Warum hat die Flamme verschiedene Farben?

Wenn z. B. Natriumchlorid erhitzt wird, so sublimiert ein geringer Teil und wird somit in die Gasphase übergeführt. Die Flammenenergie reicht aus, um aus den NaCl-Molekülen Natrium- und Chloratome zu bilden. Die Natriumatome sind in der Lage weitere Energie aufzunehmen. Es entstehen angeregte Na-Atome. Bei diesen angeregten Na-Atomen ist das Valenzelektron (3s) unter Energieaufnahme in ein höheres Energieniveau überge-gangen. Dieser Zustand hat nur eine mittlere Lebensdauer von etwa 10-9 s. Beim Übergang in den Grundzustand wird die zur Anregung erforderliche Energie abgeben, die der gelben Farbe entspricht (λ = 589 nm).

festes NaCl→gasförmiges NaCl→Na - Atome→angeregte Na-AtomeNaClS→NaClg→Na + Cl→Na*→Na----------------------Energieaufnahme---------------------------→--Energieabgabe--

Die starke gelbe Flammenfärbung von Natrium in Probengemischen oder durch Verunreinigung mit Spuren von Natriumsalzen aus der Luft erschwert das Erkennen anderer Flammenfarben. Man kann die Brennerflamme durch ein blaues Kobaltglas betrachten. Dabei werden die Gelbanteile des Lichts herausgefiltert. Durch Kobaldglas betrachtet erscheinen allerdings auch die charakteristischen Farben der anderen Elemente ein wenig anders.

mit Cobaltglasohne CobaltglasLithiumviolettrotKaliumkarminrotviolettCalciumhellgrünziegelrotStrontiumviolettkarminrotBariumblaugrüngrün

Handspektroskop

Werden die Flammenfärbungen durch ein Handspektroskop betrachtet, so können charakteristische Linien beobachtet werden. Das im Spektroskop enthaltene Prisma beugt die ausgesandten Wellen je nach ihrer Wellenlänge unterschiedlich, sodass einzelne Spektrallinien zu beobachten sind, deren Lage für das entsprechende Element charakteristisch ist (Atomspektroskopie).
Bei der Betrachtung mit dem Spektroskop ist es auch möglich beim Vorliegen von Gemischen die darin enthaltenen Elemente anhand der beobachteten Linien zu identifizieren.

Charakteristische Emissionslinien der Alkali- und Erdalkalimetalle (nm):

Li671Cs458Na589Ca622, 553K768, 404Sr675, 606Rb780, 421Ba524, 514

Das Flammenfotometer
Eine Methode der Atomspektroskopie zur quantitativen Analyse ist die Flammenfotometrie. In klinischen Laboratorien wird z. B. der Gehalt an Natrium, Kalium und Calcium im Blut mit dieser Methode ermittelt. Dabei wird die Probe in die Flamme gebracht und man misst die Intensität der Emission bei einer für das jeweilige Element charakteristischen Linie. Da die Intensität der Emissionen von der Zahl der zur Emission fähigen Atome proportional ist, lässt die Flammenfotometrie quantitative Aussagen über die Zusammensetzung der Probe zu. Zuvor wird mithilfe bekannter Proben kalibriert.

Weitere Flammenfärbungen

Auch andere als die oben genannten Elemente führen zu Flammenfärbungen. Bekannt sind z. B. die Leuchterscheinungen bei Kupferverbindungen (Beilsteinprobe; blaugrün) oder Borverbindungen (grüne Flamme beim Verbrennen des Borsäuretrimethylesters, B(OCH3)3. Hier handelt es sich aber nicht um Atomspektren, die im Handspektroskop diskrete Linien ergeben, sondern um Molekülspektren, die im Spektroskop als farbige Bänder sichtbar werden. Auch diese Verbindungen werden in der Feuerwerkerei genutzt.

Ein Blick durch die Kaminofensichtscheibe offenbart ein orangefarbenes Flammenspiel. Doch Feuer hat mehr Farben, die sich aus bestimmten Prozessen ergeben. Von einigen erfahren Sie in diesem Beitrag.

Das kleine Feuer zum Beobachten – die Kerze

Kaminofen-Feuer hat Temperaturen von gut 1200°C. Da diese im geballten Raum wirken, kann das Beobachten auf Dauer sehr anstrengend sein. Relativ harmlos dagegen ist die Beobachtung von Kerzenlicht. Zwar wird für den Kaminofen kein Kerzenwachs wie Paraffin verwendet, doch  laufen viele Prozesse wie beim Kamin- oder Lagerfeuer ab.

Brennstoff Kohlenstoff

Kerzenwachs besteht wie Holz auch aus Kohlenstoff und Wasserstoff. Kohlenstoff (C) ist das ideale Brennmaterial für Feuer. In Verbindung mit Sauerstoff wird Energie freigesetzt, die in Wärmeenergie und Licht umgewandelt wird. Es entstehen Kohlenstoffdioxid (CO2) und Kohlenmonoxid (CO, giftig). Kerzenlicht ist ein Produkt aus Licht und Wärmeenergie. Beide Energien bestehen aus elektromagnetischen Wellen. Anhand des sichtbaren Lichtes lassen sich die unterschiedlichen Wärmezonen (Temperaturen) analysieren, die beim Kerzenlicht entstehen. Hierbei spielt die Sauerstoffzufuhr eine große Rolle. Denn je höher der Sauerstoff-Gehalt ist, umso heißer ist das Kerzenlicht. Der äußere Rand stellt daher die heißeste Zone dar.

Die Farben eines Kerzenlichtes

Bei einer Kerze steigt die Temperatur vom Docht aus an. Während die heißeste Zone (äußerer Kerzenschein) bei 1500°C liegen kann, liegt die Zone, in der die Wachsdämpfe aufsteigen, bei etwa 600°C. Zu erkennen ist diese Zone an einer dunklen, bräunlichen Färbung. Dieser Bereich verfügt über viel Brennstoff, aber wenig Sauerstoff.

Ummantelt wird die dunkle Zone von der bläulich schimmernden Zone. Hier finden chemische Reaktionen statt, die in einem blauen bis violetten Licht erscheinen. Man spricht dabei von der Chemolumineszenz: Elektromagnetische Strahlung emittiert durch chemische Reaktion (unter Einfluss von Sauerstoff) zu Licht. Mit chemische Reaktion ist das Aufspalten und Miteinderneuverbinden der einzelnen Moleküle aus den Wachsdämpfen gemeint. Dies sollte nicht verglichen werden mit dem durch eine entsprechend hohe Temperatur entstehendem bläulich leuchtenden Licht. Dem Farbspektrum des Lichts folgend, müssten in der Kerze ansonsten Temperaturen von mindestens 10000 K herrschen, das sind etwa 9726,85 °C, siehe Wikipedia-Beitrag zur Farbtemperatur.

Die meisten organischen Bestandteile verbrennen oder vergasen bei unter 600°C.  Kohlenstoff jedoch wird unter ungenügender Luftzufuhr (zu wenig Sauerstoff) zu Ruß (unverbranntem Kohlenstoff). In der Zone, in der die organischen Bestandteile vergasen, bildet sich Ruß. Sie erkennen diese Zone an der Farbe orange-rot.

Die unmittelbar anschließende orange-gelbe Färbung ist das Ergebnis von verglühenden Rußpartikeln. Temperaturen zwischen mehr als 1200°C bis 1400°C herrschen hier.

Exkurs: Kerze als Infrarotsender

Dass die Kerze für uns warm ist, liegt übrigens an der abgegebenen Infrarot-Strahlung, jenen elektromagnetischen Wellen, die wir nicht als (sichtbares) Licht, sondern als Wärme wahrnehmen. Die Kerze als Sender von elektromagnetischen Wellen respektive Infrarotstrahlen lässt sich einfach testen, insofern Sie eine Wii-Spielkonsole zuhause haben. Kappen Sie die Verbindung zwischen Wii und Sensorleiste (Infrarotsender) und ersetzen Sie die Funktion der Leiste durch 2 brennende Teelichter. Der Abstand sollte etwa die Länge der Sensorleiste aufweisen: ca. 24 cm. Schalten Sie die Wii ein und entzünden Sie die Kerzen. Die abgegebene Infrarotstrahlung reicht aus, um den Cursor über den Bildschirm führen zu können, die Grund-Funktion der Sensorleiste.

Exkurs: Farbtemperatur vs. gefühlte Temperatur

Folgt man dem Spektrum des Lichtes, besitzt sichtbares Licht bei einer hohen Temperatur eine weiße bis blaue Farbe. Alles darüber hinaus ist für das menschliche Auge nicht sichtbar. Eine orange-rote Färbung besitzt demzufolge Licht mit einer niedrigeren Temperatur. Dennoch sehen wir orange-rotes Licht als besonders warm an, während wir blaue Wände und weiße Räume als besonders kalt wahrnehmen. Psychologen sprechen hier von assoziativer Wahrnehmung. Feuer sieht im größten Farbbereich orange-rot aus und mit Feuer wird Wärme assoziiert. Blau ist Wasser, was wir mit Erfrischung in Verbindung bringen. Weiß ist der Schnee und das Eis, ebenfalls ein Beispiel für Kühle und Kälte.

Was Farben im Kaminfeuer verraten

Analog zum Kerzenlicht lässt sich das Wissen nun auf den Verbrennungsprozess im Kaminfeuer übertragen.

Eine vorwiegend orangefarbene bis gelbe Flamme deutet auf viele glühende Rußpartikel hin.

Haben Sie ein Kaminfeuer mit vorwiegend roter Farbe, ist dies ein Zeichen für eine niedrigere Brenntemperatur, als anzuraten wäre. Sie sollten daher Sauerstoff zuführen. Bei einem raumluftunabhängigen Kaminofen können Sie externe Verbrennungsluft zuströmen lassen.

Bei einem raumluftabhängigen Kaminofen muss die Frischluft über ein geöffnetes Fenster oder den Raumluftverbund erfolgen.

Mit Raumluftverbund ist das Verbinden von Räumen gemeint, die die Feuerstätte mit Verbrennungsluft versorgen sollen. Verbinden lassen sich Räume, indem Sie die Zugänge (Türen, Wände) mit Zuluftgitter versehen. Durch die Gitter kann Luft aus diesen Räumen als Verbrennungsluft nachströmen. Alternativ können Sie auch Ihre zugehörigen Türen kürzen, um durch den entstandenen Spalt die Raumluft in den Aufstellraum nachströmen zu lassen. Idealerweise sollte das Gesamtvolumen etwa 4 m3 pro kW-Nennwärmeleistung entsprechen.

Ohne ausreichenden Raumluftverbund bleibt Ihnen nur das Fenster. Befürchten Sie jedoch, dass die Außentemperatur den Aufstellraum zu schnell wieder abkühlt, lassen Sie den Kaminofen auskühlen und sorgen Sie vor dem nächsten Betrieb für mehr Frischluft durch zuvor geöffnete Fenster. Versuchen Sie nicht, den Ofen bei roter Flamme wieder anzuheizen, indem Sie mehr Brennmaterial hinzufügen. Bedenken Sie: Nicht das Brennmaterial fehlt, sondern Sauerstoff für den Brennprozess.

Ist die Farbe eher bläulich, verfügt der Verbrennungsprozess über zu viel Sauerstoff und eine zu hohe Verbrennungstemperatur. Reduzieren Sie die Temperatur durch die Drosselklappe ein wenig und schließen Sie, falls vorhanden, die externe Luftzufuhr. Allerdings kann die blaue Flamme auch am gewählten Brennholz liegen. Beispielsweise wird durch das Verbrennen von Birkenholz das Flammenbild bläulich. Ursache sind die ätherischen Öle im Birkenholz. Sehen Sie über der Glut einen bläulichen Schimmer, kann es sich ebenso um die sogenannte Kohlenmonoxid-Flamme handeln. Kohlenstoffmonoxid verbrennt zu Kohlenstoffdioxid, das heißt, es verbindet sich mit Sauerstoff zu CO2. In diesem Stadium wirkt es bläulich.

Neben der Temperatur wird die Flammenfarbe somit auch durch die im Brennprozess involvierten Stoffe bestimmt. Die Wissenschaft macht sich dies zunutze, um chemische Elemente eindeutig zu identifizieren. Man spricht hierbei von der Flammprobe. Eine stark gelbe Färbung deutet auf sehr viel verbrennendes Natrium hin. Dieses Salz finden Sie in höherer Konzentration auch auf natürliche Weise im verrottenden Holz. Bei einer violetten Färbung verbrennt viel Kalium. Die Farbe der Flammen lässt sich durch das Zuführen der entsprechenden Salze oder anderer chemischer Elemente intensivieren. Auf diese Weise kann aus einem goldgelben ein blaugrünes oder knallrotes Lagerfeuer werden. Unter Begriffen wie „buntes Feuer“ oder „farbiges Feuer“ werden Sie fündig.

Hinweis

Da es sich hierbei um gezielt provozierte chemische Reaktionen handelt, sollte die Verwendung jedoch nicht ohne fachmännische Anweisungen erfolgen.

Goldgelb statt rotgelb

In vielen Kaminöfen züngeln rotgelbe Flammen. Da Rot gleichbedeutend sein kann mit Sauerstoffmangel, wäre hier eine Sauerstoffzugabe zu empfehlen. Färbt sich Ihr Kaminfeuer allmählich goldgelb, wurde in Ihrem Ofen ein Brennprozess erreicht, der die wenigsten Schadstoffe verursacht. Selbst das Goldgelb ließe sich noch einmal unterscheiden. Bei einem kräftigen goldgelben Feuer werden mehr Schadstoffe emittiert als bei einem leichten Goldgelb. Die optimale Menge an Brennmaterial und Sauerstoff bescheren Ihnen eine goldgelbe Flamme.

Warum hat Feuer unterschiedliche Farben?

Warum ist die Flamme unten blau?

Was macht eine Flamme Lila?

Warum ist eine Flamme grün?