Transcript 007 Luft und Verbrennung

Luft und Verbrennung
Chemische Verbindungen mit
Sauerstoff O2
Metalle verbrennen
• Nicht nur Kohlenstoffverbindungen wie
Erdölprodukte und Holz verbrennen.
• Auch die meisten Metalle können
verbrennen.
• Eisen Fe, Natrium Na, Aluminium Al,
Chrom Cr, Nickel Ni, Kupfer Cu, Zink Zn,
Silber Ag, Quecksilber Hg, Blei Pb
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Die Rolle des Sauerstoffs
• Bei allen Verbrennungsvorgänge spielt
Sauerstoff eine wichtige Rolle.
• Eine Kerze erlöscht, wenn sie keinen
Sauerstoff O2 mehr hat.
• Ein Glimmspan leuchtet hell auf, wenn
man ihn in reinen Sauerstoff hält.
• Verbrennen heisst also immer, einen Stoff
mit Sauerstoff in eine Verbindung bringen.
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• Verbrennungsvorgänge sind immer
chemische Reaktionen. Es entstehen
nämlich immer neue Stoffe mit neuen
Stoffeigenschaften und man benötigt
jeweils eine Aktivierungsenergie.
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Magnesium verbrennen
• So können wir beispielsweise das Metall
Magnesium Mg in einer
Bunsenbrennerflamme entzünden.
• Magnesium verbindet sich dabei mit dem
Sauerstoff O2 aus der Luft bei einer sehr
hellen Flamme zu Magnesiumoxid MgO.
• Das Magnesiumoxid kennen wir aus dem
Sportunterricht als Magnesia.
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Metalle, die nicht brennen
• Kann sich aus einem bestimmten Grund
kein Sauerstoffatom O an ein Metall
binden, lässt sich das Metall auch nicht
verbrennen.
• So kann man beispielsweise Platin Pt und
Gold Au nicht verbrennen (mit Sauerstoff
verbinden).
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Zerteilungsgrad
• Es wird uns nicht gelingen, eine
Eisenbahnschiene anzuzünden, obwohl sie
aus Eisen besteht und sich Eisen mit
Sauerstoff verbinden lässt.
• Eine Eisenbahnschiene hat eine zu geringe
Oberfläche.
• Nur gerade die äusserste Schicht lässt sich
mit Sauerstoff oder anderen Stoffen
verbinden.
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Zerteilungsgrad
• Teilen wir einen Stoff in kleine Einzelteile
bekommen wir eine
Oberflächenvergrösserung.
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Zerteilungsgrad
• Diese Oberflächenvergrösserung sorgt nun
dafür, dass sich viel mehr Angriffspunkte
für eine chemische Verbindung mit einem
anderen Stoff bieten.
• So gelingt es uns einfach, Eisenpulver mit
Sauerstoff zu verbinden, also zu
verbrennen.
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Zerteilungsgrad
• Je grösser die Oberfläche ist, umso
grösser ist der Zerteilungsgrad und umso
grösser ist die Reaktionsfreudigkeit.
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Entzünden von Eisenwolle
• Eisenwolle Fe lässt sich einfach mit einem
Feuerzeug oder sogar mit einer 4.5V
Batterie entzünden.
• Nach der Verbrennung stellt man fest,
dass das Reaktionsprodukt eine grössere
Masse hat als der Ausgangsstoff Eisen Fe.
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• Durch die Verbindung von Eisen Fe mit
Sauerstoff O2 kommt es zu einer
Massenzuname.
• Im Reaktionsprodukt Eisenoxid Fe2O3 hat
sich nun zum Eisen Fe Sauerstoff O2
gebunden, darum können wir auf der
Waage eine Massenzunahme feststellen.
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Bestandteile der Luft
• Die Luft ist ein homogenes Stoffgemisch
verschiedener Gase:
• 78% Stickstoff N2
• 21% Sauerstoff O2
• 1% Edelgase (Helium He, Neon Ne, Argon
Ar, Krypton Kr und Xenon Xe)
• 0,03% Kohlenstoffdioxid CO2
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Sauerstoff O2
• Sauerstoff O2 alleine brennt nicht.
• Sauerstoff ist aber als einer der
Ausgangsstoffe bei jeder Verbrennung
beteiligt.
• Sauerstoff O2 hat keinen Geschmack und
auch keinen Geruch.
• Um Sauerstoff nachweisen zu können,
dient die Glimmspanprobe:
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Glimmspanprobe
• Ein noch glühender Holzspan wird in den
zu prüfenden Stoff gehalten. Glüht dabei
der Holzspan wieder hell auf und beginnt,
wieder zu brennen, handelt es sich beim
zu prüfenden Stoff um Sauerstoff O2
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Edelgase
• Edelgase wie Helium He, Neon Ne, Argon
Ar und Xenon gehen keine chemischen
Bindungen ein und kommen darum immer
nur als Atom vor.
• Keine chemische Bindung, weil die
äusserste Elektronenschalen komplett
gefüllt ist.
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Kohlenstoffdioxid CO2
• Der Kohlenstoffdioxid ist dichter als die
Luft.
• Da jede Verbrennung Sauerstoff benötigt,
kann man mit Kohlenstoffdioxid ein Feuer
löschen, da es dem Brennstoff den
Sauerstoff entzieht.
• Beispiel: Brennende Kerze im Becherglas
 CO2 hineinschütten
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Kohlenstoffdioxid CO2 Nachweis
• Kohlenstoffdioxid CO2 kann man mit
Kalkwasser nachweisen:
• Kalkwasser trübt sich, wenn es mit
Kohlenstoffdioxid CO2 durchströmt wird.
• Kohlenstoffdioxid entsteht aus Reaktionen
von Kohlenstoff C,
Kohlenstoffverbindungen xxC mit
Sauerstoff O2.
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Oxidationen
• Verbrennungen, das heisst Verbindungen
mit Sauerstoff O2, bezeichnet man als
Oxidationen.
• Die Reaktionen von Oxidationen sind
darum die verschiedenen Oxide.
• Es gibt Metall- und Nichtmetalloxide
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Metalloxide
• Eisen Fe + Sauerstoff O2  Eisenoxid
Fe2O3
• Magnesium Mg + Sauerstoff O2 
Magnesiumoxid MgO
• Blei Pb + Sauerstoff O2  Bleioxid PbO
• Kupfer Cu + Sauerstoff O2  Kupferoxid
Cu2O
• Zink Zn + Sauerstoff O2  Zinkoxid ZnO
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Metalloxide
• Gemeinsame Stoffeigenschaften der
Metalloxide:
• Leiten den Elektrischen Strom (ungelöst)
nicht.
• Sind spröde (brüchig).
• Haben hohe Schmelztemperaturen. Z.B.
Eisenoxid: 1565°C (Eisen Fe: 1538°C,
Sauerstoff O2: -218°C)
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Nichtmetalloxide
• Kohlenstoff + Sauerstoff 
Kohlenstoffdioxid CO2
• Schwefel + Sauerstoff  Schwefeldioxid
SO2
• Stickstoff + Sauerstoff 
Stickstoffmonoxid N2O (Lachgas)
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Metalleigenschaften
• Alle Metalle haben gemeinsame
Eigenschaften:
• Sie leiten den elektrischen Strom.
• Sie leiten Wärme.
• Sie haben eine silber-glänzende
Oberfläche.
• Sie sind bei Raumtemperatur fest (ausser
Quecksilber Hg!)
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Bindungsbestreben
• Das Bindungsbestreben hängt einerseits
vom Zerteilungsgrad ab.
• Zum andern haben Metalle verschiedene
natürliche Bindungsbestreben zu
Sauerstoff O2.
• So reagiert Magnesium Mg heftiger mit
Sauerstoff O2 als Eisen Fe.
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Bindungsbestreben
• Am Beispiel des Anzündens von Eisenwolle
und Magnesiumband beobachtbar:
• Obwohl die Eisenwolle Fe einen höheren
Zerteilungsgrad hat, brennt Magnesium
Mg mit einer helleren und heisseren
Flamme.
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Bindungsbestreben
• Noch weniger heftig reagiert Kupfer Cu
mit Sauerstoff O2.
• Beobachtbar beim Hineinblasen von
Eisenpulver Fe und Kupferpulver Cu in die
Bunsenbrennerflamme.
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Bindungsbestreben
• Edle Metalle wie Gold Au, Silber Ag und
Platin Pt, haben nur ein ganz geringes
Bestreben, mit Sauerstoff eine Bindung
einzugehen.
• Platin Pt lässt sich auch in der heissen
Bunsenbrennerflamme nicht entzünden,
also nicht mit Sauerstoff O2 verbinden.
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Bindungsbestreben
• Unedle Metalle wie Eisen Fe, Magnesium
Mg und Zink Zn reagieren gut mit
Sauerstoff.
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Elemente
• Wir kennen heute 118 Elemente.
• 4/5 aller Elemente sind Metalle.
• Elemente bestehen aus lauter gleichen,
gleich grossen kleinsten Teilchen.
• Die kleinsten Teilchen eines einzelnen
Elements, auch als Atome bezeichnet,
kann man chemisch nicht weiter aufteilen.
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• Einzelne Elemente bestehen bereits aus
Atomverbindungen
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Verbindungen
• So kommt nie eine einzelnes
Sauerstoffatom O vor. Ein Sauerstoffatom
hat sich immer mit einem zweiten
verbunden.
• Man spricht vom Sauerstoffmolekül O2
(zwei Sauerstoffatome chemisch
miteinander verbunden)
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Verbindungen
• Sobald ein Stoff aus mehr als aus
einzelnen Atomen besteht, sprechen wir
von Verbindungen.
• Edelgase gehen keine Verbindungen ein
und kommen darum immer als einzelne
Atome vor.
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Schwefeldioxid SO2
• Auch das Nichtmetall Schwefel S lässt sich
verbrennen, also mit Sauerstoff
O2verbinden.
• Schwefel verbrennt mit einer blauen
Flamme.
• S + O2  SO2 (giftiges Gas!)
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Flamme - Verglühen
• Bei Verbindungen mit Sauerstoff O2 (also
Verbrennungen) können wie sowohl
Flammen als auch ein Verglühen
beobachten.
• Wird ein Stoff im gasförmigen
Aggregatzustand verbrannt, können wir
eine Flamme beobachten.
• Verbrennt jedoch ein fester oder flüssiger
Stoff, beobachtenChemie
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ein Verglühen ohne
Flamme - Verglühen
• Beispiele:
• Benzin brennt mit einer Flamme. Das
heisst, es brennen nur die Benzindämpfe.
• Eisenwolle verglüht ohne Flamme. Eisen
wird also vor der Verbrennung nicht
gasförmig.
• Kerzenwachs wird zuerst gasförmig und
verbrennt dann mit einer Flamme.
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Langsame Oxidationen
• Eisen lässt sich bei einem genug hohen
Zerteilungsgrad anzünden  rasche
Oxidation (Verbindung mit Sauerstoff)
• Eisen rostet aber auch  langsame
Oxidation.
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Langsame Oxidation
• Auch beim Vergleich vom luftdicht
verpackten Magnesium Mg mit
Magnesium, das dem Sauerstoff über
längere Zeit ausgesetzt war, können wir
eine Stoffumwandlung (langsame
Oxidation) beobachten.
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3 Dinge benötigt ein Feuer
• Brennbarer Stoff:
• Das ist ein Stoff, der sich mit Sauerstoff
O2 verbinden lässt und einen genügend
grossen Zerteilungsgrad hat.
• Beispiele: Kohlenstoffverbindungen wie
Erdölprodukte (Benzin, Heizöl, Kerosin),
Kerzenwachs, Alkohole. Metalle (Eisen Fe,
Magnesium Mg, Zink Zn), Wasserstoff H2
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3 Dinge benötigt ein Feuer
• Eine genügend hohe Zündtemperatur
• Verschiedene Stoffe haben eine
unterschiedlich hohe Zündtemperatur.
• Beispiele: Benzin 220°C, Heizöl 350°C,
Papier 440°C, Erdgas 650°C
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3 Dinge benötigt ein Feuer
• Sauerstoff O2
• Ohne Sauerstoff kann es zu keinem Feuer
kommen.
• Viele Brandbekämpfungsmethoden
basieren darum auf Sauerstoffentzug.
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Feuer löschen
• Entzug vom brennbaren Stoff:
• Bei der Oxidation der
Kohlenstoffverbindung Holz (also beim
Lagerfeuer;-) wird grosszügig um den
Reaktionsplatz Laub und Holz
weggeräumt, damit es nicht zum
unkontrollierten Brand kommt.
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Feuer löschen
• Abkühlen
• Der brennbare Stoff wird unter seine
Zündtemperatur gekühlt. Meist in Form
von Wasser.
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Feuer löschen
• Entzug von Sauerstoff O2
• Kohlenstoffdioxid- und Schaum-
Feuerlöscher verhindern, dass das Feuer
genügend Sauerstoff bekommt.
• Auch Wasser kann zum Sauerstoffentzug
beitragen.
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