Oxidationen

Oxidationen

Stoffe:	Eisenwolle, Sauerstoff, Schwefel, Zündstein aus Cer-Eisen (aus alten Gasanzündern, beim Schweißerbedarf erhältlich), Eisendraht, Quarzsand, Kaliumnitrat, Aktivkohle gekörnt, Silvesterböller, Tinte oder Methylenblau
Geräte:	Balkenwaage, Stativ, 4,5-Volt-Batterie, Kerze, Holzspan, Tesafilm, Stopfen, runde Schale, Verbrennungslöffel, Tiegelzange, mehrere Standzylinder mit Abdeckung, Joghurtglas mit Deckel, Brenner, Messer, 2 Stative, Rundfilter, Präzisionswaage, schwer schmelzbares Reagenzglas 18x180mm, 2 Reagenzgläser 20x180mm mit durchbohrtem Stopfen, 2 lange Glasrohre, 2 Bechergläser 250ml
	Beachten Sie die Hinweise beim Umgang mit Laborgasen und mit Explosivstoffen! Die jeweiligen Sicherheitsvorkehrungen werden in den Demonstrationen gesondert besprochen.

Inhalt:
Didaktische Bemerkungen
Demonstration 1: Verbrennen von Eisenwolle an einer Waage
Demonstration 2: Verbrennen einer Kerze im abgeschlossenen Raum
Demonstration 3: Reaktion von Stoffen mit reinem Sauerstoff
Demonstration 4: Raketentreibstoffe als Beispiele für schnelle Oxidationen
Demonstration 5: Der Rostvorgang als Beispiel für eine langsame Oxidation

Didaktische Bemerkungen:
Bei den Demonstrationen zum Gesetz der Massenerhaltung zeigte sich, dass Masse nicht verloren geht. Eine Kerze auf einer Waage wird zwar leichter, aber ein Teil der Masse findet sich nach dem Abbrennen der Kerze in den Verbrennungsgasen. An diesen Versuch knüpft der Einstieg in das Thema Oxidation an. Diesmal hängt ein Büschel Eisenwolle an einer Waage und die Schüler sollen vermuten, was passiert, wenn die Eisenwolle verbrennt. Der Versuch provoziert zunächst jedoch einen Widerspruch.

Demonstration 1: Verbrennen von Eisenwolle an einer Waage

Zwei gleich große Stücke Eisenwolle werden an einer Balkenwaage befestigt. Nun zeigt man, wie ein kleineres Stück Eisenwolle (ohne Waage) verbrennt, in dem man es mit einer 4,5-Volt-Batterie zündet. Die Schüler sollen nun vermuten, was passieren wird, wenn eines der großen Stücke Eisenwolle an der Balkenwaage gezündet wird. Dabei werden sicherlich verschiedene Argumente vorgebracht, z.B.:

Die Eisenwolle wird leichter, weil sie verbrennt, folglich wird die Waage auf der Seite der verbrennenden Eisenwolle leichter. Dieses Argument nähert sich der veralteten "Phlogistontheorie", wonach man meinte, bei Verbrennungen entweiche das brennbare Prinzip, das "Phlogiston". (Näheres siehe unter >Sauerstoff)
Die Waage bleibt ausgeglichen, weil die Massen erhalten werden.
Die Eisenwolle wird schwerer, weil Sauerstoff chemisch gebunden wird und damit etwas hinzukommt.

Das letzte Argument werden die Schüler zu diesem Zeitpunkt kaum einbringen, es sei denn ein Schüler hat sich damit schon eingehend beschäftigt. Das Ergebnis der Demonstration darf jedoch keinesfalls verraten werden. Man kann eine Abstimmung für die drei Positionen durchführen lassen.


Eisenwolle verbrennt	Eisenwolle nach dem Verbrennen

Beobachtungen:
Zur Verblüffung sicherlich mancher Schüler wird die Eisenwolle beim Verbrennen schwerer. Und dies passiert, obwohl viele glühende Stücke von der Eisenwolle abfallen und damit nicht mitgewogen werden. Wie kann man sich das erklären? Bei der Untersuchung des Reaktionsprodukts sieht man farbliche Veränderungen. Man kann sie auch nicht mehr anzünden (sofern sie vollständig verglüht ist). Waage nach dem Verbrennen der Eisenwolle Theorie:
Auch wenn Sie als Leser sicher schon wissen, warum die Eisenwolle schwerer wird (Eisen reagiert mit Sauerstoff zu Eisenoxid), soll eine mögliche Erklärung den Schülern zunächst vorenthalten werden. Stattdessen folgt ein weiterer Versuch zur Klärung des Problems.

Demonstration 2: Verbrennen einer Kerze im abgeschlossenen Raum

Bei der Demonstration zur Erhaltung der Masse brannte eine Kerze auf einer Waage. Dabei handelte es sich um ein offenes System, die Verbrennungsgase konnten entweichen. Nun soll gezeigt werden, was passiert, wenn eine Kerze in einem geschlossenen System verbrennt.

Eine Kerze wird an einem Holzspan mit Tesafilm befestigt (siehe Bild), der Span in einen Stopfen gesteckt und dieser am Boden einer runden Schale mit Wachs befestigt. Dann füllt man die Schale 1cm hoch mit Wasser und zündet die Kerze an. Man zeigt den Zuschauern einen umgedrehten Standzylinder und stellt die Frage, was passieren wird, wenn man den Standzylinder auf die Kerze stülpt. Wieder werden Vermutungen geäußert:

Die Kerzenflamme geht sofort aus.
Die Kerzenflamme brennt eine Weile und geht dann aus.
Dabei wird Wasser in den Standzylinder hineingezogen.
Das Wasser füllt den Standzylinder danach vollständig aus, weil die gesamte Luft verbraucht wird.
Das Wasser steigt nur ein wenig, da nicht alle Luft verbraucht wird.
Das Wasser steigt so und so viel Prozent...

Beobachtungen:
Wie manche sicher richtig vermutet haben, geht die Kerzenflamme nach einer Weile aus, während das Wasser weniger als ein Fünftel des Volumens in den Standzylinder hochsteigt.

Verbrennen einer Kerze im abgeschlossenen Raum
Theorie:
Durch eine Anknüpfung an die Diskussion, lassen sich jetzt Argumente für die exakte Beschreibung des Verbrennungsvorgangs bei der Kerze finden: Bei der Verbrennung wird Luft benötigt. Von der Luft ist es allerdings nur ein Anteil (ca. 20%), diesen Anteil nennen wir Sauerstoff, das Restgas (ca. 80%) wird als Stickstoff bezeichnet. Ist der gesamte Sauerstoff im Standzylinder verbraucht, geht die Kerzenflamme aus. Danach befinden sich Stickstoff und Kohlenstoffdioxid im Standzylinder. Beide Gase unterhalten die Verbrennung nicht. Zur Vertiefung wird eine Grafik zur Luftzusammensetzung gezeigt.

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In Anknüpfung an den Versuch mit der Eisenwolle kann nun eine Erklärung gesucht werden: Bei der Verbrennung der Eisenwolle wird ebenfalls Sauerstoff benötigt. Dieser reagiert mit dem Eisen zu Eisenoxid. Die Waage zeigt eine höhere Masse, da Sauerstoffatome chemisch mit dem Eisen gebunden werden. Reaktionen mit Sauerstoff nennen wir Oxidationen. Dabei entstehen als Reaktionsprodukte Oxide:

Reaktionsgleichung für das Verbrennen der Eisenwolle:

Eisen + Sauerstoff -----> Eisenoxid

Reaktionsgleichung für das Verbrennen des Rußes in der Kerzenflamme:

Kohlenstoff + Sauerstoff -----> Kohlenstoffdioxid

Demonstration 3: Reaktion von Stoffen mit reinem Sauerstoff

Mehrere Standzylinder werden mit reinem Sauerstoff gefüllt und bereit gestellt. Zum Schutz des Bodens gibt man in jeden Zylinder ein wenig Sand. Obwohl der Sauerstoff aufgrund der höheren Dichte als Luft in den Zylindern bleiben sollte, werden diese mit runden Glasscheiben abgedeckt, damit der Sauerstoff nicht durch Luftzirkulationen entweicht.

a) Eine brennende Kerze wird auf einem Verbrennungslöffel in einen mit Sauerstoff gefüllten Zylinder getaucht.
b) Ein Büschel Eisenwolle wird mit einer Tiegelzange gehalten, an einer Stelle zum Glühen gebracht und in den mit Sauerstoff gefüllten Standzylinder eingetaucht.
c) Man füllt im Abzug einen Verbrennungslöffel zur Hälfte mit Schwefel und entzündet diesen mit einer Brennerflamme. Dann hält man den brennenden Schwefel in den mit Sauerstoff gefüllten Standzylinder. Achtung: Es entsteht giftiges Schwefeldioxid! Dieser Versuch sollte nur in einem gut ziehenden Abzug durchgeführt werden. Der restliche (möglicherweise noch brennende) Schwefel wird über der nichtleuchtenden Brennerflamme im Abzug verbrannt. Achten Sie darauf, dass das entstehende Schwefeldioxid nicht versehentlich aus dem Abzug entweicht.
d) Ein Joghurtglas wird mit reinem Sauerstoff gefüllt und zugeschraubt. Dann wickelt man um einen Zündstein aus Cereisen satt einen Draht und erhitzt den Zündstein bis zum Glühen in der nicht leuchtenden Brennerflamme. Der Draht mit dem glühenden Zündstein wird in das Joghurtglas mit reinem Sauerstoff getaucht. Achtung: Schutzbrille tragen, Sicherheitsabstand einhalten, Brandschutz als Unterlage und Schutzscheibe verwenden!

Filme: Das Verbrennen von Stoffen in reinem Sauerstoff (Kamera: Erik Schilling)


mit Kerze	mit Eisenwolle	mit Schwefel	mit Cer-Eisen

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Beobachtungen:
a) Die Kerzenflamme wird heller und heißer, so dass Wachs an den Boden tropft. Ein glimmender Span glüht ebenfalls hell auf und fängt sogar Feuer. Die Spanprobe üben die Schüler bei der Schülerübung zur Sauerstoffherstellung mit Kaliumpermanganat zu einem anderen Zeitpunkt.
b) Die Eisenwolle verglüht unter lebhafter Funkenreaktion.
c) Der Schwefel verbrennt mit einer hell leuchtenden, blauen Flamme.
d) Das Cereisen verbrennt explosionsartig mit sehr heller Flamme, wobei das Joghurtglas durch den Hitzeschock zerspringt.

Theorie:
Für die Reaktionen b) bis d) lassen sich folgende Reaktionsgleichungen aufstellen:

Eisen + Sauerstoff ------> Eisenoxid   DH_R = -1118 kJ/mol
3 Fe + 2 O₂ -----> Fe₃O₄

Schwefel + Sauerstoff -----> Schwefeldioxid   DH_R = -297 kJ/mol
S + O₂ -----> SO₂

Cer + Sauerstoff -----> Ceroxid   DH_R = -975 kJ/mol
Ce + O₂ -----> CeO₂

Für die Schüler genügt an dieser Stelle eine Besprechung der Reaktionsgleichung in Worten. Bei der Reaktion von Cer mit Sauerstoff entstehen Temperaturen von bis zu 4000°C. Dadurch wird das Joghurtglas zerstört. Diese Reaktion dient in Zündsteinen von Feuerzeugen oder Gasanzündern zum Anzünden der Gase:

Zündstein eines Gasanzünders

Die höchste chemisch erreichbare Temperatur erhält man bei der Verbrennung von Zirconiumpulver in reinem Sauerstoff (4660°C):

Zr + O₂ -----> ZrO₂ DH_R = -1101 kJ/mol

Demonstration 4: Raketentreibstoffe als Beispiele für schnelle Oxidationen

Verbrennungen sind den Schülern aus verschiedenen Bereichen wohl bekannt. Am faszinierenden sind wahrscheinlich die Verbrennungen, wie sie bei Explosivstoffen oder Raketentreibstoffen auftreten. Die Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff findet im amerikanischen Space Shuttle eine technische Anwendung. Das Space Shuttle führt einen Wasserstoff- und Sauerstofftank mit sich. Die beiden Gase werden im Triebwerk gezündet und erzeugen die notwendige Energie zur Fortbewegung.

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Beim Start des Space Shuttles werden jedoch zunächst die seitlich sitzenden Feststoffraketen gezündet. Feste Raketentreibstoffe führen Stoffe mit sich, die chemisch gebundene Sauerstoffatome enthalten und als Oxidationsmittel wirken. Diese Erfahrung ist aus der Schülerübung zur Herstellung von Sauerstoff aus Kaliumpermanganat bekannt. Ferner benötigt man einen Brennstoff, wie Kohle oder Schwefel, der beim Verbrennen mit dem Sauerstoff die notwendige Energie liefert. Zunächst wird eine (eventuell ausgebrannte) Feuerwerksrakete gezeigt und der Aufbau demonstriert. Das Prinzip eines festen Raketentreibstoffs kann an einem Silvesterböller verdeutlicht werden: Man schneidet einen Böller mittlerer Größe am hinteren Ende auseinander und zeigt wie das Schwarzpulver aus dem Böller rinnt. Dann spannt man den aufgeschnittenen Böller in ein Stativ ein und zündet an der Zündschnur.

Beobachtungen:
Statt eines Knalls sprüht der Böller am hinteren Ende eine kleine Stichflamme heraus, so dass er ein wenig vorwärts getrieben wird.

Theorie:
Beim Verbrennen von Schwarzpulver entstehen große Gasmengen, die einen Behälter sprengen. Dadurch wird der Knall beim Böller erzeugt. Befindet sich an einem Ende eines länglichen Behälters - z.B. bei einem geschlossenen Röhrchen - ein kleines Loch, drängen die Gasmengen aus diesem Loch und ein Vorwärtstrieb wird erzeugt, so dass die Rakete fliegt. Die chemische Reaktionsgleichung für die Verbrennung von Schwarzpulver ist so kompliziert, dass sie nicht angegeben werden soll. Es entstehen Verbrennungsgase wie Kohlenstoffmonoxid, Kohlenstoffdioxid und Stickstoff. Beim Abbrennen von 10g Schwarzpulver entstehen ca. 2,8 Liter dieser Gase. Lesen Sie zur Ergänzung auch die Informationen bei den Demonstrationen zu den Explosivstoffen.

Variationen:
Es soll gezeigt werden, das die Komponenten des Schwarzpulvers heftig miteinander reagieren. Man gibt dazu in ein schwer schmelzbares Reagenzglas (18x180mm) 2cm hoch Kaliumnitrat und erhitzt mit der rauschen Brennerflamme bis eine klare Schmelze entsteht. Dabei ist unbedingt eine Schutzbrille zu tragen. Dann wirft man in die Schmelze nacheinander ein kleines Papierkügelchen, ein kleines Holzstückchen (z.B. ein halbes Streichholz ohne Zündkopf), 3 Körnchen Aktivkohle und ein Spatelspitze Schwefel. In allen Fällen verbrennen die Stoffe lebhaft unter Feuererscheinungen. Die Demonstration zeigt die oxidative Wirkung des Kaliumnitrats.

Das Herstellen und Abbrennen von Schwarzpulver könnte zwar noch im Rahmen von schulischen Vorführungen von geeignetem Fachpersonal durchgeführt werden. Trotzdem soll hier aber auf eine detallierte Darstellung verzichtet werden. Sie finden dazu einen Film auf der CD-ROM:

Film: Abbrennen von 10 Gramm Schwarzpulver (Kamera: Erik Schilling)

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Demonstration 5: Der Rostvorgang als Beispiel für eine langsame Oxidation

Langsame Oxidationen sind in der Natur ebenfalls weit verbreitet. Beim Atmungs- und Verdauungsvorgang wird Traubenzucker über die Blutbahnen zur Muskulatur und zum Gehirn transportiert. Dort oxidiert der Traubenzucker mit Hilfe des Blutsauerstoffs, der aus der Atmung stammt, zu Kohlenstoffdioxid. Dabei wird Energie frei. Traubenzucker enthält chemisch gebundene Kohlenstoffatome, die zu Kohlenstoffdioxid oxidieren, das über den Blutkreislauf und die Lunge wieder abgegeben wird.

Durchführung:
Eine andere Form der langsamen Oxidation ist der Rostvorgang. Zwei Reagenzgläser werden mit Eisenwolle gefüllt. In einem Reagenzglas wird die Eisenwolle zusätzlich mit Wasser befeuchtet. Die beiden Reagenzgläser werden mit einem durchbohrten Stopfen verschlossen und mit langen Röhren versehen. Diese tauchen in mit Tinte (oder Methylenblau) gefärbtes Wasser. Die ganze Apparatur wird mehrere Wochen stehen gelassen und beobachtet.

Grafik erstellt mit Labormaker
Beobachtung:
Nach 2-3 Wochen zeigt die mit Wasser befeuchtete Eisenwolle deutliche Rostansätze. Das angefärbte Wasser in dieser Röhre ist hochgestiegen, während sich im anderen Reagenzglas keine Veränderungen zeigen.

Rost-Ausblühungen auf einer Eisenplatte
Theorie:
Der Rostvorgang ist ein chemisch-elektrochemischer Vorgang. Die genauen Vorgänge sollen zu diesem Zeitpunkt noch nicht erläutert werden. Das Eisen oxidiert, sobald sauerstoffhaltiges Wasser und Luftsauerstoff zusammen vorliegen. Über Zwischenstufen entsteht aus dem Eisen, dem gelösten Sauerstoff und dem Wasser Eisen(II)-hydroxid, das dann mit dem Luftsauerstoff zu Eisen(III)-oxid (Fe₂O₃) weiter reagiert. Daneben entstehen auch andere Eisenoxide, z.B. Eisen(II,III)-oxid (Fe₃O₄) oder Eisen(II)-oxid (FeO).

Ausblick:
Zur Vertiefung des Themas eignen sich Demonstrationen und Versuche zur Brandbekämpfung. Das Thema der Reduktionen schließt sich ebenfalls an.

Copyright: T. Seilnacht

www.seilnacht.com