Chemie und "Edutainment" I

Feuer und Flamme

Viktor Obendrauf

Aus der Not zentraler Sparmaßnahmen wird eine dezentrale Tugend angekündigt: Österreichs Schulen und Pädagogische Akademien sollen sich gefälligst nach der vorgegebenen (finanziellen) Decke strecken und dafür mit autonomen Schwerpunktsetzungen "Profil" zeigen. Mit mehr Mut zur Lücke müssen schul- und standortbezoge personelle und materielle Ressourcen besser genutzt werden. Bei der Erstellung der Unterstufen- und Akademielehrpläne ist man gerade dabei, den pädagogischen Freiraum dafür zu schaffen. [1, 2 ]. Unterhaltsames Lernen soll dabei nicht zu kurz kommen. Von findigen Vordenkern wurde dafür auch schon ein Vokabel konstruiert: "Edutainment", eine entwaffnendes "Wortgeschöpf" aus education und entertainment.

Vieles von dem, was von einigen plakativ-visionären Unterrichtswissenschaftern mit neuen Vokabeln versehen als neue pädagogische Marschrichtung definiert wurde und wird, zeigt sich jedoch bei genauer Betrachtung im schulischen Alltag schon längst als (induitiv) etabliert.

Gerade im Fach Chemie hat das unterhaltsame "Aufatmenlassen" bei der - im Vergleich zu manch anderen Fächern naturgemäß doch recht mühsamen - Erarbeitung einer abstrakten Formelwelt lange Tradition: Attraktive Versuche helfen seit Jahrzehnten, so manche Durststrecke beim Erlernen schwierigerer chemischer Sachverhalte zu überwinden. Dabei sind nicht jene didaktisch ziemlich wertlosen, weil ohne Erklärung dargebotenen "Wunderversuche" gemeint, die der Chemie als Wissenschaft keinen guten Dienst erweisen [3]. Unmotivierte Geheimniskrämereien tragen eher zur Mystifizierung und nicht zur Versachlichung bei, obwohl es immer mehr Pädagogen gibt, die hin und wieder die kognitive Komponente gar nicht missen, wenn die affektive Wirkung des Dargebotenen entsprechend deutlich ausfällt.

 

knoff-hoff als Konkurrent

Was die affektive Wirkung eines (Demonstrations-) Experimentes betrifft, haben es heutzutage die ChemielehrerInnen angesichts der oft perfekt inszenierten multimedialen Attacken in der elektronischen Freizeitwelt ohnehin nicht immer leicht. Mit aufwendig gestalteten "knoff-hoff-Shows" und Spezialeffekten aus der Filmbranche kann und soll man sich aber ohnehin nicht messen. Zum Glück lebt das Schulexperiment heute nach wie vor davon, daß es eben nicht aus der (digitalen) "Konserve" kommt. Auch einfach zu demonstrierende Phänomene können deshalb noch beträchtliches Erstaunen auslösen, wenn die Art der "Verpackung" stimmt. Deshalb zählen naturwissenschaftliche Darbietungen mit "Showcharakter" selbst außerhalb des stundenplanmäßigen Unterrichts auch heute noch zu den besonderen Attraktionen bei Schulfesten und sogar bei honorigen Chemiker-Kongressen [4,5,6,7,8]. Optisch oder akustisch (!) eindrucksvolle Experimente werden deshalb auch dementsprechend ausführlich in diversen Experimentierbüchern beschrieben [9, 10, 11,12].

 

Berühmte Vorbilder

Die Quacksalber und "Zahnbrecher" auf den Jahrmärkten des 18. Jahrhunderts, die der Bevölkerung mit verschiedenen (Taschenspieler-)Tricks eine gesicherte medizinische Versorgung vorgaukelten, können heute selbstverständlich nicht als Vorbild gelten [13]. Für den naturwissenschaftlichen Unterricht ergiebig, unterhaltsam und für fachübergreifende Projekte geradezu wie geschaffen scheinen jedoch einige Bücher aus der gleichen Zeit, in denen die "wundersamen" Vorführungen dieser geschäftstüchtigen Marktschreier erstmals bereits genau erklärt und entmystifiziert wurden [13, 14].

Daß ein "zauberhaftes" Experiment nichts von seinem Reiz verliert, wenn man eine naturwissenschaftliche Erklärung dafür bereithält und umgekehrt naturwissenschaftliche Erkenntnisse mit reizvollen Experimenten leichter verständlich gemacht werden können, war vielen berühmten Naturwissenschaftern schon vor mehr als hundert Jahren völlig klar.

Bekannt geworden sind Michael Faradays legendäre "Lectures on the Chemical History of a Candle", die als "Weihnachtsvorlesungen" während der Weihnachtsferien von der Londoner Jugend gegen Eintritt im Dezember 1860 und Jänner 1861 besucht werden konnten [15].

Die populärwissenschaftlichen "Abendvorlesungen" eines Justus von Liebig, die von ihm ab 1853 zur "Natur der Flamme, über Sauerstoff, Wasserstoff, Kohlenstoff und Kohlensäure" angeboten wurden, waren bei der Münchner gebildeten Gesellschaft und vor allem bei den bildungswilligen Frauen so beliebt, daß die Darbietungen immer ausgebucht waren. Im April 1853 kam es im Rahmen einer derartigen Vorlesung zu einem gefährlichen Zwischenfall, bei dem es "statt des überraschenden, aber unschuldigen Lichtblitzes eine furchtbare Detonation gab, die unter heftigem Knall die Flasche zerschmetterte und die Trümmer weit umherschleuderte." Damals kommentierten die Zeitungen diese mißglückte Darbietung, bei der die Königin Therese, Prinz Luitpold und auch Liebig selbst verwundet wurden, als "unglücklichen Vorfall" [16]. Obwohl die Schlagzeilen heute wohl etwas anders ausfallen würden, hat sich im Rahmen bestmöglicher Sicherheitsvorkehrungen die Idee der "Christmas-Lectures" auf breiter Basis bis heute gehalten [17, 18].

Aus diesem Grund sollen in dieser Artikelserie bekannte und weniger bekannte, didaktisch verwertbare oder zumindest (chemie)-historisch relevante Experimente beschrieben werden. Alle Versuchsvorschriften wurden vom Verfasser dieses Beitrags in der beschriebenen Form vielfach erprobt bzw. teilweise in bezug auf Chemikalieneinsatz und Zeitbedarf optimiert. Zeitraubende, kostspielige, potentiell extrem toxische oder abfallträchtige Versuche wurden weggelassen, weil es genügend "lehrerfreundlichere" Beispiele gibt, die affektive mit der kognitiven Ebene zu verknüpfen. Trotz gewissenhafter Formulierung der Experimentieranleitungen kann unabhängig davon keine Verantwortung für die sichere Durchführung der Experimente übernommen werden. Im übrigen geht der Autor dieses Beitragsreihe davon aus, daß die Leser alle notwendigen Kenntnisse im Umgang mit potentiell gefährlichen Stoffen besitzen.

 

Versuch 1: Die springende Flamme

Dieses einfache Experiment könnte mit einer Wette beginnen: Es sei möglich, eine Kerze aus mehreren Zentimetern Entfernung mit einer zweiten (brennenden) Kerze zu entzünden, indem die Flamme einfach überspringt.

Material und Durchführung:

2 Christbaumkerzen; sehr gut bewährt haben sich 2 kleine Kerzen für Geburtstagstorten, Feuerzeug

Man zündet beide Kerzen an und läßt sie etliche Sekunden brennen, damit möglichst viel Wachs aufschmilzt und sich im nicht zu kurzen Docht hochsaugt. Nun bläst man eine Kerze möglichst rasch aus, sodaß die weißen Schwaden an verdampfendem Wachs gut sichtbar aufsteigen. Nun nähert man sich mit der Flamme der zweiten Kerze schnell von oben diesen Schwaden, bis sich die Dämpfe entzünden und die Flamme auf die andere Kerze überspringt. Bei gutem Timing springt die Flamme ca. 5 cm von oben nach unten.

Es kann so gezeigt werden, daß heiße Wachsdämpfe leicht entzündlich sind; überhitztes Kerzenwachs bei Bastelarbeiten hat so schon desöfteren zu Bränden geführt. Paraffin schmilzt je nach Zusammensetzung zwischen 50 - 90C, der Siedepunkt wird mit ca. 350C angegeben. Die Zündtemperatur beträgt etwa 300C.

 

Versuch 2: Feuriges Fingerschnippen

Dieser Trick wird manchmal von professionellen Feuerakrobaten dazu verwendet, um bloß durch Schnippen mit den Fingern kleine Lichtblitze zu erzeugen und damit z. B. Fackeln zu entzünden.

Material und Durchführung:

Roter Phosphor (trocken, R:11-16; S: 7-43.1), Kaliumchlorat (pulv., R: 9-20/22, S: 2-13-16-27)

Roter Phosphor kann bei schlechter Lagerung langsam zu hygroskopischem Tetraphosphordecaoxid oxidieren, sodaß der Phosphor mit der Zeit feucht wird. Es bildet sich Phosphorsäure, die mit Indikatorpapier leicht nachweisbar ist. Der Phosphor muß für den Versuch jedoch staubtrocken sein, andernfalls ist dieser als erstes auf folgende Weise zu trocknen: Man suspendiert den feuchten, aber wasserunlöslichen Phosphor in Wasser, filtriert und wäscht säurefrei. Den im Filter verbleibenden Roten Phosphor läßt man an der Luft trocknen und lagert ihn dann in einem gut verschließbaren Gefäß.

Zur Erzeugung eines kleinen Blitzes zwischen den Fingern deponiert man auf einer glatten Unterlage ein ca. 0,5 cm hohes Häufchen Kaliumchlorat und in einem sicheren Abstand davon Roten Phosphor in kleinen Portionen (ungefähr halb so groß wie der Kopf einer Stahlstecknadel). Nun feuchtet man einen Daumen ganz leicht (!) ein. Diesen Daumen, der nicht richtig naß sein darf, drückt man fest auf das Häufchen Kaliumchlorat, sodaß möglichst viel davon am Daumen hängenbleibt. Die Daumenfläche muß in einem Durchmesser von ca. 2 cm richtig weiß erscheinen. Ohne die aufgenommene Menge an Kaliumchlorat wieder zu verlieren, drückt man nun die (trockene!) Fingerkuppe des Mittelfingers auf eine vorbereitete kleine Portion trockenen Phosphor, sodaß dieser am Mittelfinger hängenbleibt. Nun preßt man den Mittelfinger mit dem breitgedrückten Phosphor fest auf das Kaliumchlorat am Daumen, sodaß die winzige Menge Phosphor möglichst in der Mitte des Oxidationsmittels zu liegen kommt. Bei fest zusammengepreßten Fingern werden diese in einer raschen Bewegung (ähnlich dem bekannten Fingerschnippen) gegeneinander gerieben. Bei richtiger Vorgangsweise entsteht ein kleiner Blitz (inklusive Knall), mit dem man eine Fackel (getränkt mit niedrigsiedenden Kohlenwasserstoffen, siehe weiter unten) oder auch einen Bunsenbrenner (Luftzufuhr ganz drosseln) effektvoll zünden kann.

12 Pn + 10 n KClO3 Æ 3 n P4O10 + 10 n KCl

Es kann gezeigt werden, daß heftige Reaktionen von Kaliumchlorat mit oxidierbaren Stoffen bereits durch Reibungswärme ausgelöst werden können. Die eindringlich aufzuzeigende unberechenbare Brisanz von Natriumchlorat/Staubzucker-Mischungen führt deshalb immer wieder zu schwersten Unfällen.

Sicherheitshinweise: Zu geringe Mengen an Kaliumchlorat bzw. zu große Portionen an Phosphor oder nasser Phosphor führen zu (vorerst) unvollständiger Umsetzung, sodaß der Phosphor mit Luftsauerstoff auf der Haut weiterbrennt und schwer heilende Brandwunden entstehen können. Außerdem ist damit zu rechnen, daß brennende Reste an Phosphor in einem hohen Bogen wegspritzen. Zum Publikum muß deshalb ein Sicherheitsabstand von mindestens drei Meter eingehalten werden. Der Experimentator hat unbedingt eine Schutzbrille zu tragen. Die Reaktion darf nur bei möglichst weit nach unten gehaltener Hand ausgelöst werden.

Überschüssiges Kaliumchlorat muß sorgfältig von der glatten Unterlage entfernt werden: Kaliumchlorat bildet mit vielen brennbaren Stoffen explosive Mischungen, ist gesundheitsschädlich beim Einatmen oder Verschlucken (Ausbildung von Methämoglobinie), darf nicht in die Hände von Kindern gelangen, ist von Nahrungsmitteln, Getränken und Futtermitteln bzw. Zündquellen fernzuhalten. Putzlappen mit auftrocknenden Chloratlösungen können sich entzünden. Nach dem Versuch müssen die Hände gut mit Seife gereinigt werden.

 

Versuch 3: Die flüssige Zündschnur

Auf einem feuerfesten Boden kann eine Flüssigkeitsspur gezogen werden, die nach dem Entzünden eine weiterwandernde Flammenfront bildet.

Material und Durchführung:

Aceton (R: 11, S: 9-16-23.2-33) Spritzflasche, Feuerzeug

Auf einem feuerfesten Boden wird mittels Spritzflasche eine Spur aus Aceton gezogen. Man nähert sich vorsichtig mit der Feuerzeugflamme von der Seite der Flüssigkeitsspur bevor diese auftrocknet (Siedetemperatur von Aceton: 56C). Vorsicht: Die am Boden weiterkriechenden Acetondämpfe entzünden sich bereits in einiger Entfernung von der sichtbaren Flüssigkeitsspur. Die Flamme breitet sich rasch entlang der gezogenen Aceton-Spur aus. Bei entsprechender Vorsicht und aus entsprechender Entfernung kann man die schon brennende Acetonspur mit Aceton aus der Spritzflasche verlängern. Die Explosionsgrenzen liegen bei 2,2 bis 12,8 Vol%, sodaß bei einer Aceton-Sättigungskonzentration in der Flasche von 533g/m3 ein Zurückschlagen der Flamme in die Spritzflasche nicht wahrscheinlich ist.

Es kann demonstriert werden, daß entzündliche Dämpfe von verschütteten brennbaren Flüssigkeiten am Boden entlangkriechen und zur unsichtbaren Gefahr werden können.

Sicherheitshinweise: Die Acetonspur darf nicht in die Nähe von brennbaren Materialien gezogen werden.

Versuch 4: Das brennende Tuch

"Daß ein Schnupftuch, oder jedes andere Tuch, brenne, und doch nicht verbrenne", siehe [16]. Ein alter Trick, der in praktisch allen "Zauberbüchern" beschrieben ist. Da die Quacksalber ihre Präparate sehr oft eingewickelt in ein Schnupftuch unters Volk brachten und umgekehrt auch im Schnupftuch eingewickelt das Geld dafür zugeworfen bekamen, spielten derartige Tücher auf den Jahrmärkten eine große Rolle.

Material und Durchführung:

Ethanol (50%ig, vergällt), Becherglas, Taschentuch oder Geschirrtuch (Baumwolle), Tiegelzange, Feuerzeug

Man tränkt ein Baumwolltuch ausgiebig in 50%igem Alkohol. Mittels Tiegelzange wird das Tuch über eine Feuerzeugflamme gehalten. Der Alkohol verbrennt, das Tuch bleibt aber erhalten. Die fast farblose Alkohol-Flamme wird als gelbe Flamme besser sichtbar, wenn man die 50%ige Alkohol-Lösung mit Kochsalz versetzt oder den Raum verdunkelt. Wenn man die Alkohol-Lösung mit toxikologisch relativ problemlosem Strontiumchlorid-Hexahydrat versetzt, färbt sich die Flamme des "brennenden Tuches" rot. Überschüssige Alkohol/Wasser-Mischungen werden selbstverständlich für eine spätere Verwendung aufbewahrt.

Es kann gezeigt werden, daß die Baumwollfasern vor einem Entzünden geschützt sind, weil das Wasser von den Fasern erst verdampfen muß, bevor diese Feuer fangen können. Oder wie es in dem "Zauberbuch" von 1745 erklärt wird: "Die einfältigen Leute, so die Kunst nicht wissen, werden nicht anderst meynen, das Schnup-Tuch seye nunmehro zu Zunder verbrennet, und sich dahero gewaltig verwundern, wann sie am Ende sehen werden, daß ungeachtet der Flamme das Wischtuch nicht das geringste versehret worden. Dann dieses ist die Eigenschafft des Brandtweins, daß er nicht so wohl eine sonst brünstige Materie, als vielmehr sich selbsten verzehret, so bald er nur angezündet wird."[13]

Sicherheitshinweise: Die fast farblose Alkohol-Flamme kann je nach Größe des Tuches ziemlich hoch brennen, sodaß sich keine brennbaren Gegenstände über dem brennenden Tuch befinden dürfen.

Anstelle des Ethanol/Wasser-Gemisches kann man nach [11] auch ein 2-Propanol/Wasser-Gemisch verwenden. Der Versuch gelingt damit noch eindrucksvoller, weil die Flamme nicht mehr so farblos erscheint und das Tuch noch weniger leicht angesengt wird.

 

 

Versuch 5: "Ein Stück Talglicht zu verzehren"

Für den Zuschauer entsteht der immer wieder verblüffende Eindruck, daß man in der Lage ist, eine brennende Kerze zu verspeisen.

Material und Durchführung:

Stangenmarzipan* Mandelsplitter, Feuerzeug

Aus einem Stück Stangenmarzipan modelliert man sich durch Auswalzen eine "Christbaumkerze". Als Docht wird ein möglichst langes Stück Mandelsplitter (abgepackt erhältlich in Lebensmittelmärkten) in den Kerzenstumpf aus Marzipan gedrückt.

Durch den hohen Mandelölgehalt im Mandelsplitter von bis zu 61% [19] entzündet sich der "Docht" und brennt mit rußender Flamme (Ölsäuregehalt 67-86%). Die brennende "Kerze" wird nun rasch in den Mund gesteckt, ohne daß der noch sehr heiße Docht Zunge oder Gaumen berühren darf (Verbrennungsgefahr!). Die Flamme im Mund verlischt sofort. Nach einigen Sekunden Wartezeit ist auch der "Docht" soweit abgekühlt, daß man die Kerze inklusive Mandelsplitter problemlos essen kann.

In diversen historischen Versuchsanleitungen wird anstelle von Marzipan auch das modellierte Fruchtfleisch eines geeigneten Apfels vorgeschlagen [16].

* Marzipan ist eine Mischung aus Marzipan-Rohmasse (aus Mandeln) und Staubzucker, manchmal unter Verwendung von Stärke-Sirup oder Sorbit (bis 5% als Feuchthaltemittel) bis zu einem Verhältnis von 1:1. Für höhere Marzipan-Güteklassen steigt der Rohmassenanteil bis 5:1 an (Königsberger Marzipan). Die Zusammensetzung und Herstellung der qualitätsbestimmenden Marzipan-Rohmasse richten sich nach dem Herkunftsland der süßen Mandeln u. dem Anteil an bitteren Mandeln. Zusammensetzung: Mindestens 28% Mandelöl, höchstens 17% Wasser, 35% Zucker [19].

 

Versuch 6: Flammenwerfer

Eine vergleichsweise harmlose Art eines "Simulationsexperimentes" zum Thema "Feuerspeien" (siehe unten) läßt sich auf einfache Art mit einem Wasser-Zerstäuber demonstrieren.

Material und Durchführung:

Pump-Zerstäuber (Füllvolumen für Wasser oder Pflanzenschutzmittel ca. 500 ml , Baumarktware), Lampenöl (Petroleum); Fackel, bestehend aus Cu-Rohr, ca. 40 cm Länge, Durchmesser 6 mm, das Ende auf eine Länge von ca. 4 bis 5 cm mit einem Stück langfasriger Watte fest (!) umwickelt.

Die auf dem Kupferrohr gut festgedrehte Watte wird mit Petroleum getränkt und entzündet. Man hält die brennende Fackel in einem kurzen Abstand vor die Düse des Pump-Zerstäubers und sprüht etwas Petroleum in die Flamme. Es entsteht eine beachtliche Stichflamme.

Mit diesem Experiment kann gezeigt werden, daß selbst hochsiedende Kohlenwasserstoff-Fraktionen (Siedebereich von Petroleum: 180-220C) bei entsprechend feiner Verteilung in Luft in einer Stichflamme verbrennen können.

Sicherheitshinweise:

Sicherheitsabstände einhalten! Kupferstab der Fackel nicht zu kurz wählen! Unverbrannte Sprühnebel nicht einatmen!

 

Versuch 7: Blendwerck/ die Hände im Feuer zu waschen/ ohne dieselben zu verbrennen

"Die Marck-Schreyer, Quacksalber und Bruch-Schneider, waschen öffters auf öffentlicher Gasse ihre Händ in Pech und Schwefel, und wollen dadurch den unwissenden Pöbel bethören, und glauben machen, es seye lediglich der Krafft ihres Brand-Balsams, oder ihrer Kühl-Salbe beyzumessen, wann sie ihre verletzten Hände innerhalb zwey biß drey Stunden wiederum geheilet aufweissen können..." [13]

Auf diese Art wird gegenwärtig kaum mehr Werbung für Brandsalben gemacht; anderseits sieht man heute noch Feuerakrobaten, die mit brennenden Fackeln über die nackte Haut streichen und dabei einen recht entspannten Eindruck erwecken.

Material und Durchführung: :

Cu-Rohr (Durchmesser 6mm, Länge ca. 40 cm), Verbandswatte (langfasrig)

Petroleumbenzin (Siedebereich bis 40C); zum Beispiel: Merck Nr. 915, Flammpunkt - 40C, Zündtemperatur 280C; R: 11 S:9-16-29; LC 50 inhal Rat 3400 ppm/4h; 1 Liter ca 300.- exkl. MWSt.

Das zu einem Stab zurechtgebogene und an den Enden zugequetschte Cu-Rohr wird an einem Ende auf eine Länge von ca. 5 cm sorgfältig mit etwas langfasriger Watte schlank umwickelt. Die Watte muß so festgedreht werden, daß sie sich vom Cu-Stab nicht mehr von selbst lösen kann. Nun taucht man diese Fackel in das Petroleumbenzin, läßt abtropfen, verschließt die Vorratsflasche und entzündet die getränkte Watte von unten (!) mit dem Feuerzeug oder wie in Versuch Nr. 2 beschrieben.

Mit dieser brennenden Fackel kann man von oben (!) langsam über den nackten Handrücken streichen, sodaß auf der Haut etwas Petroleumbenzin kurz brennend zurückbleibt, was jedoch keine Verbrennungen hervorruft, weil die Wärmeenergie großteils nach oben abgeführt wird.

Sicherheitshinweise:

(Haut-) Kontakte mit dem oberen, heißesten Teil der Flamme sind auf jeden Fall zu vermeiden.

Die Explosionsgrenzen von Petroleumbenzin, Siedebereich bis 40C (drei isomere C5-Alkane) liegen an der Luft zwischen 1,4 und 8 Vol%. (Vorratsflasche immer gut schließen, Flasche an einem gut belüfteten Ort aufbewahren!). Bei wiederholtem Tränken der Fackeln muß darauf geachtet werden, daß die Watte nicht mehr glimmt, wenn diese in die Flasche mit Petroleumbenzin getaucht wird. Bereits angekohlte Watte muß erneuert werden.

Das Einatmen der Petroleumbenzin-Dämpfe soll vermieden werden, obwohl im Petroleumbenzin mit einem Siedebereich bis 40C hauptsächlich Pentan und seine Isomere und nicht das als toxikologisch besonders kritisch beschriebene Hexan (Siedetemperatur 68C) enthalten ist. Das von professionellen Feuerschluckern für diese Darbietung und auch zum Feuerschlucken vorgeschlagene Reinigungsbenzin enthält nicht definierte Mengen an Hexan.(siehe weiter unten).

Mischungen von unbrennbaren chlorierten Kohlenwasserstoffen (z. B. Tetrachlormethan mit entsprechender großer Verdampfungsenthalpie) und brennbarem Schwefelkohlenstoff wie dies in älteren Experimentierbüchern noch vorgeschlagen wird, dürfen aus toxikologischen Gründen für diesen Versuch nicht mehr verwendet werden (siehe [11], Vol 1, p. 14).

Versuch 8: Kunst, Feuer zu fressen

"Dieses ist eine rare Kunst, und noch wenigen bekannt. Solche aber zu bewerckstelligen, nimm ein Stuck Arabischen Gummi, beschmiere damit deine Zähne, Leffzen, Gaumen, Zunge, ja deinen gantzen Mund, thue alsdann ein Licht oder Kohlen in den Mund, so wird es dir keinen Schaden thun, und du das Feuer also verschlucken können..." [13].

Die zitierte Vorgangsweise ist heutzutage eher unüblich: Fortschrittlichere Feuerschlucker verwenden hauptsächlich niedrigsiedendes Reinigungsbenzin, mit dem geeignete Fackeln (siehe oben) getränkt werden. Der entscheidende Unterschied zwischen Feuerschlucken und Feuerspeien ist somit bereits im verwendeten Brennstoff zu suchen [20, 21].

Um schmerzhafte Folgen zu vermeiden, wird an dieser Stelle ausdrücklich darauf hingewiesen, daß angehende Feuerkünstler in der Kollegenschaft sich nicht mit den folgenden Beschreibungen und Hinweisen begnügen, sondern diese Techniken ausschließlich unter sachkundiger Aufsicht erlernen sollten.

Aus toxikologischen Gründen scheint es empfehlenswert, anstelle des von Profis meist benützten, überall erhältlichen Reinigungsbenzins das auch in Versuch 7 eingesetzte (praktisch hexanfreie) Petroleumbenzin, Siedebereich bis 40 C zu verwenden.

Material und Durchführung:

Cu-Rohr (Durchmesser 6mm, Länge ca. 40 cm) Verbandswatte (langfasrig), Petroleumbenzin (Siedebereich bis 40C), Feuerzeug

Die Fackel wird wie in Versuch 7 beschrieben hergestellt. Man tränkt die Fackel mit dem Petroleumbenzin (Siedebereich bis 40C), läßt etwas abtropfen und verschließt das Vorratsgefäß. Nach dem Entzünden der getränkten Watte senkt man die Fackel bei weit zurückgelegtem Kopf zügig von oben so weit in den geöffneten Mund, bis die Lippen das blanke Kupferrohr rasch und dicht umschließen können. Nach der Devise: "Ohne Sauerstoff keine Verbrennung" ist der Mund einige Sekunden geschlossen zu halten. Wenn man den Mund zu früh öffnet, brennt die Fackel im Mund wieder auf.

Diese aus dem Mund lodernde Flamme kann systematisch (nur im fortgeschrittenen Übungsstadium!) dazu verwendet werden, eine zweite Fackel zu entzünden, wenn man die erste Fackel so rasch aus dem Mund zieht, daß sie nicht mehr weiterbrennt und dafür die bereits bereitgehaltene zweiten Fackel in die Nähe der Flamme bringt.

Sicherheitshinweise:

Geübt werden sollte das Feuerschlucken zuerst nur unter fachkundiger Aufsicht. Zur Automatisierung des Bewegungsablaufes empfiehlt es sich, das Absenken der Fackel bei zurückgelegtem Kopf und das Schließen des Mundes zuerst ohne Feuer zu trainieren. Die richtige Kopfhaltung, ein zügiger Bewegungsablauf und die auftrocknende Feuchtigkeit im Mund schützen vor Verbrennungen. Bei richtiger Vorgangsweise wird es im Mund nicht einmal richtig warm. Ein Ausatmen beim Absenken der Fackel oder gar ein Ausblasen der Flamme ist nicht notwendig. Umgekehrt muß ein Einatmen in diesem Moment auf jeden Fall unterbleiben. Zur Toxikologie von KW-Dämpfen s. u. und auch Versuch 7.

Um das Kupferrohr sicher mit den Lippen umschließen zu können, darf die Watte nur die letzten 4-5 cm des Kupferrohres bedecken. Bei professionell hergestellten Fackeln wird anstelle der nach kurzer Zeit verkohlenden Watte nicht brennbares Fasermaterial (früher Asbest!) verwendet.

Bei wiederholtem Tränken der Fackeln muß darauf geachtet werden, daß die Watte nicht mehr glimmt, wenn diese in die Flasche mit Petroleumbenzin getaucht wird. Bereits angekohlte Watte muß erneuert werden.

 

Versuch 9: Kunst, Feuer auszuspeyen

Da gerade das Feuerspeien zu den bekanntesten und spektakulärsten Kunststücken mit offenem Feuer zählt und weil sowohl die Verwendung geeigneter Chemikalien als auch die entsprechende Technik einiges an Bemerkungen zum Thema Kohlenwasserstoffe zulassen, soll dieses wirklich gefährliche Spiel mit den Flammen in diesem Beitrag nicht ausgespart werden.

Wenn man sich die graphische Darstellung in dem "Zauberbuch" aus dem Jahr 1745 [13] genauer ansieht, dürften damals schon zwei Varianten des Feuerspeiens bekannt gewesen sein. Der zur Zeichnung gehörige Text lautet folgendermaßen:

"Nimm einen Flachs, ziehe ein Trum daraus, als wann du spinnen woltest, doch ungedrähet, wickle es fest zusammen auf ein rundes Knäulein, ungefähr in der Größe einer Mußqueten-Kugel, stecke es an ein Gäbelein, halte es über ein angezündetes Licht, drähe es öffters herum, lasse es auch wohl ausbrennen, und zwar so lange, biß du vermeinest, daß es gantz durchaus gebrennet, und entzündet, lege es also in einen ausgebreiteten Flachs, wickle es ganz darein, daß der Flachs aber nicht größer, als du ihn in das Maul schieben könnest, schiebe ihn also in den Sack, biß du Feuer wilst ausspeyen, alsdann stecks in den Mund, blase starck darein, so wird das glimmende Kügelchen den Flachs entzünden, und du Funcken von dir ausblasen können, welche so starck, daß sich Schieß-Pulver davon entzündet."

Der Verfasser dieses Beitrags hat die beschriebene Variante des "Funkenspeiens" unter Verwendung von handelsüblichem Flachs (zum Abdichten von Wasserleitungsverschraubungen) mit mäßigem Erfolg auch ausprobiert. Im Prinzip funktioniert die obige Vorgangsweise. Die präparierte Flachskugel verhält sich im Hosensack tatsächlich zumindest eine Zeitlang unauffällig und es sprühen tatsächlich Funken aus dem Mund, doch wird die "ins Maul geschobene Flachskugel" bald rundum so heiß, daß wohl zusätzliche Maßnahmen notwendig wären, um heutige Schmerztoleranzgrenzen einhalten zu können...

Gänzlich anders entstehen "Feuerfontänen" mit brennbaren Flüssigkeiten, die aus dem Mund zerstäubt werden (siehe Graphik). Die Feuerspeier der Gegenwart zerstäuben unter kräftigem Ausatmen hochsiedende Kohlenwasserstoffe (in der Regel möglichst gereinigtes Petroleum) und entzünden dieses vor dem Mund, sodaß Stichflammen entstehen.

Material:

Fackel von Versuch 7 u. 8,

Variante I: Gesättigte Lösung von Glucose und Kochsalz in 85%igem Ethanol (nach G. Probeck vom Deutschen Museum in München. [4]) Die zitierte Mischung aus Ethanol mit entsprechenden Mengen an Glucose zur Abschwächung des scharfen Alkoholgeschmacks und Kochsalz zur Gelbfärbung der sonst fast farblosen Alkohol-Flamme ist zwar toxikologisch unbedenklich; es bildet sich aber nicht die charakteristisch "satte" Feuerfontäne, wie sie von Professionisten bekannt ist.

Variante II: "Pyrofluid" (hochgereinigtes Petroleum mit Lebensmittelaroma versetzt, Aromatengehalt max. 0,4%) [20]. Das eigens im Fachhandel zum Feuerspeien angebotene und z. B. in österreichischen Opernhäusern auch verwendete, relativ teure "Pyrofluid" enthält noch immer toxikologisch relevante Mengen an Aromaten. Außerdem führt das zugesetzte Lebensmittelaroma (Pfefferminzgeschmack) zu längeren Verweilzeiten des Produktes im Mund, was das gesundheitliche Risiko (vor allem beim Verschlucken, siehe weiter unten) nicht gerade verkleinert.

Variante III: Petroleum p.A. (Siedebereich 180-220C, Aromatengehalt max. 0,2%, Merck-Nr. 9718). Dieses Petroleum p. A. hat zwar einen garantierten Aromatengehalt von weniger als 0,2%, "schmeckt" aber genauso unangenehm, wie sogenanntes geruchloses, ungefärbtes (!) Lampenöl (mit nicht spezifiziertem Gehalt an Aromaten), das in Baumärkten angeboten wird und das häufig auch zum Feuerspeien verwendet wird.

Variante IV: Frisch emulgiertes Gemisch (1:1) aus Paraffin dünnflüssig (Paraffinum perliquidum, Vaselinöl, DAB Merck Nr. 7174) und handelsüblicher Rum (80%ig). Mit diesem eigenen "Rezept": machte der Verfasser dieses Beitrags persönlich die besten Erfahrungen: Man mischt gleiche Volumsteile Inländerrum (80%ig) mit Paraffin dünnflüssig (Vaselinöl, DAB-Qualität) in einer 100 ml PE-Flasche und emulgiert durch kräftiges Schütteln. Das Gemisch enthält praktisch keine polycyclischen und krebserregenden Aromaten, liefert bei entsprechender Emulgierung eine spekakuläre, geräuschvolle Stichflamme und ist geschmacklich auch einigermaßen erträglich. Durch die gänzlich unterschiedlichen Siedetemperaturen der Komponenten brennt die Fackel mit der Mischung sehr unruhig. Sollte das störend sein, tränkt man die Fackel am besten mit Petroleumbenzin (siehe Feuerschlucken) und verwendet die Rum/Paraffinöl-Emulsion nur zur Erzeugung der Feuerfontäne.

Durchführung:

Man nimmt einige wenige Milliliter von einer der genannten Flüssigkeiten in den vorderen Bereich des Mundes, holt durch die Nase tief Luft und sprüht die Flüssigkeit mit viel Ausatemluft und "gespitztem Mund" gegen eine brennende Fackel die man in einem Abstand von ca. 20 - 30 cm vor das Gesicht hält. (Herstellung der Fackeln: s. Versuche 7, 8). Gegen ein etwaiges Zurückschlagen der Flamme schützt man sich mit einem nassen Handtuch, das man (über die Schulter gelegt) bereithält. Das Zerstäuben (Versprühen!) der Flüssigkeit sollte zuerst (natürlich wieder unter sachkundiger Anleitung) mit Wasser geübt werden.

Sicherheitshinweise:

Das Feuerspeien darf nicht wie das Feuerschlucken mit niedrigsiedenden Kohlenwasserstoffen praktiziert werden! Das Inhalieren oder Verschlucken von Petroleum bzw. Lampenöl ist unter allen Umständen zu vermeiden! Die Feuer-Fontäne darf nicht auf brennbare Einrichtungsgegenstände gerichtet sein. Im Freien müssen besonders die Windverhältnisse und die Windrichtung beachtet werden. Schon ein schwacher Wind kann schwere Zwischenfälle nach sich ziehen!

 

Zur Pharmakokinetik von gesättigten Kohlenwasserstoffen

Gesättigte Kohlenwasserstoffe werden beim Verschlucken bis zur C-Anzahl 12 leicht, mit zunehmender Viskosität immer schwerer resorbiert; flüssiges Paraffin mit einer Kettenlänge von mehr als 16 C-Atomen ist nicht mehr resorbierbar. Entsprechend des lipophilen Charakters verteilen sich die KW vorwiegend im Fettgewebe. Die Ausscheidung erfolgt überwiegend unverändert über die Lunge, wobei der Dampfdruck eine entscheidende Rolle spielt. Es spielt auch die Aufnahmeart und Aufnahmezeit (bei Inhalation) eine entscheidende Rolle. Je höher die Sättigung des Fettgewebes, desto langsamer verläuft die Abatmung. Die Eliminationscharakteristik ergibt meist einen dreiphasigen Verlauf: die mittlere Halbwertszeit beträgt z. B. bei oraler Aufnahme subletaler Dosen für Hexan 10 min; Heptan 12 min, Octan 15 min.

Bis vor wenigen Jahren nahm man an, daß "aliphatische Kohlenwasserstoffe" biochemisch inert sind und den Organismus unverändert verlassen. In letzter Zeit konnte aber gezeigt werden, daß n-Hexan in einem nicht unbeträchtlichen Ausmaß von Monooxygenasen hydroxyliert werden kann und zwar bevorzugt in 2-Stellung unter Bildung von 2-Hexanol, weiter 2-Hexanon, weiter 2,5-Hexandion (neurotoxisch wirksamer Metabolit). Diese Bioaktivierung ist bedeutsam für das Auftreten neurotoxischer Wirkungen: Die Einwirkung von Hexan-Dämpfen führt zu Schwindel, Kopfschmerzen, Reizung der Augen und der Luftröhre, Übelkeit u. Erbrechen, bei Konzentrationen ab 500 ppm ist bereits mit ersten narkotischen Symptomen zu rechnen. Bei chronischer Exposition kommt es zu Nervenschädigungen, z.B. Lähmungen an den Extremitäten. Der MAK-Wert beträgt 50 ppm. Dem n-Hexan konnte auch das Entstehen einer degenerativen Nervenerkrankung zugeordnet werden: eine periphere Polyneuropathie, die klinisch und tierexperimentell der durch Triarylphosphate erzeugten ähnelt. Dieses Krankheitsbild tritt bei gewerblicher Exponierung gegenüber n-Hexan, aber auch gegenüber 2-Hexanon auf.

Die auffälligste Symtomatik bei akuten KW-Vergiftungen ist die narkotische Wirkung. Bei Überschreiten des Rauschstadiums stellen sich starke nervöse Erregungszustände und sogar tonisch-klonische Krämpfe ein.

Nach oraler Aufnahme kann durch Magenschleimhautreizung starkes Erbrechen auftreten, wenn dabei Benzintröpfchen in die Bronchien transportiert werden, kann als schwere Spätkomplikation eine "Benzinpneumonie" auftreten. Die Ursache ist offenbar eine schwere Gefäßschädigung, die auch schon bei kurzfristiger Inhalation höchster Dampfkonzentrationen auftreten kann (Lungenödem), schwerere Leberschädigungen gehören dagegen nicht zur Symptomatik einer Benzinvergiftung. Die tödliche Dosis für Leichtbenzin wird mit 5-10 mg/kg angegeben. Die Therapie beschränkt sich auf symptomatische Maßnahmen.

Als charakteristische Symptomatik bei chronischen KW-Vergiftungen z. B. durch "glue sniffing" wird die "Benzinsucht beschrieben. Neben Lungenaffektionen gibt es uncharakteristische psychiatrische Zustandsbilder: Depressionen, Delirien, Gedächtnisschwund, Verfall der Persönlichkeit [23]

Paraffinöl dünnflüssig (DAB-Qualität) ist farb-, geruch- und geschmacklos. Es wird unter anderem in Form einer Menthol-Paraffinlösung für Nasenöle verwendet und gilt als toxikologisch wenig bedenklich. Nur jahrelang gegen Nasenschleimhautschwellungen in die Nase geträufelt und so in Spuren ständig in die Lunge transportiert, führte Paraffinöl durch Fremdkörperreizung zu Pneumonien und zu chronisch verlaufenden Veränderungen der Lunge, fortschreitender Bindegewebswucherung und Schwielenbildung (Lungenzirrhose) [22, 23].

 

Versuch 10: Feuriges Eisen

Goldschmidt hat um 1894 ein Verfahren entwickelt, mit dem durch die freigesetzte Bildungsenthalpie von Aluminiumoxid sehr hohe Temperaturen erreichbar sind bzw. schwer isolierbare Metalle wie Chrom, Mangan, Titan, Vanadium, Niob, Tantal gewonnen werden können. Mischt man schwer reduzierbare Metalloxide (z.B. Eisen-, Chrom- u. Manganoxid) mit Aluminiumgrieß und entzündet die Gemische in feuerfesten Tiegeln mit speziellen Zündmitteln, so steigt die Temperatur auf hellste Weißglut. Am Boden des Tiegels erhält man die geschmolzenen, reinen Metalle, während das Aluminiumoxid als leichte, graue Schlacke aufschwimmt.

Mischt man 2 Mol Aluminiumgrieß (54 g) mit 1Mol pulverisiertem Eisenoxid (Fe2O3) (160 g), so erhält man Thermit®, das sich nach Entzündung mit Zündstäben in wenigen Sekunden auf etwa 2400 erhitzt. Das dabei nach der Gleichung: 2 Al + Fe2O3 Æ Al2O3 + 2 Fe entstehende flüssige Eisen dient u.a. zum Verschweißen von Bahnschienen [19].

Material und Durchführung:

Handelsübliches Thermitgemisch, Zündstäbe (siehe Inserat in dieser Ausgabe), kleiner Blumentopf aus Ton (Höhe ca. 8-10 cm), Aluminiumblech oder Münze zum Verschließen des Lochs im Blumentopf, Stativ mit Stativring zum Haltern des Blumentopfs, 1 großer Blechkübel gefüllt mit Sand, Bunsenbrenner

Nachdem man das Loch im Blumentopf mit einem Stück Al-Blech (oder einer Al-Münze) verschlossen hat, beschickt man den Topf ca. 2-4 cm hoch mit der Thermitmischung. Der Blumentopf wird mittels Stativ und Stativring über dem großen Blechbehälter (gefüllt mit Sand) positioniert. Damit der Topf, der mitunter bei der heftigen Reaktion, springt nicht in den Sandkübel fallen kann, muß für eine sichere Befestigung (Aufsetzen auf kleinen Eisenring, Haltern in größeren Stativring) gesorgt werden.

Mittels Bunsenbrenner wird das Zündstäbchen (ähnlich einer Wunderkerze) entzündet. Das brennende Zündstäbchen steckt man senkrecht in das Thermitgemisch und tritt einige Schritte zurück. Nach kuzrer Zeit fließt das flüssige Eisen durch das entstandene Loch (geschmolzenes Alu-Blättchen) in den Sandbehälter.

Sicherheitshinweise:

Keine größeren Mengen an Thermit verwenden! Der Sand muß trocken sein (Wasserstoffbildung mit Feuchtigkeit!). Damit sich das flüssige Eisen in der Mitte des Topfes sammeln kann, muß in den Sand eine kleine Vertiefung gemacht werden. Es darf nicht zuwenig Sand im Kübel sein. Schutzbrille tragen! Sicherheitsabstände einhalten! Das Zündstäbchen ist so nach unten zu halten, daß wegspritzende Funken die Hand nicht erreichen (Verbrennungsgefahr!).

Selbst zubereitete Zündmischungen (Ba-Peroxid/Mg-Pulver), die erst mittels Mg-Band gezündet werden müssen, sind viel unsicherer zu handhaben, als die handelsüblichen und auch kostengünstigen Zündstäbchen (siehe Inserat in dieser Zeitschrift).

 

 

[1] Lehrplan an der Pädagogischen Akademie (Ministeriums-Entwurf, Stand 7. 11. 1996)

[2] Weißbuch zum Lehrplan 99 (Ministeriums-Entwurf, Stand September 1996)

[3] H.-J. BADER : Das Experiment im Chemieunterricht. In: P. Pfeifer, K. Häusler, B. Lutz (Hrsg.): Konkrete Fachdidaktik Chemie, Oldenburg Verlag GmbH München, 1992, 298

[4] H. ZECHMANN, "Chemie-Show" in Chem. Sch. (Salzbg). 1/90 S. 13

[5] R. BENTZINGER, A. WAGNER; "Gedanken zu einer Chemie-Physik-Show", PdN-Ch-4/42Jg. 1993 S. 34

[6] Z. ZANDER: "Graf Kunibert und Ottilie, chemische Uhren, das Märchen vom Fischer und seiner Frau und andere Geschichten" in PdN-Ch. 5/43 Jg 1994

[7] R. LEMKE: "Hokus Pokus", PdN-Ch. 6/45.Jg. 1996 S. 41 ff

[8] H. W. ROESKY: Experimentalvortrag beim Lehrerkongreß 96 - Chemie im Dialog, Veranstaltung des VCI und der GDCh, 26. November 1996, Frankfurt

[9] G. WAGNER: Chemie in faszinierenden Experimenten, Aulis-Verlag Deubner &Co KG, Köln

[10] K. HÄUSLER, H. RAMPF, R. REICHELT: Experimente für den Chemieunterricht, Oldenburg Verlag GmbH, München 1991, 333 ff

[11] B. Z. SHAKHASHIRI: Chemical Demonstrations, A Handbook for Teachers of Chemistry, Vol 1-4, The University of Wisconsin Press, Madison, Wisconsin, 1985

[12] H. W. RÖESKY, K. MÖCKEL: Chemische Kabinettstücke 1. korrigierter Nachdruck der 1. Auflage 1994, VCH Weinheim, 1996

[13] Natürliches Zauber-Buch Oder: Neu-eröffneter Spielplatz rarer Künste, Nürnberg 1745, Faksimile-Druck aus dem Original von 1745, Antiqua-Verlag, Lindau, 1978

[14[ Briefe über die natürliche Magie an Sir Walter Scott von David Brewster, Berlin 1833, Faksimile-Druck aus dem Original von 1833, VCH, Weinheim, 1984

[15] M. FARADAY: Naturgeschichte einer Kerze, Didaktischer Dienst Franzbecker, Reihe reprinta historica didactica; 2. Aufl., 1980

[16] O. KRÄTZ: Historische chemische Versuche, eingebettet in den Hintergrund von 3 Jahrhunderten, Aulis-Verlag Deubner &Co KG, Köln 1987

[17] B. Z. SHAKHASHIRI: Christmas-Lectures (Videos), Informationen: Internet-URL: http://scifun.chem.wisc.edu/xmasvid.html

[18] L. PECK: "Chemistry Road Show", Informationen:Internet-URL: http://joy.tamu.edu/roadshow/chemroad.html

[19] Römpp Chemie Lexikon, 9. Aufl. (Hrsg: J. Fale, M. Regitz), Thieme, Stuttgart 1995

[20] Fireeating in "Juggling Information Service": Internet-URL: http://www.juggling.org/jis/

[21] W. WITT: Taschenspielertricks, 2. Auflage, Heinrich Hugendubel Verlag München 1988

[22] W. WIRTH, CH. GLOXHUBER: Toxikologie, Georg Thieme Verlag Stuttgart New York 1985

[23] W. FORTH, D.HENSCHLER, W. RUMMEL, K.STARKE (Hrsg): Allgemeine und spezielle Pharmakologie und Toxikologie, Wissenschaftsverlag Mannheim/Leipzig/Wien/Zürich, 6. Auflage 1992

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