Oszillierende Verbrennung an der Kupferspirale

[Glaskocher]

Oszillierende Verbrennung an der Kupferspirale


Geräte:

Kupferdraht 1,5mm Durchmesser ca. 20-40cm lang, dickeren Draht, 500ml Weithals-Erlemeierkolben, Vierfuß mit Drahtnetz, Bunsenbrenner


Chemikalien:

Methanol
Ammoniumchlorid
oder (alternativ)
Salzsäure

Hinweis:

Da bei der Reaktion Formaldehyd gebildet wird sollte das Experiment an einem gut belüfteten Ort durchgeführt werden.


Durchführung:

Ein Kupferdraht (z.B. aus Unterputzleitung etc., von 1,5 mm Durchmesser) wird um einen Rundstab von 10-15 mm Durchmesser zur Spirale aufgewickelt und an einem Ende mit einem Haken versehen. Diese Spirale wird so weit auseinander gezogen, dass sie, am dicken quer über den Erlenmeierkolben liegenden Draht aufgehängt, ca. 2 cm über dem Boden endet. Jetzt werden 2-10 ml Methanol in den Kolben gegossen und der Kolben auf dem Drahtnetz stehend für etwa 5-10 Sekunden mit dem Bunsenbrenner erhitzt. Die Glaswand sollte dabei leicht beschlagen. Danach wird das untere Ende der Spirale zur lebhaften Rotglut erhitzt und die Spirale in den Kolben gehängt. Wenn das Methanol warm genug ist, setzt jetzt ein Wechselspiel von Aufglühen der Spirale und Zünden des Methanoldampf-Luft-Gemisches ein, das bis zum völligen Verbrauch des Methanols andauert. Durch die Kupferspirale färbt sich die Flamme grün und blau. Das Experiment kommt im Dunklen sehr gut zur Geltung. Die Brenndauer beträgt ca. 1 Minute je Milliliter Methanol. Sollte die Flamme nicht grün werden, dann kann man entweder einen Tropfen Salzsäure oder einen Krümel Ammoniumchlorid zugeben. Die Chlorid-Ionen bilden dann genug flüchtiges Kupferchlorid, das die Flamme dann blau und grün färbt. Siehe: Beilsteinprobe


Entsorgung:

Man läßt den Kolben leer brennen oder löscht ihn durch Auflegen einer unbrennbaren Platte. Das restliche Methanol muss als halogenfreier Lösemittelabfall gesammelt und entsorgt werden.


Erklärung:

An der Kupferoberfläche erfolgt eine katalytische Oxidation von Methanol zu Methanal (Formaldehyd):

2 CH₃OH + O₂ --> 2 CH₂O + 2 H₂O

Diese Reaktion ist exotherm und liefert genug Energie, um den Kupferdraht weiter aufzuheizen. Sobald die Zündtemperatur von 455 °C überschritten wird, kommt es zur Verpuffung und Verbrennung mit offener Flamme.

2 CH₃OH + 3 O₂ --> 2 CO₂ + 4 H₂O

Sobald die Sauerstoffkonzentration nicht mehr zur Verbrennung mit Flamme reicht, erlischt die Flamme und die Reaktion geht in die katalytische Phase über. Während dieser Zeit kommt durch Gasaustausch frische Luft in den Kolben. Das Ganze wiederholt sich, bis der Brennstoff (Methanol) verbraucht iat. Man kann am Kupferdraht beobachten, dass er abwechselnd blank oder mit einer dünnen Oxidschicht belegt ist.

Oxidation: 2 Cu + O₂ --> 2 CuO
Reduktion: CuO + CH₃OH --> Cu + CH₂O + H₂O

Weitere mögliche Reaktion: CH₃OH + O₂ --> HCOOH + H₂O


Bilder:


Apparatur vor dem Versuch bei Licht


Die glühende Kupferspirale


Nach der Zündung des Methanoldampf-Luft-Gemisches


Literatur:

- Artikel Chemischer "Motor" Verfasst von @Dennis am: 6/7/2005 bei Versuchschemie.de (Forum ist erloschen)
- mit Kupferdraht, Hinweis: Wird statt der Kupferspirale ein Platindraht verwendet, kann der Versuch auch mit Ethanol statt Methanol durchgeführt werden.
- hier mit Platindraht
- auch mit Platindraht
- Kapitel aus "Chemical Magic" von Leonard A. Ford Seite 60

Ähnliches Experiment: Die glühende Münze mit Aceton oder Ammoniak

[Glaskocher]

Da dies mein erster Artikel ist hatte ich mit den Bildern den "üblichen" Brassel.

Bitte folgende Bilder vom Server löschen, weil sie "auf der Backe" liegen:
https://illumina-chemie.org/upload/1143_ ... ed3d66.jpg
https://illumina-chemie.org/upload/1143_ ... 715a30.jpg
https://illumina-chemie.org/upload/1143_ ... daa491.jpg
https://illumina-chemie.org/upload/1143_ ... 60c2f1.jpg


Könnte bitte mal Jemand das Symbol bei CO2 bearbeiten? Laut Buchstabenkürzel ist das Zeugs ja F+ = Hochentzündlich! Ein gut geBILDeter Journalist würde den Gas die Explosivität von mindestens... (mir fehlt der Superlativ) andichten, obwohl es "nur" erstickend wirkt, bei erhöhter Konzentration.

[Cumarinderivat]

Schöner Artikel .
Mir sind zwei Rechtschreibfehler aufgefallen, beim Hinweis müsste es "gelüfteten" (vielleicht passender belüfteten?) heißen und bei der Entsorgung "halogenfreier" statt "halogenfreien".

[Glaskocher]

Das freut mich, daß Dir der Artikel gefällt. Deine Tipps sind schon eingefügt.


Und jetzt viel Spaß beim Ausprobieren!

[lemmi]

Schöner Effekt! Den Versuch gibt's in einer anderen Variante schon von Pok (hier) - allerdings nicht mit der Oszillation zwischen Entzündung und Glühen. Geht der Versuch auch mit Aceton?

Das mit dem CO₂ ist ein bisschen schwierig. Die Forensoftware fügt automatisch das Gefahrenzeichen "F+" ein. Die Gasflasche als Warnsymbol ist zwar korrekt, aber diese ist auf Illumina halt mit "F+" verlinkt. die einzige form, das Problem zu beheben ist, Kohlendioxyd zu schreiben und das Warnzeichen danach von Hand einzusetzen. So hab ich es vorläufig mal gemacht. Dasselbe Problem hatte ich mit Diethylether, da ist F+ korrekt - aber es erscheint statt der Flamme die Gasflasche - obwohl es kein Gas ist.

Die Produkte führen wir hier unter den Chemikalien an und trennen sie von den Edukten ab, indem ein Strich eingefügt wird

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denselben schreibt man so: [eckige Klammer auf]hr[eckige Klammer zu]. Aber in diesem Fall entstehen zwar Reaktions"produkte" aber keine Syntheseprodukte (siehe unsere ausführliche Diskussion: eine Synthese ist nur dann eine Synthese, wenn sie zielvoll erfolgt ), so dass man auf die Anführung der Produkte hier verzichten kann. Der Warnhinweis zum abzug/Lüftung wegen des entstehenden HCHO genügt. Die einige eingesetzte Chemikalie ist Methanol (und vielleicht der Krümel Ammoniumchlorid).

Übrigens: es freut mich, dass du auch Artikel schreibst! Ich könnte mir vorstellen, dass du noch einiges andere auf Lager hast ....

[Glaskocher]

Mit Aceton müßte ich das Experiment mal testen. Ob es dabai zur Entzündung kommt weiß ich nicht. Laut Wikipedia liegt die Zündtemperatur bei 535°C, also ca. 80°C höher als bei Methanol. Die von Ethanol liegt nur bei 400°C.

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Du meinst, daß die Produkte "unter dem Strich" komplett durch den Warnhinweis für das Formaldehyd abgedeckt sind? Dann werde ich sie wieder herausnehmen, falls "Gebildet werden" noch zu umfangreich ist.

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Ich habe ein Bisschen das Problem mit den eigenen Bildern, da ich die Experimente oft nur im Hörsaal vorführe und während der Vorlesung kaum Bilder machen kann. Aber Du vermutest richtig, daß ich einen Riesenfundus "im Ärmel" habe. Da sind einige Bücher, alte Unterlagen und Internetfunde zusammen gekommen. Aber da könnte noch das Eine oder Andere kommen. Ich glaube, daß ich den "Eisberg mit Natriumacetat" nochmal als eigenen Artikel einstellen werde, falls nicht ein zu lautes Neiin kommt.

Nebenbei bemerkt: Beim Bebildern bin ich lieber sparsam, da ich eher auf eine gute Beschreibung setze und die Bilder das Ganze eher ergänzen.

Ein anderes Problem ist, daß ich gerne über einige Experimente diskutieren würde, die einfach zu schnell und laut sind, um hier legal besprochen zu werden.

[Uranylacetat]

Das ist ein sehr gerne gesehener Versuch! Habe ich schon selbst oft mit Methanol und auch Ammoniak gemacht.

Ein anderes Problem ist, daß ich gerne über einige Experimente diskutieren würde, die einfach zu schnell und laut sind, um hier legal besprochen zu werden.

@Glaskocher, da kann ich Dich gut verstehen!

[mgritsch]

Min Aceton geht es sehr gut, habe ich schon öfter gemacht! Flamme gibt es keine aber der Draht glüht brav vor sich hin. Im Sommer eine stilvolle außen-Beleuchtung an lauen Abenden auf der Terrasse Man muss es auch nicht extra vorher erhitzen, die Reaktion springt gut an. Schön wäre noch eine (nah-)Aufnahme der glühenden Spirale bei Licht, mit den blanken und schwarzen Stellen.

Ich habe auch schon mal intensiv darüber nachgedacht wie man das System z.b zur Synthese von Acetaldehyd aus Ethanol oder Aceton nutzen könnte, so im 100 ml Maßstab, vielleicht schafft man es die Luft so zu dosieren dass das in einer Apparatur dann durch einen Kühler geblasen wird... ?

[mgritsch]

Siehe ab ca minute 8

[Lithiumoxalat]

Man könnte einen Luftstrom durch eine Gaswaschflasche mit Ethanol leiten, welche genau die richtige Temperatur hat, um gerade das Stöchiometrische korekte Gemisch an Sauerstoff/Ethanol zu erhalten. Die Ethanolhaltige luft leitet man dann durch ein Glasrohr, welches fein verteiltes Kupfer enthält und anschliessend in einen Kühler...

[CD-ROM-LAUFWERK]

Zwei Ethanol reagieren mit einem O2 zu zwei Acetaldehyd und zwei Wasser.
Man braucht also 2x mehr Ethanol im Gas als Sauerstoff. Der Sauerstoffpartialdruck in Luft ist 210mbar, das doppelte sind 420mbar. Als erste Näherung braucht man also eine Temperatur von 60°C, damit Ethanol diesen Dampfdruck erreicht.
Real verdünnt der Ethanol jedoch den Sauerstoff, entsprechend wäre es dann zu viel Ethanol. Wenn man den Dreisatz macht und es ausrechnet kommt man bei 300mbar Ethanolpartialdruck raus, das sind dann etwa 50°C. Sauerstoff macht dann 150mbar und Stickstoff 550mbar der Gasmischung bei Normaldruck.

Den temperaturabhängigen Dampfdruck kann man sich ausrechnen oder auch schnell in einem Diagramm ablesen, wenn der Wert ohnehin konstant sein soll.

[Glaskocher]

Ein gewisser Überschuß an Ethanol sollte hilfreich sein, um das Ethanal im Kühler zurück zu halten. Schließlich muß man beim Siedepunkt von 20°C und der Luftzumischung recht weit herunter kühlen, um nicht zu viel Ausbeute in der Abluft zu verlieren. Man muß natürlich auch das Rohr mit dem Kontakt richtig warm machen. Eine andere Idee wäre, neben Ethanol noch geregelt Sauerstoff in ein "Kreislaufvolumen" an Luft einzuspeisen, aus dem dann Wasser, Ethanal und der Überschuß Ethanol auskondensiert werden. Je nach Herkunft des Sauerstoffes (Flasche oder Konzentrator) hat man kaum Volumenzuwachs, der über das Abgas ausgeglichen werden müßte. Nachteil ist allerdings, daß man das Kreislaufgas umwälzen muß, damit es durch die Waschflasche blubbert. Um ohne extra-Verdampfer auszukommen kann man den Reaktor auch im Fallstrom betreiben und die oberste Zone als Verdampfer nutzen, um zugetropftes Ethanol zu verdampfen.

[Lithiumoxalat]

Ich glaube auf VC hatte mal einer eine nennenswerte Menge Formaldehyd nach diesem System hergestellt. ich habe vor längerer Zeit mal Cu-Katalysator aus Bimssteinchen hergestellt, indem ich diese mit Kupferformiatlösung getränkt, getrocknet und anschließend das Kupferformiat thermisch zersetzt habe. Diesen Katalysator habe ich dann in ein Glasrohr gegeben, und nach kurzem Erwärmen eine EtOH-Luft Mischung durchgeblasen, allerdings war das System sehr heikel, was aber vermutlich am zu kleinen Maßstab lag. Bei dem Versuch trat jedenfalls ein kräftiger Geruch nach Acetaldehyd auf.

[mgritsch]

das größte Problem dabei ist denke ich die große Abwärme die die Oxidation verursacht. Wie ich das in den Griff kriegen kann ohne dass mir die Apparatur irgendwann rot glüht und kaputt geht weiß ich noch nicht... Quarzapparatur die bei hohen Temperaturen auch mal ein Tröpfchen aushält wäre ein bisschen zu teuer

EtOH Überschuss in der Luftmischung sollte kein Problem sein, besser zu Fett als zu mager (Ex-gefahr), auch sonst hab ich schon ein paar kreative Ideen... Bodensatz EtOH in einem Rund- oder Erlenmeyer, mit EtOH gesättigte Luft durch Gaswaschflasche langsam einblasen, Spirale anfangs elektrisch vorheizen (ein Schweißgerät sollte genug Leistung bringen...), aufsteigender Kühler mit ca 20° Kühlwasser um nicht umgesetztes EtOH zurückzuführen, Absteigender mit Eiswasser um Acetaldehyd auszukondensieren...

mal sehen.

[mgritsch]

Mal schnell nachgerechnet:
Ein stöchiometrisches Verhältnis haben wir bei p(EtOH) von 0,296
Die obere Ex-Grenze von EtOH ist ca 0,19 - also noch auf der sicheren Seite. (Mit Methanol geht das nicht, OEG = 0,36. Industriell wird die verbrauchte Luft im Kreise geführt damit immer zu wenig O2 im System ist, von einer einschlägigen Formaldehyd-Synthese rate ich also dringend ab. Hat ja auch der Versuch schön gezeigt dass es durchzündet!)
Bei 50° hat EtOH einen Dampfdruck von 0,294, das passt perfekt. Also Gaswaschflasche mit EtOH in einem Wasserbad, Luft durchblubbern, Quarzrohr mit Cu Wolle und ein fetter Intensivkühler mit Eiswasser hinten dran, müsste klappen.
Bleibt die Frage welche Luftquelle die man vernünftig regulieren kann benutzen und welcher Durchsatz (l/min) macht Sinn...eventuell kann man es daran erkennen wie weit man die Cu Wolle zum glühen bringt...?