Zur Elektrolyse von Wasser mit
anschließendem Nachweis seiner Elemente dient gewöhnlich
eine Hofmann-Apparatur:
Durch Schwefelsäure oder Natronlauge muss dabei die
Leitfähigkeit des Wassers erhöht werden, und man braucht
teuere Platin-Elektroden. Für einen Schülerversuch lässt
sich die Apparatur aus 2 auf dem Kopf in einem Plastikbecher stehende
Ampullen ersetzen. Statt dem Wasser Säure oder Lage zuzusetzen,
verwendet man Wasser aus einer Mineralsalz-reichen Quelle.
Material
Experimentiertablett, 2
Ampullen (5 mL hoch), Getränkebecher aus Styropor (EPS), Schere, hölzernes
Reagenzglas-Gestell, Toilettenpapier, 2 sterile Injektionsnadeln (0,8 x
4 mm), AC/DC Adapter (12 V), 2 Kabel mit Krokodilklemmen,
Plastikpipette, Schutzbrille, Teelicht, Streichhölzer, Wasser aus einer
Mineralsalz-reichen Quelle.
Aufgaben
1. Schneide aus einem
leeren, gespülten Styroporbecher einen etwa 4 cm hohen
Behälter.
2. Stelle ihn auf ein hölzernes Reagenzglasgestell, stich 2
Injektionsnadeln von unten durch den Boden.
Wähle den Abstand so, dass Du 2 Injektionsflaschen direkt
nebeneinander darüber stülpen kannst.
3. Fülle diese
Ampullen bis zum Rand mit Wasser aus einer Mineralsalz-reichen Quelle (alternativ:
zusätzlich mit Rotkraut- oder Petunien-Extrakt).
4. Bedecke auch den Boden
des Behälters mit dieser Flüssigkeit.
5. Verbinde die Spannungsquelle
über die Kabel von unten mit den Nadeln .
6. Drehe
die Ampullen voll Wasser vorsichtig mit der Öffnung nach
unten
und stülpe sie über je eine Nadel (Photo 1).
7. Warte,
bis die mit dem negativen Pol verbundene Ampulle voll Gas ist (Photo 2).
8. Führe mit
der Flasche voll Gas die negative Knallgasprobe auf
reinen Wasserstoff durch (Photo 4: Kerze muss weiter brennen).
9. Lasse die
Apparatur noch etwas weiter laufen, wenn die andere Ampulle noch nicht
halb mit Gas gefüllt ist.
10. In dieser Ampulle führe die Glimmpapierprobe auf
reinen Sauerstoff
durch (Photo
5).
Beobachtungen
a) In der mit dem negativen Pol der Spannungsquelle verbundenen Ampulle
sammelt sich knapp doppelt so viel Gas an wie in der anderen.
b) Vor der Ampulle voll Gas brennt der Inhalt ohne nennswerten Knall (Photo 4).
c) In der halb mit Gas gefüllten Ampulle entzündet sich ein
glimmender Docht aus Toilettenpapier (alternativ: Zahnstocher) und
brennt mit greller Flamme (rechtes
Photo).
d) In der mit dem positiven Pol verbundenen Ampulle verfärbt sich das Wasser braun.
Erklärung
a)
die negativen und
positiven Ionen der Mineralien sind umgeben von
Wasser-Molekülen. So wandern sie zur
positiven bzw. negativen Elektrode.
b An der negativen Elektrode bekommen die Wassermoleküle
Elektronen zugeführt.
..............Dabei
entstehen aus 4 Wasser-Molekülen 4 Wasserstoff-Atome
und 4 Hydroxid-Ionen.
Die H-Atome bilden 2 Moleküle:
4 H2O(l) + 4 e- --> 2 H2(g) +
4 OH-(aq) (Indikator grün)
c)
An der positiven Elektrode werden den Wasser-Molekülen Elektronen
entrissen.
Dabei bilden sich aus 2 Wasser-Molekülen 2
Sauerstoff-Atome und 4 Säurewasserstoff-Ionen. Die O-Atome bilden
1 Molekül:
2 H2O(l) - 4 e -
-->
O2(g) + 4 H+(aq) (Indikator
rot)
....Die entstandenen
Säurewasserstoff-Ionen bzw. Hydroxid-Ionen färben den blauen
Indikator rot bzw. grün, gelb (Photo 3).
d)
Außerdem wird das Eisen dieser Elektrode oxydiert. Das
erklärt, warum hier etwas weniger als die erwartete Gasmenge
bildet.
Die Ionenwanderung und die
chemischen Reaktionen der Wasser-Moleküle lassen sich durch
Perlenmodelle erläutern.