Advent, Advent, ein Lichtlein brennt
Advent (von lat. adventus, Ankunft) ist eine Zeit der Ruhe, der Vorbereitung und der Vorfreude auf das Weihnachtsfest. Bei Narrotibi steht die Wissenschaft im Mittelpunkt. Doch auch bei Narrotibi werden Kerzen entzündet und Kekse gebacken.
„Advent, Advent, ein Lichtlein brennt.“ So beginnt ein bekannter Kinderreim. Am ersten Adventsonntag wird in den meisten Haushalten der Adventkranz geschmückt und die erste Kerze entzündet. Doch was geschieht, wenn man diese Kerze anzündet? Woraus besteht eine Flamme? In der Schule mag man gelernt haben, dass Kohlenwasserstoffgase mit dem Sauerstoff der Luft zu Kohlendioxid und Wasser verbrennt. Aber die chemische Formel erklärt nicht, was Feuer wirklich ist, genauso wenig wie ein Rezept erklären kann, wie Vanillekipferl tatsächlich schmecken.
Flammen sind bunt
What's in a flame?
Betrachte einmal eine Kerzenflamme etwas genauer. Das Erste, was uns auffällt, sind all diese Farben. Das darf man natürlich nicht mit den Farben verwechseln, die alle Objekte haben: Licht fällt auf einen Gegenstand, wird teilweise absorbiert (geschluckt), und nur eine bestimmte Längenwelle des Lichts wird reflektiert (zurückgeworfen). Diese Längenwelle bestimmt die Farbe, die man wahrnimmt.
Anders, wenn etwas von sich heraus leuchtet; dann bestimmt die Temperatur die Farbe (Plancksches Strahlungsgesetz). Ganz unten am Docht ist die Flamme am heißesten, daher leuchtet sie blau. Hier werden Temperaturen bis 1400 °C erreicht! In der Mitte ist die Flamme mit 1000 bis 1200 °C etwas kühler, also leuchtet sie gelb-orange. – Das Kerzenwachs besteht vorwiegend aus Kohlenstoff und Wasserstoff. Und obwohl beide Stoffe gerne mit dem Sauerstoff der Luft reagieren würden, braucht es einen „Schubs“, damit die Verbrennung beginnen kann. Dieser Schubs ist die Hitze eines angezündeten Streichholzes. Im Docht befindet sich bereits Wachs. Die zugeführte Hitze lässt es verdampfen und mit dem Sauerstoff der Luft reagieren… es beginnt zu brennen. Wachs kann flüssig werden, kann aber nicht sieden. Ab einer bestimmten Temperatur verdampft es aus der flüssigen Phase. Bei der Verbrennung geschieht nichts anderes, als das Aufbrechen von Molekülbindungen und das Formen neuer, energetisch günstigerer Moleküle unter Zuführung von Sauerstoff. Dabei wird überschüssige Energie frei, welche sich als Feuer manifestiert. Im Docht ist nun „Platz“ für neues Wachs. Die Wärme lässt es flüssig werden und es steigt im Docht nach oben.
Ein Docht wird aus zahlreichen, dünnen Baumwollfäden geflochten. In den vielen kleinen Fäden kann das flüssige Wachs nach oben steigen, genau so, wie Wasser in einem Papiertaschentuch nach oben gezogen wird. Heute werden Dochte so gefertigt, dass sie sich leicht zur Seite neigen. So kann die Dochtspitze immer am Rand der Flamme verbrennen. Der Docht schrumpft dadurch mit der Kerze.
Oftmals sieht man ganz unten in der Flamme einen dunklen Hof um den Docht: hier befindet verdampfendes Wachs mit 600 bis 800 °C, welches noch nicht zu brennen begonnen hat. Durch die Hitze bewegt sich das gasförmige Wachs so rasch, dass es schließlich mit dem Sauerstoff zu reagieren beginnen. Die frei werdende Energie regt wiederum Elektronen in den beteiligten Atomen an. Wenn sie von ihrem angeregten Zustand zu ihrem ursprünglichen Platz zurückspringen, geben sie genau diese Energie als Lichtteilchen wieder ab. Je nach Energieanregung in unterschiedlichen Farben. So entsteht jenes blaue Leuchten.
Flammen sind hohl
Im Inneren der Flamme finden unzählige chemische Reaktionen statt. Nicht der ganze Kohlenstoff des Wachses verbrennt unten in der Flamme zu Wasserdampf und Kohlendioxid. Unverbrannter Kohlenstoff steigt auf und verklumpt zu mikroskopisch kleinen Ruß Partikeln. Durch die Hitze beginnen sie gelb-orange zu glühen wie heiße Kohlen auf einem Grill. Das ist der mittlere Teil der Flamme. Und fast das gesamte, warme Licht einer Kerzenflamme stammt von diesem Glühen. Schließlich, an der Spitze der Flamme, ist der gesamte Ruß verbrannt und nur mehr Kohlendioxid und Wasserdampf entweichen nach oben in die Luft.
Du kannst alle unterschiedlichen Bereiche einer Flamme selbst erforschen: Nimm einen kalten Löffel und halte ihn gut zehn Zentimeter über die Flamme. Feinste Wassertröpfchen werden sich am Löffel absetzen. Halte ihn nun in die Mitte des gelb-orangen Bereichs und die Ruß Partikel werden deinen Löffel schwarz färben. Zuletzt halte den Löffel in den dunklen Hof. Unverbranntes Wachs wird sich als dünne Schicht darauf ablagern. Es kann notwendig sein, den Löffel zwischendurch wieder zu säubern und neu abzukühlen. Oder du bereitest gleich drei Löffel vor!
Flammen schauen richtig heimelig aus, ihre Form ist schlank und wunderschön. Wie entsteht diese typische Form? In der Grafik oben habe ich mit Pfeilen eingetragen, wie sie entsteht: Kühlere Luft wird zur Flamme gezogen, weil dort durch die Hitze ein Unterdruck herrscht, wärmt sich, steigt auf und zwingt die Flamme so nach oben und zu ihrer typischen Form.
Alle chemischen und quantenmechanischen Reaktionen, die eine Flamme glühen lassen, können nur dort stattfinden, wo sie auf Luft trifft. Obwohl eine Kerzenflamme wie ein kompakter Kegel aussieht, ist sie in Wirklichkeit hohl, denn ins Innere der Flamme kann kein Sauerstoff vordringen. Wahrscheinlich hast du noch nie davon gehört. Prüfe es doch selbst nach: Nimm ein kleines Küchensieb aus Metall (!) und halte es vorsichtig von oben in die Kerzenflamme. Wenn du dann nach unten blickst, siehst du das hohle Innere der Flamme. Erstaunlich, nicht wahr?
In der Adventzeit versammelt sich die Familie um das Kerzenlicht des Adventkranzes. Und wenn du dich am ruhigen, hypnotischen Flackern der Flamme erfreust, so denke auch ein wenig an die komplexen, wissenschaftlichen Abläufe.
Bleib neugierig!
Interessanter Link zum Thema
Plancksches Strahlungsgesetz: Chemielexikon: Plancksches Strahlungsgesetz
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