Massenerhaltungssatz (Ballonglasversuch)

Physik

Basiswissen｜ Mit Streichholzköpfen: effektvoll aber ungewiss｜ Vermutung｜ Material｜ Sicherheit｜ Durchführung｜ Beobachtungen｜ Deutung｜ Noch zu tun｜ Mit Styrodur: Kondensate & Auftrieb｜ Aggregatzustände｜ Auftrieb als Effekt?｜ Fußnoten

Basiswissen

Zehn der farbigen Köpfe von Streichhölzern werden in einem abgeschlossenen Reagenzglas verbrannt. Die Masse des Reagenzglases zusammen mit den eingeschlossenen Stoffen sollte sich dabei nicht ändern. Dieser Versuch ist ein Klassiker der Chemie. Die Kernaussage ist: bei chemischen Reaktionen gibt es keine nennenswerte Änderung der Gesamtmasse der beteiligten Stoffe.

Man sieht eine typische Zündung mit Verbrennung und beschädigtem Ballon. Interessant ist der fallende Glut-Meteor, der wahrscheinlich den Ballon von innen durchlöchert hat. In etwa einem Fünftel der Versuche kam es zu keiner Beschädigung des Ballons und wir konnten zeigen, dass die Masse der beteiligten Reaktionsstoffe erhalten blieb.

Mit Streichholzköpfen: effektvoll aber ungewiss

Vermutung

Man kann mit einfachen Mitteln den Satz von der Erhaltung der Masse bei chemischen Reaktionen nachstellen: 5 bis 10 Köpfe von Streichhölzern werden in einem Reagenzglas, das mit einem vorgedehnten Ballon abgeschlossen ist, verbrannt. Die gesamte Masse, zum Beispiel in Gramm, vor und nach der Verbrennung sollte sich nicht messbar verändert haben.

Material

5 bis 10 Streichhölzer^[1]

Ein 👉 Reagenzglas

Ein 👉 Luftballon

Einen Brenner, z. B. 👉 WH54 20250626 Inventar Labor-Gasbrenner

Alternativ ein 👉 Brennglas

Ein 👉 Laborstativ

Eine 👉 Balkenwaage

Alternativ eine 👉 elektronische Waage

Sicherheit

Mache den Versuch nicht alleine, nur in Anwesenheit von Erwachsenen.

Halte bereit: Feuerlöscher oder eine 👉 Löschdecke

Bei einen Unfall sofort Hilfe rufen, etwa über die Nummer 👉 112

Verwende eine Steinunterlage als Schutz für den Tisch.

Trage eine 👉 Brille

Durchführung

Blase den Luftballon einmal kräftig auf, dass er gut vorgedehnt ist.

Nimm 5 bis 10 der bunten Köpfe von Streichhölzern. Knicke oder schneide sie von den Hölzern ab.

Lege die Streichholzköpfe unten in ein Reagenzglas.

Stülpe dann den Ballon über den offenen Rand des Reagenzglases.

Es darf später kein Gas aus Reagenzglas nach außen gelangen.

Wiege die Masse der gesamten Anordnung in Gramm, etwa mit einer 👉 Balkenwaage

Typische Werte liegen zwischen vielleicht 15 bis 30 Gramm, je nach Art des Reagenzglases.

Befestige das Reagenzglas so an einem Laborstativ, dass du darunter Feuer machen kannst.

Bringe mit einer Flamme von außen die Streichholzköpfe im Inneren des abgeschlossenen Reagenzglases zum brennen.

Alternativ kann man die Streichholzköpfe auch mit der Energie der Sonne über ein Brennglas entzünden.

Warte bis die Flammen im Inneren ganz erloschen sind.

Lege die Anordnung wieder auf die Balkenwaage …

oder nutze eine 👉 elektronische Waage

Tipps

Bei der Reaktion im Reagenzglas umherfliegende heiße Stücke (Glut-Meteore) brennen von innen oft Löcher in den Ballon. Von etwa 5 Versuchen blieb der Ballon nur einmal dicht. Das kann man irgendwie verbessern.

Im Erfolgsfall war der Ballon auch lange Zeit (über eine halbe Stunde) nach der Explosion noch prall gefüllt. Man hat also Zeit, um in Ruhe zu wiegen.

Man kann die Zündköpfe im Inneren des Reagenzglases berührungslos von außen mit Streichhölzern, einem Feuerzeug oder auch einem Brennglas (Lupe) zünden. Alles wurde versucht und hat wiederholt gut funktioniert.

Beobachtungen

Es dauert etwa mindestens 20 Sekunden, bis die Zündköpfe im Inneren des Glases zünden.

Sofort nach Zündung der Streichholzköpfe im Inneren wird das Innere des Glases hell und der Ballon bläht sich sofort bis auf Faustgröße auf.

Bleibt der Ballon unbeschädigt, hält er seine pralle faustgroße Form mindestens eine halbe Stunde bei.

Die Masse vor und nach der Zündung lag im Bereich von 18 bis 25 Gramm (je nach Reagenzglastyp).

Bei unbeschädigtem Ballon nahm die gewogene Masse um maximal 0,1 Gramm ab.

Die entwichenen Gase hatten einen üblen Geruch, ähnlich wie Sprengschwaden.

Das Reagenzglas war innen, vor allem unten, mit einer hartnäckigen Masse überzogen.

Deutung

Am 29. August 2025 hatten wir 10 vom Holzstab abgetrennte Zündköpfe mit einer Gesamtmasse von 0,5 Gramm in ein Reagenzglas gegeben, welches oben mit einem Luftballon abgedichtet war. Die Gesamtmasse war 18,0 Gramm. Wir konnten die Zündköpfe von außerhalb des Reagenzglases mit einem außen abbrennenden Streichholz zünden. Der Ballon blähte sich sofort gut auf. Der Ballon hatte nach der Explosion eine Ausdehnung von etwa 4,5 mal 5,8 Zentimeter. Nach der erfolgreichen Explosion mit aufgeblähtem Ballon wog die gesamte Anordnung 17,9 Gramm.

Zündung der Streichholzköpfe von außen durch die Glaswand über ein Streichholz

18,0 Gramm auf der Waage für die gesamte Masse vor der chemischen Reaktion

17.9 Gramm auf der Waage für die gesamte Masse nach der chemischen Reaktion

Ballon etwa faustgroß aufgebläht

Die Differenz der Masse vor und nach der Explosion von 0,1 Gramm liegt im Bereich der Messungenauigkeiten der verwendeten elektronischen Waage. Die Streichholzköpfe sind zu Asche verbrannt. Gleichzeitig sind Gase aus der Verbrennung entstanden. Diese neu entstandenen Gase gleichen den Verlust an Masse der vorher festen Streichholzköpfe genau aus. Die gesamte Masse blieb von der Menge her erhalten.

In der Sprache von Wissenschaftlern aus der Zeit von Napoleon, Goethe und Mary Shelley (Autorin des "Frankenstein) klingt der Satz von der Erhaltung der Massen bei chemischen Reaktionen so:

ZITAT:

"[...] nichts wird erzeugt, noch in den Operationen der Kunst, noch in denen der Natur; und man kann als Grundsatz aufstellen, daß in jeder Operation eine gleiche Masse vorhanden ist vor und nach der Operation; daß die Qualität und Quantität der Prinzipien dieselbe ist, und daß es nur Veränderungen, Modifikationen gibt.“^[2]

Diese Erkenntnis stammt aus dem 18. Jahrhundert, etwa aus dem Jahr 1789, dem Beginn der französischen Revolution. Der Entdecker des Gesetzes, Antoine Laurent de Lavoisier war im Jahr 1789 gut 45 Jahre alt. Fünf Jahre später, im Jahr 1794, wurde er in den Wirren der Revolution mit der Guillotine (Fallbeil) enthauptet. Lavoisier hatte in seinem Leben unter anderem gezeigt, dass Wärme kein eigener Stoff ist und dass Sauerstoff wesentlich für Verbrennungen ist. Und Lavoisier gilt heute als der Urheber des 👉 Massenerhaltungssatz[es]

Noch zu tun

TO-DO:

Es fehlt noch ein Kontrollversuch zur Reaktion im Reagenzglas: was passiert mit der Gesamtmasse, wenn der Ballon gelöchert ist? Oder wenn man den Versuch ganz ohne Ballon macht?

TO-DO:

Wie könnte man den Versuch zur Aufblähung eines Ballons mit Verbrennungsgasen so umgestalten, dass der Ballon nicht mehr durch umherfliegende heiße Teile beschädigt werden kann?

TO-DO:

Könnte man den Versuch zur Aufblähung eines Ballons auf einem Reagenzglas auf einer großen Balkenwaage durchführen und zeigen, dass sich die Masse während der Reaktion kein Bisschen verändert?

Mit Styrodur: Kondensate & Auftrieb

Am 15. Mai 2026 wurde ein Versuch zum Vergasen von Styrodur in einem rundum verschlossenen Reagenzglas durchgeführt. Das Reagenzglas war oben mit einem Luftballon und einem festen Klebestreifen abgedichtet. Das Innere des Reagenzglases war ganz mit Schnipseln aus Styrodur gefüllt.

Styrodur (Polystyrol) erweicht schon bei deutlich unter 100 °C. Bei etwa 300 bis 400 °C wird es thermisch zu Gasen zersetzt. Diese steigen als formenreiche Schwaden im Reagenzglas auf. An den Glaswänden kondensieren die Gase und fließen als flüssiges Kondensat zurück zum Boden des Glases. Die gemessene Masse nahm von anfänglich 16,35 auf dann am Ende nur 16,25 Gramm ab. Wie kann die Abnahme um 0,1 Gramm erklärt werden?

Aggregatzustände

Styrodur, chemisch Polystyrol, wechselt schon zwischen 70 °C^[3] bis 90 °C^[4] vom festen in einen weichen Zustand. Bei weiterer Erhitzung bis 220 °C^[3] Richtung 400 °C [] erfolgt eine "thermische Zersetzung" und es bildet sich auf dem Boden des Reagenzglases eine brodelnde Masse. Aus dieser steigen dann nebelartige Schwaden auf. Aus dem Stoff dieser Schwaden entsteht weiter oben im Reagenzglas an den Wänden eine Flüssigkeit, die die Glaswand herab läuft und wieder in die brodelnde Masse im Boden eingeht. Unklar ist, ob die Schwaden nur nebelartige Tröpfchen, echte Gase oder Stoffe in einem sonstigen Zustand enthalten.

Auftrieb als Effekt?

Massenverlust

Nimmt man an, dass das Reagenzglas gasdicht verschlossen ist, kann eigentlich keine Masse entweichen. Nach dem Satz der Massenerhaltung sollte die Gesamtmasse des Reagenzglases mit seinen anfänglichen und endgültigen Inhalten konstant bleiben. Die Anzeige der von uns verwendeten Waage zeigte aber einen Massenverlust von 0,1 Gramm an.

Volumenzunahme

Eine mögliche Erklärung ist, dass das zugenommene Volumen durch den leicht aufgeblähten Luftballon auch den Auftrieb von Glas und Ballon erhöht hat. Vom bloßen Hinsehen hat der Luftballon in dem Versuch sein Volumen um vielleicht 50 bis 100 Milliliter vergrößert.

Ein Kubikmeter Luft wiegt in etwa 1,2 Kilogramm.

Ein Liter ist ein tausendstel Kubikmeter.

Ein Liter Luft wiegt dann etwa 1,2 Gramm.

100 Milliliter sind ein zehntel Liter.

Ein Zehntel Liter Luft wiegt etwa 0,12 Gramm

Massenverlust

Nach dem sogenannten archimedischen Prinzip ist der statische Auftrieb eines Körpers so groß, wie die Gewichtskraft des von ihm verdrängten Mediums. Das durch den leicht aufgeblähten verdrängte Medium im Beispiel war Luft. Das heißt, die Auftriebskraft des Ballons liegt bei etwa der Kraft, die auch etwa 0,1 Gramm Luft verursachen würden. Und das entspricht genau dem gemessenen Massenverlust von 0,1 Gramm.

TO-DO:

Den Ballonglasversuch zur Massenerhaltung mit der Reaktion von Backpulver und Essigessenz durchführen und darüber den Einfluss der Volumenzunahme und dem dadurch vermehrten Auftrieb auf das gemessene Gewicht abschätzen.

Fußnoten

[1] Heutige Zündköpfe von Streichhölzern bestehen zum Beispiel aus: 60 % Kaliumchlorat, 7 % Schwefel, 4 % Kaliumchromat und 25 % Glasmehl. Der Schwefel ist das sogenannte Reduktionsmittel, das Kaliumchlorat das Oxidationsmittel. Das Glasmehl steuert die Geschwindigkeit des Abbrandes. Siehe auch 👉 Streichholz

[2] Sigismund Friedrich Hermbstädt: System der antiphlogistischen Chemie, 2. Aufl. 1803, S. 141. Die erste Auflage erschien in Berlin/Stettin 1792. Das ist die Übersetzung von Lavoisiers Traité élémentaire de chimie von 1789. Mehr unter 👉 Massenerhaltungssatz

[3] Eine "Erweichungstemperatur" von 70 °C und eine beginnende "thermische Zersetzung" ab 220 °C gibt der Hersteller BASF in seinem Sicherheitsdatenblatt zu Styrodur in der Version 2.0 mit Datum von 2026 an. Siehe auch 👉 Styrodur

[4] Als "Zersetzungstemperaturbereich" für "Polystyrol (PS)" werden "300 - 400 °C" angegeben in: DGUV Regel 113-011: Sicheres Arbeiten in der Kunststoffindustrie. Anhang 8: Zersetzungsprodukte bei der Heißverarbeitung von Kunststoffen. Dort die Tabelle 6: Zersetzungstemperaturbereiche einiger gängiger Thermoplaste. Abgerufen am 16. Mai 2026. Haufe-Lexware GmbH & Co. KG. Freiburg. Online: https://www.haufe.de/arbeitsschutz/impressum_98_324.html