Titel: Heumann, zur Theorie leuchtender Flammen.
Autor: Heumann, Karl
Fundstelle: 1877, Band 225 (S. 589–596)
URL: http://dingler.culture.hu-berlin.de/article/pj225/ar225176

Zur Theorie leuchtender Flammen; von Dr. Karl Heumann.

(Schluß von S. 463 dieses Bandes.)

Zur Erklärung der mannigfachen Erscheinungen, welche an leuchtenden Kohlenwasserstoffflammen beobachtet wurden, diente in den früheren Abhandlungen stets die Ansicht als Ausgangspunkt, daß in den Flammen fester Kohlenstoff ausgeschieden werde. Wir fanden, daß sich diese Theorie den Thatsachen immer in bester Weise anschloß und hierdurch selbst an Wahrscheinlichkeit gewann. Da jedoch Frankland das Vorhandensein festen Kohlenstoffes in den Leuchtflammen bestritt und die Leuchtkraft speciell dichten dampfförmigen Kohlenwasserstoffen zuschrieb, so ist es geboten, die Richtigkeit der frühern, von Davy aufgestellten Theorie auch noch in anderer Hinsicht, und zwar vom mehr chemischen Standpunkt aus, zu prüfen. Hierzu zeigen uns die in der vorigen Abhandlung besprochenen Versuche den Weg.

Die bedeutende Vergrößerung des gesammten „Leuchteffectes“ einer Gasflamme durch Erhitzen der Brennerröhre war als Folge einer doppelten Wirkung der zugeführten Wärme erkannt worden: der leuchtende Flammenmantel wurde glänzender und größer. Die Steigerung der „Lichtintensität“ kann nun selbst wieder in zweierlei Umständen begründet sein, wenn wir von unserer Theorie ausgehen; entweder werden die ausgeschiedenen Kohletheilchen durch höhere Flammentemperatur zu stärkerm Glühen erhitzt, oder die Anzahl der in ein und dem nämlichen Volum des Flammenmantels vorhandenen, suspendirten Kohletheilchen wird vermehrt. Ob bei dem erwähnten Versuche beide Umstände eintreten, läßt sich nicht ohne weiteres entscheiden.

Die Vergrößerung des Leuchtmantels beim Erhitzen der Brennerröhre wurde durch ein frühzeitigeres Ausscheiden des Kohlenstoffes im untern Theil der Flamme erklärt, welcher durch die zugeführte Wärme eine zu jener Zersetzung des Kohlenwasserstoffes genügend hohe Temperatur erhalte. Ist diese Erklärung richtig, so muß statt der Wärme auch jedes andere Agens, welches im Stande ist, Kohlenwasserstoffe bei der niedern Temperatur des untern Flammentheiles unter Kohleabscheidung zu zersetzen, eine Vergrößerung des Leuchtmantels zur Folge haben, wenn es in geeigneter Weise zur Wirkung gelangt. Als solche Agentien sind offenbar Chlor und Brom anzusehen, und in der That entspricht der Versuch jener Voraussetzung.

Aus einer horizontalen, etwas engen Röhre austretendes Leuchtgas lieferte bei der Entzündung eine langgestreckte Flamme, deren Leuchtmantel |590| erst 1 bis 2cm von der Mündung begann. Wurde nun Chlorgas aus einer Röhre gegen jenen blauen, dicht am Brenner beginnenden Theil der Flamme geleitet, so wurde letzterer sofort gleichfalls hellleuchtend, d.h. der Leuchtmantel begann bereits direct an der Mündung; außerdem zeigte er viel stärkeren Glanz. Letztere Erscheinung kann ihren Grund nur darin haben, daß die Lichtintensität durch Vermehrung der Anzahl leuchtender Kohletheilchen erhöht wird, da das Chlor eine erhebliche Steigerung der Flammentemperatur nicht bewirkt. Statt des Chlores läßt sich Bromdampf mit ganz demselben Effect anwenden; bei einem Uebermaß dieser Agentien wird die Kohleabscheidung so massenhaft, daß die Flamme zu rußen beginnt, da das Chlor resp. Brom theilweise die Stelle des eintretenden Sauerstoffes vertritt, ohne jedoch wie dieser im Stande zu sein, den Kohlenstoff in eine gasförmige Verbindung überzuführen.

Kohlenwasserstoffflammen von geringer Lichtintensität können diese Eigenschaft verschiedenen Umständen verdanken, und es fragt sich nun, ob in allen diesen Fällen Zuführung von Chlorgas den von der Theorie vorausgesagten Effect gibt.

Kohlenwasserstoffflammen können schwach leuchtend sein, 1) wenn der Lichtmantel nur wenig feste Kohletheilchen enthält.

Dieses Verhältniß findet sich bei allen kohlenstoffarmen Materialien, z.B. dem Grubengas CH₄. Eine solche Flamme wird durch Chlor hellleuchtend, sowohl wenn dasselbe dem Material selbst vor der Verbrennung beigemischt wird, als auch wenn es der von außen zutretenden Luft beigefügt ist. Im erstern Fall findet bereits im innersten Theil der Flamme eine partielle Verbrennung statt, indem der Wasserstoff sich theilweise mit Chlor vereinigt und der hierdurch frei gewordene Kohlenstoff sich ausscheidet und so zunächst das Leuchten der Chlor-Wasserstoffflamme im Innern der Hauptflamme bewirkt. Weiter nach außen verbrennt dann sämmtlicher Kohlenstoff und der noch nicht an Chlor gebundene Wasserstoff; da bei dieser äußern Verbrennung das Material nunmehr ein relativ wasserstoffarmes, dagegen sehr kohlereiches ist, so muß hier gleichfalls bedeutende Lichtentwicklung eintreten. Leitet man das Chlorgas durch eine Röhre ins Innere einer etwas großen Grubengasflamme, so lassen sich beide Flammen deutlich unterscheiden.

Wird Chlor der äußern Luft beigemischt, in welcher die Verbrennung stattfindet, so ersetzt es nicht blos einen Theil des inerten Stickstoffes, sondern auch des Sauerstoffes und verbindet sich wie dieser mit Wasserstoff, nicht aber mit Kohlenstoff. Letzterer wird daher in größerer Menge abgeschieden und muß so lange glühend in der Flamme verweilen, bis |591| er an deren äußern Saum mit genügendem Sauerstoff zusammentrifft, um verbrannt zu werden.

Kohlenstoffarme Gase können auch dann hellleuchtend verbrennen, wenn sie bereits in ihrem Molecül solche Elemente in genügender Menge enthalten, welche bei Glühhitze den Wasserstoff sofort theilweise oder ganz in Beschlag nehmen und dadurch entweder zunächst einen kohlenstoffreichen Kohlenwasserstoff oder sogleich reinen Kohlenstoff in Freiheit setzen; derartige Verbindungen sind z.B. die Chlorsubstitutionsproducte des Grubengases: Metylchlorid CH₃Cl und Chloroform CHCl₃. In der That liefern diese Körper eine hellleuchtende, Chloroform sogar eine rußende Flamme. (Letzteres brennt nur in der Nähe einer andern Flamme von selbst weiter, oder wenn sein Dampf mit Wasserstoff gemischt ist.)

2) Kohlenwasserstoffflammen können schwach leuchtend resp. nicht leuchtend (blau) sein, wenn sie zwar kohlenstoffreiche Gase enthalten, jedoch nicht genügend hohe Temperatur besitzen, um aus dem vorhandenen Material Kohlenstoff in fester Form auszuscheiden. Hier sind Zwei Fälle zu bedenken. Entweder ist die allzu niedrige Flammentemperatur durch Wärmeentziehung von außen veranlaßt, oder die Temperatur, bei welcher sich das Material unter Kohleabscheidung zersetzt, liegt sehr hoch. Der erstgenannte Fall tritt ein, wenn eine leuchtende Flamme durch abkühlende Körper berührt wird; der letztere, wenn die Verbrennungsgase durch andere Luftarten verdünnt sind, welche indeß, insofern sie nicht selbst an der Verbrennung Theil nehmen (wie dies z.B. bei Kohlenoxyd, Sauerstoff oder Luft der Fall ist), auch gleichzeitig die ursprüngliche vorhandene Flammentemperatur durch Wärmebindung erniedrigen.

Die Temperatur aller derartigen Flammen liegt hoch genug, um einen dünnen Platindraht oder eingeführte Kohlensplitter zum Glühen zu bringen, reicht aber nicht aus, um das betreffende Material unter Kohleabscheidung zu zersetzen; bewirkt man letzteres indeß durch andere Mittel, so muß der Kohlenstoff glühend und somit die Flamme leuchtend werden. Ist diese Voraussetzung richtig, so wird Chlorgas in beiden Fällen die entleuchteten Flammen wieder hellleuchtend machen. Zur Prüfung des ersten Falles wurde eine kleine leuchtende Gasflamme durch Berührung mit einer Porzellanschale entleuchtet (ich habe früher bewiesen, daß hierbei nur die Wärmeentziehung als Ursache der Entleuchtung anzusehen ist); sobald nun unter die blaue Flamme etwas Chlorgas oder Bromdampf gebracht wurde, erhielt sie sofort wieder bedeutende Leuchtkraft und überzog die Porzellanfläche mit Ruß.

Hiermit ist bewiesen, daß, wie vorausgesetzt war, die durch Abkühlung |592| entleuchtete Flamme nur darum kein Licht ausstrahlt, weil ihre Temperatur nicht ausreicht, Kohlenstoff abzuscheiden; sie genügt aber, um den auf andere Weise ausgeschiedenen Kohlenstoff zum Leuchten zu bringen.

Die durch Beimischung indifferenter Gase entleuchteten Kohlenwasserstoffflammen finden sich in einer ähnlichen Lage. Das verdünnte Material bedarf nun einer höheren Temperatur, um unter Kohleabscheidung zersetzt zu werden; aber auch hier reicht die vorhandene Hitze aus, auf andere Art abgeschiedenen Kohlenstoff zum Glühen zu bringen.

Zu den Versuchen dienten die blauen Flammen, welche das zuvor mit Kohlensäure, mit Luft oder mit Kohlenoxyd vermischte Leuchtgas lieferte. Diese Flammen wurden durch Zuführung von etwas Chlorgas sofort hellleuchtend.

3) Als dritte Möglichkeit für die Existenz schwach leuchtender Kohlenwasserstoffflammen ist der Fall anzusehen, daß die Temperatur der Flamme zwar hinreicht, um aus dem leicht zersetzbaren Material eine Masse Kohletheilchen auszuscheiden, jedoch nicht hoch genug ist, um diese zum hellen Glühen zu bringen. Als Beispiel sei die Terpentinölflamme genannt. Derartige Flammen bedürfen nur eine beträchtliche Erhöhung ihrer Temperatur, um ein brillantes Licht auszustrahlen, und werden daher durch Zuleitung von Sauerstoff oder durch Einblasen von Luft äußerst hellleuchtend. Da die Einführung von Chlor die Temperatur der Flamme nicht steigert und an ausgeschiedenem Kohlenstoff kein Mangel ist, so darf durch Zuleiten jenes Gases in die Terpentinölflamme keine Erhöhung ihrer Leuchtkraft eintreten.

Der Versuch bestätigt die Richtigkeit dieses Schlusses.

Seither diente die Annahme, daß Chlor aus den glühenden Flammengasen festen Kohlenstoff abscheide, als Ausgangspunkt für die Erklärung. Jene Annahme ist jedoch nicht etwa nur eine nützliche Hypothese, sondern eine bewiesene Thatsache, insofern Chlor mit glühenden Kohlenwasserstoffen zusammengebracht stets massenhafte Abscheidung fester Kohle veranlaßt, welche mit dem auf sonstige Weise gebildeten Ruß ganz identisch erscheint. Daß der Ruß als (mehr oder weniger reiner) Kohlenstoff angesehen werden muß, hat bis jetzt nur Frankland zu leugnen versucht. Sein Wunsch, den Lichtträger im Flammenmantel als dichten Kohlenwasserstoffdampf betrachten zu dürfen, hat ihn zur Bemerkung veranlaßt, der Ruß sei stets wasserstoffhaltig und darum wahrscheinlich weiter Nichts als ein Conglomerat der dichtesten lichtgebenden Kohlenwasserstoffe, deren Dämpfe sich an dem kalten Körper condensiren. Hiergegen erwähnte W. Stein, daß sich dann |593| der Ruß durch Erhitzen auch wieder in Dampf verwandeln lassen müsse, was nicht der Fall ist, und theilte eine Analyse von Leuchtgasruß mit, welcher neben 99,1 Proc. Kohlenstoff nur 0,9 Proc. Wasserstoff enthielt.

Hiernach ist man also nicht berechtigt, den Ruß einen Kohlenwasserstoff zu nennen; er ist nur Kohlenstoff, welcher geringe Mengen anderer Körper aufgenommen hat. Mir scheint es ganz undenkbar, daß sich überhaupt chemisch reiner Kohlenstoff aus einer Flamme ablagern könnte, weil bekanntlich die Kohle ein so bedeutendes Bestreben zeigt, Dämpfe und Gase zu absorbiren, daß sie sofort nach der Abkühlung am berußten Gegenstand nicht blos Gase und Wasserdampf, sondern auch unverbrannt hier austretende Kohlenwasserstoffdämpfe aufnehmen wird.

Ich habe nun gezeigt, daß Chlorgas alle Flammen leuchtend und rußend macht, welche zersetzbare Kohlenwasserstoffe enthalten; kann Frankland entgegnen: auch hier ist es nicht der feste Kohlenstoff, der ausgeschieden das Leuchten bedingt, sondern dichte Dämpfe, welche durch die Wirkung des Chlores erzeugt werden? Frankland führt selbst an, daß man, um aus Ruß reinen Kohlenstoff zu erhalten, diesen in Chlorgas ausglühen müsse. Wenn folglich das Chlor in der Glühhitze die Kohlenwasserstoffs unter Zurücklassung reinen Kohlenstoffes zerstört, so wird auch diese Reaction inmitten der Flamme stattfinden.

Auf die größere oder geringere Reinheit des Kohlenstoffes kommt es überhaupt im vorliegenden Fall gar nicht an, es fragt sich nur, ob das ausgeschiedene Product ein fester oder ein dampfförmiger Körper ist, und hierüber kann keinerlei Zweifel bestehen; schon bei dunkler Rothglühhitze scheidet sich aus einem Gemenge von Chlorgas und Leuchtgas Ruß als fester Staub in Menge ab.

Die bedeutende Lichtentwicklung, welche durch Einführung von Chlor bei den beschriebenen Versuchen beobachtet wurde, verdankt also ohne Frage der Abscheidung festen Kohlenstoffes ihr Entstehen. Der Charakter der so erhaltenen Leuchtflamme ist ganz der normale, d.h. das durch die Wirkung des Chlores veranlaßte Leuchten ist in Nichts verschieden von dem durch hohe Temperatur bewirkten, und es liegt nicht der geringste Grund vor, daran zu zweifeln, daß wenn in jenem Fall fester Kohlenstoff der Lichtträger ist, er es auch in diesem sein wird.

Es gilt nun noch directere Beweise aufzufinden, welche das Vorhandensein festen Kohlenstaubes in den Leuchtflammen über alle Zweifel erheben und gleichzeitig die Unmöglichkeit der Frankland'schen Hypothese darthun. Ein früher besprochener Versuch ergab, daß ein Weißes Porzellanstäbchen, welches in eine leuchtende Flamme eingeführt wurde, sich nur an der untern, dem Gasstrom entgegenstehenden Seite mit Ruß |594| bedeckte. Erst nach viel längerer Zeit bildete sich auch an der obern Fläche ein ganz dünner schwärzlicher Hauch. Wäre der Ruß als leuchtender Dampf in der Flamme enthalten, so müßte die Ablagerung an einem kalten Gegenstand eine Condensation jenes Dampfes sein, wie Frankland selbst sagt; wenn nun der Gegenstand rings von der leuchtenden Flamme umgeben ist, so muß auch ringsum Condensation, d. i. Berußung eintreten. Der Versuch zeigt jedoch, daß sich nur die untere Fläche berußt. Also kann der Ruß nicht als Dampf, sondern muß als fester Körper in dem leuchtenden Flammenmantel vorhanden sein; die Berußung ist darum keine Condensation, sondern ein rein mechanischer Vorgang, ganz analog dem Ansetzen des Staubes an die Wände eines Zimmers oder des Ofenrußes an die Kaminwände.1) Ferner widerspricht der Auffassung Frankland's, die Berußung erfolge durch Condensation dichter Dämpfe, die bereits früher mitgetheilte Thatsache, daß auch stark glühende Flächen berußt werden. Wäre die Berußung eine Condensation, so könnte sie nur an relativ kalten Gegenständen erfolgen.

Die bis jetzt gegebenen Beweise für die Anwesenheit festen Kohlenstaubes in den Leuchtflammen sind mehr indirecter Natur; alle irgend denkbaren Zweifel würden aber alsbald gehoben sein, wenn es gelänge, die ausgeschiedenen Kohletheilchen in der Flamme selbst sichtbar zu machen.

In einer leuchtenden Gas- oder Kerzenflamme, ja selbst in der stark rußenden Terpentinölflamme, vermag das Auge keinerlei glühende Punkte zu erkennen; bei Anwendung der Loupe oder des Mikroskops ist das Resultat nicht besser, der raschen Bewegung und großen Zahl der Stäubchen wegen. Auch mit Hilfe einer stroboskopischen Scheibe oder eines rotirenden Spiegels waren keine gesonderten Kohletheilchen wahrzunehmen; offenbar ist ihre Zahl sehr groß und ihr Durchmesser äußerst klein. Ebenso wenig läßt jedoch auch die Rußsäule, welche einer Terpentinölflamme entsteigt, direct über der letztern einzelne Partikelchen erkennen, während in etwas größerer Höhe sich Rußflöckchen bilden, die beim Aufsteigen noch mehr an Größe zunehmen. Eine ganz analoge Erscheinung bildet das brennende Zink, dessen Oxyd sich erst beim Aufsteigen über der Flamme zu den bekannten Flocken zusammenballt. Die Ursache dieser Flockenbildung erkläre ich mir in folgender Weise. Durch die ruhende Luftschicht werden die ersten, äußerst kleinen Stäubchen in |595| ihrer aufsteigenden Bewegung gehemmt oder abgelenkt, die nachfolgenden stoßen dann mit mehr oder weniger Heftigkeit wider die ruhenden oder in anderer Richtung bewegten Stäubchen und vereinigen sich mit diesen in Folge des Druckes zu größern Massen.

Um inmitten der Flamme eine ähnliche Zusammenhäufung der kleinen Stäubchen zu veranlassen, war es also nur nöthig, auch hier eine solche Stoßwirkung herbeizuführen. Durch Entgegenblasen von Luft hätte eine derartige Wirkung vielleicht erreicht werden können, wenn nicht hiermit auch eine intensivere Verbrennung, resp. sogar Entleuchtung, verbunden wäre; es lag also nahe, eine leuchtende Gasflamme gegen eine zweite stoßen zu lassen. Treffen die kleinen Kohlestäubchen mit entgegengesetzter Bewegungsrichtung auf einander, so müssen nothgedrungen größere Kohleaggregate entstehen, welche auch darum noch leichter sichtbar sein werden, als sie in viel geringerer Zahl vorhanden und weit langsamer bewegt sind, wie vorher die kleinen Stäubchen.

Von dieser Erwartung ausgehend, stellte ich viele vergebliche Versuche an, deren Nichterfolg hauptsächlich in zu bedeutender Größe der angewendeten Flammen bestand, deren Spitzen sich stets nach oben zu aufbogen und darum nicht direct gegen einander gerichtet werden konnten. Augenscheinlich waren stoßkräftigere Flammen nöthig. Solche erhielt ich beim Ausströmen des Gases durch wagrechte, conisch gebohrte, enge Röhren, aus welchen die Flammen fast völlig horizontal brannten. Letztere wurden nun vorsichtig gegen einander geschoben, wobei sich die Spitzen gegenseitig abplatteten. Ein ähnlicher Vorgang findet bei den bekannten Zweilochbrennern statt, indeß treffen hier die Gasströme unter einem Winkel zusammen und breiten sich zur sogen. Fischschwanzflamme aus.

Bei jenem Versuch wurde bei gehöriger Sorgfalt eine vollkommen kreisrunde Flammenscheibe von mehreren Centimeter Durchmesser und blendendem Glanze erhalten; aber bei noch etwas größerer Annäherung der Brennerröhren und geringer Excentricität schlug die Scheibe um und verwandelte sich in einen nach unten ausgebogenen Flammenhalbmond, welcher übersäet war mit glühenden Punkten. In Folge des etwas excentrischen Stoßes der beiden Flammen befanden sich die jenen Halbmond bildenden Gase in wirbelnder Bewegung, so daß die glühenden Punkte bei ihrem Aufsteigen Schraubenlinien beschreiben mußten. In solcher Weise wurden sie den beiden Hörnern des Halbmondes zugeführt und verließen hier die Flamme als Funken. Wurden diese auf einem Porzellanteller aufgefangen, so erwiesen sie sich als lauter vereinzelte Rußkörner; während die wirbelnde Flamme selbst einen grobkörnigen |596| Ruß absetzte. Die Ausführung des Experimentes ist nicht schwer, erfordert aber etwas Geduld und hinsichtlich des Einstellens der Flammen und der Regulirung der Hähne eine nur durch Ausprobiren zu erlangende Uebung. Läßt man das Leuchtgas unter höherem Druck, z.B. aus den gewöhnlichen Laboratoriumsgasometern ausströmen, so wird die Erscheinung noch glänzender, doch erheblich schwieriger ist dann die Regulirung.

Schließlich gelang es mir auch, den Kohlenstaub bei Anwendung einer einzigen Leuchtgasflamme sichtbar zu machen, indem ich letztere etwas schief gegen die Wölbung einer vertical befestigten, glühenden Platinschale anstoßen ließ. Die reflectirte Flamme prellt seitlich gegen einen Theil der auffallenden, und es entsteht auch hier wiederum ein mit glühenden Punkten übersäeter und in Rotation begriffener Flammenkörper, welcher die Gestalt eines nach unten gewölbten Halbmondes besitzt.

Durch diese Versuche, welche einen interessanten Anblick bieten, ist es also gelungen, unter Anwendung eines kleinen Kunstgriffes die Ausscheidung festen Rußes innerhalb der Leuchtgasflamme selbst auch dem Auge direct sichtbar zu machen. Die Erscheinung beweist aufs Ueberzeugendste, daß die normal leuchtenden Flammen nur dadurch von jenem Funkenheer verschieden sind, daß bei ihnen die Kohletheilchen kleiner und zahlreicher sind; denn der Versuch zeigt in den einzelnen Theilen der Flamme sämmtliche Uebergangsstadien von Funkenheer zum continuirlichen Leuchtmantel in der allerdeutlichsten Weise.

Darmstadt. Chemisches Laboratorium des Polytechnicums.

|594|

Daß nach längerer Zeit auch an der obern Fläche des in die Flamme gebrachten Stabes eine dünne, hauchartige Schwärzung eintritt, hat seinen Grund jedenfalls in den verschiedenartigen Gasströmen, welche längs dieser obern Fläche ihre Richtung nehmen.

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