Aufgabe 1 – Der Teelichtofen – (k)eine gute Idee?

Ein Teelichtofen sorgt für eine angenehme lokale Wärme und mit dem Lichtschein der Kerzen auch für eine entspannte Stimmung. Hersteller von Teelichtöfen bewerben ihre Produkte auch als eine gute Alternative zu anderen Heizmethoden. Dennoch sind solche Teelichtöfen umstritten.

Führe das Experiment durch und notiere die Messwerte (M 1).

Berechne mithilfe deiner Messwerte die Wärme Q, die näherungsweise in einem Teelichtofen mit sechs Teelichtern über eine Dauer von vier Stunden entwickelt werden kann (M 1).

Hinweis: Für den Fall, dass du keine Messwerte erzielt hast, kannst du dir Ersatzmesswerte unter Abzug von 1 BE geben lassen.

7 BE

Berechne mithilfe von Standardbildungsenthalpien die Änderung der Enthalpie für die vollständige Verbrennung von einem Mol Pentacosan (M 2).

Skizziere für diese Reaktion ein beschriftetes Energieverlaufsdiagramm (M 2).

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Gib je eine Strukturformel eines Alkan-Moleküls mit 18 Kohlenstoff-Atomen aus einem Weichparaffin- und einem Hartparaffingemisch an (M 2).

Erkläre mithilfe intermolekularer Wechselwirkungen (zwischenmolekularer Kräfte) die unterschiedlichen Schmelzbereiche beider Paraffinsorten (M 2).

9 BE

Nenne und begründe zwei Maßnahmen zum sicheren Umgang mit Teelichtöfen (M 3, M 4).

Diskutiere anhand von zwei Aspekten die Verwendung von Teelichtöfen (M 1, M 2, M 3, M 4).

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Material 1: Experiment - Kalorimetrie

Geräte:

Becherglas
Thermometer bzw. Thermofühler
Messzylinder (100 mL), Pipette
Rührer
Stativmaterial
Stoppuhr

Chemikalien:

Wasser
Teelicht
Streichholz

Durchführung:

Baue die Apparatur gemäß Abbildung 1 auf und führe eine kalorimetrische Untersuchung durch.

Verwende dabei 100 mL destilliertes Wasser als Kalorimeterflüssigkeit.

Lösche das Teelicht nach 2 Minuten Brenndauer und lasse es abkühlen.

Stativ mit Klemmen, Becherglas über Brenner, Thermometer (20 °C) und Rührstab

Abbildung 1: beispielhafte Versuchsanordnung

Material 2: Teelicht – Paraffin

Ein handelsübliches Teelicht setzt sich aus einer flachen Kerze und einem Aluminiumbecher zusammen. Die Kerze besteht aus 12 g Paraffin. Ihre Brenndauer beträgt ca. 4 Stunden.

Paraffin ist ein Stoffgemisch aus Alkanen, deren Moleküle 18 bis 32 Kohlenstoff-Atome enthalten können. Die Alkan-Moleküle können sich durch die Anzahl der Verzweigungen pro Molekül sowie durch die Kettenlänge voneinander unterscheiden. Je nach Anteil lässt sich Paraffin genauer in Hart- und Weichparaffin einteilen. Weichparaffin schmilzt bei etwa 45 °C, Hartparaffin zwischen 50 °C und 60 °C. Für die Herstellung von Teelichtern wird Hartparaffin verwendet. Stellvertretend für das Stoffgemisch kann Pentacosan, ein Alkan mit der Formel $Formula: \ce{C25H52},$ $Formula: \ce{C25H52},$ betrachtet werden.

Tabelle 1: Standardbildungsenthalpien ausgewählter Verbindungen

Stoff	Aggregatzustand	Standardbildungsenthalpie $Formula: \Delta_fH^0$ $Formula: \Delta_fH^0$ in $Formula: \frac{\text{kJ}}{\text{mol}}$ $Formula: \frac{\text{kJ}}{\text{mol}}$
Kohlenstoffdioxid	gasförmig	-393,5
Pentacosan	fest	-560
Wasser	gasförmig	-241,8

Material 3: Der Teelichtofen

Sogenannte Teelichtöfen sind relativ einfach aufgebaut. Sie bestehen aus einem Tontopf 1, der von einer Gewindestange 2 getragen wird. Durch die Verwendung von Unterlegscheiben und Muttern 3 ist der Abstand des Tontopfes einstellbar. Die Gewindestange 2 ist mit einem stabilen Untersetzer 4 verbunden, auf dem die Teelichter platziert werden.

Ein Teelichtofen fasst in der Regel 6 Kerzen. Die Außenwandtemperatur kann auf 130 °C bis 160 °C ansteigen.

Querschnitt einer Haube mit nummerierten Bauteilen, mittiger Gewindestange und vier Teelichtern auf einer Grundplatte, 25×16 cm

Abbildung 2: Schema eines Teelichtofens

Material 4: Brandschutzexperten warnen vor Teelichtöfen

Feuerwehren, Schornsteinfeger und Versicherungen raten nicht nur von Teelichtöfen ab, sie warnen sogar davor. Der Brand- und Katastrophenschutzinspekteur des Eifelkreises Bitburg-Prüm, Jürgen Larisch, warnt vor dem Einsatz von Teelichtöfen. In einem Interview erklärt er, wie man im Ernstfall reagieren sollte, wenn ein Teelichtofen Feuer fängt.

Er sagt: „Teelichtöfen können sehr hohe Temperaturen erreichen [...]. Das kann zu einem gefährlichen Wachsbrand führen, weil flüssiges Kerzenwachs sich bei Temperaturen zwischen 250 und 300 Grad selbst entzünden kann. In einem solchen Fall ist der Wachsbrand auch mit Wasser nicht mehr löschbar. Wir haben dann einen ähnlichen Fall wie bei einer sogenannten Fettexplosion. Hier gibt es zwar keine Explosion, aber bereits bei 100 Grad verdampft Wasser schlagartig und dieser Dampf reißt dann das brennende Wachs mit sich, was zu einer explosionsartigen Verbrennung führt. Das kann dann nicht nur einen Wohnungsbrand auslösen, sondern auch Personen, die sich in der Nähe aufhalten, verletzen.“

Auf die Frage, was man sonst noch tun könne, wenn der Teelichtofen Feuer gefangen hat, meint er: „Ansonsten, wenn das Feuer außer Kontrolle ist, hilft eigentlich nur noch, das Feuer abzudecken. Die wenigsten Leute haben aber in ihrer Wohnung eine entsprechende Feuerlöschdecke. Der Teelichtofen ist sehr heiß. Wenn ich da nur einen Lappen drüberlege, wird dieser dann wahrscheinlich ebenfalls Feuer fangen. Wenn ein Teelichtofen in der Wohnung brennt, dann hilft nur noch die 112 wählen und sich in Sicherheit bringen und die Fachkräfte das Löschen übernehmen lassen.“

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Durchführen des Experiments

Durchführung entsprechend der Vorgabe
Einhalten des Arbeitsschutzes

Notieren der Messwerte für $Formula: \vartheta_{A/E}(\text{Wasser})$ $Formula: \vartheta_{A/E}(\text{Wasser})$ (Beispielwerte)

$Formula: \vartheta_{A}(\text{Wasser})=20,1 \;°\text{C}$ $Formula: \vartheta_{A}(\text{Wasser})=20,1 \;°\text{C}$

$Formula: \vartheta_{E}(\text{Wasser})=25,2 \;°\text{C}$ $Formula: \vartheta_{E}(\text{Wasser})=25,2 \;°\text{C}$

Berechnen der Wärme

$Formula: Q_1 = c \cdot m(\ce{H2O}) \cdot \Delta T$ $Formula: Q_1 = c \cdot m(\ce{H2O}) \cdot \Delta T$

$Formula: = 4,183~\frac{\text{kJ}}{\text{kg} \cdot \text{K}} \cdot 0,100~\text{kg} \cdot 5,1~\text{K}$ $Formula: = 4,183~\frac{\text{kJ}}{\text{kg} \cdot \text{K}} \cdot 0,100~\text{kg} \cdot 5,1~\text{K}$

$Formula: = 2,1~\text{kJ}$ $Formula: = 2,1~\text{kJ}$
Umrechnung auf 4 Stunden Brenndauer von 6 Teelichtern:
- auf 2 Minuten bezogen; Teelicht; auf 1 Minute bezogen:
  
  $Formula: Q_2 = 1,05~\frac{\text{kJ}}{\text{min}}$ $Formula: Q_2 = 1,05~\frac{\text{kJ}}{\text{min}}$
- auf 4 Stunden bezogen; Teelichter
- $Formula: 1~\text{h} = 60~\text{min} \rightarrow 4~\text{h} = 240~\text{min}$ $Formula: 1~\text{h} = 60~\text{min} \rightarrow 4~\text{h} = 240~\text{min}$
- $Formula: Q_3 = Q_2 \cdot t \cdot N = 1,05~\frac{\text{kJ}}{\text{min}} \cdot 240~\text{min} \cdot 6 = 1512~\text{kJ}$ $Formula: Q_3 = Q_2 \cdot t \cdot N = 1,05~\frac{\text{kJ}}{\text{min}} \cdot 240~\text{min} \cdot 6 = 1512~\text{kJ}$

Berechnen der Änderung der Enthalpie

$Formula: \ce{C25H52 + 38 O2 -> 25 CO2 + 26 H2O}$ $Formula: \ce{C25H52 + 38 O2 -> 25 CO2 + 26 H2O}$

$Formula: \begin{align*} \Delta H &= [ 25~\text{mol} \cdot \Delta_{\text{f}}H^\circ(\ce{CO2}) + 26~\text{mol} \cdot \Delta_{\text{f}}H^\circ(\ce{H2O}) ] \\ &\quad - [ 1~\text{mol} \cdot \Delta_{\text{f}}H^\circ(\ce{C25H52}) ] \\ &= [ 25~\text{mol} \cdot (-393,5)~\frac{\text{kJ}}{\text{mol}} + 26~\text{mol} \cdot (-241,8)~\frac{\text{kJ}}{\text{mol}} ] \\ &\quad - [ 1~\text{mol} \cdot (-560)~\frac{\text{kJ}}{\text{mol}} ] \\ &= -15\,564~\text{kJ} \end{align*}$ $Formula: \begin{align*} \Delta H &= [ 25~\text{mol} \cdot \Delta_{\text{f}}H^\circ(\ce{CO2}) + 26~\text{mol} \cdot \Delta_{\text{f}}H^\circ(\ce{H2O}) ] \\ &\quad - [ 1~\text{mol} \cdot \Delta_{\text{f}}H^\circ(\ce{C25H52}) ] \\ &= [ 25~\text{mol} \cdot (-393,5)~\frac{\text{kJ}}{\text{mol}} + 26~\text{mol} \cdot (-241,8)~\frac{\text{kJ}}{\text{mol}} ] \\ &\quad - [ 1~\text{mol} \cdot (-560)~\frac{\text{kJ}}{\text{mol}} ] \\ &= -15\,564~\text{kJ} \end{align*}$

Skizzieren eines beschrifteten Energieverlaufsdiagramms

Energieprofil einer exothermen Reaktion: C25H52 + O2 → CO2 + H2O mit Aktivierungsenergie EA

Angeben je einer Strukturformel

mehrfach verzweigtes Alkan-Molekül (aus Weichparaffingemisch)

Strukturformel eines verzweigten Alkans mit mehreren Methyl- und Ethyl-Seitenketten

nicht oder weniger stark verzweigtes Alkan (aus Hartparaffingemisch)

$Formula: \ce{H3C-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3}$ $Formula: \ce{H3C-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3}$

Erklären der unterschiedlichen Schmelzbereiche

Alkan-Moleküle sind insgesamt unpolare Moleküle. Durch Ungleichverteilung von Elektronen entstehen temporäre Dipole.
Dadurch herrschen zwischen Alkan-Molekülen schwache intermolekulare Wechselwirkungen.
Die durchschnittlichen Teilchenabstände zwischen unverzweigten Alkan- Molekülen sind geringer als bei verzweigten Alkan-Molekülen; stärkere intermolekulare Wechselwirkungen.
Verzweigte Alkan-Moleküle (Weichparaffin) haben eine geringere Moleküloberfläche als unverzweigte Alkan-Moleküle (Hartparaffin); geringere intermolekulare Wechselwirkungen;
bei Weichparaffin demnach geringerer Energieaufwand zum Schmelzen notwendig; niedrigerer Schmelztemperaturbereich.

Nennen und Begründen von zwei Maßnahmen, z. B.

Um einen gefährlichen Wachsbrand zu vermeiden,

sollten weniger als 6 Teelichter verwendet werden, da die erzeugte Wärmemenge geringer ist;
sollte der Abstand zwischen den Teelichten vergrößert werden, damit eine gegenseitige Aufheizung verhindert wird;
sollten die Tontöpfe nicht zu niedrig eingeschraubt sein, damit die Wärme sich darunter nicht stauen und somit für einen Flächenbrand sorgen kann.

Diskutieren der Verwendung von Teelichtöfen

Angeben von min. einem Pro-Argument, z. B.

Die Teelichter stellen grundsätzlich eine Wärmequelle dar; unter Beachtung der notwendigen Sicherheitsaspekte ergibt sich jedoch eine geringe Wärmemenge.
Angeben von min. einem Contra-Argument, z. B.

Das Sicherheitsrisiko bleibt bei der Verwendung von Teelichtöfen bestehen.
Abwägen der Argumente und Fällen eines sachlogischen Fazits

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