Chemische Reaktionen 1

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1 Chemie Bez Rohtrist CHEMISCHE REAKTIONEN 1 Chemische Reaktionen 1 Bezirksschule Rothrist Philipp Stocker philipp.stocker@schule-rothrist.ch Feuer & Flamme 19. Sep. 17 Seite 1

2 Chemie Bez Rohtrist CHEMISCHE REAKTIONEN 1 Das Feuer Am Anfang war das Feuer Am Anfang war das Feuer ist ein Abenteuerfilm aus dem Jahre Erzählt werden die Erlebnisse einer kleinen Gruppe Neandertaler während der Steinzeit. Der Stamm der Ulamm wird von einer Gruppe Homo erectus, überfallen. Für die wenigen überlebenden Ulamm ist es ein zusätzliches grosses Unglück, dass ihnen nach dem Kampf das Feuer ausgeht, denn sie kennen die Technik nicht, ein neues Feuer zu entfachen. Daher werden die drei jungen Jäger Naoh, Amoukar und Gaw ausgesandt, um nach neuem Feuer zu suchen und es dem Stamm zu bringen. Auf ihrer gefährlichen Wanderung fliehen sie zuerst vor zwei Säbelzahnkatzen und retten sich auf einen Baum, auf dem sie einen Tag und eine Nacht verbleiben müssen. Dabei entdecken sie in der Ferne eine Rauchwolke und versuchen in der Asche des mittlerweile kalten Feuers Glut zu finden. Stattdessen finden sie Fleischreste eines kannibalischen Mahles und folgen den Kannibalen zu ihrem nächsten Rastplatz. Dort retten sie eine junge Frau Ika aus den Händen der Kannibalen. Die neue Gefährtin kennt sich in der Kunst des Feuermachens aus und erlangt dadurch grosses Ansehen bei den drei Jägern Fragen: -Warum war das Feuer für Steinzeitmenschen von enormer Wichtigkeit? -Warum hat das Feuer die Entwicklung der Menschheit wesentlich beeinflusst? Was wäre ohne das Feuer undenkbar? Feuer & Flamme 19. Sep. 17 Seite 2

3 Chemie Bez Rohtrist CHEMISCHE REAKTIONEN 1 1 Feuer & Flamme Eine typische und zugleich auch alltägliche chemische Reaktion ist das Feuer. Daher werden wir uns zu Beginn vertieft dem Thema FEUER & FLAMME widmen. Als erstes untersuchen wir anhand einfacher Experimente, was nötig ist, damit ein Feuer entsteht. Experiment 1.1. Chemikalien: 8 Bunsenbrenner 8 feuerfeste Unterlage 8 2 Zündhölzer 8 Reagenzglas 8 Reagenzglashalter 8 Abdampfschale Durchführung: 8 Entzünde den Bunsenbrenner. 8 Lege 1 Zündholz mit dem Kopf nach unten in das Reagenzglas. 8 Klemme das Reagenzglas in den Reagenzglashalter und halte das untere Ende über die nicht-leuchtende Flamme. 8 Beobachten Beobachtung: Was hast du beobachtet? Erkenntnisse: Was schliesst du nun daraus? Feuer & Flamme 19. Sep. 17 Seite 3

4 Experiment 1.2. a Zusätzliche Chemikalien: 8 1 Rechaud Kerze 8 Standzylinder Durchführung: 8 Entzünde die Rechaudkerze und lass diese ca 1Min. Minuten brennen. 8 Stülpt den Standzylinder über die Kerze. Beobachtung: Experiment 2.2. b Zusätzliche Chemikalien: Durchführung: Beobachtung: 8 1 Glimmspann 8 1 Person holt mit 1 Reagenzglas beim Lehrerpult eine Dosis Sauerstoff ab und verschliesst das Reagenzglas danach sofort mit dem Daumen. 8 Zurück am Arbeitsplatz entzündet das Gspändli den Bunsenbrenner und bringt den Glimmspan zum Brennen. 8 Blase den Glimmspan danach wieder aus und halte das glühende Stück in das Reagenzglas. Erkenntnisse: Feuer & Flamme 19. Sep. 17 Seite 4

5 Experiment 2.3. Zusätzliche Chemikalien: 8 Holzkohle 8 Mörser Durchführung: 8 kl. Glasschale 8 Schutzbrille 8 Halte zuerst für kurze Zeit ein grösseres Stück Kohle über das Feuer des Bunsenbrenners. 8 Beobachte die Holzkohle. Wie schnell beginnt diese zu brennen? 8 Nehmt nun feines Kohlepulver oder zerkleinert vorsichtig ein Stück Kohle im Mörser. 8 Entzündet den Bunsenbrenner. Öffnet die Luftzufuhr aber nur bis zur Hälfte! 8 Entnehmt danach mit dem Löffel etwas feines Kohlepulver. 8 Haltet den Löffel nun vorsichtig über die Flamme und kippt das Pulver langsam über die Flamme. Beobachtung: Halte nun deine Beobachtung hier fest: Erkenntnisse: Was schliesst du nun daraus? Feuer & Flamme 19. Sep. 17 Seite 5

6 Erkenntnisse aus den Experimenten Mit diesen 4 Experimenten haben wir versucht zu klären, was nötig ist um ein Feuer zu entfachen. Kannst du nun das Feuerdreieck unten mit den korrekten Begriffen ausfüllen? 1.1 Das Feuerdreieck Diese 3 Faktoren sind nötig, damit ein Feuer entsteht. Fehlt einer davon, kann kein Feuer brennen. Kennst du den Unterschied zwischen einem Feuer und einer Explosion? und was ist dann eine Detonation? Feuer & Flamme 19. Sep. 17 Seite 6

7 1.2 Ein Feuer löschen Überlege dir nun anhand der Filme, wie du ein Feuer löschen kannst und schreib deine Gedanken hier in das leere Feld: Zündtemperatur Brennstoff Sauerstoff Notiere dir hier den Grundsatz für das Feuerlöschen. Führe auch je ein Beispiel auf! Feuer & Flamme 19. Sep. 17 Seite 7

8 2 Die Flamme Im ersten Teil der Lernumgebung haben wir die Faktoren untersucht, welche nötig sind, damit ein Feuer entsteht. Nun wollen wir herausfinden, was genau brennt in einer Kerze? Aufgabe. Kerzenflamme beschreiben. Zuerst betrachten wir jedoch eine Kerzenflamme genauer. Skizziere hierfür eine Flamme anhand einer brennenden Kerze. Beobachte die Kerzenflamme sowie den oberen Teil der Kerze genau. Halte deine Beobachtungen schriftlich fest und gliedere sie so weit als möglich. Erkennst du die verschiedenen Flammenzonen? Beschreibe auch die Flammenform, den Docht sowie die Kerzenspitze. Erstelle zuerst eine grobe Skizze auf einem Blatt Papier, welche wir danach besprechen. Die Flamme sollte mind. 10 cm gross sein. Skizze: Die Flamme 19. Sep. 17 Seite 8

9 Mit dem Wissen über die Flammenzonen einer Kerze beginnen wir nun mit dem Experimentieren. Wir führen zuerst ein Experiment durch, welches wir anschliessend mit weiteren Ausforschungen zu erklären versuchen. Experiment 2. Flammensprung Eine Kerze wird, nachdem sie ein paar Minuten gebrannt hat, mit angefeuchtetem Daumen und Zeigefinger gelöscht. In den aufsteigenden Wachs-Nebel wird ein brennendes Streichholz gehalten (Entfernung zum Docht etwa 3-5 cm) Beobachtung: Was hast du beim Flammensprung beobachtet? Halte nun deine Beobachtung hier fest: Nun stellt sich die Frage: Was brennt beim Flammensprung? Oder ganz allgemein: was brennt in einer Kerze? Mögliche Antworten auf diese Frage wären: 8 Die Luft 8 Der Docht 8 Das Wachs 8 Der Docht und das Wachs Die Flamme 19. Sep. 17 Seite 9

10 Um die richtige Antwort zu finden, machen wir verschiedene Experimente und starten mit dem Docht. Experiment 2.1 Docht anzünden Ein etwa 5 cm langes Stück Kerzendocht wird an einem Ende mit einer Zange gefasst und am anderen Ende in einer brennenden Kerze angezündet. Beobachtung: Erkenntnis: Kann der Docht alleine für die Kerzenflamme verantwortlich sein? Experiment 2.2: Festes Wachs anzünden Versucht zuerst ein festes Stück Wachs anzuzünden. Beobachtung: Die Flamme 19. Sep. 17 Seite 10

11 Experiment 2.3. Flüssiges Wachs anzünden Anschliessend wird in einem Porzellan-Schälchen ein Stück festes Wachs zum Schmelzen gebracht. Nun wird eine Streichholzflamme zuerst an die Oberfläche des flüssigen Wachses gehalten und dann ganz in das Wachs eingetaucht. Beobachtung: Experiment 2.4: Gasförmiges Wachs anzünden In einem Porzellan-Schälchen wird ein Stück festes Wachs lange und stark erhitzt. Man erhitzt so lange bis die Bildung von weissem Wachs-Nebel intensiv stattfindet. Anschliessend wird das brennende Streichholz mit einer Tiegelzange in die Wachs- Nebel gehalten (in der Nähe des flüssigen Wachses). Beobachtung: Die Flamme 19. Sep. 17 Seite 11

12 Erkenntnisse aus den Experimenten Welche Erkenntnisse können wir nun aus den letzten Experimenten auf die Frage: Was brennt in einer Kerze ziehen? Welcher Bestandteil einer Kerze ist hauptsächlich für die Verbrennung verantwortlich? Welche Funktion hat nun aber der Docht? Experiment 2.5: Docht im flüssigen Wachs entzünden Ein etwa 5 cm langes Stück weisser Docht wird, mit einer Tiegelzange, senkrecht mit dem unteren Ende, in flüssiges rotes Wachs getaucht. Beobachtung: Die Flamme 19. Sep. 17 Seite 12

13 Erkenntnisse aus Experiment Was passiert nun genau beim Flammensprung? Beantworte die Frage ausführlich. Die Flamme 19. Sep. 17 Seite 13

14 2.1 Woraus bestehen Flammenzonen? Bisher haben wir erkannt, dass in der Kerzenflamme Wachsgas verbrennt. Nun ist aber die Frage: Woraus bestehen die Flammen-Zonen? noch nicht beantwortet. Mit Hilfe von verschiedenen Experimenten wollen wir jetzt diese Frage beantworten. Experiment 3.1. Flammenkern: Gegenstand hinter der Flamme Halte einen dünnen Metallgegenstand hinter eine Kerzenflamme. Schreibe deine Beobachtungen auf zu den einzelnen Flammenzonen auf: Experiment 3.2. Flammenkern: Wachsnebel auffangen & entzünden (Lehrerexperiment) Zuerst wird mit einem Glasrohr Wachsgas aus einer Kerzenflamme entnommen. Im Erlenmeyerkolben bildet sich weisser Nebel/Rauch, welcher anschliessend über der Brennerflamme gegossen wird. Was hast du beobachtet? Woraus besteht wohl der Flammenkern? Die Flamme 19. Sep. 17 Seite 14

15 Experiment 3.3. Flammenmantel: Reagenzglas im Flammenmantel Haltet ein Reagenzglas in den Flammenmantel. Was beobachtet ihr? Und was könnt ihr daraus für Erkenntnisse schliessen? Experiment 3.4. Flammenmantel: Russ-Rauch in der Brennerflamme Mit Hilfe von Stativmaterial wird ein Glasrohr fast senkrecht in der Flamme positioniert. Die untere Öffnung des Rohres kommt dabei genau im Zentrum des Flammen- Mantels zu liegen. Anschliessend richtet man die nichtleuchtende Gasbrenner- Flamme auf die obere Öffnung des Glasrohres. Was beobachtet ihr? Und was könnt ihr daraus für Erkenntnisse schliessen? Die Flamme 19. Sep. 17 Seite 15

16 Erkenntnisse Flammenmantel Nun haben wir mehrfach belegt, woraus der Flammenmantel besteht: Er besteht aus Russ-Rauch. Kannst du nun auch erklären, weshalb der Flammenmantel undurchsichtig ist? Experiment 3.5. Flammensaum: Gasbrenner mit und ohne Luftzufuhr Inzwischen ist geklärt woraus Flammen-Kern und Flammen-Mantel bestehen. Somit bleibt uns nur noch die Auseinandersetzung mit dem Flammen-Saum. Wir bleiben der naturwissenschaftlichen Methode treu und experimentieren. Man nimmt einen Bunsenbrenner in Betrieb. Zuerst mit geschlossener Luftzufuhr, dann mit geöffneter Luftzufuhr. Was beobachtet ihr? Und was könnt ihr daraus für Erkenntnisse schliessen? Die Flamme 19. Sep. 17 Seite 16

17 Aufgabe 3.6: Lückentext Flammenzonen Nun wollen wir die Experimenten-Reihe 3 abschliessen und zusammen tragen, woraus die einzelnen Flammenzonen bestehen. Fülle hierfür bitte den nachfolgenden Lückentext aus. (Einzelne Wörter musst du mehrmals verwenden!) Kohlenstoff-Teilchen / Wachsgas / Flammen-Saum / Luft / drei / durchsichtigem / Schulchemie / Flammen-Mantel / farblosem / gelbes Licht / blau / Flammen-Kern / Verbrennung / Eine Kerzenflamme besteht aus... verschiedenen Zonen, dem..., dem... und dem.... Der... ist aus... und... Wachsgas. Die zweite Flammenzone, der... ist das Ergebnis einer unvollständigen Verbrennung von... Dabei entstehen.... Diese Teilchen glühen in der heissen Flamme und strahlen dabei... ab. Nur im Flammen-Saum ist ausreichend... vorhanden für eine schnelle und vollständige... von.... Deshalb ist seine Farbe.... Woraus aber der Flammen-Saum hingegen genau besteht, das können wir mit unserer einfachen... leider nicht beantworten. Die Flamme 19. Sep. 17 Seite 17

18 2.2 Die Verbrennung von Kerzenwachs Wir haben uns bisher intensiv damit beschäftigt, wie eine Kerzenflamme aussieht, was in der Flamme brennt und woraus die Flammen-Zonen bestehen. Was mit dem Wachsgas bei der Verbrennung passiert haben wir allerdings noch nicht herausgefunden. Wir versuchen jetzt auch diese Frage mit Experimenten zu beantworten. Experiment 4.1. Weisses Blatt Papier über der Kerzenflamme Haltet etwa 10 cm über der Kerzenflamme ein weisses A4 Blatt. Was beobachtet ihr? Vergleicht eure Beobachtungen auch mit dem Experiment 3.3. Führt dieses Experiment gegebenenfalls nochmals durch. Experiment 4.2: Kohlendioxidnachweis in der Kerzenflamme (Lehrerexperiment) Mit Hilfe einer Pumpe leitet man die Gase über einer Kerzenflamme durch eine Gaswaschflasche, die mit Calciumhydroxid-Lösung gefüllt ist. Die Flamme 19. Sep. 17 Seite 18

19 Experiment 4.3: Kerzenflamme unter einer kalten Metallschale Man füllt eine Metallschale mit etwas kaltem Leitungswasser. Diese Schale hält man, dort wo der Boden gekrümmt ist, einige cm über eine Kerzenflamme. Die Flamme 19. Sep. 17 Seite 19

20 2.3 Der Verbrennungsprozess in einer Kerze Nun tragen wir alle unsere Ergebnisse zusammen und schreiben die chemischen Wortgleichungen dazu: Als erstes haben wir mit verschiedenen Experimenten (3.3, ) festgestellt, dass in der Kerzenflamme aus weissem Wachs schwarzer Russ (Kohlenstoff) gebildet wird: Dieser schwarze, feste Kohlenstoff reagiert mit dem Sauerstoff aus der Luft zu farblosem, gasförmigem Kohlendioxid (gelbes Glühen im Flammenmantel): Die Verbrennung des Kohlenstoffs im Flammen-Saum läuft jedoch etwas anders ab als im Flammen-Mantel. Im Flammen-Saum wird der Kohlenstoff sofort nach seiner Bildung zu Kohlendioxid verbrannt, das typische gelbe Glühen des Flammenmantels gibt es nicht. Im Flammen-Mantel geschieht die Kohlenstoff-Verbrennung, wegen des Sauerstoff-Mangels, mit ein wenig zeitlicher Verzögerung. Während seiner "Lebensdauer" (weniger als eine Sekunde) bildet der Kohlenstoff feste Partikel, die in der Hitze des Flammen-Mantels gelb glühen. Durch nachströmenden Sauerstoff verbrennen auch diese Partikel vollständig zu Kohlendioxid. Weiter haben wir beobachtet (Exp. 4.3), dass über der Kerzenflamme gasförmiges Wasser aufsteigt. Da Wasser aus Wasserstoff und Sauerstoff gebildet wird, muss der Wasserstoff in einem Vorgang in der Kerzenflamme entstehen. Als Ausgangsstoff für die Wasserstoff-Bildung kommt vor allem der Brennstoff, Wachs, in Frage. Also halten wir fest, dass aus Wachs ebenfalls Wasserstoff gebildet wird. Der auf diese Weise gebildete Wasserstoff verbrennt sowohl im Flammen-Saum als auch im Flammen-Mantel sofort mit dem einströmenden Sauerstoff zu Wasser. Wir haben jetzt ein vollständiges Bild von den Verbrennungs-Vorgängen in der Kerzenflamme. Abschliessend verbinden wir diese Teilprozesse zu einem Gesamtprozess und leiten daraus die komplette Wortgleichung ab. Die Flamme 19. Sep. 17 Seite 20

21 Zusammenfassung Wir beginnen wieder ganz vorne im Verbrennungs-Vorgang: In der heissen Kerzenflamme wird der gasförmige Wachs in Kohlenstoff und Wasserstoff aufgespaltet. Danach spielt auch der Sauerstoff aus der Luft mit. Dieser reagiert mit dem Kohlenstoff zu Kohlendioxid und mit dem Wasserstoff zu Wasser. Addition der Teilprozesse ergeben den Gesamtprozess Alle drei Vorgänge zusammen ergeben nun folgenden Gesamtprozess: Hierfür werden die drei Teilprozesse addiert. Die Stoffe, die sowohl auf der linken und der rechten Seite des Reaktionspfeils vorkommen, werden anschliessend gestrichen. So erhält man abschliessend die Reaktionsgleichung für den Gesamtprozess in einer Kerzenflamme: Mit einer Zeichnung wird unsere Theorie zu den Vorgängen in der Kerzenflamme besonders anschaulich dargestellt. Die Flamme 19. Sep. 17 Seite 21

22 2.4 Der Verbrennungsprozess graphisch dargestellt Versuche nun die Pfeile der untenstehenden Graphik mit den Stoffen zu beschriften, welche in diesem Bereich vorkommen. Der Verbrennungsprozess im Flammensaum läuft ein wenig anders ab als im Flammenmantel, beschreibe den Unterschied: Die Flamme 19. Sep. 17 Seite 22

23 Die Flamme 19. Sep. 17 Seite 23