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• Chemieunterricht in der Schule

Skripte für (Name):

Dr. T.Lehmann, Freie Universität Berlin, Institut für Organische Chemie

Vorwort für Lehrkräfte:

Ich habe im Dezember 1998 die nachfolgende Unterrichtseinheit in einer 9.Klasse abgehalten. Die Schüler bekamen diese Skripte in die Hand. Während des Unterrichts wurden die meisten der Experimente von den Schülern selbst durchgeführt. Hilfestellung habe ich nur bei Gefahrstoffen gegeben. So habe ich z.B. Schwefelkohlenstoff  und Diethylether, mit denen Kinder nach den Bestimmungen der GUV19.16 erst ab einem Alter von 16 Jahren hantieren dürfen, selbst abgefüllt und in den entsprechenden Gefäßen bereitgestellt, die entsprechenden Zündversuche jedoch von den Schülern durchführen lassen. Da die Kinder bei mir im Institut zu Besuch waren, war ich gezwungen, das gesamte Programm innerhalb von zwei Stunden abzuarbeiten. In dieser Zeit war es lediglich möglich, die Kinder die Versuchsbeobachtungen notieren zu lassen. Die sich aus den Versuchen ergebenen Schlußfolgerungen - die während der Veranstaltung aber wenigstens andiskutiert waren - waren als Hausaufgabe schriftlich auszuformulieren, wozu in der Skripte entsprechende Felder vorgesehen waren. Sie können sich durch den Text beliebig zu eigenem Schaffen anregen lassen oder ihn ganz oder in Teilen in Ihrem eigenen Unterricht einsetzen. Natürlich können Sie in einem normalen Unterricht auch die Schlußfolgerungen im Unterricht entwickeln und formulieren lassen anstatt wie ich, das alles im "Schweinsgalopp" zu machen. Entscheiden Sie selbst! Vorbehaltlich der zur Verfügung stehenden Ressourcen kann dies auch wiederum als Blockkurs im Institut für Organische Chemie durchgeführt werden. Wenn Sie dieses wünschen, melden Sie sich bitte bei der Fachdidaktik Chemie, Frau Angela Koehler-Krützfeld, Tel. 8386343 an!

Inhalt

1 Vorwort

2 Was sind die Voraussetzungen, daß ein Stoff brennt?

2.1 Wir untersuchen verschiedene Materialien:

2.2 Wir untersuchen Luftbestandteile auf das Brennverhalten

3 Wie kann man eine Verbrennung starten?

4 Leicht- und hochentzündliche Stoffe

5 Aggregatszustand bei der Verbrennung

6 Wie kann man Feuer löschen?

6.1 Brennende Gegenstände

6.2 Brennende Personen

7 Brandfördernde Substanzen

1 Vorwort

In dieser Skripte kommen viele Namen von Chemikalien vor. Es macht gar nichts, wenn Du diese Namen (jetzt noch) nicht verstehst, denn es geht hier nur darum, daß Substanzen verschiedene Eigenschaften haben können. Statt der Namen hätte man auch schreiben können, "Substanz A" wird mit dem "Elexier B" versetzt. Dann hätte aber alles so ausgesehen, als hätte Chemie etwas mit geheimnisvollen Hexenküchen zu tun, aber das stimmt nicht: Wenn man von Chemie eine Ahnung hat, sind einem die Eigenschaften von Stoffen im Gegenteil sehr vertraut.

2 Was sind die Voraussetzungen, daß ein Stoff brennt?

2.1 Wir untersuchen verschiedene Materialien:

Die Stoffe der folgenden Tabelle werden in die nicht leuchtende Flamme des Bunsenbrenners gehalten. Beschreibe das Brennverhalten:

Stoff	Brennverhalten
Schale mit 10 ml Nagellackentferner
Holzscheit
Magnesiumband
Werkstück aus Stahl
Stein

Fragen für zu Hause:

Brennen alle Stoffe gleich heftig?
Können auch Metalle brennen?

Der Versuch wird mit zerkleinerten Materialien wiederholt:

Stoff	Brennverhalten
10 ml Nagellackentferner werden mit einer Spritze durch die Bunsenflamme gedüst.
Aus dem Holzscheit geschnittener Span
Stahlwolle
Seesand

Fragen für zu Hause:

Welchen Einfluß hat das Zerkleinern auf das Brennverhalten?
Kannst Du eine Begründung dafür geben?

2.2 Wir untersuchen Luftbestandteile auf das Brennverhalten

Wenn man die einzelnen Gase, aus denen die Luft besteht, in reiner Form vorliegen hat und diese immer weiter abkühlt, so kommt man zu ganz unterschiedlichen Ergebnissen:

• Kohlendioxid wird bei -78 °C fest. Es ist unter dem Namen "Trockeneis" bekannt und wird z.B. in Imbißläden ohne Stromversorgung zur Kühlung benutzt.

Versuch	Beobachtung
Ein Trockeneisstückchen wird in ein Glasgefäß mit Schnappdeckel gegeben, verschlossen und stehengelassen.

Fragen für zu Hause:

Zwischen welchen Aggregatszuständen wechselt das Trockeneis?
Gib den Namen für diesen Wechsel an!

• Stickstoff wird bei -196 °C (!) flüssig. Auch diese Flüssigkeit wird für technische Apparaturen zur Kühlung benutzt. Alle Stoffe verändern bei dieser Temperatur stark ihre Eigenschaften, wie der folgende Versuch zeigt:

Versuch	Beobachtung
Ein Stück Gummischlauch wird in flüssigen Stickstoff getaucht. Dann wird mit dem Hammer auf das Schlauchstück geklopft.

Fragen für zu Hause:

Beschreibe die Eigenschaft, die Stoffe bei ca. -200 °C haben!

• Sauerstoff wird bei etwas höherer Temperatur, nämlich -183 °C flüssig. Flüssiger Sauerstoff ist viel konzentrierte als gasförmiger Sauerstoff. Die Verbrennung wird in flüssigem Sauerstoff daher gefährlich beschleunigt. Das kann sogar zu Explosionen führen.

Versuch	Beobachtung
Eine Metallschale wird mit flüssigem Stickstoff gefüllt und hochgehoben. Die Außenseite der Schale bekommt zunächst einen weißen Belag. Nach einiger Zeit scheidet sich dort flüssiger Sauerstoff ab, der schließlich von der Schale abtropft. Eine brennende Zigarette wird an diese Tropfen gehalten.

Fragen für zu Hause:

Woraus besteht der weiße Belag, der zuerst auf der Schale zu sehen ist?

Wir wollen nun einmal diese 3 Gase bei Raumtemperatur daraufhin untersuchen, ob sie für eine Verbrennung notwendig sind.

Versuch:
In ein Becherglas wird ein Stück Trockeneis gegeben oder etwas flüssiger Stickstoff gefüllt. Nach kurzem Abwarten wird eine brennende Kerze oder Zigarette in das Glas gehalten.

Gas	Beobachtung
Kohlendioxid
Stickstoff

Versuch	Beobachtung
Durch eine glimmende Zigarette wird Sauerstoff geblasen.

Fragen für zu Hause:

Welches Gas / welche Gase der Luft sind für eine Verbrennung notwendig?

3 Wie kann man eine Verbrennung starten?

Schwefelkohlenstoff hat eine Zündtemperatur von 102 °C. Auch alle anderen brennbaren Stoffe haben Zündtemperaturen, die höher oder niedriger als die des Schwefelkohlenstoffs sein können.

Fragen für zu Hause:

Was passiert, wenn ein Stoff über seine Zündtemperatur hinaus erhitzt wird?
Ist zum Entzünden eines Feuers immer eine Flamme, ein Funke oder ähnliches notwendig?

Versuch	Beobachtungen
0,5 ml einer Lösung von n-Butyllithium in Hexan werden aus einer mit einem Septum verschlossenen Flasche mit einer Spritze entnommen und auf die Arbeitsfläche getropft. (Ein "Septum" ist eine Membran, die man mit der Nadel einer Spritze durchstechen kann. Zieht man die Nadel wieder heraus, so schließt das Loch sich wieder dicht)

Fragen für zu Hause:

Liegt die Zündtemperatur von n-Buthyllithium oberhalb oder unterhalb der Raumtemperatur?

4 Leicht- und hochentzündliche Stoffe

Die Entflammbarkeit des soeben verwendeten n-Butyllithiums ist schon recht gefährlich. Stoffe, die leicht- oder hochentzündlich sind, werden mit einem Flammensybol gekennzeichnet, welches folgendermaßen aussieht:

so:

F leicht entzündlich

oder so:

F+ hochentzündlich

Fragen für zu Hause:

Stelle fest, welche leicht entzündlichen Stoffe bei Euch zu Hause verwendet werden. Leider erkennst Du nicht alle Stoffe an den gezeigten Symbolen, weil es z.B. für kleine Flaschen Ausnahmebestimmungen gibt. Suche deshalb auch nach einem warnenden Text! Fündig wirst Du am ehesten bei allem, was "irgendwie komisch" riecht, also z.B. Lacke, Klebstoffe, Reinigungs- und Fleckentfernungsmittel sowie Kosmetika. Außerdem gibt es diverse Stoffe, die direkt zum Verbrennen benutzt werden. Auch im Keller oder in der Garage gibt es häufig leicht entzündliche Stoffe. Frage Deine Eltern, ob Du auch dort suchen darfst!

5 Aggregatszustand bei der Verbrennung

Fragen für zu Hause:

Das Kerzenwachs ist normalerweise fest. Welchen Aggregatszustand erreicht es, bis es tatsächlich verbrannt wird?

Versuch	Beobachtung / Schlußfolgerung
Etwas Nagellackentferner wird auf die Hand geträufelt. Wie fühlt sich das an? Was ist daraus zu schließen?
3 Tropfen Nagellackentferner werden in eine Kleinbild-Filmdose gegeben, die mit einem elektrischen Zünder ausgerüstet ist. Die Filmdose wird fest verschlossen und der Zünder betätigt.

Fragen für zu Hause:

Wann ist die Verbrennung am heftigsten: Wenn der zu verbrennende Stoff fest, flüssig oder gasförmig ist?
Entwerfe einen Versuch, mit dem man Kerzenwachs zur Explosion bringen könnte!

Versuch:
In 2 zylindrische Glasgefäße werden nacheinander jeweils 2 und 15 Tropfen Diethylether gegeben, in ein drittes Gefäß kommt etwa 1 ml Diethylether. Weil Diethylether schon bei 35 °C siedet, verdunstet er sehr rasch. Die Gefäße enthalten also nach wenigen Augenblicken nur noch gasförmigen Ether. In die Glasgefäße wird ein Stopfen hineingegeben, mit dem das entstehende Ether/Luftgemisch nach dem Verschließen mit etwas Alu-Folie durch Kippen gut durchmischt wird. Nach Abnehmen der Alu-Folie wird eine Flamme an die Öffnung des Gefäßes gehalten.

Diethylether ist DER Ether, mit dem in Krimis arme Opfer narkotisiert werden. So schnell wie im Krimi geht das in Wirklichkeit allerdings nicht. Aber für den Krimi wäre das wohl zu langweilig, wenn die Opfer sich minutenlang wehren und zappeln würden...

Menge des Ethers	Beobachtung
2 Tropfen
15 Tropfen
1 ml

Fragen für zu Hause:

Wann ist die Verbrennung am heftigsten: Wenn wenig von dem zu verbrennenden Gas wenig, Luft hingegen reichlich vorhanden ist. Wenn das zu verbrennende Gas mit Luft in einem genau richtigen Verhältnis gemischt wird. Wenn man viel von dem zu verbrennenden Gas und wenig Luft nimmt.
Wenn Ihr zu Hause ein Auto habt, dann frage Deine Eltern: Was macht der Vergaser im Auto? Was ist der "lambda"-Wert, bzw. eine "lambda"-Sonde?
Folgendes kannst Du auch selbst beantworten: Was stimmt mit dem Benzin-Luft-Gemisch nicht, wenn aus dem Autoauspuff schwarzer Ruß kommt?

Versuch	Beobachtung
In dem dritten Zylinder verbleibt auch nach dem Anzünden immer noch Etherdampf. Er wird in eine große Glasschale umgefüllt und dann eine Flamme in die Schale gehalten.

Fragen für zu Hause:

Warum brennt der Ether jetzt?
Sind Etherdämpfe schwerer oder leichter als Luft?

Anmerkung:
Alle leicht entzündlichen organischen Flüssigkeiten entwickeln Dämpfe, die sich ähnlich wie der Dampf des Diethylethers verhalten. Das ist sehr gefährlich, weil sich diese Dämpfe am Boden unbemerkt über weite Strecken ausbreiten und an einer weit entfernten Stelle zünden können.

Fragen für zu Hause:

Camping-Gas-Flaschen dürfen nicht in Räumen gelagert werden, deren Fußboden sich unterhalb des Erdbodens befindet. (z.B. Keller) Gib eine Erklärung!

6 Wie kann man Feuer löschen?

6.1 Brennende Gegenstände

Feuer kann man löschen indem man die Luftzufuhr unterbindet, oder den Sauerstoff verdrängt.

• Die Verdrängung des Sauerstoffs haben wir schon im Kapitel 2.2 untersucht.

Versuch	Beobachtung
Ein Teelicht im Aluminiumtöpfchen ohne Docht wird mit dem Brenner erhitzt, bis das Wachs zu brennen anfängt. Dann wird das Teelicht in Eiswasser gehalten.

Feuer kann man auch löschen, indem man den Brandherd abkühlt.

Fragen für zu Hause:

Wie heißt die Temperatur, die dabei unterschritten werden muß?

Brennende Kerzen werden meistens ausgepustet. Warum verlöscht dabei die Flamme, obwohl man dabei doch frische, sauerstoffhaltige Luft in die Flamme pustet? Gib 2 Gründe an, aber überlege vorher gut! Beachte den Versuch mit den drei Glasrohren! Übrigens werden brennende Erdölquellen prinzipiell auf die gleiche Weise gelöscht. Natürlich kann man da nicht pusten, sondern muß eine Sprengladung zünden und dafür sorgen, daß die Druckwelle die Ölquelle trifft.

1. 2.

Wenn Löschmittel verwendet werden, so verdrängen diese meist den Luftsauerstoff oder sie kühlen den Brandherd. Viele tun sogar beides gleichzeitig. Wasser zum Beispiel kühlt sehr gut und der sich bildende Wasserdampf verdrängt gleichzeitig den Sauerstoff. Wasser kann als Löschmittel aber auch völlig falsch sein.

Versuch	Beobachtung
Etwa 20 ml Toluol werden in ein 100-ml-Becherglas gegeben, welches in einer großen Kristallisierschale steht. Das Toluol wird mit der Bunsenflamme entzündet. Dann wird Wasser in das Becherglas gespritzt.
Um zu verstehen, warum das Feuer in dem vorigen Versuch nicht gelöscht wurde, wird in einem Reagenzglas etwas Toluol gegeben und dann mit angefärbtem Wasser versetzt. (Zum Anfärben des Wassers wird ein farbiges Salz, z.B. Kupfersulfat verwendet.)

Fragen für zu Hause:

Gib eine Erklärung, warum das Wasser den Brand nicht gelöscht hat!

Der Versuch, mit Wasser zu löschen, kann unter Umständen sogar lebensgefährlich sein!

Versuch	Beobachtung
Eine Metallschale wird mit einem Eßlöffel Bratfett versetzt und von unten mit der Bunsenflamme erhitzt.	1. 2.
Die Flamme wird entfernt und die Schale rasch mit einem Blatt Papier zugedeckt.
Das Blatt Papier wird wieder zurückgezogen.	1. 2.
Das brennende Öl wird mit Wasser bespritzt

Fragen für zu Hause:

Wie würdest Du eine brennende Friteuse oder eine brennende Bratpfanne löschen? Besprich mit Deinen Eltern, wie man das richtig macht!
Wenn man den Brand gelöscht hat: Ist dann alle Gefahr sogleich vorüber? Oder muß man noch auf etwas achten?

Wir wollen einmal untersuchen, warum es so eine schreckliche Feuerfontäne gegeben hat, als wir das Wasser in das Öl gegeben haben:

Versuch	Beobachtung
In ein Reagenzglas wird etwas aufgeschmolzenes Bratfett gegeben und mit Wasser versetzt. Wo befindet sich hinterher das Wasser?
Das Reagenzglas wird in der Bunsenflamme gleichmäßig erwärmt.

Fragen für zu Hause:

Erkläre das Versuchsergebnis!
Welche Stoffe können mit Wasser gelöscht werden?

Ein für das chemische Labor sehr gut geeignetes Löschmittel ist Kohlendioxid. Im Labor gibt es deshalb meist Kohlendioxidlöscher. Dort befindet sich das Kohlendioxid unter so starkem Druck, daß es bei Raumtemperatur flüssig ist. Der Kohlendioxidlöscher enthält also flüssiges Kohlendioxid.

Fragen für zu Hause:

Schau noch einmal im Kapitel 2.2 nach: Kann Kohlendioxid auch bei normalem Luftdruck flüssig sein?

Versuch	Beobachtung
Etwas Ethanol wird in einer Metallschale entzündet und mit dem Kohlendioxidlöscher gelöscht.

Das Kohlendioxid entweicht als kalter "Schnee" aus dem Löscher. Dort, wo der Schnee sich nicht zu festem Trockeneis zusammenballt (meist am Löschkopf), verdampft der Schnee augenblicklich rückstandsfrei.

Fragen für zu Hause:

Was muß man alles tun, bis ein Feuerlöscher einsatzbereit ist?
Welche Temperatur muß der austretende Kohlendioxidschnee haben? Vergleiche Kapitel 2.2
Warum tritt aus dem Löscher kalter Kohlendioxidschnee aus, obwohl das Kohlendioxid im Löscher gerade eben noch Raumtemperatur hatte? Vergleiche mit dem Nagellackentferner auf der Hand (Kapitel 5)
Nimm an, Du findest einen Feuerlöscher, bei dem die Plombe zerrissen ist: Welche Gefahr besteht? Was muß mit dem Löscher sofort gemacht werden?

Leider kann man auch dem Kohlendioxidlöscher nicht alle Brände löschen. Er ist sehr gut geeignet für brennende Flüssigkeiten. Wenn aber eine brennende Glut vorliegt, so ist er weniger geignet. Bei Metallbrändenversagt er völlig:

Versuch	Beobachtung
In einer Metallschale werden Magnesiumspäne mit dem Bunsenbrenner entzündet. Es entsteht ein sehr heißer Glutbrand. Es wird versucht, den Brand mit dem Kohlendioxidlöscher zu löschen.

Erklärung:
Das "DIOXID" in dem Namen Kohlendioxid bedeutet, daß dieser Stoff auch Sauerstoff enthält. Da er chemisch gebunden ist, können die meisten brennbaren Stoffe damit nichts anfangen - aber manche eben doch: Sie "stehlen" dem Kohlendioxid einfach den Sauerstoff. Das tut hier auch das Magnesium. Später wirst Du lernen, zwischen welchen Reaktionspartnern ein solcher Wechsel möglich ist und zwischen welchen nicht. (Frage Deine(n) Lehrer(in), wann die "Spannungsreihe der Elemente" im Unterricht behandelt wird.)

6.2 Brennende Personen

In einem Erste-Hilfe-Kurs lernt man auch, wie man brennende Personen löscht: Durch Einwickeln in eine Decke. Das ist im Ernstfall sehr schwierig, weil brennende Personen sehr panisch reagieren, also um sich schlagen oder sogar weglaufen. Man muß sie deshalb festhalten, notfalls sogar zu Boden werfen. Trotzdem ist es richtig, was der Ausbilder im Erste-Hilfe-Kurs erzählt, denn beim Grillfeuer im Garten gibt es meist nichts anderes als eine Decke. In öffentlichen Gebäuden, vor allem aber im Chemieraum gibt es aber eine bessere Alternative:

Feuerlöscher

Die gesetzlichen Unfallversicherer empfehlen Löscher ohne jede Einschränkung hinsichtlich des Typs. Das ist sehr bedeutend, weil es zahlreiche, sehr hartnäckige Vorurteile gegenüber Löschern gibt:

• Es bestünde Erstickungsgefahr
• Es könnte einen Kreislaufkollaps geben
• Es können Erfrierungen auftreten

Man muß es ganz deutlich sagen: Das ist alles Unsinn! Das liegt vor allem daran, daß ein kurzer Sprühstoß aus dem Löscher ausreicht, um jeden Kleiderbrand zu löschen.

Aber warum dann - wenn es doch umstritten scheint - nicht doch lieber eine Decke nehmen?

Ganz einfach:

• Das Löschen ist schneller und sicherer, weil man mit dem Löscher den Brand auch löschen kann, wenn das Opfer wild herumstrampelt und 1 - 2 m entfernt ist.

Versuch	Beobachtung           :-)
Die Schüler werden mit einem Kohlendioxidlöscher angesprüht.	Anzahl der Erstickungsanfälle : Anzahl der Kreislaufkollapse : Anzahl der Erfrierungen :

7 Brandfördernde Substanzen

Brandfördernde Substanzen werden mit dem folgenden Symbol gekennzeichnet:

 O
brandfördernd

Es sieht ganz ähnlich wie das Symbol für leicht entzündliche Substanzen aus - und doch bedeutet es etwas völlig anderes:

Ein brandfördernder Stoff brennt selbst nicht, kann aber die Verbrennung erheblich unterstützen - ja sogar auslösen.

Versuch	Beobachtung
Etwas Lithiumaluminiumhydrid wird in ein kleines Becherglas gegeben und mit einem Tropfen rauchender Salpetersäure versetzt. (Lithiumaluminiumhydrid ist ein leichtentzündlicher Feststoff. Rauchende Salpetersäure ist brandfördernd.)

Viele Sprengstoffe bestehen aus einem Gemisch aus Komponenten, von denen ein Teil leicht entzündlich, der andere brandfördernd ist. Das muß nicht in der Schule ausprobiert werden, denn alle kennen das bestens von den Silvesterböllern.