1. Verbrennung und Sauerstoff

1. Verbrennung und Sauerstoff
Verbrennungen (S. 74/75)
Zu den Aufgaben
A1 Zum Beispiel durch von Blitzschlag hervorgerufenen Bränden oder von Bränden, die nach
Vulkaneruptionen oder Lavaerguss entstanden sind.
A2 Ein Feuer im Freien darf nur am genehmigten Plätzen entzündet werden. Am besten geeignet
ist ein mit Steinen gesicherter Grillplatz. In der nähe von Gebäuden oder leicht entzündlichen
Stoffen darf kein Feuer entfacht werden.
A3 1. Suchen eines geeigneten Platzes (Fläche, die z. B. mit Steinen bedeckt ist).
2.Sammeln von Material für das Lagerfeuer.
3.Aufbau vor dem Entzünden:
– Papier oder trockenes Gras bzw. trockene Blätter
– Rindenstücke
– kleine Äste, Reisig
– größere Äste
Die Materialien werden locker aufgeschichtet, damit Luft hindurch strömen kann, die größeren
Äste werden ringsum pyramidenförmig aufgestellt.
4.Entzünden des Papiers bzw. der Blätter
A4 Das Holz ist verbrannt, neben Rauch (kleine Feststoffteilchen in der Luft) entstehen dabei
größtenteils vor allem farblose, gasförmige Reaktionsprodukte (Kohlenstoffdioxid und Wasserdampf).
A5 Metallpulver haben gebrannt.
A6 Brennbar:
Holz, Benzin, Feuerzeuggas, Heizöl, Erdgas, Kerzenwachs, T-Shirts und andere
Kleidungsstücke aus Baumwolle oder Kunstfasern, Papier, Speiseöl, Treibgas
aus Spraydosen, Spiritus …
Nicht brennbar:
Stein, Eisentüren (Brandschutztüren) und andere größere Eisenteile wie Eisenbahnschienen, Brückenpfeiler; Glas, Porzellan, Beton, Material, aus dem die
Spezialanzüge der Feuerwehrleute sind usw.
A7 Wenn ein Stoff verbrennt, läuft eine chemische Reaktion ab, d. h., der Stoff wird dabei
verändert, das Brennmaterial ist nicht erneut zum Verbrennen verfügbar. Bei den alltäglichen
Brennstoffen, die z. B. zum Heizen von Häusern dienen, sind die Endprodukte der Verbrennung
gasförmig und farblos, also nicht sichtbar.
Begriffe wie Feuer, Flamme, glühen, verglühen, Funken sprühen, verschwelen, explodieren, detonieren sind in diesem Zusammenhang zu finden.
A8 Man benötigt Papier oder z. B. trockenes Gras oder Holzspäne; ein Zündholz mit Reibefläche;
dünnes, trockenes Holz; größere, trockene Holzscheite.
A9 Das feste Wachs schmilzt, steigt im Docht auf und verdampft. Das gasförmige Wachs verbrennt.
A10 Benzin besitzt eine wesentlich geringere Entzündungstemperatur als Holz. Es kann schon bei
Zimmertemperatur mit einem Streichholz entzündet werden.
A11 Zur Verbrennung ist Sauerstoff erforderlich, der in der Luft enthalten ist. Bläst man mit dem
Blasebalg Luft ins Grillfeuer, führt man damit auch mehr Sauerstoff zu.
A12 Aufbau: Im Streichholzkopf sind ein Sauerstoffspender (Kaliumchlorat), Schwefel und einige
weitere Zusätze enthalten. Die Hölzer sind zur Förderung der Brennbarkeit mit Paraffin imprägniert.
Die Reibefläche an der Streichholzschachtel besteht im Wesentlichen aus rotem Phosphor, Glaspulver und Bindemitteln.
Funktion: Streicht man mit dem Zündholzkopf über die Reibefläche, bildet sich eine kleine Menge
des sehr reaktionsfähigen Gemisches aus rotem Phosphor und Kaliumchlorat, das sich durch die
Reibungswärme entzündet und den Entflammungsvorgang im Zündholzkopf einleitet.
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A13 Grell-weißes Licht einer Feuerwerksrakete entsteht beim Verbrennen von Magnesium.
Verbindungen von Calcium, Strontium und Lithium leuchten in verschiedenen Rottönen. NatriumVerbindungen erzeugen ein gelbes, Kalium-Verbindungen ein violettes und Barium-Verbindungen ein
grünes Licht.
A14 Muster-Steckbrief
Farbe:
Geruch:
Dichte:
Siedetemperatur:
Löslichkeit in Wasser:
Vorkommen außerhalb der Luft:
Verwendungsmöglichkeiten:
Das Muster für den Steckbrief kann verändert werden, wenn etwa die Dichte noch nicht erarbeitet
wurde (denkbar ist jedoch, die Schüler diese Werte einfach recherchieren zu lassen, um dann später
diese Eigenschaften aufzugreifen.
Die wichtigsten Informationen lassen sich anhand des Lehrbuchtextes recherchieren, weitere
Informationen kann man einem Lexikon entnehmen (mögliche Stichworte: Luft, Sauerstoff, Stickstoff, Kohlendioxid, Edelgase).
A15 Bei normaler Wetterlage steigen Schadstoffe zusammen mit warmer Luft nach oben und
werden dort vom Wind verteilt und fortgetragen. Bei einer Smog-Wetterlage kann sich z. B. durch
warme, aufsteigende Autoabgase auch in hohen Luftschichten Warmluft bilden, sodass die Schadstoffe nicht nach oben steigen und abziehen können. Sie bleiben daher in Bodennähe und bilden
Smog.
A16 Kohlenstoffdioxid
Durch Verbrennen fossiler Brennstoffe (Kohlenstoff und Kohlenstoffverbindungen: Kohle, Erdöl (Benzin, Heizöl, Dieselkraftstoff), Erdgas) vor allem in Kraftwerken, Industrie- und
Hausheizungen sowie in Motoren von Kraftfahrzeugen.
Schwefeldioxid
Entsteht vor allem bei der Verbrennung von fossilen Brennstoffen, vor allem Kohle und Mineralöl, hauptsächlich in
Kraftwerken.
Stickstoffoxide („Stickoxide“)
Entstehen aus Stickstoff und Sauerstoff bei Verbrennungsvorgängen mit hohen Temperaturen unter Beteiligung von
Luft, vor allem in Kraftwerken und in Kraftfahrzeugmotoren
(Verbrennungsmotoren).
A17 Löschen durch Wasser, Sand oder Abdecken; Entfernen des brennbaren Materials.
A18 Dem Feuer steht dadurch weniger Luft bzw. Sauerstoff zur Verfügung, sodass der Brand evtl.
weniger heftig wird. Ferner behindern geschlossene Türen etwas die Ausbreitung des Brandes.
A19 Brennendes heißes, flüssiges Fett (und Wachs) dürfen auf keinen Fall mit Wasser in Berührung kommen. Da Wasser eine größere Dichte besitzt als diese Flüssigkeiten, sinkt es nach unten
und verdampft dabei schlagartig. Der Wasserdampf reißt den heißen Brennstoff mit nach oben.
Dieser wird dadurch in feine Tröpfchen verteilt, die sofort entflammen. Dabei können hohe Stichflammen und Explosionen entstehen.
Brennendes Fett kann durch Abdecken, z. B. mit einem Topfdeckel, gelöscht werden.
A20 Siehe Tabelle [B2] im Schülerbuch, S. 110.
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1.1 Feuer und Flamme (S.76/77)
Station 1
Feuer ABC
Begriffe im Zusammenhang mit Feuer („Feueralphabet“):
Angst, brennen, candlelight, Dampfmaschine, Entzündung, Flamme, Feuerwehr, Glut, Gasherd, Hitze,
Initialzündung, Kochen, Kerze, Löschen, Motor, Notruf, Ofen, Pulverlöscher, Panik, Qualm, Rauch,
Rakete, Rettungsfahrzeug, Ruß, Schaumlöscher, Schutzbrille, Temperatur, Trockenlöscher, Unfall,
Verbrennung, Wärme, Zündung, Zerteilungsgrad, Zunder.
Aus den genannten Begriffen können sich z. B. folgende Aspekte ergeben:
Erscheinungen in Zusammenhang mit Feuer, Brennstoffe, Nutzung und Anwendung von
Feuer, Gefahren durch Feuer, Brandvermeidung und Brandbekämpfung, Sicherheitsaspekte beim
Umgang mit Feuer.
Station 2
Redensarten
Weitere Beispiele für Redensarten:
Ein Gerücht schwelt; wie ein Buschbrand breitet sich eine Neuigkeit aus; gebranntes Kind scheut das
Feuer; die Feuertaufe erhalten; viel Rauch um nichts; ein Spiel mit dem Feuer.
In den Redensarten (einschließlich der im Buch aufgeführten) können folgende Eigenschaften und
Erscheinungen gefunden werden:
Schwelen, Oxidation unterhalb der Flammtemperatur, Ausbreitung eines Feuers, Gefährdung durch
Feuer, Verbrennungsprodukte, Hitze, Schmerz bei Verbrennungen, Angst vor Feuer, Brennstoff.
Interpretationsbeispiel „Spiel mit dem Feuer“:
Einerseits geht von Feuer eine Faszination aus, die zum „Spielen“ verleitet, andererseits muss man
sich bewusst machen, dass von Feuer unbeabsichtigte und unkontrollierbare Gefahren ausgehen
können. Im übertragenen Sinn kann dies z.B. fahrlässiges Handeln bei Nichtbeachtung der daraus
folgenden Konsequenzen bzw. riskantes Handeln, welches gefährliche Konsequenzen nach sich
ziehen könnte, bedeuten.
Station 3
Feuer und Luft
Farbe
Sauerstoff
Stickstoff
Kohlenstoffdioxid Argon
Farbe
farblos
farblos
farblos
farblos
Geruch
geruchlos
geruchlos
geruchlos
geruchlos
Dichte (0 °C,
Normaldruck)
1,43 g/l
1,25 g/l
1,98 g/l
1,78 g/l
Siedetemperatur –183 °C
–196 °C
–78,5 °C (Sublimationstemperatur)
–186 °C
Löslichkeit in
Wasser (20 °C,
Normaldruck)
0,0434 g/kg
0,0190 g/kg
1,69 g/kg
0,059 g/kg
Vorkommen
außerhalb der
Luft
Gelöst in Wasser
Verwendungsmöglichkeiten
Sauerstoffbeatmung in der
Medizin, in der
Metallverarbeitung
zur Erreichung
hoher Temperaturen und zum
Entfernen unerwünschter Stoffe,
in Brennstoffzellen
und in Raketentriebwerken
Verbrennungsprodukt,
gelöst in
Wasser
Zur Reifenfüllung,
als Schutzgas
beim Schweißen,
als Lampenfüllgas, flüssiger
Stickstoff als
Kühlmittel
Feuerlöschmittel,
als Kühlmittel
(Trockeneis),
Zusatz zu Getränken („Kohlensäure“), Dünger in
Gewächshäusern
Als Schutzgas
beim Schweißen, Füllgas in
Wärmeschutzverglasungen,
Taucheranzügen,
als Füllgas in
Glühbirnen
Gerade bei der Löslichkeit ist auf Vergleichbarkeit der Werte zu achten (bezüglich Temperatur und
Druck und der verwendeten Einheiten).
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Das Muster für den Steckbrief auf dieser Seite kann verändert werden, wenn etwa die Dichte
noch nicht erarbeitet wurde (denkbar ist jedoch, die Schüler diese Werte einfach recherchieren zu
lassen, um dann später (Kap. 5.1) diese Eigenschaften aufzugreifen.
Die wichtigsten Informationen lassen sich anhand des Schülerbuches (Kap. 1.10 und 1.11) recherchieren, weitere Informationen kann man einem Lexikon entnehmen (mögliche Stichworte: Luft,
Sauerstoff, Stickstoff, Kohlendioxid, Edelgase).
Station 4
Feuer wird zu Bewegung
Der Treibstoff eines Motorrollers besitzt chemische Energie. Während der Verbrennungsvorgänge im
Motor wird diese Energie in thermische Energie umgewandelt. Die thermische Energie treibt die
Kolben im Motor an. Sie wird in kinetische Energie umgewandelt. Diese Energie wird auf die
Kurbelwelle, das Getriebe und somit auf den Antrieb übertragen. Der Roller setzt sich in Bewegung.
Durch den Verbrennungsmotor wird ebenfalls die Lichtmaschine angetrieben. Die chemische Energie
wird in elektrische Energie umgewandelt. Ein Teil der Energie wird in Wärme umgewandelt, die nicht
mehr genutzt werden kann, z. B. um das Fahrzeug zu beleuchten.
Kurbelwelle
Treibstoff
Motor
kinetische Energie
chemische Energie
kinetische Energie
Lichtmaschine
elektrische Energie
thermische Energie
thermische Energie
Station 5
Feurige Mindmap
Individuelle Lösungen.
Station 6
Feuer in Zellen
Informationsquellen sind etwa Biologie-Schulbücher oder Lexika (Stichworte: Sauerstoff,
Atmung, Fotosynthese …)
Deutlich werden sollte, dass Tiere und Menschen einen identischen Sauerstoff-Stoffwechsel
besitzen, sowie der Kreislaufcharakter der Sauerstoffatome zwischen tierischer Atmung, pflanzlicher
Zellatmung und Fotosynthese.
1.2 Ein Feuer entsteht (S. 78/79)
Zu den Versuchen:
V1 Beim Erhitzen der Metall- oder Ceranplatte von unten entflammen zuerst die Zündhölzer,
danach beginnen Pappe, Holz und Kohle zu rauchen.
V2 Beim richtigen Mengenverhältnis kommt es zur Explosion. Im abgedunkelten Raum ist eine
Flammenbildung gut zu beobachten. Ein zu „fettes“ oder zu „mageres“ Gemisch zündet nicht.
Zusatzinformationen:
Explosionsvorgänge
a)Verpuffung ist eine schwache Explosion, die nur mit geringer Druckentwicklung und schwacher
Geräuschwirkung verläuft. Die Zündung schreitet in der Größenordnung von cm/s fort.
b)Explosion ist eine schnell verlaufende Reaktion unter plötzlicher starker Wärme- und Druckentwicklung. Sie ist meist mit grellem Lichtblitz und heftigem Knall verbunden. Die Zündung
schreitet in der Größenordnung von m/s fort.
c)Detonation ist eine auf das äußerste gesteigerte Explosion. Der Vorgang verläuft mit Überschallgeschwindigkeit. Die Zündung schreitet in der Größenordnung von km/s fort.
V3 Die Staubexplosion wird mit einem im Handel erhältlichen Modellsilo durchgeführt.
Zu den Aufgaben
4 A1 Um ein Feuer zu machen, werden ein brennbarer Stoff und ein Mittel zum Entzünden des
brennbaren Stoffes benötigt, in der Regel Streichhölzer oder ein Feuerzeug. Auch Luft könnte hier
genannt werden. Da die Anwesenheit von Luft für die Schülerinnen und Schüler jedoch selbstverständlich ist, ist eine Erwähnung nicht zwingend erforderlich.
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A2 Ein Lagerfeuer sollte schichtweise und locker aufgebaut sein. Die unterste Schicht besteht aus
Papier oder Stroh, darüber legt man z. B. Holzspäne oder dünne Ästchen, anschließend größere
Holzstücke. So kommt es zu einer stufenweisen Entzündung des Brennmaterials. Die lockere
Schichtung stellt eine ausreichende Luftzufuhr sicher
A3 fest
flüssig
gasförmig
Papier
Heizöl
Erdgas (vor allem Methan)
Holz
Brennspiritus
Feuerzeuggas (Butan)
Kohle
Benzin
Campinggas (Propan)
Pappe
Diesel
Wasserstoff
Wachs
Petroleum
Torf
A4 Beim Gasbrenner werden die drei Bedingungen für eine Verbrennung erfüllt:
1. Der brennbare Stoff ist das Gas, das am Brennerrohr ausströmt.
2.Die Anwesenheit von Luft kann mit der entsprechenden Einstellschraube reguliert werden.
3.Die Zündtemperatur des Gases wird mit einem brennenden Streichholz, einem Feuerzeug oder
einem Gasanzünder erreicht.
A5 Individuelle Lösungen.
A6 Durch die größere Oberfläche kann mehr Luft an den Brennstoff gelangen, außerdem kann
die Zündtemperatur rascher erreicht werden.
A7 Das Diskussionsergebnis ist offen, da es auch in der Literatur keine einheitliche Meinung
darüber gibt, ob der Zerteilungsgrad zu den Bedingungen einer Verbrennung zählt oder nicht. Auch
in Schulbüchern wird daher manchmal ein Verbrennungsviereck dargestellt. Das hier abgebildete
Verbrennungsdreieck ist allerdings die Regel. Zerteilungsgrad und Verbrennung stehen zwar in
einem engen Zusammenhang, aber man findet auch Beispiele, bei denen der Zerteilungsgrad keine
Rolle für die Verbrennung spielt: Bei Waldbränden können sich trockene Bäume aufgrund der
großen Hitzeentwicklung förmlich explosiv entzünden. Auch mit einem großen und gut brennenden
Lagerfeuer ist es möglich, einen größeren Baumstamm zu entzünden. Dies liegt daran, dass die
Temperatur des Feuers weit über der Zündtemperatur des brennbaren Stoffes liegt.
Insofern sollten die Schülerinnen und Schüler am Ende ihrer Diskussion eher zu dem Schluss
kommen, den Zerteilungsgrad nicht zu den Bedingungen einer Verbrennung zu zählen. Dass eine
Verbrennung stattfindet, können sie alleine auf die drei behandelten Bedingungen zurückführen.
1.3 Lagerfeuer (S. 80)
Zu den Versuchen:
V1 a)Das Zeitungspapier, die Papiertüte und das Schreibpapier fangen schnell Feuer. Dicke Holzscheite
und Holzkohle lassen sich kaum über der Kerzenflamme entzünden.
b)Das angefeuchtete Brennmaterial ist sehr schwer entflammbar, brennt schlecht und bildet Rauch.
Aufgabenlösungen:
1. – Zeitungspapier
– Papiertüte
– Schreibpapier
– Heu
– Stroh
– dünne Ästchen
– dicke Ästchen
– Watte
– Tannenzapfen
– Holzscheite
– Holzkohle
(Die Reihenfolge der Brennmaterialien kann je nach Zerteilungsgrad der Stoffe, Feuchtigkeit des
Brennmaterials etc. geringfügig variieren.)
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2.Die Brandreste bestehen überwiegend aus grau-weißer Asche.
3.Mit einem Blasebalg kann man das Feuer mit mehr Luft versorgen. Schwer entzündliche Stoffe
flammen dann auf. Die Luft ist also förderlich für die Verbrennung.
V2 Stoffe, die sich leicht entzünden lassen, bilden den Kern des Lagerfeuers, beispielsweise
Zeitungspapier. Danach folgen Schichten aus kleinen Ästchen, dickeren Ästchen und schließlich
großen Holzstücken.
Aufgabenlösungen: 1. Zunächst entzündet sich das Papier, trockene Blätter, evtl. trockenes Gras; dann die Rindenstücke,
gefolgt von den kleineren Ästen und schließlich die großen Äste.
2.Locker zerknüllte Papierseiten lassen sich rasch entfachen. Eine zusammengefaltete Zeitung
brennt nur an den Rändern, da nur wenig Luft Zutritt zum brennbaren Stoff hat.
V3 Sobald ausreichend Sand auf die Feuerstelle gehäuft wurde, erlischt das Feuer.
Aufgabenlösungen:
1. Ein Feuer ist erst dann vollständig gelöscht, wenn in der Asche keine Glut mehr vorhanden ist.
Kommt starker Wind auf, kann sich ein Feuer wieder entzünden.
3.Die Brandwache beobachtet die Brandstelle, damit z. B. Glutnester durch plötzlich auftretende
Winde nicht wieder entfacht werden.
Zur Aufgabe
A1 Ein Lagerfeuer darf nur an einem genehmigten Platz entzündet werden. Die Gemeindeverwaltung oder auch die Forstverwaltung gibt Auskunft.
1.4 Untersuchung einer Kerzenflamme (S. 81)
Zu den Versuchen:
Flammensaum
Flammenmantel
Flammenkern
V1 a)Es entsteht eine Flamme am Docht, die nach kurzer Zeit zunächst kleiner wird und dann erst
wieder auf ihre volle Größe wächst. Das Größerwerden der Flamme setzt in dem Augenblick ein,
in dem Kerzenwachs flüssig geworden ist.
b)Es lassen sich im Wesentlichen drei verschiedene helle Zonen erkennen: der bläuliche (fast
farblose) Flammensaum, der gelb leuchtende Flammenmantel und der graue Flammenkern.
c) Die Spitze des Dochtes glüht noch einen Moment und erlischt. Während die Spitze des Dochtes
glüht, steigt vom Docht eine Rauchfahne auf, die schnell schmaler wird. Die Rauchentwicklung
endet etwa in dem Moment, in dem die Spitze des Dochtes erlischt.
Aufgabenlösung:
1. vgl. Hinweise zu a) bis c)
2.vgl. Zeichnung in der Randspalte
V2 a)Nähert man der frisch ausgeblasenen Kerze ein brennendes Streichholz, springt die Flamme über,
bevor der Docht berührt wird. Der brennbare Stoff muss in der Nähe des Dochtes sein, er ist nicht
sichtbar (farblos).
b)Am Ende des Metallröhrchens lässt sich ein Gas entzünden, es entsteht ein kleines Flämmchen.
Deutung:
Aufgabenlösung:
1. vgl. Hinweise zu a) und b)
2.Direkt über dem Docht der brennenden Kerze befindet sich unverbranntes Gas, das sich ableiten
und entzünden lässt. Der Brennstoff der Kerze ist das Wachs bzw. der Wachsdampf.
Hinweis zur Versuchsdurchführung: Das Glasrohr darf nicht länger sein oder einen kleineren
Durchmesser aufweisen als angegeben, da der Wachsdampf sich zum größten Teil im Glasrohr
absetzt oder so stark abkühlt, dass er sich nicht mehr entzünden lässt. Für den Nachweis der
Tochterflamme gibt es auch ein Metallrohr mit Halterung im Handel.
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V3 a)Der Baumwollfaden und die Finger werden fettig.
b)Es entsteht eine rußende Flamme.
Aufgabenlösung:
1. vgl. Hinweise zu a) und b)
2.Aufgabe des Dochtes: Flüssiges Wachs steigt im Docht hoch, an der Spitze des Dochtes verdampft
das flüssige Wachs.
V4 Mit dem Versuch lassen sich die unterschiedlichen Temperaturen in den verschiedenen Zonen
der Flamme erschließen.
a)An der Spitze der Flamme (sowohl im Flammensaum als auch im Flammenmantel) entzündet sich
der Holzspan vollständig, im Flammenkern dagegen nur an den Rändern. Daraus kann man
schließen, dass im Kern der Flamme keine Verbrennung stattfindet.
b)In der leuchtenden Zone bildet sich am Holzstäbchen ein schwarzer Ring, da das Holz bei der dort
herrschenden Temperatur verkohlt. In der dunklen Zone bleibt das Holz unverändert.
Aufgabenlösung:
1. vgl. Hinweise zu a) und b)
2.Besonders heiß ist die Flamme im Flammenmantel, vor allem oberhalb des Flammenkerns, weil
sich dort der Holzspan entsünden läßt.
V5 a)An der Porzellanschale setzt sich ein schwarzer, schmieriger Feststoff ab, es handelt sich bei
diesem Stoff offensichtlich um Ruß.
b)Bläst man das Kohlepulver (nicht zu heftig) in die Kerzenflamme, leuchtet diese gelb auf.
Aufgabenlösung:
1. vgl. Hinweise zu a) und b)
2.Das gelbe Leuchten der Kerzenflamme entsteht durch glühende Kohlenstoffpartikel (Rußpartikel).
1.5 Was brennt, wenn es brennt? (S. 82/83)
Zu den Aufgaben
A1 Der Brennstoff einer Kerze ist gasförmiges Wachs.
A2 Der Docht führt flüssiges Wachs vom Wachssee nach oben. Bei einer brennenden Kerze
verdampft das Wachs an der Dochtoberfläche.
A3 Durch die von der Flamme ausgehende Wärme schmilzt das Wachs. Bei einer ruhig brennenden Kerze entnimmt der Docht gerade so viel Wachs wie nach schmilzt. Am Rand des Wachssees
liegt gerade die Schmelztemperatur des Wachses vor. Die in der Umgebung der Flamme herrschende Temperatur wird umso geringer, je größer die Entfernung vom Zentrum ist. Außerdem wird die
Temperatur durch von außen anströmende Luft erniedrigt. Bei ruhig brennender Flamme ändern
sich diese Faktoren nicht, sodass die Schmelztemperatur immer im selben Abstand vom Docht
unterschritten wird.
A4 Beim Brennen der Kerzenflamme wird der „Brennstoff“ Wachs verbraucht, der jedoch nicht so
rasch nachgeliefert werden kann, da ein großer Teil des Wachses noch fest ist. Erst wenn in der
Umgebung der Flamme das Kerzenwachs geschmolzen ist, wird sie wieder größer. Dann wird durch
die Kapillarwirkung des Dochtes ausreichend geschmolzenes Wachs an die Kerzenflamme herangeführt.
Zu den Versuchen:
V1 a)Das Benzin entzündet sich, bevor die Flamme des Holzspans die Flüssigkeit berührt. Die Flamme
„hüpft“ vom Holzspan auf das Benzin.
Erklärung: Über dem Benzin befindet sich ein Gemisch aus Benzindampf und Luft, das sich entzünden lässt. Bei Zimmertemperatur ist die Flammtemperatur von Benzin bereits erreicht.
b)Erst nach starkem Erhitzen lässt sich das Wachs entzünden. Es brennt der Wachsdampf.
Erklärung: Erst bei hoher Temperatur bildet sich ein entflammbares Gemisch aus Wachsdampf und
Luft über dem flüssigen Wachs. Das Wachs besitzt eine hohe Flammtemperatur.
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V2 Die Flammtemperatur von Heizöl liegt unter 55 °C; je nach Zusammensetzung des Öls kann
sie unterschiedlich sein.
Zusatzinformationen:
Flammtemperaturen von brennbaren Flüssigkeiten
Die Flammtemperatur ist die niedrigste Temperatur bei einem Luftdruck von 1013 hPa, bei der sich
aus einer Flüssigkeit genügend Dämpfe entwickeln, die mit der Luft über dem Flüssigkeitsspiegel
ein durch Fremdzündung entflammbares Gemisch bilden.
Beispiele für Flammtemperaturen
Brennbarer Stoff
Flammtemperatur
Benzin (Fahrbenzin)
– 40 °C
Aceton
19 °C
Brennspiritus
16 °C
Terpentinöl
35 °C
Dieselkraftstoff
> 55 °C
Stearin (Kerzenwachs)
196 °C
Olivenöl
225 °C
Entzündungstemperatur eines Stoffes
Ein Stoff kann sich entzünden, ohne dass dazu eine Flamme notwendig ist. Die Mindesttemperatur,
die unter Normbedingungen zum Herbeiführen des Entzündens erforderlich ist, wird Entzündungstemperatur (oder Zündtemperatur) genannt. Die Zündtemperatur ist die niedrigste Temperatur einer
erhitzten Wand oder Oberfläche, an der ein brennbarer Stoff in Berührung mit Luftsauerstoff nach
kurzzeitiger Einwirkung (höchstens 5 Minuten nach DIN-Norm) gerade noch zum Brennen angeregt
wird.
Beispiele für Zündtemperaturen
Brennbarer Stoff
Zündtemperatur
Benzin (Fahrbenzin)
220 °C
Terpentinöl
240 °C
Dieselkraftstoff
220 bis 350 °C
Stearin (Kerzenwachs)
395 °C
Brennspiritus
425 °C
Olivenöl
440 °C
Aceton
540 °C
V3 Es lässt sich beobachten, dass die Flamme das Drahtnetz nicht durchdringt.
Erklärung: Die Metalldrähte leiten Wärme aus der Flamme ab. Dadurch sinkt die Temperatur des
Gases unter die Zündtemperatur, es brennt oberhalb des Drahtnetzes nicht weiter.
V4 Bei dem Versuch lässt sich beobachten, dass an den kleinen Löchern in der Aluminiumfolie
kleine Flämmchen durch austretendes brennbares Gas entstehen.
Die Holzstäbchen in der Folie sind verkohlt, es sind Holzkohlestifte entstanden.
V5 Der Versuch muss unbedingt im Abzug durchgeführt werden! Es lässt sich beobachten, dass
das Holz verkohlt. An der Reagenzglaswand bilden sich kleine Flüssigkeitströpfchen, an der Glasrohrspitze lässt sich ein Gas entzünden.
1.6 Herstellung von Holzkohle (S. 84)
Zu den Aufgaben
8 A1 Aufbau des Schachtes, Aufstapeln der Hölzer, Bedecken mit feuchtem Gras und Sträuchern,
Abdecken mit Erde, Schacht entzünden, Entnehmen der Holzkohle.
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A2 Der Aufbau des Holzmeilers ist so gestaltet, dass nur wenig Luft an den Brennstoff, oder das
Holz gelangen kann. Durch diesen Luftabschluss kommt es zu einer unvollständigen Verbrennung
des Holzes, es verkohlt.
A3 Die Holzkohle, die die Köhler herstellten, war ein begehrtes Gut. Sie wurde für die Gewinnung
von Metallen aus Erzen gebraucht (Verhüttung), vor allem für die Eisenherstellung. Anschließend
benötigte man Holzkohle für die Weiterverarbeitung des Eisens in der Schmiede zur Erzeugung
hoher Temperaturen. Weiterhin war Holzkohle für die Herstellung von Schwarzpulver notwendig.
A4 Der Meiler musste an einem windgeschützten Ort stehen, da er auf keinen Fall von einem
heftigen Windstoß getroffen werden durfte. Andernfalls bestand die Gefahr, dass das Holz des
Meilers Feuer fing anstatt langsam zu verkohlen. Daher wurde der Meiler immer auch in der Nähe
eines Baches gebaut, um im Notfall den Meiler abkühlen bzw. löschen zu können – auch wenn die
Chancen dafür sehr gering waren, wenn der Meiler einmal brannte. Abgesehen davon benötigte
man das Wasser am Ende des Verkohlungsprozesses zum Abkühlen der heißen Holzkohle.
A5 Der gesellschaftliche Nutzen der Arbeit eines Köhlers war groß. Holzkohle wurde zur Herstellung begehrter Stoffe wie Eisen und Schwarzpulver dringend benötigt. Besonders in Kriegszeiten
war die Herstellung von Eisen für Waffen und die Produktion von Schwarzpulver zur Verwendung als
Schießpulver sehr gefragt. Daneben wurde das mithilfe der Holzkohle gewonnene Eisen auch für
friedliche Zwecke genutzt, beispielsweise zur Herstellung von Werkzeugen. Holzkohle war also auch
für den technischen Fortschritt von Bedeutung.
Dagegen war die gesellschaftliche Stellung des Köhlers eher schlecht. Köhler verbrachten einen
großen Teil ihrer Zeit im Wald und damit im wahrsten Sinne des Wortes am Rande der Gesellschaft.
In dieser Zeit führten sie ein karges und entbehrungsreiches Leben. Sie bewohnten provisorisch
aufgestellte Hütten und schliefen in ihrer Arbeitskleidung, da sie ständig – auch nachts – den Meiler
kontrollieren mussten. Sie litten daher an Schlafmangel und vermutlich auch an Angstzuständen
aufgrund von Einsamkeit und wilden Tieren. Zusätzlich hatten sie häufig Brandnarben aufzuweisen.
Die Köhler machten also keinen sehr gepflegten Eindruck. Holzkohle war für die Gesellschaft zwar
sehr begehrt, ein engerer Kontakt zum Köhler wurde aber von weiten Kreisen der Bevölkerung in der
Regel nicht gesucht.
1.7 Die Verbrennung – eine chemische Reaktion (S. 85)
Zum Versuch
V1 Beobachtungen siehe Textteil.
In diesem Versuch wird der Unterschied zwischen einem physikalischen Vorgang (Schmelzen von
Lötzinn) und einer chemischen Reaktion (Verbrennen von Holz) deutlich.
Zu den Aufgaben
A1 Beim Lötzinn liegt hinterher immer noch der gleiche Stoff vor, nur die Form hat sich geändert.
Hingegen sind beim Verbrennen des Holzes neue Stoffe entstanden. Nach dem Entfernen der
Wärmequelle kühlt das Zinn wieder ab, während das Holz weiterbrennt. Somit wird bei der Verbrennung von Holz mehr Energie frei, als es beim Zünden aufgenommen hat.
Beim Lötzinn hat eine Aggregatzustandsänderung fest-flüssig-fest stattgefunden. Die Verbrennung
von Holz ist eine chemische Reaktion (s. auch Textteil).
A2 Zucker karamellisiert beim Erhitzen leicht und wird braun. Diese Veränderung ist nicht mehr
durch Abkühlen rückgängig zu machen. Es handelt sich hierbei um eine chemische Reaktion.
A3 Physikalische Vorgänge: Schmelzen und Verdampfen von Kerzenwachs, Aufsaugen des
flüssigen Wachses im Docht;
Chemische Vorgänge: Verbrennen des Wachsdampfes, Verkohlen der Dochtspitze.
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1.8 Eisen brennt (S. 86)
Zu den Versuchen:
V1 a)Die Schüler können schon mit der Lupe verschiedene Inhaltstoffe erkennen.
b)Je nach Fabrikat findet man auf den Wunderkerzenpackungen unterschiedlich detaillierte
Angaben über die Inhaltsstoffe. Beispielsweise wird Bariumnitrat nur auf wenigen Wunderkerzenverpackungen erwähnt. Man kann dieser Frage nachgehen, indem man die Schüler ihre Restpackungen von zu Hause mitbringen lässt.
Literaturhinweis: Als weiterführende Lektüre ist folgender Artikel empfehlenswert: Martin, Chr.;
Vries, de T.: Chemie der Wunderkerze – ein Thema nicht nur in der Weihnachtszeit, Chemie konkret
11 (1/2004), 13.
V3 Aufgabenlösung: Hier sollten die Schüler insbesondere auf die dunklen Krümel aus Eisenoxid
auf dem Papier aufmerksam gemacht werden, denn man kann dieses Eingangsexperiment leicht bei
den Redoxreaktionen wieder aufgreifen und anhand der Verhältnisformel für Bariumnitrat
( Ba ( NO3 ) 2) zeigen, warum die Wunderkerze im übergestülpten Glas ohne Luftzufuhr brennen kann.
Entsprechend weißes Aluminiumoxid auf dem Papier zu finden, ist eher schwierig.
Auch die braunen Gase (Stickstoffoxide) sollten notiert werden.
V4 Aufgabenlösung:
1.a)Man beobachtet beim Eisennagel eine Dunkelblauschwarzfärbung in der erhitzten Zone, kein
Glühen.
b)Die glühenden Stellen des Eisenwollebausches werden außerhalb der Brennerflamme schnell
wieder dunkel. Wird der Bausch geschwenkt, wird die Glut heller und breitet sich aus. Nach dem
Erkalten hat sich ein Teil des Stoffes blauschwarz verfärbt. Diese Stellen sind brüchig.
c) Außerhalb der Brennerflamme sieht man einen Funkenregen. Das erhaltene Pulver ist ebenfalls blauschwarz.
2.Nach dem Erhitzen findet eine Reaktion nur an den Stellen statt, die mit Luft in Berührung
kommen. Das Eisenpulver reagiert sofort und vollständig. Durch Schwenken der Eisenwolle wird
die Luftzufuhr erhöht und damit die Reaktion begünstigt. Beim Eisennagel reagiert nur ein sehr
kleiner Teil. Die Reaktionswärme reicht nicht aus, um die erforderliche Reaktionstemperatur
aufrecht zu erhalten.
3.Das in den Wunderkerzen enthaltene, fein verteilte Eisenpulver (und Aluminiumpulver) ist für den
Funkenregen verantwortlich.
V5 Aufgabenlösung:
1. Man beobachtet, dass aufgrund des Kontaktes mit den beiden Polen der Batterie eine orangerote
Glühfront durch die Eisenwolle läuft.
Die Eisenwolle hat sich verändert: von Hellgrau (Eisendraht) nach Dunkelblauschwarz, das
Produkt ist spröde.
2.Bei Kontakt der Pole der Batterie mit der Eisenwolle entsteht ein elektrischer Strom, der die
Eisenwolle so stark erhitzt, dass sie schlagartig brennt. elektrische Energie wurde in Wärme- und
Lichtenergie umgesetzt.
1.9 Metalle verbrennen (S. 87)
Zu den Versuchen:
V1 Beobachtungen vgl. Textteil.
V2 Die Oberfläche des Kartoffelwürfels vergrößert sich entsprechend des Berechnungsbeispiels
in [B5] im Schülerbuch auf Seite 79.
Zu den Aufgaben
A1 Eisenwolle und Eisenpulver liegen nach dem Verbrennen nicht mehr in Form des metallisch
glänzenden, grauen Stoffs vor, sondern sind blauschwarz und spröde. Es ist also ein anderer Stoff
entstanden. Bei beiden Vorgängen wird Energie in Form von Licht und Wärme frei.
A2 Viele Metalle verlieren ihren Glanz, da sie durch den Sauerstoff der Luft langsam oxidiert
werden. Beispielsweise werden Dachrinnen aus rötlich glänzendem Kupfer zunächst matt, später
schwarz: Es hat sich ein fest haftender Belag aus Kupferoxid gebildet.
10 Elemente Chemie 7/8 Niedersachsen
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