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Thema: Verbrennung - Luft - Sauerstoff

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12. Die Verbrennung als chemischer Vorgang

Beobachten und Folgern

Beobachtet man die Verbrennung einiger Stoffe, so treten unterschiedliche Verbrennungsvorgänge auf, wie die Tabelle 2 (ganz unten) zeigt.

 
Die Verbrennung ist ein exothermer chemischer Vorgang
 
 
Entzünde Erdgas (Gasflamme) und Petroleum und halte kurz ein Becherglas über die Flammen. Welche Beobachtungen kann man machen?
 
 
Man hält ein Stückchen Magnesiumband in eine Brennerflamme und schaut, was passiert. Nicht in die grelle Flamme schauen!

Aus dem Brennstoff entstehen immer Produkte, die neue Eigenschaften aufweisen. Außerdem gibt es beim Verbrennungsvorgang unterschiedliche Wärmeentwicklungen. Daraus kann man folgern, dass der Verbrennungsvorgang ein chemischer Vorgang ist, der exotherm abläuft. Die freiwerdende Wärme nennt man Verbrennungswärme. Sie kann bei einzelnen Stoffen sehr unterschiedliche Werte haben.

Will man eine Verbrennung schnell in Gang bringen, muß man den Stoff vorher erhitzen und die Aktivierungsenergie liefern, die die chemische Reaktion auslöst. Die Temperatur, die ein Stoff durch Wärmezufuhr erreichen muß, damit der Verbrennungsvorgang an Luft einsetzt, wird Entzündungstemperatur genannt.

Tabelle 1: Entzündungstemperatur (in °C)
Phosphor (weiß) 50
Ether 180
Benzin 200 - 300
Torf 225
Holz 300
Heizöl 650
Die Verbrennung - eine exotherm verlaufende chemische Reaktion
Bild 1. Die Verbrennung ist eine exotherm verlaufende chemische Reaktion.
 
Lege ein Knäuel aus dünner Stahlwolle auf eine Balkenwaage und zünde es an.
Bild 2
 

Verbrennung in einem abgeschlossenen Luftvolumen

 
Stelle eine brennende Kerze auf eine schwimmende Korkscheibe und stülpe eine Gasmeßglocke darüber (Bild1). Was passiert mit der Kerze? Nach Versuchsende führt man schnelle einen brennenden Holzspan in den restlichen Luftraum ein.
Kerze in abgeschlossenem Luftvolumen
Bild 1. Eine Kerze brennt in einem abgeschlossenen Luftvolumen.

Der oder die am Verbrennungsvorgang beteiligten Stoffe müssen nach unseren Beobachtungen aus der Luft stammen.

Der Aufbau von Versuch 3 ist geeignet, um die Änderung des Luftvolumens während einer Verbrennung zu beobachten. Der Versuch zeigt, dass bei der Verbrennung nur ein Teil der Luft verbraucht wird und der Rest der Luft in der Gasmeßglocke die Flamme erstickt. Diesen Luftrest nennt man aufgrund ähnlicher Beobachtungen Stickstoff. Also ist der andere Teil für die Unterhaltung der Verbrennung verantwortlich - das Element Sauerstoff.

Bekanntlich bestehen die Gase Sauerstoff und Stickstoff aus Molekülen mit zwei Atomen, daher formuliert man O2 (Sauerstoff) und N2 (Stickstoff). Die tief gestellte zahl besagt, dass das Molkül aus zwei Atomen besteht und dass Stickstoff und Sauerstoff molekular vorkommen.

 
Die Vereinigung eines Stoffes mit Sauerstoff ist eine Oxidation
 
Bei der Verbrennung eines Elements tritt Massenzunahme ein
 
Die bei der Verbrennung abgegebene Verbrennungswärme ist für einen Stoff typisch

Die Verbrennung ist eine Oxidation

Verbrennt man Erdgas oder Benzin, kann man beobachten, dass als Reaktionsprodukte Gase entstehen. Wenn man Eisen verbrennt, kann man beobachten, dass es eine Massenzunahme gibt. (Bild 2). Wenn Eisen als ein Element bei der Verbrennung schwerer wird, kann es sich nur mit dem Sauerstoff verbunden haben, der bekanntlich bei der Verbrennung verbraucht wird. Bei der Verbindung eines Elements mit Sauerstoff, entstehen neue Verbindungen, die man in der Chemie als Oxide bezeichnet. Den Vorgang der Verbrennung nennt man Oxidation.

Nun ist man in der Lage, Formel- und Wortgleichungen für den Vorgang der Verbrennung zu formulieren:

 
Bei der Verbrennung wird Sauerstoff (der Luft) verbraucht
 
Stelle die Bildungsgleichungen für die folgenden Oxide aus den Elementen auf:
  • $ \mathrm { CO_{2} } $
  • $ \mathrm { HgO } $
  • $ \mathrm { Ag_{2}O } $
  • $ \mathrm { Fe_{2}O_{3} } $
  • $ \mathrm { CaO } $

$ \mathrm { 2 \ Cu+O_{2} \; \longrightarrow \; 2 \ CuO } $
Kupfer + Sauerstoff → Kupferoxid

$ \mathrm { 2 \ Mg+O_{2} \; \longrightarrow \; 2 \ MgO } $
Magnesium + Sauerstoff → Magnesiumoxid

$ \mathrm { 2 \ Zn+O_{2} \; \longrightarrow \; 2 \ ZnO } $
Zink + Sauerstoff → Zinkoxid

$ \mathrm { 4 \ Al+3O_{2} \; \longrightarrow \; 2 \ Al_{2}O_{3} } $
Aluminium + Sauerstoff → Aluminiumoxid

$ \mathrm { S+O_{2} \; \longrightarrow \; SO_{2} } $
Schwefel + Sauerstoff → Schwefeldioxid

Tabelle 2: Verbrennungsvorgänge
Bennstoff Verbrennungsablauf Verbrennungsprodukt
Holz leuchtend gelbe Flamme Holzkohle, Asche
Erdgas kaum leuchtende Flamme gasförmig, Wasserdampf
Petroleum leuchtende, rußende Flamme gasförmig, Ruß, Wasserdampf
Magnesium grelle Flamme weißer Feststoff
Zink fahlgrüne Flamme gelbweißer Feststoff
Tabelle 3: Verbrennungswärme (in kJ / mol)
Wasserstoff 285
Schwefel 293
Kupfer 158
Magnesium 603
Zink 349
Ethanol 1370
Methanol 729
Benzin 4156
Kohlenstoff-monoxid 285
Benzol 3281