Didaktik der Chemie / Universität Bayreuth

Stand: 27.04.16


Die Chemie der Weihnachtskerze

Vortrag von Carolin Meißner im Rahmen der "Übungen im Vortragen mit Demonstrationen - AC", WS 09/10


Gliederung:

1 Die Kerzenrohprodukte

2 Die brennende Kerze
   2.1 Der Wärmefluss der brennenden Kerze
   2.2 Die 4 Zonen der Flamme
   2.3 Das Schicksal eines Wachsmoleküls
   2.4 Schadstoffausstoß der Kerze

3 Literatur


Weihnachten – überall duftet es nach Lebkuchen und heißem Glühwein und täglich werden wir verzaubert von der Magie der Kerzen. Doch aus was besteht eine Kerze und was passiert wenn sie brennt?


Abb. 1: Brennende Kerze [4]


1 Die Kerzenrohprodukte

Die "Seele der Kerze" ist der Docht. Dieser muss dafür sorgen, dass sich ein Gleichgewicht zwischen der geschmolzenen und verbrannten Wachsmenge einstellt. Denn ist zu viel geschmolzenes Wachs vorhanden, so erlischt die Flamme, bei zu wenig geschmolzener Wachsmenge fängt die Kerze an zu rußen. An Fürstenhöfen mussten die Dochte regelmäßig vom "Wachsschneutzer" gekürzt werden, dass sie nicht zu rußen begannen. 1828 erfand Jules de Cambacérès den geflochtenen Baumwolldocht. Hier kann die Anzahl der Baumwollfäden dem Kerzendurchmesser angepasst werden, um eine optimale Verbrennung zu erreichen. Außerdem kommt es hier zu einer automatischen Dochtstutzung. Der Baumwollfaden krümmt sich ab einer gewissen Länge, tritt dadurch in die heißeste Flammenzone ein und verglüht dort.


Abb. 2: Automatische Dochtstutzung bei Baumwollfäden [5]

Außerdem wird der Docht heutzutage imprägniert:

  • Ammoniumsalze verhindern ein zu schnelles Abbrennen
  • Borsäure und Phosphate bilden eine Schmelzperle, welche das Abfallen von Ascheteilen ins flüssige Wachs und das Nachglühen der Dochtspitze nach dem Ausblasen verhindert

Der Kerzenkörper besteht aus Wachs. Dieses wird nicht chemisch definiert, sondern nach seinen physikalischen Eigenschaften:

  • durchscheinend bis opak
  • bei 20°C knetbar
  • > 40°C schmelzend
  • wenig viskos
  • unter leichtem Druck polierbar

Es gibt drei Kerzenwachse:

  • Bienenwachs  =  gesättigte, langkettige Ester + freie Säuren + Kohlenwasserstoffe

[Hier befand sich ein Bild von Bienenwachskerzen, welches aufgrund einer Verletzung des Urheberrechts entfernt wurde.]


Abb. 3: Kerzen aus Bienenwachs [6]

  • Stearin = gesättigte, langkettige Carbonsäuren

  • Paraffin  =  gesättigte, langkettige Kohlenwasserstoffe

2 Die brennende Kerze

2.1 Der Wärmefluss der brennenden Kerze

Die Kapillarkräfte saugen geschmolzenes Wachs in den Docht. An der Dochtoberfläche verdampft dieses und treibt nach oben, was eine Konvektionsströmung erzeugt. Diese kühlt zum Einen die Oberfläche des Kerzenkörpers und sorgt so dafür, dass der obere Kerzenrand nicht weg schmilzt, zum Anderen ist sie für die längliche Flammenform verantwortlich.

Brennt eine Kerze im schwerelosen Raum, gibt es zwar ebenfalls Kapillarkräfte die das Wachs nach oben saugen, aber es gibt keinen Auftrieb der heißen Flammengase und somit keine Konvektionsströmung.

Abb. 4: Flamme auf der Erde
(mit Konvektionsströmung) [7]

Abb. 5: Flamme im schwerelosen Raum
(ohne Konvektionsströmung) [8]

2.2 Die 4 Zonen der Flamme

Eine Flamme hat 4 Reaktionszonen:

  • die dunkle Zone 1
  • die blau-grün leuchtende Reaktionszone 2
  • die wenig leuchtende Reaktionszone 3 (Flammenoberfläche)
  • die hell leuchtenden Zone 4


Abb. 6: Die vier Zonen einer Flamme

2.3 Das Schicksal eines Wachsmoleküls

Zone Reaktion


Abb. 7 und 8: Zone 1

Direkt oberhalb des Dochtes verdampft das Wachs bei ca.
600°C (siehe Versuch).

Etwas weiter oben kommt es zur thermischen Spaltung der Wachsmoleküle (siehe unten).


Abb. 9: Reaktionszone 2 und 3

In den Reaktionszonen kommt es zu exothermen Oxidationsreaktionen (siehe unten).
(Das blaue Licht der Reaktionszonen wird in Zone 3 von der Zone 4 überstrahlt.)


Abb. 10: Zone 4

Glühen der großen Russteilchen, welche aus bis zu einer Millionen aneinander gelagerter Kohlenwasserstoffatome bestehen können, bei T = 1400°C.


Abb. 11: Reaktionszone 3 - oben

Oxidation der Russpartikel zu Kohlenstoffdioxid.

Versuch: Ableiten des Wachsdampfes

Ableiten des Wachsdampfes

Zeitbedarf                ca. 5 Minuten
Zeit Ableiten des Wachsdampfes aus der Flammenzone 1.
Materialien
  • Kerze
  • Zündhölzer
  • S-förmiges Glasrohr
Durchführung 1 Ein Ende des Glasrohres wird unmittelbar oberhalb des Dochtes gehalten.
Beobachtung 1 Nach kurzer Zeit ist weißer Rauch am Ende des Ableitungsrohres zu sehen und an den kälteren Teilen des Glasrohres bildet sich ein weißer Niederschlag.
Deutung 1 Der weiße Rauch enthält Wachsmoleküle, welche an den kälteren Teilen des Glasrohres kondensieren.
Durchführung 2 Nach einiger Zeit wird der weiße Rauch angezündet.
Beobachtung 2 Der weiße Rauch brennt.
Deutung 2 Bei einer Kerzenflamme brennt nicht der Docht, sondern der Wachsdampf.
Entsorgung Altglas, Restmüll
Quelle [1]

Thermische Spaltung der Wachsmoleküle:

Im ersten Schritt wird die C-C-Bindung unter Bildung von zwei Radikalen gespalten. Diese Kohlenwasserstoffradikale sind hochreaktiv. Kommt es nun zu einer Abspaltung von Wasserstoffatomen führt dies zu Olefinen. Eine Abspaltung von zum Beispiel Ethen führt zu kürzeren Radikalen. Insgesamt läuft ein Wirrwarr an Reaktionen ab, das zu einem Gemisch kleinerer, ungesättigter Kohlenwasserstoffe führt.

                                 

 

Exotherme Oxidationesreaktionen:

Die von innen kommenden pyrolytischen Abbauprodukte der Wachsmoleküle treffen auf den von außen heran diffundierenden Sauerstoff und es kommt zu stark exothermen Oxidationsreaktionen. Die dabei entstehenden Moleküle verraten ihre Existenz durch das blau-grüne Licht.

  • Violette Strahlung bei 432nm wird von elektronisch angeregten CH*-Molekülen abgestrahlt

  • Blau-grünes Licht im Bereich von 400nm - 500nm von elektronisch angeregten C2*-Molekülen

  • Weitere Lichtemission bei 315nm von elektronisch angeregten OH*-Radikalen

Alle angeregten Moleküle geben ihre überschüssige Energie spontan als Licht ab. Dies wird als Chemilumineszenz bezeichnet.

Innerhalb der Reaktionszonen 2 und 3 ist nicht Sauerstoff das Hauptoxidationsmittel, sondern OH-Radikale:


Man spricht von einer Reaktionskette, die der eigentliche Motor einer Kohlenwasserstoff-Flamme ist. Da die Konzentration an HO-Radikalen am äußeren Rand der Reaktionszone am größten ist, herrscht dort die höchste Temperatur von 1400°C.

Flamme im schwerelosen Raum:

Wie in Abb. 5 zu erkennen ist ist die Flamme im schwerelosen Raum nicht gelb. Dies liegt daran, dass durch die fehlende Konvektionsströmung die Temperatur der Flamme geringer ist und somit keine HO-Radikale und dadurch auch keine Russpartikel gebildet werden. Es sind nur die Lichtemissionen der angeregten C2*- und CH* -Moleküle vorhanden.

2.4 Schadstoffausstoß einer Kerze

Die Hauptprodukte beim Abbrennen von Kerzen sind CO2 und H2O, aber es entstehen auch andere Verbindungen. Aus diesem Grund hat der TÜV Rheinland die Luftkonzentration (ng/m3) nach Abbrand von 600g Kerzenmasse bzw. einer Zigarette auf Methanal, Acrylaldehyd und Benzo[a]pyren untersucht.

Substanz Bienenwachskerze Paraffinkerze Stearinkerze Zigarette
Methanal (CH2O) 56 170 44 600 000
Acrylaldehyd (C3H4O) 1,2 1,2 64 25 000
Benz[a]pyren (C20H12) 0,24 0,12 0,12 3 500

Die Untersuchung zeigt, dass "...von sachgerecht abbrennenden Kerzen [...] keine gesundheitliche Schädigung ausgeht." (TÜV Rheinland).


Zusammenfassung:

  • Kerzenrohprodukte: Baumwolle + Wachs (Bienenwachs, Stearin, Paraffin)

  • Wärmefluss durch Kapillarkräfte und Konvektionsströmung                                                  (verantwortlich für längliche Flammenform)

  • 4 Zonen in der Flamme: - dunkle Zone 1: Wachs verdampft
                                         - Reaktionszonen 2 u.3: exotherme Oxidationsreaktionen
                                         - helle Zone 4: Glühen der Russpartikel

  • Kerzengase sind nicht gesundheitsschädlich (laut TÜV)


3 Literatur:

  1. Roth, K.; Alle Jahre wieder: die Chemie der Weihnachtskerze, Chem. Unserer Zeit, 2003, 37, 424-429
  2. http://de.wikipedia.org/wiki/Kerze, (23.10.2009)
  3. http://www.eika.de, (23.10.2009)
  4. http://www.digicamfotos.de/index3.htm?http://www.digicamfotos.de/4images/details.php?image_id=2881, (21.07.2010, verschollen, 368 weitere Quellen)
  5. http://www.oldskoolman.de/bilder/plog-content/images/allerlei/feuer-licht-flammen/brennende-kerze.jpg, (21.07.2010, Lizenz: Public Domain, Autor: http://www.oldskoolman.de)
  6. http://www.bienenzuchtverein-bechen.de/Kurse/WachsUndWaben/wachsundwaben.html,  (23.07.2010)
  7. http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:Kerze_zonen.png&filetimestamp=20050602222251, (21.07.2010, Lizenz: GNU Free Documentation License, Autor: Anton)
  8. http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:Candlespace.jpg&filetimestamp=20060501042830, (21.07.2010, Lizenz: Public Domain, Urheber: NASA Marshall Space Flight Center (NASA-MSFC))

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