Wenn es knallt und kracht
Hochgeschwindigkeits-Videos offenbaren die heiße Dynamik bei der Explosion eines mit Knallgas oder Wasserstoff gefüllten Ballons.
An die Knallgasprobe erinnert sich wohl noch jeder aus dem Chemieunterricht. Die Zeitskala, auf der Wasserstoff und Sauerstoff reagieren, hängt davon ab, ob die beiden Reaktionsgase zu Beginn getrennt oder vorgemischt vorliegen. Dies zeigt sich deutlich in Hochgeschwindigkeits-Videos von Experimenten, bei denen Luftballons entweder mit reinem Wasserstoff oder aber mit Knallgas gefüllt werden.
Verbrennungsvorgänge sind ein komplexes Thema. So beschreibt die Summenformel der einfachsten Verbrennung von reinem Wasserstoff 2H2 + O2 = 2H2O das integrierte Ergebnis von über 30 verschiedenen Elementarreaktionen. Die Reaktionsenthalpie beträgt 286 kJ/Mol, was bei Verbrennung von 2 Litern H2 etwa 26 kJ freigesetzter Energie entspricht.
Zunächst analysierten wir die Explosion eines mit Wasserstoff gefüllten Luftballons. Wir füllten einen Luftballon mit etwa 2 Liter reinem Wasserstoff, der Einfachheit halber aus kleinen Gasflaschen, da ein Überdruck erforderlich ist, um den Ballon aufzublasen. Dann klebten wir den Ballon an eine Stativstange und zündeten das Gas mit einem brennenden Streichholz, das aus Sicherheitsgründen an einer ein Meter langen Stativstange befestigt war. Das folgende Video zeigt das Experiment mit 3000 Bildern pro Sekunde.
Hochgeschwindigkeits-Video der Verbrennungsreaktion eines mit reinem Wasserstoff gefüllten Luftballons (Aufnahmen mit 3000 Bildern/s, Integrationszeit 1/3000 s).
Nachdem die Flamme ein Loch in die Gummihaut des Ballons gebrannt hat, zerreißt diese sehr schnell mit Geschwindigkeiten in der Größenordnung der Schallgeschwindigkeit des Materials, also einigen 100 m/s. Innerhalb weniger Millisekunden ist die Gummihaut vollständig entfernt. Parallel hierzu beginnt die Verbrennung der anfangs noch ballonförmigen Wasserstoffwolke. Es dauert etwa 10 ms, bevor sich die Verbrennungsfront von außen nach innen in das ganze Gasvolumen ausgebreitet hat. Diese „Explosionsreaktion“ verläuft relativ langsam, da der Sauerstoff der Umgebungsluft nach Reißen der Ballonhaut Zeit benötigt, um sich mit dem Wasserstoff zu durchmischen. Um diesen Effekt deutlich sichtbar zu machen wurde deshalb für die Demonstrationen bewusst das für Demonstrationsexperimente recht große Volumen gewählt. Nach etwa 100 ms schwächt sich die Reaktion ab und ist nach etwa 300 ms beendet.
Abhängig davon, wie die Ballonhaut platzt, unterscheiden sich die Zeitskalen bei wiederholten Versuchen etwas. Dies liegt daran, dass die schnelle Bewegung der reißenden Gummihaut bereits zu einer teilweise turbulenten Durchmischung des Wasserstoffs mit dem umgebenden Sauerstoff führen kann. Bei der Wasserstoffverbrennungsreaktion wird innerhalb von 0,1 s die erwähnte Energie von etwa 26 kJ freigesetzt. Es ist klar, dass hierdurch eine deutlich hörbare Druckwelle entsteht. Aufgrund des entsprechend lauten Knalls spricht man deshalb bereits hier häufig von einer Explosion.
Wie das Video zeigt, kann der Feuerball während der Verbrennung durchaus Durchmesser von etwa einem Meter erreichen. Daher sollte man beim Entzünden Vorsicht walten lassen sowie in kleinen Räumen die Fenster öffnen und Ohrschützer tragen.
Offensichtlich hängt die Reaktionsgeschwindigkeit der H2-Verbrennung von der Durchmischung der Wasserstoffwolke mit Sauerstoff ab. Wie sich der Explosionsablauf ändert, wenn man einen Ballon mit einer stöchiometrischen Mischung aus 2 Litern Wasserstoff und Sauerstoff im Verhältnis 2:1 füllt, zeigt das folgende Video
Hochgeschwindigkeits-Video der Explosion eines mit Knallgas (H2 + O2 ) gefüllten Luftballons (5000 Bilder/s, Integrationszeit 1/200000).
Einen ausführlichen Artikel zu diesen explosiven Vorgängen können Sie in der aktuellen Ausgabe von Physik in unserer Zeit lesen, wo er bis zum 20. Juni 2014 zum freien Download bereitsteht.
Ein weiteres Hochgeschwindigkeits-Video hierzu sowie viele weitere Filme finden Sie in unserem Youtube-Kanal und bei dem Zusatzmaterial zu unseren Heften.
