Verbrennung: Voraussetzungen, Produkte und Löschen

Eine Kerze brennt nicht allein deshalb, weil Wachs da ist. Drei Dinge müssen gleichzeitig zusammenkommen. Das erste ist ein Brennstoff, zum Beispiel Holz, Papier oder Kerzenwachs. Das zweite ist Sauerstoff, meist aus der Luft. Das dritte ist genug Wärme. Am Anfang liefert zum Beispiel eine Flamme oder ein Funke diese Wärme.

Der Brennstoff muss mindestens seine Zündtemperatur erreichen. Diese Mindesttemperatur ist für jeden Stoff anders. Nach dem Anzünden gibt die Verbrennung selbst Wärme ab. Diese Wärme hält die Reaktion am Laufen. Die Verbrennung ist dann selbsterhaltend, solange Brennstoff und Sauerstoff vorhanden sind und nicht zu viel Wärme verloren geht.

Bei einer Kerze verbrennt nicht einfach der feste Wachsblock. Das Wachs schmilzt, steigt im Docht nach oben und verdampft an der heißen Dochtspitze. Erst der Wachsdampf reagiert als Gas mit Sauerstoff.

Bei einer Verbrennung entstehen neue Stoffe, die Produkte. Außerdem wird Energie frei, meist als Wärme und Licht. Reaktionen, die Wärme abgeben, heißen exotherm. Nicht jede Verbrennung hat aber eine sichtbare Flamme. Ein fester Stoff kann auch langsam und ohne Flamme glimmen.

Kohlenwasserstoffe sind Stoffe aus Kohlenstoff und Wasserstoff. Methan im Erdgas ist ein Beispiel. Verbrennen Kohlenwasserstoffe vollständig, entstehen Kohlenstoffdioxid und Wasser. Als Wortgleichung für Methan: Methan + Sauerstoff → Kohlenstoffdioxid + Wasser. Mit Formeln schreibt man diese Gleichung so:

\ce{CH4 + 2 O2 -> CO2 + 2 H2O}

So liest du die Formeln: Alle Stoffe bestehen aus winzigen Bausteinen, den Atomen. C steht für ein Kohlenstoffatom, H für ein Wasserstoffatom und O für ein Sauerstoffatom. Die kleine tiefgestellte Zahl zählt die Atome in einem Teilchen: \ce{CH4} ist ein Methanteilchen aus 1 C-Atom und 4 H-Atomen. Die große Zahl davor zählt die Teilchen: \ce{2 O2} sind zwei Sauerstoffteilchen mit je 2 O-Atomen.

Manchmal ist genau so viel Sauerstoff da, wie der Brennstoff zum vollständigen Verbrennen braucht. Dann bleibt kein Sauerstoff übrig. Dieses genau passende Verhältnis heißt stöchiometrisch. Etwas mehr Sauerstoff als nötig hilft oft, dass alles vollständig verbrennt. Sicher ist das aber nicht: Auch die Temperatur muss passen, und Brennstoff und Luft müssen sich gut mischen.

Ausblick für später: Chemiker nennen die Verbrennung eine Redoxreaktion. Dabei gibt der Brennstoff winzige, elektrisch geladene Teilchen ab, die Elektronen. Man sagt: Er wird oxidiert. Der Stoff, der die Verbrennung ermöglicht, meist Sauerstoff, nimmt die Elektronen auf. Man sagt: Er wird reduziert. Beide Vorgänge laufen immer zusammen ab.

Fehlt Sauerstoff oder sind Brennstoff und Sauerstoff schlecht gemischt, kann der Brennstoff unvollständig verbrennen. Bei Kohlenwasserstoffen können dann neben Wasser und Kohlenstoffdioxid auch Kohlenstoffmonoxid (CO), Ruß und unverbrannte Kohlenwasserstoffe entstehen. Welche Stoffe genau entstehen, hängt außerdem von Temperatur, Druck und Ablauf der Reaktion ab. Für eine unvollständige Verbrennung gibt es deshalb keine einzige Gleichung, die für alle Fälle gilt. Der Satz „Es entstehen nur CO und Wasser“ wäre falsch.

Kohlenstoffmonoxid ist farblos, geruchlos und äußerst giftig. Ruß besteht vor allem aus Kohlenstoff. Asche ist etwas anderes: Sie ist ein unbrennbarer Rest aus Mineralstoffen, der bei manchen Brennstoffen übrig bleibt, zum Beispiel bei Holz. Zu den Produkten eines reinen Kohlenwasserstoffs gehört sie nicht.

In der Technik gibt die Luftzahl λ (gesprochen „Lambda“) an, wie viel Luft ein Brenner tatsächlich bekommt, verglichen mit der Luft, die er mindestens braucht. Die Luftzahl beschreibt nur die Luftmenge. Temperatur und Mischung muss man trotzdem prüfen.

Verbrennung braucht direkten Kontakt zwischen Brennstoff und Sauerstoff. Eine große Oberfläche, feines Zerstäuben oder ein Brennstoff, der schon gasförmig ist, verbessern diesen Kontakt. Dadurch kann eine Reaktion viel schneller ablaufen. Auch ein Luftstrom wirkt: Frische Luft bringt neuen Sauerstoff an den Brennstoff. Beim Holzfeuer im Kamin sorgt der Kaminzug für diesen Nachschub.

Zum Löschen muss mindestens eine Ecke des Verbrennungsdreiecks wegfallen. Man kann den Brennstoff entfernen oder abtrennen. Dann bekommt die Reaktion keinen neuen brennbaren Stoff. Man kann die Sauerstoffzufuhr unterbrechen. Eine Löschdecke, geeigneter Schaum oder eine CO₂-Löschanlage können den Kontakt mit Sauerstoff begrenzen. Oder man kühlt unter die nötige Temperatur. Sinkt die Temperatur weit genug, kann sich die Reaktion nicht fortsetzen.

Kräftiges Zufächeln von Luft löscht ein Feuer normalerweise nicht. Frische Luft bringt mehr Sauerstoff heran und kann die Verbrennung sogar beschleunigen. Eine kleine Kerzenflamme kann man trotzdem auspusten. Der Luftstoß bläst den Wachsdampf, also den Brennstoff, vom Docht weg und kühlt die Flamme ab. Bei einem Holzfeuer mit heißer Glut klappt das nicht.

Welche Maßnahme sicher und geeignet ist, hängt vom Brennstoff und der Brandsituation ab. Bei einem echten Brand gilt: Abstand halten, andere warnen und die Feuerwehr über den Notruf 112 alarmieren. Unbekannte Brände bekämpfst du nicht durch eigene Versuche.