Das Thema Brandbekämpfung im Chemieunterricht

Demonstrationen zur Brandbekämpfung

Stoffe:	Holzscheit, Holzplatte, Holzwolle, Holzspäne, evt. Kerze, Sauerstoff und Kohlenstoffdioxid aus der Gasflasche, Quarzsand, Mehl oder Speisestärke, evt. Bärlappsporen, evt. Druckluft, Kokosfett, Benzin (Kp. 40-65°C), Lampenöl oder Heizöl, Natriumhydrogensulfat oder Citronensäure, Natriumhydrogencarbonat, evt. Brausetabletten, Magnesium gepulvert oder Magnesiumspitzer, Geschirrspülmittel, destilliertes Wasser in Spritzflasche
Geräte:	Standzylinder oder Erlenmeyerkolben weithals 1000ml aus Duranglas, evt. Verbrennungslöffel, Glasrohr (Länge ca. 60cm, Dicke 3cm), Salzstreuer, Silo für Staubexplosionen, Metalltiegel (d=3cm), Vierfuß mit Ceranplatte, Stativ, Brenner, 2x Abdampfschale aus Porzellan (d=5cm), Thermometer bis 200°C, Becherglas hohe Form 250ml, Löffel, Dreifuß mit Tondreieck, feuersichere Platte, Gasanzünder
	Bei allen Demonstrationen ist für ausreichend Feuerschutz zu sorgen (feuersichere Unterlage, Feuerlöscher bereithalten, etc.) und eine Schutzbrille zu tragen!

Inhalt:
Didaktische Bemerkungen
Demonstration 1: Rolle des Sauerstoffs bei Verbrennungen
Demonstration 2: Flammenwerfer aus Mehlstaub
Demonstration 3: Zündpunkt und Fettbrand
Demonstration 4: Flammpunkt - Das Löschen von brennenden Flüssigkeiten
Demonstration 5: Das Löschen mit Wasser und mit Schaum
Demonstration 6: Metallbrand
Zusammenfassung

Didaktische Bemerkungen:
Schon die Demonstrationen bei der Einführung des Themas Oxidation zeigten, dass der Sauerstoff bei Verbrennungen notwendig ist. Für die Feuerwehr spielt nicht nur die Sauerstoffzufuhr bei einem Brand eine Rolle, sondern auch der Zerteilungsgrad und die Art des Brennstoffs. Bevor wirksame Maßnahmen zur Brandeindämmung vorgeführt werden, sollen zunächst Möglichkeiten aufgezeigt werden, um ein Feuer zu verstärken. Mit Hilfe dieses Wissens gelingt es, Feuerlöschmaßnahmen auszuarbeiten.

Über ein Gespräch wird gemeinsam mit den Schülern erarbeitet, wie ein Pfadfinder im Wald ein Feuer anmacht. Bei dem Gespräch werden die Regeln zum Feueranmachen genannt: Zuerst kommt das Papier, dann werden die dünnen Hölzer über das Papier gelegt und zum Schluss baut man ein "Zelt" mit den dickeren Hölzern. Das Anbrennen kann durch Hineinblasen beschleunigt werden. Noch nachhaltiger ist es, wenn man dies alles mit den Schülern selbst im Schulhof ausprobiert und die Gründe über mögliche Hindernisfaktoren diskutiert.

Demonstration 1: Rolle des Sauerstoffs bei Verbrennungen

Ein Büschel Holzwolle wird zunächst auf dem Tisch auf einer feuersicheren Unterlage verbrannt. Dann füllt man einen Standzylinder oder einen großen Erlenmeyerkolben aus Duranglas (Weithals 1000ml) mit reinem Sauerstoff und einen zweiten mit reinem Kohlenstoffdioxid aus der Gasflasche (>vgl. Demonstrationen mit Sauerstoff). Beim Zylinder mit reinem Sauerstoff wird der Boden mit einer Schutzschicht aus Quarzsand bedeckt. Alternativ zur Holzwolle könnte auch eine brennende Kerze verwendet werden.

Brennende Kerze in reinem Sauerstoff Bild vergrößern nur auf CD-ROM

Beobachtungen:
Es wird gezeigt, dass die Holzwolle oder die Kerze im reinen Sauerstoff viel schneller und mit hellerer Flamme abbrennt und im Kohlenstoffdioxid die Flamme erstickt.

Didaktische Hinweise:
Zu der Demonstration kann der Hinweis erfolgen, dass beim autogenen Schweißen mit einem Brenngas und mit reinem Sauerstoff gearbeitet wird. Beim Schneidbrennen erreicht man bei Wasserstoff-Sauerstoff-Gemischen sogar eine Temperatur von mehr als 2500°C. Ein mit Wasserstoff und Sauerstoff betriebener Daniellscher Hahn erreicht ebenfalls diese Temperatur.

Schneidbrennen mit dem Daniellschen Hahn Bild vergrößern nur auf CD-ROM

Demonstration 2: Flammenwerfer aus Mehlstaub

Zuerst wird den Schülern eine Packung Mehl gezeigt und behauptet, dass man damit einen Sprengstoff herstellen könne. Die Schüler sollen Vermutungen äußern, wie das funktionieren könnte. Im Anschluss liest man den Zeitungsbericht einer Mehlstaubexplosion vor und führt erst danach die Demonstration durch.
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Man nimmt ein Glasrohr von mindestens 50cm Länge und 3cm Dicke und füllt das hintere Ende auf einer Länge von 10cm mit Mehl. Das Rohr sollte nicht gestopft voll sein, damit noch Luft über das Mehl streichen kann und es sich gut zerteilt. Am besten gelingt es, wenn man feine Speisestärke nimmt und diese vorher im Trockenschrank gut trocknet. Am Ende des Tisches stellt man einen Gasbrenner auf und entzündet die Gasflamme. Dann bläst man vom vorderen Ende her kräftig durch das Glasrohr, so dass sich das Mehl fein zerstäubt. Die Demonstration kann auch mit verschiedenen anderen brennbaren Stoffen durchgeführt werden, z.B. mit Bärlappsporen, um zu zeigen, dass nicht jeder Brennstoff gleich reagiert. Es ist aber unbedingt darauf zu achten, dass man beim Einatmen der Atemluft nicht versehentlich den Staub ansaugt. Der eingeatmete Staub kann die Atemwegsorgane reizen, es empfiehlt sich, diesen Versuch nicht von Schülern vorführen zu lassen, sondern die Demonstration selbst gut zu üben. Bestimmte Holzstaubsorten gelten als krebserzeugende Arbeitsstoffe, daher sollten diese nicht verwendet werden.

Film: Flammenwerfer aus Mehlstaub fein verteilter Mehlstaub verbrennt in einer Stichflamme

Film nur auf CD-ROM vorhanden

Beobachtungen:
Das zerteilte Mehl verbrennt in einer großen Stichflamme.

Variationen:
Zunächst wird gezeigt, dass ein dickes Stück Holz nur schwer anzündbar ist. Selbst wenn es anfänglich brennt, geht die Flamme wieder aus, das Stück glimmt lediglich weiter. Holzspäne dagegen lassen sich bereits mit einem Streichholz entzünden, sie brennen gut, da mehr Sauerstoff hinzukommt und die Verbrennung wesentlich schneller abläuft.


Glimmender Holzblock Bild vergrößern nur auf CD-ROM	Holzspäne brennen gut Bild vergrößern nur auf CD-ROM

Nun füllt man einen großen Salzstreuer mit sorgfältig getrockneten Bärlappsporen und streut dieses in eine Kerzenflamme. Dabei kann schon eine Stichflamme entstehen, daher sind bei dieser Vorführung feuerfeste Lederhandschuhe und eine Schutzbrille zu tragen. Bei den Lehrmittelverlagen ist ein Silo aus Glas oder aus Plexiglas zur Durchführung von Mehlstaubexplosionen erhältlich. Ein solches Gerät lässt sich auch selbst bauen. Durch einen seitlich unten angesetzten Schlauch wird ein kräftiger Luftstrom in einen kleinen Behälter geblasen, der mit dem Staub gefüllt ist. Dadurch zerteilt sich der Staub und wird durch die brennende Kerze im Silo entzündet. Da die Kerze selbst Sauerstoff verbraucht, sollte sie erst unmittelbar vor der Versuchsdurchführung mit einem langen Gasanzünder angezündet werden. Die Mehlstaubexplosion im Modell-Silo gelingt am besten mit Druckluft, aber auch durch Blasen von Atemluft durch den angesetzten Schlauch. Reiner Sauerstoff sollte auf gar keinen Fall verwendet werden.


Brennender Staub aus dem Salzstreuer Bild vergrößern nur auf CD-ROM	Mehlstaubexplosion im Modell-Silo Bild vergrößern nur auf CD-ROM

Demonstration 3: Zündpunkt und Fettbrand

Diese Demonstration zeigt durchaus realistisch, welche Gefahren in der Küche oft lauern. Auf einem feuersicheren Tisch (und mit einer genügend hohen Decke im Raum) setzt man einen kleinen Metalltiegel aus Edelstahl auf ein Tondreieck, dass sich auf einem Dreifuß befindet, und füllt ihn zur Hälfte mit Kokosfett. Wird der Tiegel mit Hilfe einer Universalklemme in ein Stativ gespannt, ist unbedingt darauf zu achten, dass die Klemme aus Edelstahl besteht, da sie sonst durchschmilzt. Dann stellt man einen Brenner darunter, so dass die nicht leuchtende Flamme mit voller Kraft den Tiegel erhitzt. Gleichzeitig wird den Schülern eine Geschichte erzählt, z.B.:

"Stellt euch vor, einem Freund von mir ist neulich folgendes passiert: Er war für mehrere Tage alleine im Haushalt und musste selbst kochen. Er wollte sich in der Küche ein Steak braten und gab dazu in die Bratpfanne etwas Fett und stellte diese auf den Herd. Gerade in diesem Moment läutete das Telefon im anderen Raum, und er ging in das Wohnzimmer. Am anderen Ende der Leitung war sein Freund, der ihm von großen Problemen erzählte...

(Hier werden Probleme geschildert (z.B. Trennung von Freundin, Geldnöte, etc., je nach Dauer des gleichzeitig ablaufenden Versuchs. Sobald das Fett sich von alleine entzündet hat, fährt man mit der Geschichte fort.)

Plötzlich hörte er ein Geräusch in der Küche und rannte sofort hinüber. Das Fett in der Pfanne brannte lichterloh. Was machte er also, um den Brand zu löschen? Er nahm eine Schüssel mit Wasser und goss das Wasser in die Pfanne..."

An dieser Stelle spritzt man mit einer Spritzflasche Wasser aus sicherer Entfernung in das brennende Fett. Die Treffsicherheit wird erhöht, wenn man sich mit dem Wasserstrahl langsam nähert.

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Beobachtungen:
Das Fett entzündet sich nach einer Weile von alleine. Beim Löschversuch mit Wasser flammt das Feuer in einer riesigen Stichflamme auf, wobei große Hitze von dem brennenden Fett ausgeht. Selbst nach diesem "Löschversuch" ist das brennende Fett noch nicht gelöscht. Man demonstriert nun, wie man es richtig macht und deckt den Tiegel mit einer Keramikplatte ab. Der abgedeckte Tiegel wird sofort in eine Kapelle gestellt, damit sich die bildenden, giftigen Dämpfe nicht im Raum verteilen.

Ergänzende Informationen:
Viele Stoffe entflammen auch ohne Flamme, sobald ihre Zündtemperatur (Zündpunkt) überschritten wird. Voraussetzung dafür ist der Zugang zu Luftsauerstoff. In einem geschlossenen Raum entflammen diese Stoffe dagegen nicht.

Brennstoff	Zündtemperatur (ca.)
Phosphor	60°C
Schwefelkohlenstoff	102°C
Benzin	220-300°C
Schwefel	250°C
Fichtenholz	280°C
Fett	300°C
Zucker	410°C
Roggenmehl	500°C

Demonstration 4: Flammpunkt - Das Löschen von brennenden Flüssigkeiten

Auf einer feuersicheren Unterlage wird in eine kleine Porzellanschale (d=5cm) 20ml Benzin (Siedepunkt 40-65°C) gegeben und mit einem brennenden Holzspan entzündet. Dabei sollen die Schüler darauf achten, in welcher Höhe über dem Flüssigkeitsspiegel bereits eine Zündung stattfindet. Nun unternimmt man einen "Löschversuch" und spritzt mit der Spritzflasche kräftig Wasser in die Schale, so dass das Benzin über die Wand herausschwappt. Nach diesem erfolglosen Versuch, zeigt man, wie man es richtig macht und deckt die Schale mit einer Keramikplatte oder einer Löschdecke ab (Sauerstoffentzug).

Beobachtungen:
Das Benzin verteilt sich auf dem Tisch und brennt weiter. Der Brand hat sich wesentlich ausgebreitet.

Ergänzende Informationen:
Die Brennbarkeit von Flüssigkeiten wird nach der Flammtemperatur (Flammpunkt) beurteilt. Bei dieser Temperatur entwickelt die Flüssigkeit Dämpfe, so dass diese über der Flüssigkeit mit Luft vermischt durch eine Zündquelle entflammbar sind (genormt auf 1013mbar Luftdruck). Besonders problematisch sind wasserunlösliche Stoffe mit einem niedrigen Flammpunkt. Nach der heute nicht mehr gültigen deutschen Verordnung über brennbare Flüssigkeiten (VbF) teilte man früher entzündliche Stoffe nach Gefahrklassen ein. Trotzdem soll die Tabelle noch angeführt werden, da sie einen guten Überblick über das Gefahrenpotential von entzündlichen Stoffen vermittelt. Stoffe der früheren Gefahrklasse A I wie das Benzin lassen sich bereits bei Raumtemperatur mit einer Streichholzflamme entzünden. Gruppe A: nicht wasserlösliche brennbare Flüssigkeiten (aus der Verordnung für brennbare Flüssigkeiten (VbF), bis Ende 2002 in Deutschland gültig; abgelöst durch die Betriebssicherheitsverordnung)

Gefahrklasse	Temperaturbereich	Beispiele
früher Gefahrklasse A I	Flammpunkt unter 21°C	Benzin, Ether
früher Gefahrklasse A II	Flammpunkt 21-55°C	Petroleum
früher Gefahrklasse A III	Flammpunkt 55-100°C	Diesel, Heizöl, Lampenöl

Gruppe B: wasserlösliche brennbare Flüssigkeiten

Gefahrklasse	Temperaturbereich	Beispiele
früher Gefahrklasse B	Flammpunkt unter 21°C	Ethanol, Aceton

Flüssigkeiten der Gruppe A schwimmen aufgrund ihrer geringeren Dichte auf dem Wasser, so dass sich der Brand bei einem Löschversuch noch ausdehnt. Flüssigkeiten der Gruppe B können theoretisch mit Wasser gelöscht werden.

Variationen:
Mit geeigneten Stoffen kann man eine Flammtemperaturbestimmung vorführen. Ein kleiner Porzellantiegel (5cm) wird auf eine Ceranplatte im Vierfuß gestellt und mit Lampenöl oder Heizöl gefüllt, so dass ein Thermometerfühler gerade noch eintauchen kann. Wird ein Alkoholthermometer verwendet, empfiehlt sich der Einsatz eines Thermometers mit einem Temperaturbereich von bis zu 200°C. Aber auch ein digitaler Thermometer zur Demonstration lässt sich verwenden. Quecksilberthermometer sollten im Schulversuch auf gar keinen Fall eingesetzt werden. Nun erhitzt man die Ceranplatte von unten mit dem Brenner und heizt das Öl langsam hoch. Gleichzeitig wird im Sekundenabstand mit der Flamme eines Gasanzünders über die Flüssigkeit gewedelt.

Einfache Apparatur zur Bestimmung der Flammtemperatur Bild vergrößern nur auf CD-ROM

Beobachtungen:
Bei einer bestimmten Temperatur entzündet sich das Öl. Oft brennt das Öl zunächst mit einer kleinen, fast unsichtbaren Flamme, bevor die Flamme beim weiteren Hochheizen immer größer wird. Beim Lampenöl liegt die Flammtemperatur zwischen 60 und 80°C, beim Heizöl darüber.

Hinweis:
Der hier gezeigte Apparaturaufbau entspricht nicht der genormten Anordnung zur Bestimmung der Flammtemperatur. Hierfür müsste der Thermometer und die Flamme bei jedem Anstieg um 1°C herausgenommen und wieder neu in die Flüssigkeit eingeführt werden, damit die Geräte die Bestimmung nicht beeinflussen. Außerdem ist der Abstand von der Flamme zur Flüssigkeit genau festgelegt. Daher misst man mit der oben gezeigten Anordnung in der Regel eine zu hohe Flammtemperatur.

Demonstration 5: Das Löschen mit Wasser und mit Schaum

a) Löschen mit Wasser
Auf einem Dreifuß wird ein kleines Feuer mit Holzspänen entfacht. Die Vorgänge beim Löschen mit Wasser sollen genau beobachtet werden.

Beobachtungen:
Beim Löschen zischt es und Wasser verdampft in einer Dampfwolke.

Theorie:
Das kalte Wasser kühlt die brennenden Stoffe so ab, dass die Zündtemperatur unterschritten wird. Das Wasser und vor allem der auftretende Wasserdampf unterbinden die Luftzufuhr. Nach diesem Prinzip funktionieren die Sprinkleranlagen in Gebäuden. Ein Glasröhrchen ist mit einer Flüssigkeit gefüllt, z.B. Alkohol, die ab einer bestimmten Temperatur zu sieden beginnt, so dass das Röhrchen platzt. Dadurch wird ein Pfropfen herausgeschleudert, der eine Wasserleitung öffnet. Bei anderen Sprinklern schmilzt ein Metall mit niedrigem Schmelzpunkt, beispielsweise eine Galliumlegierung, so dass eine Feder aufspringt und den Wasserstrahl freigibt.


Sprinkler mit Flüssigkeit im Glasröhrchen Bild vergrößern nur auf CD-ROM	Sprinkler mit Metalllegierung und Federbolzen Bild vergrößern nur auf CD-ROM

Aufbau von Feuerlöschern:
Nasslöscher enthalten Wasser als Löschflüssigkeit. Eine Patrone mit komprimiertem Kohlenstoffdioxid innerhalb des Feuerlöschers treibt das Wasser nach dem Schlagen auf einen Schlagstift aus dem Feuerlöscher.

Nicht alle Brände dürfen jedoch mit Wasser gelöscht werden. Bei Bränden von Flüssigkeiten, Gasen oder Metallen verstärkt das Löschen mit Wasser sogar den Brand. Für solche Brände sind spezielle Löschmittel notwendig. Im Kohlensäureschnee-Löscher befindet sich ein Druckbehälter mit flüssigem Kohlenstoffdioxid. Durch das Betätigen des Feuerlöschers entweicht flüssiges Kohlenstoffdioxid, das durch den Druckabfall sofort gefriert, wobei sich Kohlenstoffdioxid-Schnee bildet. Der Schnee besitzt eine Temperatur von -78°C und kühlt die brennenden Stoffe ab. Außerdem wirkt das Kohlenstoffdioxid erstickend.


Kohlenstoffdioxid-Löscher Bild vergrößern nur auf CD-ROM	Feuerlöscher mit ABC-Pulver und Schaumlöscher Bild vergrößern nur auf CD-ROM

a) Löschen mit Schaum
Schaumlöscher erzeugen beim Löschen einen Schaum, der mit Kohlenstoffdioxid-Bläschen gefüllt ist. Zur Erzeugung von Kohlenstoffdioxid gibt man in ein hohes 250ml-Becherglas 50ml Wasser und fügt je einen Teelöffel Natriumhydrogensulfat und Natriumhydrogencarbonat (Natron) hinzu. Das Sprudeln zeigt die Gasentwicklung an, ein hineingehaltenes brennendes Streichholz erlischt. Zur Erzeugung eines Schaums wiederholt man den Versuch und gibt vorher in das Wasser einen Tropfen Pril.

Beobachtungen:
Im Becherglas steigt Schaum auf, der zum Löschen geeignet ist.

Theorie:
Bei der Reaktion von Natron mit Natriumhydrogensulfat entsteht Kohlenstoffdioxid, das die Schaumbläschen füllt. Die Demonstration gelingt auch, wenn man statt Natriumhydrogensulfat Citronensäure oder Weinsäure nimmt. Alternativ dazu können auch Brausetabletten verwendet werden. Schaumlöscher eignen sich zum Löschen für brennbare Flüssigkeiten.

Mit ein wenig Geschick kann man sich selbst einen Feuerlöscher aus einer leeren Sprudelflasche und einer aufgesetzten Düse bauen. Die Zutaten dafür sind in jeder Drogerie erhältlich.

Sehr verbreitet sind auch spezielle Löschpulver, die mit Stickstoff oder Kohlenstoffdioxid aus dem Feuerlöscher getrieben werden. ABC-Pulver (Glutbrandpulver, PG) eignet sich zum Löschen von Bränden der Brandklassen A, B und C. Es enthält ein Gemisch aus Ammoniumphosphaten und Ammoniumsulfat. Die Ammoniumsalze schmelzen in der Hitze und wirken dann absperrend.


Bild vergrößern nur auf CD-ROM	Bild vergrößern nur auf CD-ROM

Die neue Brandklasse F ist seit Januar 2005 in die DIN-Norm EN 2 aufgenommen worden. Fette und Speiseöle gehören eigentlich in die Brandklasse B. Werden Fettbrände mit Wasser oder aber auch mit Schaumlöschern gelöscht, können sich Fettexplosionen ereignen. Auch Pulverlöscher und Kohlenstoffdioxidlöscher sind wenig sinnvoll, da nach Abnahme der Löschmittelkonzentration das erhitzte Fett wieder von selbst zu brennen beginnt. Löschdecken sind ebenfalls nicht geeignet, da sie bei einem Fettbrand durchbrennen. Die nun erhältlichen Fettbrandlöscher enthalten eine besondere Düse und ein Löschmittel, das sich mit dem Fett in Schmierseife umwandelt. Einen Fettbrand kann man jedoch auch durch das Aufsetzen eines Kochtopfdeckels löschen.

Die frühere Brandklasse E - für Brände in elektrischen Anlagen bis 1000 Volt - wurde gestrichen, da die meisten Feuerlöschgeräte bei Niederspannungsanlangen eingesetzt werden können, sofern man genügend Abstand einhält.

Demonstration 6: Metallbrand

Dieser Versuch wird zur Sicherheit am besten im Freien durchgeführt. Auf eine feuerfeste Unterlage wird ein kleines, ca. 3cm hohes Häufchen Magnesiumpulver gegeben. Am besten verwendet man ein Holzplättchen auf einer Keramikfließe. Das Holz verhindert das Wegspicken des brennenden Magnesiums. Dann entzündet man das Magnesium mit einem Brenner und wartet, bis sich die weiße Flamme etwas ausgebreitet hat. Dann spritzt man aus sicherer Entfernung mit einer Spritzflasche Wasser auf den Metallbrand.


Löschversuch bei brennendem Magnesium Bild vergrößern nur auf CD-ROM	Reaktionsprodukt: Magnesiumoxid ("Magnesia") Bild vergrößern nur auf CD-ROM

Beobachtungen:
Das Magnesium verbrennt nach dem Löschversuch mit Wasser noch viel heftiger mit sehr grellem Licht. Dabei entstehen so hohe Temperaturen, dass die Unterlage in manchen Fällen zerbricht (Bild oben links). Beim Ausbrennen steigen weiße Fäden empor und man erhält ein weißes Reaktionsprodukt (Bild oben rechts).

Theorie:
Beim Löschen von Metallbränden mit Wasser wird das Wasser teilweise zersetzt und es entsteht Wasserstoff. Diese Reaktion erfolgt explosionsartig, wobei der Wasserstoff ein zusätzlich entstandener Brennstoff ist.

Variation:
Die Demonstration gelingt evt. auch mit einem Magnesiumspitzer, den man mit einer kräftigen Flamme einer Lötlampe an einem Eck entzündet.

Zusammenfassung:
An der Tafel wird das Gefahrendreieck erarbeitet. Zum Löschen eines Brandes muss mindestens eine der drei Voraussetzungen für einen Brand entfernt werden:

Die Unterbrechung der Luftzufuhr erreicht man mit Löschdecken, mit Schaumlöschern oder Pulverlöschern. Das Abkühlen unter die Zündtemperatur erfolgt mit Wasser, bzw. mit Wasserdampf. Der Entzug des Brennstoffes wird bei Waldbränden durch das Ausheben von breiten Gräben oder das Schlagen von Schneisen angewendet.

Copyright: T. Seilnacht

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