Dieses Experiment untersucht die katalytische Wirkung von Asche auf die Verbrennung von Zucker. Zunächst wurde versucht, einen Würfelzucker direkt mit einem Feuerzeug zu entzünden, was erfolglos blieb. Ebenso ließ sich Asche alleine nicht entzünden. Nachdem die Asche jedoch auf den Zucker gestreut wurde, konnte das Gemisch mit einer blauen Flamme verbrannt werden. Dies zeigt, dass bestimmte Metalloxide in der Asche als Katalysatoren1[Eine Substanz, die eine chemische Reaktion beschleunigt, ohne dabei selbst verbraucht zu werden.] wirken und die thermische Zersetzung von Zucker erleichtern.
Null-Hypothese: Reine Asche hat keinen Einfluss auf die Entzündlichkeit von Zucker.
1. Einleitung
Zucker ist ein Kohlenhydrat mit einer stabilen kristallinen Struktur, das unter normalen Bedingungen nicht einfach durch eine Flamme entzündet werden kann. Erst bei hohen Temperaturen beginnt Zucker zu karamellisieren und schließlich zu verkohlen. Allerdings kann dieser Prozess durch die Anwesenheit von Katalysatoren erheblich beschleunigt werden. Asche, insbesondere die Rückstände verbrannter organischer Materialien, enthält Metalloxide2[Chemische Verbindungen von Metallen mit Sauerstoff, die häufig als Katalysatoren wirken.] und andere mineralische Verbindungen, die als Katalysatoren für die Zersetzung von Zucker wirken. Ziel dieses Experiments ist es, die katalytische Wirkung von Asche auf die Verbrennung von Zucker zu untersuchen.
2. Material und Methoden
Materialien:
- 1 Würfelzucker
- Asche (z. B. aus einer Tabakpfeife oder von verbranntem Papier)
- Feuerzeug oder Streichhölzer
- Metalllöffel oder feuerfeste Unterlage
Durchführung:
- Der Würfelzucker wird auf eine nicht brennbare Unterlage gelegt.
- Mit einem Feuerzeug wird versucht, den Zucker direkt zu entzünden. Die Reaktion wird beobachtet und dokumentiert.
- Ein kleiner Haufen Asche wird ebenfalls mit dem Feuerzeug zu entzünden versucht. Auch hier werden die Beobachtungen festgehalten.
- Eine dünne Schicht Asche wird gleichmäßig auf den Würfelzucker gestreut.
- Das Feuerzeug wird erneut an den mit Asche bedeckten Zucker gehalten, und die Reaktion wird dokumentiert.
Während des Experiments wird insbesondere auf Farbe und Form der Flamme sowie auf die Geschwindigkeit der Verbrennung geachtet.



3. Ergebnisse
Beim direkten Erhitzen des Würfelzuckers mit einem Feuerzeug zeigte sich zunächst keine Entzündung. Stattdessen begann der Zucker zu schmelzen und zu karamellisieren, ohne dabei eine Flamme zu entwickeln. Erst bei längerer Einwirkung hoher Temperaturen wurde eine allmähliche Verkohlung sichtbar, die jedoch keine selbstständige Verbrennung ermöglichte. Die Asche, die separat mit dem Feuerzeug entzündet wurde, zeigte ebenfalls keine Verbrennungsreaktion. Nachdem jedoch eine dünne Schicht Asche auf den Würfelzucker gestreut wurde, konnte das Gemisch unmittelbar entzündet werden. Die Reaktion setzte schnell ein und zeigte eine gleichmäßige, blau leuchtende Flamme. Die Verbrennung war deutlich intensiver als beim vorherigen Versuch mit reinem Zucker.
4. Diskussion
Die Ergebnisse zeigen deutlich, dass die Asche eine katalytische Wirkung auf die thermische Zersetzung des Zuckers ausübt. Die primäre Reaktion, die dabei gefördert wird, ist die thermische Zersetzung (Pyrolyse)3[Der Prozess, bei dem eine Substanz durch Hitze in einfachere chemische Verbindungen zerlegt wird.] von Saccharose (C12H22O11), die durch die Anwesenheit von Metalloxiden erleichtert wird.
Reaktionsmechanismus der Zuckerverbrennung
Die thermische Zersetzung von Saccharose erfolgt in mehreren Schritten. Zunächst beginnt die Dehydratisierung4[Eine chemische Reaktion, bei der Wasser (H2O) aus einer Verbindung entfernt wird.], bei der Zucker unter Hitze Wasser verliert und sich in Kohlenstoff und andere organische Verbindungen aufspaltet:
C12H22O11 → 12C + 11H2O
Normalerweise benötigt dieser Prozess hohe Temperaturen, doch durch die Anwesenheit von Katalysatoren wie Kalium- und Calciumverbindungen in der Asche wird er erheblich beschleunigt. Diese Metalloxide wirken als Elektronenakzeptoren5[Eine Substanz, die Elektronen von einem anderen Molekül aufnimmt und dadurch eine chemische Reaktion erleichtert.], die die thermische Spaltung der Zuckerketten erleichtern.
In einem zweiten Schritt erfolgt die Oxidation6[Eine chemische Reaktion, bei der ein Stoff Elektronen abgibt, häufig unter der Einwirkung von Sauerstoff.] des freigesetzten Kohlenstoffs zu Kohlenstoffmonoxid und Kohlenstoffdioxid:
Die dabei entstehenden Zwischenprodukte wie Kohlenstoffmonoxid (CO) und Kohlenwasserstoffe können bei weiterer Temperaturerhöhung vollständig zu Kohlenstoffdioxid (CO2) und Wasser oxidiert werden:
Rolle der Asche als Katalysator
Die Asche enthält hohe Anteile an Kaliumoxid (K2O) und Calciumoxid (CaO), die als Katalysatoren für die Verbrennung fungieren. Insbesondere Kaliumoxid kann mit Wasser reagieren und Hydroxid-Ionen (OH–) bilden, die den Abbau der organischen Moleküle weiter beschleunigen:
Das Kaliumhydroxid (KOH) kann wiederum mit den Zersetzungsprodukten des Zuckers interagieren und Elektronenübergänge fördern, die eine rasche Oxidation ermöglichen.
Erklärung der blauen Flammenfärbung
Die blaue Farbe der Flamme deutet darauf hin, dass Kaliumionen (K+) in den Verbrennungsprozess involviert sind. Kaliumsalze, insbesondere Kaliumcarbonat (K2CO3), das in der Asche enthalten sein kann, verdampfen bei hohen Temperaturen und emittieren blau-violette Lichtstrahlung, wenn die angeregten Elektronen in ihren Grundzustand zurückfallen.
Vergleich mit anderen katalytischen Verbrennungsprozessen
Ein ähnlicher Effekt wird in chemischen Reaktionen mit starken Oxidationsmitteln wie Kaliumpermanganat (KMnO4) oder Kaliumchlorat (KClO3) beobachtet, die ebenfalls die Zersetzung organischer Stoffe durch Sauerstofffreisetzung beschleunigen. In industriellen Prozessen werden ähnliche Prinzipien genutzt, beispielsweise in der Zuckerverarbeitung oder bei der Herstellung von Pyrotechnika.
Sicherheit
- Das Experiment sollte auf einer feuerfesten Unterlage durchgeführt werden.
- Der Umgang mit offenem Feuer erfordert Vorsicht. Brennbare Materialien sollten entfernt werden.
- Die entstehende Flamme kann unerwartet hoch auflodern. Daher sollte ein Sicherheitsabstand eingehalten werden.
- Asche kann je nach Herkunft gesundheitsschädliche Rückstände enthalten. Direkter Haut- oder Augenkontakt sollte vermieden werden.