Kapitel 03: Erforschung des Verbrennungsvorgangs

1 Selbst wenn bei Verbrennen der Stahlwolle, etwas Eisenoxid durch die heftige Reaktion von der Waage fällt, reicht die Menge an Verbleibendem i.d.R. aus, um den Effekt zu zeigen.

Erforschung des Verbrennungsvorgangs II: Übung - 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 (das sogenannte „Kalkwasser“) herstellen.

a) Herstellung von Kalkwasser (CO₂ - Nachweis mit Kalkwasser)

V: 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.

Kalkwasser + Kohlenstoffdioxid --> Kalk + Wasser + E

Wasserklares Kalkwasser ist ein Nachweismittel für Kohlenstoffdioxid.

Bei Kontakt mit diesem wird es durch Kalkbildung milchig trüb.

b) Nachweis von CO₂ als Verbrennungsprodukt

V: 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.

B: Das Kalkwasser trübt sich.

S: Kalkwasser ist in Wasser gelöstes Calciumoxid. Man nennt es auch Calciumhydroxid.
Bei der Verbrennung von Wachs entsteht Kohlenstoffdioxid. Kohlenstoffdioxid trübt Kalkwasser. Im Kalkwasser entsteht Kalk, welcher (nahezu) wasserunlöslich ist. Immer wenn sich ein Feststoff in Wasser nicht löst, kommt es zu einer Trübung.

Kalkwasser dient somit als Nachweis für Kohlenstoffdioxid (was man ja sonst nicht sehen kann!).

Ein Verbrennungsprodukt der Kerze (und allen anderen Kohlenstoffverbindungen auch)

ist Kohlenstoffdioxid [CO₂].

Unterscheide die unterschiedlichen Calciumverbindungen:

CaO Ca(OH)₂ CaCO₃ CaSO₄

Calciumoxid Calciumhydroxid Calciumcarbonat Gips, Kreide

(=Kalk, = Marmor)

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Kohlenstoffmonoxid ist giftig

Allgemeine Informationen zu Kohlenstoffmonoxid

Kohlenstoffmonoxid ist bei Raumtemperatur ein farb- und geruchloses Gas. Für alle atmenden Lebewesen ist es sehr giftig. Bereits kleinste Mengen sind tödlich! Im Vergleich zu Kohlenstoffdioxid (CO₂) fehlt dem Kohlenstoffmonoxid ein Sauerstoffatom (CO).

Zum Glück entsteht es in der Natur nur sehr selten. Aber bei Schwelbränden, wo zu wenig Sauerstoff für eine korrekte Verbrennung vorhanden ist, kann es entstehen. Diese unvollständige Verbrennung nennt man auch unvollständigen Oxidation.

Wenn zu wenig Sauerstoff bei der Verbrennung vorhanden ist,
kann Kohlenstoffmonooxid (=CO) entstehen.

Kohlenstoffdioxid und Sauerstoff binden sich von selbst an unsere roten Blutkörperchen. Dies geht sehr schnell und ist ein natürlicher Vorgang. Normalerweise werden so Sauerstoff und Kohlenstoffdioxid im Körper transportiert. Die roten Blutkörperchen sind also so etwas wie Taxi, die verschiedene Fahrgäste befördern.

Kohlenstoffmonoxid bindet ebenfalls an die roten Blutkörperchen, allerdings bindet es 200 bis 300 mal stärker an die roten Blutkörperchen, so dass diese die beiden anderen Gase nicht mehr transportieren können. Das wäre vergleichbar mit einem Fahrgast, der einfach nicht aus dem Taxi aussteigen möchte.

Die roten Blutkörperchen können so keine Gase mehr transportieren und so entsteht ein großer Sauerstoffmangel. Bei größeren Mengen an eingeatmeten Kohlenstoffmonoxid erstickt man, obwohl eigentlich genug Sauerstoff im Raum wäre.

Kohlenstoffmonoxid ist ab einem Gehalt von 0,3 Volumenprozent in der Luft sehr giftig. Ab 1,0 Prozent Kohlenstoffmonoxidgehalt wird man schnell ohnmächtig. Auf diese Bewusstlosigkeit folgt innerhalb von etwa fünf Minuten der Tod durch Ersticken.

Schon geringste Mengen blockieren unsere roten Blutkörperchen, welche dann keinen Sauerstoff mehr transportieren können. Die Folge ist, dass man ohnmächtig wird, wenn man es einatmet und dann erstickt.

Rettung bei Kohlenstoffmonoxid-Vergiftung

Bei einer Kohlenstoffmonoxid-Vergiftung kann, solange der Patient bewusstlos ist und noch lebt versucht werden mit reinem Sauerstoff beatmet zu werden. Durch dieses „Überangebot“ an Sauerstoff wird das giftige Gas von den roten Blutkörperchen verdrängt.

Reaktionen mit Kohlenstoffmonoxid:

Wird das Gas Kohlenstoffmonoxid entzündet, reagiert es explosionsartig. Es ist also brennbar.

Kohlenstoffmonoxid kann bei Verbrennungen als Nebenprodukt zu Kohlenstoffdioxid entstehen.

Wegen seiner Giftigkeit werden sonst kaum Versuche und Experimente mit dem Gas durchgeführt.

Zusatzinformationen:

https://de.wikipedia.org/wiki/Kohlenstoffmonoxid

Verbrennen von Nicht-Metallen (in reinem Sauerstoff)

V: 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 --> Kohlenstoffoxid + Energie

Schwefel + Sauerstoff --> Schwefeloxid + Energie

Phosphor+ Sauerstoff --> Phosphoroxid + Energie

Verbrennungen sind Oxidationen:

Bei der Verbrennung von Nichtmetallen entstehen Nichtmetalloxide.

Sie bilden sich durch die Vereinigung von Nichtmetall mit Sauerstoff

Wdh.: Die Vereinigung eines Stoffes mit Sauerstoff wird Oxidation genannt.

Kohlenstoffdioxid¹ ist nicht das einzig mögliche Produkt. Ist für die Verbrennung von Kohlenstoff nicht genügend Sauerstoff vorhanden, so entsteht auch das giftige Kohlenmonoxid.

Ein Video zur Schwefelverbrennung findet ihr in meinem Kanal bei Youtube: https://youtu.be/2HVLvN_WsPs

Aufgaben:

1. Bestimme den Faktor, um welchen Stoffe in reinem Sauerstoff schneller als in Luft verbrennen.
2. Erkläre den Begriff Nichtmetalloxid.
3. Ordne den drei Aggregatzuständen Dir bekannte Nichtmetalloxide zu.
4. Informiere Dich über den Stoff Kohlenmonoxid und seine Gefahren
5. Nenne Grunde, warum Kohlenmonoxid 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 Alltagserfahrungen!

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

Eisen + Sauerstoff --> Eisenoxid + Energie

Aluminium + Sauerstoff --> Aluminiumoxid + Energie

Magnesium + Sauerstoff --> 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. Lese im Buch oder im Internet über die Verwendung von Metalloxide 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 „Korrosion“ oder auch „Rost“.
   Verzweifle aber nicht an der Schwierigkeit! Korrosion ist ein komplexes Thema. Viele der chemischen Reaktionen sind noch zu schwer für Deinen momentanen Wissensstand.

• https://de.wikipedia.org/wiki/Rost_%28Korrosion%29
• https://de.wikipedia.org/wiki/Korrosion_%28Chemie%29
• https://de.wikipedia.org/wiki/Korrosionsschutz
  
  

Die Entzündungstemperatur

Bei Verbrennungen reagieren Sauerstoff und Brennstoff erst miteinander, wenn die „Bedingungen“ günstig sind. Zu diesen Bedingungen gehört unter anderem eine bestimmte Temperatur. Ist es zu kalt, kann die Verbrennung nicht starten. Das ist schon daraus leicht verständlich, da ein Feuer beim Löschen ausgeht, wenn man Wasser darüber gießt (Wasser kühlt den Brennstoff ab).

V: In einem Porzellantiegel wird eine kleine Menge Kerzenwachs mit dem Bunsenbrenner solange erhitzt, bis eine Selbstentzündung stattfindet.

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

S: Auch ohne das das heiße 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.

Entzündungstemperaturen

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

Brennstoff	Entzündungs­- temperatur [°C]	Brennstoff	Entzündungs­- temperatur [°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	250	Methan (=Erdgas)	ca. 600
Weizenstaub	270	Aceton	600
Holz	280-340	Teer	600

Zusatzinformationen:

https://de.wikipedia.org/wiki/Zündtemperatur

Der Verbennungstetradeder

Ein Unfall im Haushalt: Die brennende Bratpfanne

Beim längeren Braten oder Frittieren kann sich Öl entzünden. Obwohl ein solcher Brand ein großer Schreck ist, wird innerhalb der nächsten 1-2- Minuten nicht viel passieren, da meistens das Holz der Küche eine größere Entfernung hat und sich nicht so schnell entzündet.

Leider reagieren viele Menschen trotzdem sehr panisch und neigen dazu Fehler zu begehen, die erst so richtig eine Katastrophe auslösen!

Der häufigste Fehler ist das Löschen eines Ölbrandes mit Wasser. Das Wasser gelangt in das heiße Öl und wird sofort gasförmig. Dabei vergrößert sich das Gasvolumen um das Tausendfache. 1l Wasser bildet schon bei 100 Grad C mehr als 1000 l Gas. Bei 300 °C, die in der Fritteuse vorliegen entsteht noch wesentlich mehr Gas!

Das Gas verlässt unter hohem Druck die Fritteuse und reizt kleine, feine brennende Öltröpfchen mit sich. So entsteht ein mehrere Meter großer Feuerball.

Aufgaben:

1. Nenne Möglichkeiten, eine brennende Bratpfanne zu löschen.

2. Nenne weitere Möglichkeiten Brände zu löschen und nenne dazu entsprechend auch jeweils einen Brandstoff

3. Wie kann man sich im Haushalt noch schützen und wie kann man Brände vermeiden und Branden vorbeugen?

Versuche zur Entzündungstemperatur

Du kannst im Unterricht die Erstaunlichkeit der Entzündungstemperatur leicht überprüfen:

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

Was passiert wohl? Wie die meisten Schüler, vermutest Du vielleicht auch, dass hier eine Entzündung des Papiers und dem anschließenden Auslaufen des Wassers stattfinden wird, was die Kerze durch das Wasser dann löschen würde.

Aber, wie heiß kann Papier denn nur werden, wenn sich darin Wasser befindet? Bedenke, das flüssiges Wasser nicht heißer als 100°C werden kann! Reicht diese Temperatur aus, um die Entzündungstemperatur des Papiers zu überschreiten.

B: Das Papier wird schwarz, das Wasser wird warm und beginnt eventuell zu kochen.

S: Papier hat Entzündungstemperatur von 250°C. Solange also flüssiges Wasser in dem Papiertrichter ist, kann dessen Temperatur nicht größer als 100°C sein! Deshalb kann das Papier sich nicht entzünden, da es vom Wasser gekühlt wird.

Stoffe, die ihre eigene Temperatur unterhalb der Entzündungstemperatur haben,

können nicht entzündet werden.

Merke: Für eine Verbrennung werden also immer 3 Dinge benötigt²:

- 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. Erkläre den Nutzen dieser Methode. Was ist dabei vor allem im Sommer zu beachten?
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 die Entzündbarkeit eines Asts und eines Baumstamms).

Der Flammpunkt

V: Eine Porzellanschale wird ca. einen 1cm mit Spiritus gefüllt. Eine weitere Porzellanschale wird gleichzeitig mit Heizöl gefüllt. Von oben wird sich beiden Schalen nun mit einem Holzspan genähert.

B: Während sich Spiritus recht schnell durch die Luft entzünden lässt, brennt Heizöl bei Kontakt mit der Flamme.

S: Spiritus ist eine Substanz, mit einem Siedepunkt von 78°C. Bei Heizöl liegt der Siedepunkt über 250°C. Das bedeutet, dass bei Raumtemperatur schon deutlich mehr Spiritusteilchen als Heizölteilchen verdunsten und in die Gasphase übergehen, da sich diese viel näher an ihrem Siedepunkt befinden. Diese Gasteilchen können viel leichter entzündet werden.

=> Spiritus verdampft bei Raumtemperatur leichter und schneller. Heizöl hingegen verdunstet bei Raumtemperatur nur sehr langsam. Folglich wird sich über der Heizölporzellanschale nur sehr wenig Gas befinden und es nicht zu einer schnellen Entzündung kommen. Erst wenn das Heizöl wärmer wird, entsteht mehr Gas. Dann ist eine Entzündung möglich.

Aufgaben:

1. Benzin lässt sich wesentlich leichter entzünden als Diesel. Von offenen Benzinkanistern geht beispielsweise eine sehr große Gefahr aus, wenn Funken in der Nähe sind. Treffe einen Rückschluss auf die Siedepunkte der beiden Flüssigkeiten.

2. Zum Tanken an Tankstellen werden an den Dieselzapfsäulen Handschuhe bereitgehalten, da im Falle des Verkleckerns, der Diesel noch stundenlang an den Händen unangenehm riecht. Bei Benzin ist der Geruch nach wenigen Minuten verschwunden. Nenne Ursachen.

3. Diesel hat einen Siedepunkt, der dem des Heizöls sehr ähnlich ist. Im Winter springen dieselgetriebene Fahrzeuge nur dann an, wenn der Brennstoff im Motor erwärmt wird. Dies geschieht bereits automatisch, wenn der Fahrer den Schlüssel ins Zündschloss steckt. Nenne den Grund, warum das notwendig ist.