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02.3.2 Anwendungsbeispiel - 2

Reiter

Beispiel Wunderkerze

Einführung und Aufgaben

Eine Wunderkerze besteht aus zwei zentralen Bestandteilen: einem verkupferten Stahldraht sowie einer ca. 4 mm dicken Brennschicht (s. Abb.). In dieser Brennschicht werden Bariumnitrat, verschiedene Metalle (u.a. Eisen, Aluminium, Titan oder Magnesium) sowie ein Bindemittel (z.B. Stärke) eingesetzt.

Zündet man eine Wunderkerze an, so laufen verschiedene chemischen Reaktionen ab. Das Bariumnitrat wird hierbei reduziert, die Metalle sowie das Bindemittel werden oxidiert.

Die Wahl der Metalle entscheidet über die Farbe der Funken. So erreicht man durch den Einsatz von Aluminium, Titan oder Magnesium weiße Funken. Eisen bspw. sorgt für orangefarbene Funken. Bei der chemischen Reaktion entstehen außerdem gasförmige Verbindungen (z.B. Kohlenstoffdioxid). Diese sorgen dafür, dass einige kleine Metallmengen von dem Stahldraht weggeschleudert werden und in der Luft weiter reagieren. Dies verstärkt den Effekt des Funkenflugs. 

Aufgabe 1: Stelle die möglichen Teilgleichungen für die Reaktion von Eisen mit Sauerstoff zu Eisenoxid (Fe2O3) auf.

Aufgabe 2: Ordne für die Reaktion von Eisen mit Sauerstoff zu Eisenoxid die folgenden Begriffe korrekt zu.

  • Oxidation und Reduktion
  • Elektronenabgabe und Elektronenaufnahme
  • Oxidationsmittel und Reduktionsmittel
  • Elektronendonator und Elektronenakzeptor

 

Lösungen und Erklärungen

Aufstellen von Teilgleichungen (Aufgabe 1)

Oxidation (Elektronenabgabe): Fe → Fe3+ + 3 e- |*4
Reduktion (Elektronenaufnahme): O2 + 4 e- → 2 O2- |*3<hr></hr>
Redoxreaktion (mit Elektronen): 4 Fe + 3 O2 + 12 e- → 4 Fe3+ + 6 O2- + 12 e- 
Redoxreaktion (ohne Elektronen): 4 Fe + 3 O2  → 4 Fe3+ + 6 O2-
<hr></hr>

Reaktionsgleichung: 4 Fe (s) + 3 O2 (g)  → 2 Fe2O3 (s)

 

Zentrale Begriffe (Aufgabe 2)

Chemische Reaktionen, wie bspw. die Reaktion von Eisen mit Sauerstoff zu Eisenoxid, lassen sich auch als Elektronenübertragungsreaktionen beschreiben. Hierbei werden Elektronen abgegeben und aufgenommen. Zur besseren Darstellung lassen sich solche Reaktionen in Teilschritte (Oxidation und Reduktion) zerlegen.

Die Abgabe von Elektronen wird Oxidation bezeichnet. Die Aufnahme von Elektronen wird auch als Reduktion bezeichnet. Insgesamt bezeichnet man diese Art von chemischen Reaktionen als Redox-Reaktionen.

Beispiel: Reaktion von Eisen mit Sauerstoff zu Eisenoxid

Reduktionsmittel (Elektronendonatoren) sind Stoffe, die Elektronen abgeben. D.h., dass sie andere Stoffe reduzieren. Sie selbst werden hierbei durch die Abgabe von Elektronen oxidiert.
 
Oxidationsmittel (Elektronenakzeptoren) sind Stoffe, die Elektronen aufnehmen. D.h., dass sie andere Stoffe oxidieren. Sie selbst werden hierbei durch die Aufnahme von Elektronen reduziert.

Beispiel: Reaktion von Eisen mit Sauerstoff zu Eisenoxid

Weiterführende Aufgaben

Aufgabe 02.1: Formuliere für die anderen Metalle (Aluminium und Magnesium) die jeweiligen Teilgleichungen und Reaktionsgleichungen.

Aufgabe 02.2: Die Reaktion von Bariumnitrat, die beim Abbrennen einer Wunderkerze abläuft sieht wie folgt aus:
 
2 Ba(NO3)2 (s) → 2 BaO (s) + 2 N2 (g) + 5 O2 (g) 
 
a) Erkläre unter Rückgriff auf die weiteren Reaktionsgleichungen der Metalle, warum eine Wunderkerze auch in einer sauerstoffarmen Atmosphäre (z.B. in Argongas) verbrennt.

b) Zündet man eine einzelne Wunderkerze an und hält sie anschließend unter Wasser, geht sie aus. Wiederholt man dies mit einem Bündel von brennenden Wunderkerzen, so brennen sie auch unter Wasser weiter. 

Erkläre, warum dies möglich ist. Recherchiere hierfür auch zu möglichen Reaktionen von Metallen mit Wasserdampf zu Metalloxiden und Wasserstoff.