Versuch 15: Knallende Ballons - Einleitung

Eine Explosion ist eine heftig verlaufende chemische Reaktion mit großem Volumen-, Druck- oder Temperaturzuwachs. Solche Reaktionen, zumeist Oxidationen oder Zerfallsreaktionen sind nicht nur abhängig von den Eingangsstoffen. Manchmal sind veränderte Umgebungsbedingungen auch der Auslöser, dass eine Reaktion plötzlich heftig verläuft.

Brennbare Gase verbrennen ihrem Namen nach leicht, reagieren also leicht mit Sauerstoff. Diese Reaktion ist bei entsprechenden Mengen kontrollierbar, was z.B. bei Campingkochern oder flüssigen Grillanzündern (die zu brennbaren Gasen verdampfen) Verwendung findet. Die Verpuffungsunfälle mit Grillanzündern zeigen dann die so genannten Explosionsgrenzen brennbarer Gase. Man versteht darunter die Konzentration des Stoffes in der Luft, bei denen das Luft/Stoff Gemisch nicht mehr gleichmäßig abbrennt sondern explosionsartig zündet. Die Vermischung der Reaktionsgase spielt zum Erreichen der Explosionsgrenze die wesentliche Rolle. Das Zünden der nun explosiven Mischung ist chemisch die umfangreiche Reaktion des brennbaren Gases mit dem Sauerstoffanteil der Luft, die an vielen Stellen gleichzeitig stattfindet.

Reaktionen mit Sauerstoff sind zumeist stark exotherm, setzen also viel Energie in Form von Licht- oder Wärmeenergie frei. Die in hohen Temperaturen messbare Wärmeenergie führt zu der Volumenausdehnung des umliegenden Gases. Diese Volumenausdehnung und Temperaturzunahme kann man sich mikroskopisch als Übertragung der bei der Reaktion frei werdenden Energie in Bewegungsenergie der Gasmoleküle vorstellen. Die durch die Energie angeregten Moleküle bewegen sich in größeren Raumabständen oder erwirken einen höheren Druck in einem festen Raum.

Die spontane Volumenzunahme hören wir als Schall des lauten Knalls. Die Energie der Reaktion wird durch die gestiegene Energie der Moleküle an die Umgebung weiter gegeben. Ganz praktisch nutzt man diese Energie in Sprengsätzen beim Übertage-Bergbau, um Boden von Hängen abzutragen. Es müssen aber nicht unbedingt ganze Hänge sein. Der Chemiker kennt brennbare Gase, die experimentell in sicherer Apparatur die Explosiongrenze vermitteln können.

Wie verhält es sich mit Wasserstoff, der einmal rein und einmal mit Sauerstoff gemischt zur Reaktion gebracht wird?

Sicherheitssymbole

Demonstrationsversuch Schutzbrille tragen! Hochentzündlich Explosionsgefährlich

Chemikalien

  • Wasserstoff
  • Sauerstoff
  • Helium

Materialien

  • Ballons
  • Kerze
  • lange Stange

Durchführung

An einer langen Stange befestigt man eine Kerze. Man füllt einen Ballon mit Helium, einen Ballon mit Wasserstoff und einen Ballon mit einem 2:1 Gemisch aus Wasserstoff und Sauerstoff. Die Ballons werden mit Abstand zueinander und zu beobachtenden Personen an einem Tisch o.ä. befestigt.

Die an der Stange befestigte Kerze wird entzündet, das Publikum darin unterwiesen das es gleich einen lauten Knall geben wird und dann aus maximalem Abstand der erste Ballon gezündet.

Bei den anderen Ballons wird nach gleichem Muster verfahren. Um einen Spannungsbogen aufzubauen sollte zuerst der Helium-, dann der Wasserstoff- und zum Schluss der Wasserstoff/Sauerstoff-Ballon gezündet werden.

Entsorgung

%

Ergebnisse

Mit einem Knall explodiert der Heliumballon. Der Wasserstoffballon explodiert mit einem dumpferen Knall und einer gelbroten Feuererscheinung. Der Ballon mit dem Wasserstoff/Sauerstoff-Gemisch explodiert mit einem deutlich lauteren durchdringenden harten Knall.

Helium gehört zu den Edelgasen und reagiert nicht mit Bestandteilen der Luft. Der zu vernehmende Knall wird lediglich durch den platzenden Ballon verursacht.

Wasserstoff ist ein hochentzündliches Gas, welches explosionsartig mit dem stark brandfördernden Sauerstoff der Luft reagieren kann. Die Explosionsgrenzen von Wasserstoff liegen bei 4-75 vol-% Das bedeutet das Wasserstoff über 4% und unter 75% Wasserstoffanteil explosionsartig reagiert. Im Wasserstoffballon kommt es also überwiegend zu einer Verbrennung des Wasserstoffes.

Bei dem Mischverhältnis des dritten Ballons findet dieselbe Reaktion explosionsartig statt. Dementsprechend heftiger wirkt auch der dabei entstehende Knall. In beiden Fällen ist Wasser das Reaktionsprodukt.

2H2 + O2 → 2H2O(g)

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Hinweise

Die Ballonfüllung mit der Wasserstoff/Sauerstoff-Mischung sollte vorab mit kleineren Mengen getestet und an die Akustik des Vorführraumes angepasst werden. Beim Zünden der Ballons sollte der Mund geöffnet sein. Zu große Mengen an Gasen in den Ballons, oder zu geringer Abstand zum explodierenden Ballon können zu Hörschäden führen! Das Tragen eines Hörschutzes beim Entzünden wird empfohlen. Das zuschauende Publikum ist auf den folgenden lauten Knall hinzuweisen.

Versuchsvideo

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Versuchsbild

Bild zu Versuch: Knallende Ballons

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NEU

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