Simulation: Massenerhalt bei der Verbrennung

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Die Masse bleibt immer erhalten

Bei jeder chemischen Reaktion ist die Masse aller Ausgangsstoffe zusammen genauso groß wie die Masse aller Reaktionsprodukte zusammen. Das ist das Gesetz von der Erhaltung der Masse. Es gilt ausnahmslos, auch beim Verbrennen. Der Grund liegt auf der Teilchenebene: Bei einer chemischen Reaktion werden Atome lediglich umgruppiert. Sie gehen nicht verloren und entstehen nicht neu.

Ob man es an einer Waage auch sieht, hängt davon ab, ob alle beteiligten Stoffe auf der Waage sind. Entweicht ein Reaktionsprodukt oder kommt ein Ausgangsstoff aus der Umgebung hinzu, ändert sich die Anzeige. Die Masse ist dann nicht verloren gegangen oder neu entstanden, sie befindet sich nur nicht mehr bzw. noch nicht auf der Waage.

Der Holzspan: Die Anzeige sinkt

Holz besteht vor allem aus Verbindungen der Elemente Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff. Beim Verbrennen reagiert es mit dem Sauerstoff der Luft:

Holz + Sauerstoff → Kohlenstoffdioxid + Wasser

Kohlenstoffdioxid und Wasser sind bei der Temperatur der Flamme gasförmig und entweichen in die Umgebung. Der Sauerstoff kommt aus der Luft hinzu und war vorher nicht auf der Waage. Auf der Waage bleibt nur der Rest des Holzspans; die Anzeige sinkt.

Die entweichenden Gase haben sogar eine größere Masse als das verbrannte Holz, denn sie enthalten zusätzlich den Sauerstoff aus der Luft. In der Simulation verbrennen 0,60 g Holz mit 0,83 g Sauerstoff zu 1,43 g Kohlenstoffdioxid und Wasser. Die Waage zeigt danach 0,60 g weniger an.

Verbrennt Holz unvollständig, entstehen außerdem geringe Mengen Kohlenstoffmonooxid und Ruß (Kohlenstoff).

Die Eisenwolle: Die Anzeige steigt

Erhitzte Eisenwolle glüht auf und reagiert mit dem Sauerstoff der Luft:

Eisen + Sauerstoff → Eisenoxid

Eisenoxid ist ein fester Stoff und bleibt in der Schale. Der Sauerstoff stammt aus der Luft und war vorher nicht auf der Waage. Die Anzeige steigt deshalb. In der Simulation reagieren 1,50 g Eisen mit 0,57 g Sauerstoff zu 2,07 g Eisenoxid; die Waage zeigt 0,57 g mehr an.

Eisenwolle besteht aus sehr dünnen Fasern. Sie hat deshalb eine große Oberfläche, an der Eisen mit Sauerstoff reagieren kann. Ein Eisennagel reagiert unter denselben Bedingungen kaum.

Im geschlossenen Gefäß bleibt die Anzeige gleich

Steht eine Glasglocke dicht auf der Glasplatte, bleiben alle beteiligten Stoffe auf der Waage: der Brennstoff, die Luft in der Glocke und alle Reaktionsprodukte. Nichts kann entweichen und nichts kann hinzukommen. Die Anzeige ändert sich deshalb nicht – beim Holzspan genauso wenig wie bei der Eisenwolle.

Trotzdem findet in der Glocke eine chemische Reaktion statt. Beim Holzspan nimmt die Masse des Feststoffs ab und die Masse der Gase zu; bei der Eisenwolle ist es umgekehrt. In der Summe bleibt die Masse gleich.

Die Reaktion hört auf, sobald in der Glocke nicht mehr genug Sauerstoff vorhanden ist. Deshalb verbrennt nur ein Teil des Holzspans bzw. der Eisenwolle.

Was geschieht auf der Teilchenebene?

Die Lupe zeigt einen Ausschnitt der Spitze des Holzspans bzw. einen einzelnen Faden der Eisenwolle. Um den Brennstoff herum bewegen sich Stickstoff-Moleküle und Sauerstoff-Moleküle ständig und ungeordnet. Nach dem Zünden ist die Temperatur höher; die Teilchen bewegen sich dann schneller.

Holzspan: Sauerstoff-Moleküle treffen auf die heiße Spitze. Die Atome des Holzes verbinden sich dort mit Sauerstoff-Atomen zu Kohlenstoffdioxid-Molekülen und Wasser-Molekülen, die sich vom Span entfernen. Der Span wird von der Spitze her kürzer.

Eisenwolle: Sauerstoff-Moleküle treffen auf den heißen Faden. Sie werden gespalten, und die Sauerstoff-Atome werden in den Faden eingebaut. Aus Eisen entsteht Eisenoxid; der Faden wird dicker.

Stickstoff-Moleküle reagieren in beiden Versuchen nicht.

In beiden Versuchen findet eine Umgruppierung von Atomen statt: Die Atome der Ausgangsstoffe trennen sich voneinander und verbinden sich neu zu den Teilchen der Reaktionsprodukte. Die Anzahl der Atome jeder Sorte bleibt gleich, und jede Atomsorte hat eine bestimmte Masse. Die Masse bleibt deshalb erhalten, weil Atome lediglich umgruppiert werden und nicht verloren gehen oder neu entstehen.

Unter der Glocke ist am Ende kein Sauerstoff-Molekül mehr vorhanden. Es kann kein weiteres Teilchen des Brennstoffs reagieren.

Grenzen des Modells

• Holz: Die Lupe zeigt das Holz stark vereinfacht: auf ein Kohlenstoff-Atom ein Sauerstoff-Atom und zwei Wasserstoff-Atome, wie in Cellulose. Echtes Holz enthält daneben weitere Stoffe und mehr Kohlenstoff. Die Waage rechnet mit einer typischen Zusammensetzung von Holz (Massenanteile: Kohlenstoff 50,8 %, Wasserstoff 6,2 %, Sauerstoff 43,0 %). Daraus entstehen auf vier Kohlenstoffdioxid-Moleküle etwa drei Wasser-Moleküle. Feuchtigkeit und Asche sind nicht berücksichtigt.
• Verbrennen von Holz: In der Hitze zersetzt sich das Holz zuerst; die Flamme brennt über den entweichenden brennbaren Gasen. Die Lupe zeigt nur die Teilchen der Ausgangsstoffe und der Endprodukte.
• Eisenoxid: Beim Glühen von Eisenwolle entsteht vor allem ein Eisenoxid, in dem auf drei Eisen-Atome vier Sauerstoff-Atome kommen (Fe₃O₄); damit rechnet die Waage. Die Lupe zeigt vereinfacht auf ein Eisen-Atom ein Sauerstoff-Atom.
• Glocke: In Wirklichkeit erlischt die Flamme, bevor der Sauerstoff vollständig verbraucht ist. Die Simulation verbraucht ihn vollständig.
• Gas: In einem Gas ist der Abstand zwischen den Teilchen etwa zehnmal so groß wie die Teilchen selbst; in der Lupe liegen sie viel zu dicht. Sauerstoff-Moleküle bewegen sich bevorzugt zur Spitze bzw. zum Faden, damit die Reaktion schnell sichtbar wird.
• Größen und Zeiten: Teilchengrößen und Farben sind nicht maßstabsgetreu. Die Teilchen bewegen sich viel langsamer, der Versuch läuft viel schneller ab als in Wirklichkeit. Die Massen von Schale, Glasplatte und Glocke sind Beispielwerte.