Startseite   >>  Experimente   >>  Grundoperationen

Heizen
Chemische Reaktionen werden im Labor meist unter Energiezufuhr in Form von Wärme eingeleitet oder aufrecht erhalten. Beim Trennen oder beim Reinigen von Stoffen wie bei der Destillation oder bei der Sublimation wird ebenfalls Wärme benötigt.Das Bild zeigt einen Bequemlichkeitsofen, einen sogenannten "Faulen Heintz" im Deutschen Museum München. Der mittlere Schacht wurde mit Holz oder Kohle gefüllt. Nach dem Zünden des Ofens rutschte automatisch neues Brennmaterial aus dem Schacht nach. Die Hitze strömte zu den seitlich liegenden Nebenöfen, auf denen Destillationen durchgeführt werden konnten.  
   
  
Bild vergrößern!
 
"Bequemlichkeitsofen" im Deutschen Museum München
    
   
Die älteste Form von Heizgeräten in den alchemistischen Labors stellt das offene Feuer und später auch die Herdplatte mit darüber liegendem Rauchfang dar. Die mit Holz oder Kohle gefeuerten Öfen gab es in großer Vielfalt. Manche waren tragbar oder besaßen eine Luftzufuhr mit Blasebalg, um höhere Temperaturen zu erzielen. Der arabische Alchemist al-Razi benannte auch Kerzen, Öllampen oder die Sonne als Energiequelle. Bei bestimmten chemischen Reaktionen benötigte man eine gleichbleibende Temperatur über einen längeren Zeitraum, z.B. beim Lösen von Stoffen in Wasser (Solution) oder die Verfestigung (Coagulation) oder Verflüssigung (Ceration) von Stoffen. Man gab die Stoffe in ein fest verschließbares Gefäß und ließ sie für einige Wochen an der Wärme stehen. Als Heizquellen dienten Dungkästen, die eine konstante Temperatur von 50°C abgaben.  
   
  
Spiritusbrenner
 
Spiritusbrenner
  
  
Der einfache Spiritusbrenner wurde früher in den Schulen und von Hobbychemikern eingesetzt. Er besteht aus einem Glas- oder Metallgefäß mit einer oben liegenden Öffnung, durch die ein Docht gesteckt wird. Der Brennspiritus enthält überwiegend Ethanol, der mit einem Vergällungsmittel versetzt ist, damit man den Spiritus nicht mehr trinken kann. Ethanol ist eine leicht entzündliche Flüssigkeit. Daher darf das Einfüllen in den Brenner niemals bei heißem oder entzündetem Brenner erfolgen. Das Löschen der Flamme erfolgt durch Aufsetzen der Kappe, die bis zum nächsten Gebrauch nicht mehr abgenommen wird. Ein Spiritusbrenner erzielt allerdings nicht so hohe Temperaturen wie ein Gasbrenner. Die Verwendung von Spiritusbrennern wird aufgrund der erhöhten Unfallgefahr heute nicht mehr empfohlen. Eine relativ sichere Alternative stellen Brenner mit Brennpaste oder mit einem Brenngel dar, wie sie zum Erhitzen von Fondue eingesetzt werden. 
 
    
Bild vergrößern!
Bild vergrößern
  
 
Das im Labor geläufigste Heizgerät stellt der Gasbrenner dar. Es existieren Varianten, die mit Erdgas (überwiegend Methan), mit Propangas oder auch mit Butangas betrieben werden. Der vielfach verwendete Kartuschenbrenner zeichnet sich dadurch aus, dass sich das Gasreservoir in einer Kartusche unterhalb des Brenners befindet und der Brenner dadurch ortsunabhängig ist. Heute werden nur noch Ventilkartuschenbrenner mit der Version der kleinen Kartusche empfohlen. Die durchschnittliche Brenndauer beträgt etwa drei Stunden, die Flamme erreicht eine Temperatur von maximal 1100°C. Bei der Auswahl des Modells muss eingeschätzt werden, ob man ein optimiertes, leistungsfähiges Modell (mit einer sehr hohen Flamme) den Schülern in die Hände gibt oder ob man das oben abgebildete Modell rechts (mit einer nicht ganz so hohen Maximalflamme) einsetzt. 
  • Kartuschenbrenner dürfen auf keinen Fall gekippt oder während des Betriebs geschüttelt werden. 
  • Sie müssen regelmäßig überprüft werden, ob sie wirklich vollständig absperrbar sind. Bei Gasgeruch dürfen sie nicht benutzt werden, wird die Fehlerquelle nicht gefunden, müssen sie augetauscht werden. 
  • Vorratskartuschen sollten nicht bei den Brennern gelagert werden, dies gilt insbesondere dann, wenn Kartuschenbrenner im Fachraum aufbewahrt werden. Vorratskartuschen müssen an einem im Brandfall feuersicheren Ort gelagert werden. 
  • Es werden nur noch die Ventilkartuschenbrenner der neuen Generation empfohlen. Diese Brenner sind für den Laborbedarf maximiert, sie sind niedriger gebaut und passen besser unter einen Drei- oder Vierfuß. Beim Abschrauben des Brenneraufsatzes tritt aufgrund des Ventils an der Kartusche kein Gas aus.
  • Im Fachraum sollte gleichzeitig nur ein Gruppensatz (8-10 Stück) an Ventilkartuschenbrennern gelagert oder benutzt werden. Dies ist eine Empfehlung des Autors, in Empfehlungen der Unfallversicherungen werden acht Kartuschenbrenner der alten Generation (ohne Ventil an der Kartusche) genannt.
  • Die Lagerung erfolgt an einem belüfteten Ort über Erdgleiche. [Lit. DGUV, BG/GUV-SR 2003, S. 32]
  • Der Wechsel der Kartuschen darf nur von Lehrkräften durchgeführt werden, niemals von Schülern! Das Drehen am Gewinde des Brennerrohres bei laufendem Brenner ist untersagt.
    
Bild vergrößern!
Bild vergrößern
   
  
Der von Robert Wilhelm Bunsen (1811-1899) entwickelte Bunsenbrenner mit einer maximalen Flammentemperatur von etwa 1000°C wird im Labor am häufigsten benutzt. Er unterscheidet sich von dem von Nicolaus Teclu (1839-1926) erfundenen Teclubrenner in der Art der Luftzufuhr und der Mischrohre von Gas und Luft. Beide sind jedoch so konstruiert, dass das Gas mit einer Regulierungsschraube dosiert und die Luftzufuhr geregelt werden kann. Beim Teclubrenner wird die Luft von unten in das Mischrohr zugeführt. Die besondere Bauweise ermöglicht eine höhere Flammentemperatur von etwa 1200°C im Vergleich zum Bunsenbrenner. Spezielle Brenneraufsätze ermöglichen das Erhitzen von breiten Zonen, beispielsweise bei der Bearbeitung von Glasrohren.  
   
  
Gebläselampe
 
Gebläselampe mit Druckluftbetrieb
  
  
Die Gebläselampe stellt eine besondere Form des Gasbrenners dar. Bei ihr wird der Luftsauerstoff noch besser mit dem Gas durchmischt. Die dabei entstehende, sehr hohe Flammentemperatur von bis zu 1900°C erreicht man auch durch die Verwendung von Druckluft. In den Baumärkten sind mit Butan- oder Propangas betriebene Lötlampen erhältlich, die sich aufgrund der hohen erzielbaren Temperaturen ebenfalls für den Einsatz im Schullabor eignen.  
  
Die Flammentemperatur bei den genannten Gasbrennern lässt sich durch das Öffnen und Schließen der Luftzufuhr regeln. Reines Gas erzeugt eine leuchtende Flamme von geringerer Temperatur, die allerdings stark rußt. Beim Zumischen von Luft entsteht eine nicht leuchtende, rauschende Flamme mit blauem Kegel, die wesentlich heißer ist und nicht mehr rußt.  
   
  
 Brennerflammen
   
  
Bei zu starker Luftzufuhr findet die Verbrennung dicht an der Gasdüse statt. Sie beginnt dann zu glühen, und eine Explosion des Brenners wäre theoretisch möglich. Auch wenn moderne Gasbrenner Drahtnetze oder andere Sicherheitseinrichtungen zur Verhinderung derartiger Unfälle besitzen, sollte man sich an die Regeln zur Inbetriebnahme und zum Abschalten des Gasbrenners halten:  
   
  
Inbetriebnahme  
1. Schutzbrille aufsetzen, Haare nach hinten zusammenbinden.  
2. Ist die Luftzufuhr und die Gasregulierung geschlossen?  
3. Streichholz entzünden und über das Brennerrohr halten. Kopf fernhalten!  
4. Gasregulierung öffnen: leuchtende Flamme.  
5. Luftzufuhr öffnen: nicht leuchtende Flamme. Jetzt ist die Flamme 1000 °C heiß!  
   
Abschalten  
1. Luftzufuhr schließen: Die Flamme leuchtet wieder.  
2. Gasregulierung zudrehen: Die Flamme erlischt.  
  
  
Die einfache, elektrische Heizplatte dient zum schnellen Erhitzen von Flüssigkeiten in Pfannen, Gläsern oder Kolben. Sehr universelle Heizgeräte stellen die Magnetrührer dar, die neben der Rührfunktion meist auch eine Heizplatte eingebaut haben. Im Handel für Haushaltswaren sind auch ortsunabhängige Heizplatten mit Glaskeramikfeld oder Induktionsplatten erhältlich. Für letztere benötigt es Töpfe mit einer speziellen Metalllegierung, die sich durch das Magnetfelfd aufheizen lässt. Dieses System eignet sich beispielsweise zum schnellen Erhitzen von Färbebädern. Eine Alternative zum Gasbrenner stellen Elektrobrenner dar. In vielen Laboratorien darf nicht mit offener Flamme erhitzt werden. Elektrobrenner reduzieren die Brand-, Explosions- und Vergiftungsgefahr. 
   
Leicht entzündbare Stoffe dürfen im Labor generell nicht mit einer offenen Flamme oder einer Heizplatte erhitzt werden. Hier bieten sich elektrische Heizungen an, die feuchtigkeitsgeschützt sind und jede Art von offenem Feuer und Funkenbildung vermeiden. Die Pilzheizhaube enthält ein feuersicheres Geflecht aus Glasseide, das an eine bestimmte Rundkolbengröße angepasst ist. Sie wird oft mit einem Tragering geliefert, der an einem Stativ befestigt werden kann. Mit Hife einer elektrischen Regulierung sind verschiedene Temperaturen einstellbar. Mit den Heizhauben können leicht entzündbare Flüssigkeiten erhitzt oder destilliert werden.  
 
 
 Pilzheizhaube mit Rückflusskühler
 
Pilzheizhaube mit Kolben und Rückflusskühler
   
  
Der Trockenschrank ist ein elektrisch heizbarer Schrank, in dem Stoffe getrocknet werden. Mit Hilfe einer elektrischen Steuerung und einem Thermostat lassen sich gleich bleibende Temperaturen zwischen 30°C und 220°C einstellen. Stoffe, die ätzende oder giftige Dämpfe abgeben, dürfen nicht in Trockenschränken getrocknet werden.Elektrische Öfen erzeugen hohe, gleichbleibende Temperaturen von bis zu 1100°C. Der Tiegelofen nach Simon-Müller besteht aus Keramik und eignet sich zum Veraschen, Schmelzen und Verdampfen von Stoffen. Muffelöfen sind mit einer elektronischen Steuerung ausgestattet und werden durch elektrische Heizplatten geheizt. Eine hochwertige keramische Faser im Heizraum isoliert den Ofen nach außen.  
   
Ferner existieren eine Reihe weitere elektrischer Heizgeräte, die im Labor eingesetzt werden, beispielsweise Tauchsieder, Föne, Heizmäntel oder Heizstäbe. Eine besondere Form der indirekten Heizung stellen Wasser- oder Ölbäder dar. Sie enthalten ein elektrisch heizbares Badgefäß, in das Wasser oder Öl gefüllt wird. Durch eine elektronische Regelung können Bad-Temperaturen von bis zu 360°C eingestellt werden. Der Vorteil der Wasserbäder liegt jedoch vor allem in einer absolut gleichmäßigen Übertragung der Wärmeenergie auf das im Bad stehende Gefäß, zum Beispiel auf einen Kolben. Ein Wasserbad lässt sich auch als Dampfbad benutzen, wenn man den Kolben in den Dampfraum über dem siedenden Wasser hängt.  
   
   
Erhitzen bei Schülerübungen  
   
Dickwandige Gefäße wie Flaschen oder Trichter dürfen gar nicht erhitzt werden. Es eignen sich nur dünnwandige Gefäße wie Reagenzgläser, Bechergläser oder Kolben, die aus temperaturbeständigem Glas hergestellt sind. Geeignet sind Fiolaxglas, Duranglas oder Quarzglas (>Glas). Es werden aber auch Gefäße aus Porzellan eingesetzt, zum Beispiel Porzellanschalen zum Abdampfen von Flüssigkeiten. Beim Erhitzen oder Destillieren von Flüssigkeiten werden Siedesteinchen zugegeben. Größere Flüssigkeitsmengen werden in einem Becherglas oder einem Erlenmeyerkolben auf dem Keramikdrahtnetz im Dreifuß oder auf einer Glaskeramikplatte im Vierfuß erhitzt. Auch hier wird generell die nicht leuchtende Brennerflamme verwendet, da das Drahtnetz oder die Glaskeramikplatte sonst von unten verrußen.  
  
  
Vierfuß mit Keramikplatte
 
Vierfuß mit Glaskeramikplatte und
Ventilkartuschenbrenner neuer Bauart.
 
  
Kleinere Flüssigkeitsmengen werden am häufigsten in Reagenzgläsern erhitzt. Dabei sind diese Regeln zu beachten:  
  • Es wird ein Reagenzglashalter verwendet und eine Schutzbrille aufgezogen.
  • Das Erhitzen erfolgt mit einer kleinen, nicht leuchtenden Flamme, wobei das Reagenzglas ständig geschüttelt wird.
  • Die Reagenzglasöffnung darf nicht auf andere Personen gerichtet werden, da die siedende Flüssigkeit leicht aus dem Reagenzglas herausspritzt. Dieser Effekt kann durch die Zugabe eines Siedesteinchens verhindert werden.
Kleinere Feststoffmengen erhitzt man ebenfalls im Reagenzglas oder aber auch im Verbrennungslöffel, größere Mengen in einem Porzellantiegel, der mit Hilfe eines Tondreiecks auf dem Dreifuß befestigt wird.  
  
  

 

 
Erhitzen im Becherglas auf Keramiknetz

 

 

 

 
Erhitzen im Porzellantiegel auf Tondreieck
Erhitzen im vorgeheizten Wasserbad
Erhitzen im Becherglas
auf Keramiknetz
Erhitzen im Porzellantiegel
auf Tondreieck
Erhitzen im
vorgeheizten Wasserbad
  

Zum Erhitzen von kleinen Stoffmengen im Wasserbad spannt man ein größeres Reagenzglas (30x200mm) in ein Stativ und füllt es zur Hälfte voll mit Wasser. Dann erhitzt man das Wasser mit der nicht leuchtenden Brennerflamme bis zum Sieden und schaltet dann den Brenner ab. Ein kleineres Reagenzglas (20x180mm) mit dem zu erhitzenden Stoff wird dann in das noch heiße Wasser eingetaucht (vgl. Siedepunktbestimmung von Alkoholen). Größere Wasserbäder erhält man durch das Erhitzen von Wasser in Bechergläsern auf Keramikdrahtnetzen (vgl. Schülerübung zur Esterbildung). 

 
Copyright: T. Seilnacht