Luft, Sauerstoff, Oxidation und Verbrennung
Du stülpst ein Glas über eine brennende Kerze. Nach kurzer Zeit geht die Flamme aus. Ohne Luft brennt nichts. Warum eigentlich, und was steckt in der Luft?
Du lernst, woraus Luft besteht, was eine Verbrennung ist und wie man Brände löscht.
Zusammensetzung der Luft
Luft ist ein Gemisch aus Gasen, wie du aus Klasse 5 und 6 weißt. Die Prozentangaben beziehen sich auf das Volumen: 21 % Sauerstoff heißt 21 Liter Sauerstoff in 100 Litern Luft.
| Gas | Anteil in der Luft (etwa) |
|---|---|
| Stickstoff | 78 % |
| Sauerstoff | 21 % |
| Argon (ein Edelgas, reagiert kaum) | knapp 1 % |
| Kohlenstoffdioxid | 0,04 % |
Dazu kommen Wasserdampf, dessen Menge schwankt, und winzige Spuren weiterer Gase. Sauerstoff macht etwa ein Fünftel der Luft aus.
Wie viel Sauerstoff steckt im Zimmer?
Wie viel Sauerstoff steckt im Zimmer?
Ein Zimmer enthält 50 Kubikmeter (m³) Luft. Wie viel Sauerstoff ist das ungefähr?
Sauerstoff macht etwa 21 % der Luft aus. 21 % sind 21 von 100, also 0,21.
50 m³ mal 0,21 sind 10,5 m³. Im Zimmer stecken etwa 10,5 m³ Sauerstoff. Der Rest, etwa 39,5 m³, besteht vor allem aus Stickstoff und den übrigen Gasen.
Luftschadstoffe
Bei Verbrennungen von Kohle, Öl, Benzin oder Holz gelangen Stoffe in die Luft, die der Gesundheit und der Umwelt schaden. Man nennt sie Luftschadstoffe.
| Schadstoff | Entsteht vor allem | Wirkung |
|---|---|---|
| Kohlenstoffmonoxid | bei Verbrennung mit zu wenig Sauerstoff (Heizungen, Motoren, Grill) | giftig, farblos und geruchlos |
| Stickstoffoxide | in heißen Motoren und Feuerungen | reizen die Atemwege, tragen zu saurem Regen bei |
| Schwefeldioxid | beim Verbrennen von schwefelhaltiger Kohle oder Öl | reizt die Atemwege, trägt zu saurem Regen bei |
| Feinstaub und Ruß | Verkehr, Heizungen, Industrie | gelangen tief in die Lunge |
Saurer Regen ist Regen, der Pflanzen und Gebäude angreift. Grillen und Heizen mit Kohle gehören nie in einen geschlossenen Raum, weil sich dort Kohlenstoffmonoxid sammelt.
Sauerstoff
Sauerstoff ist das Gas in der Luft, das wir zum Atmen brauchen und das Feuer nährt.
Eigenschaften: Sauerstoff ist farblos, geruchlos und geschmacklos. In Wasser löst er sich nur wenig, aber genug, dass Fische davon atmen können. Er ist etwas dichter als Luft. Er brennt nicht selbst, aber in reinem Sauerstoff brennen Stoffe viel heftiger als in Luft.
Darstellung im Versuch (nur mit der Lehrkraft, mit Schutzbrille): Du gibst verdünnte Wasserstoffperoxid-Lösung auf Braunstein. Der Braunstein ist hier der Katalysator, den du aus der letzten Lektion kennst. Das Gas fängst du über Wasser in einem Standzylinder auf. In großen Mengen gewinnt man Sauerstoff aus der Luft. Man kühlt sie stark ab, bis sie flüssig ist, und trennt die Bestandteile nach ihren Siedetemperaturen.
Nachweis: Du hältst einen glimmenden Holzspan in das Gas. Er flammt hell auf (Glimmspanprobe).
Kohlenstoffdioxid und sein Nachweis
Kohlenstoffdioxid entsteht bei fast jeder Verbrennung von Stoffen, die Kohlenstoff enthalten, also auch von Holz, Kerzenwachs, Erdgas und Benzin.
Eigenschaften: Es ist farblos und geruchlos. Es ist schwerer als Luft, du kannst es wie Wasser in ein Gefäß „gießen“, und es sinkt nach unten. Es erstickt Flammen. In Wasser löst es sich ein wenig, in Sprudelwasser steckt es.
Nachweis (mit Schutzbrille): Du leitest das Gas in klares Kalkwasser. Es wird milchig trüb. Das kennst du aus Klasse 5 und 6.
Verbrennung, Oxidation und Oxide
Eine Verbrennung ist eine Reaktion eines Stoffes mit Sauerstoff, bei der Wärme und meist Licht frei werden. Du siehst eine Flamme, oder der Stoff glüht. Sie ist also exotherm.
Allgemeiner heißt jede Reaktion eines Stoffes mit Sauerstoff Oxidation. Der neue Stoff, der dabei entsteht, heißt Oxid. Die Verbrennung ist eine schnelle Oxidation mit Feuer. Rosten ist eine langsame Oxidation ohne Flamme.
Metalle bilden Metalloxide. Nichtmetalle sind Stoffe wie Kohlenstoff und Schwefel, die keine Metalle sind. Sie bilden Nichtmetalloxide.
| Stoff | Wortgleichung | Oxid |
|---|---|---|
| Magnesium (Metall) | Magnesium + Sauerstoff → Magnesiumoxid | weißer Feststoff |
| Eisen (Metall) | Eisen + Sauerstoff → Eisenoxid | grauschwarzer Feststoff (Eisenwolle verbrannt) |
| Kohlenstoff (Nichtmetall) | Kohlenstoff + Sauerstoff → Kohlenstoffdioxid | Gas |
| Schwefel (Nichtmetall) | Schwefel + Sauerstoff → Schwefeldioxid | Gas, stechend riechend und giftig |
Metalloxide sind meist Feststoffe. Nichtmetalloxide sind oft Gase.
Zündtemperatur und Zerteilungsgrad
Damit etwas brennt, müssen drei Dinge zusammenkommen: ein brennbarer Stoff, Sauerstoff und genug Wärme. Die nötige Wärme legt die Zündtemperatur fest. Das ist die niedrigste Temperatur, bei der sich ein Stoff mit Sauerstoff entzündet. Jeder Stoff hat seine eigene. Ein Holzscheit liegt bei Zimmertemperatur in der Luft und brennt nicht, weil er die Zündtemperatur nicht erreicht.
Der Zerteilungsgrad sagt, wie fein ein Stoff zerkleinert ist. Je feiner, desto mehr Oberfläche berührt den Sauerstoff, und desto schneller verbrennt der Stoff. Ein Holzscheit brennt langsam, Späne brennen schnell, und Sägemehl oder Mehlstaub in der Luft kann sogar explodieren. Ein Eisennagel glüht nur, Eisenwolle verbrennt mit Funken.
Löschen und Brandschutz
Zum Löschen nimmst du eine der drei Bedingungen weg:
| Maßnahme | Welche Bedingung entfällt? |
|---|---|
| Gashahn zudrehen, Brennstoff entfernen | brennbarer Stoff |
| Löschdecke, Deckel, Schaum, Kohlenstoffdioxid-Löscher | Sauerstoff |
| Wasser | Temperatur sinkt unter die Zündtemperatur |
Brandschutz heißt: Brände verhindern und im Ernstfall richtig handeln. Rauchmelder warnen früh, Fluchtwege bleiben frei. Bei einem Brand bringst du dich zuerst in Sicherheit und rufst die Feuerwehr unter 112. Gelöscht wird nur, wenn es ungefährlich ist.
Fettbrand in der Pfanne nie mit Wasser löschen: Das Wasser verdampft schlagartig und schleudert brennendes Fett heraus. Elektrische Geräte löschst du nicht mit Wasser.
Fett in der Pfanne brennt
Fett in der Pfanne brennt
In der Küche fängt heißes Fett in der Pfanne an zu brennen. Was tust du, und welche Bedingung der Verbrennung nimmst du weg?
Du schaltest den Herd aus und legst einen Deckel auf die Pfanne. Er hält den Sauerstoff fern. Ohne Sauerstoff erlischt das Feuer. Die Pfanne bleibt stehen, bis sie abgekühlt ist. Du löschst nie mit Wasser. Wird das Feuer größer, verlässt du die Küche und rufst die Feuerwehr unter 112.
Luft besteht nur aus Sauerstoff
Luft besteht nur aus Sauerstoff
„Wir atmen Sauerstoff ein und Kohlenstoffdioxid aus. Die Luft besteht also aus Sauerstoff.“
Sauerstoff ist nur etwa ein Fünftel der Luft. Den größten Teil macht Stickstoff mit etwa 78 % aus. Auch in der ausgeatmeten Luft steckt noch viel Sauerstoff.
Die Kerze unter dem Glas verbraucht allen Sauerstoff
Die Kerze unter dem Glas verbraucht allen Sauerstoff
„Die Kerze geht aus, weil unter dem Glas der ganze Sauerstoff verbraucht ist.“
Es bleibt Sauerstoff übrig, nur nicht mehr genug für die Flamme. Außerdem sind unter dem Glas Kohlenstoffdioxid und Wasserdampf entstanden, die den Sauerstoff verdünnen.
Sauerstoff brennt
Sauerstoff brennt
„In reinem Sauerstoff brennt alles, also brennt Sauerstoff selbst.“
Sauerstoff brennt nicht. Er ist der Stoff, mit dem andere Stoffe reagieren, wenn sie verbrennen. Er macht Feuer heftiger, ist aber selbst kein Brennstoff.
Zusammenfassung
Luft besteht aus etwa 78 % Stickstoff, 21 % Sauerstoff, knapp 1 % Argon und etwa 0,04 % Kohlenstoffdioxid.
Luftschadstoffe wie Kohlenstoffmonoxid, Stickstoffoxide, Schwefeldioxid und Feinstaub entstehen vor allem bei Verbrennungen.
Sauerstoff weist du mit der Glimmspanprobe nach, Kohlenstoffdioxid mit Kalkwasser.
Verbrennung ist die Reaktion mit Sauerstoff unter Feuer. Oxidation ist jede Reaktion mit Sauerstoff, dabei entstehen Oxide.
Metalloxide sind meist fest, Nichtmetalloxide oft Gase.
Zum Brennen braucht es einen brennbaren Stoff, Sauerstoff und die Zündtemperatur. Je feiner der Stoff zerteilt ist, desto schneller verbrennt er.
Gelöscht wird, indem man eine Bedingung wegnimmt. Fettbrände löscht man nie mit Wasser.
Übungen
Welche Aussage über die Luft stimmt?
Luft enthält etwa 21 % Sauerstoff. Wie viele Liter Sauerstoff stecken in 200 Litern Luft?
Du leitest ein farbloses Gas in klares Kalkwasser. Das Kalkwasser wird milchig trüb. Welches Gas war es?
Das Fett in einer Pfanne brennt. Was ist richtig?
Schwefel verbrennt in Sauerstoff. Schreibe die Wortgleichung und sage, ob das Oxid ein Metalloxid oder ein Nichtmetalloxid ist.
Eisenwolle verbrennt mit Funken, ein Eisennagel glüht in der Flamme nur. Erkläre den Unterschied mit dem Wort „Zerteilungsgrad“.