Knallgas

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Knallgas ist eine explosionsfähige Mischung von gasförmigen Wasserstoff und Sauerstoff. Beim Kontakt mit offenem Feuer (Glut oder Funken) erfolgt die so genannte Knallgasreaktion. Bei Atmosphärischem Druck muß der Wasserstoffanteil dabei zwischen 6 und 67% liegen. Werden diese Grenzwerte unter-bzw. überschritten, kommt es nicht mehr zu einer Explosion.

[Bearbeiten] Knallgasreaktion

Die Knallgasreaktion ist die explosionsartige (exotherme) Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff. Sie ist eine Form der Verbrennung (Oxidation).

Die Reaktionsgleichung lautet:

$2H_2+O_2\rightarrow2H_2O$

Es handelt sich um eine stark verzweigte Kettenreaktion (Kettenverzweigungsexplosion) unter Beteiligung von H, O und OH Radikalen als Kettenträger.

H₂ → H + H (Kettenstart)
H + O₂ → OH + O
O + H₂ → OH + H
OH + H₂ → H₂O + H
und weitere Reaktionen

Das Reaktionsprodukt ist Wasser.

Die pro Mol Formelumsatz freiwerdende Energie beträgt d_rH⁰ = -571,6 kJ/mol, damit ändert sich die Enthalpie H dabei für 1 mol entstehendes Wasser um

$Δ H = - 286kJ / mol$ .

Als Nebenreaktion entsteht auch Wasserstoffperoxid gemäß:

H₂ + O₂ → H₂O₂

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:

O₂ + 4 e⁻ + 4 H⁺ → 2 H₂O

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 der Konstruktion von Brennstoffzellen wird versucht, die bei der Knallgasreaktion freiwerdende Energie (Enthalpiedifferenz) (hier genauer: freie Enthalpie oder Gibbs-Energie $Δ G$ ) zu nutzen, 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.

Aus Batterien tritt ständig eine kleine Menge Knallgas aus. Werden viele Batterien in einem Raum gelagert (z. B. in Werkstätten) dann kann die Konzentration des Gases gesundheitsschädigend und hoch explosiv sein. Daher müssen solche Räume unter ständiger Kontrolle der Knallgaskonzentration stehen.

Bekannte Knallgasexplosionen sind die Explosion des Reaktorkerns bei der Katastrophe von Tschernobyl und der Fehlstart der Challenger-Raumfähre.

[Bearbeiten] Knallgasprobe

Mit dem Begriff Knallgasprobe bezeichnet man in der Chemie einen Nachweis von Wasserstoff.

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.

Ist das überprüfte Gas reiner Wasserstoff (brennbar) kommt es zu einer hörbaren Reaktion (Plopp) mit dem Sauerstoff der Luft. Ist im Reagenzglas ein Gemisch aus Wasserstoff und Sauerstoff enthalten (Knallgas), so ist ein Pfeifen (wenig Wasserstoff mit viel Luft) oder ein lauter Knall (explosive Mischung) zu hören (Knallgasreaktion):

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

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.