inhaltsverzeichnis - studientag dortmund · 5 voraussetzungen einer verbrennung 5.1 stoffliche...

Brand- und Löschlehre

Arbeitsgemeinschaftder Leiter derBerufsfeuerwehren NRW

Institut der FeuerwehrNordrhein-Westfalen

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Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung

1.1 Erläuterungen zum Gebrauch dieses Ausbilderleitfadens

1.2 Lernziel

2 Chemische Grundlagen

2.1 Chemische Stoffe

2.2 Aufbau des Atoms

2.3 Periodensystem der Elemente

2.4 Mol

2.5 Chemische Bindungen

2.6 Darstellung von Bindungen und chemischen Gleichungen


3.1 Energie

3.2 Wärme und Temperatur

3.3 Aggregatzustände

3.4 Wasser

3.5 Sauerstoff

3.6 Elektromagnetische Strahlung

4 Grundlagen der Verbrennung

4.1 Begriffsbestimmungen


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4.2 Oxidation

4.3 Sauerstoff

4.4 Erscheinungen des Feuers

4.5 Brennbare Stoffe

5 Voraussetzungen einer Verbrennung

5.1 Stoffliche Voraussetzungen einer Verbrennung

5.2 Energetische Voraussetzungen einer Verbrennung

5.3 Verbrennung fester Stoffe

5.4 Verbrennung flüssiger Stoffe

5.5 Verbrennung gasförmiger Stoffe

6 Auswirkungen einer Verbrennung

6.1 Wärme

6.2 Rauch

6.3 Rauchdurchzündung

6.4 Rauchexplosion

6.5 Stichflamme

6.6 Erhöhtes Sauerstoffangebot

6.7 Explosion

7 Löschlehre

7.1 Löscheffekte

7.2 Löschmittel Wasser




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7.3 Löschmittel Schaum

7.4 Löschmittel Pulver

7.5 Löschmittel Kohlenstoffdioxid

7.6 Fettbrandlöscher

7.7 Übersicht Brandklasseneinteilung

8 Anhang

8.1 Begriffsdefinitionen

8.2 Grafiken

8.3 Unterrichtsversuche

8.4 Quellangaben

Urheberrecht

© LFV NRW 2008. Alle Rechte vorbehalten

Die vorliegende Lehrunterlage darf, auch auszugsweise, ohne schriftliche Genehmigung des LFV NRW nicht reproduziert, übertragen, umgeschrieben auf Datenträger gespeichert oder in einer anderen Sprache bzw.

Computersprache übersetzt werden, weder in mechanischer, elektronischer, magnetischer, optischer, chemi-scher oder manueller Form. Die Vervielfältigung für die Anwendung bei Ausbildung der Feuerwehren des Landes

Nordrhein-Westfalen wird zugestimmt.




1 Einleitung

Das Löschen von Bränden ist eine der wesentlichen Aufgaben der Feuerwehr. Brände sind in ihren verschiedenen Arten sehr unterschiedlich. So reicht das Spektrum von kleinen und überschauba-ren Bränden, wie z.B. ein Lagerfeuer, bis hinzu Großbränden, wie z.B. der Brand einer Lagerhalle. Ebenso sind an den verschiedensten Bränden unterschiedli-che Stoffe beteiligt. So verbrennt bei

einem Lagerfeuer nur Holz, bei einem Brand eines LKW verbrennen sehr viele unterschiedliche Stoffe, wie z.B. Kunst-stoffe, Metalle Kraftstoffe, gefährliche Flüssigkeiten, usw.

Diese unterschiedlichsten Brände und brennbare Stoffe erfordern jeweils spezi-elle Löschtaktiken und Löschmittel. Um den jeweiligen Brand bzw. brennenden Stoff zu löschen, ist es somit erforder-lich, den Ablauf und die Voraussetzungen für eine Verbrennung zu kennen. So kann mit gezielten Maßnahmen eine Verbrennung gestoppt bzw. ein Brand

gelöscht werden.

Ebenso sind für eine effektive Brandbe-kämpfung Kenntnisse über die verschie-denen Löschmittel und ihre Verwendung sowie Einsatzmöglichkeiten erforderlich.

Dieser Ausbilderleitfaden vermittelt dem Ausbilder das entsprechende Wissen

über diese für das Feuerwehrwesen grundlegenden Vorgänge. Mit diesem Wissen ist es ihm möglich, den Lehr-gangsteilnehmern im Rahmen der Unter-richtseinheit Brand- und Löschlehre Kenntnisse über die Grundlagen der Brandlehre und der Löschlehre zu ver-

mitteln.

1.1 Erläuterungen zum Ge-

brauch dieses Ausbilder-

leitfadens

Nachdem in den Kapiteln 2 besondere Grundlagen für den Ausbilder vermittelt werden, entwickeln sich die Kapitel 4 bis 7 inhaltlich analog zur Lernunterlage für die Lehrgangsteilnehmer. Diese Kapitel sind im Vergleich zur Lernunterlage in ihren Inhalten erweitert und durch zu-sätzliche Informationen ergänzt. So steht

dem Ausbilder für die einzelnen The-mengebiete ein individuelles Hinter-grundwissen zur Verfügung.

Zu Beginn der Kapitel 4 bis 7 sind die für die Kapitel entsprechenden Lernziele

aufgeführt. Die Lernziele orientieren sich am Lernzielkatalog für die Truppmann-Ausbildung in der Freiwilligen Feuerwehr in NRW.

Im Anhang findet der Ausbilder neben

einem Verzeichnis wichtiger Begriffsdefi-nitionen unter anderem Durchführungs-anweisungen und Informationen für de-monstrative Vorführungen kleiner Versu-che im Rahmen des Unterrichts.

Anmerkung:

Eine Schreibweise, die beiden Geschlech-tern gleichermaßen gerecht wird, wäre sehr angenehm. Da aber neue entspre-chende Schreibweisen in der Regel zu großen Einschränkungen der Lesbarkeit führen, wurde darauf verzichtet. So gilt

für die gesamte Lehrunterlage, dass die maskuline Form, wenn nicht ausdrücklich anders benannt, für beide Geschlechter gilt.




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1.2 Lernziel

Richtlernziel für die Ausbildungseinheit Brand- und Löschlehre:

Der Lehrgangsteilnehmer hat Kennt-nisse, um das befohlene Löschmittel in Verbindung mit dem Löschgerät innerhalb eines Trupps oder, sofern zur Einzelanwendung bestimmt, auch im alleinigen Einsatz sachge-

recht und wirksam einzusetzen.





Die Chemie ist die Lehre von den stoffli-chen Eigenschaften der Materie und den Stoffänderungen.

Die uns umgebende Welt besteht aus den Grundbausteinen Materie und Ener-gie. Als Materie bezeichnet man alle Din-ge, die eine Masse haben und ein Volu-men einnehmen. Die Energie ist hinge-

gen die Fähigkeit eines Systems, Arbeit zu verrichten, also Zustände zu verän-dern.

2.1 Chemische Stoffe

Stoffe ist die chemische Bezeichnung für Materie mit bestimmten Eigenschaften. Diese Eigenschaften sind weitgehend unabhängig vom Aggregatzustand des Stoffes. Stoffe sind aus „kleinsten Teil-

chen“ aufgebaut. Diese kleinsten Teil-chen sind Träger der chemischen Eigen-schaften der Stoffe.

Stoffe werden anhand ihrer Zusammen-setzung in verschiedene Untergruppen eingeteilt:

Atome sind die Grundbausteine der Ma-terie. Sie sind die kleinste Einheit, in die sich die Materie mit chemischen oder mechanischen Mitteln zerlegen lässt.

Elemente sind kleinste Teilchen aus einer Sorte von Atomen (Atome, Molekü-le).

Verbindungen sind kleinste Teilchen, die aus verschiedenen Atomen (Molekü-le) bestehen.

Ein Molekül ist der Zusammenschluss von mindestens zwei oder mehreren

Atomen zu einem kleinsten Teilchen.

Kleinste Teilchen sind die kleinsten Bausteine, in die sich ein Stoff zerlegen lässt, die aber alle Eigenschaften des Stoffes wiedergeben (Elemente, Verbin-dungen).

Des Weiteren werden Stoffe in reine Stoffe und Gemenge (Gemische) unter-teilt.

Reine Stoffe bestehen entweder nur aus gleichen Atomen (Elemente), welche als kleinste Bausteine nicht weiter zer-legt werden können, oder aus Verbin-dungen, bei denen sich verschiedene Elemente gemäß den chemischen Ge-setzmäßigkeiten mit konstanten Ge-wichtsanteilen verbunden haben. Verbin-dungen können aber wieder in Elemente zerlegt werden.

Gemenge (Mischungen) entstehen

durch physikalische Vorgänge und kön-nen durch solche auch wieder getrennt werden. Es handelt sich entweder um homogene Mischungen, bei denen alle Inhaltsstoffe denselben Aggregatzustand haben und einheitliche Eigenschaften aufweisen, oder um heterogene Mi-schungen, bei denen die Inhaltsstoffe in

verschiedenen Aggregatzuständen vor-liegen und unterschiedliche Eigenschaf-ten aufweisen.

Abbildung 1: Stoffeinteilung




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2.2 Aufbau des Atoms

Ein Atom (griechisch: das Unteilbare) ist die kleinste, chemisch nicht mehr weiter teilbare Einheit eines Stoffes. Ein Atom besteht aus Atomkern und Atomhülle (auch als Atomschale bezeichnet). Wei-terer Bestandteil eines Atoms sind die Elementarteilchen. Diese für die einfache

Chemie bedeutenden Elementarteilchen sind die Protonen, die Neutronen und die Elektronen.

2.2.1 Atommodell

Für die Darstellung von Atomen gibt es verschiedene Modelle. Das meist verbrei-tete ist das Modell des dänischen Physi-kers Niels Bohr aus dem Jahr 1913.

Das Atom besteht demnach aus 3 Arten von Elementarteilchen:

Protonen:

positive elektrische Ladung

im Atomkern

Neutronen :

keine elektrische Ladung

im Atomkern

Elektronen:

negative elektrische Ladung

auf den Atomschalen

Die Protonen und Neutronen bilden ge-meinsam den Atomkern, wobei die Neut-ronen verhindern, dass sich die Protonen durch ihre gleichen Ladungen abstoßen. In den meisten Fällen befinden sich im Atomkern genauso viele Neutronen wie Protonen.

Abbildung 2: Atomkern

Die Atomhülle wird dagegen von den

Elektronen gebildet, welche den Atom-kern auf bestimmten Bahnen, den Scha-len, umkreisen. Der Durchmesser der Atomhülle ist dabei rund 10.000-mal größer als der Durchmesser des Atom-kerns. Zwischen den Atomschalen und dem Atomkern befindet sich ein „leerer“

Raum. Das Größenverhältnis des Atom-kerns zur Atomhülle ist vergleichbar mit dem Größenverhältnis eines Kirschkerns (2cm) zu einem Fernsehturm (ca. 200m).

Die Anzahl der Elektronen eines Atoms muss mit der Anzahl der Protonen iden-

tisch sein, damit sich die positiven und negativen Ladungen ausgleichen und das Atom elektrisch neutral ist. Die Anzahl der Elektronen ist für die chemischen Eigenschaften eines Stoffes ausschlag-gebend. Innerhalb eines Atoms sind die Ladungen ausgeglichen.

Abbildung 3: Atomhülle

Insgesamt haben Atome maximal 7 Schalen. Die Elektronen verteilen sich jedoch nicht zufällig auf den einzelnen Schalen. Jede Schale kann nur eine be-stimmte Anzahl von Elektronen aufneh-

men.

Nach einer einfachen Formel lässt sich die maximale Anzahl von Elektronen auf einer Schale bestimmen:




Maximale Schalenbesetzung = 2 n2

N steht für die Nummer der jeweiligen

Schale (1 bis 7).

1. Schale 2 x 12 = 2 Elektronen




Die Schalen werden bei der Verteilung der Elektronen immer von innen nach außen aufgefüllt, wobei die letzte Schale den Rest aufnimmt. Es ist das Bestreben der Atome, entweder auch die letzte

Schale komplett aufzufüllen, oder hier 8 Elektronen aufzuweisen.

2.3 Periodensystem der Ele-

mente

Im Periodensystem der Elemente sind alle bekannten Elemente aufgeführt. Sie sind nach ihrer Elektronenanordnung im Grundzustand angeordnet.

Die Elemente werden unterteilt in Perio-den (waagerechte Unterteilung) und Gruppen (senkrechte Unterteilung).

Elemente, die untereinander stehen, sind in der gleichen Gruppe (1 bis 18). Sie haben die gleiche Anzahl von Elektronen auf der Außenschale. Die Elektronen auf der Außenschale werden als Valenzelekt-

ronen bezeichnet. Die Anzahl und die Anordnung der Valenzelektronen sind bestimmend für das chemische Verhalten der Elemente.

Elemente, die nebeneinander stehen, sind in der gleichen Periode (1 bis 7). Sie haben die gleiche Anzahl besetzter Scha-len.

Abbildung 4: Periodensystem der Elemente

(größeres Format im Anhang)

Zu jedem Element werden Angaben zum Aufbau des Atoms gemacht. Am Beispiel des Kohlenstoffs werden diese erläutert:

Ordnungszahl

Elementsymbol

Bezeichnung

relative Atommasse

Die Ordnungszahl (6) wird auch als Kernladungszahl bezeichnet. Sie gibt die

Anzahl der Protonen im Atomkern an.

Das Elementsymbol (C) ist das Kurzzei-chen des jeweiligen Stoffs.

Die Relative Atommasse der Elemente ist eine Angabe über die Masse der Atome im Verhältnis zu einem bestimmten Koh-

lenstoff. Dies wird in der Atomaren Mas-seneinheit (u) wiedergegeben. Die Ato-mare Masseneinheit ist der zwölfte Teil des bestimmten Kohlenstoffs. Der Zah-lenwert der Atomaren Masseneinheit wird ohne Einheit als relative Atommasse bezeichnet. Somit hat der im Beispiel aufgeführte Kohlenstoff die relative

Atommasse 12,01. Die relative Atom-masse entspricht oftmals der ungefähren Summe der Anzahl der Protonen und der Anzahl der Neutronen eines Atoms.




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2.4 Mol

Um die Gewichte verschiedener Elemen-te beurteilen zu können, erforschte der italienische Physiker Avogadro im 19. Jahrhundert den Zusammenhang zwi-schen der relativen Atommasse und dem Volumen verschiedener Stoffe. Er stellte dabei fest, dass alle Stoffe im gasförmi-gen Zustand das gleiche Volumen ein-nahmen, wenn die Masse des Stoffes in Gramm der Zahl der relativen Atommas-se (Anzahl Protonen + Anzahl Neutro-

nen) entsprach. Dieses Volumen wird Mol-Volumen genannt. Es in Abhängig-keit von der Außentemperatur und dem Luftdruck eine feste Größe: 22,4 Liter bei 0°C und 1013 hPa

Die Mol-Masse eines Elementes oder ei-ner Verbindung entspricht der Summe der einzelnen Atomgewichte in Gramm.

Beispiele:

Wasser: H2O

rel. Atommassen: H2 = 2 x 1

O = 16 .

Summe: 18

Mol-Gewicht: 18 g/Mol

22,4 Liter Wasser wiegen im gasförmi-gen Zustand bei 0°C und 1013 hPa 18 Gramm.

----------------------------------------------

Sauerstoff: O2

Rel. Atommasse: O2 = 2 x 16

Summe: 32

Mol-Gewicht: 32 g/Mol

22,4 Liter Sauerstoff wiegen im gasför-migen Zustand bei 0°C und 1013 hPa 32 Gramm.

Das Mol-Volumen bzw. Mol-Gewicht hat sowohl in der Chemie wie auch in der

Physik eine große Bedeutung. In der Brand- und Löschlehre wird es unter an-derem zur Volumenberechnung von Löschgasen (z.B. CO2) oder Wasser-dampf benötigt.

2.5 Chemische Bindungen

Grundlage der chemischen Bindungen ist das Bestreben der Natur, den energie-ärmsten Zustand einzunehmen, da diese am stabilsten sind. Die Verteilung der

Elektronen eines Atoms ist dann am energieärmsten, wenn sich 8 Elektronen auf der äußersten Schale des Atoms be-finden. Da Edelgase von Natur aus eine solche Anordnung besitzen, wird eine derartige Elektronenverteilung Edelgas-konfiguration genannt. Einzige Ausnah-me ist das Edelgas Helium. Es hat nur eine Außenschale, die mit nur zwei Elekt-ronen jedoch voll besetzt ist und somit ebenfalls ein Edelgas ist. Atome, die kei-ne Edelgaskonfiguration haben, streben diese durch das Bilden von Verbindungen an. Es gibt drei hauptsächliche Bin-dungsarten: Die Atombindung, die Io-nenbindung und die Metallbindung.

2.5.1 Atombindung

Atombindungen treten zwischen Nicht-

metallen auf. Die Stabilität einer Atom-bindung ist abhängig von der Kraft, mit der die beteiligten Atome ihre Valenz-elektronen anziehen. Die Vergleichszahl für die Stärke dieser Anziehung ist die Elektronegativität. Je größer der Wert der Elektronegativität, desto größer ist die Anziehungskraft auf die Valenzelekt-

ronen.

Beispielwerte Elektronegativität:

Natrium 1,01




Wasserstoff 2,10

Stickstoff 3,07

Sauerstoff 3,50

Fluor 4,10

Die Elektronegativität ist abhängig von der Ladung des Kerns (Anzahl Protonen und Neutronen), der Anzahl der Elektro-nen und dem Abstand der Valenzelektro-

nen vom Atomkern.

Bei der Atombindung erreichen Atome die Edelgaskonfiguration, indem sich mehrere Atome eines Elements ein oder mehrere Elektronenpaare teilen. Diese Art der Bindung wird auch als Elektro-

nenpaarbindung bezeichnet.

Beispiel Wasserstoff:

Abbildung 5: Atombindung Wasserstoff

Ein Wasserstoffmolekül (H2) besteht aus zwei Wasserstoffatomen. Wasserstoff-atome haben nur eine Außenschale, auf der ein Valenzelektron ist. Verbinden sich zwei Wasserstoffatome, so bilden die beiden Valenzelektronen ein Elektro-nenpaar. Beide Elektronen werden nun von beiden Atomen genutzt. So haben beide Atome ihre äußerste Schale mit der maximalen Elektronenanzahl belegt.

Beispiel Wasser:

Abbildung 6: Atombindung Wasser

Ein Wassermolekül (H2O) besteht aus zwei Wasserstoffatomen und einem Sau-erstoffatom. Das Sauerstoffatom hat

sechs Elektronen auf der Außenschale. Ihm fehlen somit noch zwei Elektronen zur Edelgaskonfiguration. Die beiden Wasserstoffatome haben jeweils ein Elektron auf der Außenschale. Ihnen fehlt jeweils ein Elektron um die Außen-schale voll zu besetzen. Durch die höhe-re Elektronegativität des Sauerstoffs ge-genüber dem Wasserstoff werden die Valenzelektronen des Wasserstoffs sehr stark vom Sauerstoff angezogen. Durch zwei Elektronenpaare bindet der Sauer-stoff die beiden Wasserstoffatome an sich. Die vier Elektronen der beiden Paa-re werden nun vom Sauerstoff und vom Wasserstoff genutzt. Der Sauerstoff hat so die Edelgaskonfiguration und der Wasserstoff eine voll besetzte Außen-schale erreicht.

Je größer die Elektronegativitätsdifferenz zwischen den Bindungspartnern ist, des-to einseitiger ist die Verteilung der ge-

meinsamen Valenzelektronenpaare. Sol-che Bindungen werden als polare Atom-bindungen (z.B. Wasser).

2.5.2 Ionenbindung

Wird die Elektronegativität groß genug, so halten sich die Valenzelektronenpaare praktisch ausschließlich bei den Bin-dungspartnern mit der größten Elektro-




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negativität auf. Ein Atom mit einer ge-ringen Elektronegativität verliert sozusa-

gen Valenzelektronen an das Atom mit der deutlich höheren Elektronegativität. Durch den Zu- bzw. Abgang von Valenz-elektronen sind die Ladungszustände der Atome nicht mehr ausgeglichen. Das Atom, das Valenzelektronen aufnimmt wird zu einem negativen Ion, das abge-bende Atom zu einem positiven Ion. Auf-grund der unterschiedlichen Ladungen ziehen sich diese Atome nun an. Die Io-nenbindung kommt zwischen Metallen und Nichtmetallen zustande.

Beispiel Natriumchlorid:

Abbildung 7: Ionenbindung Natriumchlorid

Natriumchlorid (NaCl) besteht aus einem Natrium-Atom und einem Chlor-Atom. Das Natrium hat ein Elektron auf der

Außenschale, dem Chlor fehlt dort ein Elektron. Da die Elektronegativität von Chlor (2,83) deutlich größer ist als die des Natriums (1,01), wird das Valenz-elektron des Natriums zum Chlor her-übergezogen. Das Natrium wird hier-durch zu einem positiven Ion, der Chlor zu einem negativen Ion. Aufgrund der nun unterschiedlichen Ladungen ziehen sich die beiden Atome an.

2.5.3 Metallbindung

Metalle besitzen allesamt nur wenige Elektronen auf der Außenschale. Auf-grund der geringen Elektronegativität der Metalle sind diese Valenzelektronen nur schwach an das Atom gebunden. Sie

bewegen sich relativ leicht von einem Metallatom zum nächsten, ohne irgend-

wo länger gebunden zu sein. Auf diese Weise verbinden sie die Metall-Atome miteinander.

Beispiel Natrium:

Abbildung 8: Metallbindung Natrium

Natrium besitzt nur ein Elektron auf der Außenbahn. Diese Valenzelektronen der einzelnen Atome bewegen sich nun rela-tiv frei zwischen den einzelnen Atomen, ohne länger an einem Ort zu verweilen. Auf diese Weise verbinden sie die einzel-nen Atome mit einander.

2.6 Darstellung von Bindungen und chemischen Gleichun-

gen

In der Chemie werden Bindungen und Gleichung in verschiedener Form gra-phisch und mathematisch dargestellt. Diese einheitliche Schreibweise bzw. Darstellungsform ermöglicht es, Ände-

rungen und Bindungseigenschaften von Stoffen anschaulich zu machen.




2.6.1 Bindungen

Da die Darstellung von Bindungen unter Verwendung von Atommodellen sehr aufwendig und unübersichtlich wäre, wird eine vereinfachte Form der Darstel-lung verwendet. Sie beruht auf der Ver-wendung von Elementsymbolen und Strichen, welche die Verbindungen dar-stellen. Sie wird als Strukturformel be-zeichnet. Anhand zweier Beispiele kann dies verdeutlicht werden.

Beispiel 1:

Stoff: Methan

Symbolsprache: CH4

Summenformel: CH4

Strukturformel:

Beispiel 2:

Stoff: Ethylalkohol

Symbolsprache: C2H5OH

Summenformel: C2H6O

Strukturformel:

Die Striche zwischen den Elementsymbo-len stellen die Verbindungen dar. Jeder Strich steht für ein Elektronenpaar. So erhalten Verbindungen, die aus zwei Elektronenpaaren bestehen zwei paralle-le Striche zur Verbindung zwischen den Elementsymbolen.

2.6.2 Chemische Gleichungen

Die bei einer chemischen Reaktion ablau-fenden Stoffumwandlungen können in

einer chemischen Gleichung dargestellt werden. Die chemische Gleichung ent-spricht in vieler Hinsicht der Mathemati-schen Gleichung.

Da bei chemischen Reaktionen keine Materie bzw. Atome „verschwinden“ können, müssen diese in den Ausgangs- und Endprodukten einer chemischen Re-aktion in gleicher Anzahl und mit der gleichen Masse vorhanden sein. Auch bei einer Verbrennung „verschwindet“ schließlich nichts, es bilden sich nur neue Verbindungen aus den an der Reaktion beteiligten Stoffe, mit teilweise anderen

Aggregatzuständen. Daher gilt der Grundsatz, dass bei allen chemischen Vorgängen die Gesamtmasse der an der Reaktion beteiligten Stoffe konstant bleibt.

So kann eine Reaktion mit Hilfe der For-melsprache als chemische Gleichung (Reaktionsgleichung) dargestellt und vorausberechnet werden. Wie bei der mathematischen Gleichung auch, steht auf beiden Seiten ein Ausdruck, der den gleichen Wert hat. Für Reaktionsglei-chungen wird jedoch das Gleichheitszei-chen durch einen nach rechts gerichteten Pfeil ersetzt, der als „ergibt“ gelesen

wird.

Beispiel:

Kohlenstoff (C) und Sauerstoff (O) rea-gieren zu Kohlenstoffdioxid (CO2).

C + O2 CO2

1 mol C + 1 mol O2 1 mol CO2

12 g C + 32 g O2 44 g CO2

Mit Hilfe solcher Gleichungen lassen sich die zur Umsetzung einer Reaktion nöti-gen Mengen berechnen.

Beispiel:

Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff zu Wasser:




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Ausgangs- und Endstoffe sind bekannt:

2 H + O H2O

Wasserstoff und Sauerstoff kommen nur als Moleküle vor:

H2 + O2 H2O

Die Gleichung stimmt jedoch nicht, da auf der linken Seite ein Sauerstoffatom

mehr steht als auf der rechten. Daher wird durch ein weiteres Wasserstoffmo-lekül ausgeglichen:

2 H2 + O2 2 H2O

4 Atome Wasserstoff + 2 Atome Sauer-stoff = 4 Atome Wasserstoff + 4 Atome Sauerstoff

So erfolgt die Berechnung chemischer Reaktionen immer in zwei Schritten. Zu-erst werden die die Ausgangs- und End-stoffe angegeben. Im zweiten Schritt wird die Anzahl der Atome ausgeglichen.




3 Physikalische Grundla-

gen

Die Physik befasst sich mit den Zustän-den der Stoffe und den Zustandsände-rungen, wie z.B. dem Wärmezustand, der Bewegung und den Kräften.

Die Physik gliedert sich in die Fachrich-tungen Mechanik, Wärmelehre, Akustik, Optik, Elektrizitätslehre und Atomphysik.

Für die Brand- und Löschlehre hat die Wärmelehre die größte Bedeutung.

3.1 Energie

Nachdem in der Chemie die Materie be-handelt wurde, beschäftigt sich die Phy-sik mit dem zweiten Grundbaustein un-serer Welt, der Energie.

Energie ist die Fähigkeit eines Systems Arbeit zu verrichten, also Zustände zu verändern. Mann kann Energie nicht mit den menschlichen Sinnen wahrnehmen, jedoch ihre Auswirkungen.

Es gibt verschiedene Energieformen:

Kinetische Energie (Bewegungs-energie)

Potentielle Energie (Lageenergie)

Wärmeenergie

Elektrische Energie

Chemische Energie

Kernenergie

Die Einheit der Energie ist das Joule (J).

3.2 Wärme und Temperatur

Wärme ist eine Energieform. Sie äußert sich in der kinetischen Energie (Bewe-gungsenergie) der kleinsten Teilchen.

Die Temperatur ist ein Maß für die Kine-tische Energie der Teilchen und somit ein Maß für den Wärmezustand der Teilchen bzw. eines Stoffes.

Ein Thermometer ist somit ein Hilfsmittel zur Feststellung der Größe für die Bewe-gung der kleinsten Teilchen.

3.2.1 Temperaturskala

Die gebräuchlichste Temperaturskala ist die des schwedischen Astronomen An-ders Celsius, welche er 1742 einführte.

Sie orientiert sich an den Aggregatzu-ständen des Wassers, wodurch sie sehr anschaulich ist. Ihre Einheit ist Grad Cel-sius (°C)

Für Berechnungen im Zusammenhang mit den Wärmewirkungen eignet sich jedoch die nach dem britischen Physiker Kelvin benannte Temperaturskala bes-ser, da sie vom absoluten Nullpunkt als 0 Kelvin (K) ausgeht.

Wird ein Körper bis auf den absoluten Nullpunkt abgekühlt (-273,15°C), so kommt die Bewegung der kleinsten Teil-chen vollständig zum Erliegen. Dieser

Zustand entspricht 0 Kelvin (K). In die-sem Zustand enthält kein Körper mehr Energie in Form von Wärme. Es ist somit der absolute Temperaturnullpunkt.

Die Abstände von einem Kelvin zum nächsten sind identisch mit der Celsius-

skala, sodass eine einfache Umrechnung der Einheiten möglich ist. So entspre-chen 0 Kelvin -273,15 Grad Celsius und 0 Grad Celsius entsprechen 273,15 Kel-vin.




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Abbildung 10: Temperaturskala

Auch wenn die Differenz zwischen Grad Celsius und Kelvin 273,15 beträgt, wird sie oftmals vereinfacht als 273 ange-nommen.

3.2.2 Bewegung der kleinsten Teil-chen

Die Bewegung der kleinsten Teilchen hat eine zentrale Bedeutung für den Wärme-zustand und somit die Temperatur eines Stoffes. Jedes kleinste Teilchen hat einen Ruhepunkt, um den herum es sich be-wegt. Zur Bewegung um den Ruhepunkt

herum benötigt das Teilchen Energie. Diese Energie wird als Bewegungsener-gie (Kinetische Energie) bezeichnet. Je größer die Kinetische Energie eines kleinsten Teilchens ist, desto stärker bewegt es sich um seinen Ruhepunkt herum.

Ist die Kinetische Energie gering, so sind die kleinsten Teilchen eines Stoffes sehr regelmäßig angeordnet und sie bewegen sich nur wenig um ihren Ruhepunkt herum.

Ist die Kinetische Energie jedoch größer, so sind die

Kleinsten Teilchen unregel-mäßiger angeordnet und sie bewegen sich deutlich stär-ker um ihren Ruhepunkt herum.

3.2.3 Ausdehnung von Stoffen

Abhängig von ihrer Kinetischen Energie bewegen sich die Kleinsten Teilchen ei-nes Stoffes mehr oder weniger stark um ihren Ruhepunkt herum. Somit benö-tigen sie bei einer großen Kinetischen

Energie mehr Platz für ihre Bewegung als bei einer kleinen. Aufgrund dieses größeren Platzbedarfs der Teilchen dehnen sich Stoffe bei Erwärmung (größer werdende Kinetische Energie) aus. Kühlen Stoffe ab (geringer werdende Kinetische Energie), so ziehen sie sich zusammen, da die Teilchen

weniger Platzbedarf für ihre Bewegung haben. Die Ausdehnung der Stoffe erfolgt über-wiegend gleichmäßig in alle drei Raum-richtungen. Da gerade feste Stoffe je-doch eine bestimmte Form haben, kann hier die Ausdehnung in eine oder zwei Raumrichtungen überwiegen. Diese Län-genausdehnung von festen Stoffen ist abhängig vom jeweiligen Stoff. So gibt es für jeden Stoff einen Ausdehnungsko-effizienten, der die Größe der Ausdeh-nung pro Kelvin angibt. Stahl hat z.B. Den Längenausdehnungskoeffizienten (α) 11,7. Einheit für den Längenausdeh-

nungskoeffizienten ist 10-6 x K-1. Für Stahl gilt somit α = 11,7 x 10-6 K-1.

Formel zur Berechnung der Längenaus-dehnung:

Δl = l1 x α x ΔT

Δl = Längenzunahme (l2-l1)

α = Längenausdehnungskoeffizient

ΔT = Temperaturdifferenz (T2-T1)

Abbildung 11: geringe Kine-

tische Energie

Abbildung 9: große Kineti-

sche Energie




Beispiel:

Ein 10 m langer Stahlträger wird von 20°C (293 K) auf 300°C (573 K) er-wärmt. Wie groß ist hierbei seine Län-genausdehnung?

l1 = 10 m

T1 = 293 K

T2 = 573 K

α = 11,7 x 10-6 K-1

Δl = ?

Δl = l1 x α x ΔT

Δl = 10 m x 11,7 x 10-6 K-1 x

(573 K – 293 K)

Δl = 0,03276 m

Die Längenausdehnung des Stahlträgers beträgt 0,033 Meter.

Da die Form von flüssigen Stoffen rela-

tiv beliebig ist, ist für sie nur die Volu-menausdehnung von Bedeutung. Für Flüssigkeiten gibt es stoffabhängige Raumausdehnungskoeffizienten (γ).

Wasser hat z.B. den Raumausdehnungs-koeffizienten 0,18. Einheit für den Raumausdehnungskoeffizienten ist 10-3 x K-1. Für Wasser gilt somit γ = 0,18 x 10-3

K-1.

Formel zu Berechnung der Volumenaus-dehnung bei Flüssigkeiten:

ΔV = V1 x γ x ΔT

ΔV = Volumenänderung (V2 – V1)

γ = Raumausdehnungskoeffizient


Beispiel:

100 l Wasser werden von 20°C (293 K) auf 80°C (353 K) erwärmt. Wie groß ist hierbei die Volumenausdehnung des Wassers?

V1 = 100 l

T1 = 293 K

T2 = 353 K

γ = 0,18 x 10-3 K-1

ΔV = ?

ΔV = V1 x γ x ΔT

ΔV = 100 l x 0,18 x 10-3 K-1 x

(353 K – 293 K)

ΔV = 1,08 l

Die Volumenausdehnung des Wassers beträgt 1,08 Liter.

Die Ausdehnung von gasförmigen Stof-

fen kann jedoch vereinheitlicht berech-net werden, da die meisten stoffspezifi-schen Ausdehnungskoeffizienten relativ ähnlich sind. So gilt, dass sich ein Gas bei Erwärmung oder Abkühlung pro Kel-vin um 1/273 seines Volumens ausdehnt bzw. zusammenzieht. Dies gilt jedoch nur, wenn der Druck konstant bzw. un-berücksichtigt bleibt.

Formel zur Berechnung der Volumenaus-dehnung bei Gasen:

ΔV = V1 x ΔT / 273 K

ΔV = Volumenänderung (V2 – V1)


Beispiel:

Ein Gas nimmt bei 20°C (293 K) ein Vo-lumen von 10 m³ ein. Bei gleichbleiben-

dem Druck wird das Gas auf 60 °C (333 K) erwärmt. Um welches Volumen dehnt sich das Gas durch die Erwärmung aus?

V1 = 10 m³

T1 = 293 K

T2 = 333 K

ΔV = V1 x ΔT / 273 K

ΔV = 10 m³ x (333 K – 293 K) /

273 K




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ΔV = 1,465 m³

Das Gas dehnt sich bei der Erwärmung um 1,465 m³ aus.

3.3 Aggregatzustände

Der Aggregatzustand ist die von Druck und Temperatur abhängige Zustands-form eines Stoffes. Es wird zwischen drei Zustandformen unterschieden: fest, flüs-sig und gasförmig.

Die Aggregatzustände sind ebenso wie die Temperatur abhängig von der Bewe-

gung der kleinsten Teilchen und ihrer Anordnung.

So schwingen die kleinsten Teilchen fes-ter Stoffe in geringen Abständen zu ei-nander nahe um ihre Ruhepunkte her-um. Die Bindungskräfte zwischen den Teilchen sind so relativ stark.

Dahingegen schwingen die kleinsten Teilchen flüssiger Stoffe stärker um ihren Ruhepunkt herum. Sie verschieben sich gegeneinander und vergrößern ihre Ab-stände untereinander. Die Bindungskräf-te zwischen den Teilchen nehmen ab.

Bei gasförmigen Stoffen bewegen sich die kleinsten Teilchen relativ ungeordnet durch den Raum. Die Abstände der Teil-chen sind sehr groß und die Bindungs-kräfte deshalb sehr schwach.

3.3.1 Änderungen von Aggregatzu-ständen

Da die Aggregatzustände von der Bewe-gung der kleinsten Teilchen abhängig sind, haben Änderungen des Wärmezu-standes eines Stoffes direkten Einfluss

auf die Aggregatzustände.

Durch Wärmeeinwirkung steigt die Be-wegungsenergie der kleinsten Teilchen. Dies führt zu einem Festigkeitsverlust

des Stoffes und so bei entsprechender Erwärmung zur Änderung der Aggregat-

zustände. Ebenso wirkt auch eine Abküh-lung des Stoffes auf die Bewegungsener-gie der kleinsten Teilchen ein. Die Bewe-gungen werden geringer, der Stoff ge-winnt an Festigkeit und ändert bei ent-sprechender Abkühlung seine Aggregat-zustände.

Die Änderungen der Aggregatzustände und ihre Bezeichnungen lassen sich gra-phisch in Form eines Dreiecks darstellen.

Abbildung 12: Aggregatzustandsänderungen

3.4 Wasser

Wasser ist das wichtigste und bekann-teste Löschmittel. Es kommt bei fast 90% aller Brände zum Einsatz. Für die Löschlehre sind verschiedene spezielle Eigenschaften des Wassers von Bedeu-tung.

3.4.1 Zustandsdiagramm

Aus dem Zustandsdiagramm eines Stof-fes kann man ersehen, welchen Aggre-gatzustand der Stoff bei einem bestimm-ten Druck und einer bestimmten Tempe-ratur einnimmt.




Abbildung 13: Zustandsdiagramm Wasser

Der Kritische Punkt ist die Temperatur, oberhalb der Wasser auch bei noch so großem Druck sich nicht mehr verflüssi-gen lässt und nur noch im gasförmigen Zustand vorkommt.

Der Tripelpunkt ist der Punkt an dem bei einem bestimmten Druck und einer be-stimmten Temperatur Wasser in allen

drei Aggregatzuständen vorliegt.

Wasser gefriert unter Normalbedingun-gen (1013 hPa bzw. 1,013 bar) bei 0°C und siedet bei 100°C. Dies ist die Grund-lage der Temperaturskala nach Celsius. Bei normalem Luftdruck kommt Wasser in allen drei Aggregatzuständen vor. In fester Form als Eis, in flüssiger Form als Wasser und in gasförmiger Form als Dampf. Eine Änderung des Normaldrucks führt zu einer Verschiebung des Siede- und des Schmelzpunktes. Diesen Vor-gang kann man auch im Feuerwehrein-satz beobachten, wenn in einer Feuer-

löschkreiselpumpe ein großer Unterdruck auf der Saugseite herrscht und gleichzei-tig große Mengen Wasser abgegeben werden. In dieser Situation kann das Wasser auf der Saugseite der Pumpe aufgrund des Unterdrucks bereits bei Umgebungstemperatur sieden (ver-dampfen). Im Übergangsbereich zur Druckseite, wo der Druck deutlich höher als auf der Saugseite ist, kondensiert es schlagartig wieder. Diesen Vorgang nennt man Kavitation. Die Kavitation

kann zur Zerstörung der Bauteile inner-halb einer Pumpe führen.

3.4.2 Dichteanomalie des Wassers

Eine besondere physikalische Eigenschaft des Wassers ist die sogenannte Dichte-anomalie. Die größte Dichte des Wassers liegt bei einer Temperatur von 4°C vor. Ab dieser Temperatur nimmt die Dichte sowohl bei Erwärmung als auch bei Ab-kühlung ab. Dies ist nicht normal, da bei fast allen Stoffen gilt, dass die Dichte bei sinkender Temperatur zunimmt.

Diese Dichteanomalie hat folgende Aus-

wirkungen:

Wasser ist bei einer Temperatur von 4°C am schwersten und sinkt nach unten. Kälteres Wasser (z.B. 1°C) ist leichter und steigt an die Oberfläche. Somit schwimmt zu Eis gefrorenes Wasser oben auf dem wärmeren Wasser. Daher frieren Gewässer von oben nach unten zu. Für die Feuerwehr ist dies wichtig, weil so durch Aufschlagen der Eisdecke eine Wasserentnahme aus nur oberflä-chig zugefrorenen Gewässern möglich ist.

Abbildung 14: Dichteanomalie des Wassers

3.4.3 Volumenausdehnung

Mit Temperaturänderungen von Stoffen ändert sich die jeweilige Dichte. Das heißt, dass bei gleichbleibender Masse eines Stoffes sich dessen Volumen än-dert. Da Wasser seine größte Dichte bei




19/81

4 °C hat, dehnt es sich bei Abkühlung unter 4 °C oder Erwärmung über 4 °C

aus. Gerade bei der Eisbildung liegen die Wassermoleküle im Eiskristall nicht so dicht bei einander wie im flüssigen Was-ser. Dies bedeutet beim Gefrieren eine Volumenzunahme von ca. 10%, wodurch wasserführende Armaturen zerstört wer-den können.

Ebenso findet eine Volumenausdehnung des Wassers beim Verdampfen statt. Die Moleküle verlassen den Flüssigkeitsver-band und haben als Dampfmoleküle eine viel größere Bewegungsfreiheit. Die Vo-lumenausdehnung beträgt hierbei das ca. 1700-fache.

1 Liter Wasser ergibt ca. 1700 Liter Was-serdampf!

Mathematische Herleitung:

Masse 1 Liter Wasser = 1 Kg (1000 g)

Wasser = H2O (rel. Atommasse: 18)

Mol-Gewicht H2O = 18 g/mol

1000g : 18 g/mol = 55,56 mol

1 mol = 22,4 Liter

55,56 mol = 1244,54 Liter

1 Liter Wasser nimmt somit im gasför-migen Zustand bei 0°C und 1013 hPa ein Volumen von 1244,54 Liter ein.

Da Wasser bei 1013 hPa jedoch erst bei 100 °C verdampft, muss die Volumenzu-nahme (ΔV) durch die der Erwärmung um 100 °C bzw. 100 K zusätzlich addiert

werden.

ΔV = V1 x ΔT / 273 K

V1 = 1244,54 l

ΔT = 100 K

ΔV = 1244,54 l x 100 K / 273 K

ΔV = 455,88 l

Gesamtvolumen:

V = V1 + ΔV

V = 1244,54 l + 455,88 l

V = 1700,42 l

Somit nimmt ein Liter Wasser nach dem Verdampfen ein Volumen von 1700,42 (ca. 1700) Liter ein.

3.4.4 Polarität

Wasser (H2O) ist eine polare Flüssigkeit. Dies beruht auf der hohen Elektronegati-vität des Sauerstoffs (siehe 2.5.1 Atom-bindung). Innerhalb des Moleküls zieht der Sauerstoff die negativen Bindungs-elektronen stärker an als der Wasser-stoff. Es entsteht ein elektrisch negativer Pol, da die negativen Elektronen inner-halb des Moleküls alle auf der Seite des Sauerstoffs sind. Auf der Seite des Was-serstoffs sind hingegen keine Elektronen mehr. Somit ist hier ein positiver Pol entstanden. Diese Molekülform des Was-sers wird als Dipolmolekül bezeichnet.

Abbildung 15: Dipolmolekül Wasser

3.4.5 Spezifische Wärmekapazität

Wie viel Energie einem Stoff zugeführt werden muss, um ihn um eine bestimm-te Temperaturdifferenz zu erwärmen, hängt vom jeweiligen Stoff und von sei-ner Masse ab. Für jeden Stoff gibt es




eine spezifische Wärmekapazität die an-gibt, wie viel Wärmeenergie (in Kilojoule,

kJ), man einer bestimmten Masse (in kg) des Stoffes zuführen muss, um diese um eine bestimmte Temperaturdifferenz (in Kelvin, K) zu erwärmen. Da sich die Mo-leküle des Wassers aufgrund des Dipol-charakters gegenseitig stark anziehen, muss entsprechend viel Energie zuge-führt werden, um mehr Bewegung in die

Teilchen zu bringen und so die Tempera-tur zu erhöhen. So ist die spezifische Wärmekapazität sehr groß. Für Eis und Dampf ist dieser Wert nur halb so groß, jedoch im Vergleich zu den meisten an-deren Stoffen trotzdem beachtlich.

Spezifische Wärmekapazität (cv):

Wasser = 4,2 kJ/(kg x K)

Eis = 2,1 kJ/(kg x K)

Dampf = 2,1 kJ/(kg x K)

Neben der spezifischen Wärmekapazität gibt es für jeden Stoff auch die spezifi-sche Schmelzwärme und die spezifische Verdampfungswärme. Wenn ein Stoff schmelzen oder verdampfen soll, wird noch mehr Wärmeenergie benötigt, weil die Teilchen zur Änderung des Aggregat-

zustandes eine noch größere Energie benötigen. Die Änderungen der Aggre-gatzustände finden nur bei bestimmten Temperaturen statt. Daher beziehen sich die Angaben zur spez. Schmelz- und Verdampfungswärme nur auf die Masse des Stoffes, vorherige Temperaturverän-derungen spielen hierbei keine Rolle.

Spezifische Schmelzwärme (cschmelzen):

Eis zu Wasser = 336 kJ/kg

Spezifische Verdampfungswärme

(cverdampfen):

Wasser zu Wasserdampf = 2257 kJ/kg

Formel zur Berechnung der benötigten Wärmemenge bei Erwärmung:

E = m x ΔT x cv

E = Energie

m = Masse


cv = spezifische Wärmekapazität

Beispiel:

1 kg Wasser hat eine Temperatur von -20°C (es liegt als Eis vor). Es soll auf 250°C (Wasserdampf) erwärmt werden. Welche Energie ist hierzu erforderlich?

m = 1 kg

T1 = 253 K

T2 = 523 K

1. Erwärmung Eis von -20°C auf 0°C:

E = m x ΔT x cv Eis

E = 1 kg x 20 K x 2,1 kJ/(kg x K)

E = 42 kJ

2. Schmelzen 0°C Eis zu 0°C Wasser:

E = m x cschmelzen

E = 1 kg x 336 kJ/kg

E = 336 kJ

3. Erwärmung Wasser von 0°C auf 100°C:

E = m x ΔT x cv Wasser

E = 1 kg x 100 K x 4,2 kJ/(kg x K)

E = 420 kJ

4. Verdampfen von 100°C Wasser zu 100°C Wasserdampf:

E = m x cverdampfen

E = 1 kg x 2257 kJ/kg

E = 2257 kJ

4. Erwärmung Wasserdampf von 100°C auf 250°C:

E = m x ΔT x cv Dampf

E = 1 kg x 150 K x 2,1 kJ/(kg x K)




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E = 315 kJ

5. Addieren der einzelnen Energiebeträ-ge:

Summe: 42 kJ

+ 336 kJ

+ 420 kJ

+ 2257 kJ

___+ 315 kJ_

3370 kJ

Der größte Energiebetrag wird benötigt, um Wasser zu verdampfen. Daher hat es

seine effektivste Löschwirkung wenn es gelingt, das Wasser bei der Brandbe-kämpfung zum Verdampfen zu bringen.

3.4.6 Elektrische Leitfähigkeit

In Flüssigkeiten sind Stromflüsse nur möglich, wenn in ihnen Ionen gelöst sind. Chemisch reines Wasser hat keine nennenswerte elektrische Leitfähigkeit, da in ihm nur wenige Ionen erhalten sind. Da Wasser jedoch ein gutes Lö-sungsmittel für Salze ist, wobei freie Io-

nen entstehen, kann so die elektrische Leitfähigkeit enorm zunehmen und ge-fährlich hohe Werte erreichen. So ist auch das zur Brandbekämpfung einge-setzte Löschwasser leitfähig. Daher sind bei Löscheinsätzen in elektrischen Anla-gen entsprechende Abstände nach DIN VDE 0132 „Brandbekämpfung in elektri-

schen Anlagen“ (siehe 7.2.5 Einsatz von Wasser in elektrischen Anlagen ) einzu-halten.

3.4.7 Thermische Dissoziation

Eine Dissoziation ist ein chemischer Vor-gang, bei dem eine Verbindung in zwei oder mehrere Moleküle zerlegt wird. Ge-schieht dies aufgrund von großer Wär-

meeinwirkung, so wird von der thermi-schen Dissoziation gesprochen.

Bei sehr hohen Verbrennungstemperatu-ren, die insbesondere bei Metallbränden auftreten, wird das Löschmittel Wasser (H2O) in seine Bestandteile (H2 und O2) zerlegt.

Die bei Verbrennungsreaktionen entste-hende Wärme wird in der Regel an die

Umgebung abgegeben. Gerade bei Me-tallbränden mit Verbrennungstemperatu-ren von 2000°C bis 3000°C ist diese Wärmemenge sehr groß. Durch diese Wärme entsteht eine hohe Umgebungs-temperatur am Ort der Verbrennung, welche die Wärmeabgabe mehr und

mehr behindert. Irgendwann kann nicht mehr die gesamte Energie an die Umge-bung abgegeben werden. Diese nicht abgeführte Reaktionsenergie spaltet das Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff auf, welche in ihrer Kombination Knall-gas bilden.

2 H2O 2H2 + O2

Gefährlich wird diese Reaktion, wenn mehr als 0,1% der Wassermoleküle auf diese Weise gespalten werden. Das pas-siert bei einer Temperatur von 1500°C. Somit ist die Gefahr bei Metallbränden aufgrund der sehr viel höheren Verbren-

nungstemperatur noch größer.

3.5 Sauerstoff

Sauerstoff ist ein sehr reaktionsfreudiger Stoff. Dies beruht auf seiner hohen Elektronegativität und dem Aufbau der Sauerstoffatome.

Sauerstoff hat 6 Elektronen auf der Au-ßenschale. Somit fehlen ihm nur zwei Valenzelektronen eines anderen Stoffes,

um die Edelgaskonfiguration zu errei-chen. Die hohe Elektronegativität führt dazu, dass die Valenzelektronen anderer Stoffe sehr stark angezogen werden und der Sauerstoff so seine Außenschale




leicht auffüllen kann. Aufgrund dieser Tatsache geht der Sauerstoff Verbindun-

gen mit sehr vielen Stoffen ein.

3.5.1 Luftvergleichszahl

Für die Beurteilung der Gefährlichkeit von Gasen ist es unter anderem wichtig, ob ein Gas schwerer oder leichter als die Umluft ist. Um dies beurteilen zu können gibt es die Luftvergleichszahl.

Die Luftvergleichszahl gibt an, welches Mol-Gewicht die Umluft hat. So kann das Mol-Gewicht eines Gases der Luftver-gleichszahl gegenübergestellt werden,

um eine Aussage über die Strömungsei-genschaften des Gases zu machen. Ist das Mol-Gewicht des Gases geringer als die Luftvergleichszahl, so ist das Gas leichter als die Umluft und es verflüchtigt sich in obere Schichten der Atmosphäre. Ist das Mol-Gewicht jedoch größer als die Luftvergleichszahl, so sammelt sich das Gas am Boden oder in Vertiefungen.

Ermittlung der Luftvergleichszahl:

Zusammensetzung der Luft:

21% Sauerstoff

78% Stickstoff

0,04% Kohlenstoffdioxid

0,96% Edelgase

zur Berechnung vereinfacht überschla-gen:

20% Sauerstoff (O2)

80% Stickstoff (N2)

Mol-Gewicht:

O2: 2 x 16 g/mol = 32 g/mol

N2: 2 x 14 g/mol = 28 g/mol

prozentualer Anteil:

O2: 32 g/mol x 20/100 = 6,4 g/mol

N2: 28 g/mol x 80/100 = 22,4 g/mol

28,8 g/mol

Somit hat die Luft ein Gewicht von 28,8 g/mol. Da es sich um eine überschlägige Berechnung handelt, wird dieser Wert der Einfachheit halber auf 29 g/mol auf-gerundet.

3.6 Elektromagnetische Strah-

lung

Der Begriff Strahlung bezeichnet die Ausbreitung von Teilchen oder Wellen. Die Elektromagnetische Strahlung ist eine Wellenstrahlung.

Als elektromagnetische Welle bezeichnet man eine Welle aus gekoppelten elektri-schen und magnetischen Feldern. Dies sind z.B. Radiowellen, Mikrowellen, Inf-rarotstrahlung, sichtbares Licht, UV-Strahlung, Röntgenstrahlung oder Gam-

mastrahlung. Die Unterschiede zwischen den verschiedenen Wellenstrahlungen liegen in ihren Wellenlängen bzw. Fre-quenzen und somit in ihrer spezifischen Energie. Mit den Frequenzen ändern sich die Eigenschaften der Wellen. Elektro-magnetische Wellen sind an kein Medium gebunden und breiten sich mit Lichtge-schwindigkeit aus.

Für die Brand- und Löschlehre ist die elektromagnetische Strahlung in Form von Licht und Wärme von Bedeutung. Diese beiden Strahlungsformen sind elektromagnetische Wellenstrahlungen.

Die Wärmestrahlung ist ein Mechanismus zum Transport von thermischer Energie von einem Ort zu einem anderen. Die Energie wird mittels elektromagnetischer Wellen übertragen und benötigt so kein Medium, welches die Wärme überträgt. Wärmestrahlung wird von jedem Körper bzw. Stoff in Abhängigkeit von seinem thermischen Zustand ausgesendet.

Licht ist ebenfalls eine elektromagneti-sche Wellenstrahlung. Das für das




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menschliche Auge sichtbare Licht ist ein bestimmter Bereich der elektromagneti-

schen Strahlung, der eine bestimmte Wellenlänge hat.




4 Grundlagen der Ver-

brennung

Lernziel

Der Lehrgangsteilnehmer hat Kennt-nisse über die Grundlagen der Ver-brennung als Verbindung mit Sauer-stoff (Oxidation) und ihre Erschei-

nung.

4.1 Begriffsbestimmungen

4.1.1 Brennen

Brennen ist eine selbstständig ablaufen-de Reaktion zwischen einem brennbaren Stoff und Sauerstoff. Das Brennen ist durch die Erscheinungen „Flamme“ und/oder „Glut“ sowie Wärmeabgabe gekennzeichnet.

4.1.2 Feuer

Ein Feuer ist das bestimmungsgemäße Verbrennen eines brennbaren Stoffes. Bestimmungsgemäß bedeutet, dass der brennbare Stoff zur Verbrennung vorge-sehen ist und für keine andere Verwen-dung bestimmt ist.

Klassisches Beispiel für das bestim-

mungsgemäße Verbrennen ist ein Ka-minfeuer. Das im Kamin verbrannte Holz ist nach entsprechender Trocknungszeit für die Verbrennung in einem Kamin be-stimmt. Ist der Kamin in technisch ein-

wandfreiem Zustand und das Holz ord-nungsgemäß aufgeschichtet, so geht

vom Verbrennen des Holzes im Kamin keine Gefahr für die Umgebung aus. Somit ist dies als Nutzfeuer einzustufen.

4.1.3 Brand

Ein Brand ist das nicht bestimmungsge-mäße Verbrennen eines brennbaren Stoffes. Im Gegensatz zum Feuer ist bei einem Brand der brennbare Stoff nicht zur Verbrennung bestimmt.

Ein Beispiel für einen Brand ist der PKW-Brand. Ein PKW ist nicht zur Verbren-

nung bestimmt, da seine Hauptverwen-dung die Beförderung von Personen ist. Ebenso werden im Falle eines Brandes umwelt- und gesundheitsgefährdende Stoffe frei. Somit gehen von dem Ver-brennen eines PKW auch Gefahren für die Umgebung aus. In diesem Fall ist von einem Brand zu sprechen. Analog zum vorher genannten Nutzfeuer werden Brände in der Regel als Schadenfeuer eingestuft.

4.2 Oxidation

Eine Oxidation ist eine chemische Reak-tion zwischen einem Stoff und Sauer-stoff. Der Sauerstoff wirkt in diesem Fall als Oxidationsmittel. Als Ergebnis aus dieser Reaktion entsteht ein neuer Stoff,

welcher als Oxid bezeichnet wird.

Beispiel:

C + O2 CO2 + Wärme

Kohlenstoff (C) reagiert mit Sauerstoff (O2) zu Kohlenstoffdioxid (CO2), wobei Wärme entsteht.

Bei Oxidationsreaktionen wird ein Teil der in den Ausgangstoffen enthaltenen Energie als Wärmeenergie freigesetzt.




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Somit werden Oxidationen als „exother-me“ Reaktionen bezeichnet.

Ebenso gibt es auch endotherme Vor-gänge. Dies sind chemische oder physi-kalische Vorgänge, die unter Wärmeauf-nahme ablaufen (z.B. schmelzen von Eis zu Wasser).

4.2.1 Oxidationsgeschwindigkeit

Die Geschwindigkeit von Oxidationen kann sehr unterschiedlich sein. Deshalb werden Oxidationen in langsame und schnelle Oxidationen unterteilt.

Langsam verlaufende Oxidationsreaktio-nen können über einen sehr langen Zeit-raum anhalten. Bei allen langsam verlau-fenden Oxidationen ist die freigesetzte Wärmeenergie sehr gering und häufig kaum nachweisbar.

Beispiele langsamer Oxidationen sind

das Rosten eines im Freien liegenden Stahlträgers (hält über Jahre an) oder das Verwesen organischer Stoffe (Wo-chen bis Monate).

Schnelle Oxidationsreaktionen verlaufen hingegen um ein vielfaches schneller. Sie halten nur über einen kurzen Zeitraum

an. Die freigesetzte Energie ist bei die-sen Reaktionen sehr groß und äußert sich in Form von Wärme und Feuerer-scheinungen.

Beispiele schneller Oxidationen sind das Glühen von Kohle, das Verbrennen von Holz oder die Explosion aufgewirbelter

Stäube.

Somit sind Verbrennungsreaktionen den schnell verlaufende Reaktionen zuzuwei-sen.

Das heißt, dass jede Verbrennung eine Oxidation, jedoch nicht jede Oxidation

eine Verbrennung ist.

4.3 Sauerstoff

Sauerstoff (chemisches Zeichen: O) ist ein gasförmiger Stoff, der farblos, ge-ruchlos, geschmacklos und brennbar ist. Jedoch ist der Sauerstoff ein sehr reakti-onsfreudiger Stoff (siehe 3.5 Sauerstoff). Aufgrund dieser Reaktionsfreudigkeit ist der Sauerstoff ein wesentlicher Bestand-

teil für Oxidationsreaktionen. Er unter-hält die Verbrennung, indem er mit dem brennbaren Stoff reagiert. Somit ist ohne Sauerstoff keine Verbrennung möglich.

4.3.1 Sauerstoff in der Luft

Der Anteil des Sauerstoffes in der Umluft beträgt 21 Vol.-%. Vereinfacht kann dies wie zur Berechnung der Luftvergleichs-zahl als 1/5 angenommen werden. Die-ser Luftsauerstoff trägt zumeist zur Ver-brennung bei.

Abbildung 16: Zusammensetzung Luft

4.3.2 Verbrennungsgeschwindigkeit

Das für eine Verbrennung zur Verfügung

stehende Sauerstoffangebot hat wesent-lichen Einfluss auf die Verbrennungsge-schwindigkeit.




Unter „normalen“ Bedingungen (21 Vol.-% Sauerstoff) sind die meisten Verbren-

nungsreaktionen in ihrer Geschwindigkeit beherrschbar. Wird der Sauerstoffanteil der Umluft gesenkt, so verlaufen Ver-brennungsreaktionen deutlich langsamer ab. Ab einem Sauerstoffanteil von weni-ger als 15 Vol.-% ist eine Verbrennungs-reaktion der meisten Stoffe nicht mehr möglich. Die Verbrennung kommt zum

Erliegen. Es gibt jedoch einige Stoffe, die auch unterhalb von 15 Vol.-% verbren-nen können (z.B. Methanoldämpfe).

Steigt der Sauerstoffanteil über 21 Vol.-% hinaus, so verlaufen Verbrennungsre-aktionen deutlich schneller und heftiger

ab. Die in der Reaktion freigesetzte Energiemenge steigt deutlich an. In solch einer sauerstoffangereicherten Umgebung brennen auch Stoffe, die un-ter „normalen“ Bedingungen nicht bren-nen würden oder als schwer entflamm-bar eingestuft sind.

4.4 Erscheinungen des Feuers

4.4.1 Licht und Wärme

Die in der Verbrennungsreaktionen frei-gesetzte Energie wird in Form einer nicht sichtbaren elektromagnetischen Strah-lung (siehe 3.6 Elektromagnetische Strahlung) als Wärmeenergie an die Um-gebung abgegeben. Solche Reaktionen werden als „exotherm“ bezeichnet. Die entstehende Wärme ist eine nicht sicht-bare, jedoch spürbare Erscheinungsform des Feuers. Die Intensität der entste-henden Wärme ist abhängig von dem brennbaren Stoff sowie von der Reakti-onsgeschwindigkeit. Somit ist auch der Sauerstoffanteil in der Umgebung ent-scheidend für die Intensität der entste-

henden Wärme.

Neben der Wärme wird ein Teil der frei-werdenden Energie in Form einer sicht-baren elektromagnetischen Strahlung als

Licht an die Umgebung abgegeben. Sie stellt sich als Flamme bzw. Glut dar. Dies

ist eine sichtbare, jedoch nicht spürbare Erscheinungsform des Feuers.

Durch den Menschen werden diese bei-den Erscheinungsformen des Feuers in kombinierter Form und selten einzeln wahrgenommen. So wird eine Flamme vom Menschen als „heiß“ erkannt und eingestuft. Dabei ist die Flamme gar nicht heiß. Wie oben beschrieben ist die Flamme nur die sichtbare Form der bei der Verbrennungsreaktion freiwerdenden elektromagnetischen Strahlung. Die von der Flamme empfundene Wärme ist die spürbare Form der freiwerdenden elekt-

romagnetischen Strahlung. Diese wird als „heiß“ empfunden, und durch den Menschen direkt mit der sichtbaren Flamme in Verbindung gebracht.

Schnell verlaufende Oxidationsreaktio-nen, wie z.B. Verbrennungen, haben fast immer die Erscheinungsformen Licht und

Wärme.

Bei langsam verlaufenden Reaktionen, wie z.B. Gärprozesse oder Rosten von Metallen, wird hingegen nur Wärme und kein Licht freigesetzt.

4.4.2 Flamme und Glut

Die sichtbaren Erscheinungen des Feuers sind die Flamme und die Glut. Diese tre-ten einzeln oder in Kombination auf. Somit werden die Erscheinungen als „Flamme und/oder Glut“ beschrieben.

Ob eine Verbrennungsreaktion mit Flammen, Glut oder beidem abläuft ist abhängig von dem verbrennenden Stoff und seinem Aggregatzustand.

Wärme

Licht

Flamme und/oder

Glut




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Abbildung 17: Erscheinungsformen der Verbren-nung

Verbrennung mit Flamme:

Bei Verbrennungsreaktionen mit reiner Flammenbildung verbrennen Gase oder Dämpfe.

Flüssigkeiten verbrennen ebenfalls nur mit Flamme. Flüssigkeiten verdampfen und bilden brennbare Dämpfe.

Auch flüssig werdende Stoffe verbrennen nur mit Flamme. Diese Stoffe müssen zuerst schmelzen, um Dämpfe zu entwi-ckeln, welche anschließend verbrennen.

Abbildung 18: Flamme

Stoffbeispiele:

Propan (gasförmig)

Benzin (flüssig)

Wachs (flüssig werdend)

Verbrennung mit Glut:

Bei Verbrennungsreaktionen mit Glut wird weniger Energie in Form von sicht-

barer elektromagnetischer Strahlung freigesetzt. Die Energie wird überwie-gend als Wärmeenergie freigesetzt. Bei Glutbränden verbrennen immer feste Stoffe, die hierbei eine hohe Wärme-energie entwickeln.

Abbildung 19: Glut

Stoffbeispiele:

Koks

Magnesium

Eisen

Verbrennung mit Flamme und Glut:

Bei Verbrennungsreaktionen mit Flamme und Glut verbrennen feste Stoffe. Frei-werdende Bestandteile des festen Stoffes sublimieren und verbrennen als Gase bzw. Dämpfe mit Flamme. Die festen Bestandteile des Stoffes bilden die Glut. Die Gruppe der mit Flamme und Glut verbrennenden Stoffe bildet den Großteil der festen Stoffe. Häufig sind dies Stoffe bzw. Gegenstände, die Holz bzw. Koh-lenstoffanteile haben.




Abbildung 20: Flamme und Glut

Stoffbeispiele:

Holz

Papier

Holzkohle

4.5 Brennbare Stoffe

Brennbare Stoffe sind gasförmige, flüssi-ge oder feste Stoffe einschließlich Dämp-fe, Nebel und Stäube, die im Gemisch oder im Kontakt mit Sauerstoff zum Brennen angeregt werden können.

Brennbare Stoffe müssen in der Lage sein, eine Verbindung mit dem Sauer-stoff einzugehen.

Beispiel:

C + O2 CO2

Der brennbare Kohlenstoff reagiert mit Sauerstoff zu Kohlenstoffdioxid

Brennbare Stoffe können in den drei Ag-gregatzuständen fest, flüssig und gas-

förmig vorliegen. Durch Einwirkung von Wärme oder Energie können die Stoffe ihren Aggregatzustand verändern (siehe 3.3 Aggregatzustände).

4.5.1 Brandklasseneinteilung

Brennbare Stoffe werden nach DIN EN 2 anhand ihrer Aggregatzustände und Ver-brennungseigenschaften in Brandklassen eingeteilt, damit ihnen zweckmäßige Löschmethoden und Löschmittel zuge-ordnet werden können. Die Einteilung erfolgt mit den Buchstaben A, B, C, D und F.

In die Brandklasse A ge-hören alle Brände fester brennbarer Stoffe, die normalerweise unter Glutbildung verbrennen. Aufgrund von Wärme-

einwirkung gehen feste brennbare Stoffe auch in den gasförmigen Zustand über (sie gasen aus) und verbrennen daher auch mit Flammenbildung.

Brandklasse A: feste brennbare Stoffe

Erscheinungsbild: Flammen- und/oder Glutbildung

Stoffbeispiele: Papier, Holz, Holzkohle, Stroh, Textilien

In die Brandklasse B fal-len alle Brände flüssiger und bei Erwärmung flüs-sig werdender Stoffe. Flüssige brennbare Stoffe verdampfen. Flüssig werdende brennbare

Stoffe schmelzen und verdampfen an-

schließend. Die aufsteigenden Dämpfe verbrennen. Stoffe der Brandklasse B verbrennen ausschließlich mit Flammen-bildung.

Brandklasse B: flüssige oder flüssig wer-dende brennbare Stoffe

Erscheinungsbild: Flammenbildung

Stoffbeispiele: Benzin, Wachs, Öle, Fet-te, Teer, Bitumen




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Alle brennbaren Gase, deren Siedepunkt (siehe

8.1 Begriffsdefinitionen) bei Normaldruck unter 20°C liegt, gehören in die Brandklasse C.

Brandklasse C: gasförmige brennbare

Stoffe

Erscheinungsbild: Flammenbildung

Stoffbeispiele: Propan, Methan, Acetylen, Wasserstoff

Zur Brandklasse D gehö-ren die Brände brennba-rer Metalle. Außer den Edelmetallen und einigen anderen sind fast alle Metalle, insbesondere

Leichtmetalle, unter bestimmten Bedin-gungen brennbar. Die Metalle verbren-

nen mit Temperaturen von 2000°C bis 3000°C. Diese relativ hohen Verbren-nungstemperaturen führen dazu, dass die Löschmittel der Brandklasse A hier nicht geeignet sind (siehe 3.4.7 Thermi-sche Dissoziation), auch wenn es sich in beiden Brandklassen um feste Stoffe handelt.

Brandklasse D: brennbare Metalle

Erscheinungsbild: Glutbildung

Stoffbeispiele: Magnesium, Eisen, Alumi-nium, Natrium




5 Voraussetzungen einer

Verbrennung

Lernziel

Der Lehrgangsteilnehmer hat Kennt-nisse über die stofflichen, mengen-mäßigen und energetischen Voraus-

setzungen der Verbrennung und ih-ren Einfluss auf die Verbrennungs-

reaktion.

Die Voraussetzungen für eine Verbren-nung teilen sich in die stofflichen und die

energetischen Voraussetzungen auf. Sie setzen sich jeweils aus drei Teilen zu-sammen. Der brennbare Stoff, der Sau-erstoff und das Mengenverhältnis bilden die stofflichen Voraussetzungen. Die Zündenergie, die Mindestverbrennungs-temperatur und der Katalysator bilden die energetischen Voraussetzungen.

Abbildung 21: Verbrennungsvoraussetzungen

5.1 Stoffliche Voraussetzun-

gen einer Verbrennung

5.1.1 Brennbarer Stoff

Die erste stoffliche Voraussetzung für

eine Verbrennung ist, dass ein brennba-rer Stoff zur Verfügung steht. Ohne ihm kann logischer Weise keine Verbrennung stattfinden.

5.1.2 Sauerstoff

Zweite stoffliche Voraussetzung ist das Vorhandensein von Sauerstoff. Da Sau-erstoff im Rahmen einer Verbrennungs-reaktion der Reaktionspartner des brennbaren Stoffes ist, kann ohne ihn keine Verbrennung entstehen oder fort-bestehen. Er muss direkten Kontakt zum brennbaren Stoff haben.

5.1.3 Mengenverhältnis

Dritte stoffliche Voraussetzung für eine

Verbrennung ist das richtige Mengenver-hältnis zwischen dem brennbaren Stoff und dem Sauerstoff. Ist z.B. der Sauer-stoffanteil in der Umluft auf unter 15 Vol.-% abgesenkt, so gibt es nur noch wenige Stoffe, die in diesem Mengenver-hältnis ein Verbrennen ermöglichen (z.B.

Methanol). Andere Stoffe hingegen er-möglichen ein Verbrennen erst wenn der Sauerstoffanteil auf über 21 Vol.-% er-höht wird (z.B. schwer entflammbare Stoffe).




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5.2 Energetische Vorausset-

zungen einer Verbrennung

5.2.1 Zündenergie

Die erste energetische Voraussetzung einer Verbrennung ist das Vorhandensein einer Zündenergie. Diese Energie ist er-forderlich, um eine Verbrennungsreakti-on zu starten wenn alle anderen Voraus-setzungen erfüllt sind. Die Reaktion wird somit durch diese Zündenergie „ange-stoßen“, um anschließend selbstständig fortzulaufen.

Klassisches Beispiel hierfür ist das Zün-den eines Feuerzeuges. Durch den bei Betätigung des Feuerzeugmechanismus entstehenden Funken wird das ausströ-mende Feuerzeuggas entzündet. Der Funke ist die Energie, die zum Start der Verbrennungsreaktion führt.

5.2.2 Mindestverbrennungstempera-tur

Die zweite energetische Voraussetzung einer Verbrennung ist das Erreichen der

Mindestverbrennungstemperatur. Die Mindestverbrennungstemperatur ist die Temperatur, auf die ein brennbarer Stoff erwärmt werden muss, damit der Ver-brennungsvorgang nach der Endzündung selbstständig und ohne äußere Energie-zufuhr weiterläuft.

Ist eine Verbrennungsreaktion eingelei-tet, so kommt sie sofort wieder zum Er-liegen, wenn der brennbare Stoff nicht seine Mindestverbrennungstemperatur hat.

Somit ist eine gewisse Temperatur des brennbaren Stoffes erforderlich, damit er selbständig weiter brennt. Ist diese Min-destverbrennungstemperatur erreicht, so erzeugt die Reaktion genügend Wärme, um neben der Abgabe von Energie für

die Erscheinungsformen Wärme und Licht auch den noch nicht verbrannten

Stoff energetisch auf seine Zündtempe-ratur aufzubereiten. Dieser entzündet sich dann ohne eine weitere Energiezu-fuhr von außen.

Ein Beispiel hierzu ist das Verbrennen eines Stückes Holz. Wird das Entzündete Feuerzeug als Zündenergie an ein kleines

Stück Holz gehalten, so brennt das Holz bei der Wegnahme des Feuerzeuges erst dann weiter wenn es seine Mindestver-brennungstemperatur erreicht hat. Somit muss zum Einleiten einer selbstständig fortlaufenden Verbrennungsreaktion die Energie des brennenden Feuerzeuges solange auf das Holz einwirken und es erwärmen, bis das Holz seine Mindest-verbrennungstemperatur erreicht hat. Ist diese Temperatur erreicht, so brennt das Holz bei Wegnahme des Feuerzeuges weiter.

Die Mindestverbrennungstemperatur ist

kein einheitlicher Wert. Sie ist immer abhängig vom jeweiligen brennbaren Stoff.

5.2.3 Katalysator

Die dritte energetische Voraussetzung einer Verbrennung ist das Vorhandensein eines Katalysators. Ein Katalysator ist ein Stoff, der die Reaktionsgeschwindig-keit einer Verbrennung beeinflusst, in-dem er die Aktivierungsenergie der Re-aktion herabsetzt und bei der so entste-

henden Verbrennungsreaktion selbst nicht verbraucht wird. Dies sind häufig energiereiche freie Wasserstoffteilchen, die als Radikale bezeichnet werden.

Radikale sind instabile Atome, Moleküle oder Molekülbruchstücke, die ungepaarte Elektronen enthalten. Sie sind sehr energiereich, reaktionsfreudig und kurz-lebig.

Ungepaarte Elektronen entstehen, wenn durch Energiezufuhr (z.B. Wärme) Elekt-




ronenpaare getrennt werden. Hierbei entstehen die Molekülbruchstücke.

Die Kurzlebigkeit der Radikale beruht darauf, dass sie bestrebt sind, mit ande-ren Radikalen unter Bildung von Elektro-nenpaarbindungen zu reagieren. Sie be-sitzen auch die Fähigkeit, Moleküle unter Bildung neuer Radikale zu spalten, die dann wiederum andere Moleküle spalten können.

Bei der Verbrennung entstehen die meis-ten Radikale durch hohe Temperaturen.

In chemischen Gleichungen werden Ra-dikale mit einem hoch gesetzten Punkt bzw. Sternchen gekennzeichnet.

Die an Verbrennungsreaktionen beteilig-ten Katalysatoren sind in den meisten Fällen Radikale, die sich aus der Luft-feuchtigkeit bilden.

Bildung von Radikalen aus der Luftfeuch-tigkeit:

H2O H* + OH*

Bei Reaktionen mit Radikalen wird immer Energie freigesetzt. Pro Radikal können auch mehrere neue Radikale gebildet werden:

H* + O2 OH* + O*

Die Radikale gehen eine Zwischenver-bindung mit dem brennbaren Stoff ein und wirken so als Katalysatoren. Die neu entstandene Verbindung benötigt zum Anstoßen der Verbrennungsreaktion ei-nen geringeren Energiebetrag als der

brennbare Stoff in seiner ursprünglichen Form. Die Zündtemperatur und die Min-destverbrennungstemperatur sind somit herabgesetzt. Nach der nun stattfinden-den Reaktion zwischen dem brennbaren Stoff und dem Sauerstoff wird der Kata-lysator wieder frei und liegt in seiner ursprünglichen Form vor. Er wird somit bei dieser Reaktion nicht verbraucht.

Am Beispiel einer vereinfachten CO-Verbrennung wird dies deutlich:

1. CO + O2 + H* CO2 + OH*

2. CO + OH* CO2 + H*

Im ersten Schritt geht das Wasserstoff-Radikal (H*) eine Verbindung mit Sauer-stoff ein. Es entsteht ein neues Hydroxyl-Radikal (OH*). Diese Reaktion setzt Energie frei. Im zweiten Schritt reagiert das OH*-Radikal mit dem Koh-lenmonoxid. Auch hier wird Energie frei-gesetzt. Aus dieser Reaktion geht wieder das H*-Radikal hervor. Der Katalysator (H*-Radikal) liegt nun wieder in seinem ursprünglichen Zustand vor und wurde somit bei der Verbrennungsreaktion nicht verbraucht.

Durch die Energieabgabe in den beiden Reaktionen ist die zur Verbrennung des Kohlenmonoxids benötigte Energie ver-ringert worden. Die Katalysatoren haben so einen wesentlichen Teil zum stattfin-den der Verbrennungsreaktion beigetra-gen.

Anhand der abgebildeten Grafik lässt sich die Wirkung von Katalysatoren nochmals anschaulich darstellen:

Abbildung 22: Wirkung von Katalysatoren

Die in der Grafik als Kugel dargestellten Ausgangsstoffe (brennbarer Stoff + Sau-erstoff in reaktionsfähigem Mengenver-hältnis) besitzen einen gewissen Ener-giebetrag. Um eine Verbrennungsreakti-

on einzuleiten, in der diese Energie frei-gesetzt wird, bedarf es einer Aktivie-rungsenergie. Die Kugel muss über die vor ihr liegende Kuppe gebracht werden, um beim Herabrollen ihre Energie freizu-




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setzen. Ohne Katalysator ist die benötig-te Aktivierungsenergie (Kuppe) sehr

groß. Mit Katalysator ist diese Aktivie-rungsenergie deutlich geringer, sodass eine Verbrennungsreaktion sehr viel ein-facher und mit weniger von außen zuge-führter Energie einzuleiten ist. Die Kugel rollt über die kleine Kuppe, die Reaktion ist angestoßen. In der nun fortlaufenden Verbrennungsreaktion (Herabrollen der Kugel) setzen die Ausgangstoffe ihre Energie als Reaktionswärme frei.

5.3 Verbrennung fester Stoffe

5.3.1 Verhältnis Oberfläche/Masse

Bei den festen brennbaren Stoffen hat das Verhältnis der Oberfläche zur Masse

entscheidende Auswirkungen auf die Verbrennung und ihre Geschwindigkeit.

Ist das Verhältnis sehr groß (z.B. 300m2/Kg), so ist die Oberfläche des brennbaren Stoffes sehr groß und der Sauerstoff hat sehr viele Zutrittsmöglichkeiten zu dem Stoff. Ist das Verhältnis der Oberfläche zur Masse dagegen kleiner (z.B. 3m2/Kg), so steht dem Sauerstoff weniger Kontaktfläche zur Reaktion mit dem brennbaren Stoff zur Verfügung.

In Abhängigkeit zu diesem Verhältnis entwickelt sich die Verbrennungsge-

schwindigkeit einer Reaktion. Je größer das Verhältnis der Oberfläche zur Masse ist, desto größer ist die Verbrennungsge-schwindigkeit.

Ein Beispiel mit dem brennbaren Stoff Holz kann dieses verdeutlichen:

Ein Kantholz (L: 1,0m, B: 0,1m, H: 0,1m, Oberfläche 0,6m²) soll entzündet werden. Zur Entzündung ist eine sehr hohe Energie (z.B. längere Einwirkung eines Gasbrenners) erforderlich, da das

Verhältnis der Oberfläche zur Masse sehr klein ist. Wird dieses Kantholz nun voll-

ständig zu Holzspänen verarbeitet, so ist die Oberfläche der einzelnen Holzspäne in der Summe um ein vielfaches größer als die Oberfläche des Kantholzes vor-her. Die Masse (das Gewicht) bleibt je-doch unverändert. Somit ist das neu ent-standene Verhältnis der Oberfläche zur Masse sehr groß geworden. Der Sauer-stoff hat einen viel besseren Zutritt zum Holz als vorher und eine Entzündung der Holzspäne mit geringer Energie (z.B. mit einem brennenden Streichholz) ist mög-lich.

Zur weiteren Veranschaulichung dieser

Oberflächenvergrößerung kann auch fol-gendes geschildert werden:

Die aus dem Kantholz entstandenen Holzspäne werden flächig nur wenige Millimeter hoch ausgebreitet. Die so mit Holzspänen bedeckte Fläche stellt die Oberfläche des brennbaren Stoffes Holz dar. Diese Fläche ist nun um ein vielfa-ches größer als die 0,6m² des ursprüng-lichen Kantholzes und der Sauerstoff hat auf der gesamten Fläche Zutritt zum brennbaren Stoff.

Beispiele Einfluss Oberfläche/Masse auf Verbrennung:

Ein Kantholz verbrennt deutlich langsamer als daraus hergestellte Holzspäne.

Ein Kilogramm gepresstes Altpa-pier verbrennt langsamer als ein Kilogramm einzelne Papierfetzen.

Ein Haufen Mehl lässt sich nur schwer entzünden. Wird das Mehl jedoch aufgewirbelt und in eine Flamme geblasen, so verbrennt es im Bruchteil einer Sekunde.

Eine weitere Möglichkeit, die Oberflä-chenvergrößerung darzustellen ist das Beispiel eines Würfels:




Abbildung 23: Oberflächenvergrößerung Würfel

Der Würfel hat eine Kantenlänge von 1m und eine Gesamtmasse von 1 kg. Der linke Würfel hat somit 6 Flächen von je 1m². Dies ergibt eine Gesamtoberfläche von 6m². (Verhältnis Oberfläche/Masse = 6m²/kg)

Wird der Würfel zerteilt (rechter Würfel), so entstehen 8 Würfel mit einer Kanten-länge von jeweils 0,5m. Die 8 kleinen Würfel haben somit jeweils 6 Flächen von je 0,25m². Die Oberfläche eines Würfels beträgt also 1,5m². Die Gesamt-oberfläche der 8 kleinen Würfel beträgt somit 12m². So verschiebt sich auch das Verhältnis Oberfläche/Masse. Es ist in diesem Fall 12m²/kg. So konnte durch die Zerlegung (Teilung) des Würfels bei gleichbleibender Masse die Oberfläche verdoppelt werden.

Dieses Modell kann auch auf das Kant-holz übertragen werden, welches in Spä-ne zerteilt wird.

5.3.2 Holz

Holz ist ein brennbarer Baustoff der Bau-stoffklasse B. In der Brandklasseneintei-lung wird Holz der Brandklasse A (feste brennbare Stoffe) zugeordnet. Seine wesentlichen Bestandteile sind Kohlen-stoff und Wasserstoff.

Da Holz ein sehr vielseitig einsetzbarer und häufig verwendeter Baustoff ist, werden hier die für die Brand- und Löschlehre wesentlichen thermischen Eigenschaften aufgeführt.

Thermischer Verlauf eines Holzbrandes im Bezug auf die Holztemperatur:

100°C: Im Holz enthaltenes Wasser ver-dampft und brennbare Gase werden frei-gesetzt.

220°C bis 320°C: Abhängig von der Holzart wird die Zündtemperatur er-reicht, die brennbaren Gase entzünden

sich. (Hartholz hat eine höhere Zünd-temperatur als Weichholz)

400°C: Die maximale Menge brennbarer Gase tritt aus.

500°C: Es bildet sich eine Holzkohle-schicht und hindert weitere brennbare Gase am Austritt.

5.3.3 Kunststoffe

Kunststoffe sind durch chemische Syn-these entstandene brennbare Baustoffe, die aus kohlenstoffhaltigen Molekülket-

ten bestehen. Ihre Brennbarkeit beruht im Wesentlichen auf den Kohlenstoffan-teilen der Kunststoffe.

Kunststoffe werden ihren thermischen und stofflichen Eigenschaften nach in drei Gruppen eingeteilt: Thermoplaste,

Duroplaste und Elastomere.

Thermoplaste werden bei Erwärmung weich und verformbar. Sie verlieren ihre Festigkeit bereits bei für eine Verbren-nung relativ niedrigen Temperaturen von etwa 75 bis 150°C. Der Festigkeitsver-lust führt soweit, dass die Kunststoffe schmelzen und sich zersetzen.

Duroplaste sind hingegen hart und spröde. Sie verlieren bei Erwärmung nicht ihre Festigkeit und lassen sich auch nicht verformen. Sie zersetzen sich ab 300°C ohne vorher zu schmelzen.

Elastomere sind elastisch. Sie lassen

sich bei normalen Temperaturen dehnen, nehmen jedoch bei Wegnahme der Deh-nungskraft wieder ihre ursprüngliche




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Form ein. Auch sie zersetzen sich ab 300°C ohne vorher zu schmelzen.

Aufgrund dieser unterschiedlichen Stoff-eigenschaften, insbesondere wegen der Schmelzfähigkeit, können Kunststoffe sowohl in die Brandklasse A (feste brennbare Stoffe) wie auch in die Brand-klasse B (flüssige oder flüssig werdende Stoffe) eingestuft werden.

5.4 Verbrennung flüssiger

Stoffe

Für die Verbrennung flüssiger Stoffe ist eine Veränderung des Aggregatzustan-des erforderlich. So verbrennen nicht direkt die Flüssigkeiten, sondern die aus ihnen aufsteigenden Dämpfe. Damit die-se Dämpfe entstehen, muss die Flüssig-keit vom flüssigen in den gasförmigen Zustand übergehen. Sie muss also ver-dampfen. Die so entstandenen Flüssig-keitsdämpfe müssen sich zur Verbren-nung mit Luft bzw. Sauerstoff durchmi-schen. Hier ist es für eine Verbrennung wichtig, dass das richtige Durchmi-schungs-/ Mengenverhältnis zwischen dem Sauerstoff und den Flüssigkeits-

dämpfen vorliegt. Haben sich genügend Flüssigkeitsdämpfe gebildet und entspre-chend mit Sauerstoff durchmischt, so können diese verbrennen.

Somit hat die Dampfbildung eine zentra-le Bedeutung für die Verbrennung flüssi-ger Stoffe.

Um brennbare Flüssigkeiten in ihrem Brandverhalten zu beurteilen, werden ihnen im Bezug auf die Temperatur sicherheitstechnische Kennzahlen wie der Flammpunkt und der Brennpunkt zugeordnet.

5.4.1 Dampf

Dampf ist ein Gas, das noch in Kontakt mit der Flüssigkeit oder dem festen Stoff

steht, aus dem er durch Verdampfung oder Sublimierung hervorgegangen ist (z. B. Wasserdampf, Benzindämpfe).

Die Dampfbildung ist abhängig von der Temperatur der Flüssigkeit. Je wärmer eine Flüssigkeit ist, desto mehr Dämpfe werden gebildet.

Der Zusammenhang zwischen der Inten-sität der Dampfbildung und der Tempe-ratur der Flüssigkeit besteht in den Be-wegungen der kleinsten Teilchen (Ato-me). Je wärmer eine Flüssigkeit wird, desto mehr bewegen sich die kleinsten Teilchen um ihren Ruhepunkt herum. Je

größer deren Bewegung ist, desto größer ist auch der Abstand der Teilchen zu ei-nander. Durch diese größeren Abstände verlieren die Teilchen ihre Bindung un-tereinander und sie verlassen ihren Ver-bund als Flüssigkeit. Sie steigen in Form von Dämpfen auf (siehe 3.3 Aggregatzu-stände).

Bei der Verbrennung flüssiger Stoffe ist somit die Temperatur der Flüssigkeit von entscheidender Bedeutung, welche sich im Flammpunkt und Brennpunkt wieder-findet.

5.4.2 Flammpunkt

Der Flammpunkt ist die niedrigste Tem-peratur einer Flüssigkeit, bei der sich genügend Dämpfe entwickeln, sodass ein entzündbares Dampf-Luft-Gemisch ent-steht. Wird dieses Gemisch entzündet, so brennt es kurz ab und das Feuer er-lischt wieder. Für ein selbstständiges Fortlaufen der Verbrennung steigen bei dieser Temperatur nicht genügend Dämpfe nach.

5.4.3 Brennpunkt

Der Brennpunkt ist die niedrigste Tempe-ratur einer Flüssigkeit, bei der sich ge-




nügend Dämpfe entwickeln, um nach der Entzündung fortlaufend selbstständig zu

brennen. Er hat in der Gefahrenbeurtei-lung nur eine untergeordnete Bedeu-tung.

Der Unterschied zwischen dem Flamm-punkt und dem Brennpunkt einer Flüs-sigkeit liegt somit im Fortlaufen der je-weils gestarteten Verbrennungsreaktion. Dieser Unterschied beträgt oft nur weni-ge Grad Celsius.

Beispiele Flammpunkt:

Benzin: <-20°C

Diesel: >55°C

Heizöl: >65°C

Brennspiritus: 16°C

Alkohol: 12°C

Speisefette

und –öle: ca. 230°C

5.4.4 Einteilung brennbarer Flüssig-keiten

Hinsichtlich ihrer Gefährlichkeit werden

brennbare Flüssigkeiten im Bezug auf ihren Flammpunkt in verschiedene Grup-pen eingeteilt. Bis Ende 2002 erfolgte dies nach der Verordnung über brennba-re Flüssigkeiten (VbF). Sie wurde durch die Betriebssicherheitsverordnung (BetrSichV) und die Gefahrstoffverord-

nung (GefStoffV) abgelöst. Wie in der folgenden Grafik zu erkennen ist, beste-hen beide Einteilungen aus je drei Grup-pen. Jedoch ist ihre Bezeichnung und Abgrenzung sehr unterschiedlich.

Abbildung 24: Vergleich VbF und GefStoffV

5.4.4 Polarität

Neben der Klassifizierung über die Flamm- und Brennpunkte werden brenn-bare Flüssigkeiten auch in die mit Was-ser mischbaren und die nicht mit Wasser mischbaren Flüssigkeiten eingeteilt. Der Unterschied dieser beiden Gruppen liegt in der Polarität der jeweiligen brennba-ren Flüssigkeit.

Wasser (H2O) ist in eine polare Flüssig-

keit (siehe 3.4.4 Polarität). Dies beruht auf der hohen Elektronegativität des Sauerstoffs (siehe 2.5.1 Atombindung). Innerhalb des Moleküls zieht der Sauer-stoff die negativen Bindungselektronen stärker an als der Wasserstoff. Es ent-steht ein elektrisch negativer Pol, da die negativen Elektronen innerhalb des Mo-

leküls alle auf der Seite des Sauerstoffs sind. Auf der Seite des Wasserstoffs sind hingegen keine Elektronen mehr. Somit ist hier ein positiver Pol entstanden.

Die Polarität gibt es auch bei den brenn-baren Flüssigkeiten. Flüssigkeiten, die

ein Sauerstoffatom in ihrem Molekül ha-ben (z.B. Ethanol: C2H5OH) sind wie das Wasser aufgrund der hohen Elektronega-tivität des Sauerstoffs polar. Dahingegen sind brennbare Flüssigkeiten, die kein




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Sauerstoffatom in ihrem Molekül haben (z.B. Heptan: C7H16) nicht-polar.

Da sich nur Gleiches mit Gleichem mi-schen lässt, können polare brennbare Flüssigkeiten mit Wasser gemischt wer-den, nicht-polare brennbare Flüssigkei-ten jedoch nicht.

Bei nicht-polaren brennbaren Flüssigkei-ten hängt es von der Dichte der Flüssig-

keit ab, ob sie auf oder unter dem Was-ser schwimmen. Leichtere Flüssigkeiten (z.B. Öl oder Fett) schwimmen auf der Wasseroberfläche.

5.5 Verbrennung gasförmiger

Stoffe

Wie bei den Dämpfen brennbarer Flüs-sigkeiten ist auch bei brennbaren Gasen eine Durchmischung mit der Luft bzw.

Sauerstoff erforderlich. Erst wenn das Gemisch aus dem brennbaren Gas und dem Sauerstoff ausreichend durchmischt ist und das Mengenverhältnis zwischen den beiden Stoffen stimmt, kann eine Verbrennung erfolgen.

Ist das Mengenverhältnis nicht richtig, kann auch bei einer optimalen Durchmi-schung keine Verbrennung stattfinden. Ist der Anteil des brennbaren Gases an dem Gemisch zu gering für eine Ver-brennung, so wird von einem zu mage-ren Gemisch gesprochen. Ist der Anteil des Gases zu groß für eine Verbrennung,

so wird von einem zu fetten Gemisch gesprochen.

Liegt das Gemisch in einem zündfähigen Mengenverhältnis vor, so wird vom Ex-plosionsbereich gesprochen.

5.5.1 Explosionsbereich

Der Explosionsbereich ist der Bereich, in dem brennbare Gase, Dämpfe, Nebel oder Stäube in einem solchen Mengen-

verhältnis mit Sauerstoff (bzw. Luft) vor-liegen, dass eine Entzündung / Explosion

des Gemisches möglich ist. Der Explosi-onsbereich wird durch die untere und die obere Explosionsgrenze eingegrenzt.

Abbildung 25: Explosionsbereich

Die Größe des Explosionsbereiches ist

vom jeweiligen brennbaren Gas bzw. Flüssigkeit abhängig. Brennbare Ga-se/Flüssigkeiten werden unter anderem anhand ihres Explosionsbereiches in ih-rer Gefährlichkeit beurteilt.

Beispiele Explosionsbereich:

Acetylen: 1,5 – 82,0 Vol.-%

Benzin: 0,6 – 8,0 Vol.-%

Methan: 5,0 – 15,0 Vol.-%

Propan: 2,1 – 9,5 Vol.-%

Wasserstoff: 4,0 – 75,0 Vol.-%

5.5.2 Untere Explosionsgrenze

Die untere Explosionsgrenze (UEG) ist die niedrigste Konzentration brennbarer Gase, Dämpfe, Nebel oder Stäube in der Luft, bei der nach der Entzündung die Verbrennungsreaktion nicht mehr selbst-ständig fortläuft. Der Anteil des brennba-




ren Stoffes ist zu gering, das Gemisch ist zu mager.

5.5.3 Obere Explosionsgrenze

Die obere Explosionsgrenze (OEG) ist die höchste Konzentration brennbarer Gase, Dämpfe, Nebel oder Stäube in der Luft, bei der nach der Entzündung die Ver-brennungsreaktion nicht mehr selbst-ständig fortläuft. Der Anteil des brennba-ren Stoffes ist zu hoch, das Gemisch ist zu fett.

5.5.4 Sauerstoffzufuhr

Die Zufuhr von Sauerstoff zu einem Ge-misch hat abhängig von der UEG und der OEG unterschiedliche Auswirkungen. Durch die Sauerstoffzufuhr werden die Gemische verdünnt, die Konzentration

des brennbaren Stoffes nimmt ab. Liegt das Gemisch oberhalb der OEG, so be-wirkt eine Sauerstoffzufuhr, dass sich das Mischungsverhältnis in den Explosi-onsbereich bewegt. Es wird somit zünd-fähig. Innerhalb des Explosionsbereiches bewirkt die Sauerstoffzufuhr eine weitere Verdünnung des Gemisches, es ist je-

doch weiterhin brennbar. Unterschreitet das Gemisch durch weitere Sauerstoffzu-fuhr die UEG, so ist eine Entzündung des Gemisches nicht mehr möglich.

5.5.5 Stöchiometrisches Gemisch

Das stöchiometrisches Gemisch ist ein Gemisch aus brennbaren Gasen, Dämp-fen, Nebel oder Stäuben in Luft, in dem der Brennstoff und der Sauerstoff in dem für ein vollständiges Verbrennen genau-en Verhältnis vorhanden sind. Das heißt,

dass bei diesem Gemisch kein Über-schuss oder Mangel der beteiligten Stoffe herrscht.

Stöchiometrische Gemische sind sehr gefährlich, da für ihre Zündung die ge-

ringste Zündenergie und die niedrigste Zündtemperatur ausreichen. Dagegen steigen bei einer Zündung die Verbren-nungsgeschwindigkeit und der Explosi-onsdruck zu einem Maximum an.

Bei den meisten Stoffen liegt das stö-chiometrische Gemisch beim 2- bis 3-fachen der unteren Explosionsgrenze.




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6 Auswirkungen einer

Verbrennung

Lernziel

Der Teilnehmer hat Kenntnisse über die Auswirkungen der Begleiter-scheinungen Wärme und Rauch so-wie über die Auswirkungen eines

erhöhten Sauerstoffangebots.

6.1 Wärme

Da Verbrennungsreaktionen exotherme Reaktionen sind, wird bei jeder Verbren-nung Energie in Form von Wärme freige-setzt (siehe 4.4.1 Licht und Wärme).

Die freigesetzte Wärmemenge ist abhän-gig von der Art der Verbrennung und dem verbrennendem Stoff.

So wird bei Schwelbränden deutlich we-niger Wärme abgegeben als bei einem voll entwickelten Brand.

Am Beispiel eines Fernsehgerätes kann dies veranschaulicht werden: Durch ei-nen Kurzschluss bzw. technischen Defekt entsteht ein Brand im Gerät. Da die durch einen Kurzschluss zur Verfügung

stehende Zündenergie nicht so groß ist, kommt es zuerst zu einem Schwelbrand der verbauten Kunststoffe. Dies ist eine unvollständige Verbrennung ohne Flam-menbildung, jedoch mit Bildung von Rauch. Die entstehende Wärme reicht gerade aus, um die Verbrennung auf-recht zu erhalten. Wird das Elektrogerät durch einen länger andauernden Schwel-brand thermisch aufbereitet, so kommt es zu Flammenbildungen und somit grö-ßerer Wärmeproduktion. Hieraus ent-

steht ein voll entwickelter Brand, der eine deutlich größere Wärmeabgabe als

der ursprüngliche Schwelbrand hat. Die Rauchentwicklung nimmt nun ab.

Ebenfalls entscheidenden Einfluss auf die freigesetzte Wärmemenge haben die brennbaren Stoffe.

So wird beispielsweise von brennenden festen Stoffen (z.B. Holz) weniger Wär-

me freigesetzt als von brennenden Me-tallen (z.B. Aluminium).

6.2 Rauch

Rauch ist ein Gemisch aus festen und gasförmigen Teilchen, welches bei einer Verbrennung entsteht. Die festen Teil-chen sind in der Regel Ruß und Asche, die gasförmigen Teilchen sind Wasser-dampf und Abgase.

Die Art und die Menge der entstehenden Abgase sind abhängig non dem verbren-nenden Stoffen und der Art der Verbren-nung. So wird bei einem Schwelbrand sehr viel mehr Rauch entwickelt als bei einem voll entwickeltem Brand (siehe Beispiel Fernsehgerät).

Unter den brennbaren Stoffen gibt es ebenfalls deutlich Unterschiede im Bezug auf die Rauchentwicklung. So verbren-nen flüssige Stoffe nahezu ohne Rauch-entwicklung. Dahingegen verbrennen feste Stoffe und Metalle nur selten ohne, jedoch oftmals mit sehr starker Rauch-

entwicklung.

Umgangssprachlich wird dichter, un-durchsichtiger und ggf. dunkler Rauch als Qualm bezeichnet.

6.2.1 Zusammensetzung Brandrauch

Die Bestandteile des Brandrauches wer-den in eine feste und eine gasförmige Phase aufgeteilt.




Zur festen Phase gehören Ruß, Flug-asche und unverbrannte Bestandteile des

brennenden Stoffes.

In der gasförmigen Phase finden sich verschiedene Stoffe wieder, aus denen der brennende Stoff besteht. Ebenso finden sich hier Stoffe wieder, die durch die Reaktion des brennbaren Stoffes mit dem Sauerstoff als Oxidationsprodukte entstehen.

Bestandteile der gasförmigen Phase sind:

Kohlenstoffdioxid

Wasserdampf

Schwefeldioxid

insbesondere bei unvollständigen Verbrennungen:

Kohlenmonoxid

Wasserstoff

Methan

Nitrose Gase

Chlorgas

insbesondere bei Verbrennung von Kunststoffen:

Salzsäuredämpfe

Blausäuredämpfe

Chlorwasserstoff

6.3 Rauchdurchzündung

Eine Rauchdurchzündung (auch als „Flash over“ bezeichnet) ist der Über-gang eines Entstehungsbrandes zu ei-nem vollentwickelten Brand, in dem die durch die Wärmestrahlung des Entste-hungsbrandes produzierten Pyrolysepro-dukte innerhalb weniger Sekunden durchzünden.

Dies kann anhand eines Zimmerbrandes verdeutlicht und erläutert werden:

In einem Zimmer gerät ein Sessel in Brand. In dem Raum befindet sich aus-

reichend Sauerstoff für eine vollständige Verbrennung. Kann die bei diesem Brand entstehende Wärme und der Brandrauch nicht abziehen, so wird der Raum ther-misch aufbereitet. Das heißt, dass der gesamte Raum, samt den dort befindli-chen Gegenständen, durch die Wärme-strahlung des Brandes erwärmt wird.

Diese Gegenstände entwickeln ab einer gewissen Temperatur brennbare Pyroly-segase (z.B. Kohlenstoffmonoxid). Die Pyrolysegase füllen den Raum gemein-sam mit dem entstehenden Brandrauch von der Raumdecke ab. Zu einer Zün-dung ist das Gemisch aus Pyrolysepro-

dukten und Sauerstoff jedoch noch zu mager. Sobald die Konzentration der Pyrolysegase die untere Explosionsgren-ze (UEG) erreicht, zünden diese auf-grund der erhöhten Raumtemperatur innerhalb weniger Sekunden unter der Raumdecke durch. Der Raum steht nun

im Vollbrand.

Abbildung 26: Rauchdurchzündung

Voraussetzungen einer Rauchdurchzündung:

Brand in einem Raum

Entstehung von Pyrolyseproduk-ten

kein Abzug von Wärme und Pyro-lyseprodukten

Flash over




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ausreichend Sauerstoff im Raum

Pyrolyseprodukte haben Zünd-temperatur erreicht

die UEG wird erreicht

Signale für eine drohende Rauchdurchzündung:

sehr starker Temperaturanstieg im Brandraum

der Brandrauch ist heiß, dicht und dunkel

kurz vor der Durchzündung er-scheinen Flammenzungen an der

Grenze zwischen der Rauch-schicht und der Luftschicht

Auswirkungen einer Rauchdurchzündung:

ein Entstehungsbrand geht in ei-nen Vollbrand über

Flammen schlagen aus den Raumöffnungen (Fenster, Türen)

sehr großer Temperaturanstieg im Brandraum während der Durchzündung

6.3.1 Pyrolyseprodukte

Die Pyrolyse ist die Zersetzung von fes-ten, flüssigen oder gasförmigen Stoffen bei hohen Temperaturen, wobei aus komplizierten Verbindungen kleinere und eventuell einfacher gebaute Moleküle entstehen. Im Gegensatz zur Verbren-nung geschieht dies ausschließlich unter der Einwirkung von Wärme ohne zusätz-lich zugeführten Sauerstoff. Die Bildung von Pyrolysegasen ist in ihrer Art und

Intensität abhängig von der Zusammen-setzung der entsprechenden Stoffe, der wirkenden Temperatur und der Wir-kungszeit der Wärme.

Bei der Pyrolyse von Holz entstehen

im Wesentlichen folgende Pyrolyse-produkte:

Kohlenstoffdioxid (ca. 60%)

Kohlenmonoxid (ca. 35%)

Wasserstoff (ca. 5%)

Neben Holz ist Kunststoff ein weiterer Wesentlicher Bestandteil der meisten Einrichtungsgegenstände. Gerade Kunst-stoffe bilden eine große Menge Pyrolyse-gase.

Bei der Pyrolyse von Kunststoffen entstehen im Wesentlichen folgende Pyrolyseprodukte:

Chlorwasserstoff

Kohlenwasserstoffe

Salzsäuredämpfe

Blausäuredämpfe

Somit entstehen insbesondere bei Brän-den in geschlossenen Räumen sehr viele

Pyrolysegase. Die Wärme kann aus die-sen Räumen nicht abziehen und bereitet der Raum zunehmend thermisch auf. Aus den überwiegend aus Holz und Kunststoffen bestehenden Einrichtungs-gegenständen entstehen sehr viele ver-schiedene Pyrolysegase, welche ebenfalls

nicht abziehen können. Diese zuneh-mende Menge an Pyrolyseprodukte kann zu Gefahren wie der Rauchdurchzündung oder einer Rauchexplosion führen.

6.4 Rauchexplosion

Als Rauchexplosion (auch „Backdraft“ genannt) wird eine Verbrennungsreakti-on bezeichnet, bei der die in einem




Raum befindlichen Rauchgase durch die Zufuhr von Sauerstoff ein zündfähiges

Gemisch bilden und so schlagartig mit einem Druckanstieg im Raum verbren-nen.

Anhand des Zimmerbrandes kann dieser Vorgang wieder verdeutlicht und erläu-tert werden:

Wie im Beispiel zuvor beschrieben gerät ein Sessel in Brand. Kommt es jedoch nicht zu einer Rauchdurchzündung, da z.B. die Sauerstoffkonzentration im Raum nicht ausreichend ist, füllt sich der Raum fast vollständig mit Pyrolysegasen. Durch den Schwelbrand wird der ur-sprünglich im Raum befindliche Sauer-

stoff verbraucht bzw. durch die ange-sammelten Pyrolysegasen verdrängt. Die Konzentration der Pyrolysegase im Raum liegt oberhalb der OEG, das Gemisch ist somit zu fett um zu zünden. Aufgrund des Sauerstoffmangels kommt die Ver-brennungsreaktion zum Erliegen, die Pyrolysegase kühlen ab. Durch die Ab-kühlung der Gase verringert sich ihr Vo-lumen und im Raum entsteht ein Unter-druck.

Sobald eine Zuluftöffnung entsteht (z.B. durch Öffnen einer Tür oder Zerstörung eines Fensters) strömt aufgrund des

Unterdruckes sogartig Luft in den Raum. Das zu fette Gemisch der Pyrolysegase durchmischt sich mit der Frischluft. So-bald das Gemisch die OEG unterschritten hat ist es zündfähig. Haben die Pyrolyse-gase ihre Zündtemperatur noch nicht unterschritten und liegt eine Zündquelle im Raum vor, so zündet das Gemisch. Dies geschieht schlagartig. Es kommt zu einem Druckanstieg im Raum. Flammen schlagen in Verbindung mit der Druck-welle aus der Zuluftöffnung oder plat-zenden Fensterscheiben.

Die im Raum angesammelten Pyrolyse-

gase sind in einem Schlag verbrannt. Wenn die Gegenstände im Raum ther-misch noch genügend aufbereitet sind, so brennen sie nun weiter.

Abbildung 27: Brandverlauf in geschlossenen Räu-

men (größeres Format im Anhang)

Voraussetzungen einer Rauchexplosi-on:

Brand in einem Raum

Entstehung von Pyrolyseproduk-ten

kein Abzug von Wärme und Pyro-

lyseprodukten

nicht ausreichend Sauerstoff im Raum

Raum ist mit Pyrolysegasen ge-füllt

neue Zuluftöffnung entsteht,

Sauerstoff strömt ein

Zündtemperatur der Pyrolysepro-dukten und Zündquelle liegt vor

Signale für eine drohende Rauchex-

plosion:

späte Branderkennung

Brandraum ist geschlossen

Türklinke ist warm bzw. heiß oder Fenster mit Ruß beschlagen

Luftsog in den Raum nach Öffnen einer Tür oder eines Fensters

Auswirkungen einer Rauchexplosion:




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Druckanstieg im Raum

Flammen schlagen in Verbindung mit einer Druckwelle aus der Zuluftöffnung

Fensterscheiben können platzen

6.5 Stichflamme

Stichflammen sind kurzzeitig auftreten-de, sehr heiße und bis zu 30m lange Flammen. Sie treten insbesondere auf, wenn Gase oder Dämpfe unter hohem Druck aus Leitungen oder Behältnissen

ausströmen und entzündet werden.

Abbildung 28: Stichflamme einer Gasausströmung

Voraussetzungen einer Stichflamme:

zu fettes Gemisch eines brennba-ren Gases oder Dämpfe

Durchmischung des Gemisches

mit Sauerstoff bzw. Ausströmen des Gemisches aus einem Behäl-ter, Rohrleitung

Zündquelle

Auswirkungen einer Stichflamme:

kurzzeitige Bildung einer sehr heißen Flamme

Flammenlänge bis zu 30m

6.6 Erhöhtes Sauerstoff-

angebot

Steht für eine Verbrennung ein größeres Sauerstoffangebot als unter „normalen“ Bedingungen (21 Vol.-%) zur Verfügung,

so kommt es zu einer erheblichen Be-schleunigung der Verbrennungsreaktion. Dies führt zu einem erheblichen Risiko, da diese Verbrennung weniger kontrol-lierbar ist als sie unter „normalen“ Be-dingungen wäre.

Ein erhöhtes Sauerstoffangebot kann bis

hin zu einer reinen Sauerstoffatmosphä-re (100 Vol.-%) reichen.

Durch das erhöhte Sauerstoffangebot können mehr Sauerstoffteilchen gleich-zeitig mit den kleinsten Teilchen des brennbaren Stoffes reagieren. Da so gleichzeitig deutlich mehr einzelne Reak-

tionen stattfinden als unter „normalen“ Bedingungen, läuft die gesamte Ver-brennungsreaktion sehr viel schneller und stärker in ihrer Intensität ab.

Im Freien ist eine Sauerstoffanreiche-rung weniger gefährlich als in geschlos-senen Räumen, da die Sauerstoffkon-zentration an einer Austrittsstelle am höchsten und ist bei Abstand zur Aus-trittsstelle relativ schnell abnimmt. Durch die Vermischung mit der Umgebungsat-mosphäre sinkt die Sauerstoffkonzentra-tion.

In geschlossenen Räumen kann sich der austretende Sauerstoff jedoch sammeln, wenn keine ausreichende Belüftung des Raumes gewährleistet ist. Hier kann un-ter Umständen eine reine Sauerstoffat-




mosphäre entstehen. Somit sind sauer-stoffangereicherte Atmosphären in ge-

schlossenen Räumen deutlich gefährli-cher als im Freien.

Beispiele sauerstoffangereicherter Atmosphäre:

Industrieelle Bereiche

Medizinische Bereiche

Labore

Werkstätten

Transportunfälle

Ursachen sauerstoffangereicherter Atmosphäre:

Leckagen durch beschädigte oder schlecht gewartete Leitungssys-teme, Verbindungen, Behälter

falsch eingestellt Sauerstoffzu-mischung beim Brennschneiden

Transportunfälle von Sauerstoff-tankfahrzeugen

nicht ausreichend belüftete Räu-me bei der Verarbeitung (Abfül-lung, Entnahme) von Sauerstoff

In Gegenwart eines erhöhten Sauerstoff-angebotes verursachen brennbare Stoffe eine erhebliche Brandgefahr. Durch den größeren Anteil des Sauerstoffes ver-brennen die Stoffe deutlich schneller und

heftiger.

Des Weiteren neigen manche brennbare Stoffe bei einem erhöhten Sauerstoffan-gebot schneller zur Selbstentzündung. Ebenso lassen sich Stoffe entzünden, die unter „normalen“ Sauerstoffbedingungen nicht zündfähig sind.

Beispiele:

Öle und Fette sind in sauerstoffreicher Atmosphäre sehr leicht brennbar. Daher dürfen Verbindungen sauerstoffführender Leitungen oder Teile (z.B. Gewinde einer Sauerstoffflasche) nicht mit Fetten oder Ölen geschmiert werden.

Bekleidung und Haare können in einer sauerstoffangereicherten Umgebung sehr leicht Feuer fangen. Der Sauerstoff setzt sich in der Bekleidung fest, eine Entzün-dung ist bereits durch eine geringe Ener-giezufuhr möglich.

6.7 Explosion

Eine besondere, teilsweise sehr extreme, Auswirkung von Verbrennungsreaktionen sind Explosionen.

Eine Explosion ist ein unkontrolliertes, sehr schnell ablaufendes Brennen in ei-

nem explosiblen Gemisch bzw. einer ex-plosiblen Atmosphäre, bei dem gleichzei-tig große Gas- und Wärmemengen frei-gesetzt werden und eine starke Druck-welle entsteht. Begleiterscheinungen einer Explosion sind meist greller Licht-blitz und lauter Knall.

Die Verbrennungsgeschwindigkeit einer Explosion hängt von der prozentualen Zusammensetzung und der Vermischung des brennbaren Stoffes mit dem Sauer-stoff ab. Beim Zünden einer Explosion entsteht eine Flammenfront, die das Gemsich ausgehend von der Zündquelle

mit einer bestimmten Flammenge-schwindigkeit durchläuft.

Abhängig von der Flammengeschwindig-keit und der Druckwirkung werden Ex-plosionen in die Deflagration, die Verpuf-fung und die Detonation unterteilt.

6.7.1 Deflagration

Die Deflagration ist eine gedämmte Ex-plosion mit einer Flammengeschwindig-




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keit bis zu mehreren hundert Metern in der Sekunde (bis zur Schallgeschwindig-

keit; 330 m/s) und einer Druckentwick-lung zwischen 1 und 14 bar.

Der Zündmechanismus im explosionsfä-higen Gemisch ist die fortlaufende Wär-meübertragung von einem Teilchen zum anderen aus der Reaktionszone heraus.

6.7.2 Verpuffung

Die Verpuffung ist eine ungedämmte Explosion mit einer Flammengeschwin-digkeit unter 1 m/s und einem Druck unter 1 bar.

Dieser Druck entspricht einer Last von 10t auf 1 m² Fläche und reicht aus, Fenster und Türen aus Wänden heraus-zudrücken sowie Einstürze von Gebäu-den herbeizuführen.

Verpuffungen erfolgen bei Gemischen in

der Nähe der oberen bzw. unteren Ex-plosionsgrenze.

6.7.3 Detonation

Die Detonation ist eine unkontrollierte,

bis aufs äußerste gesteigerte Explosion mit einer Flammengeschwindigkeit bis zu einigen km/s in Richtung der mit Über-schallgeschwindigkeit strömenden Gase.

Bei einer Detonation erfolgt das Durchzünden des explosionsfähigen Ge-mischs nicht wie bei der Deflagration durch Wärmeübertragung von Teilchen zu Teilchen, sondern wird durch die Stoßwellen-Kompression der noch nicht gezündeten Nachbarbereiche und ihre Erwärmung bis zum Entzünden ausge-löst.

Die bei einer Detonation auftretenden

Drücke sind größer als 10 bar. Sie kön-nen bei festen oder flüssigen Sprengstof-fen durch enorme Volumenvergrößerung beim Übergang vom festen bzw. flüssi-gen Zustand zu den heißen Reaktions-

produkten Werte bis zu 250 000 bar er-reichen.

Eine Detonation tritt meist dann auf, wenn der brennbare Stoff mit reinem Sauerstoff gemischt vorliegt (z.B. Knall-gas: Wasserstoff-Sauerstoff-Gemisch).




7 Löschlehre

Lernziel

Der Teilnehmer hat Kenntnisse über die Funktion der verschiedenen

Löschmittel und ihre Anwendung.

Als Löschen wird das Unterbrechen bzw. Beenden einer Verbrennungsreaktion beizeichnet. Dies geschieht dadurch, dass eine der Verbrennungsvorausset-zungen gestört oder ganz von der Ver-brennung ausgeschlossen wird. Liegen nicht alle Vorrausetzungen optimal vor, so ist eine Verbrennung nicht mehr mög-lich, sie kommt zum Erliegen.

Abbildung 29: Beispiel gestörte Verbrennungsvo-raussetzungen

7.1 Löscheffekte

Um einen Löscherfolg zu erreichen, kommen Löschmittel zum Einsatz. Als Löschmittel werden Stoffe bezeichnet, die durch bestimmte Löscheffekte eine Verbrennungsreaktion unterbrechen bzw. beenden.

Es wird zwischen drei Löscheffekten un-terschieden. Diese sind der Kühleffekt, der Stickeffekt und der antikatalytische Effekt.

7.1.1 Kühleffekt

Der Kühleffekt wirkt auf die energeti-schen Verbrennungsvoraussetzungen ein.

Er beruht darauf, dass der Verbrennung Energie (Wärmeenergie) entzogen wird. Der brennbare Stoff wird somit abge-

kühlt. Hat der brennbare Stoff seine Mindestverbrennungstemperatur unter-stritten, kommt die Verbrennung zum Erliegen.

7.1.2 Stickeffekt

Der Stickeffekt wirkt auf die stofflichen Verbrennungsvoraussetzungen ein. Er gliedert sich in die Effekte „Verdünnen“, „Abmagern“ und „Trennen“.

Der Effekt des Verdünnens beruht da-rauf, dass die Sauerstoffkonzentration herabgesetzt wird. Ist der Sauerstoffge-halt soweit verdünnt, dass das Mengen-verhältnis zwischen dem brennbaren Stoff und dem Sauerstoff nicht mehr für eine Verbrennung ausreicht, kommt die-se zum Erliegen.

Löschen

Verdünnen




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Abbildung 30: Verdünnung des Sauerstoffes

Der Effekt des Abmagerns beruht drauf, dass die Konzentration des brennbaren Stoffes herabgesetzt wird. Dies geschieht z.B. durch Entfernung (bzw. Verringe-rung des Anteils) des brennbaren Stof-fes. Auch hier kommt die Verbrennung

zum Erliegen wenn das Mengenverhältnis zwischen dem brennbaren Stoff und dem Sauerstoff nicht mehr passend ist.

Abbildung 31: Abmagerung des brennbaren Stoffes

Der Effekt des Trennens beruht darauf,

dass der Sauerstoff und der brennbare Stoff von einander getrennt werden. Hat der Sauerstoff keinen direkten Kontakt mehr zum brennbaren Stoff, so kommt die Verbrennungsreaktion zum Erliegen.

Abbildung 32: Trennung des brennbaren Stoffes

vom Stauerstoff

7.1.3 Antikatalytischer Effekt

Der antikatalytische Effekt wirkt speziell auf die Katalysatoren der Verbrennung

ein. Dies wird auch als Inhibition be-zeichnet. Es wird zwischen der heteroge-nen und der homogenen Inhibition un-terschieden.

Bei der heterogenen Inhibition liegen der Katalysator und das Löschmittel in ver-schiedenen Aggregatzuständen vor. Dies

ist beim Einsatz von BC-Löschpulver der Fall. Die freien Radikale (siehe 5.2.3 Ka-talysator) prallen auf die sehr große Oberfläche der Pulverkristalle. Diese ent-ziehen den Radikalen ihre Energie. Die Radikale können nun keine Energie mehr zum Aufrechterhalten der Verbrennungs-

reaktion abgeben und sie kommt zum Erliegen.

Bei der homogenen Inhibition liegen der Katalysator und das Löschmittel im glei-chen Aggregatzustand vor. Dies ist beim Einsatz von Halonen der Fall. Die Halone gehen mit den freien Radikalen eine Ver-bindung ein und machen sie so für die Verbrennungsreaktion wirkungslos, was zum Erliegen der Verbrennung führt.

7.2 Löschmittel Wasser

Wasser ist das Löschmittel, welches am längsten für die Brandbekämpfung ver-wendet wird. Bereits zu Urzeiten kam es zum Einsatz, um Brände zu löschen. Dies beruht darauf, dass es lange das einzig bekannte und effektive Löschmittel war und es fast überall ausreichend zur Ver-fügung steht. Ebenso entscheidend für die Bedeutung des Wassers als Lösch-mittel ist, dass bei 90% aller Brände fes-te Stoffe beteiligt sind. Für diese Stoffe ist Wasser das optimale Löschmittel. Die Hauptlöschwirkung des Wassers beruht

auf dem Kühleffekt.

7.2.1 Brandklasseneignung




Aufgrund seiner stofflichen Eigenschaften ist das Wasser als Löschmittel unter-

schiedlich gut bzw. schlecht für die An-wendung in den einzelnen Brandklassen geeignet.

Die Anwendung des Was-sers als Löschmittel in der Brandklasse A ist als sehr gut einzustufen.

Durch die hohe Wärme-kapazität und Verdamp-

fungswärme des Wassers (siehe 3.4.5 Spezifische Wärmekapazität) ist es in der Lage, der Verbrennung einen sehr gro-ßen Energiebetrag in Form von Wärme zu entziehen. Durch diese auf dem Kühl-effekt beruhende Löschwirkung des Was-sers wird die Verbrennungstemperatur gesenkt. Ist der brennbare Stoff bis un-ter die Mindestverbrennungstemperatur abgekühlt, so kommt die Verbrennungs-reaktion zum Erliegen.

Ebenso eignet sich das Wasser zum Küh-len von Objekten, die durch einen Brand gefährdet sind, entzündet zu werden. In diesen Fällen wird verhindert, dass die jeweilige Mindestverbrennungstempera-tur erreicht wird. Der Einsatz bei Brän-den der Brandklasse A ist aufgrund die-

ser Eigenschaften der bevorzugte Ver-wendungszweck des Wassers. Aus dem Zusammenhang, dass 90% aller Brände der Brandklasse A zuzuordnen sind, ergibt sich, dass das Wasser das häufigs-te und wichtigste für die Brandbekämp-fung eingesetzte Löschmittel ist.

In der Brandklasse B eignet sich Wasser nur bedingt zum Löschen der brennenden flüssigen bzw. flüssig werdenden Stoffe.

Dies beruht darauf, dass die Haupt-löschwirkung (Kühleffekt) des Wassers nicht so sehr wirksam werden kann. Ebenso sind auch nicht alle brennbaren

Flüssigkeiten mit Wasser mischbar (siehe 5.4.4 Polarität). Der Einsatz von Wasser

bei nicht mit Wasser mischbaren bren-nenden Flüssigkeiten kann zu einer er-heblichen Brandausbreitung führen. Ein weiterer Nachteil ist das Umherspritzen der brennenden Flüssigkeit oder das Überlaufen von Behältern durch das Ein-bringen von Wasser. Somit ist Wasser in der Brandklasse B häufig nur zur äuße-

ren Kühlung der Behälter in Brand gera-tener Flüssigkeiten einsetzbar. Ebenso kann das Schmelzen brennbarer Stoffe verlangsamt oder gestoppt werden.

In der Brandklasse C eignet sich Wasser eben-falls nur bedingt zum Löschen der brennenden Gase.

Der Kühleffekt des Was-

sers kann hier ebenfalls nicht wirksam werden. Zwar kann eine brennende Flamme mit einem entsprechenden Was-serstrahl an der Austrittsstelle abge-schlagen und somit gelöscht werden, jedoch strömt das Gas anschließend un-kontrolliert weiter aus. So kann das Wasser bei solchen Bränden lediglich

einsetzt werden, um die Gasflamme mit einem geeignetem Wasserstrahl einzu-fangen, und so die von ihr ausgehende Wärmestrahlung zu minimieren.

In der Brandklasse D

eignet sich Wasser nicht zum Löschen der bren-nenden Metalle.

Metalle verbrennen mit Temperaturen von

2000°C bis 3000°C. Bei diesen Tempera-turen hat das Wasser keine Kühlwirkung mehr. Es spaltet sich in seine Bestand-teile Wasserstoff und Sauerstoff auf und es entsteht ein hochexplosives Gasge-misch (siehe 3.4.7 Thermische Dissozia-tion).




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In der Brandklasse F eig-

net sich Wasser ebenfalls nicht zum Löschen bren-nender Speisefette- und Öle.

Wird Wasser zum Lö-schen solcher Brände in Frittier- und Fettbackgeräten eingesetzt, so führt die-

ses zu einer Fettexplosion mit erhebli-cher Brandausbreitung und Verletzungs-gefahr für den Anwender (siehe 7.2.2 Gefahren beim Einsatz des Löschmittels Wasser).

Wasser ja

bedin

gt

bedin

gt

nein

nein

7.2.2 Gefahren beim Einsatz des Löschmittels Wasser

Durch den Einsatz von Wasser können in

verschiedenen Situationen erhebliche Gefahren entstehen. Diese Gefahren be-ruhen auf den Eigenschaften des Was-sers in bestimmten Situationen oder den Eigenschaften der mit dem Wasser in Berührung kommenden Stoffe.

So gibt es gefährliche Stoffe, die mit Wasser heftig reagieren. Dies sind Stoffe, die den Gefahrgutverordnungen unterliegen. Werden solche Stoffe mit Wasser vermischt oder kommen sie mit Wasser in Kontakt, so kann es zu hefti-gen oder gefährlichen Reaktionen kom-men (z.B. Explosionen, Brandausbrei-tung, Bildung entzündbarer Gase bei Leichtmetallen, Natrium oder Kalium).

Ebenso gefährlich ist es, brennende Metalle mit Wasser zu löschen. Dies

liegt an den hohen Verbrennungstempe-raturen der Metalle. Sie verbrennen mit Temperaturen von 2000°C bis 3000°C. Bei diesen Temperaturen spaltet sich das Wasser (H2O) in seine Bestandteile Was-serstoff (H) und Sauerstoff (O) auf (sie-he 3.4.7 Thermische Dissoziation). Was-serstoff ist ein brennbares Gas. Sein Ex-plosionsbereich reicht von 4 bis 75 Vol.-% und ist somit sehr groß. Durch die Temperatur der brennenden Metalle liegt ausreichend Zündenergie vor und der freiwerdende Wasserstoff würde schlag-artig verbrennen bzw. explodieren. Da gleichzeitig Sauerstoff freigesetzt wird,

verläuft diese Reaktion noch schneller und heftiger ab. Somit darf Wasser bei brennenden Metallen nicht als Löschmit-tel eingesetzt werden.

Ebenfalls gefährlich ist es, Schornstein-brände mit Wasser zu löschen. Hier be-steht Reiß- und Berstgefahr beim Einsatz von Wasser als Löschmittel im Schorn-stein. Dies beruht drauf, dass das in den Schornstein eingebrachte Wasser auf-grund der Brandtemperatur im Schorn-stein schlagartig verdampft. Wasser-dampf hat jedoch ein deutlich größeres

Volumen als Wasser in flüssiger Form. So entstehen aus einem Liter Wasser 1700 Liter Wasserdampf (siehe 3.4.3 Volumenausdehnung). Somit vergrößert das Wasser sein Volumen um das 1700fache. Dieser Vorgang geschieht aufgrund der hohen Temperaturen im

Schornstein in Bruchteilen von Sekun-den. Es entsteht eine enorme Kraft bzw. ein enormer Druck im Schornstein, der nur nach oben bzw. unten durch den Schornstein und evtl. geöffnete Revisi-onsklappen entweichen kann. Diese Öff-nungen sind jedoch zu klein, um den in

so kurzer Zeit entstehenden Druck abzu-führen. Somit übertragen sich die Kräfte des Drucks auf die innere Wandung des Kamins, was zu Rissen im Schornstein

Schornstein-

brände




führt. Ebenso kann dies das Bersten des Schornsteins bewirken.

Die Anwendung von Wasser bei heißen Oberflächen bzw. heißen Gasen oder Dämpfen ist mit der Gefahr der Verbrü-hung verbunden. Das aufgebrachte Was-ser wird durch die heißen Oberflächen bzw. Gase oder Dämpfe erwärmt und verdampft. Dieser entstehende Wasser-dampf ist sehr heiß und kann bei Kontakt mit der Haut zu Verbrühungen führen. Insbesondere besteht diese Gefahr bei Löscheinsätzen in geschlossenen Räu-men. Der entstehende Wasserdampf kann aus diesen Räumen nicht abziehen

und verteilt sich im gesamten Raum. Die Einsatzkräfte haben so nur wenige Mög-lichkeiten, dem Wasserdampf auszuwei-chen. Aufgrund dieser Gefahren ist im Löscheinsatz die vollständige Feuerwehr-schutzausrüstung zu tragen, sodass kei-ne Hautflächen freiliegen, die verbrüht werden könnten.

Besonders gefährlich ist der Einsatz des Löschmittels Wasser bei heißen Fet-ten. Wird Wasser zum Löschen heißer bzw. brennender Fette eingesetzt, so führt dies zu Spritz- und Explosionsge-

fahr.

Beim Auftreffen eines Wasserstrahls kann brennendes Fett bereits aus seinem Behältnis herausspritzen und so zu einer Brandausbreitung führen. Heftiger in der Reaktion ist jedoch die Fettexplosion.

Abbildung 33: Fettexplosion

Da Wasser eine größere Dichte hat als

Fett (Wasser ist schwerer) sinkt es in einem mit Fett gefüllten Behälter nach unten. Das Fett schwimmt oben auf dem Wasser. Brennt das Fett, so befindet sich insbesondere bei Friteusen die heißeste Schicht am Boden des Behälters, da sich dort die Heizstäbe befinden. Das nach unten sinkende Wasser wird erwärmt. Hat es die heißeste Fettschicht am Boden des Gefäßes erreicht, verdampft es schlagartig. Da das Wasser nicht sofort bei Auftreffen auf das heiße Fett, sonder erst verzögert am Boden des Gefäßes verdampft, wird dies als Siedeverzug bezeichnet. Das schlagartige Verdampfen des Wassers führt zum Aufsteigen des Wasserdampfes (1700faches Volumen) aus dem Behälter. Das auf dem Wasser schwimmende brennende Fett wird hier-durch mitgerissen. Es verteilt sich in Tausende kleine Tröpfchen, was eine riesige Oberflächenvergrößerung bedeu-

tet. Durch diese enorme Oberflächenver-größerung kommt es zu einer mehreren Meter hohen Stichflamme bzw. einem Feuerball. Gerade in geschlossenen Räumen bedeutet eine Fettexplosion eine




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erhebliche Verletzungsgefahr für Perso-nen und eine Ausbreitung des Brandes

innerhalb des Raums.

7.2.3 Anwendungsmöglichkeiten und –formen des Wassers

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, das Wasser als Löschmittel einzusetzen. Im Wesentlichen wird zwischen der Anwen-dung als Vollstrahl, Sprühstrahl oder Nebelstrahl unterschieden.

Der Vollstrahl wird vorwiegend im Au-ßenangriff eingesetzt, wo es darauf an-kommt, große Entfernungen zu überbrü-

cken, da der vorgehende Trupp bei An-näherung an das brennende Objekt einer zu hohen Gefahr (z.B. durch herabfallen-de Trümmer) ausgesetzt wäre.

Vorteile Nachteile

große Wurfweiten und -höhen

größere Eindring-tiefe

höhere mechani-sche Wirkung

(Auftreffkraft)

größerer Wasser-schaden

mögliche Zerstörung empfindlicher Stoffe und Geräte

mögliche Aufwirbe-

lung von Stäuben (Staubexplosion)

Im Gegensatz zum Vollstrahl hat der Sprühstrahl seine beste Löschwirkung im Innenangriff. Beim Sprühstrahl wird der Strahl aufgefächert und es entstehen so viele kleine Wassertröpfchen. Diese kleinen Wassertröpfchen haben insge-samt eine größere Oberfläche. Durch diese Oberflächenvergrößerung ver-dampft das Wasser sehr viel schneller und hat eine deutlich größere Kühlwir-

kung als der Vollstrahl.

Vorteile Nachteile

gute Wärmebin- geringere Wurfwei-

dung

geringere Aufwir-belung

geringerer Was-serschaden

großes Aufnahme-vermögen bei Ga-sen / Dämpfen

ten und –höhen

geringere Eindring-tiefe

starke Wasser-dampfbildung (Ver-brühungsgefahr)

Weitere Anwendungsmöglichkeit des Wassers ist der Einsatz in Form eines Nebelstrahls. Hierbei erfolgt die Verne-belung des Wassers durch spezielle Strahlrohre (z.B. Hohlstrahlrohre) und/oder durch Hochdruckpumpen mit Ausgangsdrücken bis zu 40 bar. Da die entstehenden Wassertropfen einen ext-rem kleinen Durchmesser haben, ent-steht eine sehr große Oberfläche des Wassers. So kann das Wasser seine Kühlwirkung optimal entfalten.

Vorteile Nachteile

optimales Wärmeauf-nahmevermögen

geringer Wasserscha-den

kaum Wurfwei-te und –höhe

Verbrühungsge-fahr durch spontane Ver-dampfung

Aufwirbelung von Stäuben (Hochdruck)

7.2.4 Strahlrohre

Stahlrohre sind Wasser führende Arma-turen zur Wasserabgabe. Sie geben dem Wasserstrahl Form und Richtung. Für den Einsatz von Wasser gibt es Mehr-

zweck- und Hohlstrahlrohre.

Mehrzweckstrahlrohre sind lange Zeit die gängigsten Strahlrohre gewesen. Sie sind in den Größen B, C und D genormt.




Sie ermöglichen das Umschalten zwi-schen Vollstrahl, Sprühstrahl und Wasser

halt.

Abbildung 34: Mehrzweckstrahlrohr

Mittlerweile kommen jedoch Hohlstrahl-rohre mehr und mehr verbreitet zum Einsatz.

Sie ermöglichen ein stufenloses Um-

schalten zwischen einem Vollstrahl und einem Sprühstrahl. So kann die Breite eines Sprühstrahls individuell eingestellt werden. Durch die im Gegensatz zum Mehrzweckstrahlrohr andere Düsentech-nik entsteht bei Hohlstrahlrohren ein Sprühstrahl mit sehr viel kleineren

Wassertröpfchen. Dies bedeutet eine effektivere Wirkung des Wassers als kühlendes Löschmittel. Die Kombination der sehr kleinen Wassertröpfchen und des individuell einstellbaren Sprühstrahls ermöglicht es, auch zündfähige oder zündende Rauchgase kühlen zu können. So können beispielsweise drohende

Rauchdurchzündungen (siehe 6.3 Rauchdurchzündung) verhindert werden.

Abbildung 35: Hohlstrahlrohr

7.2.5 Einsatz von Wasser in elektri-schen Anlagen

Bei Brandeinsätzen im Bereich elektri-scher Anlagen ist zu beachten, dass

Wasser elektrischen Strom weiterleitet. Kommt in diesen Bereichen Wasser als Löschmittel zum Einsatz, so sind be-stimmte Abstände zwischen dem Strahl-rohr und der Anlage einzuhalten, damit die das Strahlrohr führenden Einsatzkräf-te vor der Gefahr eines Stromschlages geschützt sind.

In der nachstehenden Tabelle sind Richt-abstände nach DIN VDE 0132 „Brandbe-kämpfung in elektrischen Anlagen“ auf-geführt. Diese sind einzuhalten, wenn die genaue Stärke der anliegenden Spannung nicht bekannt ist. Die Werte

orientieren sich am Einsatz eines CM-Strahlrohres ohne Mundstück (12mm Mundstücksweite) bei einem Strahlrohr-druck von 5 bar.

Niederspan-nung

(< 1000 V)

Hochspan-nung

(> 1000 V)

Sprüh-strahl

1 Meter 5 Meter

Vollstrahl 5 Meter 10 Meter

Wird ein höherer Strahlrohrdruck als 5 bar verwendet, so sind die Abstände um 2 Meter zu erhöhen. Kommen Strahlroh-re (BM-Strahlrohre) mit einer größeren Mundstücksweite als 12mm zum Einsatz, so sind die Abstände pro mm größere Mundstücksweite um 0,75 Meter zu er-höhen.

Bei unbekannter Spannung sind immer die Abstände für Hochspannung einzu-halten.

7.3 Löschmittel Schaum

Schaum ist ein Löschmittel, das erst an der Einsatzstelle durch die Feuerwehr




53/81

produziert wird. Der Schaum besteht aus den Bestandteilen Wasser, Schaummittel

und Luft. Mit den Geräten der Feuerwehr werden diese drei Bestandteile zusam-mengeführt und Schaum erzeugt. Die Hauptlöschwirkung des Schaums beruht auf dem Stickeffekt (Trennen), die zwei-te Löschwirkung ist der Kühleffekt.


Aufgrund seiner individuellen Eigenschaf-ten ist Schaum als Löschmittel unter-schiedlich gut bzw. schlecht für die An-wendung in den einzelnen Brandklassen

geeignet.

Die Anwendung von Schaum als Löschmittel in der Brandklasse A ist als gut einzustufen.

Wird Schaum auf einen festen brennenden Stoff

aufgebracht, so legt sich der Schaum auf die Oberfläche des brennenden Stoffes. Der Sauerstoff wird durch diese Schaum-schicht am Zutritt zum brennbaren Stoff gehindert (Trenneffekt). Die Verbren-nung kommt zum Erliegen. Ebenso tritt

das im Schaum befindliche Wasser aus und kühlt den brennbaren Stoff so zu-sätzlich. Jedoch wird die Schaumschicht durch die teilweise hohen Temperaturen der brennenden Stoffe zerstört und Sau-erstoff hat wieder Zutritt. Liegt die Min-destverbrennungstemperatur des Stoffes noch vor, so ist eine Rückzündung mög-lich. Ein weiterer Nachteil von Schaum in der Brandklasse A ist die Eigenschaft, dass der Schaum fließfähig ist und somit nicht so gut an den senkrechten Teilen brennender Stoffe haftet. Ist der Schaum heruntergeflossen, so hat der Sauerstoff

wieder Zutritt zum brennbaren Stoff.

Die Anwendung von Schaum als Löschmittel in der Brandklasse B ist als sehr gut einzustufen.

Wird Schaum auf eine brennende Flüssigkeit

aufgebracht, so bedeckt der Schaum die Oberfläche der brennenden Flüssigkeit. Aufgrund des hohen Luftanteils im Schaum ist seine Dichte gering, er ist somit leichter als brennbare Flüssigkei-ten. Der auf der Flüssigkeit schwimmen-de Schaum deckt diese ab und verhin-dert so ein weiteres Aufsteigen der brennbaren Flüssigkeitsdämpfe. Die Ver-brennung kommt zum erliegen. Hierzu ist es jedoch erforderlich, dass die ge-samte Oberfläche der brennbaren Flüs-sigkeit abgedeckt wird. Ist z.B. ¼ der Flüssigkeitsoberfläche nicht abgedeckt, so steigen hier weiterhin brennbare Dämpfe auf und die Verbrennung kann nicht gestoppt werden.

In der Brandklasse C eignet sich Schaum nicht zum Löschen brennender Gase, da das Abdecken von Gasen mit Schaum nicht möglich ist.

Gase sind sehr leicht und würden durch den Schaum hindurch treten oder schon beim Einbringen des Schaums verwirbelt werden. Selbst ein Versuch, mit einem

Schaumstrahl die Flamme eines bren-nend ausströmenden Gases abzuschla-gen wäre nicht zielführend.

In der Brandklasse D ist Schaum ebenso wenig

zum Löschen brennender Metalle geeignet.

Bevor der Schaum das brennende Metall abde-

cken könnte, würde sich das im Schaum




enthaltene Wasser aufgrund der hohen Brandtemperaturen in seine Bestandteile

aufspalten und zu einer Brandausbrei-tung führen (siehe 3.4.7 Thermische Dissoziation).

In der Brandklasse F ist Schaum ebenfalls nicht einsetzbar, um brennen-de Speiseöle oder –fette in Küchengeräten zu lö-schen.

Beim Einbringen des Schaumstrahls in die verhältnismäßig kleinen Geräte wür-de das brennende Fett herausspritzen und zu einer Brandausbreitung führen. Ebenso kann das im Schaum enthaltene Wasser schlagartig verdampfen und zu einer Fettexplosion (siehe 7.2.2 Gefah-ren beim Einsatz des Löschmittels Was-ser) führen.

Schaum ja

ja

nein

nein

nein

7.3.1 Schaumerzeugung

Soll Schaum als Löschmittel zum Einsatz kommen, so muss er an der Einsatzstelle produziert werden. Hierzu werden die Bestandteile Wasser, Schaummittel und Luft zusammengeführt.

Die Schaumerzeugung beginnt damit, dass von einer Feuerlöschkreiselpumpe Wasser mittels Schlauchleitungen in Richtung Brandstelle gefördert wird. Hin-ter dem Verteiler wird ein Zumischer in die Schlauchleitung eingekuppelt. Der Zumischer mischt dem Wasser einen prozentualen Anteil an Schaummittel zu.

Dieser prozentuale Anteil wird als Zu-mischung (ZM) bezeichnet. Die Zu-

mischung kann mit den meisten Zumischern zwischen 0 und 6% einge-stellt werden. Das so entstehende Was-ser-Schaummittel-Gemisch wird durch Schläuche weiter zur Brandstelle geför-dert, wo am Ende der Schlauchleitung ein Schaumrohr angekuppelt wird. Das Schaumrohr führt dem Wasser-

Schaummittel-Gemisch beim Austritt Luft zu. Durch diese Luftzufuhr entsteht der endgültige Schaum, der auf das Brandgut aufgetragen wird. Die Luftzu-fuhr zum Wasser-Schaummittel-Gemisch wird als Verschäumung bezeichnet. Die Verschäumungszahl (VZ) von Schaum-

rohren gibt an, um das wie vielfache sich das Volumen des Wasser-Schaummittel-Gemisches beim Durchströmen des Schaumrohres vergrößert. So werden beispielsweise bei einer Verschäumungszahl von 15 aus 100 Liter Wasser-Schaummittel-Gemisch 1500

Liter Schaum erzeugt.

Abbildung 36: Schaumerzeugung




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Aus der Grafik sind die zur Schaumer-zeugung erforderlichen Geräte ersicht-

lich:

Zumischer

Schaumrohr

Des Weiteren sind erforderlich:

Feuerlöschkreiselpumpe um einen Förderstrom zu erzeugen

Schläuche zur Fortleitung des Wassers und der Gemische

Ansaugschlauch am Zumischer zur Entnahme des Schaummittels aus Behältern

7.3.2 Schaumarten

Die Verschäumungszahl macht den Un-terschied zwischen den drei Schaumar-ten (Schwer-, Mittel- und Leichtschaum) aus. Schwerschaum hat eine

Verschäumungszahl bis 20. Sein Luftan-teil ist somit sehr gering, es ist ein dick-flüssiger Schaum. Mittelschaum hat eine Verschäumungszahl von 21 bis 200. Er hat somit einen größeren Luftanteil und ist leichter als der Schwerschaum. Da-durch wird er im Freien durch Thermik oder Winde oftmals verweht und die Wurfweiten sind geringer als die des Schwerschaums. Leichtschaum hat eine Verschäumungszahl von 201 bis 1000. Der Luftanteil ist deutlich größer als bei den anderen Schaumarten. Aufgrund dessen ist er sehr leicht und kann nur in

geschlossenen Räumen eingesetzt wer-den.

Schaumart

Verschäumungszahl

Wasser-anteil

Luft-anteil

Schwer-schaum

4 bis 20 hoch ge-ring

Mittel-schaum

21 bis 200 mittel mittel

Leicht-schaum

21 bis 1000 gering hoch

7.3.3 Schaummittelklassen

Schaummittel sind flüssige Zusätze zum Löschwasser, um Löschschaum zu er-

zeugen.

Bei der Feuerwehr kommen verschiede-nen Klassen von Schaummittel zum Ein-satz:

Proteinschaummittel

Mehrbereichsschaummittel

Wasserfilmbildende Schaummittel

Class-A-Foam-Schaummittel

Proteinschaummittel sind dunkel-braune Schaummittel, die aus wasserlös-

lichen Eiweißprodukten aufgebaut sind. Proteinschaummittel ist das älteste zur Brandbekämpfung eingesetzte Schaum-mittel und wurde früher aus tierischen Abfällen wie Hornspänen, Haaren oder Federn hergestellt. Der so erzeugte Schaum hat eine sehr gute Haftwirkung, kann jedoch nur zur Erzeugung von

Schwerschaum eingesetzt werden. Auf-grund dieser eingeschränkten Einsetz-barkeit wird Proteinschaummittel bei öffentlichen Feuerwehren heute kaum noch verwendet. Häufiger findet es bei Werkfeuerwehren Anwendung.

Mehrbereichsschaummittel (MBS) sind synthetisch hergestellte Schaummit-tel. Sie bestehen im Wesentlichen aus Tensiden und ähneln in ihrer Grundkon-zeption den Waschmitteln. Die Bezeich-nung Mehrbereichsschaummittel stammt daher, dass mit MBS im Gegensatz zu den Proteinschaummitteln alle drei Schaumarten erzeugt werden können.




Wasserfilmbildende Schaummittel werden auch als Light Water (Produkt-

name der Firma 3M) oder AFFF (Aqueos Film Forming Foam) bezeichnet. AFFF ist ebenfalls ein synthetisches Schaummit-tel. Im Vergleich mit dem ebenfalls syn-thetischen Mehrbereichsschaummittel enthält das AFFF zusätzliche Fluortensi-de. Die geben dem Schaummittel die Fähigkeit der Ausbildung eines wasser-

haltigen Filmes zwischen dem Schaum und der brennbaren Flüssigkeit. Dieser Film bleibt auch nach der vollständigen Zerstörung der Schaumschicht bestehen und verhindert das Aufsteigen brennba-rer Flüssigkeitsdämpfe. Ebenso hat der wasserhaltige Film die Eigenschaft, sich

bei Zerstörung (z.B. durch Hindurchge-hen) selbstständig sofort wieder zu schließen.

Abbildung 37: AFFF

Diese drei Schaummittelklassen eignen sich jedoch nur für die Brandbekämpfung nicht alkoholhaltiger (unpolarer) brenn-barer Flüssigkeiten. Alkoholhaltige (pola-re) brennbare Flüssigkeiten (siehe 5.4.4 Einteilung brennbarer Flüssigkeiten) zer-

stören diese nicht alkoholbeständigen Schäume.

Somit sind für die Brandbekämpfung bei brennenden alkoholhaltigen oder alko-holähnlichen Flüssigkeiten Schaummittel für polare Flüssigkeiten einzusetzen. Diese alkoholbeständigen Schaummittel

erhalten in ihrer Bezeichnung den Zusatz AR (Alcohol Resistant). Somit wird ein wasserfilmbildendes alkoholbeständi-ges Schaummittel als AFFF-AR be-zeichnet.

Das AFFF-AR ist an seiner hochvisko-

sen, fast gelartigen Konsistenz erkenn-bar. Seine besondere Eigenschaft beruht darauf, dass es bei polaren Flüssigkeiten einen unpolaren Polymerfilm (flüssiger Kunststoff) auf der brennbaren Flüssig-keit bildet, der den Kontakt zwischen dem Schaum und der Flüssigkeit verhin-dert, sodass der Schaum nicht zerstört wird.

Abbildung 38: AFFF-AR

7.3.4 Besonderheiten Löschmittel Schaum

Wird Schaum als Löschmittel eingesetzt, so ist insbesondere beim Löschen brenn-barer Flüssigkeiten ein flächig aufge-brachter und vollständig geschlossener Schaumteppich erforderlich. Ist der Schaumteppich nicht vollständig ge-schlossen, so können an den offenen Stellen Flüssigkeitsdämpfe aufsteigen und weiterhin brennen. Erst wenn die Flüssigkeit vollständig mit Schaum abge-deckt ist, kommt die Verbrennung zum

Erliegen. Ebenso besteht die Gefahr ei-ner erneuten Entzündung, wenn ein Schaumteppich nach dem Auftragen auf-gerissen wird (z.B. durch Hindurchge-hen).

Eine weitere Besonderheit des Löschmit-tels Schaum ist die Eigenschaft, dass er elektrisch leitfähig ist. Dies beruht da-rauf, dass Wasser leitfähig und ein we-sentlicher Bestandteil des Schaums ist. Auf Grund dieser Eigenschaft ist Schaum nicht zur Verwendung in elektrischen




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Anlagen geeignet, solange sie nicht spannungsfrei sind.

7.3.5 Schaumberechnung

Da Schaum erst an der Einsatzstelle durch die Feuerwehr erzeugt wird, sind Kenntnisse über die Zusammensetzung und die technische Erzeugung erforder-lich. Mit Hilfe dieser Kenntnisse kann vor Beginn der Erzeugung z.B. berechnet werden wie viel Schaummittel erforder-lich ist, wie viel Schaum erzeugt werden kann oder wie lange die Erzeugung der erforderlichen Schaummenge dauert.

Anhand einer einfachen Beispielrechnung wird dies kurz erläutert:

Wie viel Mittelschaum kann aus 120 Liter Schaummittel (SM) erzeugt werden, wenn die Zumischung (ZM) 3% beträgt und ein M4-75 (Mittelschaumrohr, Durchfluss 400l/Min, Verschäumungszahl 75) zum Einsatz kommt?

Die ZM beträgt 3%. Das heißt, dass die 120 Liter Schaummittel 3% des Wasser-Schaummittel-Gemisches (WSG) ausma-chen, welches am Zumischer gemischt wird.

3 % 120l

100% 4000l

Diese 4000 Liter WSG werden am Schaumrohr mit einer Verschäumungszahl (VZ) von 75 verschäumt. Das heißt, dass das

Schaumvolumen das 75-fache des Volu-mens des WSG beträgt. Die 4000l WSG entsprechen einem Volumen von 4m³.

Schaum = WSG x VZ

Schaum = 4 m³ x 75

Schaum = 300 m³

Somit können unter gegebenen Voraus-setzungen 300 m³ Mittelschaum erzeugt werden.

Diese Aufgabe könnte auch anders her-um gerechnet werden, sodass z.B. die zu

erzeugende Schaummenge bekannt ist und errechnet wird, wie viel Schaummit-tel hierzu erforderlich ist.

Als Faustwerte für eine überschlägige Berechnung können folgende Werte ver-wendet werden.

Schwerschaum:

Pro m² einzuschäumende Fläche 2 l SM

Mittelschaum:

Pro m² einzuschäumende Fläche 0,5 l SM

7.4 Löschmittel Pulver

Pulver ist ein chemisches Löschmittel, das in Feuerlöschern (trag- oder fahrbar) und Pulverlöschanlagen eingesetzt wird. Es hat einen breiten Anwendungsbereich und ist somit bei fast allen vorkommen-den Arten von Bränden verwendbar. Es gibt mehrere Arten von Löschpulver, die sich in ihrer Nutzung an der Brandklas-seneinteilung orientieren. Es wird zwi-schen BC-Pulver, ABC-Pulver und D-

Pulver unterschieden. Je nach Löschpul-verart und Brandklasse wirkt Löschpulver antikatalytisch oder erstickend. Alle Löschpulver werden durch ein spezielles Verfahren wasserabweisend gemacht (hydrophobiert). Dies verhindert ein Ver-klumpen des Löschpulvers und macht es lange lagerfähig (z.B. mehrere Jahre in Feuerlöschern).

7.4.1 Löschpulverarten

Das BC-Löschpulver besteht im We-

sentlichen aus Natriumhydrogencarbonat (NaHCO3), ein weißes und geruchloses Pulver. Es kommt hauptsächlich zur Be-kämpfung von Flüssigkeitsbränden, Gas-

BC-Löschpulver




bränden und Bränden elektrischer Anla-gen zum Einsatz.

Die Löschwirkung des BC-Löschpulvers ist die heterogene Inhibition (siehe 7.1.3 Antikatalytischer Effekt). Dabei treffen die Katalysatoren (freie Radikale) auf die kühle und sehr große Oberfläche der Löschpulverkristalle und geben dort ihre Energie per Impuls ab. Die Katalysatoren werden gehemmt, weiter an der Ver-brennungsreaktion teilzunehmen. Die Verbrennung kommt zum Erliegen.

Abbildung 39: Löschwirkung BC-Pulver

Das Löschpulver wird bei seiner Produk-tion sehr fein gemahlen, sodass es im Verhältnis zum Volumen eine sehr große Oberfläche erreicht. Die einzelnen Teil-chen haben einen Durchmesser von ca. 20 bis 125 µm. Da Löschpulver aus Sal-zen besteht hat die Oberfläche eine Kris-tallstruktur und ist somit sehr bizarr (vergleichbar mit einer Schneeflocke). Dies vergrößert nochmals die Oberfläche des Löschpulvers. Somit liegt die spezifi-sche Oberfläche zwischen ca. 150 und 600 m²/kg. Somit hat das Löschpulver

eine sehr große Fläche, an der es mit den freien Radikalen agieren kann. Somit verlieren gleichzeitig sehr viele Radikale ihre Energie beim Kontakt mit den Löschpulverkristallen, was zu einer schlagartigen Löschwirkung führt.

Das ABC-Löschpulver ist hauptsächlich ein Gemisch aus Ammoniumphosphat, Ammoniumsulfat und Bariumsulfat. Es ist

für die Brandklassen A, B und C geeig-net.

Die Löschwirkung in den Brandklassen B und C ist wie beim BC-Löschpulver die heterogene Inhibition. Bei Bränden der Brandklasse A hat das ABC-Löschpulver jedoch eine trennende Wirkung. Ab einer Temperatur von ca. 70°C schmilzt das Pulver auf der Oberfläche des brennen-den Stoffes auf und bildet eine Sinter-schicht („Glasurschicht“). Diese Schicht hindert den Sauerstoff am Zutritt zum brennbaren Stoff. Die Verbrennungsre-aktion kommt zum Erliegen. Ebenso schützt die Sinterschicht gegen die Wärmestrahlung.

Da die Sinterschicht elektrisch leitend ist, darf das ABC-Pulvers in elektrischen An-lagen bis 1000 Volt nur bei einem Sicherheitsabstand von mindestens ei-nem Meter verwendet werden. In Hoch-spannungsführenden Anlagen darf ABC-Löschpulver aufgrund der Leitfähigkeit nur bei Spannungsfreiheit eingesetzt werden (siehe ??? Anhang DIN VDE 0132).

Das D-Löschpulver ist ein Gemisch aus Natriumchlorid, Kaliumchlorid, Bortrioxid und Melamin. Es ist ein weißes, graues

oder dunkelgraues bis schwarzes Pulver. D-Löschpulver wird hauptsächlich zur Bekämpfung von Metallbränden einge-setzt und drucklos aufgetragen.

Die Löschwirkung des D-Löschpulvers ist eine trennende Wirkung. Die Inhaltstoffe

des Pulvers bilden auf der Oberfläche des brennenden Metalls eine Schmelze. Die-se Schicht hindert den Sauerstoff am Zutritt zum brennenden Metall. Die Ver-brennung kommt zum Erliegen.

Die sich bildende Schmelze ist elektrisch leitfähig. Aufgrund dessen ist bei der Anwendung von D-Löschpulver in elekt-rischen Anlagen bis 1000 Volt ein Min-destabstand von einem Meter einzuhal-ten. In Hochspannungsführenden Anla-




59/81

gen darf D-Löschpulver nur bei Span-nungsfreiheit verwendet werden.

BC-Pulver n

ein

ja

ja

nein

nein

ABC-Pulver

ja

ja

ja

nein

nein

D-Pulver n

ein

nein

nein

ja

nein

Die bei der Feuerwehr am meisten ver-wendeten Pulverarten sind Löschpulver für die Brandklassen A, B und C. Diese werden in Feuerlöschern auf den Feuer-wehrfahrzeugen mitgeführt. Da ABC-Löschpulver in seinen Einsatzmöglichkei-ten am vielseitigsten ist, müssen nicht drei verschiedene Arten von Löschpulver mitgeführt werden, was gerade bei Fahr-zeugen eine Gewichtsersparnis und so weitere Beladungsmöglichkeiten bedeu-tet. Ebenso kann mit ABC-Löschpulver in allen drei Brandklassen ein schneller Löscherfolg erreicht werden.

7.4.2 Besonderheiten Löschmittel Pulver

Der Einsatz von Pulver als Löschmittel ist mit einer starken Verschmutzung ver-bunden. Da die Löschpulverkristalle sehr

klein und fein sind und unter Druck aus-gestoßen werden, entsteht eine Pulver-wolke, welche sich nach kurzer Zeit durch das Absinken des Löschpulvers wieder legt. Gerade in geschlossenen

Räumen verteilt sich diese Wolke im ge-samten Raum und das Pulver bedeckt

sämtliche Oberflächen und schwer zu-gängliche Stellen wie z.B. hinter Lüf-tungsschlitzen oder Verblendungen. Die-se Verschmutzung kann gerade in EDV-Bereichen einen erheblichen Schaden bedeuten.

Wird Löschpulver in Feuerlöschern einge-

setzt, so werden diese bauartspezifisch bezeichnet. Neben der Angabe des Füll-gewichtes wird auch die Art des Lösch-mittels bezeichnet. Dies erfolgt durch einzelne Buchstaben.

Die drei verschiedenen Löschpulverarten haben folgende Kennzeichnung:

BC-Pulver: P (Pulver)

ABC-Pulver: PG (Pulver Glut-

brand)

D-Pulver: PM (Pulver Me-

tallbrand)

7.5 Löschmittel Kohlenstoffdi-

oxid

Kohlenstoffdioxid (CO2) ist ein farb- und geruchloses sowie nichtbrennbares Gas, das in Feuerlöschern (trag- oder fahrbar) und CO2-Löschanlagen eingesetzt wird. Es kommt in den Brandklassen B und C sowie in elektrischen Anlagen zum Ein-

satz. Die Löschwirkung des CO2 beruht auf dem Stickeffekt (Verdünnen / Tren-nen).


Aufgrund seiner stofflichen Eigenschaften ist Kohlenstoffdioxid als Löschmittel un-terschiedlich gut bzw. schlecht für die




Anwendung in den einzelnen Brandklas-sen geeignet.

In der Brandklasse A ist Kohlenstoffdioxid als Löschmittel nicht effektiv einsetzbar.

Beim Aufbringen auf den

brennbaren Stoff ver-drängt das CO2 den Sauerstoff und der Brand kommt kurzzeitig zum Erliegen. Sobald das CO2 jedoch nach wenigen Sekunden verzogen ist, brennt der Stoff weiter, da das CO2 keine wirksame küh-lende Wirkung hat. Für eine effektive Brandbekämpfung in der Brandklasse A ist jedoch eine kühlende Wirkung erfor-derlich. Somit ist CO2 für die Bekämp-fung von Feststoff- bzw. Glutbränden nicht geeignet.

Jedoch eignet sich CO2 sehr gut für die Bekämpfung von Bränden elektrischer

Anlagen. Bei diesen Bränden ist aufgrund der im Vergleich zu Glutbränden niedri-geren Temperatur keine so große Kühl-wirkung erforderlich. So kann das CO2 durch Verdrängung des Sauerstoffs Brände in elektrischen Anlagen zum Er-liegen bringen. Ein weiterer Vorteil des CO2 gegenüber anderer Löschmittel in

elektrischen Anlagen ist, dass das CO2

rückstandsfrei ist und somit keinen Schaden wie z.B. durch Wasser oder Pul-ver an den Anlagenteilen entsteht. Eben-so ist CO2 nicht leitfähig. Jedoch ist ana-log zum Pulvereinsatz in elektrischen Anlagen bis 1000 Volt ein Abstand von einem Meter zwischen der Löschmittel-austrittsöffnung und der Anlage einzu-halten. So besteht für den Anwender keine Gefahr eines Stromschlages durch evtl. überspringende Spannung.

Da die Bauteile elektrischer Anlagen zur Brandklasse A bzw. B zählen, ist CO2 in

der Brandklasse A bedingt, jedoch nur bei elektrischen Anlagen einsetzbar.

In der Brandklasse B ist Kohlenstoffdioxid zum

Löschen brennender Flüssigkeiten geeignet.

Beim Aufbringen auf die Flüssigkeit verdrängt das

CO2 den Sauerstoff über der Flüssigkeit und die Verbrennung kommt zum Erlie-gen. Da CO2 jedoch nur eine geringe Kühlwirkung hat, besteht die Gefahr ei-ner Rückzündung wenn sich das CO2

nach kurzer Zeit verflüchtigt hat.

Kohlenstoffdioxid ist ebenfalls in der Brand-klasse C zum Löschen brennender Gase geeig-net.

Durch das Aufbringen von CO2 wird rund um die Austrittsstelle des brennenden Gases der Sauerstoff verdrängt, die Verbrennung kommt zum

Erliegen. Jedoch besteht ebenso wie in der Brandklasse B die Gefahr einer Rück-zündung des weiterhin ausströmenden Gases wenn eine Zündenergie vorliegt. Wird nach dem Löscherfolg das Ausströ-men des Gases nicht abgestellt, so ist dies oftmals gefährlicher als die bren-nende Gasflamme, da Explosionsgefahr

entstehen kann. Jedoch ist für den Ein-satz von CO2 in der Brandklasse C eine spezielle Düse erforderlich, die einen scharfen CO2-Strahl erzeugt und zu gro-ßen Rückstoßkräften führt. Daher sind CO2-Löscher in der Brandklasse C nur als Sonderlöscher zulassungsfähig.

In der Brandklasse D ist CO2 nicht zum Löschen brennender Metalle ge-eignet.

Dies liegt ebenso wie beim Löschmittel Wasser

an den hohen Verbrennungstemperatu-ren der Metalle (2000°C bis 3000°C). Ab einer Temperatur von 1500°C beginnt die Zersetzung des CO2 in seine Be-




61/81

standteile. Es entsteht Kohlenstoffmono-xid (CO) und Sauerstoff (O2). Kohlen-

stoffmonoxid ist ein brennbares Gas. Durch sein Verbrennen im Zusammen-hang mit einem Metallbrand besteht die Gefahr der Brandausbreitung. Ebenso hätte CO2 bei Metallbränden keinen Er-folg, da die erstickende Wirkung nur kur-ze Zeit anhalten würde, bis sich das CO2

nach wenigen Sekunden verflüchtigt hat.

In der Brandklasse F eig-net sich CO2 ebenso we-nig zur Brandbekämp-fung.

Wie in der Brandklasse B würde das Feuer kurz

erlischen. Jedoch ist ebenfalls eine Rück-zündung sehr wahrscheinlich wenn sich das CO2 verflüchtigt hat.

Kohlen-stoff-dioxid

nein

ja

bedin

gt

nein

nein

7.5.2 Besonderheiten Löschmittel Kohlenstoffdioxid

Eine Besonderheit des CO2 ist seine Ge-fährlichkeit als Atemgift. CO2 zählt zu den Atemgiften der Gruppe 3 (Wirkung auf Blut, Nerven und Zellen). Bereits ab einer Konzentration von 5 Vol.-% kön-nen beim Menschen Kopfschmerzen und Übelkeit auftreten. Ab einer Konzentrati-on von 8 Vol.-% kann CO2 bereits tödlich wirken, da es die Atemsteuerung des

Menschen beeinflusst. Aufgrund dessen muss bei CO2-Einsätzen in geschlossenen Räumen unbedingt umluftunabhängiger Atemschutz getragen werden.

Die Löschwirkung des CO2 ist der Stickef-

fekt (Verdünnen durch Verdrängung des Sauerstoffes). Hierzu ist eine lösch-wirksame Konzentration des CO2 er-forderlich. Um einen Löscherfolg zu er-reichen, ist in den meisten Fällen ein Herabsenken des Sauerstoffanteils von 21 Vol.-% auf 15 Vol.-% erforderlich.

Dies erfordert eine CO2-Konzentration von mindesten 30 Vol.-%. Für den Löscherfolg in geschlossenen Räumen kann vereinfacht gesagt werden, dass für einen Löscherfolg ein Drittel des Raumes mit CO2 gefüllt werden muss.

Herleitung:

Der Sauerstoffanteil in der Umluft be-trägt 21 Vol.-%.

Wird ein Raum zu 30% mit CO2 gefüllt, so werden 30 % des Sauerstoffanteils verdrängt und es sind nur noch 70% des

Sauerstoffanteils vorhanden.

Das heißt, dass nur noch 70% der 21 Vol.-% Sauerstoff für eine Verbrennung zur Verfügung stehen. Über einen Drei-satz kann der verbleibende Sauerstoffan-teil errechnet werden:

100% 21 Vol.-%

70% 14,7 Vol.-%

Somit beträgt der Sauerstoffanteil in einem Raum 14,7 Vol.-% wenn 30% des Raumes mit gefüllt CO2 werden.

Da die meisten Verbrennungen bei ei-

nem Sauerstoffgehalt von unter 15 Vol.-% zum Erliegen kommen, wird mit einer CO2-Konzentration von 30 Vol.-% ein Löscherfolg erreicht.

7.5.3 Raumvolumen CO2

Um zu wissen, wie viel CO2 für eine löschwirksame Konzentration von 30 Vol.-% in einem Raum erforderlich ist,




muss das Volumen von CO2 bekannt sein.

CO2 wird zur Bevorratung in Druckbehäl-tern unter Druck gespeichert. Die Füll-mengen werden in Kilogramm angege-ben. Somit muss für Berechnungen der benötigten CO2-Menge bekannt sein, wie viel Liter CO2-Gas aus einem Kilogramm unter Druck gespeichertem CO2 entste-hen.

Wie viel Gas ergibt 1 kg CO2?

CO2 hat die relative Atommasse 44

(C: 12, O: 16 12 + 2 x 16 = 44).

Somit hat CO2 ein Mol-Gewicht von 44g/mol.

Über einen Dreisatz kann nun das Volu-men von einem Kilogramm CO2 berech-net werden:

44g 22,4l

1000g 509,09l

Somit ergibt ein Kilogramm CO2 ein Vo-lumen von 509,09 Liter bei 0°C und 1013 hPa.

Da in Räumen, in denen CO2 als Lösch-mittel eingesetzt wird meist normale

Temperaturen herrschen, ist noch die Volumenausdehnung bei der Erwärmung des Gases von 0°C auf 20°C Raumtem-peratur zu berücksichtigen:

Ausdehnung = 509,09 x 20/273

Ausdehnung = 37,30l

Gesamtvolumen = 509,09l + 37,30l

Gesamtvolumen = 546,39l

Somit ergibt ein Kilogramm CO2 bei Raumtemperatur 546,39l (ca. 550l)

Für einfache überschlägige Berechnun-gen wird oftmals mit 500l (0,5m³) aus einem Kilogramm gerechnet.

7.6 Fettbrandlöscher

Fettbrandlöscher sind speziell für Brände der Brandklasse F in Frittier- und Fett-backgeräten entwickelt worden, da Was-ser oder Schaum hier nicht einsetzbar sind. Die Löschwirkung des Löschmittels beruht auf dem Stickeffekt (Trennen) und dem Kühleffekt.

Das Löschmittel reagiert an der Oberfläche mit dem brenndem Fett bzw. Öl unter Bildung einer Seife (Verseifung) was zur Bildung einer Sperr-

schicht führt und den Sauerstoff am Zu-tritt zum Öl bzw. Fett hindert. Die Ver-brennung kommt zum Erliegen. Ebenso kühlt das verseifte Löschmittel die hei-ßen Öle bzw. Fette unter ihre Mindest-verbrennungstemperatur und vermindert so die Gefahr einer Rückzündung.

Aufgrund der sich bildenden Sperrschicht und Kühlwirkung sind Fettbrandlöscher auch für Brände der Brand-klasse A geeignet.

Die ersten Generationen der Fettbrandlöscher wa-ren nicht für die Brand-klasse B geeignet. Je-doch wurden die Lösch-

mittel weiterentwickelt, sodass Fettbrandlöscher der neuesten Generation abhängig vom Hersteller ebenfalls für die Brandklasse B zugelas-sen. Jedoch können sie hier nur geringe Mengen (bis ca. 75 Liter) ablöschen. Da auch Fettbrandlöscher vertrieben wer-den, die nicht in der Brandklasse B ein-gesetzt werden können, sind die Fett-brandlöscher in der Brandklasse B als bedingt einzustufen.




63/81

Fett-brand-löscher

ja

bedin

gt

nein

nein

ja

7.7 Übersicht Brandklassen-

eignung

Wasser ja

bedin

gt

bedin

gt

nein

nein

Schaum ja

ja

nein

nein

nein

BC-Pulver n

ein

ja

ja

nein

nein

ABC-Pulver

ja

ja

ja

nein

nein

D-Pulver n

ein

nein

nein

ja

nein

Kohlen-stoff-dioxid

nein

ja

bedin

gt

nein

nein

Fett-brand-löscher

ja

bedin

gt

nein

nein

ja




8 Anhang

8.1 Begriffsdefinitionen

Brennen

Brennen ist eine selbstständig ablaufen-de exotherme Reaktion zwischen einem brennbaren Stoff und Sauerstoff oder Luft. Das Brennen ist durch Flamme und/oder Glut gekennzeichnet (DIN 14011 Teil 1).

Brennbare Stoffe

Brennbare Stoffe sind feste, flüssige oder gasförmige Stoffe einschließlich Dämpfe, Nebel und Stäube, die im Gemisch oder im Kontakt mit Luft oder mit Sauerstoff und durch eine geeignete Zündquelle zum Brennen angeregt werden können

(nach DIN 14011 Teil 1).

Brennpunkt

Der Brennpunkt ist die niedrigste Tempe-ratur einer brennbaren Flüssigkeit, bei der sich Dämpfe in einer solchen Menge entwickeln, dass nach dem Entzünden durch eine Zündquelle ein ständiges Brennen erhalten bleibt. Der Brennpunkt liegt einige Temperaturgrade höher als der Flammpunkt.

Dampf

Dampf ist die gasförmige Zustandsform von Stoffen, die bei Normalbedingungen

(20°C, 1013 hPa) in fester oder flüssiger Form vorliegen. Dämpfe sind meist un-sichtbar. Beim Siedepunkt tritt durch Verdampfen ein vollständiger Übergang in die Dampfphase ein. Unterhalb des Siedepunktes erfolgt bereits durch Ver-dunsten ein Übergang in die Dampfpha-se.

Dampfdruck

Der Dampfdruck ist der Partialdruck des Dampfes einer Flüssigkeit in Luft.

Jede Flüssigkeit hat das Bestreben, an seiner Oberfläche zur Luft mehr oder weniger in die Gasphase überzugehen. Je niedriger der absolute Druck über der Flüssigkeit und je höher die Temperatur der Flüssigkeit ist, umso stärker geht die Flüssigkeit in die Gasphase über. Physi-kalisch wird diese Erscheinung mit dem Begriff Dampfdruck beschrieben.

Deflagration

Eine Deflagration ist eine plötzliche Zer-falls- oder Oxidationsreaktion, die sich durch freiwerdende Reaktionswärme fortpflanzt und unterhalb der Schallge-schwindigkeit verläuft. Sie ist eine schwache Explosion mit mäßiger Druck-entwicklung und schwacher Geräusch-wirkung. Es treten Drücke von 1 bis 14

bar auf. Die Reaktionsgeschwindigkeit ist kleiner als 330m/s (Schallgeschwindig-keit).

Detonation

Eine Detonation ist eine plötzliche Zer-falls- oder Oxidationsreaktion, die mit einer Stoßwelle gekoppelt ist und ober-halb der Schallgeschwindigkeit (330 m/s) verläuft. Durch die im Wellenkopf




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der Stoßwelle auftretenden Temperatur- und Drucksprünge wird die Reaktion

schlagartig ausgelöst. Sie ist mit einem heftigen, brisanten Knall verbunden. Es treten Drücke über 10 bar auf.

Endotherm

Endotherm ist die Kennzeichnung chemi-scher oder physikalischer Vorgänge, die unter Wärmeaufnahme ablaufen.

exotherm

Exotherm ist die Kennzeichnung chemi-scher oder physikalischer Vorgänge, die unter Wärmeabgabe an die Umgebung ablaufen.

Explosion

Explosionen sind plötzliche Zerfalls- oder Oxidationsreaktionen, die eine Tempera-tur- oder Druckerhöhung oder beides gleichzeitig bewirken.

Je nach Geschwindigkeit der Reaktion unterscheidet man zwischen Verpuffun-

gen, Deflagrationen und Detonationen.

Explosionsbereich

Der Explosionsbereich ist der Bereich

zwischen der unteren und der oberen Explosionsgrenze, in dem brennbare Ga-se, Dämpfe, Nebel oder Stäube in einem solchen Mengenverhältnis mit Sauerstoff (bzw. Luft) vorliegen, dass eine Entzün-dung / Explosion des Gemisches möglich ist.

Flammpunkt

Der Flammpunkt einer brennbaren Flüs-sigkeit ist die niedrigste Flüssigkeitstem-

peratur, bei der sich unter festgelegten Bedingungen Dämpfe in einer solchen Menge entwickeln, dass über dem Flüssigkeitsspiegel ein durch Fremdzün-dung entzündbares Dampf-Luft-Gemisch entsteht. Es kommt zu einem kurzen Aufflammen. Die Flamme erlischt wieder, weil nicht genügend Dämpfe zum Fort-laufen der Verbrennung entwickelt wer-den.

Kritischer Punkt

Der Kritische Punkt ist der Zustands-punkt eines Stoffes, im Bezug auf die Temperatur und den Druck, ab dem Gas und Flüssigkeit die gleiche Dichte haben. Die Unterschiede zwischen den beiden Aggregatzuständen hören an diesem Punkt auf zu existieren.

Löschen

Löschen ist das wirksame Eingreifen in den Verbrennungsvorgang mit dem Ziel, das Feuer zum Erliegen zu bringen. Da-bei werden Löschmittel in den Brand-

raum eingebracht, wo sie ihre Löschwir-kung entfalten.

Mindestverbrennungstemperatur

Die Mindestverbrennungstemperatur ist die Temperatur eines Gemisches aus einem brennbarem Stoff und Sauerstoff, bei der das Brennen nach der Zündung ohne weitere äußere Energiezufuhr selbstständig weiterläuft.

Obere Explosionsgrenze

Die obere Explosionsgrenze (OEG) ist die höchste Konzentration eines brennbaren




Stoffes im Gemisch von Gasen, Dämpfe, Nebel und/oder Stäube in der Luft, bei

der sich nach dem Entzünden ein Bren-nen nicht mehr selbstständig fortpflan-zen kann (nach DIN 14011 Teil 1).

Oxidation

Eine Oxidation ist die chemische Reakti-on eines Stoffes mit Sauerstoff zu einem Oxid. Der Oxidation liegen Veränderun-gen in den Atomhüllen der Elektronen zugrunde. Jeder Stoff, der oxidiert wird, gibt Elektronen ab.

Radikale

Radikale sind instabile Atome, Moleküle oder Molekülbruchstücke, die ungepaarte Elektronen enthalten. Sie sind sehr energiereich, reaktionsfreudig und kurz-

lebig. Sie wirken bei Verbrennungsreak-tionen als Katalysatoren.

Sicherheitstechnische Kennzahlen

Sicherheitstechnische Kennzahlen sind

zahlenmäßige Kennwerte brennbarer Stoffe, die eine Beurteilung und einen Vergleich der Stoffe hinsichtlich ihrer Brand- und Explosionsfähigkeit, sowie ihre Klassifizierung und die Zuordnung von Schutzmaßnahmen ermöglichen.

Siedepunkt

Der Siedepunkt ist die Temperatur, bei der ein Stoff bei Normaldruck (1013 hPa) vom flüssigen in den gasförmigen Zu-stand übergeht. Anhand des Siedpunktes

kann bestimmt werden, ob beispielswei-se Gefahrgüter im flüssigen oder gas-förmigen Zustand vorliegen.

Spezifische Schmelzwärme

Die spezifische Schmelzwärme ist die Wärmeenergie, die 1 kg eines Stoffes bei einem Normaldruck von 1013 hPa am Schmelzpunkt vom festen in den flüssi-gen Zustand bei konstanter Temperatur überführt.

Spezifische Verdampfungswärme

Die spezifische Verdampfungswärme ist die Wärmeenergie, die 1 kg eines Stoffes bei einem Normaldruck von 1013 hPa am Siedepunkt vom flüssigen in den gasför-

migen (dampfförmigen) Zustand bei konstanter Temperatur überführt.

Spezifische Wärmekapazität

Die spez. Wärmekapazität ist eine Stoff-eigenschaft und zahlenmäßig gleich der Wärmemenge, die erforderlich ist, um 1 kg eines Stoffes um 1 Kelvin zu erwär-men. (Formelzeichen: c; Einheit: J/(kg x K)

Untere Explosionsgrenze

Die untere Explosionsgrenze (UEG) ist die niedrigste Konzentration eines brennbaren Stoffes im Gemisch von Ga-sen, Dämpfe, Nebel und/oder Stäube in der Luft, bei der sich nach dem Entzün-den ein Brennen nicht mehr selbststän-dig fortpflanzen kann (nach DIN 14011

Teil 1).

Verdunsten

Verdunsten ist das Übergehen einer Flüssigkeit in die Gasphase unterhalb des

Siedepunktes.

Verpuffung




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Die Verpuffung ist eine Explosion mit niedriger Flammengeschwindigkeit und

geringer Druckwirkung. Es treten Drücke bis zu 1 bar auf. Die Reaktionsgeschwin-digkeit ist kleiner als 1 m/s.

Zündtemperatur

Die Zündtemperatur ist die Temperatur, auf die ein Stoff oder eine Kontaktober-fläche erhitzen werden muss, damit sich ein brennbarer Stoff (Feststoff, Flüssig-keit, deren Dämpfe oder Gas) aus-schließlich aufgrund seiner Erwärmung, selbst entzündet.




8.2 Grafiken

8.2.1 Periodensystem der Elemente zu 2.3

Vergrößerung der Abbildung 4:




69/81

8.2.2 Brandverlauf in geschlossenen Räumen zu 6.4

Vergrößerung der Abbildung 27:




8.3 Unterrichtsversuche

Zur praktischen Gestaltung des Unter-richtes werden in diesem Kapitel einige einfache Versuche beschrieben.

Die Versuche bieten dem Ausbilder die Möglichkeit, verschiedene wesentliche Inhalte des Unterrichtes anschaulich dar-zustellen.

Die Versuche sind einfach gehalten, so-dass für die Durchführung keine beson-deren Hilfsmittel aus dem Chemie-

Bereich erforderlich sind. Alle benötigten Hilfsmittel sind handelsüblich und bergen keine besonderen Gefahren in ihrer Handhabung.

Zu jedem Versuch werden die einzelnen durchzuführenden Schritte, die Vorgänge innerhalb des Versuches und die benö-

tigten Materialien oder Hilfsmittel be-schrieben. Ebenso sind entsprechende Querverweise eingearbeitet, zu welchen Kapiteln der Lehrunterlage die Versuche im Unterricht eingesetzt werden können.

Zur Versuchsdurchführung sollte eine feuerfeste Unterlage verwendet werden,

um evtl. Beschädigungen an Tischplatten oder anderen Unterlagen zu vermeiden.

Alle Versuche können in einem Unter-richtsraum durchgeführt werden. Da bei den verschiedenen Versuchen Verbren-nungsprodukte in geringen Mengen ent-stehen, ist der Raum entsprechend zu belüften.

Um die Versuche im Unterricht entspre-chend erfolgreich durchzuführen, sollte die Durchführung im Rahmen der Unter-richtsvorbereitung geprobt werden. Evtl. auftretende Fehler oder Störungen im Versuchsablauf können so vermieden

werden.

Der Zeitbedarf für die einzelnen Versu-che ist unterschiedlich. Die meisten Ver-suche können in wenigen Minuten durch-

geführt werden. Durch eine gute Vorbe-

reitung im Vorfeld des Unterrichtes kann die benötigte Zeit entsprechend kurz gehalten werden. Zum optimalen Ver-ständnis für die Auszubildenden sollte zu jedem Versuch eine Erläuterung und Diskussion der Vorgänge innerhalb des Versuches durchgeführt werden. Zum besseren Verständnis eignet sich teilwei-se auch eine zweite oder dritte Durch-führung des Versuches.

8.3.1 Versuche zu den Brandklassen

Zur Erläuterung der Brandklassen kann zu jeder Brandklasse ein praktisches Beispiel vorgeführt werden. (zu 4.5.1 Brandklasseneinteilung)

Brandklasse A

Zur Demonstration der Verbrennung fes-ter Stoffe eignet sich das Entzünden ei-nes Holzspans oder eines Blattes Papier.

Schritt 1:

Entzündung eines einfachen festen brennbaren Stoffes mittels einer ent-sprechenden Flamme über oder auf einer feuerfesten Unterlage.

Benötigtes Material / Hilfsmittel

Dünnes Stück Holz oder Stück Papier

Zündquelle (Kerze, Feuerzeug, Lötlampe)

Brandklasse B

Als Beispiel zur Verbrennung flüssiger Stoffe kann Benzin entzündet werden.




71/81

Schritt 1:

5 ml in eine kleine Glasschale geben

Schritt 2:

Entzündung der Benzindämpfe mittels Stabfeuerzeug oder Lunte

Schritt 3:

Beenden der Verbrennung durch Abde-cken der Schale mit Deckel oder kleinem Brett

In diesem Versuch kann deutlich ge-macht werden, dass brennbare Gase nur

mit Flammenbildung verbrennen.

Besonderheiten:

Benzindämpfe sind bei Raumtemperatur sehr leicht flüchtig. Daher ist nur eine geringe Menge Benzin zu verwenden. Zur Entzündung sollte ein Stabfeuerzeug oder eine Lunte verwendet werden, da sich bei der Entzündung der Dämpfe eine kleine Stichflamme oberhalb der Flüssig-keit bilden kann.


kleine Glasschale

5 ml Benzin

Stabfeuerzeug oder Lunte

Spritze zur Abmessung der Ben-

zinmenge

Brandklasse C

Die Verbrennung von gasförmigen Stof-fen kann relativ einfach dargestellt wer-den, indem ein Feuerzeug entzündet wird.

Schritt 1:

Zünden eines Feuerzeuges oder einer Lötlampe

In diesem Versuch kann deutlich ge-macht werden, dass brennbare Gase nur mit Flammenbildung verbrennen.


Feuerzeug oder Lötlampe

Brandklasse D

Eine Möglichkeit, einen kleinen Metall-brand darzustellen ist das Entzünden von Leichtmetallspänen.

Schritt 1

Ca. eine halbe Hand Leichtmetallspäne auf einer feuerfesten Unterlage oder in einer Schale verteilen.

Schritt 2

Entzünden der Metallspäne mittels Löt-

lampe.

In diesem Versuch kann deutlich ge-macht werden, dass brennbare Metalle nur unter Glutbildung verbrennen.

Nach kurzer Zeit sind die Leichtmetall-

späne verglüht und der Brand somit er-loschen.


Leichtmetallspäne

Lötlampe




8.3.2 Versuche zu den Vorausset-zungen einer Verbrennung

Zündenergie

Um die Wirkung der Zündenergie zu demonstrieren kann Stahlwolle mit einer Batterie entzündet werden. (zu 5.2.1 Zündenergie)

Schritt 1

Ca. eine Hand voll Stahlwolle auf einer feuerfesten Unterlage ausbreiten

Schritt 2

Eine Batterie wird an die Stahlwolle ge-halten.

Nach kurzer Zeit entzündet sich die Stahlwolle und verbrennt glühend.

Erläuterung:

Stahlwolle ist elektrisch leitend. Der elektrische Strom der Batterie fließt durch die Stahlwolle von einem Batterie-pol zum anderen. Diese relativ geringe Energie reicht aus, um die sehr feine Stahlwolle zu entzünden.

Die Entzündung ist mit jeder Batterie möglich. Zur Demonstration eignet sich optimalerweise eine Flachbatterie 4,5V. Diese Batterien haben ca. 2 und 4 cm Kontakte, wodurch die Batterie gut in die Wolle hinein gehalten werden kann und für die Auszubildenden der Stromfluss

vom einen zum anderen Pol bildlich deutlich wird.


Stahlwolle

Batterie

Mindestverbrennungstemperatur

Zur einfachen Veranschaulichung der zur

Verbrennung erforderlichen Mindestver-brennungstemperatur des brennbaren Stoffes eignet sich ein kleines Experi-ment mit einem Stück Holz. (zu 5.2.2 Mindestverbrennungstemperatur)

Schritt 1:

Ein dünnes Stück Holz wird in eine Flamme gehalten. Nach kurzer Zeit wird das Holz aus der Flamme herausgenom-men. Es ist leicht verkohlt bzw. angesenkt, brennt aber nicht.

Schritt 2:

Das Holz wird nun wieder in die Flamme gehalten. Diesmal jedoch länger, bis es beim Herausnehmen aus der Flamme brennt und nicht sofort erlischt.

Erläuterung:

Im Schritt 1 hat das Holz beim Heraus-nehmen aus der Flamme seine Mindest-verbrennungstemperatur noch nicht er-reicht. Es brennt nicht, da die Einwirkzeit der Flamme zu kurz war, um das Holz auf seine Mindestverbrennungstempera-tur (siehe 5.3.2 Holz) zu erwärmen. Im zweiten Schritt wird die Einwirkzeit der Flamme entsprechend verlängert, sodass das Holz seine Mindestverbrennungs-temperatur erreicht. Nun brennt das Holz beim Herausnehmen aus der Flamme weiter.

Fazit:

Die Mindestverbrennungstemperatur des brennbaren Stoffes ist eine wesentliche energetische Voraussetzung der Ver-brennung. Hat der brennbare Stoff seine

Mindestverbrennungstemperatur nicht erreicht, so ist ein Verbrennen nicht möglich.




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Benötigtes Material / Hilfsmittel:

dünnes Stück Holz (z.B. Holzspa-tel oder Holzspieß)

Wärmequelle (Kerze, Bunsen-brenner oder Lötlampe)

Besonderheiten

Das Holzstück ist entsprechend auf die Wärmequelle abzustimmen (oder auch umgekehrt), damit es nicht schon nach 2 Sekunden in Brand gerät und die unter-schiedlichen Einwirkzeiten der Flamme deutlich werden können. Optimal ist es, wenn die Zeit der thermischen Aufberei-tung im Schritt 2 ca. 15 bis 30 Sekunden beträgt. So kann das Holz im Schritt 1 für ca. 5 bis 10 Sekunden in die Flamme gehalten werden, was schon eine gewis-se Einwirkzeit ist, jedoch deutlich kürzer als im Schritt 2. Ein Zeitverhältnis von 1 zu 3 zwischen den beiden Schritten

macht den Auszubildenden den Unter-schied gut deutlich.

Katalysator

Die Wirkung von Katalysatoren als Ver-

brennungsvoraussetzung kann verdeut-licht werden, indem im Rahmen eins Ex-perimentes Zucker unter Zugabe von Zigarettenasche entzündet wird. (zu 5.2.3 Katalysator)

Schritt 1:

Ein Stück Würfelzucker wird auf eine feuerfeste Unterlage oder in eine Schale gelegt. Mit einem Streichholz wird ver-sucht, den Zucker zu entzünden.

Dies gelingt nicht.

Schritt 2:

Um eine größere Zündenergie zu haben, wird mit einer Lötlampe erneut versucht, den Zucker zu entzünden.

Auch dies gelingt nicht.

Schritt 3:

Etwas Zigarettenasche wird auf den Zu-ckerwürfel gestreut.

Schritt 4:

Mit einem Streichholz wird erneut ver-sucht, den Zucker zu entzünden.

Diesmal gelingt dies, der Zucker ver-brennt mit einer kleinen, unscheinbaren Flamme.

Erläuterung:

In Zigarettenasche sind geringe Mengen Eisenverbindungen enthalten. Diese Ei-senverbindungen gehen Zwischenverbin-dungen mit dem Zucker ein und wirken als Katalysatoren. Sie ermöglichen die Verbrennung des Zuckers. Nach der Ver-brennung des Zuckers bleiben die Kata-lysatoren bzw. Teile der Zigarettenasche

übrig. Sie werden bei dieser Verbren-nung somit nicht verbraucht.


Würfelzucker

Zigarettenasche

Zündquelle: Streichholz / Lötlampe

Verhältnis Oberfläche/Masse

Um den Einfluss des Verhältnisses der Oberfläche eines brennbaren festen Stof-fes zu seiner Masse anschaulich zu ver-deutlichen eignet sich die Entzündung von Mehl. (zu 5.3.1 Verhältnis Oberflä-che/Masse)

Schritt 1:

Auf eine feuerfesten Unterlage wird ein Häufchen Mehl (ca. 50 Gramm ???) ge-schüttet.




Schritt 2:

Mit einer Zündquelle (Streichholz, Löt-lampe) wird versucht, dieses Mehl zu entzünden.

Das Mehl verbrennt nicht.

Schritt 3:

Ca. 50 ??? Gramm Mehl werden in einen Trichter, der in einen Schlauch gesteckt ist, gegeben.

Schritt 4:

Ein Bunsenbrenner oder eine Lötlampe wird auf eine feuerfeste Unterlage ge-stellt und entzündet.

Schritt 5:

Der Trichter wird mit ca. 30 ??? cm Ab-stand in Richtung der Flamme gehalten.

Schritt 6:

Mit einem kräftigen Atemstoß wird in den Schlauch gepustet.

Das Mehl wird durch den Luftstoß aufge-wirbelt, entzündet sich an der Flamme und verbrennt schlagartig.

Erläuterung:

Im Schritt 2 ist das Verhältnis der Ober-fläche des Mehls zu seiner Masse zu klein, um zu zünden. Die Kontaktfläche, die dem Sauerstoff zur Reaktion mit dem Mehl zur Verfügung steht ist zu gering für eine Verbrennungsreaktion.

Im Schritt 6 wird die Oberfläche des

Mehls durch das Aufwirbeln im Vergleich zu Schritt 2 um ein vielfaches vergrö-ßert. Das Verhältnis der Oberfläche zur Masse ist somit sehr groß. Dem Sauer-stoff steht genügend Kontaktfläche zur Verfügung, um mit dem Mehl zu reagie-ren. Die Verbrennungsreaktion startet mit dem Kontakt des Mehlstaubes zur Flamme und die gesamte Staubwolke verbrennt schlagartig.

Fazit:

Das Verhältnis der Oberfläche zur Masse

hat entscheidenden Einfluss auf die Ver-brennung fester Stoffe. Ist das Verhält-nis sehr klein, ist es schwierig eine Ver-brennungsreaktion zu starten. Je größer das Verhältnis ist, desto einfacher ist das Starten einer Verbrennungsreaktion und desto schneller und heftiger kann die Reaktion verlaufen.


Mehl (ca. 100g ??? pro Versuch)

Trichter (ca. 10 bis 15 cm

Durchmesser)

Schlauch (ca. 1m lang, Durch-messer passend, um den Trichter fest hinein zu stecken)

Zündquelle (Bunsenbrenner, Löt-lampe)

Flammpunkt / Brennpunkt

Ein exaktes Darstellen der Flamm- bzw. Brennpunkte brennbarer Flüssigkeiten ist mit einfachen Mitteln nicht möglich. Je-

doch kann mit den beiden folgenden Versuchsabläufen anschaulich dargestellt werden, dass brennbare Flüssigkeiten eine bestimmte Temperatur haben müs-sen, um genügend brennbare Dämpfe für eine Verbrennung zu entwickeln. (zu 5.4.2 Flammpunkt bzw. 5.4.3 Brenn-punkt)

Versuchsablauf 1:

Schritt 1:

10 ml ??? Diesel werden in eine kleine

Glasschale gegeben.

Schritt 2:

Mit einem Stabfeuerzeug wird versucht, den Diesel zu entzünden.




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Dies gelingt nicht.

Schritt 3:

Der Diesel wird erwärmt. Hierzu gibt es zwei Möglichkeiten:

Schritt 3a:

Das Glasschälchen wird mit einer feuer-festen Zange über einen Bunsenbrenner

oder eine Lötlampe gehalten.

Schritt 3b:

Die Lötlampe wird seitlich von oben auf die Flüssigkeit im Schälchen gehalten.

Schritt 4:

Nach entsprechender Erwärmung wird erneut versucht, den Diesel mit einem Stabfeuerzeug zu entzünden.

Hat der Diesel durch die Erwärmung sei-nen Flammpunkt erreicht, so zünden die aufsteigenden Dämpfe. Läuft die Ver-brennung bei Wegnahme des Stabfeuer-zeuges weiter, so hat der Diesel bereits

seinen Brennpunkt erreicht.

Zünden die Dämpfe nicht, so ist der Flammpunkt noch nicht erreicht und Schritt 3 ist zu wiederholen.

Erläuterung:

Im Schritt 2 ist die Temperatur des Die-sels zu gering. Es steigen nicht genü-gend brennbare Dämpfe auf. Erst durch die im Schritt 3 folgende Erwärmung wird der Flammpunkt (>55°C) erreicht. Das exakte Erreichen des Flammpunktes

ohne Überschreiten des Brennpunktes ist sehr schwierig und gelingt mit diesem einfachen Versuchsaufbau nur in selte-nen Fällen. Zur Unterbrechung der Ver-brennung kann ein Deckel oder eine ent-sprechend passende feste Abdeckung auf das Schälchen gelegt werden.

Besonderheiten:

Je stärker der Diesel erwärmt wird, desto mehr brennbare Dämpfe werden gebil-

det. Die Dämpfe sind schwerer als Luft und sammeln sich zunächst in der Scha-

le, bis diese „überläuft“. Die Zündung der Dämpfe ist mit einem Stabfeuerzeug oder einer Lunte von der Seite aus durchzuführen. Die Dämpfe zünden bei entsprechender Konzentration schlagar-tig durch und können bei der Entzün-dung mit einem Streichholz zu Verlet-zungen führen, da hierzu die Hand sehr nah an die Flüssigkeit gehalten werden muss. Mit dem Stabfeuerzeug bzw. der Lunte kann entsprechend Abstand gehal-ten werden.

benötigtes Material / Hilfsmittel:

10 ??? ml Diesel

Spritze o. Ä. zur Abmessung der Dieselmenge

Kleines Glasschälchen mit Deckel oder fester Abdeckung

Zündquelle (Stabfeuerzeug, Lun-te)

Wärmequelle (Bunsenbrenner, Lötlampe)

feuerfeste Zange für Schritt 3a

Versuchsablauf 2:

Schritt 1:

10 ml ??? Diesel werden in eine kleine Glasschale gegeben.

Schritt 2:

Mit einem Stabfeuerzeug wird versucht, den Diesel zu entzünden.

Dies gelingt nicht.

Schritt 3:

Das Schälchen wird mit Ölbindemittel aufgefüllt, sodass die Flüssigkeit aufge-sogen wird.

Schritt 4:




Das gezündete Stabfeuerzeug wird an die Oberfläche des mit Diesel vollgeso-genen Bindemittels gehalten.

Die aufsteigenden Dämpfe entzünden sich.

Erläuterung:

Im Schritt 2 ist die Wärmeenergie der Flamme des Stabfeuerzeuges zu gering, um den Diesel an seiner Oberfläche bis zum Flammpunkt zu erwärmen. Das im Schritt 3 eingestreute Bindemittel saugt den Diesel auf und vergrößert so die Oberfläche des Diesels um ein vielfaches. Durch diese Oberflächenvergrößerung

steigen mehr Dämpfe auf. Durch die vergrößerte Oberfläche ist nun die Ener-gie des Stabfeuerzeuges ausreichend, um den im Bindemittel gebundenen Die-sel bis zum Flammpunkt zu erwärmen. Die aufsteigenden Dämpfe zünden. Zur Unterbrechung der Verbrennung kann ein Deckel oder eine entsprechend pas-sende feste Abdeckung auf das Schäl-chen gelegt werden.

Besonderheiten:

Die Menge des im Schritt 3 eingestreu-

ten Bindemittels ist so zu wählen, dass die Flüssigkeit zwar aufgesogen wird, jedoch das Bindemittel nicht zu trocken ist. Wird zuviel Bindemittel eingestreut, hat die Flamme im Schritt 4 keinen Kon-takt zum Diesel um diesen entsprechend zu erwärmen.


10 ??? ml Diesel

Spritze o. Ä. zur Abmessung der Dieselmenge

kleines Glasschälchen mit Deckel oder fester Abdeckung

Zündquelle (Stabfeuerzeug)

geringe Menge Ölbindemittel

Benzindämpfe sind schwerer als Luft

Mit dem folgenden Versuch kann ein-drucksvoll dargestellt werden, dass Ben-zindämpfe schwerer als die Umgebungs-luft und brennbar sind.

Schritt 1:

Ein in Benzin getränkter Lappen wird in einen Trichter gelegt, der in einen Schlauch gesteckt ist.

Schritt 2:

Ein Teelicht wird auf einer festen Unter-lage entzündet.

Schritt 3:

Der Trichter wird hochgehalten, sodass das Ende des Schlauches direkt vor dem brennenden Teelicht liegt.

Nach kurzer Zeit entzünden sich Benzin-dämpfe am Teelicht und verbrennen durch den Schlauch nach Oben.

Erläuterung:

Die Benzindämpfe treten aus dem Lap-pen aus. Da sie schwerer als die Umge-bungsluft sind, sinken sie durch den Schlauch nach unten. Am Ende des Schlauches durchmischen sich die Dämp-fe mit der Luft und entzünden sich am brennenden Teelicht. Da durch den Schlauch weiterhin Dämpfe herabfallen

läuft die Flamme in den Schlauch hinein und steigt durch den Schlauch hoch bis zum Trichter. Dort wird der getränkte Lappen entzündet.

Besonderheiten:

Der Trichter und der Schlauch sind so zu wählen, dass der Trichter fest im Schlauch steckt. Ebenso ist es empfeh-lenswert, einen durchsichtigen Schlauch




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zu verwenden, da so das Hochlaufen der Flamme im Schlauch beobachten werden

kann. Zum evtl. ablöschen des entzün-deten Lappens kann dieser mit einer feuerfesten Zange in einen Topf oder ein anderes feuerfestes Behältnis gelegt und mit einem Deckel abgedeckt werden. Ebenso ist es möglich, den Lappen in Wasser zu Tauchen.


geringe Menge Benzin

Lappen

Trichter (Durchmesser ca. 15 bis

20 cm)

durchsichtiger Schlauch (passend zum Trichter, ca. 2m lang)

Topf oder anderes Behältnis zum Ablöschen des Lappens

feuerfeste Zange

Explosionsbereich:

Die Reaktion innerhalb des Explosionsbe-reiches bzw. unterhalb oder oberhalb der UEG und OEG kann anhand eines Gas-gemisches in einer Pappröhre demons-triert werden. (zu 5.5.1 Explosionsbe-reich)

Schritt 1:

Eine Pappröhre wird an einem Ende fest verschlossen und mit diesem Ende nach unten senkrecht auf einen Tisch oder den Boden gestellt. Die Röhre muss am unte-ren Ende seitlich ein kleines Loch haben, welches zu Versuchsbeginn verschlossen wird.

Schritt 2:

Durch die obere Öffnung der Röhre wird ein brennbares Gas, welches schwerer

als Luft ist, (z.B. Butan aus einer Löt-lampe) in die Röhre eingefüllt.

Schritt 3:

Auf die obere Öffnung der Röhre wird ein passender Deckel aufgesteckt.

Schritt 4:

Die Röhre wird gedreht und gewendet, sodass sich das Gas und die Luft in der

Röhre entsprechend vermischen.

Schritt 5:

Das kleine seitliche Loch am unteren Ende der Röhre wird geöffnet.

Schritt 6:

Ein gezündetes Stabfeuerzeug wird an das kleine Loch gehalten.

Das aus dem kleinen Loch austretende Gas entzündet sich und zündet das Gas-Luft-Gemisch in der Röhre. Durch die Explosion des Gemisches entsteht in der Röhre ein Überdruck und der obere De-

ckel wird herausgeschossen.

Besonderheiten und Variationen des Ver-suches:

Die im Schritt 2 einzufüllende Gasmenge

ist im Vorfeld des Unterrichtes zu ermit-teln. Wird zu wenig Gas eingefüllt, so liegt das Gemisch unterhalb der UEG und zündet nicht. Wird zuviel Gas eingefüllt, so liegt das Gemisch oberhalb der OEG und zündet ebenfalls nicht. Um solch einen negativen Vorführeffekt zu ver-meiden, sollte die für eine Zündung er-

forderliche Gasmenge entsprechend des Volumens der Röhre bekannt sein. So kann dieser Versuch dreimal durchge-führt werden, um ein zu mageres, ein zu fettes und ein zündfähiges Gemisch dar-zustellen.

Um eine bekannte Gasmenge in die Röh-

re zu füllen eignet sich die Befüllung mit einem Glas oder Messbecher bzw. Liter-maß. Ein Messbecher (Volumen z.B. 500 ml wird mit Gas gefüllt. Da das Gas schwerer als Luft ist, füllt es den Becher




vollständig aus. Nun wird dieses Gas vorsichtig in die Röhre gegossen (Fließ-

verhalten wie bei einer Flüssigkeit). So ist eine Menge von ca. 500 ml Gas in die Röhre eingefüllt und die Konzentration des Gases innerhalb der Röhre (Maße: z.B. Durchmesser 8cm, Länge 1m, Vo-lumen = ca. 5 Liter) ist bekannt. 500ml Gas in einem Röhrenvolumen von 5000ml entsprechen einer Konzentration

von 10 Vol.-%.

Ebenso eignet sich für diesen Versuch statt einer Pappröhre auch eine Röhre oder ein senkrecht stehendes Behältnis aus Plexiglas, welche entsprechend prä-pariert sind. Durch das Glas kann die

Zündung des Gas-Luftgemisches in der Röhre bzw. dem Behältnis beobachtet werden.

Eine weitere Variation ist der Verschluss der oberen Röhrenöffnung mit einem Tischtennis- oder Tennisball statt mit einem Deckel. Hierbei ist zu beachten, dass der Ball bei Zündung einige Meter weit geschossen werden kann.

Dieser Versuch bedarf im Vorfeld des Unterrichtes einer guten Vorbereitung (Fertigung der Röhre, Bestimmung der erforderlichen Gasmenge), damit die Vorführung im Unterricht gelingt und die

Reaktion innerhalb des Explosionsberei-ches sowie die Bedeutung der UEG und OEG deutlich wird.


Röhre, wahlweise aus Pappe oder

Plexiglas, ca. 30 bis 100 cm lang, Durchmesser ca. 5 bis 10 cm, ei-ne Seite fest verschlossen, ande-re Seite mit passend aufsteckbarem Deckel, an ver-schlossener Seite seitlich kleines Loch (Durchmesser ca. 5 mm)

brennbares Gas, z.B. Butan aus Lötlampe

Glas oder Messbecher zum kon-trollierten Einfüllen des Gases in die Röhre


8.3.3 Versuche zu den Löscheffekten

Kühleffekt

Neben der recht einfachen Demonstrati-on des einfachen Ablöschens eines klei-nen brennenden Stückes Holz mit Was-

ser eignen sich die beiden folgenden Versuche zur besseren Veranschauli-chung des Kühleffektes. (zu 7.1.1 Kühl-effekt)

Versuch 1:

In diesem Versuch wird die kühlende Wirkung des Wassers sehr gut deutlich.

Schritt 1:

Ein Pappbecher wird mit einer feuerfes-ten Zange über eine Flamme gehalten

Der Pappbecher entzündet sich an der Flamme und verbrennt.

Schritt 2:

Ein weiterer Pappbecher wird mit Wasser gefüllt und über die Flamme gehalten.

Der Becher entzündet sich diesmal nicht.

Erläuterung:

Im Schritt 2 entzündet sich der Pappbe-cher nicht, da das Wasser den Pappbe-cher kühlt. Somit wird die Mindestver-

brennungstemperatur des Bechers nicht erreicht. Lediglich die Unterseite des Be-chers kann leicht verkohlt bzw. angesenkt sein. Zur Entzündung des Bechers müsste die Flamme so lange




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einwirken, bis das Wasser verdunstet bzw. verdampft ist und keine Kühlwir-

kung mehr vorhanden ist.


2 Pappbecher

Wärmequelle (Kerze)

feuerfeste Zange

Wasser

Versuch 2:

Im zweiten Versuch wird die Mindestver-

brennungstemperatur einer brennenden Kerze recht eindrucksvoll unterschritten, sodass die Verbrennung zum Erliegen kommt.

Schritt 1:

Eine Kerze wird entzündet.

Schritt 2:

Der Docht der brennenden Kerze wird mit einer Metallspirale umschlossen.

Die Verbrennung kommt zum Erliegen.

Erläuterung:

Wird die Metallspirale im Schritt 2 über den Docht gestülpt, so wird die bei der Verbrennung freigesetzte Wärmeenergie durch das Metall aufgenommen. Somit steht nicht mehr genügend Wärmeener-gie zur Verfügung, um den noch unverbrannten Wachs der Kerze für die Verbrennung thermisch aufzubereiten. Die Mindestverbrennungstemperatur des Wachses wird hierdurch wieder unter-schritten und die Verbrennung kommt zum Erliegen.


Kerze

Zündquelle (Streichholz, Feuer-zeug)

Metallspirale mit Griff

Stickeffekt

Der Stickeffekt teilt sich in die drei Effek-

te Verdünnen, Abmagern und Trennen auf. Zu jedem Effekt ist ein demonstrati-ver Versuch aufgeführt. (zu 7.1.2 Stick-effekt)

Verdünnen:

Der Löscheffekt des Verdünnens kann anschaulich durch das Löschen einer in einem Glas brennenden Kerze mit Koh-lenstoffdioxid (CO2) demonstriert wer-den.

Schritt 1:

Eine Kerze wird in ein Glas gestellt und entzündet.

Wichtig: Das Glas muss höher sein als die Kerze.

Schritt 2:

CO2 wird durch einen Schlauch oder aus einem Behältnis in das Glas geleitet.

Die Flamme der Kerze erlischt.

Erläuterung:

Wird das CO2 im Schritt 2 in das Glas geleitet, so verdrängt es die Luft aus dem Glas, da es schwerer als diese ist. Erreicht der CO2–Füllstand des Glases die Flamme der Kerze, so steht hier kein Sauerstoff mehr für die Verbrennung zur Verfügung und die Flamme erlischt.


Kerze oder Teelicht




Zündquelle (Streichholz, Stabfeu-erzeug)

Glas

CO2

Abmagern:

Der Löscheffekt des Abmagerns kann veranschaulicht werden, indem brennen-der Brennspiritus mit Wasser gemischt und so gelöscht wird.

Schritt 1:

Ca. 10 ??? ml Brennspiritus werden in ein kleines Glasschälchen gegeben.

Schritt 2:

Der Brennspiritus wird mit einem Stab-feuerzeug entzündet.

Schritt 3:

Wasser wird aus einem Behältnis lang-sam von der Seite in das Schälchen ge-gossen.

Die Flammen werden kleiner bis die Ver-brennung zum Erliegen kommt.

Erläuterung:

Beim Eingießen des Wassers im Schritt 3 vermischen sich der Brennspiritus und das Wasser, da beides polare Flüssigkei-ten sind. Durch die Vermischung nimmt

die Konzentration des Brennspiritus im Flüssigkeitsgemisch ab. Ebenso sinkt die Flüssigkeitstemperatur. Durch diese bei-den physikalischen Vorgänge werden weniger brennbare Dämpfe entwickelt. Der Brennbare Stoff wird somit abgema-gert.

Besonderheiten:

Wichtig ist bei diesem Versuch, dass er mit Brennspiritus durchgeführt wird, da

Brennspiritus eine der wenigen brennba-ren Flüssigkeiten ist, die mit Wasser

mischbar (polar) sind. Mit unpolaren brennbaren Flüssigkeiten würde dieser Versuch nicht gelingen und zu Verlet-zungsgefahren führen.

Ebenso ist es wichtig, dass das Wasser seitlich in den brennenden Spiritus gege-ben wird, da dieser bei direkter Hineingabe herausspritzen kann.

Des Weiteren ist zu beachten, dass das Schälchen ein entsprechendes Fassungs-volumen hat, damit es bei der Hineingabe des Wassers nicht überläuft.


10 ??? ml Brennspiritus

kleines Glasschälchen


Wasser in gießfähigem Behältnis

Trennen:

Der Löscheffekt des Trennens lässt sich durch das Überstülpen eines Glases über eine brennende Kerze demonstrieren.

Schritt 1:

Eine Kerze wird auf eine feste Unterlage gestellt und entzündet.

Schritt 2:

Ein Glas wird über die brennende Kerze gestülpt.

Nach kurzer Zeit wird die Flamme der Kerze kleiner und erlischt schließlich.

Erläuterung:

Durch das Überstülpen des Glases im Schritt 2 wird der brennende Stoff (Ker-zenwachs) vom Sauerstoff der Umluft




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getrennt. Nachdem der restliche unter dem Glas befindliche Sauerstoff durch

die Verbrennung verbraucht ist, kommt diese zum Erliegen.

Benötigte Hilfsmittel:

Kerze oder Teelicht


Glas

Antikatalytischer Effekt

Der Antikatalytische Löscheffekt kann anhand der Löschwirkung des BC-Pulvers (heterogene Inhibition) eindrucksvoll dargestellt werden. Hierzu wird eine brennende Kerze mit Backpulver ge-löscht. (zu 7.1.3 Antikatalytischer Effekt)

Schritt 1:

Eine Kerze wird auf eine feste Unterlage gestellt und entzündet.

Schritt 2:

Backpulver wird fein verteilt auf die brennende Kerze gestreut.

Die Flamme erlischt und die Verbren-nung kommt zum Erliegen.

Erläuterung:

Backpulver besteht ebenso wie das BC-Löschpulver im Wesentlichen aus Natri-umhydrogencarbonat. Wir das Backpul-ver im Schritt 2 fein verteilt auf die Ker-ze gestreut, so geben die freien Radikale an der kristallenen Oberfläche des Back-pulvers ab. Ihre Energie steht nicht mehr für die Verbrennung zur Verfügung und kommt zum Erliegen. (siehe auch 7.4.1 Löschpulverarten)


Kerze


1 Tütchen Backpulver

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