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Luft und Verbrennung






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Luft und Verbrennung. Chemische Verbindungen mit Sauerstoff O 2. Metalle verbrennen. Nicht nur Kohlenstoffverbindungen wie Erdölprodukte und Holz verbrennen. Auch die meisten Metalle können verbrennen.
Luft und Verbrennung

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Luft und Verbrennung

Chemische Verbindungen mit Sauerstoff O2

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Metalle verbrennen

  • Nicht nur Kohlenstoffverbindungen wie Erdölprodukte und Holz verbrennen.

  • Auch die meisten Metalle können verbrennen.

  • Eisen Fe, Natrium Na, Aluminium Al, Chrom Cr, Nickel Ni, Kupfer Cu, Zink Zn, Silber Ag, Quecksilber Hg, Blei Pb

Chemie M. Hügli

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Die Rolle des Sauerstoffs

  • Bei allen Verbrennungsvorgänge spielt Sauerstoff eine wichtige Rolle.

  • Eine Kerze erlöscht, wenn sie keinen Sauerstoff O2 mehr hat.

  • Ein Glimmspan leuchtet hell auf, wenn man ihn in reinen Sauerstoff hält.

  • Verbrennen heisst also immer, einen Stoff mit Sauerstoff in eine Verbindung bringen.

Chemie M. Hügli

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  • Verbrennungsvorgänge sind immer chemische Reaktionen. Es entstehen nämlich immer neue Stoffe mit neuen Stoffeigenschaften und man benötigt jeweils eine Aktivierungsenergie.

Chemie M. Hügli

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Magnesium verbrennen

  • So können wir beispielsweise das Metall Magnesium Mg in einer Bunsenbrennerflamme entzünden.

  • Magnesium verbindet sich dabei mit dem Sauerstoff O2 aus der Luft bei einer sehr hellen Flamme zu Magnesiumoxid MgO.

  • Das Magnesiumoxid kennen wir aus dem Sportunterricht als Magnesia.

Chemie M. Hügli

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Metalle, die nicht brennen

  • Kann sich aus einem bestimmten Grund kein Sauerstoffatom O an ein Metall binden, lässt sich das Metall auch nicht verbrennen.

  • So kann man beispielsweise Platin Pt und Gold Au nicht verbrennen (mit Sauerstoff verbinden).

Chemie M. Hügli

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Zerteilungsgrad

  • Es wird uns nicht gelingen, eine Eisenbahnschiene anzuzünden, obwohl sie aus Eisen besteht und sich Eisen mit Sauerstoff verbinden lässt.

  • Eine Eisenbahnschiene hat eine zu geringe Oberfläche.

  • Nur gerade die äusserste Schicht lässt sich mit Sauerstoff oder anderen Stoffen verbinden.

Chemie M. Hügli

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Zerteilungsgrad

  • Teilen wir einen Stoff in kleine Einzelteile bekommen wir eine Oberflächenvergrösserung.

Chemie M. Hügli

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Zerteilungsgrad

  • Diese Oberflächenvergrösserung sorgt nun dafür, dass sich viel mehr Angriffspunkte für eine chemische Verbindung mit einem anderen Stoff bieten.

  • So gelingt es uns einfach, Eisenpulver mit Sauerstoff zu verbinden, also zu verbrennen.

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Zerteilungsgrad

  • Je grösser die Oberfläche ist, umso grösser ist der Zerteilungsgrad und umso grösser ist die Reaktionsfreudigkeit.

Chemie M. Hügli

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Entzünden von Eisenwolle

  • Eisenwolle Fe lässt sich einfach mit einem Feuerzeug oder sogar mit einer 4.5V Batterie entzünden.

  • Nach der Verbrennung stellt man fest, dass das Reaktionsprodukt eine grössere Masse hat als der Ausgangsstoff Eisen Fe.

Chemie M. Hügli

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  • Durch die Verbindung von Eisen Fe mit Sauerstoff O2 kommt es zu einer Massenzuname.

  • Im Reaktionsprodukt Eisenoxid Fe2O3 hat sich nun zum Eisen Fe Sauerstoff O2 gebunden, darum können wir auf der Waage eine Massenzunahme feststellen.

Chemie M. Hügli

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Bestandteile der Luft

  • Die Luft ist ein homogenes Stoffgemisch verschiedener Gase:

  • 78% Stickstoff N2

  • 21% Sauerstoff O2

  • 1% Edelgase (Helium He, Neon Ne, Argon Ar, Krypton Kr und Xenon Xe)

  • 0,03% Kohlenstoffdioxid CO2

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Sauerstoff O2

  • Sauerstoff O2 alleine brennt nicht.

  • Sauerstoff ist aber als einer der Ausgangsstoffe bei jeder Verbrennung beteiligt.

  • Sauerstoff O2 hat keinen Geschmack und auch keinen Geruch.

  • Um Sauerstoff nachweisen zu können, dient die Glimmspanprobe:

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Glimmspanprobe

Ein noch glühender Holzspan wird in den zu prüfenden Stoff gehalten. Glüht dabei der Holzspan wieder hell auf und beginnt, wieder zu brennen, handelt es sich beim zu prüfenden Stoff um Sauerstoff O2

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Edelgase

Edelgase wie Helium He, Neon Ne, Argon Ar und Xenon gehen keine chemischen Bindungen ein und kommen darum immer nur als Atom vor.

Keine chemische Bindung, weil die äusserste Elektronenschalen komplett gefüllt ist.

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Kohlenstoffdioxid CO2

Der Kohlenstoffdioxid ist dichter als die Luft.

Da jede Verbrennung Sauerstoff benötigt, kann man mit Kohlenstoffdioxid ein Feuer löschen, da es dem Brennstoff den Sauerstoff entzieht.

Beispiel: Brennende Kerze im Becherglas  CO2 hineinschütten

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Kohlenstoffdioxid CO2 Nachweis

Kohlenstoffdioxid CO2 kann man mit Kalkwasser nachweisen:

Kalkwasser trübt sich, wenn es mit Kohlenstoffdioxid CO2 durchströmt wird.

Kohlenstoffdioxid entsteht aus Reaktionen von Kohlenstoff C, Kohlenstoffverbindungen xxC mit Sauerstoff O2.

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Oxidationen

Verbrennungen, das heisst Verbindungen mit Sauerstoff O2, bezeichnet man als Oxidationen.

Die Reaktionen von Oxidationen sind darum die verschiedenen Oxide.

Es gibt Metall- und Nichtmetalloxide

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Metalloxide

Eisen Fe + Sauerstoff O2 Eisenoxid Fe2O3

Magnesium Mg + Sauerstoff O2 Magnesiumoxid MgO

Blei Pb + Sauerstoff O2 Bleioxid PbO

Kupfer Cu + Sauerstoff O2  Kupferoxid Cu2O

Zink Zn + Sauerstoff O2 Zinkoxid ZnO

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Metalloxide

Gemeinsame Stoffeigenschaften der Metalloxide:

Leiten den Elektrischen Strom (ungelöst) nicht.

Sind spröde (brüchig).

Haben hohe Schmelztemperaturen. Z.B. Eisenoxid: 1565°C (Eisen Fe: 1538°C, Sauerstoff O2: -218°C)

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Nichtmetalloxide

Kohlenstoff + Sauerstoff  Kohlenstoffdioxid CO2

Schwefel + Sauerstoff  Schwefeldioxid SO2

Stickstoff + Sauerstoff  Stickstoffmonoxid N2O (Lachgas)

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Metalleigenschaften

Alle Metalle haben gemeinsame Eigenschaften:

Sie leiten den elektrischen Strom.

Sie leiten Wärme.

Sie haben eine silber-glänzende Oberfläche.

Sie sind bei Raumtemperatur fest (ausser Quecksilber Hg!)

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Bindungsbestreben

Das Bindungsbestreben hängt einerseits vom Zerteilungsgrad ab.

Zum andern haben Metalle verschiedene natürliche Bindungsbestreben zu Sauerstoff O2.

So reagiert Magnesium Mg heftiger mit Sauerstoff O2 als Eisen Fe.

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Bindungsbestreben

Am Beispiel des Anzündens von Eisenwolle und Magnesiumband beobachtbar:

Obwohl die Eisenwolle Fe einen höheren Zerteilungsgrad hat, brennt Magnesium Mg mit einer helleren und heisseren Flamme.

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Bindungsbestreben

Noch weniger heftig reagiert Kupfer Cu mit Sauerstoff O2.

Beobachtbar beim Hineinblasen von Eisenpulver Fe und Kupferpulver Cu in die Bunsenbrennerflamme.

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Bindungsbestreben

Edle Metalle wie Gold Au, Silber Ag und Platin Pt, haben nur ein ganz geringes Bestreben, mit Sauerstoff eine Bindung einzugehen.

Platin Pt lässt sich auch in der heissen Bunsenbrennerflamme nicht entzünden, also nicht mit Sauerstoff O2 verbinden.

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Bindungsbestreben

Unedle Metalle wie Eisen Fe, Magnesium Mg und Zink Zn reagieren gut mit Sauerstoff.

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Elemente

Wir kennen heute 118 Elemente.

4/5 aller Elemente sind Metalle.

Elemente bestehen aus lauter gleichen, gleich grossen kleinsten Teilchen.

Die kleinsten Teilchen eines einzelnen Elements, auch als Atome bezeichnet, kann man chemisch nicht weiter aufteilen.

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Einzelne Elemente bestehen bereits aus Atomverbindungen

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Verbindungen

So kommt nie eine einzelnes Sauerstoffatom O vor. Ein Sauerstoffatom hat sich immer mit einem zweiten verbunden.

Man spricht vom Sauerstoffmolekül O2 (zwei Sauerstoffatome chemisch miteinander verbunden)

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Verbindungen

  • Sobald ein Stoff aus mehr als aus einzelnen Atomen besteht, sprechen wir von Verbindungen.

  • Edelgase gehen keine Verbindungen ein und kommen darum immer als einzelne Atome vor.

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Schwefeldioxid SO2

Auch das Nichtmetall Schwefel S lässt sich verbrennen, also mit Sauerstoff O2verbinden.

Schwefel verbrennt mit einer blauen Flamme.

S + O2 SO2 (giftiges Gas!)

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Flamme - Verglühen

Bei Verbindungen mit Sauerstoff O2 (also Verbrennungen) können wie sowohl Flammen als auch ein Verglühen beobachten.

Wird ein Stoff im gasförmigen Aggregatzustand verbrannt, können wir eine Flamme beobachten.

Verbrennt jedoch ein fester oder flüssiger Stoff, beobachten wir ein Verglühen ohne Flamme.

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Flamme - Verglühen

Beispiele:

Benzin brennt mit einer Flamme. Das heisst, es brennen nur die Benzindämpfe.

Eisenwolle verglüht ohne Flamme. Eisen wird also vor der Verbrennung nicht gasförmig.

Kerzenwachs wird zuerst gasförmig und verbrennt dann mit einer Flamme.

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Langsame Oxidationen

Eisen lässt sich bei einem genug hohen Zerteilungsgrad anzünden  rasche Oxidation (Verbindung mit Sauerstoff)

Eisen rostet aber auch  langsame Oxidation.

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Langsame Oxidation

Auch beim Vergleich vom luftdicht verpackten Magnesium Mg mit Magnesium, das dem Sauerstoff über längere Zeit ausgesetzt war, können wir eine Stoffumwandlung (langsame Oxidation) beobachten.

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3 Dinge benötigt ein Feuer

Brennbarer Stoff:

Das ist ein Stoff, der sich mit Sauerstoff O2 verbinden lässt und einen genügend grossen Zerteilungsgrad hat.

Beispiele: Kohlenstoffverbindungen wie Erdölprodukte (Benzin, Heizöl, Kerosin), Kerzenwachs, Alkohole. Metalle (Eisen Fe, Magnesium Mg, Zink Zn), Wasserstoff H2

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3 Dinge benötigt ein Feuer

Eine genügend hohe Zündtemperatur

Verschiedene Stoffe haben eine unterschiedlich hohe Zündtemperatur.

Beispiele: Benzin 220°C, Heizöl 350°C, Papier 440°C, Erdgas 650°C

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3 Dinge benötigt ein Feuer

Sauerstoff O2

Ohne Sauerstoff kann es zu keinem Feuer kommen.

Viele Brandbekämpfungsmethoden basieren darum auf Sauerstoffentzug.

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Feuer löschen

Entzug vom brennbaren Stoff:

Bei der Oxidation der Kohlenstoffverbindung Holz (also beim Lagerfeuer;-) wird grosszügig um den Reaktionsplatz Laub und Holz weggeräumt, damit es nicht zum unkontrollierten Brand kommt.

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Feuer löschen

Abkühlen

Der brennbare Stoff wird unter seine Zündtemperatur gekühlt. Meist in Form von Wasser.

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Feuer löschen

Entzug von Sauerstoff O2

Kohlenstoffdioxid- und Schaum-Feuerlöscher verhindern, dass das Feuer genügend Sauerstoff bekommt.

Auch Wasser kann zum Sauerstoffentzug beitragen.

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