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. Der Versuch legt es auch nahe, dass Sauerstoff eine notwendige Voraussetzung für das Brennen einer Flamme ist.

Bildbeschreibung und Urheberrecht — Das unsichtbar in einem Becherglas ansteigende Gas Kohlendioxid wird eine Flamme nach kurzer Zeit durch Erstickung löschen. © ☛

Anleitung

Schritt 1

Material:

Ein Becherglas [z. B. 5 bis 10 cm Durchmesser] ↗

Etwas Essigessenz [z. B. 25 %] ↗

Ein Feuerzeug ↗

Etwas Natron ↗

Eine Pipette ↗

Ein Teelicht ↗

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.

Dabei verdrängt es die Luft und damit auch den Sauerstoff ↗

Wenn es den Sauerstoff bis zur Kerzenflamme verdrängt hat, ...

hat die Kerze keinen Sauerstoff mehr um brennen zu können^[1].

Dadurch geht sie aus.

Die 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 solche 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 England auch Isaac Newton forschte, veröffentlichte ein gewisser John Mayow (1641 bis 1679) Bereichte über Experimente mit Flammen und Mäusen.^[3] Er 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.

≈ 1,2 kg/m³ ist die Stickstoffdichte ↗

≈ 1,3 kg/m³ ist die Luftdichte ↗

≈ 1,4 kg/m³ ist die Sauerstoffdichte ↗

≈ 2,0 kg/m³ ist die Kohlendioxiddichte ↗

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 ↗

Fußnoten

[1] Eine Bedingung, die unbedingt erfüllt sein muss, nennt man eine Conditio sine qua non ↗

[2] Die Angaben von 78 % für Stickstoff und 21 % für Sauerstoff beziehen sich auf das Volumen und nicht die Masse. Siehe mehr unter Volumenprozen (externer Link)

[3] Dass Luft aus mindestens zwei Bestandteile besteht, hat schon um 1674 der Englände 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.