Die Rolle des Sauerstoffs bei Oxidationen Demonstrationen 3 und 4 nur für Lehrkräfte geeignet
 
  
 

Inhalt
Didaktische Bemerkungen
Demonstration 1  Eisenwolle verbrennt an einer Waage
Demonstration 2  Eine Kerze verbrennt im abgeschlossenen Raum
Demonstration 3  Stoffe reagieren reinem Sauerstoff
Demonstration 4  Reaktionen in einer Kaliumnitratschmelze
Demonstration 5  Der Rostvorgang als Beispiel für eine langsame Oxidation
Ergänzende Informationen  

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   Eisenwolle verbrennt an einer Waage

Dieser Versuch muss auf einer feuersicheren Unterlage durchgeführt werden, da brennende Eisenteile herunterfallen können. Eisenwolle darf nie zusammen mit Batterien aufbewahrt werden, da diese die Eisenwolle zünden können.

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:

• 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.

Theorie: Auch wenn man als Lehrperson schon weiß, 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   Eine Kerze verbrennt 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.
 
Die Kerze wird an einem Holzspan mit Tesafilm befestigt (siehe Bild), der Span in einen Stopfen gesteckt und dieser am Boden einer großen Petrischale mit Wachs befestigt. Dann füllt man die Petrischale 1 cm hoch mit Wasser und zündet die Kerze an. Damit sich der Standzylinder nicht am Boden ansaugt, kann man zwei Metallplättchen neben den Stopfen legen. Man zeigt den Zuschauern einen umgedrehten, schmalen Standzylinder und stellt die Frage, was passieren wird, wenn man den Standzylinder auf die Kerze stülpt. Wieder werden Vermutungen geäußert:

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

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.

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:

Reaktionsschema für das Verbrennen der Eisenwolle:

Eisen  +  Sauerstoff   Eisenoxid
 
Reaktionsschema für das Verbrennen des Rußes in der Kerzenflamme:
 
Kohlenstoff  +  Sauerstoff   Kohlenstoffdioxid

Demonstration 3   Stoffe reagieren mit reinem Sauerstoff

Die Versuchsreihe muss auf einer feuersicheren Unterlage durchgeführt werden. Eine Schutzbrille ist notwendig, bei der Reaktion mit Cer auch Schutzhandschuhe aus Leder und eine Schutzscheibe. Man sollte nicht direkt in die Flamme sehen. Bei der Reaktion des Sauerstoffs mit Schwefel entsteht toxisches Schwefeldioxid, daher sollte dieser Versuch im Abzug durchgeführt werden. Der restliche, möglicherweise noch brennende Schwefel wird über der rauschenden Brennerflamme im Abzug verbrannt.

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.

d) Ein Joghurtglas wird mit reinem Sauerstoff gefüllt und zugeschraubt. Dann wickelt man um einen Zündstein aus Cer-Eisen 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.

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
3 Fe  +   2 O₂     Fe₃O₄       ΔH_R = −1118 kJ/mol
 
Schwefel  +  Sauerstoff   Schwefeldioxid
S  +   O₂     SO₂      ΔH_R = −297 kJ/mol
 
Cer  +  Sauerstoff   Ceroxid
Ce  +  O₂    CeO₂      ΔH_R = −975 kJ/mol

Für die Schüler genügt an dieser Stelle eine Besprechung des Reaktionsschemas 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:

Zr  +  O₂   ZrO₂     ΔH_R = −1101 kJ/mol

Variationen: Es bieten sich Filme an, in denen weitere Beispiele für Oxidationen gezeigt werden.

Demonstration 4   Reaktionen in einer Kaliumnitratschmelze

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 fand im amerikanischen Space Shuttle eine technische Anwendung. Das im Jahr 2011 ausgemusterte Space Shuttle führte einen Wasserstoff- und Sauerstofftank mit sich. Die beiden Gase wurden im Triebwerk gezündet und erzeugten die notwendige Energie zur Fortbewegung.

Beim Start des Space Shuttles zündeten zunächst die seitlich sitzenden Feststoffraketen. Feste Raketentreibstoffe führen Stoffe mit sich, die chemisch gebundene Sauerstoff-Atome 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. Versuche zum Aufschneiden von Feuerwerkskörpern werden nicht empfohlen.
 
Beim Verbrennen von Schwarzpulver entstehen große Gasmengen, die einen Behälter sprengen. Dadurch wird der Knall beim Böller erzeugt. Befindet sich im Behälter einer Rakete 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 10 g Schwarzpulver entstehen etwa 2,8 Liter dieser Gase (siehe auch Informationen bei den Demonstrationen zu den Explosivstoffen).
 
Versuch: Dabei sind Schutzbrille und Schutzhandschuhe zu tragen, die Schutzbrillenpflicht gilt auch für Zuschauer, es sei denn, es wird eine Schutzscheibe eingesetzt. Es soll gezeigt werden, dass die Komponenten des Schwarzpulvers heftig miteinander reagieren können. Man gibt dazu in ein schwer schmelzbares Reagenzglas (18x180mm) 2cm hoch Kaliumnitrat und erhitzt mit der rauschen Brennerflamme bis eine klare Schmelze entsteht. Dann nimmt man den Brenner weg. In einer Versuchsreihe werden in die Schmelze nacheinander ein kleines Papierkügelchen, ein kleines Holzstückchen (ein halbes Streichholz ohne Zündkopf), 3 Körnchen Aktivkohle und eine Spatelspitze Schwefel geworfen. Man wartet nach jeder Reaktion und erhitzt erneut, bis die Schmelze wieder klar ist. In allen Fällen verbrennen die Stoffe lebhaft unter Feuererscheinungen. Die Demonstration zeigt die oxidative Wirkung des Kaliumnitrats.

Entsorgung: Geringe Reagenzglasreste der Kaliumnitratschmelze können nach der vollständigen Abkühlung mit viel Wasser verdünnt in den Abfluss gegeben werden. Werden Nitratlösungen in einem Behälter zur Entsorgung gesammelt, ist darauf zu achten, dass der pH-Wert alkalisch ist (pH=8), da in saurer Lösung Cyanwasserstoff entstehen kann.

Hinweis: Aufgrund des geltenden Rechts darf Schwarzpulver nicht im Unterricht hergestellt werden. Stattdessen kann man Filme dazu vorführen.

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 Kohlenstoff-Atome, 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 blauer Tinte gefärbtes Wasser. Die ganze Apparatur wird mehrere Wochen stehen gelassen und beobachtet.

Beobachtung: Nach zwei bis drei 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.

Theorie: Beim Rostvorgang wird in einer komplizierten chemischen Reaktion Sauerstoff verbraucht. Auch das Rosten ist eine Oxidation, wobei Wärme frei wird. Das Reaktionsschema gibt den komplizierten Rostvorgang stark vereinfacht wieder: 
  
 
Das Eisenhydroxid reagiert dann mit dem Luftsauerstoff zu Eisen(III)-oxid (Fe₂O₃) weiter. Daneben entstehen auch andere Eisenoxide, zum Beispiel 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. Variationen: Stellt man einen Eisennagel in ein offenes Gefäß mit kaltem, sauerstoffhaltigem Wasser, dann rostet der Nagel schneller, wie wenn er in ein geschlossenes Gefäß mit abgekochtem Wasser gelegt wird. 

Ergänzende Informationen
Oxidation
Reduktion
Hochofenprozess
Thermitschweißen bei der Bahn