Weihnachtszeit ist Kerzen-Zeit - Kerzen-Experimentier-Zeit (2013)

Die Weihnachtszeit ist sicher für viele Menschen in Deutschland und insgesamt auf der Nordhalbkugel, eine Zeit, in der wir das Licht der Kerzen gerne geniessen, als Kontrast zu der dunklen Jahreszeit aber auch zu der lärmenden, neonlichtdurchfluteten Konsum- und Arbeitswelt. Neben dem warmen Licht, der Wärme und der Ausstrahlung von Ruhe und Muße bietet Kerzenlicht zusätzlich sehr schöne, einfache, kreative Möglichkeiten, zu experimentieren. Nur mit einer Kerze können wir schon lernen zu beobachten, Fragen zu stellen, Experimente zu planen und gemeinsam durchzuführen, naturwissenschaftliche Erkenntnisse spielerisch und mit Spass gemeinsam erwerben:

  • Wie heiß ist eine Kerzenflamme?
  • Brennt bei der Kerze der Docht, das feste, das flüssige Wachs, der Wachsdampf?
  • Ein Teelicht geht schwimmen oder "Eine Kerze als Wasserpumpe"
  • Vorschau: Eine Kerze löschen wie von Geisterhand

Kerzenflamme und Temperaturen, mit Experimenten

Hast du dir eine Kerzenflamme schon einmal genau angesehen? Bei genauer Betrachtung kannst du drei verschiedene Zonen erkennen. Die innerste Zone, direkt um den Docht herum, ist ein ziemlich dunkler Kegel. Direkt darüber befindet sich der hellste und leuchtendste Teil der Flamme und der Flammensaum ist wieder etwas dunkler. Kannst du dir vorstellen, dass in drei unterschiedlichen Bereichen auch verschiedene Temperaturen zu messen sind? Hast du eine Idee für ein Experiment, um das zu untersuchen?

Experiment Temperaturzonen: Du brauchst eine Kerze und ein Streichholz oder einen Zahnstocher:

a) Wenn du ein Holzstäbchen, z.B. einen Zahnstocher oder ein Streichholz ohne Kopf, kurz in die Flamme, direkt über den Docht, hältst, so kannst du erkennen, dass das Holzstäbchen nur rechts und links schwarz geworden ist, ca. 1/2 cm in der Mitte aber weiter unverändert ist (s. Foto rechts oben).

b) Halte ein Streichholz in das untere Ende der Flamme und danach ein Streichholz in den mittleren Bereich der Flamme. Du wirst sehen, dass eines der beiden Streichhölzer mit Verzögerung brennt. Welches?

Kannst du dir das erklären?

 

Hintergrundwissen: Was brennt bzw. verbrennt denn eigentlich bei der Kerze?

Kerzenwachs, ob aus tierischem, pflanzlichem oder synthetischem Wachs hergestellt, besteht hauptsächlich aus einer Verbindung der Elemente Kohlenstoff und Wasserstoff. Als tierisches Wachs kennst du wahrscheinlich das Bienenwachs, als pflanzliches Wachs kennst du eventuell das Carnaubawachs. Das synthetische Wachs wird meist aus Erdoel gewonnen und besteht hauptsächlich aus Paraffin.

Beim Verbrennen verbinden sich die Stoffe mit dem Sauerstoff der Luft und es entstehen dabei Sauerstoffverbindungen, Oxide. Dabei wird Energie frei; es sind also exotherme Reaktionen. Luft besteht zu 21% aus Sauerstoff, der Hauptbestandteil der Luft ist allerdings, verblüffenderweise,  zu ca. 78% der Stickstoff.

Beim Verbrennen der Kerze ensteht also vor allem Kohlendioxid und Wasserdampf. Teilweise findet allerdings auch eine unvollständige Verbrennung statt und der Kohlenstoff wird als feine, schwarze Ruß-Partikel mitgerissen. Eine rußende Flamme hast du sicher schon oft gesehen.

 

Erklärung/Deutung des Experimentes

Die unterschiedliche Helligkeit und die unterschiedlichen Farben der Kerzenflamme zeigen an, dass die Kerzenflamme verschiedene Temperaturzonen besitzt. Im inneren Flammenkegel, dem Flammenkern, lassen sich mit einem Temperaturfühler ca. 800°C messen, im mittleren und hellsten Teil der Kerze, dem Flammenmantel, ca. 1400°C und im äußeren Teil der Flamme, dem Flammensaum, 1200 - 1400°C. Die Energie der Kerzenflamme reicht aus das Wachs zu schmelzen. Das nun flüssige Wachs steigt im Docht nach oben und wird in Flammennähe gasförmig. Der Wachsdampf verbrennt dann hauptsächlich zu den Gasen Kohlendioxid und Wasserdampf, die beide farblos und somit nicht zu sehen sind. Der dunkle, innere Teil der Flamme hat weniger Kontakt zur Luft, also somit auch zum Sauerstoff, der aber für die Verbrennung nötig ist. Deshalb bleibt das Holzstück in der Mitte unverändert. Im mittleren Flammenteil verbrennt das Holz und verkohlt. Deshalb wird es nur dort schwarz. Aus dem gleichen Grund brennt das Streichholz, das du bei Experiment b) in den dunkleren, kühleren Teil der Flamme hältst, mit Verzögerung.

 

Experimente: Nur Wachsdampf brennt

Willst du dir Experimente ausdenken, die zeigen, dass das, was bei der Keze verbrennt, der Wachsdampf ist und nicht der Docht, das feste oder flüssige Wachs?

Meine Vorschläge:

1. Experiment, Fernzündung: Du brauchst eine Kerze und ein Feuerzeug

"Zünde eine Kerze an und warte etwa zwei Minuten, bis das Wachs unter der Flamme flüssig ist und richtig brennt. Dann muss alles sehr schnell gehen: Puste die Kerze aus und halte das Feuerzeug etwa eine Handbreit vom Docht entfernt in den Kerzendampf, der sich wie eine Schwade in die Luft emporwindet. Entzünde das Feuerzeug, so dass die Flamme im Dampf angeht." (s. Hecker, J.: Experimente, Den Naturwissenschaften auf der Spur, Der Kinderbrockhaus, Gütersloh/München 2011, S. 120)

Deutung/Erklärung: Das durch die Flamme geschmolzene Wachs, das im Docht hochsteigt, verdampft. Wenn die Kerze ausgeblasen ist, verdampft eine kurze Zeit lang weiter Wachs. Dieser Wachsdampf brennt jetzt zwar nicht mehr, entzündet sich aber wieder, wenn du die Feuerzeugflamme in die Nähe bringst.

2. Experiment, Tochterflamme: Du brauchst eine Kerze, ein Glas- oder Metallrohr, ein Feuerzeug, eine Zange/Tiegelzange

Halte ein Glas- oder Metallrohr mit einer Zange nahe über dem Docht in die Kerzenflamme. Versuche die am Ende des Röhrchens austretenden Gase mit dem Feuerzeug zu entzünden.

Deutung: Am Ende des Rohres kann sich nur noch gasförmiges Wachs befinden, das du zum Brennen/Verbrennen bringst.

Kontrollfrage: Wenn du Kerzenwachs in ein Reagenzglas tropfen lässt, das Reagenzglas dann über eine Brennerflamme hältst und versuchst das austretende Gas am offenen Ende des Reagenzglases mit einem Feuerzeug zu entzünden: Brennt das entweichende Gas?

Antwort: Ja, es brennt, da brennbarer Wachsdampf entweicht.

Experiment: Ein Teelicht geht schwimmen oder "Eine Kerze als Wasserpumpe"

Du brauchst: Einen Teller, eine Münze, ein Teelicht, ein Trinkglas, ein Streicholz, Leitungswasser oder gefärbtes Wasser (Rote-Beete-Saft oder etwas Tinte zum Anfärben)

Durchführung: Gieße etwas Wasser auf einen Teller, stelle ein Teelicht in die Mitte und zünde es an. Nach kurzer Zeit stülpst du ein Trinkglas über das Becherglas und beobachtest.

Beobachtung: Wenige Sekunden nachdem du das Glas über das brennende Teelicht gestülpt hast, geht die Flamme aus. Gleichzeitig steigt das Wasser im Glas, fast sprunghaft, an und das Teelicht schwimmt. Im Innern des Glases kannst du an den Glaswänden viele, feine, farblose Tropfen erkennen. Kannst du dir die Beobachtungen erklären?

Erklärung/Deutung: Der Wachs entzieht der im Glas enthaltenen Luft den Sauerstoff für die Verbrennung, s.o.. Dadurch ensteht im Glas ein Unterdruck. "Weil das Glas unten offen ist, kann sich der Druck ausgleichen. Zwischen der äußeren Luft und der Luft im Glas ist aber dasWasser. Deshalb drückt der äußere Luftdruck Wasser in das Glas und presst so die Luft im Glas zusammen, bis der Luftdruck innen und außen gleich ist." ((s. Hecker, J.: Experimente, Den Naturwissenschaften auf der Spur, Der Kinderbrockhaus, Gütersloh/München 2011, S. 125) Bei dem Brennen der Kerze entstehen aus dem Wachs und dem Sauerstoffanteil der Luft durch Oxidation Kohlendioxid, Wasserdampf und Energie, s.o.. Sobald nicht mehr genug Sauerstoff im Glas enthalten ist, geht die Kerze aus. An den kalten Rändern des Glases kondensiert der Wasserdampf zu Wasser. Deshalb siehst du am Glasrand farblose Tropfen.

Im Kinderbrockhaus, s.o., ist auch eine Abwandlung dieses Versuchs vorgeschlagen: "Eine Kerze als Wasserpumpe". Danach legst du eine Münze zwischen Teelicht und Tellerrand ins Wasser und stellst deinen Freund_innen die Aufgabe, die Münze mit den Händen vom Teller zu nehmen, ohne sich die Hände nass zu machen. Da ja das Wasser vom Teller in das Glas gezogen wird, liegt die Münze, die vor dem Versuch im Wasser liegt, nach dem Versuch auf dem Trockenen.

Fazit und Ausblick

Zum naturwissenschaftlichen Arbeiten - planmäßig, zielgerichtet beobachten, Fragen nach der Erklärung der Beobachtung stellen, eine Hypothese (begründete Vermutung) aufstellen, diese mit Hilfe eines Experimentes  überprüfen - genügt auch schon eine Kerze und ein Streichholz. Die heißeste Stelle in der Kerzenflamme ist mit ca. 1400°C im mittleren, hellsten Bereich der Flamme. Der Wachsdampf verbrennt hier mit Luftsauerstoff zu Kohlendioxid, Wasserdampf und Energie. Ist nicht mehr genug Sauerstoff in der Umgebung der Flamme vorhanden, erlischt sie.

In meinem nächsten Blogartikel zeige ich dir ein verblüffendes Experiment zum Löschen einer Kerze wie von Geisterhand.

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Kommentare: 1
  • #1

    Tom (Montag, 04 September 2017 16:42)

    Erklärung fast vollständig Unsinn! Wo geht der Sauerstoff hin? Verschwindet er einfach? Warum Sprunghafter anstieg des Wasserspiegels bei relativ konstanter Verbrennung? Das hat wohl eher mit dem Zusammenhang von Druck, Volumen und Temperatur zu tun. Der Effekt der Oxidation dürfte bei diesem Effekt die kleinere Rolle spielen.
    Und bitte, es entsteht sicher keine Energie.