Chemie und Physik einer Kerzenflamme einfach erklärt: Aufbau

Stell dir vor, du sitzt an einem gemütlichen Winterabend im Dunkeln und zündest eine Kerze an. Das warme, gelbe Licht erhellt sofort den Raum.

Aber hast du dich jemals gefragt, was da eigentlich genau brennt? Warum brennt der Faden (der Docht) nicht einfach in wenigen Sekunden ab? Und woher kommt überhaupt dieses typische gelbe Leuchten? Eine Kerzenflamme sieht zwar einfach aus, aber in ihr laufen faszinierende chemische und physikalische Prozesse ab. In diesem Artikel werden wir die Chemie und Physik einer Kerzenflamme wie echte Chemiker untersuchen und ihre Geheimnisse lüften.

Vorwissen

• Die drei Aggregatzustände: Stoffe können fest, flüssig oder gasförmig sein. Durch Erhitzen oder Abkühlen wechseln sie ihren Zustand.
  • Beispiel: Festes Eis schmilzt zu flüssigem Wasser. Wenn man das Wasser kocht, verdampft es zu gasförmigem Wasserdampf.

Aufgabentyp 1: Aufbau und Temperaturzonen einer Flamme

Wenn du die Chemie und Physik einer Kerzenflamme genau betrachtest, fällt dir auf, dass sie nicht überall gleich aussieht. Sie besteht aus verschiedenen Zonen. Direkt über dem Docht gibt es einen dunkleren, fast bläulichen Bereich. Darum herum liegt die große, hellgelbe Zone.

Diese Zonen sehen nicht nur unterschiedlich aus, sie sind auch unterschiedlich heiß. Am äußeren Rand der Flamme kommt besonders viel Sauerstoff aus der Luft an das Feuer. Dadurch verbrennt der Stoff dort sehr gut und es wird extrem heiß. Im Inneren der Flamme (im dunklen Kern) fehlt dieser Sauerstoff, weshalb es dort deutlich kühler ist.

Experiment: Das Mikado-Stäbchen

Ziel: Nachweisen, dass die Flamme außen heißer ist als innen.

Materialien: Eine Kerze, Streichhölzer, ein langes Holzstäbchen (z. B. ein Schaschlikspieß).

⚠️ Sicherheitshinweis: Haare zusammenbinden und aufpassen, dass keine brennbaren Gegenstände in der Nähe sind. Das Stäbchen kann Feuer fangen!

Durchführung:

1. Zünde die Kerze an und warte, bis sie ruhig brennt.

2. Halte das Holzstäbchen für etwa 3 Sekunden waagerecht durch den unteren Teil der Flamme (knapp über dem Docht).

3. Nimm das Stäbchen schnell heraus und puste es aus, falls es brennt.

Beobachtung: Das Holzstäbchen ist nicht in der Mitte verkohlt, sondern an zwei Stellen weiter außen. Es sieht ein bisschen aus wie ein Mikado-Stäbchen mit zwei schwarzen Ringen.

Erklärung: Die Mitte des Stäbchens befand sich im dunklen Kern der Flamme. Dort ist es kühler, weshalb das Holz nicht verbrennt. Die Ränder des Stäbchens waren in der äußeren Zone. Dort ist es sehr heiß, weshalb das Holz sofort verkohlt.

Aufgabentyp 2: Die Rolle des Dochts und das Kerzengas

Ein weiterer wichtiger Teil der Chemie und Physik einer Kerzenflamme ist der Brennstoff selbst. Oft denkt man, dass bei einer Kerze der Faden (der Docht) brennt. Aber wenn das so wäre, würde die Kerze in wenigen Sekunden abbrennen. In Wirklichkeit ist der Docht nur ein Transportmittel, ähnlich wie ein Strohhalm.

Wenn du eine Kerze anzündest, schmilzt die Hitze das feste Wachs. Es wird zu flüssigem Wachs. Der Docht saugt dieses flüssige Wachs nach oben in die Flamme. Dort ist es so extrem heiß, dass das flüssige Wachs verdampft. Es wird zu gasförmigem Wachs.

Das Wichtigste, was du dir merken musst: Weder das feste noch das flüssige Wachs brennen. Es brennt ausschließlich das gasförmige Wachs!

Experiment: Das brennende Gas

Ziel: Nachweisen, dass in der Kerze ein unsichtbares Gas brennt.

Materialien: Eine Kerze, ein dünnes, hohles Metall- oder Glasröhrchen, eine Tiegelzange, Streichhölzer.

⚠️ Sicherheitshinweis: Das Röhrchen wird sehr heiß! Unbedingt mit einer Zange festhalten.

Durchführung:

1. Halte das Metallröhrchen mit der Zange schräg in den dunklen, inneren Kern der Kerzenflamme (direkt über den Docht).

2. Warte ein paar Sekunden. Halte dann ein brennendes Streichholz an das obere, offene Ende des Röhrchens.

Beobachtung: Am oberen Ende des Röhrchens entzündet sich eine zweite, kleine Flamme.

Erklärung: Im dunklen Kern der Flamme befindet sich das gasförmige Wachs, das noch nicht verbrannt ist (weil dort Sauerstoff fehlt). Dieses Gas strömt durch das Röhrchen nach oben. Sobald es am anderen Ende herauskommt und auf Sauerstoff und das Streichholz trifft, fängt das Gas an zu brennen.

Aufgabentyp 3: Leuchtkraft und Kohlenstoffpartikel

Um die Chemie und Physik einer Kerzenflamme vollständig zu verstehen, müssen wir uns das Leuchten ansehen. Warum leuchtet die Kerze eigentlich so schön gelb? Wie wir bereits gelernt haben, kommt nicht überall in der Flamme genug Sauerstoff an. Im Inneren der Flamme verbrennt das Wachsgas daher nicht vollständig.

Bei dieser unvollständigen Verbrennung entstehen winzige, feste Kohlenstoffpartikel. Im Alltag nennen wir das einfach Ruß. Weil es in der Flamme so heiß ist, fangen diese winzigen Rußpartikel an zu glühen, ähnlich wie der heiße Draht in einem Toaster. Dieses Glühen der Kohlenstoffpartikel ist genau das, was wir als das gelbe Licht der Kerze sehen.

Experiment: Den Ruß einfangen

Ziel: Nachweisen, dass sich feste Kohlenstoffpartikel (Ruß) in der Flamme befinden.

Materialien: Eine Kerze, eine weiße Porzellanschale (oder ein feuerfestes Becherglas), eine Tiegelzange.

⚠️ Sicherheitshinweis: Die Schale wird heiß! Mit einer Zange festhalten.

Durchführung:

1. Halte die weiße Porzellanschale mit der Zange für wenige Sekunden direkt in die gelbe Spitze der Kerzenflamme.

2. Nimm die Schale heraus und betrachte die Unterseite.

Beobachtung: Auf der weißen Schale hat sich ein tiefschwarzer Fleck gebildet.

Erklärung: Die kalte Schale kühlt die Flamme schlagartig ab. Die glühenden Kohlenstoffpartikel hören auf zu glühen und setzen sich als schwarzer Ruß auf der Schale ab. Das beweist, dass das gelbe Licht tatsächlich von diesen festen Partikeln stammt.

Wichtige Erkenntnisse

• Temperaturzonen: Eine Kerzenflamme ist außen (wo viel Sauerstoff ist) deutlich heißer als im dunklen Kern.
• Gasförmiger Brennstoff: Der Docht transportiert nur das flüssige Wachs. Es brennt immer nur das verdampfte, gasförmige Wachs.
• Leuchtkraft: Das gelbe Licht entsteht durch winzige Kohlenstoffpartikel (Ruß), die in der Hitze der Flamme hell glühen.