Knallgas-Reaktion

Knallgas ist eine explosionsfähige Mischung von gasförmigen Wasserstoff und Sauerstoff. Beim Kontakt mit offenem Feuer (Glut oder Funken) erfolgt die so genannte Knallgasreaktion. In Luft unter atmosphärischem Druck muss der Volumenanteil des Wasserstoffs dabei zwischen 4 und 77 % liegen. Werden diese Grenzwerte unter- bzw. überschritten, kommt es nicht mehr zu einer Explosion. Bei einer kontrollierten Verbrennung kommt es zu einer Knallgasflamme.

Knallgasreaktion

Die Knallgasreaktion ist die exotherm, explosionsartig ablaufende Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff. Sie ist eine Form der Verbrennung (Oxidation).

Die Reaktionsgleichung lautet:

$\mathrm{2 \ H_2 + O_2 \longrightarrow 2 \ H_2O}$

Es handelt sich um eine stark verzweigte Kettenreaktion (Kettenverzweigungsexplosion) unter Beteiligung von Wasserstoff-, Sauerstoff- und Hydroxyl-Radikalen als Kettenträger.

$\mathrm{H_2 \ \xrightarrow {Energie} \ H{\cdot} + {\cdot}H \quad (Kettenstart)}$

$\mathrm{H{\cdot} + O_2 \longrightarrow {\cdot}OH + O{\cdot}}$

$\mathrm{O{\cdot} + H_2 \longrightarrow {\cdot}OH + H{\cdot}}$

$\mathrm{{\cdot}OH + H_2 \longrightarrow H_2O + H{\cdot}}$

und weitere Reaktionen

Das Reaktionsprodukt ist Wasser.

Die pro molarem Formelumsatz freiwerdende Energie beträgt 571,6 kJ/mol (Δ_rH⁰ = −571,6 kJ/mol)^[1]. Damit ändert sich die Enthalpie H für ein Mol des entstehenden Wassers um −286 kJ/mol.

Als Nebenreaktion entsteht auch Wasserstoffperoxid gemäß:

$\mathrm{H_2 + O_2 \longrightarrow H_2O_2}$

In den Mitochondrien lebender Zellen kommt es bei der Endoxidation im Komplex IV in der Atmungskette zu einer analogen, aber strikt kontrollierten exergonen Reaktion (biologische Knallgasreaktion), die der Energiegewinnung der Zelle, d. h. der Bildung von ATP-Molekülen dient:

$\mathrm{O_2 + 4 \ e^- + 4 \ H^+ \longrightarrow 2 \ H_2O}$

Die freie Enthalpie ΔG°' der Reaktion ergibt sich aus ihrem Redoxpotential (+0,5 V) und beträgt bei physiologischen Bedingungen (pH 7) −193 kJ/mol.

Die gleiche Reaktion findet auch in der Brennstoffzelle statt. Bei deren Konstruktion wird die bei der Knallgasreaktion frei werdende Energie (Enthalpiedifferenz) hier genauer: freie Enthalpie oder Gibbs-Energie ΔG genutzt, ohne eine Explosion herbeizuführen. Die dabei frei werdende Enthalpie wird zum Teil als elektrischer Strom und zum Teil als Wärme freigesetzt. Die Reaktion läuft in der Brennstoffzelle jedoch langsam und kontrolliert ab.

Knallgas lässt sich durch die elektrolytische Zersetzung von Wasser herstellen, z. B. indem man Strom durch eine verdünnte Säure oder Lauge leitet, oder auch durch thermische Zersetzung von Wasser.

Eine bekannte Knallgasexplosion ist der Fehlstart der Challenger-Raumfähre.

Knallgasprobe

Mit dem Begriff Knallgasprobe bezeichnet man in der Chemie einen Nachweis von Wasserstoff. Dieser ist jedoch nicht spezifisch, da auch z.B. Methan mit Sauerstoff Knallgas bildet, und dient nur im Chemieunterricht als Pseudonachweis. Die eigentliche Verwendung (siehe unten) ist das Überprüfen des Luftgehaltes einer Wasserstoff produzierenden Apparatur.

Für den Nachweis wird üblicherweise das zu überprüfende Gas in einem Reagenzglas mit der Öffnung nach unten (damit Wasserstoff wegen der geringeren Dichte als Luft nicht entweichen kann) an eine Zündquelle (Bunsenbrenner, Feuerzeug) gehalten.

Fall 1: Das aufgefangene Gas ist reiner Wasserstoff. Es kommt zu einer ruhigen Verbrennung oder eventuell schwachen Verpuffung (negative Knallgasprobe).

Fall 2: Das aufgefangene Gas ist ein Gemisch aus Wasserstoff und Sauerstoff (Knallgas). Die Verbrennung erfolgt mit einem pfeifenden Geräusch (positive Knallgasprobe).

Aufgrund der unterschiedlichen Geräusche bei reinem Wasserstoff und dem Gemisch Wasserstoff mit Sauerstoff wird die Knallgasprobe auch zur Überprüfung der Reinheit einer Wasserstoff-Atmosphäre verwendet, um eine Explosion in einem geschlossenen Gefäß zu vermeiden.

Ähnlich wie Knallgas explodiert das Chlorknallgas.

Literatur

• Jander, G., Spandau, H. (1987): Kurzes Lehrbuch der anorganischen und allgemeinen Chemie, Springer-Verlag Berlin Heidelberg.

Einzelnachweise

1. ↑ http://www.rzuser.uni-heidelberg.de/~ltemgoua/chemie/Knallgas.html