LUFT CHEMIE DER VERBRENNUNG (SEKP)

Transkript

1 1 KSO LUFT CHEMIE DER VERBRENNUNG (SEKP) Skript Luft Chemie der Verbrennung (SekP) V1.0 04/15 Bor

2 2 INHALTSVERZEICHNIS "LUFT CHEMIE DER VERBRENNUNG" 1. Einleitung Reaktionspartner Luft Die Luft ist ein Gasgemisch Film: Der Atem der Erde Spurengase in der Luft Exkurs Brandbekämpfung Waldbrandbekämpfung Rätsel Verbrennung Test Luft und Verbrennung... 17

3 3 1. Einleitung Das Lagerfeuer brennt und alle erfreuen sich an der Wärme und der romantischen Stimmung, die es verbreitet. Wann und wo das Feuer von den Menschen zuerst genutzt wurde, ist nicht genau bekannt. Es gibt aber Hinweise, dass man bereits vor Jahren den Umgang mit dem Feuer beherrschte. Es spendete Wärme und Licht und diente der Zubereitung von Speisen. Funde aus späterer Zeit zeigen, dass man das Feuer auch nutzte, um Metalle zu gewinnen. Was geschieht bei der Verbrennung? Welche Rolle spielt die Luft dabei? Welche neuen Stoffe entstehen bei der Verbrennung und welche Bedeutung haben sie in unserem Leben? Das und viele weitere Fragen, die im Zusammenhang mit der Verbrennung stehen, sollen auf den nächsten Seiten näher betrachtet werden. 2. Reaktionspartner Luft Um ein Feuer anzuzünden, benötigt man einen brennbaren Stoff wie Papier, Holz, Kohle, Heizöl oder Erdgas. Brennstoffe entzündet man durch ein Streichholz oder ein Feuerzeug, indem man sie an einer Stelle stark erhitzt. Einige Stoffe lassen sich dabei leichter, also bei niedriger Temperatur, entzünden als andere. Besonders leicht lässt sich gasförmiger Brennstoff wie Erdgas entzünden. Bei der Verbrennung bilden sich hell leuchtende Flammen. Auch den Docht einer Kerze kann man sehr einfach mit dem Streichholz anzünden: In der heissen Streichholzflamme verdampft aus dem Docht etwas Wachs. Es ist schliesslich dieser Dampf, der dann entzündet wird. Will man jedoch Kerzenwachs direkt zum Brennen bringen, reicht ein Streichholz nicht aus. Man benötigt vielmehr einen Gasbrenner, um die Zündtemperatur von Kerzenwachs zu erreichen. Eine Verbrennung kann aber nur dann ablaufen, wenn genügend Luft als Reaktionspartner vorhanden ist. Bei mangelnder Luftzufuhr beobachtet man zunächst die Bildung von Russ und Qualm, schliesslich erstickt das Feuer.

4 4 Aufgabe I: Kerze Beobachten Sie folgendes Experiment und interpretieren Sie das Ergebnis. Über eine brennende Kerze wird eine Glasglocke gestellt Skizze der Apparatur: Interpretation: Aufgabe II: Toluol und Ethanol Beobachten Sie folgendes Experiment und interpretieren Sie das Ergebnis. Verbrennung von Toluol und Ethanol Ergebnis: Aufgabe III: Eisenwolle & Balkenwaage Was passiert mit der Balkenwaage, wenn wir Eisenwolle verbrennen? Versuchen Sie das Ergebnis vorherzusagen. Ergebnis:

5 5 Eine Verbrennung ist eine chemische Reaktion. Dabei entstehen Stoffe mit neuen Eigenschaften. Oft wird Asche, die bei vielen Verbrennungen zurückbleibt als Verbrennungsprodukt angesehen. Es handelt sich jedoch nur um einen Rückstand von nicht brennbaren Stoffen. Die eigentlichen Reaktionsprodukte sind meist gasförmige Stoffe wie Kohlenstoffdioxid und Wasserdampf, die man nicht direkt erkennen kann. Auch Metalle brennen. Einrichtungen und Geräte für den Umgang mit Feuer werden oft aus Eisen hergestellt. Daraus könnte man folgern, dass Eisen nicht brennbar ist. Das gilt jedoch nur für kompakte Stücke. Erhöht man den Zerteilungsgrad und vergrössert damit die Oberfläche, so brennt auch Eisen: Hält man Eisenwolle in die Flamme eines Brenners, fängt sie an zu glühen. Bläst man Luft hinein, so glüht sie noch stärker auf. Bei der Reaktion bildet sich aus der hellgrauen Eisenwolle ein dunkelgrauer Stoff, der zerbröselt, wenn man ihn zusammendrückt. Es handelt sich um Eisenoxid. Führt man die Verbrennung von Eisenwolle an einer Waage durch, kann man eine Zunahme der Masse beobachten. Diese Beobachtung bestätigt, dass bei der Verbrennung ein weiterer Stoff beteiligt ist. Dabei handelt es sich um Luft. Auch viele andere Metalle sind brennbar. So brennt Magnesium an der Luft mit einer blendend hellen Flamme. Als Verbrennungsprodukt erhält man Magnesiumoxid, einen weissen pulverförmigen Feststoff, der auch als Magnesia bezeichnet wird. Eine Verbrennung ist eine chemische Reaktion: Dabei entweichen Stoffe mit neuen Eigenschaften. Verbrennungsvorgänge verlaufen stets exotherm; dabei wird also Wärme an die Umgebung abgegeben. Man spricht von Verbrennungswärme. Verbrennungen sind chemische Reaktionen mit Sauerstoff. Eine chemische Reaktion, bei der sich ein Stoff mit Sauerstoff verbindet, bezeichnet man als Oxidation. Die dabei entstehenden Produkte heissen Oxide.

6 6 Aufgabe IV: Magnesiumband Ein Stück Magnesiumband wird am Gasbrenner entzündet. Beobachtung? Interpretation? Ergebnis: Aufgabe V: Kupfer Ein Stück Kupfer wird in die heisse Flamme gehalten. Beobachtung? Interpretation? Ergebnis:

7 7 3. Die Luft ist ein Gasgemisch Die Luft ist ein Gemisch aus verschiedenen Gasen. Sie besteht hauptsächlich aus Stickstoff und Sauerstoff. In Spuren findet man unter anderem Edelgase, CO2, Methangas und Wasserstoff. Die Zusammensetzung der Gase ist abgesehen von Wasser und Ozon - in der ganzen Atmosphäre ziemlich konstant. Vertikaler Temperaturverlauf in der Atmosphäre Gas Stickstoff Sauerstoff Argon Kohlenstoffdioxid sonst. Edelgase Methan Wasserstoff Ozon (schützt die Erdoberfläche vor schädlicher UV-Strahlung) Anteil in 1000 ml der Luft

8 8 Aufgabe VI: Warum erlischt eine Kerze unter einem Becherglas? Aufgabe VII: Warum lässt sich Holzkohle nicht mit einem Streichholz anzünden? Aufgabe VIII: Wie kann man experimentell herausfinden, ob es sich bei einem farblosen Gas um Luft handelt? Aufgabe IX: Wie muss ein Lagerfeuer vorbereitet werden, damit man es mit einem Streichholz entzünden kann? Aufgabe X: Nenne Beispiele für die Nutzung von Verbrennungswärme in Industrie und Haushalt.

9 9 3.1 Film: Der Atem der Erde Beantworte folgende Fragen zum Film Atem der Erde: 1. Woher stammt das Sauerstoff-Atom ursprünglich? 2. Wie gelangt es auf die Erde? In welcher Form liegt es zuerst auf der Erde vor? 3. Warum kommt zu Beginn der Erdentstehung kein freier Sauerstoff auf der Erde vor? 4. Durch welchen Prozess konnte sich elementarer Sauerstoff in der Atmosphäre bilden? 5. Was ist die Überlebensstrategie der Schlammfischchen? 6. Warum konnten Dinosaurier und Insekten vor Millionen von Jahren so gross werden? 7. Wie funktioniert die Atmung der Dinosaurier? 8. Warum ist es möglich, dass jeder heutige Mensch Sauerstoff-Moleküle einatmet, die schon die alten Ägypter oder Wikinger oder andere Menschen der Vergangenheit eingeatmet haben?

10 Spurengase in der Luft Neben den Hauptbestandteilen (Stickstoff und Sauerstoff) enthält die Luft auch Stoffe in viel kleineren Konzentrationen (= Anzahl Teilchen pro Liter entspricht dem Teildruck der Gase). Man nennt diese Stoffe Spurengase. Durch menschliche Aktivitäten (z. B. Verbrennungen) können diese Konzentrationen verändert werden. Aufgabe XI: Arbeitsauftrag Erstellen Sie mit Hilfe des Internets einen Steckbrief über die Gase. Erwähnen Sie Vorkommen, Eigenschaften und Verwendung. Kohlenstoffdioxid (.) Vorkommen: Eigenschaften: Verwendung: Kohlenstoffmonoxid (.) Vorkommen: Eigenschaften: Verwendung: Stickstoffoxide (.) Vorkommen: Eigenschaften: Verwendung:

11 11 Schwefeldioxid (.) Vorkommen: Eigenschaften: Verwendung: Ozon (.) Vorkommen: Eigenschaften: Verwendung: Aufgabe XII: Kohlenstoffdioxid-Kreislauf Sie arbeiten in 2er-Gruppen. Suchen Sie mithilfe des Internets den Kohlenstoffdioxid- Kreislauf heraus und stellen Sie ihn auf einem A3-Blatt graphisch dar. Es ist nicht verboten dazu noch Text zu schreiben, damit sie den Kreislauf auch verstehen. Die beste Arbeit wird mit einem süssen Preis ausgezeichnet.

12 12 4. Exkurs Brandbekämpfung Ein Brand bricht aus, wenn drei Bedingungen erfüllt sind: Ein ausreichend zerteilter brennbarer Stoff wird in Gegenwart von Sauerstoff auf seine Zündtemperatur erhitzt. Bei der Brandbekämpfung muss man daher eine oder mehrere der folgenden Massnahmen ergreifen: Besondere Schwierigkeiten bereiten Brände von Öl, Benzin oder Fett. Versucht man solche Brände mit Wasser zu löschen, sinkt das Löschwasser aufgrund seiner grösseren Dichte unter die brennende Flüssigkeit und verdampft dabei sofort. Dadurch spritzt die brennende Flüssigkeit umher. Bei Fettbränden in der Pfanne hilft einfaches Abdecken. Kleinere Brände löscht man mit Handfeuerlöschern. Man verwendet folgende Arten von Löschern: Nasslöscher: Gaspatrone drückt Wasser durch eine Düse. Anwendung:. Kohlenstoffdioxidschnee-Löscher: Flüssiges Kohlenstoffdioxid kühlt sich beim Austritt schlagartig und extrem ab. Der dabei entstehende Kohlenstoffdioxidschnee (Trockeneis,- 78 C) kühlt die Gegenstände stark ab und verhindert den Sauerstoff-Zutritt. Anwendung:. Trockenlöscher: Natriumhydrogencarbonat (Natron) gibt beim Erhitzen Kohlenstoffdioxid ab, das sich über den Brandherd legt und das Feuer erstickt: Anwendung:.

13 13 Aufgabe XIII: Welche Bedingungen führen zur Entstehung eines Brandes? Wie kann ein Brand gelöscht werden? Aufgabe XIV: Warum dürfen Feuerlöscher nicht auf Menschen gerichtet werden? Wie kann brennenden Menschen geholfen werden? Aufgabe XV: Welche Brandbekämpfungsmittel befinden sich in eurem Chemieraum und wie funktionieren sie? Aufgabe XVI: Experiment Fettbrand Notieren Sie sich die Beobachtungen aus dem Experiment.

14 Waldbrandbekämpfung In jedem Sommer wüten grosse Waldbrände in den USA, in Russland und in Australien. Sie sind von den Feuerwehren nur sehr schwer unter Kontrolle zu bringen und verwüsten ganze Landstriche. 1. Waldbrände entstehen unter natürlichen Bedingungen durch Blitzschlag, vulkanische Aktivitäten oder Selbstentzündung. Nenne weitere mögliche Ursachen für Waldbrände. 2. Waldbrände werden in verschiedene Arten unterteilt: Erdfeuer: Schwelbrände im Boden, z.b. brennender Torf Boden- oder Lauffeuer: Brände von trockenen Gräsern, Laub, Unterholz und bodennahen Teilen von Bäumen Kronenfeuer: Brände im Kronenbereich der Bäume Vollfeuer: Kombination aus Boden- und Kronenfeuer Welche Auswirkungen auf den Wald haben die einzelnen Arten von Bränden? 3. Dicht stehende Nadelholzbestände sind besonders waldbrandgefährdet. Warum können die Wälder durch folgende Brandschutzmaßnahmen geschützt werden? Anlage von Feuerschneisen: Anpflanzung von Laubholzstreifen: grössere Abstände zu Straßen:

15 15 regelmässige Entfernung von Unterholz: Informationstafeln:

16 16 5. Rätsel Verbrennung Waagerecht: (1) kommt aus dem Auspuff; (3) brennbare Flüssigkeit; (6) Hauptbestandteil der Luft; (10) Sauerstoffentzug; (12) Oxid des Wasserstoffs; (14) wird zur Entschwefelung benötigt; (15) Verbindung mit Sauerstoff; (16) hält UV-Strahlung ab; (17) Verbrennungserscheinung; (19) Kraftstoff; (20) Reaktion mit Sauerstoff; (22) entweicht aus dem Feuer; (25) flüssiges Metall; (27) Energie bei chemischen Reaktionen. Senkrecht: (2) Party-Feuerstelle; (3) Mischung aus Nebel und Abgasen; (4) stellte die Phlogiston-Theorie auf; (5) wird zur Entstickung von Rauchgas verwendet; (6) Element im Zündholzkopf; (7) oxidierendes Element; (8) leuchtendes Element; (9) wird aus Rauchgas gefiltert; (11) hell brennendes Metall; (13) Brennstoff; (18) Eigenschaft einer Reaktion, die Wärme liefert; (21) Erfinder eines Verbrennungsmotors; (23) Rückstand eines Feuers; (24) Feuer ohne Flamme; (26) Oxidationsprodukt des Eisens.

17 17 6. Test Luft und Verbrennung 1. Luft A ist ein Gasgemisch, B besteht aus 21 % Sauerstoff, 78 % Stickstoff und 1 % sonstigen Gasen, C besteht aus 78 % Sauerstoff, 21 % Stickstoff und 1 % sonstigen Gasen, D besteht aus 21 % Sauerstoff, 78 % Kohlenstoffdioxid und 1 % Stickstoff. 2. Sauerstoff ist ein Gas, das A blau aussieht, B farblos und geruchlos ist, C ein Brennstoff ist, D die Verbrennung unterstützt, E nicht brennbar ist. 3. Stickstoff A ist ein farbloses, geruchloses Gas, B ist ein graues, leicht sauer riechendes Gas, C erstickt Flammen, D ist mit der Glimmspanprobe nachweisbar. 4. Sauerstoff und Stickstoff unterscheiden sich durch A den Geruch, B die Dichte, C die Brennbarkeit, D die Unterstützung der Verbrennung. 5. Die Verbrennung ist A eine Oxidationsreaktion, B eine chemische Reaktion, C die Reaktion zur Bildung von Oxiden, D ein physikalischer Vorgang, bei dem Wärme entsteht. 6. Ein Metalloxid ist A eine chemische Reaktion, B eine chemische Verbindung, C aus einem Metall durch Oxidation herstellbar, D ist ein Element, das verbrannt werden soll, E entsteht, wenn Stickstoff mit einem Metall reagiert.

18 18 7. Kohlenstoffdioxid A ist ein farbloses, stechend riechendes Gas, B entsteht aus Kohlenstoff und Sauerstoff, C ist eine gasförmige Verbindung, D wirkt erstickend. 8. Kohlenstoffmonooxid A entsteht aus Kohlenstoff und Sauerstoff, B ist eine gasförmige Verbindung, C ist ein tödlich wirkendes Atemgift, D ist das Gleiche wie Kohlenstoffdioxid. 9. Ozon A bildet sich in Bodennähe bevorzugt bei schlechtem Wetter, B ist eine Erscheinungsform des Sauerstoffs, C ist giftig, D in der Ozonschicht ist schädlich für das Leben auf der Erde. 10. Luftschadstoffe A sind Elemente, die in der Luft vorkommen, B entstehen bei der Verbrennung von Benzin im Pkw-Motor, C können durch Katalysatoren in unschädliche Stoffe umgewandelt werden, D sind für die Schädigung von Bäumen und Bauwerken mitverantwortlich, E entstehen beim Einsatz von Elektromotoren im Strassenverkehr. 11. Brände können entstehen, wenn A ein brennbarer Stoff stark erhitzt wird, B ein Raucher seine glimmende Kippe im Wald wegwirft, C eine Kerze in einem Weihnachtsgesteck zu weit herunter brennt, D glühende Asche in einem Metallkasten aufbewahrt wird. 12. Brände bekämpft man A durch die Zufuhr von Sauerstoff, B durch Überschichten mit Kohlenstoffdioxid, C durch Entzug des brennbaren Stoffes, D durch Abkühlen.