann ebenfalls unter Bildung von Sauerstoff.

Gemeinsame Herstellung von Wasserstoff und Sauerstoff Führt man mit Wasser eine Elektrolyse durch, entwickeln sich beide Gase gemeinsam, Wasserstoff an der Kathode und Sauerstoff an der Anode. Wasser wird also in Sauerstoff und Wasserstoff zersetzt. Hierfür gibt es ein spezielles Gerät, den hofmannschen Wasserzersetzungsapparat.

Kurze Zusammenfassung zum Video Nachweise von Wasserstoff und Sauerstoff

In diesem Video wird erklärt, wie sich Wasserstoff und Sauerstoff herstellen und nachweisen lassen. Es werden die Knallgasprobe und die Glimmspanprobe vorgestellt und die Durchführung der Nachweise gezeigt. Du solltest die Grundgeräte im chemischen Labor bereits kennen.

Übungen und Arbeitsblätter Du findest zum Thema hier auch Übungen und Arbeitsblätter.

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Vorschaubild einer Übung

Nachweise von Wasserstoff und Sauerstoff Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Nachweise von Wasserstoff und Sauerstoff kannst du es wiederholen und üben.
  • Gib an, welche Stoffeigenschaften auf Wasserstoff und Sauerstoff zutreffen.

    Tipps

    Es gibt drei richtige Antworten.

    Wasserstoff und Sauerstoff sind Gase.

    Lösung

    Wasserstoff und Sauerstoff sind sich zum Verwechseln ähnlich, denn sie haben einige gleiche Eigenschaften.
    Nicht zu wissen, was man vor sich hat, kann schnell gefährlich werden. Daher sind Nachweisreaktionen im Labor äußerst wichtig.

    Wie viele andere Gase sind auch Wasserstoff und Sauerstoff:

    • geruchlos,
    • geschmacklos und
    • farblos.

  • Benenne die Bestandteile der Apparatur, mit der ein Gas aufgefangen werden kann.

    Tipps

    Mit einem Stopfen können Gefäße verschlossen werden.

    Der Kolbenprober ähnelt einer Spritze aus Glas.

    Lösung

    Bevor wir die Nachweise für Sauerstoff und Wasserstoff durchführen können, müssen die Gase zuerst gesammelt werden. Dafür gibt es verschiedene Methoden.

    Der Kolbenprober ähnelt einer Spritze aus Glas. Über einen Stopfen und ein kleines Rohr können damit die entstehenden Gase gesammelt werden. Das eindringende Gas drückt den Stempel des Kolbenprobers nach außen. Häufig gibt es zudem eine Skala, die es ermöglicht, das Volumen des aufgefangenen Gases abzulesen.

    Falls kein Kolbenprober zur Verfügung steht, genügt auch ein Reagenzglas oder ein Standzylinder, um Gase aufzufangen: Das gewählte Gefäß wird mit Wasser gefüllt und umgekehrt in eine mit Wasser gefüllte Glaswanne gehalten. Nun kann über einen Schlauch das entstehende Gas in den Standzylinder geleitet werden, wodurch das Wasser darin verdrängt wird. Anschließend kann das Gefäß mit dem Gas mithilfe eines Stopfens oder, wenn ein Reagenzglas verwendet wird, einfach mit dem Daumen verschlossen werden.

  • Beschreibe die beiden Nachweisreaktionen.

    Tipps

    Wenn eine Nachweisreaktion positiv ist, dann bedeutet das, dass das nachzuweisende Gas vorhanden ist.

    Lösung

    Sauerstoff können wir mit der Glimmspanprobe nachweisen. Dabei wird der Span (altes Wort für „Holzstab“) erst einmal angezündet und direkt wieder ausgepustet, sodass er noch glüht. Dieser glimmende Span wird nun in das Reagenzglas gehalten, in dem sich das zu überprüfende Gas befindet. Es gibt zwei mögliche Beobachtungen:
    $\to$ Glüht der Holzspan nur weiter oder erlischt sogar, ist der Nachweis negativ.
    $\to$ Entzündet sich der Holzstab, ist der Nachweis positiv.

    Um Wasserstoff nachweisen zu können, nutzen wir die Knallgasprobe. Dabei wird das Reagenzglas mit dem gesammelten Gas mit dem Daumen verschlossen. Das Reagenzglas wird jetzt schräg an eine Flamme gehalten und der Daumen von der Öffnung gelöst. Es gibt drei mögliche Beobachtungen:
    $\to$ Hören wir nichts, befindet sich kein Wasserstoff im Reagenzglas.
    $\to$ Hören wir ein leicht pfeifendes Geräusch, liegt reiner Wasserstoff vor.
    $\to$ Wenn es einen Knall gibt, dann handelt es sich um ein Wasserstoff-Sauerstoff-Gemisch.

  • Beschreibe, wie Wasserstoff und Sauerstoff gewonnen werden können.

    Tipps

    Gibt man ein Stückchen Zink in eine Salzsäurelösung, wird das Zink zersetzt und Wasserstoff steigt als kleine Gasbläschen auf.

    Lösung

    Wie du sicher weißt, besteht Wasser $\ce{(H2O)}$ aus Wasserstoff $\ce{(H2)}$ und Sauerstoff $\ce{(O2)}$. Deshalb kann Wasser auch elektrochemisch in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt werden. Durch diese sogenannte Elektrolyse können beide Gase an Elektroden gesammelt und anschließend nachgewiesen werden.

    Doch es gibt auch noch andere Möglichkeiten, die beiden Stoffe zu gewinnen:

    Sauerstoff entsteht zum Beispiel, wenn Wasserstoffperoxid katalytisch zersetzt wird. Außerdem kann er durch das Linde-Verfahren, einer sogenannten fraktionierten Luftdestillation, gewonnen werden.

    Wasserstoff entsteht unter anderem, wenn ein unedles Metall mit einer Säure reagiert. Gibt man beispielsweise ein Stückchen Zink in eine Salzsäurelösung, wird das Zink zersetzt und Wasserstoff steigt als kleine Gasbläschen auf. Zudem kann er durch die Reaktion eines Alkalimetalls mit Wasser gewonnen werden.

  • Zeige anhand der Abbildungen die Ergebnisse der Nachweisreaktionen auf.

    Tipps

    Mit der Glimmspanprobe weist du Sauerstoff nach.

    Knallgas ist ein Gemisch aus gasförmigem Wasserstoff und Sauerstoff.

    Lösung

    Mit der Glimmspanprobe weisen wir Sauerstoff nach. Es gibt zwei mögliche Beobachtungen:
    $\to$ Glüht der Holzspan nur weiter oder erlischt sogar, ist der Nachweis negativ: Es liegt kein Sauerstoff vor.
    $\to$ Entzündet sich der Holzstab, ist der Nachweis positiv: In dem Gefäß befindet sich Sauerstoff.

    Wasserstoff können wir mithilfe der Knallgasprobe nachweisen. Hier gibt es drei mögliche Reaktionen:
    $\to$ Hören wir nichts, befindet sich kein Wasserstoff im Reagenzglas: Der Nachweis ist negativ.
    $\to$ Hören wir ein leicht pfeifendes Geräusch, ist der Nachweis positiv: Es liegt reiner Wasserstoff vor.
    $\to$ Wenn es einen Knall gibt, dann handelt es sich um ein Wasserstoff-Sauerstoff-Gemisch: Auch dieser Nachweis gilt als positiv.

  • Begründe, wieso der glühende Glimmspan sich nicht an der Luft entzündet, obwohl diese Sauerstoff enthält.

    Tipps

    Es gibt zwei richtige Antworten.

    Der Anteil von Sauerstoff in der Luft beträgt 21 Prozent.

    Lösung

    Sauerstoff können wir mit der Glimmspanprobe nachweisen: Der glimmende Span wird in das Reagenzglas gehalten, in dem sich das zu überprüfende Gas befindet. Wenn der Holzspan nur weiterglüht oder sogar erlischt, dann ist der Nachweis negativ. Das bedeutet, dass es sich bei dem Gas nicht um Sauerstoff handelt.

    Eigentlich würde man denken, dass der Span sich auch bereits an der Luft entzünden müsste, da diese schließlich auch Sauerstoff enthält. Das passiert jedoch nicht unbedingt ohne Weiteres, da der Sauerstoffgehalt in der Luft zu niedrig ist: Der Anteil von Sauerstoff in der Luft beträgt gerade einmal 21 Prozent. Um aus dem Glimmen ein Brennen zu machen, benötigt man hoch konzentrierten Sauerstoff.

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