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Verbrennung und Sauerstoff

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Die Autor*innen
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Team Realfilm
Verbrennung und Sauerstoff
lernst du in der Unterstufe 3. Klasse - 4. Klasse

Grundlagen zum Thema Verbrennung und Sauerstoff

Inhalt

Sauerstoff und Verbrennung – Chemie

Weißt du, was man unter einer Verbrennung in der Chemie versteht? Die Verbrennung ist eine der grundlegendsten chemischen Reaktionen, bei der Wärmeenergie freigesetzt wird. Für uns Menschen ist das Feuer seit Urzeiten unverzichtbar – zum Beispiel um uns warmzuhalten oder Essen zu kochen.

In diesem Lerntext erfährst du auf einfache Weise erklärt, was für eine Rolle der Sauerstoff bei einer Verbrennung spielt und ob Sauerstoff die Verbrennung fördert.

Was macht der Sauerstoff bei der Verbrennung?

Der französische Wissenschaftler Antonie Lavoisier entdeckte, dass Stoffe beim Erhitzen an Masse zunehmen. Beispielsweise konnte er zeigen, dass Zinn beim Erhitzen an Masse gewinnt. Der Grund dafür liegt darin, dass sich der Sauerstoff mit dem erhitzten Stoff verbindet. Aus Zinn entsteht beim Erhitzen dann Zinnoxid, das schwerer als reines Zinn ist. Damit ein Verbrennungsvorgang stattfinden kann, müssen drei Bedingungen erfüllt sein. Es muss ein brennbarer Stoff, eine Wärmequelle und Sauerstoff $\ce{O2}$ vorhanden sein.

Bedingung Beispiel
Brennbarer Stoff Kohle, Holz, Papier, Wasserstoffmoleküle
Wärmequelle Feuerzeug
Sauerstoff $\ce{O2}$ Sauerstoff aus der Luft

Das Zusammenspiel dieser drei Faktoren wird auch in der folgenden Abbildung verdeutlicht:

Wie verhält sich Sauerstoff bei Feuer?

Was passiert bei einer Verbrennung?

Bei einer Verbrennung nimmt ein Stoff Sauerstoff $\ce{O2}$ auf und Energie in Form von Wärme oder Licht wird frei. Es entsteht ein Verbrennungsprodukt. Aber kann Sauerstoff brennen? Nein, reiner Sauerstoff selbst kann nicht brennen, aber er dient zur Förderung der Verbrennung. Bei der Verbrennung von Stoffen unter Einfluss von Sauerstoff kann es zu verschiedenen Reaktionen kommen. Dazu sind in der folgenden Tabelle einige Beispiele für Verbrennungsreaktionen aufgeführt:

Beispiel Verbrennung Reaktionsgleichung Verbrennung
Knallgasreaktion
Verbrennung von Wasserstoff $\ce{H2}$
$\ce{\underset{Wasserstoff}{2H2} + \underset{Sauerstoff}{O2} -> \underset{Wasser}{H2O}}$
Stille Verbrennung
Rosten von Eisen $\ce{Fe}$ unter Bildung von Eisenoxid $\ce{Fe3O4}$
$\ce{\underset{Eisen}{3Fe} + \underset{Sauerstoff}{2O2} -> \underset{Eisenoxid}{Fe3O4 }}$
Verbrennung vom Element Magnesium $\ce{Mg}$ $\ce{\underset{Magnesium}{2Mg} + \underset{Sauerstoff}{O2} -> \underset{Magnesiumoxid}{2MgO}}$
Verbrennung von Kohlenstoff
Verbrennung von Methan $\ce{CH4}$
$\ce{\underset{Methan}{CH4} + \underset{Sauerstoff}{O2} -> \underset{Kohlenstoffdioxid}{CO2} + \underset{Wasser}{H2O}}$

Mithilfe der Reaktionsgleichung kann berechnet werden, wie viel Sauerstoff für die Verbrennung benötigt wird. Doch ist Sauerstoff für die Verbrennung notwendig? In seltenen Fällen ist auch eine Verbrennung ohne Sauerstoff möglich. Die Verbrennung geschieht hier über ein anderes Gas wie zum Beispiel bei der Verbrennung von Wasserstoff $\ce{H2}$ mit Fluor $\ce{F}$. Es bildet sich dabei Fluorwasserstoff $\ce{HF}$.

Dieses Video

Eine Verbrennung ist eine chemische Reaktion eines Stoffs mit Sauerstoff. Da dabei Energie frei wird, ist ein Feuer heiß. Doch woher wissen wir eigentlich, wie eine Verbrennung funktioniert? Einfach Versuche geben einen Hinweis. Zum Beispiel kann man mit einer Waage leicht bestimmen, dass ein Stoff nach einer Verbrennung schwerer ist. Bei einer Verbrennung in einem abgeschlossenen Gefäß kann der Nachweis von Sauerstoff durch die Glimmspanprobe durchgeführt werden. Es zeigt sich, dass kein Sauerstoff mehr in der Atmosphäre des Gefäßes vorhanden ist. Es lässt sich also schlussfolgern, dass bei einer Verbrennung Sauerstoff vom verbrannten Stoff aufgenommen wurde.

Im Anschluss an das Video und diesen Text findest du Übungsaufgaben, um dein erlerntes Wissen zu überprüfen. Viel Spaß!

Transkript Verbrennung und Sauerstoff

“Vier, drei, zwei, eins, Start!” Eine Rakete, ein Düsentriebwerk, und ein einfaches Lagerfeuer. Sie alle basieren auf einer der grundlegendsten chemischen Reaktionen. Dem Verbrennen eines Stoffes, um Wärmeenergie freizusetzen. Verbrennungsvorgänge sind für die Menschheit seit Urzeiten unverzichtbar. Sie helfen, uns warmzuhalten und Essen zu kochen. Aber erst seit einigen Hundert Jahren verstehen wir diese Reaktion ganz. Ein Meilenstein war die Entdeckung des französischen Wissenschaftlers Antoine Lavoisier, dass Stoffe beim Erhitzen an Masse gewinnen können. Mit unglaublich genauen Messungen konnte er zeigen, dass Zinn beim Erhitzen an Masse zunimmt – damit revolutionierte er die bisherigen Erkenntnisse seiner Zeit. Was aber passiert bei einer Verbrennung? In diesem einfachen Experiment können wir zeigen, dass Eisenwolle beim Verbrennen an Masse zunimmt. Wenn sie in einem in Wasser verschlossenen Behälter verbrannt wird, können wir sehen, dass der Wasserspiegel steigt. Die Menge an Gas im Behälter hat also abgenommen. Mit einem brennenden Holzspan können wir zeigen, dass in dem Behälter kein Sauerstoff mehr ist. Durch das Erhitzen verbindet sich das Eisen mit dem Sauerstoff aus der Luft. So entsteht ein völlig neuer Stoff: Eisenoxid. Es ist schwerer als Eisen, da es zusätzlich Sauerstoff enthält. Egal welchen Stoff man verbrennt, sei es ein fossiler Brennstoff, oder eine Erdnuss. Verbrennungsvorgänge benötigen immer drei Bedingungen: einen Stoff, der verbrannt wird, eine Sauerstoffquelle und eine anfängliche Wärmequelle. Das Ergebnis einer Verbrennungsreaktion sind immer ein Stoff, der Sauerstoff aufgenommen hat, und frei werdende Energie – meist in Form von Wärme, aber auch in Form von Licht. Obwohl wir meist Brennstoffe nutzen, die auf Kohlenstoff basieren, wie Holz oder Kohle, können auch viele andere Stoffe als Brennstoff dienen. Die einfache Verbrennung von kleinen Wasserstoffmolekülen treibt Raketen an und erzeugt so genug Schub für das Abheben beim Start.

Verbrennung und Sauerstoff Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Verbrennung und Sauerstoff kannst du es wiederholen und üben.
  • Gib an, in welchen Bildern eine Verbrennung stattfindet.

    Tipps

    Eine Verbrennung ist eine chemische Reaktion.

    Bei einer Verbrennung entsteht ein neuer Stoff, ein Oxid.

    Bei jeder Verbrennung wird Wärme als Energie frei.

    Lösung

    Bei einer Verbrennung reagiert ein brennbarer Stoff mit dem Sauerstoff der Luft. Dadurch wird ein Oxid gebildet und Wärme frei.

    Ein brennbarer Stoff kann Holz oder Kohle sein, oder ein Treibstoff wie Kerosin und Raketentreibstoff. Aber viele andere Stoffe sind ebenfalls brennbar.

  • Gib an, was allgemein für eine Verbrennung notwendig ist.

    Tipps

    Es kommt zu einem Feuer, wenn drei Bedingungen erfüllt sind.

    Was muss man machen, um ein Grillfeuer zu entzünden?

    Lösung

    Damit es zu einem Feuer kommt, müssen drei Bedingungen erfüllt sein:

    • Es muss einen brennbaren Stoff geben.
    • Es muss ausreichend Luft oder genauer Sauerstoff vorhanden sein.
    • Es muss eine ausreichend große Wärme vorliegen. Diese muss ausreichen, um zumindest einen Teil des brennbaren Stoffs auf seine Entzündungstemperatur zu erwärmen.
    Ein Feuer wird gelöscht, wenn man dem Feuer eine oder mehrere der Bedingungen entzieht.

  • Erkläre die Experimente zur Verbrennung.

    Tipps

    Bei jeder Verbrennung reagiert ein brennbarer Stoff mit dem Sauerstoff der Luft zu einem Oxid des brennbaren Stoffes.

    Beim Verbrennen einer Kerze reagiert das Wachs mit dem Sauerstoff der Luft zu Kohlenstoffdioxid und Wasserdampf.

    Lösung

    Mit dem Balkenwaagenexperiment kann man beweisen, dass die Verbrennung eines Stoffes zu dessen Massenzunahme führt. Zudem zeigt auch die Veränderung des Stoffes, dass dieser zu einem neuen Stoff mit mehr Masse reagiert ist. Da keine weiteren Ausgangsstoffe zugeführt wurden, liegt die Vermutung nahe, dass der zweite Ausgangsstoff in der Umgebungsluft zu finden ist.

    Mit dem Kerzenversuch kann man nachweisen, dass die Umgebungsluft an der Reaktion beteiligt ist. Dabei reagiert der Luftsauerstoff mit dem brennenden Wachs der Kerze und es bildet sich Kohlenstoffdioxid und Wasserdampf. Da der Wasserdampf beim Abkühlen zu einem Teil der Wasseroberfläche wird, reduziert sich das Gasvolumen im Glas.

  • Vergleiche die Verbrennungen der unterschiedlichen Materialien.

    Tipps

    Es gibt brennbare und nichtbrennbare Stoffe.

    Jeder Stoff hat eine bestimmte Entzündungstemperatur. Diese muss durch die zugeführte Wärme erreicht werden.

    Ein kleiner Funke kann einen Waldbrand auslösen. Es reicht also, wenn nur ein Teil des brennbaren Stoffes auf die Entzündungstemperatur gebracht wird.

    Lösung

    Jeder Stoff hat eine bestimmte Entzündungstemperatur, bei der die Reaktion mit dem Luftsauerstoff beginnt.

    Doch warum beginnt dann Eisenwolle viel schneller mit dem Glühen als ein massives Eisenwerkstück?

    Neben den drei Bedingungen im Verbrennungsdreieck:

    • Luft (Sauerstoff),
    • brennbarer Stoff und
    • Entzündungstemperatur
    gibt es noch weitere, für den Verlauf der Verbrennung wichtige Faktoren, wie den Brennwert der Materialien oder den Zerteilungsgrad, in dem die Materialien vorliegen.

    Eisenwolle ist viel stärker verteilt als ein massives Eisenstück. Daher kann es die Wärme, die auf einen kleinen Punkt des Materials einwirkt, schlechter auf das ganze Werkstück verteilen und daher erreicht dieser kleine Punkt des Werkstückes eher die Entzündungstemperatur. Wichtiger ist jedoch, dass auch viel mehr Sauerstoff zu diesem Punkt gelangt. Gleichzeitig verglüht aber die Eisenwolle durch die schnellere Reaktion auch viel schneller. Es wird also in kurzer Zeit mehr Energie frei.

    Ist der Zerteilungsgrad sehr groß, kann es auch zu einer extrem schnellen Verbrennung kommen, einer Explosion. Viele Mühlen sind z. B. durch die sogenannte Mehlstaubexplosion in die Luft geflogen.

  • Beschreibe, was Anton Lavoisier 1783 herausfand.

    Tipps

    Vor Lavoisier dachte man, dass bei einer Verbrennung ein Stoff namens Phlogiston entweicht.

    Bei einer Verbrennung wandelt sich ein Stoff um.

    Lösung

    Beim Erhitzen eines brennbaren Stoffes wird diesem Wärme zugeführt. Ist genug Wärme zugeführt worden, reagiert der Stoff mit dem Sauerstoff der Luft zum Oxid des Stoffes und weiterer Wärme.

    Der an den Stoff gebundene Sauerstoff bewirkt die Massenzunahme des Stoffes während der Erhitzung.

    Am Bespiel des untersuchten Zinns findet folgende Reaktion statt:

    $Sn + O_2 \longrightarrow SnO_2$

  • Bewerte die Rolle der Verbrennung für die menschliche Entwicklung.

    Tipps

    Jede Reaktion eines brennbaren Stoffes, bei dem der Stoff direkten Kontakt mit dem Luftsauerstoff hat und mit diesem reagiert, ist formal eine Verbrennungsreaktion, egal ob der Stoff dabei nur glüht, in Flammen steht oder nur seine Gestalt verändert.

    Eine Explosion ist eine sehr schnelle Verbrennung.

    Lösung

    Die Nutzung von Feuer und der Metallgewinnung durch Verbrennung hat die Menschheit bereits ohne ein Verständnis der Verbrennung als Reaktion weit voran gebracht. Die Menschheit setzte unzählige Beispiele einer Verbrennungsreaktion in sehr vielen wichtigen Feldern ein.

    • Zivile Felder: Heizen, Beleuchtung, Kochen, Brandrodung, ...
    • Angrenzende militärische Felder: Metallgewinnung, Nachrichtenübertragung, Sprengungen, Dampfschifffahrt, Dampfmaschinen, ...
    • Militärische Felder: Feuerwaffen, Kanonen, Granaten, Brandbomben...
    Mit dem Verständnis der Verbrennung kamen noch viele Anwendungsfelder und Erkenntnisse dazu.

    Man kann also zurecht sagen, dass die Verbrennung ein großer Antrieb für die Menschheit war.

    Jedoch hat die riesige Menge an Treibhausgasen, die bei Verbrennungen freiwerden, unser Klima in Mitleidenschaft gezogen, sodass wir mehr und mehr nach genauso effektiven Alternativen suchen.

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