Experiment: Ein Wasserstoffballon

Beim Auflösen von Metallen in einer Säure entsteht Wasserstoffgas. Dieses Gas ist leichter als Luft. Unsere Kinder fragten deshalb, ob man damit einen Ballon füllen und fliegen lassen könnte. So probierten wir es aus.
Anfänglich hatten wir einige Schwierigkeiten mit diesem Experiment; aber mit der Zeit fanden wir heraus, worauf man achten muss, dass es funktioniert. Die untenstehenden Hinweise sind die Frucht von einigen Stunden des Ausprobierens.
Es ist auch nicht ganz ungefährlich: Wenn sich Wasserstoff mit Sauerstoff vermischt, entsteht Knallgas, das mit dem kleinsten Funken explodieren kann. Es empfiehlt sich daher, diesen Versuch im Freien durchzuführen, und den Ballon nicht Kindern unbeaufsichtigt als Spielzeug zu überlassen.

Bei unserem Versuch benutzten wir Aluminiumfolie und Salzsäure. Salzsäure ist die einzige starke Säure, die für uns erhältlich ist. Aluminium hat den Vorteil, dass es immer von einer dünnen Schicht Oxid überzogen ist. Diese Schicht muss von der Säure zuerst aufgelöst werden, wobei noch kein Wasserstoff entsteht; erst danach beginnt die eigentliche Reaktion mit dem Aluminium. Diese Verzögerung gibt uns Zeit, den Ballon richtig zu befestigen.

Oben: Versuchsaufbau bei Beginn der Reaktion.

Das Aluminium wird in das Reaktionsgefäss gegeben (eine Halbliter-Getränkeflasche aus Plastik hat die ideale Grösse) und mit Säure übergossen.
(Achtung: Beim Hantieren mit Säure unbedingt Gummihandschuhe tragen!
– Achtung 2: Untenstehende Mengenangaben beachten. Man kann während der Reaktion nichts mehr dazufügen oder wegnehmen!)
Der leere Ballon wird über den Flaschenhals gezogen und daran fest angebunden. (Es ist von Vorteil, den Ballon vorher ein- oder zweimal aufzublasen, damit er gedehnt wird und dem einströmenden Gas weniger Widerstand entgegensetzt.) Nach etwa einer Minute beginnt die Reaktion: aus der Säure steigen Blasen auf, und der Ballon beginnt sich zu füllen.

Die Reaktion kann auf ihrem Höhepunkt ziemlich heftig werden. Man sollte deshalb unbedingt das Reaktionsgefäss in einem Eimer Wasser kühlen, sonst können Spritzer von heisser Säure und Aluminium in den Ballon gelangen. (So geschehen bei unserem ersten Versuch…) Auch empfiehlt es sich, die Alufolie zu einem Ball zusammenzurollen und festzudrücken, damit nicht zuviel davon gleichzeitig reagieren kann.

Oben: Dies war der erste Versuch. Das Reaktionsgefäss war zu klein und zu eng, der Ballon wurde voll Spritzer.

Oben: Hier haben wir die Flasche ins Kühlwasser hinuntergelassen, da sie anfing sich zu erwärmen.

Unten: Dennoch hat es ziemlich geschäumt und gespritzt (man vergleiche die Flasche auf den beiden Bildern). Aber die Flasche war genügend hoch und geräumig, dass keine Spritzer in den Ballon gelangten.

Nachdem die Reaktion abgeklungen ist, bindet man den Ballon über der Flasche luftdicht zu, bindet ihn an einer Schnur an und löst ihn dann vom Flaschenhals. Wenn genügend Wasserstoff darin ist, sollte er jetzt in die Luft steigen.

Unten: Ja, es funktioniert!

Details – um es genau zu wissen:

1) Die anfängliche Reaktion mit dem Aluminiumoxid ist: 6 HCl + Al2O3 -> 3 H2O + 2 AlCl3
Hier wird also noch kein Wasserstoff frei.

2) Danach beginnt das Aluminium zu reagieren: 6 HCl + 2 Al -> 3 H2 + 2 AlCl3

Errechnung der nötigen Mengen:

Ein Liter Wasserstoff wiegt bei Normalbedingungen 0,09 g, ein Liter Luft 1,29 g. Ein Liter Wasserstoff bewirkt also einen Auftrieb von 1,2 g. Unser Ballon wog knapp 3 g; mit 2,5 Litern Wasserstoff gefüllt (0,225 g) wäre er also gerade gleich schwer wie die Luft, und mit mehr Wasserstoff würde er steigen.
Das Maximalvolumen unseres Ballons war schätzungsweise 7 Liter. Als gutes Mittelmass entschieden wir uns, 5 Liter Wasserstoff zu produzieren (0,45 g). – Man sollte nicht bis zum Maximalvolumen gehen, da sich das Gas während der Reaktion erwärmen kann und dann mehr Platz braucht.

Eine Errechnung der Atomgewichte für die Reaktion 2 ergibt folgende Mengen:
219 g HCl + 54 g Al -> 6 g H2 + 267 g AlCl3

Für 0,45 g Wasserstoff ergibt das:

16,4 g HCl + 4,05 g Al -> 0,45 g H2 + 20 g AlCl3

Nun muss man aber noch in Betracht ziehen, dass die Salzsäure verdünnt ist. Unsere Salzsäure war 25-prozentig, in diesem Fall braucht man 4×16,4 = 65,6 g Salzsäure.

Also: 65,6 g (25-prozentige) Salzsäure und gut 4 g Aluminium ergeben 5 Liter Wasserstoff.
Bei anderer Grösse des Ballons, oder anderer Konzentration der Salzsäure, müssen die Zahlen entsprechend umgerechnet werden.

Noch ein unwichtiges Detail:
Obige Zahlen sind nicht die realen Zahlen unseres Experiments. Wir wohnen ja auf ca. 3500 Metern über Meer, wo der Luftdruck nur zwei Drittel des Normaldrucks beträgt. Wir brauchten deshalb nur zwei Drittel der angegebenen Mengen, um fünf Liter Wasserstoff zu erzeugen. Dafür erreichten wir auch nur zwei Drittel des oben angegebenen Auftriebs. Ja, manche Dinge sind schwieriger auf dieser Höhe, z.B. einen Luftballon steigen zu lassen. (Würden wir im Vakuum leben, dann gäbe es gar keinen Auftrieb mehr, und selbst der grösste Wasserstoffballon würde wie ein Stein nach unten fallen. Schwer vorstellbar, aber wahr.)

Nachtrag:
Kürzlich fand ich eine Nachricht, wonach die Polizei feststellte, dass viele Luftballonverkäufer in Lima ihre Ballons tatsächlich mit Wasserstoff füllten! Das ist zwar verboten, aber eben viel billiger als das ungefährliche Helium. Also Vorsicht mit Luftballons, man weiss nie, was für ein Gas darin ist. (Im Hochland werden soviel ich weiss noch keine Gasballons verkauft; vielleicht gerade weil es auf dieser Höhe schwieriger ist, einen Ballon zum Steigen zu bringen.)

Nachtrag 2:
Wenn man einfach einen sich selbst aufblasenden Luftballon sehen will, dann kann man auch ein anderes (ungefährliches) Gas herstellen. Wenn man z.B. Backsoda (Natriumbikarbonat) mit Essig übergiesst, entsteht Kohlendioxid. Dieses ist jedoch schwerer als Luft; der Ballon wird dann nicht in die Höhe steigen.

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