Faradays Kerze

Lehrstück und Ziel

Faradays Kerze ist ein Lehrstück der Lehrkunstdidaktik: An einer brennenden Kerze werden physikalische und chemische Vorgänge genetisch, also aus Beobachtungen und eigenen Fragen der Lernenden heraus, erschlossen. Zudem führt das Lehrstück in biologische Grundlagen, besonders in Ökologie und Stoffkreisläufe, ein. Es wurde ab Mitte der 1980er Jahre, angeregt durch Martin Wagenschein, entwickelt und lehnt sich an Michael Faradays Weihnachtsvorlesung Lectures on the Chemical History of a Candle von 1860 an.

Die heute verbreitete Inszenierung ist auf rund 20 Unterrichtsstunden angelegt. Sie folgt drei Sogfragen: „Was brennt eigentlich bei einer Kerze – das Wachs oder der Docht?“, „Was lässt die Kerze leuchten?“ und „Woher kommt die Kerze, wohin geht sie?“ Damit verbinden sich die physische, chemische und biologische Betrachtung. Eine ruhige Ouvertüre mit unterschiedlich weit abgebrannten Kerzen regt zunächst zum genauen Hinschauen an: Wie werden Kerzen gemacht, und was ist aus ihnen geworden, wenn sie abgebrannt sind? Erde, Wasser, Luft und „Licht“ stehen dabei symbolisch im Raum.

Faraday führte in seiner Vorlage etwa 100 Experimente in nur 6 Stunden vor, also etwa eines pro dreieinhalb Minuten. Das Lehrstück strafft diesen Rahmen, damit Beobachtung, eigene Versuche und gemeinsames Nachdenken möglich werden.

Physik der brennenden Kerze

Der Flammensprung zeigt, dass nicht der Docht allein brennt: Eine gerade ausgeblasene Kerze kann aus einigen Zentimetern Entfernung wieder angezündet werden, indem man die Flamme in den aufsteigenden Nebel hält. Brennbar ist dabei Wachsdampf. Wachs kommt somit fest, flüssig und gasförmig vor, also in allen klassischen Aggregatzuständen. Ein Baumwolldocht ohne Wachs glimmt dagegen nur schwach.

Erhitztes Wachs in einem Gefäß kann als „Flammenmeer“ entzündet werden. Der Docht hat die Aufgabe, flüssiges Wachs nach oben zu transportieren. Dies geschieht durch Kapillarkraft: Flüssigkeit steigt in feinen Zwischenräumen auf, ähnlich wie ein Kaffeefilter sich vollsaugt.

Die Flamme lässt sich mit einem knapp über dem Docht platzierten Drahtgitter untersuchen. Das Gitter trennt die Flamme; oberhalb kann der Wachsdampf erneut zu einer „tanzenden“ Flamme entzündet werden. Mit einem Glasröhrchen, das in das Innere der Flamme geführt wird, lässt sich am oberen Ende eine „Tochterflamme“ entzünden. Wachsdampf ist aber nur brennbar, wenn genügend Raumluft vorhanden ist. Deshalb kann eine Kerze auch ersticken.

Chemie: Ruß, Wasser und Kohlendioxid

Bei gestörter Verbrennung rußt eine Kerze schwarz, unabhängig von ihrer ursprünglichen Farbe. Der Ruß entsteht ringförmig im Flammenmantel, nicht im Flammenkern. Die gelbe Zone rußt, die blaue nicht. Eine Projektion der Flamme zeigt den Kern als durchsichtig, während der Mantel einen Schatten wirft. Beim Ausblasen wird der zuvor durchsichtige Wachsdampf zu weißem Wachsnebel.

Ein Bunsenbrenner leuchtet bei größerer Luft- und Sauerstoffzufuhr weniger hell, wird aber heißer. Werden Rußteilchen hineingeblasen, leuchtet er in den warmen Farben einer Kerzenflamme. Daraus folgt im Lehrstück: Brennender Ruß bewirkt das Leuchten der Kerze. Bei ungestörter Verbrennung verschwindet der Ruß jedoch wieder; er ist ein Zwischenprodukt.

Die Verbrennungsprodukte lassen sich nachweisen. Ein schräg über die Kerze gehaltenes Glas beschlägt. Wird die Luft über der Flamme abgesaugt und in einer Kühlfalle gesammelt, entsteht eine klare Flüssigkeit mit demselben Siedepunkt wie Wasser: hauptsächlich Wasser. Leitet man die Luft über der Flamme in Kalkwasser, wird dieses milchig trüb. Diese Trübung entsteht auch mit Atemluft und mit reinem Kohlendioxid, nicht merklich mit Raumluft. Die Flamme bildet also Kohlendioxid („Kohlenluft“) und Wasser.

Aus Wachs oder anderen „Feuerstoffen“ und Sauerstoff entsteht zunächst Ruß, schließlich Kohlendioxid und Wasser. Die Mengen verdeutlichen, dass Stoffe nicht verschwinden: Aus einer 80 g schweren Kerze entstehen als Zwischenprodukt 50 g Ruß und als Endprodukt 90 g Wasser(dampf). Die Endprodukte können schwerer sein als die Kerze, weil Sauerstoff aus der Luft beteiligt ist.

Biologische Kerze und Kreislauf

Die biologische Betrachtung knüpft daran an, dass bei der Verbrennung keine Stoffe verloren gehen, sondern neue Verbindungen entstehen. Menschen und Tiere geben ebenfalls Kohlendioxid ab. Würden nur solche Verbrennungen stattfinden, müsste sich die Zusammensetzung der Atmosphäre dauerhaft verändern. Daher wird nach gegenläufigen Vorgängen gefragt, die ein Gleichgewicht ermöglichen.

Der Pyrolyse steht die Photosynthese gegenüber. Pyrolyse bezeichnet hier die mit Verbrennung verbundene Umwandlung von Stoffen; Photosynthese ist die Umwandlung durch Grünpflanzen unter Beteiligung von Licht. Grünpflanzen nehmen Kohlendioxid auf und stehen damit im Kohlenstoffkreislauf den Verbrennungs- und Stoffwechselvorgängen gegenüber. Im Idealfall befinden sich Pyrolyse und Photosynthese in der Atmosphäre im Gleichgewicht; bei zu starker Störung durch Menschen besteht dieses Gleichgewicht nicht mehr.

Ein Versuch veranschaulicht die Rolle der Pflanzen: Eine Kerze brennt in einem Glas, in dem eine Pflanze einen Tag lang mit Wasser in der Sonne stand, ähnlich lang wie in einem Glas mit Frischluft, wenn auch nur wenige Sekunden. In einem Glas mit Kohlenluft erlischt sie sofort. Der Akt führt mit anschaulichen Materialien in Ökologie, Kohlenstoffkreislauf und die Rolle von Kohlenhydraten in der Ernährung ein. Dabei erhalten Erde, Wasser, Luft und Licht jeweils besondere Bedeutung.

Didaktischer Aufbau und Grenzen

Das Lehrstück orientiert sich an Wagenscheins Methoden-Trias „Genetisch–Sokratisch–Exemplarisch“. Genetisch bedeutet: Erkenntnisse werden aus Phänomenen, Fragen und Lösungswegen entwickelt, statt nur als fertiges Wissen mitgeteilt zu werden. Sokratisch meint ein behutsam moderiertes Gespräch, in dem die Lehrkraft den Erkenntnisprozess nicht einfach vorgibt. Exemplarisch bedeutet, dass am Beispiel der Kerze allgemeinere Einsichten gewonnen werden sollen, etwa was Modelle leisten und wo ihre Grenzen liegen.

Besonders wichtig ist ein Phänomen, über das Lernende „stolpern“, beispielsweise der Flammensprung. Sie sollen zwischen entdeckendem und technischem beziehungsweise erfindendem Denken unterscheiden: Die Kerze ist selbst eine Erfindung, die auf zuvor entdeckten elementaren Phänomenen beruht. Das dramaturgische Element soll Lernprozesse anstoßen, obwohl Beiträge einzelner Schülerinnen und Schüler nicht vorhersehbar sind.

Die Kerze ist nach Dirk Rohde nicht selbst ein Menschheitsthema; allenfalls die menschliche Nutzung des Feuers ist eines. Auch kann man nicht alle biologischen Umwandlungen aus ihr ableiten. Der ökologische Teil erweitert das Lehrstück jedoch um ein Schlüsselproblem im Sinn Wolfgang Klafkis: den Treibhauseffekt. Dabei soll Verantwortung für einen sorgfältigen Umgang mit Rohstoffen und für die Begrenzung unkontrollierter Kohlendioxidfreisetzung nicht durch einen bloßen Appell entstehen, sondern durch den nachvollziehbaren Nachweis eines Gleichgewichts zwischen Pyrolyse und Photosynthese.

Am Ende gestalten die Lernenden ein Denkbild, meist ein Plakat, das Beobachtungen und Erkenntnisse zusammenführt; auch Texte oder Gedichte können einbezogen werden.