Demonstrationen
zur Brandbekämpfung
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Stoffe:
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Wasserstoff
und Sauerstoff aus der Gasflasche,
Mehl oder Speisestärke, Eisenwolle, Palmin Speisefett, Benzin (Kp.
40-65°C), Holzspäne, Natriumhydrogensulfat oder Citronensäure,
Natriumhydrogencarbonat, Magnesium
gepulvert, Pril, destilliertes Wasser |
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Geräte:
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Daniellscher Hahn, Büchse,
Glasrohr (Länge ca. 60cm, Dicke 3cm), 4,5-Volt-Batterie, Metalltiegel
(d=3cm), Stativ, Brenner, Abdampfschale (d=5cm), Becherglas hohe Form 250ml,
Löffel, Dreifuß, feuersichere Platte |
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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 - Schneidbrenner
Demonstration 2: Zerteilungsgrad
- Mehlstaubexplosion
Demonstration 3: Zündpunkt
- Fettbrand
Demonstration 4: Flammpunkt
- Löschen von brennenden Flüssigkeiten
Demonstration 5: 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 - Schneidbrenner
Eine Daniellscher Hahn wird hinten an einen
Schlauch aus der Wasserstoff-Flasche angeschlossen, die seitliche Zuleitung
wird mit dem Schlauch der Sauerstoff-Flasche verbunden. Nun stellt man
einen schwachen Strom Wasserstoff ein und entzündet den austretenden
Wasserstoff an der Kapillardüse (Knallgasprobe!). Diese Flamme richtet
man auf eine Büchse und unternimmt einen Schneidversuch, der aber
misslingt.
Bei einem zweiten Versuch wird Sauerstoff
in den Daniellschen Hahn zugegeben. Die Gaszufuhr wird so dosiert, dass
eine scharfe, bläuliche Flamme von max. 5cm Länge entsteht. Diese
richtet man auf die Büchse und schneidet ein Stück Blech heraus.
Beobachtungen:
Bei der Zufuhr von Sauerstoff verändert
sich die Form der Flamme, gleichzeitig verfärbt sie sich bläulich.
Beim Brennschneiden des Blechs fliegen glühende Funken weg.
Theorie:
Bei dem Vorgang handelt es sich um Brennschneiden,
da Sauerstoff im Überschuss
zu gegeben wird. Der an der Spitze austretende Wasserstoff erhitzt das
Blech. Der Sauerstoff erhöht die Temperatur der Flamme auf über
3000°C, so dass das Blech schmilzt. Überschüssiger Sauerstoff
oxidiert das Eisen im Blech und ein Funkenregen ensteht. Mit Schneidbrennern
lassen sich mühelos dicke Stahlträger durchschneiden (oder Tresore
öffnen).
Demonstration
2: Zerteilungsgrad - Mehlstaubexplosion
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.
Film: Mehlstaubexplosion
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Sie zum Abspielen des Films auf das Bild
Beobachtungen:
Das zerteilte Mehl verbrennt in einer
großen Stichflamme.
Variationen:
Die Demonstration kann auch mit verschiedenen
anderen brennbaren Stoffen durchgeführt werden, z.B. mit Holzmehl
oder Bärlappsporen, um zu zeigen, dass nicht jeder Brennstoff gleich
reagiert. Bei der Firma Hedinger ist ein Fertiggerät zur Durchführung
von Mehlstaubexplosionen erhältlich. Die Abhängigkeit der Verbrennung
vom Zerteilungsgrad kann auch gezeigt werden, wenn man feine Eisenwolle
mit einer 4,5-Volt-Batterie zündet. Ein Eisenblock lässt sich
dagegen nicht einmal mit einer Brennerflamme entzünden.
Demonstration
3: Zündpunkt - 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) spannt man einen kleinen
Metalltiegel in ein Stativ und füllt ihn zur Hälfte mit Palmin-Speisefett.
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.
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Beobachtungen:
In einer riesigen Stichflamme flammt das
Feuer 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.
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.
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Brennstoff
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Zündtemperatur
(ca.)
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Phosphor
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60°C
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Schwefelkohlenstoff
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102°C
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Benzin
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220-300°C
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Schwefel
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250°C
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Fichtenholz
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280°C
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Fett
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300°C
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Zucker
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410°C
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Roggenmehl
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500°C
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Demonstration
4: Flammpunkt - Löschen von brennenden Flüssigkeiten
Auf einer feuersicheren Unterlage werden
in eine kleine Abdampfschale aus Porzellan 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).
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Gruppe A:
Wasserunlösliche,
brennbare Flüssigkeiten
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Temperaturbereich
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Beispiele
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Gefahrklasse A I
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Flammpunkt unter 21°C
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Benzin, Ether
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Gefahrklasse A II
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Flammpunkt 21-55°C
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Petroleum
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Gefahrklasse A III
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Flammpunkt 55-100°C
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Dieselkraftstoff, Heizöl
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Gruppe B:
Wasserlösliche,
brennbare Flüssigkeiten
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Temperaturbereich
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Beispiele
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Gruppe B
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Flammpunkt unter 21°C
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Ethanol, Aceton
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Flüssigkeiten der Gruppe A können
nicht mit Wasser vermischt werden und lassen sich daher auch nicht mit
Wasser löschen. Sie schwimmen aufgrund ihrer geringeren Dichte auf
dem Wasser, so dass sich der Brand bei einem Löschversuch noch ausdehnt.
Flüssigkeiten der Gruppen B können mit Wasser gelöscht werden.
Demonstration
5: Löschen mit Wasser und mit Schaum
a) Löschen mit Wasser
Auf einem Dreifuß wird ein kleines
Feuer aus kleinen Holzstückchen 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. 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.
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. 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.
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
5: Metallbrand
Dieser Versuch wird zur Sicherheit am
besten im Freien durchgeführt. Auf eine feuerfeste Unterlage wird
ein kleines, ca. 3cm hohes Häufchen Magnesiumpulver gegeben. 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.
Beobachtungen:
Das Magnesium verbrennt mit sehr grellem
Licht explosionsartig. Eine sehr große Stichflamme entsteht und weiße
Fäden steigen empor.
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 Brennerflamme
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.
