Die Zauberkiste

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Die fünf Experimente aus der Zauberkiste sind Verpuffungsreaktionen von Gasgemischen, bestehend aus einem Kohlenwasserstoff und Luft oder Sauerstoff.

Die fünf Experimente sind ein Beitrag zur allgemeinen Sicherheitserziehung und zur Einführung der Kohlenwasserstoffe im Chemieunterricht. Die fünf Experimente stellen Bezüge zur Alltagswelt der Schülerinnen und Schüler her. Wegen der Vielfalt spannender Phänomene eignen sich die fünf Experimente in besonderer Weise auch als Schauversuche bei Schulfesten. Unter Beachtung der Versuchsanleitungen und der üblichen Sicherheitsvorkehrungen können die fünf Experimente auch von fortgeschrittenen Schülerinnen und Schülern demonstriert werden. Die bewährten Versuchsbeschreibungen führen Schritt für Schritt durch die Experimente. Beschriftete Skizzen, Beobachtungshinweise und Deutungsvorschläge erleichtern die Unterrichtsvorbereitungen.

Wirklich geeignet sind nur die Gase Methan und Erdgas. Mit Ethen ergeben sich besondere Effekte. Zuerst wird das Gas durch die Woulff’sche Flasche geleitet. Es tritt am oberen Ende des genau dimensionierten Steigrohres aus. Dort wird es entzündet. Die hell leuchtende Fackel bleibt bestehen, erstaunlicherweise auch, wenn der Einleitungsschlauch abgenommen und dann die Gaszufuhr abgestellt wurde. Der Luftanteil der Gasmischung steigt nun kontinuierlich an. Die Fackel wird immer kleiner und farbloser bzw. blauer. Am Schluss rutscht das Restflämmchen langsam im Rohr abwärts, beginnt zu „singen“ und fällt schließlich mit einer überraschenden Verpuffung in die Flasche.

Wichtig ist die hohe, schlanke Form der Zylinder! Mit n-Pentan-Tropfen werden drei unterschiedlich konzentrierte Gemische aus Kohlenwasserstoffgas und Luft erzeugt und dann gezündet. Man erkennt deutlich unterschiedliche Verpuffungsphänomene und deutet diese mit den Begriffen magere Mischung (Lambda > 1), stöchiometrische Mischung (Lambda = 1), fette Mischung (Lambda < 1). Nur ein schmaler Tolleranzbereich um Lambda = 1 wird als Lambdafenster bezeichnet.

Die aus den Versuchsergebnissen gewonnenen Erkenntnisse führen zu einem besseren Verständnis von Fachbegriffen rund ums Auto und schärfen das Umweltbewusstsein.

In traditionsreichen Lehrbüchern der Chemie aber auch in modernen Anleitungen zur Didaktik des chemischen Unterrichts finden wir unter der Überschrift Element und Verbindung als erstes die Synthese und Analyse von Silbersulfid: Ohne Zuhilfenahme weiterer Reagenzien wird bei der Synthese aus zwei Elementen in einer exothermen Reaktion eine Verbindung aufgebaut. Danach wird bei der Analyse die Verbindung in einer endothermen Reaktion in die beiden Ausgangselemente zerlegt. Die beiden Elemente sowie die Verbindung sind handliche, anschaulich feste Stoffe mit je charakteristischen Eigenschaften. In den Didaktiken des Anfangsunterrichts sind keine vergleichbaren Experimente bekannt, die in die Begriffspaare Element-Verbindung, Synthese-Analyse so anschaulich und fasslich einführen. Daher sollten Schülerinnen und Schüler diese beiden Versuche möglichst früh kennenlernen und als Schlüsselexperimente der Chemie im Gedächtnis behalten.

Zwei einfache chemische Reaktionen konkurrieren miteinander und lösen sich in ziemlich regelmäßigen Zeitabständen ab. Sie führen zu oszillierenden Prozessen, die sowohl visuell als auch akustisch wahrgenommen werden. Die erste Reaktion ist die katalytische Dehydrierung von Methanoldampf an Platin, verbunden mit der stark exothermen Oxidation des Wasserstoffs. Dabei erhitzt sich der zu einem Herz kunstvoll geformte Platindraht und wird hellrot glühend. Die Glühtemperatur des Platindrahts reicht aus, um die zweite Reaktion auszulösen, nämlich die Verpuffung des Methanoldampf-Luft-Gemischs, das sich im Reaktionszylinder immer wieder neu bildet. Die wohltönende Verpuffung wird kurzfristig von einer blauen Flamme begleitet. Die energieliefernden Substanzen sind primär Methanol und Luftsauerstoff. Auch Silber vermag die Reaktion zu katalysieren. Allerdings überschreitet die Glühtemperatur gerade den Schmelzpunkt von Silber, 961 °C. Es tropft ab. Diese spannende Beobachtung erlaubt den Rückschluss auf die Glühtemperatur des Drahts. Die Präsentation des Herzens in einem Schutzetui sowie die immer wieder beobachtete Unversehrtheit des kostbaren Platins steigern die Faszination der Phänomene.

Die bewährte Versuchsbeschreibung führt Schritt für Schritt durch das Experiment. Eine kopierfähige Geräteskizze und ein Textvorschlag für das Protokoll erleichtern die Unterrichtsvorbereitungen.

Im Chemieunterricht haben Verpuffungsexperimente schon seit vielen Jahren ihren Platz, etwa in der Sicherheitserziehung oder im Kapitel Kohlenwasserstoffe. Ergänzend dazu lässt der Autor eine Tradition wieder aufleben, die große Chemiker wie z. B. Faraday, Lavoisier oder Liebig schon vor 200 Jahren gepflegt haben, die „Salonexperimente“. In gespannter Atmosphäre werden die „Utensilien“ einem „Zauberköfferchen“ entnommen und die Phänomene in einem feierlichen Kontext „zelebriert“. Anlässe sind Geburtstage, Jubiläen, Ehrungen, Feierlichkeiten, kurz außergewöhnliche Ereignisse oder Events. Bei dem hier vorgestellten Experiment „regnet“ das „Basler Fasnachtskonfetti“ aus einer „Konfettiwolke“. Das Klarsicht-Zündgerät heißt deshalb „Konfettiandenhimmelwurfmaschine“!