Simulation: Sauerstoffanteil der Luft

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Die Zusammensetzung der Luft

Luft ist ein Stoffgemisch aus mehreren Gasen. Trockene Luft besteht vor allem aus:

• Stickstoff (N₂) – etwa 78 %
• Sauerstoff (O₂) – etwa 21 %
• Argon (Ar) – etwa 0,9 %
• Kohlenstoffdioxid (CO₂) – etwa 0,04 %

Dazu kommen weitere Gase in Spuren. Die Prozentangaben beziehen sich auf das Volumen. Gleiche Volumina von Gasen enthalten bei gleicher Temperatur und gleichem Druck gleich viele Teilchen. Von 100 Teilchen der Luft sind deshalb etwa 21 Sauerstoff-Moleküle.

Der Versuch

Zwei Kolbenprober sind über ein Quarzrohr miteinander verbunden. Das Quarzrohr ist mit Eisenwolle gefüllt. Zu Beginn enthält der linke Kolbenprober 100 mL Luft, der rechte ist leer. Ein Brenner erhitzt die Eisenwolle. Anschließend wird die Luft mehrmals über die heiße Eisenwolle von einem Kolbenprober in den anderen geschoben. So kommt nach und nach die gesamte Luft mit dem Eisen in Berührung. Nach dem Abschalten des Brenners lässt man den Aufbau auf Raumtemperatur abkühlen und liest dann das Volumen ab.

Eisenwolle besteht aus sehr dünnen Fasern und hat deshalb eine große Oberfläche, an der der Sauerstoff reagieren kann. Quarzglas hält die hohe Temperatur der glühenden Eisenwolle aus.

Die Reaktion von Eisen mit Sauerstoff

Eisen reagiert mit dem Sauerstoff der Luft zu Eisenoxid:

Eisen + Sauerstoff → Eisenoxid

Die graue, metallisch glänzende Eisenwolle wird dabei schwarz. Eisenoxid ist ein fester Stoff. Bei Raumtemperatur reagiert Eisenwolle so langsam mit Sauerstoff, dass keine Veränderung zu bemerken ist. Erst das Erhitzen liefert die nötige Aktivierungsenergie. Die Reaktion ist exotherm: Die frei werdende Energie erhitzt die benachbarten Fasern, die ihrerseits reagieren. Die Eisenwolle glüht deshalb auch dort auf, wo die Flamme sie nicht erreicht.

Stickstoff, Argon und die übrigen Bestandteile der Luft reagieren unter diesen Bedingungen nicht mit dem Eisen. Weil der Sauerstoff im Eisenoxid gebunden wird, ist der Feststoff im Quarzrohr nach dem Versuch schwerer als die Eisenwolle vorher.

Auswertung

Nach dem Abkühlen zeigen die Kolbenprober zusammen 77 mL an. Das Gasvolumen hat um 23 mL abgenommen. Diese 23 mL entsprechen dem Volumen des verbrauchten Sauerstoffs.

Zu Beginn befindet sich auch im Quarzrohr und in den Verbindungsstücken Luft, in dieser Simulation 10 mL. Ihr Sauerstoff reagiert ebenfalls. Insgesamt hat also der Sauerstoff aus 110 mL Luft reagiert:

Volumenanteil des Sauerstoffs = 23 mL : 110 mL ≈ 0,21 = 21 %

Bezieht man die Volumenabnahme nur auf die 100 mL im Kolbenprober, erhält man 23 %, also einen zu großen Wert.

Im Gas, das übrig bleibt, erlischt ein glimmender Holzspan: Es enthält praktisch keinen Sauerstoff mehr.

Gasvolumen und Temperatur

Ein Gas dehnt sich bei gleichem Druck beim Erwärmen aus und zieht sich beim Abkühlen wieder zusammen. Gleich nach dem Einschalten des Brenners nimmt das Volumen in den Kolbenprobern deshalb etwas zu. Auch nach dem letzten Hinüberschieben ist das Gas noch heiß; beim Abkühlen schiebt sich der Kolben noch ein Stück hinein. Anfangs- und Endvolumen lassen sich nur vergleichen, wenn beide bei Raumtemperatur gemessen werden. Wer zu früh abliest, erhält einen zu kleinen Sauerstoffanteil.

Was geschieht auf der Teilchenebene?

Die Teilchenebene zeigt einen Ausschnitt des Quarzrohrs. Ein Faden aus Eisen-Atomen steht dort für eine Faser der Eisenwolle. Im Quarzrohr bewegen sich Stickstoff-Moleküle, Sauerstoff-Moleküle und Argon-Atome ständig und ungeordnet. Je höher die Temperatur, desto schneller bewegen sie sich.

Trifft ein Sauerstoff-Molekül auf die heiße Oberfläche des Eisenfadens, wird es gespalten, und die beiden Sauerstoff-Teilchen werden in den Faden eingebaut. Aus den Elementen Eisen und Sauerstoff entsteht die Verbindung Eisenoxid; in ihr sind die Eisen-Teilchen und die Sauerstoff-Teilchen gitterförmig angeordnet. Stickstoff-Moleküle und Argon-Atome prallen von der Oberfläche ab und bleiben im Gas.

Am Ende befinden sich keine Sauerstoff-Moleküle mehr im Gas. Es sind also weniger Gasteilchen vorhanden als zu Beginn. Bei gleicher Temperatur und gleichem Druck nehmen weniger Gasteilchen ein kleineres Volumen ein; deshalb sinkt das Volumen in den Kolbenprobern.

Eisen-Ionen und Sauerstoff-Ionen

Die Legende unterscheidet Eisen-Atome, Eisen-Ionen und Sauerstoff-Ionen. Genauer betrachtet entstehen bei der Reaktion aus Eisen-Atomen Eisen-Ionen und aus Sauerstoff-Atomen Sauerstoff-Ionen. Sie ordnen sich zu einem regelmäßigen Ionengitter, in dem sich Eisen-Ionen und Sauerstoff-Ionen in allen Richtungen abwechseln. Stoffe, die aus Ionen in einem Ionengitter aufgebaut sind, heißen Salze; Eisenoxid ist also ein Salz. In der Simulation kommt auf ein Eisen-Ion ein Sauerstoff-Ion. Ein Eisen-Ion ist kleiner als ein Eisen-Atom, ein Sauerstoff-Ion größer als ein Eisen-Ion; die Simulation zeigt diese Unterschiede stark abgeschwächt.

Grenzen des Modells

• In einem Gas ist der Abstand zwischen den Teilchen etwa zehnmal so groß wie die Teilchen selbst; in der Teilchenebene liegen sie viel zu dicht.
• Die Teilchenebene zeigt eine feste Portion Gas. Die Sauerstoff-Moleküle bewegen sich bevorzugt zum Eisenfaden, damit die Reaktion schnell sichtbar wird.
• Der Eisenfaden ist nur vier Teilchen dick; eine echte Faser der Eisenwolle ist Zehntausende Atome dick.
• Beim Glühen von Eisenwolle entsteht vor allem ein Eisenoxid im Verhältnis 3 : 4 (Fe₃O₄); die Simulation zeigt das ebenfalls existierende Eisenoxid im Verhältnis 1 : 1.
• Die Teilchengrößen sind nicht maßstabsgetreu, die Farben frei gewählt; die Ladungen der Ionen sind nicht dargestellt.
• Die Teilchen bewegen sich viel langsamer als in Wirklichkeit. Der Versuch dauert in Wirklichkeit mehrere Minuten; besonders das Abkühlen ist stark verkürzt.