Was ist Feuer?

Einstieg: Feuer am Beispiel einer Kerze

Experimente zur Untersuchung der Kerzenflamme

VERSUCH: Arbeitsblatt wurde in der Schule ausgeteilt!

Theorie

Feuer : Flammenbildung beim Verbrennen allgemein Flamme : brennende Gase/Dämpfe Flamme bei einer Kerze: Wachs wird verdampft und verbrennt dann Brennen : exotherme Reaktion mit Sauerstoff aus der Luft Brennen bei der Kerze: Aktivierungsenergie startet die Reaktion -> freiwerdende Energie bewirkt Verdampfen von Wachs und dessen Entzündung Auch Metalle verbrennen, die an der Luft erhitzt werden, allerdings ohne Flamme Sauerstoffzufuhr begünstigt die Verbrennung und lässt die Flamme größer bzw. Reaktion heftiger werden. Sauerstoff muss der Reaktionspartner sein.

Vertiefung

• Holz brennt mit einer Flamme. Wie ist das erklärbar, obwohl Holz doch ein Feststoff ist?

Zusatzinformationen: Holz wurde im zweiten 2. Krieg zum Betreiben von Autos verwendet, da es besser verfügbar war als Benzin. Dazu hatte man Öfen auf dem Auto, in denen das  Holzgas  entwickelt wurde, welches dann in den Motor geleitet wurde. Chemisch gesehen findet im Holzgas-Ofen eine  Pyrolyse  (Zerlegung des Holzes mit Wärme) statt. Die Idee wird von einigen Tüftlern, immer noch eingesetzt, um sich Autos umzubauen, die mit Holz betrieben werden.

In diesem Arbeitsblatt auf dem auch ein Experiment beschrieben ist, wie man die die Pyrolyse von Holz in einem Schulexperiment durchführen kann. Ihr findet dort auch auch eine Aufzählung der Bestandteile von Holzgas.

VERSUCH: Wer Interesse hat, kann das Experiment zur Pyrolyse von Holz durchführen. Dabei werden die Bestandteile von Holz isoliert, die beim Erhitzen entstehen. Es sind somit die Bestandteile, bei beim Holz brennen, wenn man es anzündet. Weitere Informationen dazu auf dieser Seite

• Warum reicht es zum Entzünden einer Petroleumlampe nicht aus, einen Funken zu erzeugen, während dies bei einer Gaslampe möglich ist?

• Warum ist die Temperatur der Bunsenbrennerflamme bei geschlossener Luftzufuhr nicht so hoch?
  • Wie kann man mit einem Gasbrenner möglichst hohe Temperaturen erzeugen?

Zusatzinformationen: Spezielle Brenner sind der Zwei-Gas-Brenner (etwa für Glasbearbeitung, Bild) und der  Schneidbrenner  (Bild 1 und Bild 2)

VERSUCH: Das Herstellen von Wunderkerzen könntet ihr am Nachmittag ausprobieren. Bei Interesse bitte melden!

• Eisenwolle oder Eisenpulver glüht zwar, wenn man es an der Luft erhitzt, aber die Reaktion ist nicht vergleichbar mit einer Wunderkerze . Hier findest du übrigens eine Anleitung, wie man eine Wunderkerze selber herstellen kann. Überlege, was hier bei der Verbrennung hilft? Schau dir dazu auch einmal die verwendeten Materialien (Bariumnitrat, Aluminiumpulver, grobes Eisenpulver, Stärke) an .

• Die Sonne brennt vom Himmel ... was ist an dieser Aussage falsch?

Zusatzinformationen: Sonne produziert  elektromagnetische Strahlung  aller Art. Dazu gehört die  Strahlen , die leuchten ( sichtbares Licht ) und die, die wärmen ( Infrarot-Strahlen ). Diese elektromagnetischen Strahlen gibt es zwar auch bei einer "normalen" exothermen Verbrennung. Bei der Sonne aber ist die Energiequelle die dort stattfindende  Kernfusion .

Frage: Wie gefährlich ist das? - Brennbar, Entflammbar, Explosiv

Im Alltag begegnet ihr immer wieder Stoffen die Brennbar sind. So findet man im Supermarkt Reinigungsbenzin, Motoröl, Nagellackentferner, Ölspray und Lampenöl. Aber nicht alle sind mit dem Gefahrensymbol gekennzeichnet. Was macht den Unterschied aus? Wie muss ich mit diesen Stoffen umgehen?

Vorbereitung: Informiere dich

Aufgabe Schlage die folgenden Begriffe nach, die wir in der folgenden Stunde brauchen werden. Mit ihnen versuchen wir dann die Experimente zu erklären, die durchgeführt werden. Halte jeweils pro Stichwort einen Satz fest. Tipp: Du findest im Internet meist Artikel/Seiten, die zu umfangreich für unsere Bedürfnisse sind. Lies dir im Artikel bzw. auf der Seite erst einmal alles durch, um einen Überblick zu bekommen. Dabei geht es vor allem darum, was zum Stichwort passt und was zu euren Vorkenntnissen passt. Beim zweiten Durchlesen kannst du dich dann auf das konzentrieren und dann das wichtigste in einem Satz festhalten. Brennbar Entflammbar Halte zu den folgenden Begriffen fest, was es bei der Gefährlichkeit entflammbarer Stoffen zu beachten gilt: Flammpunkt, Brennpunkt, Zündtemperatur ... genaue Definitionen und ausführliche Beschreibungen sind nicht notwendig! Explosion, Explosionsgrenze Brandfördernd

Experimente

VERSUCH: Alle diese Experimente sind Lehrerexperimente, da die Durchführung in der Gruppe nicht genug kontrolliert werden kann.

Ergänzende Theorie

Stöchiometrisches Gemisch Stöchiometrisches Gemisch im Teilchenmodell: Die Anzahl der Teilchen der Edukte ist jeweils so, dass sie im richtigen Verhältnis für eine vollständige Reaktion ist. Es bleibt keines der Edukt-Teilchen übrig (siehe Bild rechts - klicken zum Vergrößern). Beispiele für ... Flammpunkt: Die Temperatur, bei der sich das Gemisch aus Brennstoffdampf und Luft entzündet werden kann, ohne das die Flüssigkeit weiterbrennt. Ist das Volumen des Gemisches groß genug, kann eine Explosion erfolgen. Brennpunkt: Die Temperatur, bei der sich das Gemisch aus Brennstoffdampf und Luft entzündet werden kann und auch genug Dampf nachgebildet wird, so das die Reaktion weiterhin ablaufen kann. Zündtemperatur: Temperatur, bei der sich ein Stoff ohne weitere Zündquelle selbst entzündet.

Vertiefung

• Die meisten Kunststoffe sind brennbar. Warum können manche dieser (brennbaren) Kunststoffe trotzdem für Brandschutzmaßnahmen eingesetzt werden.

• Ein Verbrennungsmotor im Auto? Eigentlich wird das Benzin/Diesel im Automotor nicht verbrannt, denn man lässt es in einem Gemisch mit Luft explodieren. Zwei Bauteile spielen dabei eine Rolle:

1. Der Vergaser/die Einspritzanlage vermischen den Treibstoff und die Luft.
2. Die Lambda-Sonde misst den Restsauerstoff im Abgas, um die das richtige Gemisch zu gewährleisten.

Fragen dazu:

• Warum ist das richtige Gemisch wichtig?
• Was passiert bei einer unvollständigen Verbrennung?

• Wie geht man mit diesen Stoffen richtig um?

Beispiel: Acetaldehyd ist ein Zwischenprodukt in der chemischen Industrie, das aber auch im Körper in geringen Mengen als Abbauprodukt von Alkohol entstehen kann und in einige Lebensmitteln in geringen Mengen vorkommt. Sicherheitsdatenblatt Physikalische Eigenschaften: Smt. -123°C und Sdt. 20°C, Flammpunkt -20°C, Zündtemperatur 155°C Anweisung zum Umgang: Acetaldehyd muss in einem gut verschlossenen Gefäß gekühlt gelagert werden. Bei der Benutzung muss der Raum gut gelüftet werden oder eine Absaugung bestehen. Jede Zünd- und Wärmequelle ist fernzuhalten.

Beachte die Gefahrensymbole und Schmelz- und Siedetemperaturen der Stoffe. Gib Anweisungen, welche Gefahren bestehen und welche nicht? Welche Umstände führen zu einer Gefährdung, welche nicht?

1. Stoff: Aceton Sdt.: 56°C, Flammpunkt < -20°C
2. Stoff: Brennspiritus Sdt.: 78°C, Flammpunkt 12°C

• Zeitungsberichte von Unfälle Lies dir die Zeitungsartikel durch und stelle fest, welche Fehler gemacht wurden. Wie kam es zu dem Unglück?

1. Artikel: Ölofen heizen mit Benzin Weil einer Studentin das Heizöl für ihren Ölofen ausgegangen ist, erinnert sie sich an den Reservekanister in ihrem Auto. Sie füllt statt Heizöl Superbenzin in den Ofen und entzündet ihn. Der Ofen explodiert.
2. Artikel: Ist der Tank noch voll? (II) Der Fahrer eines mit 32000 Litern Dieselöl beladenen Gefahrgutlasters prüft mit seinem Feuerzeug, ob der Tank noch voll genug sei. Die Stichflamme bei der Verpuffung verletzt den Mann schwer. Glücklicherweise entzündet sich die Ladung nicht.
3. Artikel: Schleiffunken entzünden Benzindämpfe Ein junger Arbeiter arbeitet in einem Metallbetrieb mit einer Schleifhexe. Dabei fliegen die Funken. Diese entzünden herumliegende Putzlappen, die mit Lösemittel wie Benzin getränkt sind. Der junge Mann läuft brennend aus der Halle und wird von Helfern durch Herumrollen am Boden gelöscht. Er muss in eine Spezialklinik für Verbrennungen gebracht werden. (Gütersloh)

• Warum sollte man die Gasflaschen von Sauerstoff und Wasserstoff nicht zusammen stellen?

Frage: Welche Stoffe sind brennbar?

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 Aktivierungsenergie aufgebracht werden kann?

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,

Vorbereitung

Aufgabe Haltet die folgenden Informationen im roten Kästchen im Heft fest

Verbindungen haben zusammengesetzte Teilchen (die MOLEKÜLE), die aus mehreren Atomen bestehen. Man kann die genaue Zusammensetzung mit Hilfe einer Zeichnung verdeutlichen: ... wobei als Farben meistens verwendet werden. In der Chemie üblich ist die SYMBOLSCHREIBWEISE, bei der man für die Atome spezielle Buchstaben (die Atomsymbole) verwendet. Man bezeichnet die Schreibweise auch als FORMEL eines Stoffes: Wasser: H2O Stickoxid: NO Ammoniak: NH3 Neben den geläufigen Namen (TRIVIALNAMEN) hat jede Verbindung immer einen SYSTEMATISCHEN NAMEN, der sich aus der Formel ergibt: Wasser: Diwasserstoffoxid Stickoxid: Stickstoffmonooxid Ammoniak: Stickstofftrihydrid

Die Silben für die Angabe der Anzahlen in den Systematischen Namen sind: Mono-, Di-, Tri-, Tetra-, Penta-, Hexa-, Hepta-, Okta-, Nona-

Weitere Beispiele für Verbindungen

... werden in der Schule bearbeitet.

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 kleinesten 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 die notwendige Aktivierungsenergie 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. Verbindungen die neben Sauerstoff nur eine Atomsorte enthalten nennt man OXIDE 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 Stoffe, die mehr Sauerstoff enthalten, als die energiearmen Verbindungen geben beim Erhitzen meist Sauerstoff ab. Beispiel: 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)

Frage: Wie macht man am besten ein Feuer an?

Aufgabe Erstellt eine DIN A4-Seite auf der ihr beschreibt und mit Bildern verdeutlicht, wie man am besten ein Lagerfeuer ein Grillfeuer anzündet. Eure Quellen, Ideen und Vorschläge können beliebig sein. Allerdings dürfen Sie nicht zu gefährlich sein und ihr müsst möglichst erklären können, warum gerade diese Methoden so gut funktioniert. Zu der Beschreibung gehören auch sicherheitstechnische Aspekte, die beachtet werden müssen. Die DIN A4-Seite als Ergebnis soll den anderen Schüler gezeigt und auch vorgestellt werden können und wird bewertet.