Wachs beginnt zu schmelzen sobald man den Docht anzündet. Dabei lösen sich die Wachsketten und das Wachs wird flüssig. Der Docht saugt nun das flüssige Wachs auf und die starke Hitze der Flamme bringt die Wachsmoleküle dazu, sich noch heftiger zu bewegen. Sie lösen sich vom Docht und zerbrechen schließlich in kurze Stücke. Diesen Vorgang nennt man Pyrolyse.
Der Sauerstoff aus der Luft reagiert mit dem Wasserstoff in den Bruchstücken der Wachsmoleküle. Jetzt entsteht unsichtbarer Wasserdampf. Dabei wird viel Energie in Form von Licht und Wärme frei. Diese Energie zerlegt immer mehr Brennstoff in kleine Bruchstücke, die dann wiederum mit dem Sauerstoff reagieren.
Jetzt ist eine Kettenreaktion in Gang gekommen, die bewirkt, dass die Flamme selbstständig weiter brennt. Ein Teil dieser Energie wird in Form von blauem Licht am unteren Teil der Kerzenflamme sichtbar. Kohlenstoffatome bleiben als kugelförmige Rußpartikel zurück. Bei 1000 °C leuchten sie und strahlen das charakteristische gelbe Licht einer Kerzenflamme ab.
Kohlendioxid entsteht aus den glühenden Rußpartikeln, die in der Flamme nach oben getrieben werden und sich mit dem Luftsauerstoff verbinden. Auch dabei wird Energie frei, die zum Teil in Form von Hitze abgestrahlt wird und zum Teil den Zerlegungsprozess des Wachses an der Basis der Flamme aufrechterhält.
Die hier vorgestellten Experimente wurden im Naturphänomene-Unterricht einer Klasse 5 (allgemeinbildendes Gymnasium) erprobt und erfolgreich eingesetzt. Zu meiner großen Überraschung waren aber auch Schüler zehnter und elfter Klassen von diesen Experimenten im Anfangsunterricht organische Chemie fasziniert, hatten Spaß beim Experimentieren und Gewinn bei der gemeinsamen Interpretation der Versuchsergebnisse.
Versuchszirkel Kerze
Die Versuchsvorschriften und Arbeitsanleitungen werden zur leichteren, eigenen Umgestaltung in verschiedenen Datei-Formaten angeboten.
Entzündet man eine bisher nicht benutzte Kerze, dauert es eine kleine Weile bis der Docht brennt. Durch die Wärme des brennenden Dochtes wird das Kerzenwachs erhitzt und beginnt sich zu verflüssigen. Das flüssige Wachs brennt nicht. Durch die herrschende Temperatur, beginnt es jedoch zu sieden und wird gasförmig. Das Gas (Wachsdampf) entzündet sich. Dazu muss es eine bestimmte Temperatur, seine Entzündungstemperatur , erreicht haben.
Der Docht der Kerze hat die Aufgabe dafür zu sorgen, dass das flüssige Wachs nach oben steigt. Der Docht allein würde sehr schnell verglühen. Um den Docht herum verbrennt also das gasförmige Kerzenwachs. Dabei sehen wir Licht und spüren Wärme, nehmen eine Flamme wahr. Die Flamme selbst ist also nichts anderes als brennendes Gas, alle Flammen sind brennende Gase.
Brennende Kerzen werden kleiner, weil das Kerzenwachs verbrennt. Kerzenwachs ist ein brennbarer Stoff. Solche Stoffe werden als Brennstoffe bezeichnet. Das Vorhandensein eines Brennstoffs stellt ebenfalls ein wichtige Voraussetzung für die Entstehung und Erhaltung eines Feuers dar. Zu den Brennstoffen gehören z. B. Holz, Papier, Kohle und Heizöl. Auch diese Brennstoffe müssen erst erhitzt werden, um Gase zu bilden. Beim Erreichen ihrer Entzündungstemperatur beginnen diese zu brennen. Stülpt man ein Glas über diese Kerze, geht sie nach einiger Zeit aus. Für die Verbrennung muss also die Zufuhr von Sauerstoff gewährleistet sein.
Drei Bedingungen für das Entstehen von Feuer
Für das Entstehen von Feuer müssen 3 Voraussetzungen erfüllt sein: Die wichtigste Grundvoraussetzung ist, dass brennbare Ausgangsstoffe vorhanden sind, zum Beispiel Holz oder Papier.
Diese Stoffe reagieren mit dem Sauerstoff, der zu einem großen Teil in der Luft enthalten ist (21 %). Es läuft eine chemische Reaktion ab.
Ein brennbarer Stoff und Sauerstoff allein genügen aber noch nicht für die Entstehung eines Feuers.
Für jeden Stoff ist eine unterschiedliche Temperatur, die sogenannte Entzündungstemperatur, notwendig, um das Verbrennen beginnen zu lassen.
Je besser die Ausgangsstoffe durchmischt sind, desto schneller und erfolgreicher verläuft die Verbrennung (Oxidation). So brennen zum Beispiel Holzspäne besser als ein Baumstamm. Die unterschiedliche Größe der Holzstücke zeigt, dass auch der Zerteilungsgrad von Stoffen eine wichtige Rolle beim Entzünden eines Feuers spielt. Ist der brennbare Stoff sehr fein zerteilt, erfolgt die Durchmischung mit Luft viel leichter. Ein ausreichender Zerteilungsgrad ist eine wesentliche Bedingung, damit etwas zu brennen beginnt.
Sehr leicht zu erkennen ist, dass das Wachs in der Umgebung des Dochts aufgrund der Hitze schmilzt. Schwimmen in der Schmelze zufällig ein paar Rußpartikel, können Sie sogar sehen, dass es in der Flüssigkeit erhebliche Turbulenzen gibt. Sie werden wissen, dass das Wachs im Docht aufsteigen muss, um zu verbrennen. Aber dann...?
Da der Docht mitten in der Flamme steckt, ist es dort schon so heiß, dass das Wachs vom Docht verdampft. Der Docht wird auf diese Weise umgeben von Wachsdampf, welches aber noch nicht brennen kann, weil es dort eben nur Wachsdampf und keinen Sauerstoff gibt. (Nebenbei: Das schützt auch den Docht vor dem Verbrennen.) Erst weiter außen mischt sich der Wachsdampf mit Luft und wird zündfähig. Der Kohlenstoff leuchtet bei der Verbrennung auf. Das dunklere Innere ist also reiner Wachsdampf, die hell leuchtende äußere Zone der verbrennende Wachsdampf.
Dort, wo es brennt, wird natürlich die Verbrennungsenerge frei und deshalb ist die hell leuchtende Zone der Flamme noch deutlich heißer als die Umgebung des Dochts. Nach einigen Versuchen und dem dabei gewonnenen Geschick können Sie das mit einem kurz quer in die Flamme Streichholz (mit abgebrochenem Zündkopf) nachweisen. Das Streichholz verkohlt dabei an den Stellen, die sich in der leuchtenden Zone befanden, schneller als an der Stelle, die sich in der dunklen Zone in der Umgebung des Dochts befand.
Wenn Sie die Kerze auspusten, ist der Docht noch eine Zeit lang heiß. Jetzt können Sie es sehen, dass von dem heißen Docht immer noch Wachs gasförmig abdestilliert, welches jetzt aber nicht mehr verbrennt, sondern an der Luft wieder auskühlt, so dass der Wachsdampf wieder kondensiert und den bekannten Rauch bildet.