Warum sind einige Stoffe brennbar und andere nicht

Abgesehen von der Tatsache, dass die meisten brennbaren Stoffe gasförmig oder zumindest leicht flüchtig sein müssen, hängt es von dem Stoff selber ab, ob er brennbar. Dabei spielen vor allem zwei Dinge eine Rolle:

1. Kann der Stoff überhaupt mit Sauerstoff reagieren?
2. Wie die Reaktion exotherm genug, damit die Reaktion selber genug Aktivierungsenergie liefert, um von alleine weiter laufen zu lassen.

Beide Themen werden anhand von einigen Beispielen genauer betrachtet.

Der innere Aufbau der Stoffe

Bisher haben wir uns eher mit den Stoffen und ihren Eigenschaften beschäftigt. Bei Reaktionen handelt es sich ja auch nur um "Umwandlungen" von Stoffen, was man an der Änderung von Eigenschaften erkennt.

Wir wollen in diesem Kapitel einen ersten Blick in das Innere der Teilchen werfen, damit ihr erkennt, was einen brennbaren Stoff ausmacht. Mit diesem Wissen kann man einige der Eigenschaften erklären, auch wenn es noch sehr vereinfacht ist.

Die Symbolschreibweise, die ihr vorgestellt bekommt ist übrigens international. Auch in Sprache, die normalerweise andere Schriftzeichen verwenden,

Energetische Betrachtung

Stoffe verbrennen nicht, wenn die Aktivierungsenergie zu hoch ist die Energieausbeute für die Aktivierungsenergie nicht hoch genug ist.

Stickstoff-Molekül N2

Beispiele:

... zu 1.:

• Im Stickstoff kommt als kleinsten Teilchen das Molekül N₂ vor. Die zwei Stickstoff-Atome sind sehr fest durch drei Bindungen miteinander verbunden (die drei Striche zwischen den zwei N). Es kostet viel Energie, diese drei Bindungen zu lösen.
• Datei:EnergiedagrammeGold.png

  Energiediagramme zur Reaktion von Gold mit Sauerstoff
  Edelgase enthalten zwar einzelne Atome als kleinste Teilchen, die sind aber so stabil, dass man sehr viel Energie braucht, um sie zu aktivieren.

... zu 2.:

• Bei edleren Metallen, wie Gold, ist die, bei Reaktionen freiwerdende Energie zu gering, um die notwendige Aktivierungsenergie für eine Kettenreaktion auf zu bringen.
• Wird die Aktivierungsenergie dauerhaft von außen zugeführt, könnte zwar Goldoxid entstehen, aber zugeführte Energie sorgt gleich wieder für die Zerlegung des Produktes.

Also: Brennbar oder nicht?

Brennbar sind Stoffe (auch Verbindungen), die mehr Sauerstoff aufnehmen können als sie schon enthalten und nicht zu "stabil" sind. Bei Verbrennungen entstehen aus Verbindungen meist die Oxide der enthaltenen Atome, die am energieärmsten sind. Kohlenstoff in Verbindungen reagiert zu Kohlendioxid Wasserstoff in Verbindungen reagiert zu Wasser Stickstoff in Verbindungen reagiert (ohne Katalysator) meist zu Stickstoff Das Bestreben, hin zum den energieärmsten Stoffen zu reagieren, funktioniert auch "umgekehrt". Enthalten Stoffe zu "viel" Sauerstoff geben beim Erhitzen meist Sauerstoff ab. Beispiele: Wasserstoffperoxid H2O2 zerfällt zu Wasser H2O und Sauerstoff Bariumnitrat zerfällt in Bariumoxid, Stickstoff und Sauerstoff

Aufgabe Welche dieser Stoffe ist brennbar? Und welche Produkte entstehen dann dabei? Wasser (Formel: H2O) ist eine Verbindung aus Wasserstoff und Sauerstoff. Es ist brennbar/nicht brennbar? weil ... Stickstoff ist keine Verbindung (Formel: N2). Es ist brennbar/nicht brennbar? weil ... Methan (Formel: CH4) ist eine Verbindung aus Kohlenstoff und Wasserstoff. Es ist brennbar/nicht brennbar? weil ... Kohlenmonoxid (Formel: CO) ist eine Verbindung aus Kohlenstoff und Sauerstoff. Es ist brennbar/nicht brennbar? weil ... Kohlendioxid (Formel: CO2) ist eine Verbindung aus Kohlenstoff und Sauerstoff. Es ist brennbar/nicht brennbar? weil ... Alkohol ist eine Verbindungen mit der Formel C2H5OH. Es ist brennbar/nicht brennbar? weil ...

Vertiefung mit Experimenten und Aufgaben

• Nitroglycerin (vereinfachte Formel: C₃H₅N₃O₉) zerfällt schon bei leichter Temperaturerhöhung zu Kohlendioxid, Wasser, Stickstoff und Stickstoffmonoxid. (Genaue Reaktiongleichung auf Wikipedia)
  • Warum zerfällt das Nitroglycerin so leicht.
  • Warum kommt es beim Zerfall zu einer Explosion?

• Kaliumpermanganat KMnO₄ ist eine Verbindung von Kalium = K mit Mangan = Mn (beides Metalle) und Sauerstoff. Mischungen dieser Verbindung mit Magnesium- oder Aluminiumpulver reagieren explosionsartig unter grellem Lichtblitz, wobei sich unter anderem Mangandioxid bildet. Wie kommt es zu diesen heftigen Reaktionen und passiert dabei?

ACHTUNG: Die Mischung ist hochexplosiv. Es wird von mehreren großen Unfällen mit Toten und Verletzten bei der Explosion von ganzen Blitzlichtpulverfabriken berichtet. Die Herstellung von Blitzlichtpulver unterliegt in Deutschland dem Sprengstoffrecht und ist somit für Privatpersonen verboten. Ein Film zeigt die Heftigkeit der Reaktion.

• Das Schau-Experiment "Opferung eines Gummibärchens" nutzt Kaliumnitrat um eine spektakuläre Verbrennung ( Film 1 oder 2) zu bewirken. Dazu erhitzt man das Kaliumnitrat, bis es schmilzt, und gibt dann ein Gummibärchen in die Schmelze. Es folgt eine sehr heftige Reaktion.
  • Wie wirkt hier das Kaliumnitrat und warum findet nicht schon eine Reaktion statt, bevor das Bärchen dazu gegeben wird.

• Erdöl ist ein Gemisch von Kohlenwasserstoffen, d.h. Verbindungen von Kohlenstoff mit Wasserstoff.
  • Welches sind vermutlich die Verbrennungsprodukte.

• Wasserstoffperoxid (Formel: H₂O₂) wird vor allem als Bleichmittel verwendet. Bleichend wirkt dabei der sich entwickelnde Sauerstoff.

• Stellt Vermutungen auf, wie und warum es hier zu einer Sauerstoffentwicklung kommt. Formuliert einen Satz der die Reaktionen beschreibt.

Zusatzinformationen: Wasserstoffperoxid wird genutzt als Bleichmittel für Wäsche, zum Aufhellen von Zähnen, zum Bleichen von Haaren und vielem mehr. Das als geheimes Hausmittel zum Bleichen von Zähnen empfohlene Backpulver "bleicht" die Zähne, weil enthaltene Säure, die Verfärbungen, aber auch den Zahnschmelz zerstört, was sicher nicht sinnvoll ist. Die Anwendung an den Zähnen ist dringeng in professionelle Hände zu geben, da Wasserstoffperoxid auch die Haut bleicht (siehe Bild).

• Wasserstoffperoxid wurde schon durch leichtes Erwärmen zersetzt, weswegen man es auch gekühlt lagert. Deutlich wird der Zerfall aber auch bei Normaltemperatur, wenn man als Katalysator Platin dazu gibt (siehe Bild, wo eine Platin-Münze die Bildung von Bläschen bewirkt). Welche Wirkung hat Platin also hier?

• Einfache Zucker (siehe Bild) sind Verbindungen mit der Formel C₆H₁₂O₆. Der Hauptbestandteil von Fettsäuren (siehe Bild) sind große Kohlenwasserstoffgruppierungen. (Schwarz=Kohlenstoffatom, Weiß = Wasserstoffatom, Rot = Sauerstoffatom) Bei der Verstoffwechselung von Nahrungsmitteln entstehen immer Kohlendixoid und Wasser, die beim Ausatmen den Körper verlassen.
  • Warum liefert Fett mehr Energie als Kohlenhydrate? (TIPP: Es kommt nicht auf die Größe an, da man kein einzelnes Teilchen verbrennt sondern immer mehrere)