Demonstrationsexperiment "Thermolyse von Wasserdampf" Ein Sorgenkind...

Anorganische Chemie.

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Glaskocher
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Demonstrationsexperiment "Thermolyse von Wasserdampf" Ein Sorgenkind...

Beitrag von Glaskocher »

Hallo Freund der experimentellen Chemie!

Für eine Vorlesung soll ich das Experiment "Thermolyse von Wasserdampf am glühenden Platindraht" vorführen. In der bisher durchgeführten Version funktioniert es kaum bis garnicht. Bei 2000K (~1700°C) soll das Gleichgewicht bei 96% H2O und 4% Knallgas liegen. Die Platin-Glühwendel wurde in einen Kolben mit siedendem Wasser gehängt und der Wasserdampf in eine pneumatischen Wanne unter einem Reagenzglas zum Auffangen der nicht kondensierbaren Anteile eingeleitet.

Meine Überlegung ist, daß man die Dampferzeugung und die Reaktion so trennen muß, daß der Dampfstrom möglichst rasch nach dem Passieren der Glühwendel abkühlen kann. Ich will versuchen, die Glühwendel mit dem Dampf punktuell anzublasen. Das findet in einem kopfstehenden 250ml-Dreihalskolben statt. Im Mittelhals steckt der Silikonstopfen mit der Platinwendel, aus einem Seitenhals kommt der Dampf über eine vor der Wendel endenden Düse und im anderen Seitenhals ist die Dampfableitung installiert. Zur Not müßte ich mir dazu noch eine bessere Geometrie ausdenken, um das Abkühlen noch weiter zu beschleunigen.

Was meint Ihr dazu?

aliquis
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Re: Demonstrationsexperiment "Thermolyse von Wasserdampf" Ein Sorgenkind...

Beitrag von aliquis »

Bei diesen Temperaturen und Anwesenheit des Platins als Katalysator reagiert das Knallgas doch gleich wieder zurück - mit Pech auch explosionsartig.
Selbst wenn nicht: wie will man die 4 % Knallgas isolieren? Pneumatisches Auffangen mit Rückschlagsgefahr? Per Gastrocknung? - Bei so viel Wasserdampf eine echte Herausforderung für jeden Absorber bzw. in den erforderlichen Mengen verliert sich darin wohl auch das bisschen Gas... Vll. eine Kühlfalle davor schalten?
Wäre die Zusammensetzung per GC nachweisbar? Keine Ahnung.
Klingt auf jeden Fall nach ziemlich viel Aufwand für die praktische Umsetzung. Wäre ich der Dozent, würde ich es wohl eher bei der Erwähnung der Theorie belassen anstatt meinen Assistenten damit zu quälen...

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mgritsch
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Re: Demonstrationsexperiment "Thermolyse von Wasserdampf" Ein Sorgenkind...

Beitrag von mgritsch »

Also ob sich das als Experiment sinnvoll durchführen lässt?
Pt hat einen Schmelzpunkt von 2041 K, da müsstest du sehr knapp dran sein. Der Draht wäre weißglühend wie eine Glühbirne und sehr weich. Sobald du aus der Luft O2 dabei hast, schiebst du das GG Richtung Wasser = nur unter Ar Atmosphäre zu machen. Und du musst die Temperatur extrem rasch senken und das GG „einfrieren“ damit was übrig bleibt davon = den Dampfstrom rasch auf eine sehr kalte Fläche knallen lassen (die ganz schön viel Wärme aus dem heißen Dampf abführen müsste…)

Mit „ich hänge mal eine heiße Pt Spirale in Dampf“ wird das eher nichts befürchte ich. Hat denn jemand so ein Experiment schon mal vorgeführt?

BJ68
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Re: Demonstrationsexperiment "Thermolyse von Wasserdampf" Ein Sorgenkind...

Beitrag von BJ68 »

Schon mal an eine Ketenlampe gedacht: http://www.sciencemadness.org/talk/view ... 8#pid91798

bj68
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Glaskocher
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Re: Demonstrationsexperiment "Thermolyse von Wasserdampf" Ein Sorgenkind...

Beitrag von Glaskocher »

@ aliquis:
Die explosionsartige Rückreaktion schließe ich mal aus, weil das Gasgemisch kontinuierlich erzeugt und die Abbaureaktuion ebenfalls kontinuierlich abläuft. Das ist ungefähr wie bei einem Brenner, der deshalb nicht explodiert, weil er kontinuierlich brennt.

Das Isolieren ist recht einfach, weil Wasserdampf in kaltem Wasser kondensiert und die anderen Gase sich wenig oder garnicht lösen. Die Wärmeabfuhr wird das Problem bleiben, weil ich eine hohe Strömung aufbauen muß. Diese Strömung verhindert dann den Rückschlag vom Sperrwasser.

Eine Kühlfalle hat bei den erwarteten Gasmengen ein zu großes Volumen und die Knallgasprobe tut es auch mit nassem Gas zuverlässig. Die Analyse per GC ist im Prinziep möglich (mit einer gepackten Säule und WLD), aber apparativ nicht verfügbar und dauert im Vortrag zu lange.

Es ist viel Aufwand, aber es scheint sich didaktisch zu lohnen. Das ist nicht meine Entscheidung.


@ mgritsch:
Die Temperaturmessung ist ein Problem, das ich noch lösen muß. Das ist in der Tat knapp! mit "Aber nicht durchbrennen lassen..." habe ich den Assistenten, der das Ding normalerweise durchführt im Ohr. Ich könnte zwar mit Arbon "vorspülen", aber das Gas würde rasch vom Dampf aus der Apparatur ausgetrieben, bevor ich den Glühdraht anheize.

Die Idee zur "Schockkühlung" kam mir auch schon. Ich hoffe zunächst, daß das Anblasen des Glühdrahtes mit dem frischen Dampf das Reaktionsgemisch vom Glühdraht weg zu treiben. Ob das reicht weiß ich nicht. Apparativ habe ich im Moment noch nicht die vollen Möglichkeiten...

-->Mit „ich hänge mal eine heiße Pt Spirale in Dampf“ wird das eher nichts befürchte ich. <--
DAs ist der aktuelle Bearbeitungsstand. Es wird über zu lange Zeit zu wenig Gas aufgefangen (stark beschönigte Beschreibung). Der Sauerstoff löst sich im sich aufheizenden Sperrwasser und das Restgas (Wasserstoff) läßt sich zu einem matten "Plöpp" herab beim Anzünden.


Im "Rheinboldt"1 steht ein ähnliches Experiment mit einem Lichtbogen, der bei 5-6kV betrieben werden soll. In einem kopfstehenden 300ml-Erlenmeierkolben ist eine Jakobsleiter installiert und der Zustrom an Dampf erfolgt knapp unterhalb der Engstelle zwischen den beiden "Hörnern". Laut dem Buch soll diese Version des Experimentes eine brauchbare Ausbeute an Knallgas liefern, das dann durch ein im Stopfen steckendes Ableitungsrohr nach unten (in die pnaumatische Wanne) abgeführt wird. Dort kann man ca. 10ml unkondensierbares Gas je Minute auffangen und über die Knallgasprobe nachweisen.

Vermutlich werde ich unsere Elektrowerkstatt mal darauf "ansetzen", einen Trafo für diese Jalobsleiter zu besorgen/bauen. Diesen Trafo kann man dann auch im Birkeland-Eyde-Verfahren zur Demonstration nutzen.


Literatur:
1: Heinrich Rheinboldt, O. Schmitz-Du Mont: Chemische Unterrichtsversuche - Ausgewählte Beispiele für den Gebrauch an Hochschulen und höheren Lehranstalten (Verlag: Theodor Steinkopf Dresden und Leipzig, 1934)


PS: Den Artikel zur Ketenlampe muß ich mir erst durchlesen...
... mit 700°C (~1000K) ist dieses Gerät ziemlich "kalt" gegenüber der gewünschten Temperatur...

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mgritsch
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Re: Demonstrationsexperiment "Thermolyse von Wasserdampf" Ein Sorgenkind...

Beitrag von mgritsch »

BJ68 hat geschrieben:
Sonntag 16. Oktober 2022, 10:43
Schon mal an eine Ketenlampe gedacht:
Von der Bauart teilweise sicher die richtige Richtung aber zu niedrige Temperatur (btw - nächstes Problem: die Strahlungswärme eines nennenswert großen Pt Drahts von 1700 °C wird dir bald die Glasapparatur rot glühend machen…)

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mgritsch
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Re: Demonstrationsexperiment "Thermolyse von Wasserdampf" Ein Sorgenkind...

Beitrag von mgritsch »

Glaskocher hat geschrieben:
Sonntag 16. Oktober 2022, 11:05
Ich könnte zwar mit Arbon "vorspülen", aber das Gas würde rasch vom Dampf aus der Apparatur ausgetrieben, bevor ich den Glühdraht anheize.
Die Argonspülung würde ich aufrechterhalten bis das Wasser siedet und der Dampf alleine für einen Gasstrom sorgt. Dann kommt keine weitere Luft rein und auch die im Wasser gelöste ist ausgetrieben.

Zeigt ein weiteres Problem auf: die Gas-Strömungsgeschwindigkeit ist durch deine Dampferzeugungsrate bestimmt und limitiert. Dampf hat obendrein noch eine sehr hohe Wärmekapazität was wiederum das Abschrecken erschwert. Mit Inertgas verdünnen geht auf Dauer auch nicht, du willst ja zeigen dass Gas entsteht.
Der Sauerstoff löst sich im sich aufheizenden Sperrwasser und das Restgas (Wasserstoff) läßt sich zu einem matten "Plöpp" herab beim Anzünden.
Das ist ja schon etwas, mehr als ich gedacht hätte!
Im "Rheinboldt"1 steht ein ähnliches Experiment mit einem Lichtbogen, der bei 5-6kV betrieben werden soll. In einem kopfstehenden 300ml-Erlenmeierkolben ist eine Jakobsleiter installiert und der Zustrom an Dampf erfolgt knapp unterhalb der Engstelle zwischen den beiden "Hörnern".
Das klingt deutlich besser als Pt-Draht!
Alternativ: wie wäre es mit einem Lichtbogen zwischen Kohle-Elektroden?
Der geht auch mit 220V oder weniger top, hat deutlich über 2000 °C, brennt schön konstant. Wärme- und UV-Strahlung müsstest du halt abschirmen. Und Wasserdampf und Kohleelektroden werden halt noch andere Gase miteinander machen ;)

Glaskocher
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Re: Demonstrationsexperiment "Thermolyse von Wasserdampf" Ein Sorgenkind...

Beitrag von Glaskocher »

btw - nächstes Problem: die Strahlungswärme eines nennenswert großen Pt Drahts von 1700 °C wird dir bald die Glasapparatur rot glühend machen…
Das muß bereits mit einem Kolben passiert sein, den ich in die engere Auswahl gezogen habe. Der hat im "Boden" eine verräterische Delle, die im "Kopftand" über der Glühwendel liegt... Da ist in jedem Fall noch viel "Hirnschmalz" nötig, um es zum Laufen zu bekommen.

Mein Problem ist, daß ich das Gas-Dampf-Gemisch mit mindestens 101°C aus der Apparatur ableiten muß, um nicht das Sperrwasser herein zu saugen. Ansonsten wäre die Kühlung deutlich einfacher.


EDIT meint:
Der Kohlebogen erzeugt an Luft neben CO auch NO. Unter Wasser erzeugt er eine H2-CO-Mischung, die sich rasch entwickelt. Man kann sie gut auffangen und durch Anzünden zum Abbrand bringen. Dieses Experiment hatte ich bereits getestet. Es funktioniert mit 50V Leerlaufspannung und einigen ...zig Ampere. Das "bratzt" ganz ordentlich, was Licht und Akustik angeht.

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mgritsch
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Re: Demonstrationsexperiment "Thermolyse von Wasserdampf" Ein Sorgenkind...

Beitrag von mgritsch »

Idee:
Kugelförmiger Reaktor aus Quarzglas
Links/rechts Durchführung für WIG-Elektroden (Standard Equipment für Schweißen), Positionen justierbar um auf Abbrand etc reagieren zu können bzw Bogenlänge einzurichten. Bogenlänge sollte spannungsabhängig 1-2 cm möglich sein.
Vorne zu einer feinen Düse ausgezogenes (Quarz-)Glasrohr dessen Spitze direkt in den Lichtbogen zeigt (wird im Betrieb durch den Dampf gekühlt)
Dahinter eine Kühlwendel aus dünnem Cu-Rohr (wassergekühlt) an der abgeschreckt wird, kräftiger Kühlwasserstrom
Nach unten Öffnung um Kondenswasser abfließen zu lassen (in ein Vorratsgefäß mit Überlauf, damit immer konstant geschlossen)
Nach oben Öffnung um Gase abzuführen
Ggfs ganze Apparatur mit Ventilator von außen etwas kühlen
Vor Inbetriebnahme alles mit Ar fluten /spülen
Lichtbogen erst zünden wenn der Dampf konstant strömt und dann das Ar ausschalten
Davor zum Schutz der Zuseher eine dunkle Scheibe gegen helles Licht/UV die man im Betrieb davor schieben kann

NOx ist mangels Anwesenheit von N ausgeschlossen. CO etc sowieso. Einzige Verunreinigung wäre dann Wolframoxid das sich innen niederschlägt, müsste man testen wie lange die WIG-Elektroden die H2O Atmosphäre aushalten.

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lemmi
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Re: Demonstrationsexperiment "Thermolyse von Wasserdampf" Ein Sorgenkind...

Beitrag von lemmi »

...habe ich den Assistenten, der das Ding normalerweise durchführt im Ohr.
Wie macht der das denn üblicherweise?
"Alles sollte so einfach wie möglich gemacht werden. Aber nicht einfacher." (A. Einstein 1871 - 1955)

"Wer nur Chemie versteht, versteht auch die nicht recht!" (G.C. Lichtenberg, 1742 - 1799)

"Die gefährlichste Weltanschauung ist die Weltanschauung der Leute, die die Welt nie gesehen haben." (Alexander v. Humboldt, 1769 - 1859)

Glaskocher
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Re: Demonstrationsexperiment "Thermolyse von Wasserdampf" Ein Sorgenkind...

Beitrag von Glaskocher »

Im Normalfall macht das ein Kollege aus dem Arbeitskreis des Dozenten. Der ist aber in einem parallel laufenden Praktikum unabkömmlich. Ich werde ihn in jedem Fall nochmal um eine "Trockenübung" zum Aufbau bitten. Nur wenige Milliliter Gasausbeute in 10-20 Minuten Laufzeit sind deutlich zu mager, auch weil sich der Sauerstoffanteil im Sperrwasser löst.

Glaskocher
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Re: Demonstrationsexperiment "Thermolyse von Wasserdampf" Ein Sorgenkind...

Beitrag von Glaskocher »

An Quarzglas hatte ich auch gedacht. Die oben beschriebene Delle im Kolben sagte es mir. Der Preis läßt mich etwas zögern...

Bei den WIG-Elektroden bin ich mir nicht so sicher, ob sie das Richtige sind. Die Jakobsleiter aus Kupfer ist da deutlich günstiger und der Lichtbogen davon ist "weicher". Beim Versuch zum "Birkeland-Eide-Verfahren" werden zwei Stahlstricknadeln als Elektroden empfohlen. Mal sehen, was ich zu beiden Experimenten zusammen bekomme...

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mgritsch
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Re: Demonstrationsexperiment "Thermolyse von Wasserdampf" Ein Sorgenkind...

Beitrag von mgritsch »

Glaskocher hat geschrieben:
Sonntag 16. Oktober 2022, 15:14
Bei den WIG-Elektroden bin ich mir nicht so sicher, ob sie das Richtige sind. Die Jakobsleiter aus Kupfer ist da deutlich günstiger und der Lichtbogen davon ist "weicher".
Kommt drauf an welche Art von Lichtbogen du machst.

Eine Jakobsleiter mit HV ist deutlich kälter, das hält das Cu aus. Sein Licht kommt in erster Linie von der Stoßionisation bzw Anregung der Gasteilchen.

Einer mit Niederspannng und hohem Strom ist heiß und intensiv (wie man es eben zum schweißen braucht), da verdampft das Cu (du willst 2000 K!) Sein Licht kommt von der elektrischen Verlustleistung über den ohmschen Widerstand des Plasmas und der daraus resultierenden hohen Temperatur (Boltzmann-Strahler).

Da du viel Dampf rasch auf hohe Temperatur bringen willst glaube ich dass ersteres nicht gut funktionieren wird. Bei der Jakobsleiter hast du den Bogen auch nicht an einer stabilen Position.

notaccounteule
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Re: Demonstrationsexperiment "Thermolyse von Wasserdampf" Ein Sorgenkind...

Beitrag von notaccounteule »

hmm, Wenn ich das richtig verstanden habe geht es darum, die Produkte, als H2 und O2 aus dem Geschehen abzutrennen, bevor sie angesichts der Zündquelle wieder zur Reaktion gebracht werden. Mein erster Gedanke dazu wäre, zumindest einen teil des Wasserstoffs durch eine nah an/ röhrenförmig um der/die Glühwendel montierte Membran aus Wasserstoffgängigem Metall - Pt, Ir, Os oder so zu absorbieren, ob auf der anderen Seite zb ein Gasstrom herrscht, der den Wasserstoff direkt wegbringt oder wie man hinter der Membran verfährt - keine Ahnung, aber für einen Nachweis mittens GC oder Spektroskopie sollte sowas reichen. Ich denke da z.B. an das bereits genannte Ar, das man vllt. elektrisch anregen und das resultierende Licht durch ein optisches Gitter leitet, um in den Linien die des Wasserstoffs zu identifizieren.. Klar, nicht sehr effizient, aber ein gesonderter Nachweis des Wasserstoffs, zudem mit Sicherheit ein quantitativ durchführbares Verfahren. Den Sauerstoff sollte man vergleichbar aus dem Dampfstrom nachweisen können, in dem er verbleiben könnte.

Glaskocher
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Re: Demonstrationsexperiment "Thermolyse von Wasserdampf" Ein Sorgenkind...

Beitrag von Glaskocher »

Das Experiment soll im Höhrsaal, während der chemischen Grundvorlesung stattfinden, um dort Inhalte zu verdeutlichen. Dazu sind dann Membran und GC ziemlich ungeeignet. Außerdem gilt die Zusammensetzung mit 4% Zersetzung nur für 1700°C, bei eingestelltem Gleichgewicht bei tieferen Temperaturen ist die Rekombination unausweichlich. Man muß dem Gemisch also die Zeit nehmen, sich neu einzustellen, um seine Zusammensetzung "einfrieren" zu können.

Als "Wasserstoffleiter" müßte Palladium das Beste sein. Aber ich müßte zunächst üben, ein Stück Blattpalladium möglichst dicht auf das Ende eines Rohres zu fixieren. Eine etwas stabilere Pallasiumfolie habe ich nicht und müßte sie beim Goldschläger bestellen, was dann zu lange dauert und ich nicht über das Budget bescheid weiß.

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