SSL (?): an | aus

Bitte die Forenregeln und die Hinweise zu den Versuchen lesen!

Neue Antwort erstellen PDF (normal) (Druckversion)
Verbrennung von Eisendraht in Sauerstoff
IllumiNobel-Gewinner 2012

Anmeldedatum: 06.01.2012
Beiträge: 2240
Artikel: 52
Geschlecht: Geschlecht:Männlich
Alter: 52
Verbrennung von Eisendraht in reinem Sauerstoff

Der hier beschriebene Versuch ist ein Klassiker unter den Schauexperimenten und kam zu Beginn des 19. Jahrhunderts auf. Dabei muss man sich vor Augen halten, dass erst kurz zuvor mit Lavoisier – sein „Traité élémentaire de chimie“ erschien 1789 – die moderne Deutung der Verbrennungsvorgänge und des Verhältnisses der Metalle zu ihren Oxiden aufgekommen war. Im Mittelpunkt der neuen Theorie stand der Sauerstoff. Der Sauerstoff war so etwas wie die Essenz der neuen Zeit in der Chemie, das "Element number one“ sozusagen, und seiner Darstellung und den spektakulären Verbrennungsexperimenten, die mit seiner Hilfe vorgeführt wurden, hing von daher etwas Großartiges an. Auch wenn der Sauerstoff für uns heute ein alltäglicher Stoff ist und in Stahlflaschen überall und jederzeit verfügbar ist, ist die Verbrennung von Eisen immer noch ein beeindruckendes Schauspiel.


Geräte:

große Glasglocke oder Glasflasche (mindestens 2 L, besser mehr), ausreichend große pneumatische Wanne, Stativ mit Klemmen, Dreifuß, Drahtnetz, Gasbrenner, Retorte oder Rundkolben mit Stopfen und Gasableitungsrohr (250 mL), Schlauch und gebogenes Glasrohr, Blumentopfuntersetzer oder alter Teller, 2 Stopfen zum Verschluss der Flasche/Glocke (bei Verwendung der Glocke einer der Stopfen durchbohrt mit Glasrohr, Hahn und Schlauch versehen), Eisendraht (unlackierter Blumendraht), Magnet


Chemikalien:

Kaliumchlorat (N, O, Xn)


Mangan(IV)-oxid (Xn)


____________

Sauerstoff (O)


Eisen(II/III)-oxid


Hinweis:

Mit Schutzbrille arbeiten, da nicht auszuschließen ist, dass die Glasgeräte springen können!


Durchführung:

Zunächst muss eine Gasentwicklungsapparatur mit einer pneumatischen Wanne aufgebaut werden. Die Glasglocke wird oben mit einem durchbohrten Stopfen verschlossen, der einen Glashahn und daran angeschlossen einen Schlauch trägt. Diese Vorrichtung dient dazu, aus der Glocke, die nicht ganz unter den Wasserspiegel eingetaucht werden kann, die verbleibende Luft vor Beginn des Versuches zu entfernen. Dazu öffnet man den Hahn und saugt mit dem Mund einfach an, bis das Wasser in der Glocke bis an den Stopfen gestiegen ist.

Zur Darstellung des Sauerstoffs werden 20 g Kaliumchlorat in einer Reibschale mit 5 g Mangan(IV)-oxid verrieben, bis eine gleichmäßige grauschwarz gefärbte Mischung entstanden ist. Das Pulver gibt man mittels eines Trichters in die Retorte und bringt dann das Ende des gewinkelten Ableitungsrohres unter die ganz mit Wasser gefüllte Glocke. Sobald die Chlorat-Braunstein-Mischung mit dem Gasbrenner erhitzt wird (eine kleine Flamme reicht völlig aus!) tritt eine lebhafte Gasentwicklung auf. Die Pulvermischung gerät in Wallung und das freiwerdende Gas wirbelt Staub auf, der sich teilweise an der Kolbenwandung und dem Ableitungsrohr ansetzt, aber die Mischung schmilzt nicht. Man lässt die während der ersten 10 Sekunden aufsteigenden Blasen – sie bestehen aus der in der Apparatur enthaltenen Luft – entweichen und fängt dann das gebildete Gas in der Glasglocke auf. In dem Maße, wie das Wasser aus der Glocke verdrängt wird, hebt man sie am Stativ an, um ein Überlaufen der pneumatischen Wanne zu verhindern. Wenn die Glocke nach 3 bis 4 Minuten ganz gefüllt ist, zieht man zuerst das Gasableitungsrohr aus dem Wasser (um ein Zurückstiegen des Wassers in den heißen Kolben zu vermeiden!) und löscht dann die Flamme unter dem Gasentwicklergefäß.
Das Gas in der Glocke ist rauchig trübe. Der Rauch besteht aus feinsten Teilchen von mitgerissenem Kaliumchlorid. Will man ganz klaren Sauerstoff haben, so muss man ziemlich lange warten (mehrere Stunden), bis sich der Rauch abgesenkt hat.

Nun präpariert man den zum Verbrennen vorgesehenen Eisendraht. Dazu schneidet man von gewöhnlichem Blumendraht ein gut 50 cm langes Stück ab und wickelt es zum größten Teil um einen Bleistift, so daß eine Spirale entsteht. Das längere Ende des Drahtes wird dann an einem in die Öffnung der Glocke passenden Korken befestigt (ich habe dazu einen kleinen Schraubhaken in den Kork gedreht). Am anderen Ende klemmt man ein kleines Stückchen eines Streichholzes fest, das später zum Entzünden des Drahtes dient. Die Länge der Spirale muss so bemessen werden, daß das Holzstückchen knapp unterhalb der Mitte der Glasglocke zu hängen kommt.

Vor der Verbrennung des Eisendrahtes wird ein alter Teller oder ein Blumentopfuntersetzer unter die Glasglocke auf den Boden der pneumatischen Wanne gestellt. Dann wird das Streichholzstückchen am unteren Ende der Spirale an einer Kerze oder einem Spiritusbrenner entzündet und rasch der Verschlusskorken der sauerstoffgefüllten Glocke gegen den präparierten Korken mit der Drahtspirale ausgetauscht. Das Holzstückchen flammt auf und sofort entzündet sich der Eisendraht und brennt unter heller Lichterscheinung mit ständigem Funkensprühen langsam von unten nach oben ab. Alle paar Sekunden löst sich ein glühender Tropfen von geschmolzenem Eisenoxid vom Ende des brennenden Drahtes, fällt unter Zischen in das Wasser der pneumatischen Wanne und schlägt auf den untergestellten Teller auf, in den er sich oberflächlich einschmilzt (daher der Teller – er soll verhindern daß der Boden des Aquariums springt). Während dieses Momentes scheint das Feuer am Eisendraht kurzzeitig zu erlöschen, aber nur um kurz darauf in alter Helligkeit wieder aufzuflammen. Der Draht brennt bis an den Ansatzhaken ab.

Nach dem Versuch ist der Wasserspiegel in der Glocke gestiegen und die Glockenwand hat sich mit einem feinen braunroten Staub beschlagen. Auf dem untergelegten Teller findet man bis zu 2-3 mm große, stark metallisch glänzende Kügelchen. Sie sind spröde, lassen sich relativ leicht zerdrücken und werden von einem Magneten angezogen.

Anmerkungen:

1. Alternativ zur Retorte kann man zur Sauerstoffdarstellung natürlich auch einen Rundkolben mit durchbohrtem Stopfen und Glasrohr verwenden, an das man den Gasableitungsschlauch anschließt. Der Kolben sollte 250 mL fassen, damit nicht zu viel von der sich aufwirbelnden Reaktionsmischung in das Ableitungsrohr gerät.

2. Wer keine Glasglocke zur Verfügung hat kann stattdessen eine große starkwandige Glasflasche oder einen Kolben von mindestens 2 L Inhalt verwenden. Zum Füllen mit Sauerstoff reichen dann 10 g Kaliumchlorat aus (bei 2 Liter). Die Flasche wird mit Wasser gefüllt und umgekehrt in eine passende pneumatische Wanne (z. B. Eimer) gestellt. Nach dem Füllen kann man die Flasche unter Wasser mit einem Stopfen verschließen und bis zur Demonstration des Versuches aufbewahren. Bevor man den Draht mit dem brennenden Zunder in die Flasche senkt, muss man hier etwas Sand oder Aquarienkies einfüllen, um den Boden vor dem Zerspringen zu schützen. Der Stopfen darf nicht luftdicht aufgesetzt werden, da in der Flasche während des Versuches zuerst ein Über- und dann ein Unterdruck entsteht.

3. Folgende Umstände haben zu unerwartetem Versagen des Versuchs geführt:
a) Wenn man mit einer Flasche arbeitet (die man schon einen Tag vor der Vorführung füllen kann) darf man den Sand erst kurz vor dem Experiment einfüllen. Sand enthält offenbar Bestandteile, die in feuchtem Zustand oxydabel sind (vermutlich Pyritsplitter), so daß der Sauerstoff beim Aufbewahren verbraucht wird.
b) Der Draht muss oben am Haken fest angebunden werden. Hängt man ihn einfach nur ein, so ist es mir passiert, daß der brennende Draht in dem Moment, wenn ein geschmolzenener Tropfen zu Boden fällt, doch erlischt. Vermutlich geschieht dies durch die Rückstoßbewegung des Drahtes. In diesem Fall die Befestigung des Drahtes am Haken prüfen (er darf nicht pendeln) und den Versuch nochmal starten - die Sauerstoffmenge in der Flasche reicht dafür dicke.


Entsorgung:

Das erhaltene Eisenoxid wird in den Hausmüll gegeben. Der Rückstand in der Retorte wird mit Wasser herausgelöst und in das Abwassernetz gegeben.


Erklärung:

Gegen Ende des 18. Jahrhunderts stellte der französischen Chemiker Claude Louis Berthollet (1748-1822) erstmals das „oxygenierte Murat der Pottasche“ dar - das Kaliumchlorat. Kaliumchlorat gibt beim Erhitzen Sauerstoff ab und wird dabei zu Kaliumchlorid reduziert:

2 KClO3 ---> 3 O2 + 2 KCl
Molmasse Kaliumchlorat: 122,5 g
Molmasse Sauerstoff (O2): 32 g (= 22,4 Liter)

Diese Zersetzungsreaktion, die normalerweise erst deutlich oberhalb des Schmelzpunktes von 370 °C stattfindet, tritt bei Anwesenheit von Katalysatoren wie Braunstein (Mangan(IV)-oxid) schon bei sehr viel niedrigerer Temperatur ein, nämlich bei etwa 200 °C. Kaliumchlorat ist die ergiebigste Sauerstoffquelle im Laboratorium. Aus 10 g des Salzes lassen sich rund 2,7 L Sauerstoff erzeugen.

In reinem Sauerstoff laufen Verbrennungsvorgänge sehr viel heftiger ab als in Luft, die ja nur 20,8 % des Gases enthält. So verbrennt Eisen im obigen Versuch zu Eisen(II/III)-oxid, das früher „Eisenhammerschlag“ genannt wurde, da es auch bei der Bearbeitung von glühendem Schmiedeeisen als braunschwarzer Staub anfällt.

3 Fe + 2 O2 ---> Fe3O4
Molmasse Eisen: 55,8 g/mol

Der Eisenhammerschlag hat die gleiche Zusammensetzung wie das Mineral Magnetit (Magneteisenstein), ist wie dieses magnetisch und gibt zerrieben ein braunschwarzes Pulver.
Das andere natürlich vorkommende Eisenoxid, der Hämatit mit der Formel Fe2O3 (Eisen(III)-oxid), gibt dagegen ein dunkelrotes Pulver (αίμη (haime) = griechisch: Blut - der deutsche Name lautet Bluteisenstein) und ist nicht magnetisch.

167,4 g Eisen benötigen zur Verbrennung nach obiger Gleichung 64 g Sauerstoff. Die eingesetzten 50 cm Eisendraht wiegen 1,5 g und verbrauchen somit 0,57 g Sauerstoff, was unter Normalbedingungen einem Volumen von 0,4 Litern entspricht. Der Sauerstoff ist also stark im Überschuss und man müsste problemlos auch einen längeren Draht (in einer enger gewickelten Spirale) abbrennen lassen können. Wer den Versuch ganz lehrreich gestalten möchte, kann den Eisendraht vor der Verbrennung und die Eisenoxidkügelchen nach der Verbrennung wiegen und wird dabei eine deutliche Gewichtszunahme feststellen. Quantitativ wird das Ergebnis aber nicht sein, da ein Teil des gebildeten Eisenoxydes verdampft und der Wägung entgeht.


Bilder:


Versuchsaufbau zur Erzeugung von Sauerstoff


Auffangen des gebildeten Sauerstoffs


Der vorbereitete Kork mit dem Eisendraht




Der brennende Eisendraht




Das Verbrennungsprodukt


Der Versuch in einer 5 L-Flasche, beachte den Sand auf dem Boden! (Foto vom illumina-Treffen 2014)

_________________
"Alles sollte so einfach wie möglich gemacht werden. Aber nicht einfacher."(A. Einstein 1871-1955)

"Wer nur Chemie versteht, versteht auch die nicht recht!" (G.C. Lichtenberg, 1742 - 1799)

"Wissenschaft ist das organisierte Töten von Vorurteilen." (Joachim Kügler)
Benutzer-Profile anzeigenAlle Beiträge von lemmi anzeigenPrivate Nachricht senden
Illumina-Moderator

Anmeldedatum: 10.08.2009
Beiträge: 4939
Artikel: 4
Wohnort: Bad Spenza
Geschlecht: Geschlecht:Männlich
Alter: 40
Ein echter Klassiker im besten lemmi-Stil dokumentiert Smile

_________________

"...wie ein Sprecher betont,hat für die Bevölkerung zu keinem Zeitpunkt Gefahr bestanden."
http://www.youtube.com/watch?v=bn0PgN0HpRY
"...mittlerweile rostet das Miststück..." E.v. Däniken
Benutzer-Profile anzeigenAlle Beiträge von Newclears anzeigenPrivate Nachricht senden
Illumina-Mitglied

Anmeldedatum: 08.08.2010
Beiträge: 889
Artikel: 4
Wohnort: Berlin-Pankow
Geschlecht: Geschlecht:Männlich
Alter: 56
Das ist ein schöner und effektvoller Klassiker zur "chemischen Belustigung" vor staunendem Publikum!

Da hat lemmi sehr schön "original" gearbeitet Wink :



Sauerstoffdarstellung aus "chlorsaurem Kali"




Dr. Julius Adolph Stöckhardt "DIE SCHULE DER CHEMIE oder Erster Unterricht in der Chemie versinnlicht durch einfache Experimente"
17. Auflage 1873, Verlag Friedrich Vieweg und Sohn - Braunschweig


Sauerstoff wurde für experimentelle Zwecke früher fast ausschließlich aus Kaliumchlorat ohne oder mit Braunstein als Katalysator dargestellt. Erst in den 1960er Jahren gingen die meisten Autoren von Experimentierbüchern zur Darstellung aus Kaliumpermanganat und anderen Alternativen über.

_________________
"Der einfachste Versuch, den man selbst gemacht hat, ist besser als der schönste, den man nur sieht." (Michael Faraday 1791-1867)

Alles ist Chemie, sofern man es nur "probiret". (Johann Wolfgang von Goethe 1749-1832)

„Dosis sola facit venenum.“ (Theophrastus Bombastus von Hohenheim, genannt Paracelsus 1493-1541)

"Member of IVNT e. V." http://ivntforum.phoerauf.de/
Benutzer-Profile anzeigenAlle Beiträge von Uranylacetat anzeigenPrivate Nachricht senden
IllumiNobel-Gewinner 2012

Anmeldedatum: 06.01.2012
Beiträge: 2240
Artikel: 52
Geschlecht: Geschlecht:Männlich
Alter: 52
Hallo Uranyl, da ist dein "Stöckhardt" ja nochmal 27 Jahre älter als meiner! Wir sollten uns mal treffen und gemeinsam die Fachliteratur durchsehen!

Man lernt doch immer wieder dazu. Erst beim Nachlesen zu diesem Versuch habe ich verstanden, daß die Eisenoxide sich magnetisch unterschiedlich verhalten: Hämatit ist antiferromagnetisch, indem die Spins der Atome (in der Schule nannten wir das früher Elementarmagnete - oder war damit was anderes gemeint?) sich über den Kristall genau kompensieren während beim Magnetit Ferrimagnetismus vorliegt.

In alten Büchern wird übrigens statt dem Eisendraht gerne eine Uhrfeder (aus Stahl) verbrannt. In einem Brief bat A. v. Humboldt den Chemiker Eilhardt Mitscherlich, beim Empfang in seinem Institut zwei preussische Prinzessinnnen durch ein paar Demonstrationen zu unterhalten: "... ich glaube, ein paar Stahlfedern in Sauerstoffgas verbrannt oder die Erregung von Magnetismus durch elektrische Ströme werden die Damen ergötzen ... Prinzeß Wilhelm hat Geist und ist daher leicht zu unterhalten..." (ohne Datum - nach Otto Krätz: Historische Chemische und physikalische Versuche Aulis Verlag Deubner &Co KG 1979)

_________________
"Alles sollte so einfach wie möglich gemacht werden. Aber nicht einfacher."(A. Einstein 1871-1955)

"Wer nur Chemie versteht, versteht auch die nicht recht!" (G.C. Lichtenberg, 1742 - 1799)

"Wissenschaft ist das organisierte Töten von Vorurteilen." (Joachim Kügler)
Benutzer-Profile anzeigenAlle Beiträge von lemmi anzeigenPrivate Nachricht senden
Illumina-Mitglied

Anmeldedatum: 08.08.2010
Beiträge: 889
Artikel: 4
Wohnort: Berlin-Pankow
Geschlecht: Geschlecht:Männlich
Alter: 56
Hallo lemmi, ja die erste Auflage vom Stöckhardt erschien in den späten 1840er Jahren schon. Im Prinzip habe ich je ein Buch der bekannteren Autoren zusammen. Nur noch F. Accum und K. Scheid fehlen mir.... Ich liebe halt diese alte Experimentalliteratur... Wink

Eine Uhrfeder habe ich auch schon in reinem Sauerstoff verbrannt - allerdings musste ich sie erst vorher zum relativ starken Glühen bringen - war wohl eine aus Nivarox... Dann habe ich eine alte defekte Taschenuhr zerlegt, die Feder brannte besser... Wink

_________________
"Der einfachste Versuch, den man selbst gemacht hat, ist besser als der schönste, den man nur sieht." (Michael Faraday 1791-1867)

Alles ist Chemie, sofern man es nur "probiret". (Johann Wolfgang von Goethe 1749-1832)

„Dosis sola facit venenum.“ (Theophrastus Bombastus von Hohenheim, genannt Paracelsus 1493-1541)

"Member of IVNT e. V." http://ivntforum.phoerauf.de/
Benutzer-Profile anzeigenAlle Beiträge von Uranylacetat anzeigenPrivate Nachricht senden
NI2
Illumina-Moderator

Anmeldedatum: 19.08.2008
Beiträge: 4559
Artikel: 83
Geschlecht: Geschlecht:Männlich
edit by NI2: Kleinigkeiten geändert und verschoben.

edit by Cyan: Noch einige Rechtschreibfehler entfernt.

_________________
I OC

There is no sadder sight in the world than to see a beautiful theory killed by a brutal fact. [T. Huxley]

But just because we live does not mean that we’re alive. [E. Autumn]

The pursuit of knowledge is hopeless and eternal. Hooray! [Prof. H. J. Farnsworth]
Benutzer-Profile anzeigenAlle Beiträge von NI2 anzeigenPrivate Nachricht senden
Illumina-Mitglied

Anmeldedatum: 08.08.2010
Beiträge: 889
Artikel: 4
Wohnort: Berlin-Pankow
Geschlecht: Geschlecht:Männlich
Alter: 56
Heute bekam ich wieder mal ein nettes historisches Experimentierbuch für meine Sammlung geliefert: O. Hahn, "Chemisches Experimentierbuch" - Naturwissenschaftliche Bibliothek für Jugend und Volk - Verlag von Quelle und Meyer Leipzig 1911 in einem sehr gutem Zustand.

Nach einigem Stöbern las ich, dass dieser Versuch als "54. Versuch" sehr detailliert beschrieben ist Wink :






Zwei Seiten zuvor wird sogar ausdrücklich empfohlen, den Braunstein auf "brennbare Verunreinigungen" zu prüfen und ggf. in einer neuen sauberen Tonpfeife zu glühen. Beschrieben wird auch, wie die Reinheit des Braunsteins durch Mischen mit einer kleiner Menge chlorsaurem Kali per "Probeschmelzen" in einem Löffel getestet werden kann.


Und hier eine historische Darstellung:



aus Rüdorffs/Lüpke "GRUNDRISS DER CHEMIE für den Gebrauch an höheren Lehranstalten" Berlin 1902 - Verlag von H. W. Müller

_________________
"Der einfachste Versuch, den man selbst gemacht hat, ist besser als der schönste, den man nur sieht." (Michael Faraday 1791-1867)

Alles ist Chemie, sofern man es nur "probiret". (Johann Wolfgang von Goethe 1749-1832)

„Dosis sola facit venenum.“ (Theophrastus Bombastus von Hohenheim, genannt Paracelsus 1493-1541)

"Member of IVNT e. V." http://ivntforum.phoerauf.de/
Benutzer-Profile anzeigenAlle Beiträge von Uranylacetat anzeigenPrivate Nachricht senden
Verbrennung von Eisendraht in Sauerstoff
Du kannst keine Beiträge in dieses Forum schreiben.
Du kannst auf Beiträge in diesem Forum nicht antworten.
Du kannst deine Beiträge in diesem Forum nicht bearbeiten.
Du kannst deine Beiträge in diesem Forum nicht löschen.
Du kannst an Umfragen in diesem Forum nicht mitmachen.
Alle Zeiten sind GMT + 1 Stunde  
Seite 1 von 1  



Vorheriges Thema anzeigen :: Nächstes Thema anzeigen  
  
   
  Neue Antwort erstellen