Warum ist die Flamme von Methan stärker, als die von Wasserstoff? Und was ist die Reaktionsgleichung von CH4 + O2?

3 Antworten

Moin,

siehst du, jetzt kann man dir helfen...

Die Flamme brennt heller, weil Methan eine kohlenstoffhaltige Substanz ist. Die Formel lautet

CH4

Bei solchen Substanzen kommt es vor, dass das Methanmolekül nicht vollständig verbrennt (oxidiert wird oder sich beide Bestandteile mit Sauerstoff verbinden), sondern zunächst nur der Wasserstoff darin. Das passiert manchmal dann, wenn in dem Moment kurzzeitig nicht genügend Sauerstoff in der Umgebung der Flamme vorhanden ist. Dann verbindet sich zuerst der Wasserstoff aus dem Methan mit dem vorhandenen Sauerstoff, während der Kohlenstoff quasi als Rußteilchen übrig bleibt.
Wenn gleich darauf Sauerstoff wieder zur Verfügung steht (weil es in der Luft genügend davon gibt und der "Engpass" nur vorübergehend war), dann werden die Kohlenstoffpartikel doch noch verbrannt. Das geschieht mit einer damit einhergehenden Leuchterscheinung (der Kohlenstoff verglüht in der Flamme). Diese Leuchterscheinung erscheint uns optisch "kräftiger" (oder "stärker") zu sein, als die blaue, kaum sichtbare Flamme einer Wasserstoffgasverbrennung.

Übrigens ist die Wasserstoffflamme in Wirklichkeit heißer als die Methanflamme. Das Verbrennen von Wasserstoff an Luft liefert eine Flamme, die etwa 2130°C heiß ist, während es die Methanflamme dagegen nur auf 1970°C bringt. Du siehst also, dass die Wasserstoffflamme die "stärkere" oder "kräftigere" ist, wenn man die Temperatur der Flammen zugrunde legt.

Die Beobachtung, dass die Methangasflamme auch länger brannte als die Wasserstoffgasflamme, hängt dagegen wahrscheinlich schlicht von der Menge an Brennstoff ab. Wenn du viel Methangas verbrennst, aber nur vergleichsweise wenig Wasserstoffgas, dann ist es logisch, dass du beobachtest, dass die Methangasflamme länger brennt, nicht wahr? Ob das auch so ist, wenn du gleiche Mengen der beiden Gasen verbrennst, weiß ich nicht aus dem Kopf. Wenn ja, könnte ich mir vorstellen, dass es leichter ist, das kleine Wasserstoffmolekül (H2) in einer heißeren Flamme (siehe oben) zu verbrennen als das etwas größere Methanmolekül (CH4) in einer weniger heißen Flamme. Aber das ist spekulativ (das heißt, dass weiß ich nicht sicher).

Kommen wir noch zu den Reaktionsgleichungen (und wie man darauf kommt):

1. Du stellst die Wortgleichung der Reaktion auf.
a) Wasserstoff und Sauerstoff reagieren zu Wasser.
b1) Methan und Sauerstoff reagieren in einer vollständigen Verbrennung zu Kohlenstoffdioxid und Wasser.
b2) Methan und Sauerstoff reagieren in einer unvollständigen Verbrennung zu verschiedenen kohlenstoffhaltigen Produkten und Wasser.

2. Du übersetzt die Wortgleichung in eine vorläufige Formelgleichung.
In einer vorläufigen Formelgleichung kommen nur die korrekten Formeln aller Ausgangsstoffe (Edukte) und aller Endstoffe (Produkte) vor. Hier kümmerst du dich noch nicht darum, ob links und rechts vom Reaktionspfeil die gleiche Anzahl der jeweiligen Elementsymbole ist.
a)
H2 + O2 ---> H2O

b1)
CH4 + O2 ---> CO2 + H2O

b2) (Ein Beispiel von vielen möglichen)
CH4 + O2 ---> C + H2O

3. Du gleichst beide Seiten der Reaktionsgleichung aus.
Das ist nötig, weil es ein chemisches Grundgesetz gibt, das in etwa lautet: »Bei einer chemischen Reaktion kommt keine Masse hinzu und es geht im Prinzip auch keine Masse verloren.« (Gesetz zur Erhaltung der Massen)
Dieses Gesetz bedeutet, dass die Summe aller Massen der Ausgangsstoffe und die Summe der Massen aller Endstoffe gleich groß ist.
Weil es dieses Gesetz gibt, musst du letztlich dafür sorgen, dass links und rechts vom Reaktionspfeil von allen Elementsymbolen jeweils immer gleich viele auftreten (denn nur so wird gewährleistet, dass am Ende die Summen aller Massen auf beiden Seiten gleich sind).
Weil du eine vorläufige Formelgleichung aufgeschrieben hast, kennst du alle korrekten Formeln aller beteiligten Substanzen. Zum Ausgleichen der Anzahlen darfst du deshalb NICHT NACHTRÄGLICH die Formeln verändern! Wenn du die Anzahlen ändern willst, geht das nur über Faktoren vor den Formeln (die dann für alle Elementsymbole bis zum Ende der Formel gelten). Exerzieren wir das durch:
a)
H2 + O2 ---> H2O
zeigt links 2 x H und rechts 2 x H. Soweit, so gut. Doch links hast du auch 2 x O. Rechts ist in "H2O" aber nur 1 x O. Rechts gibt es also zu wenig "O". Wenn du nun einfach aus "H2O" die Formel "H2O2" machen würdest, dann würdest du nachträglich die Formel von Wasser verändern. DAS DARFST DU NICHT! Also geht eine Verdoppelung der Menge an "O" auf der rechten Seite nur dadurch, dass du vor das "H2O" den Faktor "2" setzt:
H2 + O2 ---> 2 H2O
Doch damit hast du nun auf der rechten Seite auch die Anzahl der "H"s verdoppelt. Die Bilanz des Wasserstoffs stimmt nun nicht mehr, weil du jetzt links nach wie vor nur 2 x H hast, rechts dagegen (2 • 2 =) 4 x H. Das Problem lässt sich jedoch leicht dadurch lösen, dass du auch links einen Faktor vor das "H2" setzt:
2 H2 + O2 ---> 2 H2O
denn nun stimmt alles: links 4 H, rechts auch; links 2 O, rechts auch. Fertig!

Wiederholen wir die Prozedur für b1)
CH4 + O2 ---> CO2 + H2O
lautete ja die vorläufige Reaktionsgleichung der vollständigen Verbrennung von Methan. Links hast du 1 x C, rechts auch... Links hast du 2 x O, rechts... Oje, da sind es 3 x O (zwei im "CO2" und eins im "H2O"). Was ist zu tun? Hier ist es besser, sich erst einmal um den Wasserstoff zu kümmern. Links hast du 4 x H, rechts nur 2 x H. Also verdoppelst du die Menge an "H" auf der rechten Seite durch das Voranstellen des Fakrtors "2":
CH4 + O2 ---> CO2 + 2 H2O
Ja, so gefällt uns das schon besser, denn nun wurde durch die Verdoppelung der Wassermoleküle auch der darin enthaltene Sauerstoff verdoppelt, so dass wir rechts auf eine gerade Gesamtanzahl von "O" kommen. Nun sind es rechts nämlich insgesamt 4 x O. Links sind es nur 2 x O, aber das kann man jetzt leicht stimmig machen, indem man auch links den Faktor "2" vor das "O2" setzt:
CH4 + 2 O2 ---> CO2 + 2 H2O
Et voilà - alles ist ausgeglichen: links 1 C, rechts auch. Links 4 H, rechts auch. Links 4 O, rechts auch...

b2)
Die unvollständige Verbrennung von Methan ist insofern komplizierter, als es hier mehrere Möglichkeiten gibt. Es gibt also nicht bloß eine Reaktionsgleichung. Unvollständige Verbrennung heißt, dass sich der Kohlenstoff aus dem Methan nicht vollständig mit Sauerstoff zu Kohlenstoffdioxid verbindet. Es können einzelne C-Atome entstehen (reiner Kohlenstoff; Ruß) oder das giftige Kohlenstoffmonoxid ("CO"). Eine (sehr einfache) Möglichkeit wäre zum Beispiel, dass Methan unter Bildung von Kohlenstoff und Wasser unvollständig verbrennt:
CH4 + O2 ---> C + H2O
Wenn du diese vorläufige Formelgleichung ausgleichen willst, geht das so:
Links 1 x C, rechts auch. Links 4 x H, rechts nur 2 x H. Darum rechts ein Faktor "2" vor das "H2O":
CH4 + O2 ---> C + 2 H2O
Das trifft sich gut, weil dadurch auch die Anzahl von "O" ausgeglichen wurde... Fertig.
Es gibt noch andere Möglichkeiten wie (die bereits ausgeglichenen Rektionsgleichungen)
2 CH4 + 3 O2 ---> C + CO2 + 4 H2O
oder
3 CH4 + 4 O2 ---> C + 2 CO + 6 H2O
oder, oder, oder...
Es gibt hier deshalb so viele Möglichkeiten, weil mehrere verschiedene Produkte bzw. Produktkombinationen vorkommen können. Wichtig ist nur, dass bei einer unvollständigen Verbrennung auch hin und wieder reiner Kohlenstoff entsteht, der dann nachträglich in der Flamme verglühen kann, was die Flamme gelborange werden lässt, so dass du optisch den Eindruck hattest, als sei die Methanflamme "kräftiger" oder "stärker"...

Alles klar?

LG von der Waterkant.

Bei vollständiger Verbrennung ist die Reaktionsgleichung von Methan und Sauerstoff folgende:

CH4 + 2 O2 -> CO2 + 2 H2O

Wieso sie "stärker" ist kann ich dir nicht beantworten, weil ich mir ehrlichgesagt auch nicht vorstellen kann, was damit gemeint ist.

Dankeschön. Ich habe noch eine kleine Frage. Unswar, wenn man jetzt die Reaktionsgleichung raus hat passiert doch auf der anderen Seite etwas. Also, sodass beide Seiten irgendwie die selben Anzahle von H, C und O haben. Ich weiß nicht wie ich das so erklären soll, aber man soll auf beiden Seiten das selbe haben, nur halt dass die Formeln anders aufgebaut sind. z.B. bei H2 + O2 -> 2H2O, da wird dann die linke Seite zu 2H2 + O2. Und meine Frgae ist jetzt, ob es auch bei der anderen so etwas vorhaden ist??

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@Shreddedboom

Du meinst, dass man die Reaktionsgleichung ausgleicht. :) Das ist sie schon

Links hat man:

1 x C (CH4)

4x H (CH4)

4 x O (2 O2)

Und rechts hat man:

1 x C (CO2)

4x H (2 H2O)

4x O (2 H2O und  CO2)

Die "unausgeglichene" Reaktionsgleichung wäre folgende:

CH4 + O2 -> CO2 + H2O

Hoffe das ist halbwegs verständlich erklärt.

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was verstehst du unter "kräftiger"? Heller, heißer?

stärker! Aber meine Frage war ja auch, WARUM das so ist und nicht was versteht man unter kräftiger!!

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@Shreddedboom

Schon klar, aber ohne dass du verständlich machst, was DU unter "stärker" oder "kräftiger" verstehst, kann man dir auch nicht erklären, warum das so ist. Deshalb ist die Nachfrage von Biberchen sehr berechtigt und dein Kommentar darauf ziemlich eigenartig bis dümmlich. Das soll keine Beleidigung sein, aber zu sagen: »Eine kräftigere Flamme ist eine stärkere.« erklärt im Grunde nichts. Größer, heller, heißer, farbiger oder noch anderes... was meinst du??

2
@DedeM

Achso, hab es anders verstanden. Tut mir leid.

Gemeint ist, dass die Flamme heller war als die andere und auch dass die Flamme ein wenig länger gebraucht hat bis es aus ging.

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