Im Anfangsunterricht fällt oft der Satz: "Chemie befasst sich mit Stoffen, ihren Eigenschaften und deren Veränderung." Dabei wird häufig stillschweigend vorausgesetzt, dass man weiß, was ein Stoff ist. Kinder, aber auch viele Erwachsene, können in der Regel nicht benennen (definieren), was einen Stoff ausmacht. Der Chemieunterricht baut aber auf dem Stoffbegriff auf. Deshalb ist möglichst frühzeitig nötig, nachdem ein Anfangsinteresse an Stoffumwandlungen bei Kindern geweckt ist, eine "Definition" des Begriffes zu geben und experimentell zu festigen.

Definition: »Alle Stoffe besitzen Masse, Platzbedarf und Energie in Form von Wärme.« stoff_didaktik.htm

Die Annahme, dass Luft ein Stoff ist, muss also nachwiesen werden. Dazu muss man entweder den Platzbedarf, die Masse oder die Wärme bestimmen. Hat ein Stoff eine Eigenschaft, so hat er auch die anderen.

Für den Platzbedarf ist der Nachweis einfach (Abbildung nebenstehend).

Um den Platzbedarf zu zeigen benötigt man keine "Apparatur". Ein einfaches Glasrohr reicht aus, um Luft abzutrennen und ihre Anwesenheit bemerkbar zu machen.

Man kann die Natur nämlich nur erkennen, wenn man Unterschiede erkennen kann. Um Luft sichtbar zu machen, benötigt man bereits eine Apparatur. Dazu muss man den naturwissenschaftlichen Regeln zu Folge einen Teil der Luft von der gesamten Luft der Erde abtrennen und auf diesen Teil eine Zwang (Energie) anwenden. Den abgeteilten Teil nennt man System, den Rest Umgebung. Was so verklausuliert klingt, wird in der nebenstehende Apparatur verwirklicht.

In der einseitig offenen Apparatur befindet sich Luft (1/2), die durch eine Sperrflüssigkeit, angefärbtes Wasser (3), von der Außenluft getrennt ist.

Wenn man an der Apparatur das Glühröhrchen (A) in die Wasserfalle (B) drückt, entweicht Luft (1/2) durch das Wasser (3) in der Gaswaschflasche (C) in Form von sichtbaren Blasen. Daraus folgt: Luft ein Stoff, weil sie einen Platzbedarf hat: »Wo ein Stoff ist, kann kein anderer sein.«

Zieht man nun das Glühröhrchen wieder zurück über die Ausgangsstellung hinaus, so steigt eine dem größeren Platzangebot entsprechende Portion Wasser (3) im Einleitungsrohr der Gaswaschflasche (C) zurück über den Gleichstand innen und außen hinweg, ohne wieder abzusinken. »Wo kein Stoff ist, muss einer hin. Es gibt keinen absolut leeren Raum.«

Bild: Handversuch zum Nachweis der Abhängigkeit des Platzbedarfs von Luft von der Temperatur

Mit einem Handversuch kann man zeigen, dass Luft sich beim Erwärmen ausdehnt und beim Abkühlen zusammenzieht. Dazu benötigt man die nebenstehende Apparatur.

»Stoffe können nur miteinander reagieren, wenn sie sich berühren.«

Achtung: Das Erhitzen des Reaktionsrohres (a) mit der darin enthaltenden Luft (1/2) darf nur mit der warmen Hand oder ganz kurz und vorsichtig mit der Sparflamme eines Gasbrenners geschehen. Beim Abkühlen steigt das Sperrwasser (3) zurück und kann unter Umständen bis in das warme (heiße) Reaktionsgefäß gelangen!

Das sollte bei einer sicheren Apparatur unbedingt vermieden werden.

Will man das Gas sehr stark erhitzen, so muss man ein Quarzrohr statt eines Kolbenprobers verwenden. Hierbei besteht die Gefahr, dass das Wasser beim Abkühlen zurücksteigt und es in dem noch glühenden Quarzrohr zu einer explosionsartigen Verdampfung kommen könnte. Daher verkleinert man das Wasservolumen und fügt eine Wasserfalle statt des Verbindungsstücks ein.

Bild: Nachweis der Abhängigkeit des Platzbedarfs von Luft von der Temperatur

Besser ist daher die nebenstehende Apparatur. Hier ist die Luftportion (1/2) durch Verwendung eines kleinen Quarzröhrchens minimiert, so dass man durchaus mit der rauschenden Flamme erhitzen darf. Auch die zurücksteigende Sperrflüssigkeit (3) ist begrenzt auf das Volumen, das in der Wasserfalle (B) problemlos aufgenommen werden kann.

Diese Apparatur ist sicher, auch wenn versehentlich und unbeobachtet der Gasbrenner unter dem Quarzrohr verschoben wird. Die Apparatur wird dann auch so zum Glühen von Marmor verwendet.

»Zwischen Reaktionsräume mit stark unterschiedlichen Reaktionsbedingungen gehört ein Puffervolumen, das groß genug sein muss, um das Berühren der getrennten Stoffe zu verhindern.«

Die Bestimmung der Masse ist daher etwas schwieriger, da Luft scheinbar nichts wiegt. So jedenfalls spürt man auch kein Gewicht auf einer ausgestreckten Hand, auf der die gesamte Luftsäule der Erde ruht.

Es gelingt jedoch, wenn man einen der Kolbenprober mit einem Dreiwegehahn verschließt. Dann wird der Kolben mit viel Kraftaufwand bis auf 60mL herausgezogen und mit einem Nagel vor dem Zurückschnellen blockiert. Nun wiegt man den leeren Kolben und notiert die angezeigte Masse. (Im nebenstehenden Bild mit drei Kolbenprobern ausgeführt, weil die Waage nur eine Auflösung von 1/10g besitzt). Jetzt lässt man Luft in die evakuierten Kolbenprober strömen und bestimmt die Masse erneut. Es ergibt sich für 60 mL Luft eine Massenzunahme für Luft bei Raumtemperatur von ca. 0,07 g.

Die Masse von Luft von 60 mL Luft ist schnell bestimmt, viel mehr Zeit benötigen Schülerinnen und Schüler bei dem gleichzeitigen Kentnissstand im Mathematik laut Lehrplan die Dichte von Luft in Gramm pro Liter umzurechnen!

So kann man die Masse verschiedener Gase (Luft ca. 0,07g/60mL, Kohlenstoffdioxid: ca. 0,11g/60mL, Erdgas: ca.0,04g/60mL) im Anfangsunterricht in Schülerübungen zeigen. Schwieriger als das Experiment ist allerdings für Schülerinnen und Schüler die Umrechnung der Masse auf 1 Liter Gas.