4. Zusammensetzung der Luft

Wenn man Holz verbrennt, dann entstehen aus dem Ausgangsmaterial viele neue Stoffe: Während des Verbrennungsvorganges kann man weiße Dämpfe beobachten, es bilden sich folglich Gase. Man kann auch braun-schwarzen Rauch beobachten, es bilden sich also auch leichte winzige Feststoffteilchen. Nach dem Verbrennen bleibt eine geringe Menge Asche übrig. Bläst man in die Holzkohle, so verläuft die Verbrennung schneller.
Ähnliche Beobachtungen kann man beim Verbrennen in der Luft von anderen Brennstoffen wie Kohle, Benzin oder Wachs anstellen.
In der Luft ist also ein Stoff enthalten, der die Verbrennung unterhält.

Versuch 1: Verbrennen von Phosphor unter einer Glasglocke.

Der Phosphor kann leicht mit einem am unteren Ende erhitzten Eisenstab zum Brennen gebracht werden. Sobald der Phosphor brennt, wird die Glasglocke wieder mit dem Gummistopfen sorgfältig hermetisch verschlossen.

Beobachtungen:
Nach der Berührung des Phosphors mit dem Eisenstab, beginnt der Phosphor sofort und schnell unter Bildung von weißem Rauch zu verbrennen.

Auch nach dem schnellen und sorgfältigen Verschliessen der Glasglocke brennt der Phosphor zunächst weiter. Nach einer kurzen Zeit jedoch erlöschen die Flammen plötzlich. Der weiße Rauch, welcher bei der Verbrennung gebildet wurde, löst sich langsam im Wasser auf. Der Wasserspiegel in der Glocke ist von Marke 5 auf Marke 4 gestiegen, Außerhalb der Glocke ist der Wasserspiegel weit unter Marke 5 gefallen:
Das Gasvolumen in der Glocke wurde von 5/5 auf 4/5 reduziert!
In der Abdampfschale bleibt noch unverbrannter überschüssiger Phosphor zurück.

Durch Hinzufügen von Wasser in die Kristallisierschale, wird der Wasserspiegel außerhalb der Glasglocke dem Wasserspiegel in der Glasglocke angeglichen.
Man führt nun eine brennende Kerze tief in die Glasglocke ein.

Beobachtungen:
Die Flamme der Kerze erlischt sofort!

Erklärungen:
Phosphor ist ein leicht brennbarer Stoff. Wie alle Brennstoffe benötigt Phosphor dazu auch Luft. In der Glasglocke ist am Anfang des Versuches ein Luftvolumen von 5/5 vorhanden. Nach dem Verbrennungsvorgang bleiben 4/5 an Gasvolumen übrig. Ein 1/5 des Volumens wurde also bei der Verbrennung des Phosphors verbraucht. Dieser Teil der Luft, welche die Verbrennung unterhält, nennt man Sauerstoff.
Nachdem der Sauerstoff verbraucht worden ist, hört der Verbrennungsvorgang auf, obwohl noch genügend Phosphor vorhanden ist. Der Restteil der Luft erstickt eine Flamme, dies wurde auch im Versuch durch das Ersticken der Flamme der Kerze nachgewiesen. Diese 4/5 des Volumens der Luft werden als Stickstoff bezeichnet, da in diesem Gas jede Flamme erstickt.
Dieser einfache Versuch zeigt, dass Luft ein Gasgemisch ist, welches aus etwa 80% (4/5) Stickstoff und 20% (1/5) Sauerstoff besteht.
Reinen Sauerstoff kann man chemisch herstellen. In ihm verlaufen Verbrennungen viel schneller und heftiger als in der Luft. Darauf basiert die Nachweisreaktion von reinem Sauerstoff:
Führt man einen glimmenden Holzspan in einen mit reinem Sauerstoff gefüllten Glaszylinder ein, so fängt der Holzspan zu brennen an.
Obwohl Stickstoff und Sauerstoff die Hauptbestandteile der Luft sind, zeigen weiterführende Untersuchungen, dass die Luft ein weit komplizierteres Stoffgemenge ist.

Versuch 2:
mithilfe einer Pumpe leitet man Luft durch eine klare Kalkwasserlösung. Man wiederholt den Versuch, indem man Atemluft in eine klare Kalkwasserlösung einleitet.

Beobachtungen:
Wenn Luft durch Kalkwasser geleitet wird, so kann man keine Veränderung feststellen. Wird jedoch Atemluft durch Kalkwasser geleitet, so kann man eine weiße Trübung feststellen.

Erklärungen:
Beim Atmen nehmen Lebewesen Sauerstoff auf und beim Ausatmen geben sie ein anderes Gas, Kohlenstoffdioxid, an die Umgebung ab. Kohlenstoffdioxid reagiert mit Kalkwasser, und es entsteht ein weißer Feststoff, Calciumcarbonat, der dann in der Lösung als weißer Niederschlag ausfällt. Diese Reaktion ist charakteristisch für Kohlenstoffdioxid, es handelt sich um eine Nachweisreaktion von Kohlenstoffdioxid.
Kohlenstoffdioxid entsteht bei der Verbrennung der Nährstoffe im Körper. Auch bei normalen Verbrennungsvorgängen von Holz, Kohle, Wachs oder Benzin in der Luft, entsteht Kohlenstoffdioxid. Trotzdem ist der Anteil an Kohlenstoffdioxid in der Luft sehr gering, etwa 0,035 %. Deshalb kann man auch keine rasche Trübung von Kalkwasser erkennen, wenn man Luft durch eine klare Kalkwasserlösung leitet. Durch den enorm gestiegenen Verbrauch an Holz, Kohle und Benzin während den letzten 150 Jahren, ist der Kohlenstoffdioxidgehalt in der Luft leicht angestiegen, um etwa 0,005%. Komplizierte Regelmechanismen in der Natur (Pflanzen und Gewässer nehmen einen Teil des Kohlenstoffdioxids auf) unterbinden einen größeren Anstieg. Trotzdem führt der geringe Kohlenstoffdioxidanstieg zum so genannten Treibhauseffekt.

Versuch 3:
Man füllt einen Standzylinder mit reinem Kohlenstoffdioxid. Dann führt man eine brennende Kerze in den Standzylinder ein.

Beobachtung:
Die Kerze erlischt sofort.

Schlussfolgerung:
Kohlenstoffdioxid ist ein Gas in dem jede Flamme erlischt.

Diese Eigenschaft von Kohlenstoffdioxid wird bei der Brandbekämpfung genutzt: in den meisten Feuerlöschern ist Kohlenstoffdioxid enthalten.