Anorganische Chemie für Schüler/ Erforschen des Verbrennungsvorgangs

Aus Wikibooks
Wechseln zu: Navigation, Suche

Erforschung des Verbrennungsvorgangs: Vereinigung oder Zersetzung?

Die Verbrennung von Brennstoffen ist ein chemischer Vorgang, der für die Menschheit schon immer einer der wichtigsten war. Erst durch die Entdeckung des Feuers konnte eine Zivilisation sich entwickeln. Auf den folgenden Seiten wirst Du viel Neues über das Feuer (welches ja im Altertum noch als Stoff, sogar als Element verstanden wurde) und den Verbrennungsvorgang lernen. Zuerst beschäftigen wir uns mit der Frage, ob eine Verbrennung eine Vereinigung oder eine Zersetzung ist. Dazu schauen wir uns die Masse vor und nach der Reaktion an und ziehen Schlussfolgerungen.

Würde man die Masse bei einer Verbrennung untersuchen, so wären drei theoretische Ergebnisse denkbar:

Massenzunahme → Vereinigung

Massenabnahme → Zersetzung

Keine Massenänderung → Verbrennung ist keine chemische Reaktion

Schüler vermuten hier vieles… Es ist ja auch verwirrend, denn eine Kerze und ein Grillfeuer verlieren doch Masse, oder?

Verbrennung von Stahlwolle auf einer Balkenwaage

Versuchsbeschreibung

Erforschen des Verbrennungsvorgangs1

Stahlwolle wird an eine Balkenwaage gehängt und mit dem Brenner entzündet. Als Alternative kann die Stahlwolle auch mit einer 4,5 V Batterie entzündet werden.

Beobachtung
Die Seite mit der Stahlwolle wird schwerer. (Zuerst wird die Seite mit der Stahlwolle vielleicht leichter, dann deutlich schwerer.)

Schlussfolgerung
Die Verbrennung ist eine Reaktion mit Luftsauerstoff. Die Stahlwolle verbrennt dabei mit Sauerstoff zu Eisenoxid, welches schwerer als Eisen ist.

→ Jede Verbrennung ist eine Vereinigung mit Sauerstoff (=Oxidation).
Es bildet sich ein Oxid.

Aufgaben

  1. Erkläre mit eigenen Worten die Massenänderung bei diesem Versuch.
  2. Warum wird die Kerze bei der Verbrennung leichter?
  3. Die Feuerwehr ist immer daran interessiert, wie man am Besten ein Feuer löschen kann. Vergleiche die Löschwirkung von Wasser und CO2 - Schaum.
  4. Wie würde die Feuerwehr ein brennendes Holzfeuer, und wie ein Benzinfeuer löschen?

Erforschung des Verbrennungsvorgangs: Ist Luft ein Element?

Der Sauerstoff für die Verbrennung kommt aus der Umgebungsluft. Luft wurde im Altertum als Element bezeichnet. Nachdem Du schon weißt, dass Feuer kein Element ist (und Wasser auch nicht - siehe Wasserzersetzung), entsteht die Frage, ob Luft ein Element oder ein Gemisch ist.

Versuchsbeschreibung
Spiritus wird unter einer Glasglocke entzündet.

Erforschen des Verbrennungsvorgangs2
Beobachtung
Schlussfolgerung
Wasserpegel sinkt und manchmal entweicht Luft beim Reaktionsstart → Durch die Hitze der Flamme wird die Luft erwärmt. Sie dehnt sich aus.
Die Flamme erlischt. → Spiritus verbrennt mit Sauerstoff. Wenn der Sauerstoffanteil von 21% auf 16% gesunken ist, erlischt die Flamme.
Das Wasser steigt etwa 20%. → Ein Teil des Sauerstoffs hat reagiert. Da dieser aber in Kohlenstoffdioxid umgewandelt wird, hat dieser Effekt keine Auswirkung auf die Volumenänderung. Tatsächlich verringert sich das Volumen, weil das Gasgemisch nach dem Verlöschen der Flamme abkühlt und sich zusammenzieht. Eine verbreitete Fehlvorstellung ist, durch den „fehlenden“ Sauerstoff würde Platz frei.

http://www.wer-weiss-was.de/theme50/article2187155.html

→ Luft ist ein Gemisch und kein Element

Die Zusammensetzung der Luft

In Luft sind enthalten Volumenprozent
Sauerstoff 20,95%
Stickstoff 78,1%
Edelgase 0,93%
Kohlenstoffdioxid + Restgase 0,03%
Rund 1/5 der Luft besteht aus Sauerstoff.

Nur dieser kann sich mit brennbaren Stoffen bei einer Verbrennung vereinigen.

Die Vereinigung eines Stoffes mit Sauerstoff nennt man Oxidation.

Die Verbindungen der Elemente mit Sauerstoff nennt man Oxide.
Erforschen des Verbrennungsvorgangs3

Aufgaben

  1. Aufgabe
    a) In einem Becherglas, das mit Wasser gefüllt ist, steht ein Reagenzglas mit der Öffnung nach unten. Es enthält Stahlwolle, die mit
    Wasser getränkt ist (siehe Zeichnung). Lässt man den Versuch zwei Tage stehen, steigt das Wasser im Reagenzglas an. Erkläre.
    b) Um wie viel Prozent kann das Wasser nur steigen? Warum?
  2. Kommt man bei Wiederholung des Versuches zum gleichen Ergebnis?
  3. Warum kannst Du ausschließen, dass Luft ein Element ist?

Informationen zum Sauerstoff

Nach:

Wikipedia-logo-v2-de.svg
Wikipedia hat einen Artikel zum Thema:
Sauerstoff


Wikipedia-logo-v2.svg Sauerstoff wurde im Mittelalter auch Oxygenium genannt (von griech. oxýs „scharf, spitz, sauer“ und genese „erzeugen“ - (Symbol O)), weil man falscherweise vermutete, dass Sauerstoff für die Bildung von Säuren verantwortlich ist. Das Element Sauerstoff stellt in der Erdhülle mit 49,4 Massenprozenten das häufigste, im Weltall das dritthäufigste Element dar. Unter Normalbedingungen ist es ein farb-, geruch- und geschmackloses Gas.

Atomarer Sauerstoff, das heißt Sauerstoff in Form freier, einzelner Sauerstoffatome, kommt in der Natur nicht vor. Vielmehr kommt er immer als Verbindung aus zwei Sauerstoff-Atomen (O2) vor. Eine weitere Form ist das wenig stabile Ozon (O3). In der Luft hält sich der relativ reaktionsfreudige Sauerstoff auf Dauer nur wegen der Tatsache, dass die Erde Lebewesen beherbergt, die immer neuen Sauerstoff produzieren - ansonsten würde er nur in Verbindungen, vor allem in Form von Metalloxiden oder Wasser vorkommen.

Von der Urzeit bis über das Mittelalter hinaus war das Feuer für den Menschen eine unerklärliche Erscheinung. Lange Zeit wurde es von den Menschen als Gabe des Himmels hingenommen. Die Chemiker des Mittelalters, die sogenannten Alchimisten, fingen an, sich über das Wesen des Feuers Gedanken zu machen. Sie kamen dabei zu der Ansicht, das Feuer sei ein Grundstoff. Gegen Ende des 17. Jahrhunderts suchte man eine Erklärung für die Verbrennung. Die Forscher vermuteten einen leichten geheimnisvollen Stoff, das Phlogiston, der aus brennenden Stoffen entweicht. Somit wäre die Verbrennung allerdings eine Zersetzung gewesen, was leicht zu widerlegen ist. Bei dieser Annahme blieb man auch dann noch, als der schwedische Apotheker Wikipedia-logo-v2.svg Carl Wilhelm Scheele 1772 den Sauerstoff entdeckte.

Der Sauerstoff war nun zwar erforscht, doch seine Bedeutung bei der Verbrennung noch nicht geklärt. Dafür sorgte dann der Pariser Forscher Wikipedia-logo-v2.svg Antoine Lavoisier (1743 - 1794). Beim Experimentieren kam dieser zu dem Ergebnis, dass sich bei der Verbrennung ein Stoff mit Sauerstoff verbindet. Er konnte mit einer Waage nachweisen, dass ein Stoff beim Brennen nicht leichter, sondern schwerer wird. Der Grund dafür ist das Gewicht des Sauerstoffs, der während der Verbrennung aufgenommen wird. Die Erklärung der Verbrennung, die uns heute selbstverständlich, notwendig und unabkömmlich erscheint, ist also das Ergebnis langen Forschens.

Einige bekannte Verbindungen, in denen Sauerstoff vorkommt sind Wasser, Kohlendioxid, Siliziumdioxid (=Sand), viele Säuren, in vielen Salzen als Säurereste, Zucker, Silikate und viele mehr.

  • Sauerstoff ist das häufigste Element auf der Erde. Es ist ein farb- und geruchloses Gas
  • Es hat die chemische Formel O2 (d.h. ein Sauerstoffatom ist mit einem anderen vereinigt)
  • Siedepunkt: -182.9°C (Sauerstoff ist als Flüssigkeit hellblau)
  • Schmelzpunkt: -218.4°C (Sauerstoff ist als Feststoff eine hellblaue kristalline Masse)
  • Bei 0°C hat Sauerstoff (1,43 g/l) eine größere Dichte als Luft (1,29 g/l)
  • Auch Gase lösen sich in Wasser (nicht nur Feststoffe wie Zucker oder Salz). Bei 20°C lösen sich in einem Liter Wasser 31,1 ml O2 - So können auch Lebewesen, die unter Wasser leben, atmen.
  • Sauerstoff wurde 1774 unabhängig voneinander durch Wikipedia-logo-v2.svg Joseph Priestley und Carl Wilhelm Scheele entdeckt.

Der Sauerstoff

Im Labor kann man Sauerstoff leicht aus Nitraten herstellen. Diese sind aus diesem Grunde auch in vielen Sprengstoffen enthalten.
Aber Achtung! Führe diese Versuche nicht außerhalb der Schule durch - Nitrate sind unberechenbar.
Selbst mit viel Erfahrung ist der Umgang damit sehr gefährlich!

Versuchsbeschreibung
Erhitzen von Kaliumnitrat. In das Reagenzglas werden dann die folgenden Stoffe gehalten:

a) Glimmspan

b) Holzkohle

c) Schwefel

Erforschen des Verbrennungsvorgangs4

Beobachtung

  • Das Salz Kaliumnitrat (weißer kristalliner Feststoff) schmilzt
  • Gasblasen steigen auf
  • weißer Rückstand

zu a) Glimmspanprobe positiv

zu b) Holzkohle glüht auf

zu c) Schwefel verbrennt mit hellblauer Flamme

Schlussfolgerung
Kaliumnitrat wird zersetzt in Sauerstoff und Kaliumnitrit (Vorsicht: Giftig!). Der Sauerstoff ermöglicht erst die Verbrennung des Kohlenstoffes im Holz. Er ist somit für die Oxidation verantwortlich. Da das Kaliumnitrat den Sauerstoff bereitstellt, wird es als

Oxidationsmittel

bezeichnet.

Kaliumnitrat + Energie \longrightarrow Sauerstoff + Kaliumnitrit
Holzkohle + Sauerstoff \longrightarrow Kohlenstoffdioxid + Energie
Schwefel + Sauerstoff \longrightarrow Schwefeloxid + Energie
Sauerstoff ist unverzichtbar als Partner für jede Verbrennung. Er oxidiert dabei seinen Reaktionspartner und wird deshalb auch Oxidationsmittel genannt.

Was brennt bei der Kerze?

Wikipedia-logo-v2-de.svg
Wikipedia hat einen Artikel zum Thema:
Kerze


Kerzen dienten früher, neben Fackeln, Öl- und Talglampen, als Lampen für die Lichterzeugung. Kerzen werden heute noch in der Kirche, zu Hause oder bei Festen verwendet, um eine entspannte Atmosphäre zu schaffen.

Es gibt eine wichtige und einfache Frage: Was brennt da eigentlich? Du wirst Dich wundern, wie kompliziert die Antwort ist.

Führe doch mal in Gegenwart Deiner Eltern folgenden Versuch durch: Nimm eine brennende Kerze, lösche diese und nähere dich sofort von Oben mit einem brennendem Streichholz.

→ Entzündung trotz Distanz

Was folgt aus diesem Versuch? Was brennt nun eigentlich? Der Docht?

Erklärung: Ein saugfähiger, nicht schmelzbarer Docht, meist ein Faden aus Baumwolle, ist von niedrig schmelzendem Wachs umgeben. Als Wachs diente früher Bienenwachs (Schmelzpunkt bei ca. 65°C), heute meist Stearin (aus tierischen oder pflanzlichen Fetten gewonnen, Schmelzpunkt 56°C) oder Paraffin (Teelichter) mit einem Schmelzpunkt um 55 °C, das seit etwa 1830 aus der Erdölverarbeitung stammt.

Nach Anzünden des Dochts schmilzt das Wachs. Durch die Sogwirkung des Dochts wird ständig neues (geschmolzenes) Wachs in die Flamme transportiert, wo es verdampft und verbrennt → gasförmiges Kerzenwachs verbrennt.
Hypothese
Kerzenwachs + Sauerstoff \longrightarrow „brennbares Gas“ + Kohlendioxid +

Energie

Zusatzinformation

Die Konvektion, d.h. das Aufsteigen der warmen Verbrennungsgase, versorgt die Flamme mit unverbrauchter Luft und gibt der Kerzenflamme die charakteristische lang gestreckte Form.

Wird der Docht zu lang, beginnt die Kerze zu rußen. Moderne Kerzen enthalten deshalb einen asymmetrisch geflochtenen Docht. Beim Brennen neigt er sich zur Seite und der obere Bereich verglüht (siehe glühende Dochtspitze im Bild).

In einer Stunde verbrennt eine Kerze ca. 3 - 8g Wachs und erzeugt eine Heizleistung von etwa 50 W.

Erforschung des Verbrennungsvorgangs II: Die Produkte der Verbrennung I

Nachdem wir uns nun mit den Bedingungen, Ausgangsstoffen und dem Vorgang der Verbrennung beschäftigt haben, wollen wir uns nun die Produkte näher ansehen. Damit wir diese besser untersuchen können, müssen wir uns in einem Vorversuch eine Nachweissubstanz (Kalkwasser) herstellen.

Herstellung von Kalkwasser (CO2 - Nachweis mit Kalkwasser)

Versuchsbeschreibung
Calciumoxid wird mit Wasser gemischt und durch Filtrieren gereinigt. Dabei entsteht Kalkwasser, welches zum Nachweis von Kohlenstoffdioxid dient. Um zu testen, dass es gut funktioniert, wird in einen kleinen Teil des Kalkwassers hinein geblasen.

Beobachtung
Schlussfolgerung
Es entsteht eine milchige Lösung → Ein Feststoff entsteht, der sich nicht richtig auflöst.
Nach dem Filtrieren entsteht eine klare Lösung. → Der Feststoff bleibt im Filter, das im Wasser bereits gelöste Calciumoxid läuft hindurch, da gelöste Stoffe viel kleiner sind und durch die Poren des Filters passen.
Beim Reinblasen trübt sich die klare Lösung. → Durch die Zugabe von Kohlenstoffdioxid trübt sich Kalkwasser. Es muss also ein neuer Stoff entstanden sein, welcher in Wasser unlöslich ist. Dieser Stoff ist Kalk, der als Feststoff ausfällt und auch für die Trübung sorgt.
Kalkwasser + Kohlenstoffdioxid \longrightarrow Kalk + Wasser + Energie
Wasserklares Kalkwasser ist ein Nachweismittel für Kohlenstoffdioxid. Bei Kontakt mit diesem wird es durch Kalkbildung milchig trüb.

Nachweis von CO2 als Verbrennungsprodukt

Wikipedia-logo-v2-de.svg
Wikipedia hat einen Artikel zum Thema:
Kohlenstoffdioxid


Versuchsbeschreibung
Nun kommen wir zum eigentlichen Versuch. Wir untersuchen die Gase, die bei der Verbrennung von Kerzenwachs entstehen. Das Hauptproblem musst Du allerdings noch selbst lösen: wie kann man Verbrennungsprodukte auffangen, um sie nachweisen? Entwickle eigene Ideen, wie man die Gase einer Kerze auffangen kann. Hast Du eine Möglichkeit gefunden, so füge den Gasen Kalkwasser zu.

Beobachtung
Kalkwasser trübt sich

Schlussfolgerung
bei der Verbrennung von Wachs entsteht Kohlenstoffdioxid.

Ein Verbrennungsprodukt der Kerze (und aller anderen Kohlenstoffverbindungen auch) ist Kohlenstoffdioxid CO2.
Hinweise
Wikipedia-logo-v2-de.svg
Wikipedia hat einen Artikel zum Thema:
Kohlenstoffmonoxid


  • Wenn zu wenig Sauerstoff bei der Verbrennung vorhanden ist, kann Kohlenstoffmonooxid CO entstehen. Dieses ist ein sehr giftiges Gas.
  • Da Kohlenstoffdioxid nicht mehr verbrennen kann, ist es ein hervorragendes Löschmittel. In Feuerlöschern findest Du es oft an Schaum gebunden.

Verbrennen von Nicht-Metallen (in reinem Sauerstoff)

Versuchsbeschreibung
Der Lehrer zeigt Dir einige besondere Versuche. Er verbrennt Schwefel, Phosphor und Kohlenstoff (für Kohlenstoff nimmt man kohlenstoffhaltige Verbindungen wie z. B.: eine Kerze, eine Zigarette, ein Holzspan, Papier usw...) in reinem Sauerstoff:

Kohlenstoff + Sauerstoff \longrightarrow Kohlenstoffoxid + Energie
Schwefel + Sauerstoff \longrightarrow Schwefeloxid + Energie
Phosphor + Sauerstoff \longrightarrow Phosphoroxid + Energie

Was haben alle Versuche gemeinsam?

Bei der Verbrennung von Nichtmetallen entstehen Nichtmetalloxide. Sie bilden sich durch die Vereinigung von Nichtmetall mit Sauerstoff.
Wiederholung: Die Vereinigung eines Stoffes mit Sauerstoff wird Oxidation genannt.

Kohlenstoffdioxid[1] ist nicht das einzig mögliche Produkt. Ist für die Verbrennung von Kohlenstoff nicht genügend Sauerstoff vorhanden, so entsteht auch das giftige Kohlenmonoxid.

Aufgaben

  1. Um welchen Faktor verbrennen die Stoffe in reinem Sauerstoff schneller als in Luft?
  2. Erkläre den Begriff Nichtmetalloxid.
  3. Ordne den drei Wikipedia-logo-v2.svg Aggregatzuständen dir bekannte Nichtmetalloxide zu.
  4. Informiere Dich über den Stoff Kohlenmonooxid und seine Gefahren.
  5. Weißt Du auch, warum Kohlenmonooxid so gefährlich ist?

Verbrennen von Metallen

Nachdem wir uns mit den Nichtmetallen und ihren Oxiden beschäftigt haben, steht noch die Frage offen, was mit den Metallen passiert, denn das Verbrennen von Metallen entspricht ja meistens nicht den Erfahrungen der Schüler!

Zur Demonstration verbrennt der Lehrer Eisen, Aluminium und Magnesium in reinem Sauerstoff. Du wirst schöne, vielleicht sogar Dir bekannte Effekte beobachten können.

Eisen + Sauerstoff \longrightarrow Eisenoxid + Energie
Aluminium + Sauerstoff \longrightarrow Aluminiumoxid + Energie
Magnesium + Sauerstoff \longrightarrow Magnesiumoxid + Energie


Bei der Verbrennung von Metallen entstehen Metalloxide. Sie bilden sich durch die Vereinigung von Metall mit Sauerstoff.

Aufgaben

  1. Erkläre den Begriff „Metalloxid“ mit Deinen eigene Worten.
  2. Lies im Buch oder im Internet über die Verwendung von Wikipedia-logo-v2.svg Metalloxiden nach (achte dabei besonders auf die Verwendung zum Färben von Keramik und Ton usw.).
  3. Informiere Dich dann über die negativen Seiten von Metalloxiden. Ein gutes Stichwort für Deine Suche ist Wikipedia-logo-v2.svg Korrosion, Wikipedia-logo-v2.svg Korrosionsschutz oder auch Wikipedia-logo-v2.svg Rost.

Verzweifle aber nicht an der Schwierigkeit! Korrosion ist ein komplexes Thema. Viele der chemischen Reaktionen sind noch zu schwer für Deinen momentanen Wissensstand.

Die Entzündungstemperatur

Sauerstoff und der Brennstoff reagieren erst miteinander, wenn die „Bedingungen“ günstig sind. Zu diesen Bedingungen gehört auch eine bestimmte Temperatur. Das ist schon daraus leicht verständlich, da ein Feuer beim Löschen ausgeht, wenn man Wasser darüber gießt. (Wasser kühlt den Brennstoff ab).

Versuchsbeschreibung

In einem Tiegel wird eine kleine Menge Kerzenwachs mit dem Bunsenbrenner solange erhitzt, bis eine Flamme entsteht

Beobachtung

Zuerst bildet sich Wachsdampf, der immer dunkler sowie dichter wird und der sich schließlich von selbst entzündet. Selbst nach dem Löschen durch Ersticken entzündet sich alles oft von selbst wieder.

Schlussfolgerung

Auch ohne dass heißes Wachs mit einer Flamme in Berührung kommt, entzündet es sich bei ca. 250°C. Dazu ist nicht unbedingt ein Funken nötig. Das Löschen von solchen Feuern ist sehr schwierig, da sie sich jederzeit wieder von selbst entzünden können.

Die Entzündungstemperatur (auch Zündtemperatur) ist die Temperatur eines Stoffes, bei der er sich ohne Fremdeinwirkung von selbst entzündet.

An einer offenen Flamme ist die Entzündungstemperatur immer vorhanden, aber auch durch Funken oder heiße Gegenstände kann eine Zündung ausgelöst werden.

Wichtig: Flüssige Brennstoffe, die sehr leicht Gase oder Dämpfe bilden, entzünden sich viel schneller als feste Brennstoffe. Sie sind deshalb feuergefährlich (z. B. Benzin).
→ Wenn die Brennstoffe schon gasförmig sind, genügt oft ein Funke, um sie zu entzünden.

Hier einige Beispiele für Temperaturen, bei denen sich Stoff von selbst entzünden:

Brennstoff Entzündungstemperatur [°C] Brennstoff Entzündungstemperatur [°C]
Phosphor weiß 60 Fichtenholz 280
Streichholzkopf ca. 60 Fett 300
Zündholzkopf 80 Holzkohle 300
Holzkohle 150 - 220 Phosphor rot 300
Ether 170 trockenes Holz ca. 300
Zeitungspapier 175 Petroleum 300
Stearin 196 Kork 300-320
Kunststoffe 200 - 300 Steinkohle 350 - 600
Benzin 220 - 300 Schreibpapier 360
Terpentin 220 Butan (Flüssiggas für Feuerzeuge) 400
Torf 230 Asphalt ca. 400
Schwefel 250 Glycerin 400
Paraffin (=Kerzenwachs) 250 Zucker 410
Benzin (Auto) ca. 250 - 460 Spiritus 425
Dieselöl 250 - 350 Ethanol 425
Heizöl 250 Baumwolle 450
Papier ca. 250 Methanol 455
Kohle 240-280 Propangas 460
Stroh 250-300 Essig (-säure) 460
Getreide 250-320 Roggenmehl 500
Heu 260-310 Schmieröl 500
Benzin (rein) 250 Methan (=Erdgas) ca. 600
Weizenstaub 270 Aceton 600
Holz 280-340 Teer 600

Weitere Beispiele findest du unter Wikipedia-logo-v2.svg hier.

Übung zur Entzündungstemperatur

Du kannst im Unterricht die Erstaunlichkeit der Zündtemperatur leicht überprüfen.

Versuchsbeschreibung
Falte ein kleines Blatt als Trichter und durchstoße es mit einer oder zwei langen Metallnadeln im oberen Viertel. Fülle den Trichter bis 1 cm vor die Einstichstellen mit Wasser und stelle darunter eine brennende Kerze.

Erforschen des Verbrennungsvorgangs

Was passiert wohl? Die meisten Schüler vermuten hier Entzündung des Papiers und Auslaufen des Wassers, wobei das auslaufende Wasser die Kerze löscht. Aber, wie heiß kann Papier denn werden, wenn sich darin Wasser befindet?

Beobachtung
Das Papier wird schwarz, das Wasser wird warm und beginnt evtl. zu kochen

Schlussfolgerung
Papier hat Entzündungstemperatur von 250°C. Solange Wasser in dem Papier ist, kann seine Temperatur nicht >100°C sein. Deshalb kann das Papier sich nicht entzünden, da es vom Wasser gekühlt wird.

Stoffe, die eine Temperatur unterhalb der Entzündungstemperatur haben, können nicht entzündet werden.
Für eine Verbrennung werden also immer 3 Dinge benötigt[2]
  • ein brennbarer Stoff, z. B. Papier, Holz, Kohle, Benzin, Spiritus, Heizöl, Erdgas.
  • Sauerstoff
  • Entzündungstemperatur.

Aufgaben

  1. Bei einem Waldbrand fliegen mit Wasser beladene Hubschrauber über das Feuer und werfen das Wasser ab. Was verspricht sich die Feuerwehr davon?
  2. Warum kann ein Wald, der auf solche Art gelöscht wurde jederzeit wieder anfangen zu brennen?
  3. Welche Rolle spielt eigentlich Wind beim Wiederentfachen eines Waldbrandes?
  4. Welchem Einfluss hat die Form eines Holzstücks auf seine Entzündung am Lagerfeuer? (Vergleiche dazu einen Ast und einen Baumstamm)

Verschiedene Formen der Oxidation

Du weißt nun schon sehr vieles über Verbrennungen. Zum Beispiel weißt Du, dass es immer Oxidationen sind. Es gibt aber drei verschiedene Arten von Oxidationen. Die „Stille Oxidation“, die Verbrennung und die explosionsartige Oxidation. Hier lernst Du sozusagen die „Geschwister“ der Verbrennung kennen.

Stille Oxidation (langsam)

Erforschen des Verbrennungsvorgangs3

Versuchsbeschreibung
Stahlwolle befeuchten und in ein Reagenzglas stecken, welches auf den Kopf stehend in ein Wasserglas gestellt wird

Beobachtung

  • Wasser steigt im Reagenzglas nach oben
  • Eisenwolle verfärbt sich rotbraun
  • Glimmspan erlischt im Restgas

Schlussfolgerung

Es hat sich offensichtlich, durch den Sauerstoff und die Luftfeuchtigkeit in dem Reagenzglas Rost gebildet. Der korrekte Ausdruck dafür ist Eisenoxid. Es fand also eine Oxidation statt, ohne dass eine Flamme zu sehen war.

Sauerstoff + Eisen \longrightarrow Eisenoxid + Energie (=Rostvorgang)
Langsam verlaufende Reaktionen mit Sauerstoff nennt man stille Oxidationen.

Weitere Beispiele für stille Oxidationen: Rosten, matt werden von Kupfer, Wikipedia-logo-v2.svg Zellatmung

Zusatzinformation

Durch die stille Oxidation von Eisen (= Rosten, =Korrosion) entstehen dem Staat jährlich Schäden von mehr als 50 Mrd. Euro. Der Hauptteil des Schadens entsteht durch rostende Autos, Brücken, Leitplanken und Bauwerke. Man kann Eisen aber veredeln, so dass es nicht mehr so stark korrodiert. Durch Zusätze von anderen Metallen, wie Nickel und Entzug von Kohlenstoffresten, die sich bei der Herstellung eingeschlichen haben, wird die Qualität viel besser. Eisen, welches so bearbeitet wurde nennt man Wikipedia-logo-v2.svg Stahl.

Verbrennung (mittelschnell)

Da Du Verbrennungen nun schon gut kennst, kommt hier nur eine kleine Zusammenfassung:

Die Verbrennung ist eine unter Licht und Wärmeentwicklung rasch ablaufende Oxidation. Das Leuchten wird durch glühenden Feststoff hervorgerufen.

Im Unterricht hast Du schon z. B. Phosphor, Kerzenwachs, Holz, Papier, Schwefel und Metalle verbrannt. Zur Wikipedia-logo-v2.svg Verbrennung gibt es auch einen Wikipedia Artikel.

3. Explosionsartige Oxidationen (sehr schnell)

Explosionen kennst Du von Silvester. Die Explosion ist eine Reaktion, die durch die Zündung fein verteilter Brennstoffe zustande kommt. Die Folge ist eine sehr schnelle, plötzlich verlaufende Kraftentfaltung, die auf dem Ausdehnungsbestreben von plötzlich erhitzten Gasen und Dämpfen beruht.

Versuchsbeschreibung
Der Lehrer zeigt Dir die Entzündung von Bärlappsporen.

width=30% ! Beobachtung
Schlussfolgerung
Explosion mit Stichflamme Die Bärlappsporen werden von der Kerzenflamme entzündet. Sie oxidieren explosionsartig.
Die Oberflächenvergrößerung führt zu einer größeren Zahl an reaktionsbereiten Teilchen. Die Reaktionsgeschwindigkeit kann dabei so groß werden, dass es zur Explosion kommt.

Zusatzinfos: Mehlstaubexplosionen in Mühlen

Wikipedia-logo-v2-de.svg
Wikipedia hat einen Artikel zum Thema:
Staubexplosion


Gemische aus Staub und Luft sind explosionsfähig, wenn sie aus brennbaren organischen oder anorganischen Stäuben wie z. B. Kohle-, Mehl-, Holz-, Kakao-, Kaffee-, Stärke-, Aluminium- oder Cellulosestaub bestehen. Entscheidend für die Zündfähigkeit ist der Sauerstoffanteil in der Luft und der Zerteilungsgrad des Brennstoffes. Ein Funke kann für die Zündung ausreichen. Besonders gefährlich ist dies in Mühlen, da dort immer etwas Mehlstaub aufgewirbelt wird. Ein Funke reicht aus um unter Umständen eine schreckliche Explosion herbeizuführen.

So kam es am 6.2.1979 in der Rolandmühle in Bremen zur größten Mehlstaubexplosion Deutschlands. Es starben 14 Menschen und 18 weitere wurden verletzt. Der Schaden an der Mühle und den Nachbarhäusern betrug etwa 50 Millionen Euro.

Zusammenfassung

Du kennst nun drei Arten von Oxidationen:

  • die langsame stille Oxidation
  • die mittelschnelle Verbrennung
  • die sehr schnelle Explosion

Aufgaben

  1. Kann man stille Oxidationen beobachten?
  2. Was denkst Du, warum Explosionen im Chemieunterricht als sehr gefährlich betrachtet werden und warum alle explosiven Stoffe Sicherheitsschilder tragen müssen?
  3. Der Verkauf von Silvesterknallern aus osteuropäischen Ländern ist zum Teil in Deutschland verboten, was meinst Du, warum das so ist?
  4. Bei der Oxidation von Eisen wird Energie frei. Unterschieden sich die Energiebeträge bei den drei Oxidationsformen? Vergleiche dazu die Verbrennung von etwas Eisen mit der gleichen Menge an rostendem Eisen (z. B. am Fahrrad).
  5. Informiere Dich zu den Konsequenzen der täglich Millionenfachen Verbrennungen auf unserem Planeten. Gute Suchbegriffe sind: Wikipedia-logo-v2.svg Luftverschmutzung, Wikipedia-logo-v2.svg Treibhauseffekt, Wikipedia-logo-v2.svg Ozonloch, Wikipedia-logo-v2.svg Smog

Gesetz von der Erhaltung der Masse und der Energie

Massenerhaltung

Was geschieht mit der Masse der Reaktionsteilnehmer bei einer chemischen Reaktion?

Erforschen des Verbrennungsvorgangs6

Versuchsbeschreibung
In einen Rundkolben werden Streichholzspitzen gefüllt. Er wird mit einem Luftballon geschlossen und gewogen.

Beobachtung
Luftballon dehnt sich aus und zieht sich wieder zusammen

  • Zu Beginn der Reaktion: mA = 50,41 g
  • Am Ende der Reaktion: mE = 50,41 g

Schlussfolgerung
Das Gas dehnt sich bei Erwärmung aus und kontrahiert beim Abkühlen.


→ Die Gesamtmasse der Reaktionspartner hat sich nicht geändert.

Wikipedia-logo-v2.svg Antoine Lavoisier (1743 - 1794): Gesetz von der Erhaltung der Masse:

Rien ne se perd, rien ne se crée

Die Gesamtmasse ändert sich bei chemischen Reaktionen (im Rahmen der Messgenauigkeiten) nicht.

MasseAusgangsstoffe=MasseProdukte

Energieerhaltung

Wikipedia-logo-v2.svg Albert Einstein (14.3. 1879 - 18.4.1955):


Umwandlung von Energie in Masse und von Masse in Energie ist möglich.


E = m \cdot c^2 (c = Lichtgeschwindigkeit = 300.000 km/s)


Bei einer chemischen Reaktion ist die Summe aus Masse und Energie der Ausgangsstoffe gleich der Summe aus Masse und Energie der Endstoffe.


Wird Energie frei, tritt ein unwägbar kleiner Massenverlust auf. Wird Energie investiert, tritt Massenzunahme auf. Dieses kann allerdings mit herkömmlichen Waagen nicht gemessen werden.


Energieerhaltung bei chemischen Reaktionen

Diesen Sachverhalt kennt man auch als Wikipedia-logo-v2.svg 1. Hauptsatz der Thermodynamik.

Theoretische Vorstellung

Versuchsbeschreibung
Nasses CaO wird getrocknet. Anschließend wird wieder Wasser zugegeben.

Beobachtung
Es wird Energie zum Entfernen des Wassers benötigt. Die Zugabe von Wasser setzt Energie frei.

Versuchsbeschreibung
Wasser, CaO und Becherglas und Thermometer werden gewogen. Dann wird das Wasser zugegeben. Die Temperatur steigt.

Woher stammt die freiwerdende Energie (Temperatur)?

Einstein: E=m \cdot c^2. Wenn c eine Konstante ist und nach dem ersten Gesetz die Masse sich nicht ändert, so muss auch die Gesamtenergie bei chemischen Reaktionen unverändert bleiben

→ Wenn Benzin verbrennt und Energie frei wird, muss sie schon vorher enthalten sein.

→ Diese Energie nennt man innere Energie.

Hier sind einige Aufgaben zur Überprüfung Deines Wissens

  1. Was brennt eigentlich, wenn du eine Kerze angezündet hast? Beschreibe, welche Aufgabe der Docht hat.
  2. Die folgenden Sätze beschreiben, was beim Anzünden einer Kerze geschieht. Leider sind sie durcheinander geraten. Wie muss die richtige Reihenfolge lauten?
    a) Am Docht befindet sich festes Wachs. Es brennt nicht.
    b) Der Wachsdampf entzündet sich und beginnt zu brennen.
    c) Das flüssige Wachs steigt im Docht nach oben (ähnlich wie Tinte im Löschpapier).
    d) Der Wachsdampf erreicht seine Entzündungstemperatur.
    e) Wenn man eine Streichholzflamme an den Docht hält, wird das Wachs erhitzt und schmilzt.
    f) Das Wachs beginnt zu sieden und verdampft.
  3. Vergleiche die Flammen von Brenner und Kerze.
  4. Es müssen drei Voraussetzungen erfüllt sein, damit etwas brennt. Schreibe sie auf.
  5. Beim Gas genügt ein kleiner Funke, um es zu entzünden. Dazu reicht eine leeres Feuerzeug, welches selbst kein Gas mehr enthält.
  6. Könntest du auch eine Kerze mit einem leerem Feuerzeug entzünden? Begründe.
  7. Manche Stoffe dürfen nur in einem heißen Wasserbad erhitzt werden. Welche Stoffe könnten das deiner Meinung nach sein? Begründe Deine Meinung.
  8. Stelle die Reaktionsgleichung der Verbrennung von a) Schwefel, b) Kohlenstoff, c) einem beliebigem Metall auf
  9. Wozu dient Kalkwasser? Wie stellt man es her?
  10. Schlage einen Versuchsaufbau vor, der beweist, dass man Kohlenstoffdioxid ausatmet.
  11. Was ist eine Oxidation? Nenne die verschiedenen drei Formen der Oxidation? Kann man stille Oxidationen beobachten?
  12. Was denkst Du, warum Explosionen im Chemieunterricht als sehr gefährlich betrachtet werden und warum alle explosiven Stoffe Sicherheitsschilder tragen müssen?
  13. Der Verkauf von Silvesterknaller aus osteuropäischen Ländern ist zum Teil in Deutschland verboten, was meinst Du warum das so ist?
  14. Informiere Dich zu den Konsequenzen der täglich millionenfachen Verbrennungen auf unserem Planeten. Gute Suchbegriffe sind Luftverschmutzung, Treibhauseffekt, Ozonloch, Smog.
  15. Um welchen Faktor verbrennen Stoffe in reinem Sauerstoff schneller als in Luft? Nenne Beispiele aus dem UR.
  16. Erkläre den Begriff Nichtmetalloxid und ordne den drei Aggregatzuständen dir bekannte Nichtmetalloxide zu.
  17. Informiere dich über den Stoff Kohlenmonoxid und seine Gefahren.
  18. Was ist der Unterschied zwischen Sauerstoff und Luft? Wie kann man entstehenden Sauerstoff nachweisen?
  19. Ist Luft ein Element? Schlage einen Versuchsaufbau vor, mit dem dies gezeigt werden kann.
  20. Verbrennt ein Stückchen Kohle schneller in Luft, Stickstoff oder reinem Sauerstoff?
  21. Bei einem Waldbrand fliegen mit Wasser beladene Hubschrauber über das Feuer und werfen das Wasser ab. Was verspricht sich die Feuerwehr davon? Warum kann ein Wald, der auf solche Art gelöscht wurde jederzeit wieder anfangen zu brennen? Welche Rolle spielt eigentlich Wind beim wieder entfachen eines Waldbrandes?
  22. Was versteht man unter der Entzündungstemperatur? Nenne ein Beispiel, wo die Entzündungstemperatur eine wichtige Rolle spielt
  23. Welchem Einfluss hat die Form eines Holzstücks auf seine Entzündung am Lagerfeuer? (Vergleiche dazu einen Ast und einen Baumstamm)
  24. Ein Schüler sagt: „eine Verbrennung ist eine Oxidation, aber nicht jede Oxidation ist eine Verbrennung“. Hat der Schüler damit recht?
  25. Ordne die folgenden Stoffe nach ihrer Entzündungstemperatur: Streichholz, Benzindampf, Holzkohle, Stroh. Was ist ein Metalloxid? Erkläre und nenne drei Beispiele (Was ist ein Nichtmetalloxid?)
  26. Wozu verwendet man Metalloxide?
  27. Ist die Verbrennung von Kupfer eine Oxidation? Begründe Deine Meinung.
  28. Erkläre den Unterschied zwischen Element und Verbindung.
  29. Erkläre die Vereinigung von Eisen und Schwefel und die Zersetzung von Quecksilberoxid.
  30. Auf dem Herd hat eine Bratpfanne angefangen zu brennen. Was ist passiert? Wie kann sie gelöscht werden?
  31. In einem Grill brennt Grillkohle. Liegt eine chemische Reaktion vor? Begründe Deine Meinung und stelle die Reaktionsgleichung auf.
  32. Erforschen des Verbrennungsvorgangs
    In einem mit Wasser gefüllten Becherglas steht ein Reagenzglas mit der Öffnung nach unten. Es enthält feuchte Eisenwolle. Lässt man den Versuch zwei Tage stehen, steigt das Wasser im Reagenzglas an. Erkläre, warum und um wie viel Prozent das Wasser steigt.

  1. zur Erklärung di = zwei/ mono = eins
  2. Später wirst Du lernen, dass auch der so genannte Zerteilungsgrad eine Rolle spielt.