Heizen

Chemische Reaktionen werden im Labor meist unter Energiezufuhr in Form von Wärme eingeleitet oder aufrechterhalten. Beim Trennen oder beim Reinigen von Stoffen wie bei der Destillation oder bei der Sublimation wird ebenfalls Wärme benötigt. Das Bild zeigt einen Bequemlichkeitsofen, einen sogenannten „Faulen Heintz“ im Deutschen Museum München. Der mittlere Schacht wurde mit Holz oder Kohle gefüllt. Nach dem Zünden des Ofens rutschte automatisch neues Brennmaterial aus dem Schacht nach. Die Hitze strömte zu den seitlich liegenden Nebenöfen, auf denen Destillationen durchgeführt werden konnten.

Die älteste Form von Heizgeräten in den alchemistischen Labors stellt das offene Feuer und später auch die Herdplatte mit darüber liegendem Rauchfang dar. Die mit Holz oder Kohle gefeuerten Öfen gab es in großer Vielfalt. Manche waren tragbar oder besaßen eine Luftzufuhr mit Blasebalg, um höhere Temperaturen zu erzielen. Der arabische Alchemist al-Razi benannte auch Kerzen, Öllampen oder die Sonne als Energiequelle. Bei bestimmten chemischen Reaktionen benötigte man eine gleichbleibende Temperatur über einen längeren Zeitraum, zum Beispiel beim Lösen von Stoffen in Wasser, der Solution, oder die Verfestigung, der Coagulation, oder der Verflüssigung, der Ceration, von Stoffen. Man gab die Stoffe in einen fest verschlossenen Behälter und stellte diesen für einige Wochen an die Wärme. Als Heizquellen dienten Dungkästen, die eine konstante Temperatur von 50 °C abgaben.

Der einfache Spiritusbrenner wurde früher in den Schulen und von Hobbychemikern eingesetzt. Er besteht aus einem Glas- oder Metallgefäß mit einer oben liegenden Öffnung, durch die ein Docht gesteckt wird. Der Brennspiritus enthält überwiegend Ethanol, der mit einem Vergällungsmittel versetzt ist, damit man den Spiritus nicht mehr trinken kann. Ethanol ist eine leicht entzündliche Flüssigkeit. Daher darf das Einfüllen in den Brenner niemals bei heißem oder entzündetem Brenner erfolgen. Das Löschen der Flamme erfolgt durch Aufsetzen der Kappe, die bis zum nächsten Gebrauch nicht mehr abgenommen wird.

Ein Spiritusbrenner erzielt allerdings nicht so hohe Temperaturen wie ein Gasbrenner. Die Verwendung von Spiritusbrennern wird aufgrund der erhöhten Unfallgefahr für Schulen und auch im Haushalt nicht mehr empfohlen. Der Alkohol im Spiritusbrenner kann sich zum Beispiel beim Käsefondue erhitzen. Er beginnt zu verdampfen, und sobald er siedet kann plötzlich eine sehr große Stichflamme auftreten. Eine relativ sichere Alternative stellt das Rechaud mit Brennpaste dar. Der kleine Kocher wird mit einem brennbaren Gel befüllt, in dem der Alkohol mit einem Gelbildner verdickt ist. Im Caquelon, einem Topf aus Keramik oder Steingut, wird die Käsemischung erhitzt.

Das im Labor am meisten verwendete Heizgerät stellt der Gasbrenner dar. Es existieren Varianten, die mit Erdgas oder überwiegend mit Methan, mit Propangas oder auch mit Butangas betrieben werden. Der vielfach verwendete Kartuschenbrenner zeichnet sich dadurch aus, dass sich das Gasreservoir in einer Kartusche unterhalb des Brenners befindet und der Brenner dadurch ortsunabhängig ist. Heute dürfen an Schulen nur noch Ventilkartuschenbrenner (mit kleinen Kartuschen) verwendet werden: Beim Kartuschenwechsel kann kein Gas austreten, da die Kartuschen beim Abschrauben des Brenners selbstverschließend sind.

Die durchschnittliche Brenndauer beträgt etwa drei Stunden, die Flamme erreicht maximal 1100 °C. Bei der Auswahl des Modells muss eingeschätzt werden, ob man den Schülerinnen und Schülern ein leistungsfähiges Modell mit einer sehr hohen Flamme in die Hände gibt (Foto oben rechts) oder ob man ein Modell mit einer nicht ganz so hohen Flamme einsetzt.

Der von Robert Wilhelm Bunsen (1811–1899) entwickelte Bunsenbrenner mit einer maximalen Flammentemperatur von etwa 1000 °C wurde früher im Labor häufig benutzt. Er unterscheidet sich von dem von Nicolaus Teclu (1839–1926) erfundenen Teclubrenner in der Art der Luftzufuhr und der Mischrohre von Gas und Luft. Beide sind jedoch so konstruiert, dass das Gas mit einer Regulierungsschraube dosiert und die Luftzufuhr geregelt werden kann.

Bei Brennern mit externer Gaszufuhr hat sich der Teclubrenner durchgesetzt, da er leistungsfähiger ist. Beim ihm wird die Luft von unten in das Mischrohr zugeführt. Die besondere Bauweise ermöglicht im Vergleich zum Bunsenbrenner eine höhere Flammentemperatur um 1200 °C. Mit speziellen Brenneraufsätzen können breite Zonen erhitzt werden, beispielsweise zur Bearbeitung von Glasrohren.

Die Gebläselampe stellt eine besondere Form des Gasbrenners dar. Bei ihr wird der Luftsauerstoff noch besser mit dem Gas durchmischt. Die dabei entstehende, sehr hohe Flammentemperatur mit bis zu 1900 °C erreicht man auch durch die Verwendung von Druckluft. Mit Wasserstoff betriebene Gebläselampen werden von Glasbläsern eingesetzt, wenn zum Beispiel Geräte aus Quarzglas angefertigt werden müssen.

In den Baumärkten sind mit Butan- oder Propangas betriebene Lötlampen mit Gaskartuschen erhältlich, die sich aufgrund der Bauweise und der hohen erzielbaren Temperaturen für den Einsatz bei Demonstrationsexperimenten eignen, zum Beispiel wenn ein Verbrennungsrohr aus Quarzglas von der Seite erhitzt werden soll.

Die Flammentemperatur bei den genannten Gasbrennern lässt sich durch das Öffnen und Schließen der Luftzufuhr regeln. Reines Gas erzeugt eine leuchtende Flamme von geringerer Temperatur, die allerdings stark rußt. Beim Zumischen von Luft entsteht eine nicht leuchtende, rauschende Flamme mit blauem Kegel, die wesentlich heißer ist und nicht mehr rußt.

Bei zu starker Luftzufuhr findet die Verbrennung dicht an der Gasdüse statt. Sie beginnt dann zu glühen, und eine Explosion des Brenners wäre theoretisch möglich. Auch wenn moderne Gasbrenner Drahtnetze oder andere Sicherheitseinrichtungen zur Verhinderung derartiger Unfälle besitzen, sollte man sich an die Regeln zur Inbetriebnahme und zum Abschalten des Gasbrenners halten:

Inbetriebnahme
1. Schutzbrille aufsetzen, Haare nach hinten zusammenbinden.
2. Ist die Luftzufuhr und die Gasregulierung geschlossen?
3. Streichholz entzünden und über das Brennerrohr halten. Kopf fernhalten!
4. Gasregulierung öffnen: leuchtende Flamme.
5. Luftzufuhr öffnen: nicht leuchtende Flamme. Jetzt beträgt die Temperatur der Flamme 1000 °C.

Abschalten
1. Luftzufuhr schließen: Die Flamme leuchtet wieder.
2. Gasregulierung zudrehen: Die Flamme erlischt.

Die einfache, elektrische Heizplatte dient zum schnellen Erhitzen von Flüssigkeiten in Pfannen, Gläsern oder Kolben. Sehr universelle Heizgeräte stellen die Magnetrührer dar, die neben der Rührfunktion meist auch eine Heizplatte eingebaut haben. Im Handel für Haushaltswaren sind auch ortsunabhängige Heizplatten mit Glaskeramik-Feld oder Induktionsplatten erhältlich. Für letztere benötigt es Töpfe mit einer speziellen Metall-Legierung, die sich durch das Magnetfeld aufheizen lässt. Dieses System eignet sich beispielsweise zum schnellen Erhitzen von Färbebädern. Eine Alternative zum Gasbrenner stellen Elektrobrenner dar. In vielen Laboratorien darf nicht mit offener Flamme erhitzt werden. Elektrobrenner reduzieren die Brand-, Explosions- und Vergiftungsgefahr.

Leicht entzündbare Stoffe dürfen im Labor generell nicht mit einer offenen Flamme oder einer Heizplatte erhitzt werden. Hier bieten sich elektrische Heizungen an, die feuchtigkeitsgeschützt sind und jede Art von offenem Feuer und Funkenbildung vermeiden. Die Pilzheizhaube enthält ein feuersicheres Geflecht aus Glas-Seide, das an eine bestimmte Rundkolbengröße angepasst ist. Sie wird oft mit einem Tragering geliefert, der an einem Stativ befestigt werden kann. Mit Hilfe einer elektrischen Regulierung sind verschiedene Temperaturen einstellbar. Mit den Heizhauben können leicht entzündbare Flüssigkeiten erhitzt oder destilliert werden.

Der Trockenschrank ist ein elektrisch heizbarer Schrank, in dem Stoffe getrocknet werden. Mit Hilfe einer elektrischen Steuerung und einem Thermostat lassen sich gleich bleibende Temperaturen zwischen 30 °C und 220 °C einstellen. Stoffe, die ätzende oder giftige Dämpfe abgeben, dürfen nicht in Trockenschränken getrocknet werden. Elektrische Öfen erzeugen hohe, gleichbleibende Temperaturen bis zu 1100 °C. Der Tiegelofen nach Simon-Müller besteht aus Keramik und eignet sich zum Veraschen, Schmelzen und Verdampfen von Stoffen. Muffelöfen sind mit einer elektronischen Steuerung ausgestattet und werden durch elektrische Heizplatten geheizt. Eine hochwertige keramische Faser im Heizraum isoliert den Ofen nach außen.

Ferner existieren eine Reihe weitere elektrischer Heizgeräte, die im Labor eingesetzt werden, beispielsweise Tauchsieder, Föne, Heizmäntel oder Heizstäbe. Eine besondere Form der indirekten Heizung stellen Wasser- oder Ölbäder dar. Sie enthalten ein elektrisch heizbares Bad, in das Wasser oder Öl gefüllt wird. Durch eine elektronische Regelung können Bad-Temperaturen von bis zu 360 °C eingestellt werden. Der Vorteil der Wasserbäder liegt jedoch vor allem in einer absolut gleichmäßigen Übertragung der Wärmeenergie auf das im Bad stehende Gefäß, zum Beispiel auf einen Kolben. Ein Wasserbad lässt sich auch als Dampfbad benutzen, wenn man den Kolben in den Dampfraum über dem siedenden Wasser hängt.

Zum starken Erhitzen eignen sich auch Porzellantiegel mit Deckel, die über dem Dreifuß in ein feuerfestes Tondreieck gestellt werden. Heute besteht dieses ebenfalls aus Porzellan. Früher wurden die Tiegel im Analysenlabor zum Glühen von Substanzen sehr häufig benutzt. Die Tiegelzange dient dazu, den Deckel abzunehmen oder den Tiegel zu fassen.

Erhitzen bei Schülerübungen

Dickwandige Behälter wie Flaschen oder Trichter dürfen gar nicht erhitzt werden. Es eignen sich nur dünnwandige Reagenzgläser, Bechergläser oder Kolben, die aus temperaturbeständigem Glas hergestellt sind. Geeignet sind Fiolaxglas, Duranglas oder Quarzglas. Es werden aber auch Geräte aus Porzellan eingesetzt, zum Beispiel Porzellanschalen zum Abdampfen von Flüssigkeiten. Beim Erhitzen oder Destillieren von Flüssigkeiten werden Siedesteinchen zugegeben.

Flüssigkeitsmengen mit mehr Volumen werden in einem Becherglas oder einem Erlenmeyerkolben auf dem Keramikdrahtnetz im Dreifuß oder auf einer Glaskeramikplatte im Vierfuß erhitzt. Zum Abdampfen eignen sich Abdampfschalen aus Porzellan oder aus Quarzglas. Auch hier wird generell die rauschende Brennerflamme verwendet, da das Drahtnetz oder die Glaskeramikplatte sonst von unten verrußen.

Kleinere Feststoffmengen erhitzt man ebenfalls im Reagenzglas oder aber auch im Verbrennungslöffel, größere Mengen in einem Porzellantiegel, der mit Hilfe eines Tondreiecks auf dem Dreifuß befestigt wird.

Zum Erhitzen kleiner Stoffmengen im Wasserbad erhitzt man in einem Becherglas Wasser bis zum Sieden und schaltet dann die Heizplatte ab. Ein Reagenzglas (20×180 mm) mit dem zu erhitzenden Stoff wird dann in das noch erhitzte Wasser gestellt. So kann man zum Beispiel den Siedepunkt von Alkoholen bestimmen. Auch die Ester-Bildung lässt sich so im Kleinformat als Schülerübung durchführen.