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Kerzen-Killer-Versuch

Chemie

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Basiswissen｜ Altersgerecht｜ Version I: in Messbecher｜ Version II: in Tischaquarium｜ Teelichter & Reaktionskinetik｜ Jo-Jo-Streichhölzer｜ Die schwebende Flamme｜ Wunderkerze ohne Sauerstoff?｜ Die Reaktionsgleichung｜ Massenverhältnisse｜ Zur Historie der Luft｜ Der Sauerstoff｜ Das Kohlendioxid｜ Eine notwendige Bedingung｜ Persönliche Anmerkung｜ Fußnoten


Basiswissen


CO2-Gas löscht Teelicht: Natronpulver (Natriumhydrogencarbonat) und Essigessenz erzeugen zusammen Kohlendioxid, also CO2. Damit kann man eine Kerze berührungslos löschen. Das Ergebnis führt zu der Idee, dass es verschiedene Arten von „Luft“ oder Gasen gibt. Bei der Ausführung kann man verschiedene Maße für Volumen (Liter, Kubikzentimeter) und Massen (Gramm) kennen lernen.



Bildbeschreibung und Urheberrecht
Die kleine Variante des Versuches: a) In einen oben offenen Glas kann ein Teelicht problemlos brennen. Gibt man aber b) etwa 3 Gramm Natron auf de Boden des Glases und träufelt dann c) rund 2 ml Essigessenz (25 %-ig) auf das Natron, so erlischt die Flamme nach kurzer Zeit. Mit solch ähnlichen Experimenten zeigte d) John Mayow bereits im Jahr 1674, dass Luft aus verschiedenen Bestandteilen bestehen muss. © ☛


Altersgerecht


Der Versuch ist ab der Grundschule und bis in ein Studium hinein interessant. In der einfachsten Version und wenn das Material griffbereit vorhanden ist, dauert er nur wenige Minuten. Um die Rohstoffe optimal einzusetzen kann man mit Waage und Messbecher genau die nötigen Mengen bestimmen. Für ältere Schüler können aufwändiger Varianten dann bis hin zur Betrachtung der Reaktionskinetik führen.

Die Erfahrungen in unserer Lernwerkstatt in Aachen haben gezeigt, dass Grundschüler, bis hin zur Klasse 6, vor allem Effekte kennen lernen wollen. Deutungen hin zu Modellen kommen bei ihnen meist nicht gut an. Messungen sind gut, sollten aber nicht zu lange dauern. Ab etwa der Klasse 7 werden dann Deutungen und Theorien interessanter.

Version I: in Messbecher


  • Ab der Grundschule
  • Vielleicht 3 bis 4 Minuten
  • Vor allem phänomenologisch (Effekte)
  • Litern, Kubikzentimetern, Millilitern, Gramm etc.

Schritt 1

  • Material:

Schritt 2

  • Durchführung:
  • Mache das Teelicht mit dem Feuerzeug an.
  • Stelle das Teelicht auf den Boden des Becherglases.
  • Bestreue dann den Boden mit Natronpulver. 3 Gramm sind ausreichend.
  • Das Pulver sollte den Boden rund um das Teelicht ganz bedecken.
  • Viel Oberfläche gibt eine gute Reaktion mit dem Essig.
  • Gib dann langsam Essigessenz mit der Pipette hinzu.
  • 2 Milliliter Essenz sind völlig ausreichend.
  • Das Natronpulver wird dann stark aufschäumen.
  • Nach wenigen Sekunden wird das Teelicht ausgehen.

Schritt 3

  • Deutung:
  • Das Natronpulver und die Essigessenz lassen CO2 entstehen.
  • CO2, das heißt Kohlendioxid, ist ein Gas, es ist schwerer als 👉 Luft
  • Es sammelt sich im Becherglas von unten nach oben an.
  • Wenn es den Sauerstoff bis zur Kerzenflamme verdrängt hat, ...
  • hat die Kerze keinen Sauerstoff mehr um brennen zu können [1].
  • Dadurch geht sie aus.

Version II: in Tischaquarium


  • Ab Klasse 7
  • Eine bis mehrere Stunden (mit Auswertung)
  • Volumen-, Massen- und Zeitmessungen
  • Modellbildung, Erklärung, Logik
  • Erzeugtes CO2 als Funktion der Zeit

Teelichter & Reaktionskinetik


Mit Teelichtern
Wir [8] haben 24 Gramm Natron und 72 Gramm 25-%-ige Essigessenz auf den Boden eines 12-Liter Tischaquariums gegeben. Im Aquarium waren insgesamt 4 Teelichter in treppenartig ansteigender Höhe aufgebaut. Als die Essigessenz auf den Boden gekippt wurde, ging sehr schnell die unterste Kerze aus.



Mit diesen Versuchsaufbau kann man gut die Geschwindigkeit abschätzen, mit der das Kohlendioxid entsteht und das Aquarium langsam von unten nach oben auffüllt. Am Anfang war die Reaktion stark, nahm dann aber deutlich an Geschwindigkeit ab.

Es ist für manche chemische Reaktionen typisch, dass sie am Anfang sehr viel schneller verlaufen als am Ende. Am Anfang findet jedes Molekül der Essigessenz leicht und schnell ein Molekül Natron, mit dem es reagieren kann. Aber im Laufe der Zeit verbrauchen sich die Ausgangsstoffe, die sogenannten Edukte. So dauert es im zeitlichen Durchschnitt auch immer länger, bis zwei passende Moleküle zueinander gefunden haben. Die wissenschaftliche Betrachtung der Geschwindigkeit von chemischen Reaktionen bezeichnet man als 👉 Kinetik (Chemie)

Jo-Jo-Streichhölzer


Mit Streichhölzern
Wir [8] haben 36 Gramm Natron und 108 Gramm 25-%-ige Essigessenz auf den Boden eines 12-Liter Tischaquariums gegeben. Sofort war die heftig schäumende Reaktion am Boden zu erkennen. Kurz nach dem Einsetzen der Reaktion senkten wir ein brennendes Streichholz langsam Richtung Boden ab. Es ging in etwa drei Viertel der Höhe aus, was in etwa einem Füllvolumen von 9 Litern entspräche. Man konnte das Streichholz auch mehrmals zum Erlöschen bringen und durch anheben nach oben wieder entflammen. Dieses Wechselspiel ließ sich mit demselben Streichholz mehrfach wiederholen; ein netter Effekt.

Die schwebende Flamme


Den folgenden Effekt entdeckten wir zufällig: wenn das Tischaquarium vielleicht 10 oder mehr Zentimeter hoch mit Kohlendioxid gefüllt ist, kann man ein brennendes Feuerzeug langsam von oben mit nach oben zeigender Flamme in das Meer aus Gas eintauchen. Dabei wird sich der sichtbare Teil der Flamme an der Oberfläche des Kohlendioxid-Meers langsam vom Gehäuse des Feuerzeugs abheben. Die Flamme brennt dann wie aus dem Nichts kommend einen oder zwei Zentimeter oberhalb des Feuerzeugs frei "in der Luft schwebend" weiter. In weiteren Versuchen könnte man den Effekt auch mit einem Laborbrenner ausprobieren.

Wunderkerze ohne Sauerstoff?


Mit Wunderkerze
Wir haben dann dieselbe Anordnung im Freien (mit Feuerlöscher und Brille) aufgebaut. Mit einem Feuerzeug hatten wir uns überzeugt, dass das Aquarium wieder zu mindestens drei Vierteln seiner Höhe mit Kohlendioxid gefüllt war. Dann zündeten wir eine etwa 16 cm lange Wunderkerze der Firma WECO [9] und hielten sie waagrecht knapp über den Boden des Tischaquariums. Die Wunderkerze brannte ohne erkennbare Beeinträchtigung weiter. Die erste Vermutung war, dass sie auch sicher ohne Sauerstoff weiter brennen kann.

Ob eine Wunderkerze auch ohne Luftsauerstoff brennt können wir noch nicht mit Sicherheit bestätigen.

Doch dieser Schluss ist vielleicht vorschnell: wir testeten nach dem vollständigen Abbrand der Wunderkerze mit einem Streichholz erneut, die Füllhöhe des CO2 im Aquarium: die Kerze brannte beständig bis hin zum Boden. Das gesamte wirksame CO2 muss aus dem Tischaquarium entwichen sein. Wie das? Das Gas ist doch üblicherweise schwerer als Luft. Eine Vermutung ist, dass die starke Hitzeentwicklung der Wunderkerze das CO2 erhitzt hat. Damit ist das CO2 leichter geworden und ist vielleicht nach oben aufgestiegen. Auf jeden Fall können wir mit diesem Versuch noch nicht sicher sagen, dass Wunderkerzen auch ohne Sauerstoff von außen brennen können.


TO-DO:

Den Versuch mit der Wunderkerze im CO2-gefüllten Tischaquarium erneut aber dann so durchführen, dass während des Abbrennens der Wunderkerze kein CO2 aus dem Aquarium entweichen kann.


Die Reaktionsgleichung


  • NaHCO₃ + CH₃COOH → CH₃COONa + H₂O + CO₂

Legende


Massenverhältnisse


Aus der Reaktionsgleichung sieht man, dass ein Teilchen Natriumhydrogencarbonat plus ein Teilchen Essigsäure am Ende ein Teilchen Kohlendioxid ergibt.

Wie schwer die Teilchen sind, kann man über die Molekülgewichte herausfinden. Jedes Atom in den Verbindungen hat sein eigenes Atomgewicht. Dieses kann man über Tabellen heraussuchen. [6] Gerundet auf ganze Zahlen (was sehr gut passt), kommt man auf folgende Atomgewichte:

  • H -> 1
  • C -> 12
  • O -> 16
  • Na -> 23

Und mit diesen Atomgewichten kann man dann die Molekülgewichte bestimmen.

  • NaHCO₃ -> 23 + 1 + 12 + 3·16 = 84
  • CH₃COOH -> 12 + 3·1 + 12 + 16 + 16 + 1 = 60
  • CH₃COONa -> 12 + 3·1 + 12 + 16 + 16 + 23 = 82
  • H₂O -> 2·1 + 16 = 18
  • CO₂ -> 12 + 2·16 = 44

Zur Kontrolle: die Summe der Gewichte der Ausgangsstoffe und die Summe der Gewichte der Endstoffe ergeben beide die Zahl 144.

Die Zahlen der Atom- und Molekülgewichte geben recht gut Vielfache des Gewichts von einem Atom Wasserstoff an. Jede 1 steht hier für eine atomare Masseneinheit oder etwa 1,660538921 mal 10 hoch -27 kg. Aber um das Verhältnis der Ausgangsstoffe (Edukte) und der Endstoffe (Produkte) zueinander zu bestimmen, genügen die Molekülgewichte in den Einheiten u wie oben schon fertig angegeben. Damit kann man einige Aussagen ableiten:

  • Für eine vollständige Reaktion benötigt man vom Gewicht her 0,7 mal so viel Essigsäure (CH₃COOH) wie Natron (NaHCO₃).
  • Bei diesem stöchiometrischen Verhältnis von Natron zu Essigsäure hat man am Ende vom Gewicht her etwa halb so viel Kohlendioxid wie am Anfang Natron eingesetzt hat.

Nun muss man noch berücksichtigen, dass Essigsäure meist nicht pur erhältlich ist. Man kauft sie zum Beispiel als Speiseessig mit etwa 5 % Säuregehalt oder als Essigessenz mit 25 % Säuregehalt. Für die Versuche in unserer Lernwerkstatt verwenden wir 25-%-ige Essigsäure der Firma Surig. Man benötigt also vier mal so viel Essigessenz, wie man eigentlich als Essigsäure braucht.

Mit all diesen Überlegungen kommt man dann zu den folgenden auf ganze Grammzahlen gerundete Ergebnissen für den Kerzen-Killer-Versuch:

  • 3 Gramm Natron
  • 9 Gramm Essigessenz
  • Ergeben am am Ende: 1,5 Gramm CO2

Da 1,5 Gramm CO2 1,5/44 oder etwa 0,034 Mol entsprechen, und da jedes Mol eines idealen Gases in etwa 22,4 Liter Raum einnimmt, müssten die 1,5 Gramm CO2 am Ende 0,034·22,4 Liter Volumen haben. Das sind etwa 0,76 Liter. Mit diesen geringen Mengen an Ausgangsstoffen, könnte man also einen Messbecher bis zu einem dreiviertel hoch mit CO2 anfüllen.

Wir [8] haben das dann in einem Versuch mit einem Aquarium grob überprüft. Zunächst wurde über einen Dreisatz die Menge so hochgerechnet, dass am Ende 9 Liter CO2 entstehen:

  • 36 Gramm Natron
  • 108 Gramm 25-%-ige Essigessenz
  • Geben etwa 9 Liter CO2

Tatsächlich erreichte die Füllhöhe des CO2 etwa drei Viertel der Höhe des Aquarium und damit auch die 9 Liter wie aus der Rechnung vorhergesagt. Wir haben das mit zwei aufeinanderfolgenden Versuchen (siehe oben) nachgeprüft.

Zur Historie der Luft


Es ist heute für die meisten Menschen selbstverständlich, dass die Luft um uns herum aus mehreren Bestandteilen besteht. In Lehrbüchern findet man dann auch schnell die Angabe, dass Luft auf der Erde aus etwa 78 % Stickstoff, 21 % Sauerstoff und 1 % anderen Stoffen wie zum Beispiel Kohlendioxid oder Wasserdampf) besteht. Das heißt, wenn man einen Liter solcher Luft hat, dann sind 780 Milliliter davon Stickstoff und gut 210 Milliliter Sauerstoff. [2] Aber wie hat man das herausgefunden?


ZITAT:

John Mayow, 1674: "Man darf nicht annehmen, dass die Luft an sich die Flamme am Leben erhält sondern nur ein aktiver und feiner Teil von ihr, denn eine Flamme unter einem Glas erlischt auch dann, wenn noch genügend Luft vorhanden ist." [3]


Im Jahr 1674, zu der Zeit als in Europa auch Physiker wie Isaac Newton, John Hooke, Otto von Guericke oder Christiaan Huygens tätig waren, veröffentlichte der Engländer John Mayow (1641 bis 1679) in Latein geschriebene Berichte über Experimente mit Flammen und Mäusen unter Glasglocken. [3] Mayow hatte größere Glasbehälter mit der Öffnung nach unten in ein Wasserbecken getaucht. Vorher hatte er den Aufbau so vorbereitet, dass dann unter dem Glasdeckel eine Kerze brennen oder ein kleines Tier atmen konnte. Er hat dann beobachtet, dass nach einer gewissen Zeit die Kerze ausgeht und das Tier stirbt. Mit einigen Argumenten folgerte er dann, dass die Luft zu etwa einem Fünftel Volumenprozent aus einem Stoff besteht, der für das Brennen der Kerze und das Atmen der Mäuse notwendig sei. [5] Damit kam Mayow mit seinem einfachen Versuchen sehr nahe an die 21 Volumenprozent Sauerstoff, die heute als Wert üblicherweise angegeben werden.

Der Sauerstoff


Wenn wir etwas mit einer Flamme brennen sehen, dann läuft dabei so gut wie immer eine chemische Reaktion mit Sauerstoff ab. Wenn sich ein Element mit Sauerstoff verbindet, spricht man von einer Oxidation. Was dabei herauskommt, die Verbindung, ist dann ein Oxid. Bei einer Oxidation wird meist Energie frei, praktisch also Wärme. Und diese Wärme oder Hitze bringt dann die Teilchen der Luft zum Leuchten. Das ist die Flamme die wir sehen. Wenn wir aber den Sauerstoff von einer Flamme verdrängen, dann kann die Oxidation nicht mehr ablaufen. Die Flamme erlischt. Das zeigt der Versuch.

Das Kohlendioxid


Kohlendioxid als Gas ist schwerer als Luft. Während ein Kubikmeter Luft etwa 1,2 Kilogramm an Masse hat, sind es bei Kohlendioxid gut 1,98 Kilogramm. [2] Man sagt, dass Kohlendioxid dichter sei als Luft. Das Kohlendioxid hat bezogen auf dasselbe Volumen mehr Masse, mehr Gewicht, als Luft. Die folgenden Angaben gelten für die Gase bei 0 °C Temperatur und auf der Höhe des Meeresspiegels.


Da Kohlendioxid also sehr viel schwerer, oder genauer gesagt sehr viel dichter ist als Luft fließt es wie eine Flüssigkeit nach unten und sammelt sich in unsichtbaren CO2-Seen. Gerät man als Mensch in einen solchen See, kann man daran ersticken. Das kommt tatsächlich vor, zum Beispiel im Kalisalzbergbau unter Tage. Siehe auch unter 👉 Kohlendioxid

Eine notwendige Bedingung


Der Kerzen-Killer-Versuch führt auch zu einem philosophisch sehr schwierigem Thema: der Frage nach einer sogenannten Ursache. Man könnte fragen, was die Ursache für das Brennen der Flamme ist, solange das Kohlendioxid sie noch nicht erstickt hat. Man könnte antworten, dass eine Ursache der Kerzenflamme war, dass jemand die Kerze angezündet hat. Oder dass die Kerze einen geeigneten Docht haben muss. Eine weitere Antwort wäre, dass die Kerze ausreichend mit Luft versorgt sein muss. Die Frage nach den Ursachen führt schnell in uferlos viele Voraussetzungen. Wenn eine solche Voraussetzung, eine Ursache, eine Gegebenheit unbedingt nötig ist, man nicht auf sie verzichten kann, dann nennt man sie eine notwendige Bedingung. Der Kerzen-Killer-Versuch legt es nahe, dass es in der Luft einen Stoff gibt, der notwendig für das Brennen der Kerze ist. Tatsächlich ist es der Sauerstoff. Für das Brennen einer Kerze ist Sauerstoff also eine 👉 notwendige Bedingung


TO-DO:

Wunderkerzen wie man sie von Neujahrsfeuerwerken her kennt benötigen fürs Brennen keinen Sauerstoff von außen. Sie führen den für die Oxidation, also das Brennen, nötigen Sauerstoff an Feststoffe gebunden mit sich. Theoretisch müsste es also möglich sein, eine Wunderkerze auch in einer größeren Mengen Kohlendioxid brennen zu lassen.


Persönliche Anmerkung


Portrait von Gunter Heim Die Idee, für einfache Experimente in längst vergangenen Jahrhunderten zu stöbern verspricht einen mindestens dreifachen Gewinn: a) die Pioniere eines physikalischen Gedankens hatten oft nur einfachste Mittel zur Verfügung. Plastik, Streichhölzer, Feuerzeuge, Taschenrechner oder elektrische Messgeräte lagen noch viele Generationen in der Zukunft, dann b) die von ihnen verwendete Mathematik ging kaum über das Niveau eines heutigen Realschulabschlusses hinaus und c) den damaligen Forschern waren viele Selbstverständichkeiten heutiger Menschen nicht bewusst. Damit aber kann man ihre Gedanken auch mit wenig eigenem Vorwissen gut nachvollziehen. Der Bruch hin zu aufwändigen Geräten, schwieriger Mathematik und alltagsfremden Fachwissen erfolgte für viele Disziplinen, speziell die Physik und Chemie, erst im 18. Jahrhundert.

Fußnoten


  • [2] Die Angaben von 78 % für Stickstoff und 21 % für Sauerstoff beziehen sich auf das Volumen und nicht die Masse. Siehe mehr unter 👉 Volumenprozent
  • [3] Dass Luft aus mindestens zwei Bestandteile besteht, hat schon um 1674 der Engländer John Mayow (1641-1679) aufgrund von sehr sorgfältig durchgeführten Experimenten vermutet. Zunächst stellt Mayow fest, dass eine Flamme nicht deshalb ausgeht weil man sie aktiv löscht oder sie am eigenen Ruß erstickt, sondern weil ihr die Luft fehlt: "First, it is, I think, to be admitted that something aerial, whatever it may be, is necessary to the production of any flame - a fact which the experiments of Boyle have placed beyond doubt, since it is established by these experiments that a lighted lamp goes out much sooner in a glass that contains no air than it does in the same when filled with air - a clear proof that the flame enclosed in the glass goes out, not so much because it is choked, as some have supposed, by its own soot, as because it is deprived of its aerial food. For since there is more room for receiving the smoke in the empty glass than in the glass that is full of air, the lamp would go out in the latter sooner than in the former, if its extinction were due to the smoke. Besides, no sulphureous matter, if placed in a glass from which the air has been pumped, can be kindled either by ignited charcoal or iron, or by the solar rays collected by means of a burning-glass; so that there can be no doubt whatever that certain aerial particles are quite indispensable to the production of fire, and, indeed, it is our opinion that these are mainly instrumental in the production of fire, and that the shape of the flame is mainly dependent upon these, thrown into extremely brisk motion, as will be explained at greater length below. But it is not to be supposed that the air itself, but only that its more active and subtle part is the igneo-aerial food, since a lamp enclosed in a glass goes out when there is still an ample enough supply of air in it, for neither is it to be believed that the particles of air which existed in the said glass are annihilated by the burning of the lamp, nor yet that they are dissipated, since they are unable to penetrate the glass." In: John Mayow: Tractatus Quinque Medico-Physici (1674). Translated as Medico-Physical Works (Oxford, 1926). Online: https://web.lemoyne.edu/giunta/mayow.html
  • [4] Die Angabe der Dichte des Kohlendioxids bezieht sich auf einen Normaldruck von einem bar und eine Temperatur von 0 °C.
  • [5] Luft besteht zu einem Fünftel, das heißt etwa 20 % aus einem Anteil, der für Verbrennungen und Atmungen wichtig ist: "In his Tractatus Quinque Medico-Physici of 1674, John Mayow wrote that a fifth of atmospheric air is comprised of nitro-aerial spirit. That so-called spirit participates in both respiration and combustion." In: Lanahan JK, Alston TA. Oxygen Was Almost Named Nitrogen. J Anesth Hist. 2020 Jun;6(2):96-97. doi: 10.1016/j.janh.2020.02.003. Epub 2020 Mar 5. PMID: 32593384.
  • [7] Die 1 steht hier für eine atomare Masseneinheit u. Das sind etwa 1,660538921 mal 10 hoch -27 kg. Siehe mehr unter 👉 atomare Masseneinheit
  • [8] Dieser Versuch wurde am 26. und 27. März 2026 mit Oona Riihijärvi, Kamal Eminli, Leo Riihijärvi und Amin Bouddounti durchgeführt.
  • [9] Wunderkerze der Firma WECO aus Eitorf an der Sieg. Angaben auf der Packung: "Art.-Nr. 6158-05-3-115 Wunderkerze Carat 0589-F10144 KAT. F1 BAM-F1-0144" Und: "Abgabe an Personen unter 12 Jahren verboten". Eine Kerze hatte eine Länge über Alles von etwa 16,8 cm, die Brennmasse machte davon etwa 9,5 cm aus. Eine einzelne Kerze wog etwa 1,6 Gramm. Siehe auch 👉 Wunderkerze


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