Ein Teelicht schwimmt in einer Schüssel mit blauer Flüssigkeit, darübergestülpt ein zylindrischer Kolben. Das Teelicht steht kurz vor dem Erlöschen.

Der Kerzenlift – Chemie oder Physik?

Mancher kennt das Experiment vielleicht aus der Schule: Man nehme einen mit Wasser gefüllten Teller und setze eine brennende Kerze hinein. Stülpt man nun ein Trinkglas über die Kerze, erlischt diese nach kurzer Zeit – das ist an sich wenig verblüffend. Überraschend ist jedoch, dass nach dem Erlöschen der Kerze der Wasserpegel im Inneren des Glases sichtlich ansteigt.

Dieses Phänomen wurde erstmals im 17. Jahrhundert untersucht. Damals wurde der Wasseranstieg darauf zurückgeführt, dass „der salpetrige Teil der Luft seine Elastizität verliert und sich deshalb zusammenzieht“. Seit diesem ersten Deutungsversuch, der aus heutiger Sicht natürlich überholt wirkt, haben sich zwei Erklärungstheorien etabliert. Die physikalische Deutung geht davon aus, dass sich die Luftsäule im Inneren des Glases durch das plötzliche Abkühlen nach dem Erlöschen der Kerze zusammenzieht. Dieser Effekt ist von Autoreifen bekannt, die im Winter für den gleichen Innendruck mehr Luft brauchen.

Konkurrierend dazu gibt es eine chemische Deutung. Diese geht davon aus, dass durch die Flamme der Sauerstoff im Inneren des Glases verbraucht, also in chemischen Verbindungen gebunden wird. Diese Abnahme der Teilchenzahl führt dann dazu, dass weniger Gas vorhanden ist. Mehrere Naturwissenschaftler, unter anderem die Physiker Hans-Joachim Schlichting von der Uni Münster und Dieter Plappert aus Freiburg, haben sich mit diesem Effekt beschäftigt. Eine eindeutige Antwort, ob nun die Physik oder die Chemie hinter dem Effekt steckt, gibt es aber nicht. Grund genug für uns, dieses Phänomen einmal experimentell unter die Lupe zu nehmen.

Der Kerzenlift-Versuch im Detail
Das Video zeigt den Versuch und einzelne Beobachtungen im Detail

Theoretische Überlegungen

Schaut man sich den klassischen Versuch mit der Kerze unter dem Glas genauer an, fallen zwei Beobachtungen ins Auge: Zum einen entweichen kurz nach dem Überstülpen Blasen am Glasrand, und zum anderen bildet sich schon vor dem Erlöschen der Kerze Kondenswasser an den Wänden des Glases. Der durchschnittliche Wasseranstieg beträgt etwa 20 % des Glasvolumens. Dies könnte ein Indiz für die chemische Theorie sein, da die Luft etwa 20 % Sauerstoff enthält, der komplett verbraucht werden könnte. Aber wie kommen die Blasen zustande, und welche Rolle spielt das Kondenswasser? Werfen wir dazu einen Blick auf die Gleichung der chemischen Reaktion, die beim Abbrennen der Kerze abläuft.

Die Kerze besteht aus Paraffin, einem langkettigen Kohlenwasserstoff. Diesen können vereinfacht als CH2 bezeichnen. Zusätzlich braucht jede Verbrennungsreaktion Sauerstoff, der hier in der Luft vorliegt. Damit stehen auf der linken Seite, der Seite der Edukte, 1,5 mol gasförmige Stoffe. Bei der Reaktion entsteht neben gasförmigem Kohlenstoffdioxid auch Wasserdampf. Damit haben wir auf der rechten Seite, der Seite der Produkte, 2 mol gasförmige Stoffe (vorausgesetzt, der Sauerstoff würde komplett verbraucht – was wir noch nicht sicher wissen). Nach dieser Gleichung würden wir also von der Tendenz her einen gegenteiligen Effekt erwarten: die Produkte nehmen mehr Volumen ein. Entscheidend ist nun aber eine schon erwähnte Beobachtung: Warmer Wasserdampf kondensiert am Glas, und da die Dichte von Wasser etwa 1700 mal größer ist als die von Wasserdampf, trägt das Wasser kaum zur Änderung des Gasvolumens bei.

Der chemischen Erklärung nach erwarten wir schließlich einen Wasseranstieg um ein Drittel des verbrauchten Sauerstoffvolumens. Ein Problem für die experimentelle Überprüfung sind nun die Gasblasen. Sie verringern das Gasvolumen, bevor das System geschlossen wird und verfälschen so den Einfluss des chemischen Effektes. Deshalb muss ein experimenteller Aufbau her, der das Überstülpen, Entzünden und die Verbrennung möglichst separat erlaubt, sodass ihre Auswirkungen getrennt untersucht werden können.

Der experimentelle Aufbau

Die Autoren vor ihrem Versuchaufbau
Leonard und Marcel vor ihrem Versuchaufbau bei Jugend forscht

Das Glas aus dem klassischen Versuch haben wir durch eine größere Plexiglasröhre ersetzt, damit die Kerze im Inneren länger Brennen kann. Durch einen luftdichten Deckel konnten Sensoren für den Sauerstoffgehalt und für die Temperatur angebracht werden.  Um den Sauerstoffgehalt im Inneren beliebig variieren zu können, befinden sich außerdem noch zwei Gashähne zum Ein- und Ausleiten des Gases im Deckel.

Beobachtungen

Rufen wir uns die beiden konkurrierenden Erklärungen rund um den Wasseranstieg noch einmal ins Gedächtnis. Nach dem physikalischen Modell dürfte in unserer abgeschlossenen Messapparatur, aus der kein Gas entweichen kann, kein Wasseranstieg mehr erkennbar sein, nachdem sich das System wieder abgekühlt hat. Nach dem chemischen Modell sollte jedoch ein deutlicher Wasseranstieg erkennbar sein. Wenn wir mehr Sauerstoff in den Zylinder geben, sollte der Wasseranstieg sogar größer ausfallen.

In unserem Experiment beobachten wir drei verschiedene Phasen. In der ersten Phase, dem „Anzünden“ sinkt der Wasserpegel rapide um etwa einen Zentimeter ab. Das liegt an der Methode des Entzündens: Durch den Glühdraht heizt sich das Gas innerhalb kürzester Zeit auf und expandiert. Nach dem Anzünden folgt die „Brennen“-Phase. In dieser etwa 120 Sekunden langen Zeitspanne brennt das Teelicht im Inneren des Versuchsrohres. Der Wasserpegel bleibt dabei etwa konstant. Nach dem Erlöschen der Kerze in Phase drei, dem „Abkühlen“, steigt der Wasserpegel nun sprunghaft an und überstiegt den anfänglichen Pegel um etwa 0,2 Zentimeter.

Mit unseren ersten Messungen lässt sich keine der beiden konkurrierenden Erklärungen eindeutig belegen. Nach der chemischen Theorie hätten wir einen viel stärkeren Wasseranstieg während des Brennens der Kerze erwartet. Auf den ersten Blick scheint die Messung eher die physikalische Erklärung zu bekräftigen, sie erklärt allerdings nicht den geringen, aber doch trotzdem messbaren dauerhaften Anstieg des Pegels um 0,2 Zentimeter.

Um nun ein klares Ergebnis zu erhalten, brauchten wir eine Situation, die den chemischen Effekt signifikant verstärken würde, möglichst ohne den physikalischen zu beeinflussen. Unsere Lösung waren Versuche mit 60 % Sauerstoff, also etwa dem Dreifachen der normalen Konzentration in der Luft, durchgeführt. Der Wasseranstieg während des Brennens dauerte dabei deutlich länger. Der Wasserpegel erreicht die Höhe der Kerze sogar, während sie noch brennt. Ein qualitativer Beweis für die chemische Erklärung! Führt man diese Messungen mit verschiedenen Sauerstoffkonzentrationen durch, ergibt sich tatsächlich eine Abhängigkeit des endgültigen Wasserpegels vom Sauerstoffanteil in der Luft.

Fazit

Der Wasseranstieg in einem abgeschlossenem System ist also nur auf den chemischen Effekt, also den Verbrauch von Sauerstoff im Glas, zurückzuführen. Der zeitliche Verlauf des Wasserpegels wird jedoch vom physikalischen Effekt der Temperaturausdehnung des Gases entscheidend beeinflusst. Die Frage, „Chemie oder Physik?“ lässt sich also nur damit beantworten, dass der Effekt auf ein Zusammenwirken beider Phänomene beruht.

Mit dem Projekt konnten wir neben einem zweiten Platz beim Jugend-forscht-Bundeswettbewerb 2013 in Leverkusen auch einen zweiten Platz bei der International Science and Engineering Fair (ISEF) 2014 in Los Angeles, Kalifornien in den USA erreichen. Die ISEF ist die größte Wissenschaftsmesse der Welt, mit mehr als 1600 Teilnehmern aus aller Welt.