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Massenerhaltungssatz (Ballonglasversuch)

Physik

© 2025


Basiswissen｜ Versuchsbeschreibung｜ Vermutung｜ Material｜ Sicherheit｜ Durchführung｜ Beobachtungen｜ Deutung｜ Noch zu tun｜ Fußnoten


Basiswissen


Zehn der farbigen Köpfe von Streichhölzern werden in einem abgeschlossenen Reagenzglas verbrannt. Die Masse des Reagenzglases zusammen mit den eingeschlossenen Stoffen sollte sich dabei nicht ändern. Dieser Versuch ist ein Klassiker der Chemie. Die Kernaussage ist: bei chemischen Reaktionen gibt es keine nennenswerte Änderung der Gesamtmasse der beteiligten Stoffe.



Man sieht eine typische Zündung mit Verbrennung und beschädigtem Ballon. Interessant ist der fallende Glut-Meteor, der wahrscheinlich den Ballon von innen durchlöchert hat. In etwa einem Fünftel der Versuche kam es zu keiner Beschädigung des Ballons und wir konnten zeigen, dass die Masse der beteiligten Reaktionsstoffe erhalten blieb.

Versuchsbeschreibung


Vermutung


Man kann mit einfachen Mitteln den Satz von der Erhaltung der Masse bei chemischen Reaktionen nachstellen: 5 bis 10 Köpfe von Streichhölzern werden in einem Reagenzglas, das mit einem vorgedehnten Ballon abgeschlossen ist, verbrannt. Die gesamte Masse, zum Beispiel in Gramm, vor und nach der Verbrennung sollte sich nicht messbar verändert haben.

Material


  • 5 bis 10 Streichölzer[1]

Sicherheit


  • Mache den Versuch nicht alleine, nur in Anwesenheit von Erwachsenen.
  • Bei einen Unfall sofort Hilfe rufen, etwa über die Nummer 112 ↗
  • Verwende eine Steinunterlage als Schutz für den Tisch.

Durchführung


  • Blase den Luftballon einmal kräftig auf, dass er gut vorgedehnt ist.
  • Nimm 5 bis 10 der bunten Köpfe von Streichhölzern. Knicke oder schneide sie von den Hölzern ab.
  • Lege die Streichholzköpfe unten in ein Reagenzglas.
  • Stülpe dann den Ballon über den offenen Rand des Reagenzglases.
  • Es darf später kein Gas aus Reagenzglas nach außen gelangen.
  • Wiege die Masse der gesamten Anordnung in Gramm, etwa mit einer Balkenwaage ↗
  • Typische Werte liegen zwischen vielleicht 15 bis 30 Gramm, je nach Art des Reagenzglases.
  • Befestige das Reagenzglas so an einem Laborstativ, dass du darunter Feuer machen kannst.
  • Bringe mit einer Flamme von außen die Streichholzköpfe im Inneren des abgeschlossenen Reagenzglases zum brennen.
  • Alternativ kann man die Streichholzköpfe auch mit der Energie der Sonne über ein Brennglas entzünden.
  • Warte bis die Flammen im Inneren ganz erloschen sind.
  • Lege die Anordnung wieder auf die Balkenwaage …

Tipps

  • Bei der Reaktion im Reagenzglas umherfliegende heiße Stücke (Glut-Meteore) brennen von innen oft Löcher in den Ballon. Von etwa 5 Versuchen blieb der Ballon nur einmal dicht. Das kann man irgendwie verbessern.
  • Im Erfolgsfall war der Ballon auch lange Zeit (über eine halbe Stunde) nach der Explosion noch prall gefüllt. Man hat also Zeit, um in Ruhe zu wiegen.
  • Man kann die Zündköpfe im Inneren des Reagenzglases berührungslos von außen mit Streichhölzern, einem Feuerzeug oder auch einem Brennglas (Lupe) zünden. Alles wurde versucht und hat wiederholt gut funktioniert.

Beobachtungen


  • Es dauert etwa mindestens 20 Sekunden, bis die Zündköpfe im Inneren des Glases zünden.
  • Sofort nach Zündung der Streichholzköpfe im Inneren wird das Innere des Glases hell und der Ballon bläht sich sofort bis auf Faustgröße auf.
  • Bleibt der Ballon unbeschädigt, hält er seine pralle fausgroße Form mindestens eine halbe Stunde bei.
  • Die Masse vor und nach der Zündung lag im Bereich von 18 bis 25 Gramm (je nach Reagenzglastyp).
  • Bei unbeschädgtem Ballon nach die Masse um um maximal 0,1 Gramm ab.
  • Die entwichenen Gase hatten einen üblen Geruch, ähnlich wie Sprengschwaden.
  • Das Reagenzglas war innen, vor allem unten, mit einer hartnäckigen Masse überzogen.

Deutung


Am 29. August 2025 hatten wir 10 vom Holzstab abgetrennte Zündköpfe mit einer Gesamtmasse von 0,5 Gramm in ein Reagenzglas gegeben, welches oben mit einem Luftballon abgedichtet war. Die Gesamtmasse war 18,0 Gramm. Wir konnten die Zündköpfe von außerhalb des Reagenzglases mit einem außen abbrennenden Streichholz zünden. Der Ballon blähte sich sofort gut auf. Der Ballon hatte nach der Explosion eine Ausdehnung von etwa 4,5 mal 5,8 Zentimeter. Nach der erfolgreichen Explosion mit aufgeblähtem Ballon wog die gesamte Anordnung 17,9 Gramm.

  • Zündung der Streichholzköpfe von außen durch die Glaswand über ein Streichholz
  • 18,0 Gramm auf der Waage für die gesamte Masse vor der chemischen Reaktion
  • 17.9 Gramm auf der Waage für die gesamte Masse nach der chemischen Reaktion
  • Ballon etwa faustgroß aufgebläht

Die Differenz der Masse vor und nach der Explosion von 0,1 Gramm liegt im Bereich der Messungenauigkeiten der verwendeten elektronischen Waage. Die Streichholzköpfe sind zu Asche verbrannt. Gleichzeitig sind Gase aus der Verbrennung entstanden. Diese neu entstandenen Gase gleichen den Verlust an Masse der vorher festen Streichholzköpfe genau aus. Die gesamte Masse blieb von der Menge her erhalten.

In der Sprache von Wissenschaftlern aus der Zeit von Napoleon, Goethe und Mary Shelley (Autorin des "Frankenstein) klingt der Satz von der Erhaltung der Massen bei chemischen Reaktionen so:


ZITAT:

"[...] nichts wird erzeugt, noch in den Operationen der Kunst, noch in denen der Natur; und man kann als Grundsatz aufstellen, daß in jeder Operation eine gleiche Masse vorhanden ist vor und nach der Operation; daß die Qualität und Quantität der Prinzipien dieselbe ist, und daß es nur Veränderungen, Modifikationen gibt.“[2]


Diese Erkenntnis stammt aus dem 18ten Jahrhundert, etwa aus dem Jahr 1789, dem Beginn der französischen Revolution. Der Entdecker des Gesetzes, Antoine Laurent de Lavoisier war im Jahr 1789 gut 45 Jahre alt. Fünf Jahre später, im Jahr 1794, wurde er in den Wirren der Revolution mit der Guillotine (Fallbeil) enthauptet. Lavoisier hatte in seinem Leben unter anderem gezeigt, dass Wärme kein eigener Stoff ist und dass Sauerstoff wesentlich für Verbrennungen ist. Und Lavoisier gilt heute als der Urheber des Massenerhaltungssatz[es] ↗

Noch zu tun



TO-DO:

Es fehlt noch ein Kontrollversuch: was passiert mit der Gesamtmasse, wenn der Ballon gelöchert? Oder wenn man den Versuch ganz ohne Ballon macht?



TO-DO:

Wie könnte man den Versuch so umgestalten, dass der Ballon nicht mehr durch umherfliegende heiße Teile beschädigt werden kann?



TO-DO:

Könnte man den Versuch auf einer großen Balkenwaage durchführen und zeigen, dass sich die Masse während der Reaktion kein Bißchen verändert?


Fußnoten


  • [1] Heutige Zündköpfe von Streichhölzern bestehen zum Beispiel aus: 60 % Kaliumchlorat, 7 % Schwefel, 4 % Kaliumchromat und 25 % Glasmehl. Der Schwefel ist das sogenannte Reduktionsmittel, das Kaliumchlorat das Oxidationsmittel. Das Glasmehl steuert die Geschwindigkeit des Abbrandes. Siehe auch Streichholz ↗
  • [2] Sigismund Friedrich Hermbstädt: System der antiphlogistischen Chemie, 2. Aufl. 1803, S. 141. Die erste Auflage erschien in Berlin/Stettin 1792. Das ist die Übersetzung von Lavoisiers Traité élémentaire de chimie von 1789. Mehr unter Massenerhaltungssatz ↗