Rezension: Quantenphysik für Babys - Chris Ferries Baby-Universität für die Allerkleinsten?

Das ist ein Ball…

Das ist ein Ball...auch der Anfang jedes Bandes der Baby-Universität

So beginnt auch bei Chris Ferrie jede Reise in die Welt der Wissenschaft an dem einen festen Ausgangpunkt in der Alltagswelt von Kindern. Und dieser Ball wird in jedem Band seiner Bilderbuchreihe über MINT mit mehr oder weniger abstrakten Eigenschaften versehen.

Inspiriert von seinen eigenen vier Kindern möchte der preisgekrönte Physiker schon die Jüngsten mit der spannenden Welt der Naturwissenschaften vertraut machen. Mit robusten Papp-Bilderbüchern, die man getrost auch Kleinstkindern zum Spielen in die Hände geben kann.

Im Internet-Zeitalter, in welchem sich Fehlinformationen aufgrund mangelhafter oder fehlender Vertrautheit mit naturwissenschaftlichen Grundlagen wie Seuchen verbreiten, scheint es nur zu verlockend, Kinder schon möglichst früh mit solchen Inhalten vertraut zu machen, damit ihnen das spätere Lernen auf diesem Gebiet möglichst leicht fällt.

Aber abstrakte Konzepte wie Quantenphysik, Relativitätstheorie, Evolution und Raketenwissenschaft, mit welchen schon wir Grossen zuweilen Mühe haben, für Kleinkinder? Können die mit solchen Inhalten überhaupt schon etwas anfangen? Mein Bauchgefühl – und ich bin immerhin schon seit dem siebten Lebensjahr mit dem Atommodell vertraut (der “Atommaus” nach dem Tschnernobyl-Unglück sei Dank) – war ja von Beginn weg ein wenig skeptisch eingestellt.

Dieser Artikel enthält Affiliate-Links aus dem Affilinet-Partnerprogramm des Orell-Füssli-Verlags (gekennzeichnet mit (*) – (*) ) – euch kosten sie nichts, mir bringen sie vielleicht etwas für meine Arbeit ein. Ich habe für diese Rezension vom Loewe-Verlag ein Rezensionsexemplar des Buches und digitale Druckfahnen der weiteren drei Bände erhalten. Herzlichen Dank dafür! Es besteht kein Interessenkonflikt hinsichtlich des Inhalts in diesem Beitrag und dessen Publikation.

Mystische Naturwissenschaften – wirklich so komplex?

Dabei lassen sich die grundlegenden Inhalte der Physik, Chemie und Biologie tatsächlich in einer Weise vereinfachen, die sie wunderbar begreifbar macht, ohne dass sie der Sache in unhaltbarer Weise Abbruch tun. Das haben Modelle so an sich: Sie stellen die Wirklichkeit vereinfacht da, indem sie (nur) genau darin detailreich sind, was man für sein Ansinnen gerade braucht. Und im Verwenden von Modellen sind Physiker (und Chemiker) ja Weltmeister.

Ob als Elektron, massereicher Stern oder fortpflanzungsfähiges Wesen, der Ball erhält bei Chris Ferrie in jedem Band neue Eigenschaften, die tatsächlich nicht immer greifbar – aber mit etwas Geschick erklärbar sind.

Erklärfähigkeit der Eltern und Erzieher ist gefragt

Beispiel “Quantenphysik”: Hier ist diese neue Eigenschaft Energie, dargestellt durch ein sonnenähnliches Leuchten um den Ball. Aber was ist eigentlich Energie? Diese nicht ganz einfache Frage zu beantworten, bleibt den Grossen überlassen, die dieses Buch vorlesen.

Wenn ihr die Antwort nun ganz genau wissen möchtet, findet ihr sie in meinem preisgekrönten Beitrag hier.


Für die schnelle Version ist hier mein Vorschlag für eine Antwort an die Jungforscher

Die Energie ist die Fähigkeit eines Gegenstandes, etwas – auch sich selbst – zu bewegen.

Legt einen realen Ball auf den Schrank: Der hat Energie. Denn: Wenn ihr ihn nur ein wenig anschubst und über die Kante rollt, fällt der Ball runter und hüpft oder rollt davon. Er bewegt sich (und wenn er dabei irgendetwas umschmeisst, bewegt er sogar noch etwas anderes)!

Und wenn er schliesslich liegen bleibt, hat er weniger Energie (wenn ihr im Obergeschoss wohnt und das Kind auf die Idee kommt, den Ball anschliessend vom Balkon oder die Treppe hinunter zu befördern, ist das schnell klar: Es gibt noch ein “Darunter” und damit die Möglichkeit, noch weniger Energie zu haben).


Die Lageenergie lässt sich nicht nur einfach zeigen, sie passt auch zum folgenden Inhalt des Buches.

Bedauerliche Lücke: Atommodell

Der nächste Gedankenschritt gerät leider etwas weit: Bälle bestehen aus Atomen.

Das Bild zu diesem Satz zeigt vor dem Ball eine stilisierte Lupe mit der Darstellung eines Atoms samt Kernteilchen und Elektronenbahnen. Auch diese Seite fordert zusätzliche Erklärung seitens der “Grossen” heraus. Dabei hätte das Atommodell (bzw. das Schalenmodell) durchaus einen eigenen Band in dieser Reihe verdient.

Ich glaubte erst daran, dass bei der Übersetzung von zunächst nur vier Bänden aus der viel längeren Reihe eine unglückliche Auswahl getroffen wurde – aber einen Band zum Atommodell gibt es auch im Original leider (noch?) nicht.

Und das, obwohl die “Sendung mit der Maus” schon Ende der 1980er Jahre in der “Atommaus” vormacht, wie man den Jüngsten Atome nahebringen kann (hat bei mir ja bestens funktioniert).


Mein Vorschlag zur Erläuterung auf Grundlage der Atommaus

Eure Frage an das Kind: Was passiert, wenn du einen Klumpen Spielknete (Plätzchenteig, einen Apfel, ein Stück Holz,…) in zwei Hälften teilst? Das gibt zwei kleine Klumpen. Und wenn du die nochmal teilst? Zwei noch kleinere Klumpen. Und dann nochmal…? Die Klumpen werden immer kleiner. Irgendwann sind sie so klein, dass wir sie nicht mehr sehen können (zumindest nicht ohne Mikroskop). Und dann sind sie schliesslich so winzig klein, dass sie sich nicht weiter teilen lassen:

Diese winzigkleinsten, unteilbaren Teilchen haben die Forscher Atome (= die Unteilbaren) genannt. Alle Stoffe bestehen aus winzigkleinsten, unteilbaren Atomen (auch der Ball). Zumindest glaubten die Forscher lange Zeit, dass die Atome unteilbar wären. Aber dann haben sie herausgefunden, dass man die Atome doch zerteilen kann – und dann erhält man noch winzigere Teilchen.


Elementarteilchen als Bälle

Hier steigt nun das Buch wieder ein: Im Atom gibt es Neutronen, Protonen und Elektronen, dargestellt als violette, rote und grüne “Bälle”.

Für die folgenden Erklärungen hätte man theoretisch auf die Kernteilchen verzichten können, insbesondere, da das dargestellte Beispielatom nicht den Grundregeln der Schulchemie entspricht. Die Anzahl Protonen entspricht nämlich nicht der Elektronenanzahl in der Hülle – und wenn es das so dargestellte Helium- -Ion geben sollte, ist das ein überaus kurzlebiger Teilchen-Exot. Als pedantischer Chemie-Didaktikerin hätte ich hier lieber ein ordentliches Lithium-Atom mit drei Protonen (und meinetwegen zu wenigen Neutronen) gesehen.

Genial einfach: Was eigentlich Quanten sind

Der Erklärung des Begriffs der “Quanten” tut dieser Schnitzer jedoch keinen Abbruch. Im folgenden wird nämlich korrekt gezeigt: Ein Elektron kann auf jeder der Schalen/Umlaufbahnen in der Atomhülle zu fnden sein, aber nicht zwischen diesen Schalen oder im Atomkern. Und je weiter “oben” bzw. aussen sich ein Elektron befindet, desto mehr Energie hat es. Womit wir wieder beim Ball auf dem Schrank aus meiner ersten Ergänzung sind.

Und daraus folgt die Quintessenz aller Quantenphysik – und der dritte erklärungsbedürftige Satz im Buch: “Die Energie ist quantisiert.”


Das heisst: Die Energie der Elektronen kann nur ganz bestimmte, nicht aneinander angrenzende Werte annehmen. Erst mit dieser Erläuterung wird klar, dass auch die Energiemengen, welche die Elektronen zum Wechsel zwischen den Schalen/Bahnen aufnehmen oder abgeben, nur ganz bestimmte Grössen haben können. Und diese ganz bestimmten Energiemengen bezeichnet man eben als Quanten.


Und das ist alles. Das ist tatsächlich das ganze Geheimnis um den mystischen Begriff “Quanten”.

Und was bringt das Ganze den Kindern?

Dass diese Energiequanten und Materieteilchen einander zum Verwechseln ähnlich sind und allerlei für uns schwerlich zu begreifende Eigenschaften haben, bleibt in diesem Buch aussen vor. Darauf einzugehen ist für den ersten Anfang auch nicht nötig.

Denn allein mit dem Inhalt dieses Bandes (und den allenfalls nötigen Erläuterungen dazu) lassen sich einige beliebte Kinderfragen beantworten, die viele Grosse schnell in Erklärungsnot bringen: Was sind Farben? Warum ist der Ball blau? Warum leuchten die Sterne an meiner Wand im Dunkeln? Was bringt unsichtbare Tinte im Schwarzlicht zum Leuchten?

Die einzig nötige Zutat zur “Quantenphysik für Babys” für die Antwort auf solche Fragen ist: Die Energie, welche die Elektronen zum Springen aufnehmen, ist Licht (womit dann – nebenbei – auch das Licht quantisiert ist).

Die detaillierten Antworten findet ihr hier in Keinsteins Kiste

Für die Farben: “Farben, Licht und Glanz- Warum die Welt uns bunt erscheint

(Kurz: Weisses Licht besteht aus vielen verschiedenen Sorten farbigen Lichtes. Die Elektronen nehmen zum Springen ganz bestimmte Farben auf. Die anderen Farben bleiben übrig, kehren zum Auge zurück..und erscheinen so “allein” nicht mehr weiss, sondern farbig.)

Für die Leuchtsterne und das Schwarzlicht: “Kürbis und kaltes Feuer

(Kurz: In den Leuchtsternen lassen sich die Elektronen Zeit mit dem Herunterfallen. Das aufgenommene Licht aus der Lampe kommt einfach erst später wieder zurück (nach dem Ausschalten des Lichtes). Die Schwarzlichtlampe sendet Licht mit besonders hoher Energie aus, das für unsere Augen unsichtbar ist (UV-Licht). Die Elektronen, die dieses Licht aufnehmen, fallen über mehrere Stufen wieder runter und geben dabei kleinere und sichtbare Energieportionen – Quanten – wieder ab.)

Für welche Zielgruppe ist die Baby-Universität geeignet?

In der Austellung “Die Entdeckung der Welt” habe ich vor ein paar Tagen wiederentdeckt, was mir schon aus der Entwicklungspsychologie an der Uni hängengeblieben war: In den allerersten Lebensjahren sind Kinder damit beschäftigt, ihre Sinne auszubilden, Motorik, Sprachfertigkeiten und sozialen Umgang zu lernen. Zum Begreifen abstrakter Konzepte sind Kleinkindergehirne nach der Meinung vieler Psychologen noch gar nicht fähig.

Die Krux bei all diesen Entwicklungsmodellen ist aber: Kein Kind ist wie das andere. Deshalb sehe ich Altersangaben gerade für Spielsachen und Fördermittel in den ersten Lebensjahren nur als grobe Richtlinie an.

Das Interesse muss vom Kind kommen

Bezüglich dieser Buchserie haben der Autor/Verlag und ich selbst es mehrfach angedeutet: “Reif” für die Baby-Universität sind die Kinder dann, wenn sie zu fragen beginnen. “Warum sind die Dinge bunt?” und “Papa, was machst du eigentlich bei der Arbeit?” können da gleichermassen ein passender Einstieg sein.

Zu meiner Zeit gab es solche Bilderbücher noch nicht. Da redete sich mein Physiker-Vater – eigentlich als Meister der Erklärung bekannt – gerne mit “Ich muss noch etwas messen” heraus, wenn wir ihn fragten, warum er zu Unzeiten nochmal in die Uni fahren musste. Die Gedanken an Mamas Küchenwaage oder ihr Schneidermassband waren zweifellos nicht sonderlich aufregend – und die Vorstellung “Physiker messen Dinge” auch nicht. Warum also nicht den Versuch wagen, etwas weiter zu gehen, wenn das Interesse da ist?

Wenn Kinder beginnen, entsprechende Fragen nach der “Natur” ihrer Umgebung zu stellen, kann die Baby-Universität ein nützliches Hilfsmittel sein, um diese zu beantworten und Lust auf mehr MINT zu wecken. Dazu ist allerdings unumgänglich, dass auch die “Grossen”, die den Nachwuchs beim Erkunden der Bücher begleiten, eine grundlegende Vorstellung von den naturwissenschaftlichen Zusammenhängen haben, um das Gezeigte treffend erläutern zu können.

Schaut euch also die Bücher an, bevor ihr sie euren Kindern gebt, und frischt eure eigenen Kenntnisse anhand der Inhalte noch einmal auf!

Und wann beginnen Kinder zu fragen?

Wann Kinder beginnen, die entscheidenden Fragen zu stellen, ist allerdings von Kind zu Kind verschieden. Deshalb möchte ich auch weder die Altersempfehlung des Verlags (ab 2 Jahren) bewerten noch eine eigene abgeben. Die Aufmachung der Reihe als Baby-Bilderbücher gibt in meinen Augen allenfalls das Signal: Es gibt keine Altersbegrenzung nach unten. Legt los, sobald die Fragen kommen – egal, wann sie kommen. Ein “Dafür bist du noch zu klein” als Antwort gibt es bei Chris Ferrie nicht.

Gezielte Frühförderung?

Wer hingegen glaubt, ein (auch vermeintlich hochbegabtes) Kind mit der Bereitstellung solcher Inhalte gezielt in naturwissenschaftlicher Richtung fördern zu können – ohne dass das Kind von sich aus zu fragen beginnt, ist auf dem Holzweg.

Nicht nur, dass die Entwicklungsgeschwindigkeit des einzelnen Kindes in den ersten (vier) Lebensjahren so stark schwankt, dass es noch gar nicht möglich ist, Aussagen über eine allfällige überdurchschnittliche Begabung zu treffen. Das Kleinkind-Gehirn ist zudem mit “greifbaren” Lerninhalten vollauf beschäftigt und muss erst lernen, Vorstellungen – wie sie für den Umgang mit Modellen nötig sind – zu entwickeln.

Wann es beginnt, sich Dinge vorzustellen und den Wortschatz entwickelt, um solche Vorstellungen zu besprechen, zeigt das Kind selbst – indem es die entsprechenden Fragen stellt.

Nebenzielgruppe: Erwachsene Forscher mit Humor

Als weitere mögliche Leser für die Baby-Universität nennt der Loewe-Verlag erwachsene Beschenkte, die eine Gabe mit Augenzwinkern zu schätzen wissen. Warum also nicht den grossen Forschern zur Mutter- oder Vaterschaft das Buch zum eigenen Fachgebiet überreichen? Vielleicht wird es in Zukunft ja noch richtig nützlich, wenn die “Mama/Papa, was machst du bei der Arbeit?”-Frage kommt.

Weitere in Deutsch verfügbare Bände der Baby-Universität

  • “Raketenwissenschaft für Babys” – Nicht nur wie Raketen funktionieren, sondern auch wie Flugzeuge fliegen wird hier grundlegend erklärt.
  • “Evolution für Babys” – Sich fortpflanzende Bälle passen sich einem Selektionsdruck an: Die Grundlage für eine wissenschaftliche Antwort auf die Frage, wie die Menschen entstanden sind.
  • “Allgemeine Relativitätstheorie für Babys”: Ganz aktuell zur ersten Fotoaufnahme: “Was ist ein schwarzes Loch?” – Ein extrem gewichtiger Ball sorgt für gekrümmte Raumzeit.

Eckdaten zu den Büchern

Chris Ferrie

(*) Quantenphysik für Babys (*)
ISBN 978-3-7432-0372-3

(*) Raketenwissenschaft für Babys (*)
ISBN 978-3-7432-0370-9

(*) Evolution für Babys (*)
ISBN 978-3-7432-0371-6

(*) Allgemeine Relativitätstheorie für Babys (*)
ISBN 978-3-7432-0373-0

Loewe Verlag GmbH, Bindlach, 2019

Pappe mit Spotlack 20x20cm, 26 Seiten
jeder Band €9,95 / CHF 15,90

Fazit

Wenngleich die “Baby-Universität” nicht aus Babys Quantenphysiker machen kann, bietet sie doch einen altersunabhängigen Einstieg in die wundersame Welt der Naturwissenschaften – wenngleich mit einer aus Chemikersicht schmerzlichen Lücke (das Atommodell).

Die dargestellten Konzepte sind in erstaunlicher Weise einfach, erfordern in meinen Augen aber Erläuterungen seitens der vorlesenden Grossen (die sich – wenn nötig – entsprechende Grundkenntnisse aneignen sollten).

Die Papp-Bilderbücher der “Baby-Universität” sind ein praktisches Hilfsmittel, um erste Antworten auf herausfordernde Kinderfragen zu finden: Warum sind die Dinge bunt? Was ist ein schwarzes Loch? Was machst du bei der Arbeit? Gezielt initiieren lassen sich solche Fragen bzw. Gedankengänge in meinen Augen jedoch nicht.

Überdies mögen sich die Bilderbücher als humorvolles Geschenk – zum Beispiel zur Mutter- oder Vaterschaft forschender Freunde und Verwandte eignen.

Und wann seid ihr das erste Mal mit Konzepten wie einem Atommodell, der Quantenphysik oder schwarzen Löchern in Kontakt gekommen? Wie geschah das? Und wie würdet ihr Bilderbücher zu solchen Themen zum Einsatz bringen?

Es ist Frühling – eine wunderbare Zeit für Experimente, für die man etwas Platz braucht. Deshalb habe ich heute für euch ein lustiges wie lehrreiches Spektakel für Balkon und Terrasse (oder auch für drinnen): Die Elefantenzahnpasta!

Das bekannte Experiment zeigt eine weitere wichtige Fähigkeit (die Gärung könnt ihr ja hier erforschen), die nicht nur Hefezellen, sondern auch unsere Zellen haben: Die Fähigkeit, sich vor Oxidationsmitteln zu schützen. Und da dabei eine Menge Gas entsteht, kann man diese Fähigkeit für dieses spassige Experiment nutzen.

Ihr braucht dazu

  • Hefe: am einfachsten geht das Experiment mit Trockenhefe
  • ein Gefäss mit schmaler Öffnung: z.B. eine 0,5l PET-Flasche oder ein Reagenzglas
  • etwas warmes Wasser (lauwarm, wie Hefe es gern hat)
  • etwas Geschirrspülmittel
  • ein Oxidationsmittel: Wasserstoffperoxid, als Lösung (3 – 6%) aus der Apotheke/Drogerie
  • Optional: Lebensmittelfarbe
  • Einen Trichter, der auf das schmale Gefäss passt
  • Schutzbrille, ggfs. Labormantel/Malschürze
  • Ein Backblech oder Tablett als Unterlage
Wasserstoffperoxid, Trockenhefe, Spülmittel, Lebensmittelfarbe, Reagenzglas, Schutzbrille, Trichter - das braucht ihr für die Elefantenzahnpasta!

So geht’s

  • Rührt die Trockenhefe in das warme Wasser ein, bis es keine Klumpen mehr gibt.
  • Füllt Wasserstoffperoxid in das schmale Gefäss (bis es zu ca. einem Fünftel (mit 6% H2O2) bzw. zwei Fünftel (mit 3% H2O2) gefüllt ist – verwendet dazu den Trichter!) und mischt Lebensmittelfarbe und einen Schuss Spülmittel hinein.
  • Stellt das Gefäss in das Backblech.
  • Giesst das Hefewasser schnell in das Gefäss und tretet zurück! Die Reaktion beginnt sofort!
Wasserstoffperoxid ist mit roter Farbe und Spülmittel gemischt, die Hefe in Wasser suspendiert
Alles parat: Rechts im Reagenzglas Wasserstoffperoxid-Lösung (Drogisten benutzen gerne lateinisierte Stoffnamen – hier “Hydrogenii peroxidum” , die schonmal zu Kommunikationsschwierigkeiten mit einkaufenden Chemikern führen) mit roter Lebensmittelfarbe und Spülmittel. Links ein Teelöffel Trockenhefe in Wasser. Nun das Linke in das Rechte giessen und los gehts!

Was ihr beobachten könnt

Die Mischung beginnt sofort zu sprudeln und heftig zu schäumen. Wie ein Zahnpastastrang quillt der Schaum aus der Gefässöffnung und ergiesst/schlängelt sich auf dem Backblech aussen herum.

Elefantenzahnpasta quillt aus dem Reagenzglas!
Zahnpasta für Zwergelefanten: Einem der Chemiker-Grundsätze – so viel wie nötig, so wenig wie möglich – zuliebe habe ich den kleinen Massstab im Reagenzglas gewählt. Zudem hatte “meine” Drogerie gerade nur 3% H2O2-Lösung vorrätig – mit 6% käme wohl noch mehr Schaum heraus. Im Übrigen: Ein guter Drogist oder Apotheker fragt nach, was ihr mit der Lösung vorhabt. Nicht irritieren lassen und ehrlich sein – sie geben sie dann schon heraus!

Sicherheitshinweise

Auch wenn sie gerne so genannt wird: Die “Elefantenzahnpasta” eignet sich nicht zum Zähneputzen! Nehmt sie also nicht in den Mund!

Wasserstoffperoxid wirkt ätzend auf Haut und Schleimhäute (die typischen weissen Verletzungen werden manchmal erst verzögert sichtbar und tun manchmal auch dann erst weh). Wenn euch etwas von der Lösung auf die Haut gerät, spült es gründlich mit fliessendem Wasser ab. Sollte euch trotz aller Vorsicht etwas ins Auge spritzen, spült das Auge sehr gründlich mit fliessendem Wasser aus (10 Minuten lang ist Labor-Standard!) und geht bei Beschwerden zum Augenarzt!

Ausserdem kann Wasserstoffperoxid farbige Textilien bleichen. Der Labormantel bzw. die Malschürze soll eure Kleider davor schützen.

Die “Zahnpasta” selbst enthält kaum bis kein Wasserstoffperoxid mehr und kann daher gefahrlos angefasst werden.

Entsorgung

Die “Zahnpasta” und Reste im Reaktionsbehälter können mit viel Wasser in den Abfluss entsorgt werden. Übrige Wasserstoffperoxidlösung könnt ihr im dicht schliessenden Originalbehälter in einem dunklen Schrank aufbewahren und später für weitere Experimente verwenden.


Was passiert da – Wie entsteht die Elefantenzahnpasta?

Wasserstoffperoxid – H2O2 – ist eine recht instabile Verbindung. Unter alltäglichen Bedingungen ohne Reaktionspartner zerfällt es sehr langsam in Wasser und Sauerstoff:

2H_{2}O_{2}\rightarrow 2H_{2}O+O_{2}

Kommt Wasserstoffperoxid allerdings mit anderen Stoffen in Berührung, oxidiert es die meisten davon. Das gilt insbesondere für die Bestandteile von Lebewesen. Deshalb solltet ihr bei diesem Experiment Schutzbrille und -kleidung tragen!

Schutz vor Oxidation durch Aufräum-Enzyme

Wenn die Zellen sauerstoffatmender Lebewesen (Menschen, Tiere, Hefepilze,…) Energie aus Sauerstoff gewinnen, kann in ihnen jedoch H2O2 als unerwünschtes Nebenprodukt entstehen (so ausgeklügelt die Reaktionswege sind, fehlerfrei laufen sie noch lange nicht). Damit dieses Wasserstoffperoxid nicht wild herumoxidiert, haben die Zellen ein Aufräumkommando, das durch Fehler entstehendes H2O2 schnellstmöglich aus der Welt schafft.

Dabei handelt es sich um Enzyme mit dem Namen Katalase. Das sind Proteine, die die natürliche Zersetzung von Wasserstoffperoxid in Wasser und Sauerstoff um ein Vielfaches beschleunigen – indem sie den Ablauf der Reaktion erheblich erleichtern.

Ein Biokatalysator erleichtert den Reaktionsablauf

Denn Reaktionen laufen dann leichter ab, wenn weniger Energie nötig ist, um sie zu starten. Ein Stoff, der eine Reaktion beschleunigen kann (ohne selbst abzureagieren), indem er die zum Start der Reaktion nötige Aktivierungsenergie verringern kann, wird Katalysator genannt.

Im Auto ist der Katalysator eine Metalloberfläche, an welcher giftige Abgase zu weniger giftigen Stoffen reagieren (mehr dazu findet ihr hier). In Lebewesen heissen die Katalysatoren Enzyme. Enzyme sind also Proteine, die Reaktionen erleichtern und damit beschleunigen. Die Katalasen gehören unter diesen zu den schnellsten Enzymen überhaupt: Ein einziges Katalase-Molekül schätzungsweise bis zu 10 Millionen H2O2-Moleküle in der Sekunde umsetzen! Das hat zur Folge, dass die Geschwindigkeit des Wasserstoffperoxid-Abbaus mit Katalase praktisch nur davon abhängt, wie viel H2O2 das Enzym in gegebener Zeit “zu fassen” bekommt.

Gasentwicklung dank Katalase

Damit ist die Katalase bestens geeignet, um durch Fehler in anderen Reaktionsabläufen entstehendes Wasserstoffperoxid sofort wieder verschwinden zu lassen – oder um aus Wasserstoffperoxid, das von aussen eindringt, in kürzester Zeit grosse Mengen Sauerstoff-Gas freizusetzen.

Wenn wir unsere Hefe durch Mischen mit Wasserstoffperoxid-Lösung (relativ) grossen Mengen H2O2 aussetzen, stürmen diese kleinen Moleküle die Hefezellen und werden dort postwendend zu Wasser und Sauerstoff-Gas umgesetzt. Sollten die Zellen dabei platzen oder ihre Aussenwände kaputt oxidiert werden, kommt die Katalase zudem direkt mit der Wasserstoffperoxid-Lösung in Berührung und das Gas entsteht noch schneller.

Nun brauchen gasförmige Stoffe ein Vielfaches mehr an Platz als flüssige Stoffe aus den gleichen Teilchen, sodass sich das Sauerstoff-Gas sehr schnell ausdehnt. Da unser Gemisch aber Seife enthält, werden die entstehenden Sauerstoffportionen in winzige Seifenbläschen eingeschlossen (über diese und andere Superkräfte von Seife könnt ihr hier nachlesen): Es entsteht Schaum.

Elefantenzahnpasta von Nahem gesehen: Die Schaumbläschen sind erkennbar.
Wenn ihr euch die “Elefantenzahnpasta” ganz aus der Nähe anschaut, könnt ihr die kleinen Schaumbläschen erkennen.

Und dieser Schaum, nass von Seifenwasser und Hefezellresten, quillt als “Elefantenzahnpasta”-Schlange aus dem Gefäss heraus.

Zusammenfassung

Die “Elefantenzahnpasta” besteht also aus Schaum aus Seife und Sauerstoff, der durch “Überfütterung” der Oxidationsschutz-Enzyme von Hefezellen mit Wasserstoffperoxid entsteht.

Auch Menschenzellen haben Katalasen, die den Abbau von Wasserstoffperoxid in der gleichen Weise beschleunigen: Wenn Wasserstoffperoxid in unsere Haut gelangt, entstehen im Gewebe kleine Sauerstoffbläschen, welche wir als die weissen Verletzungen sehen können.

Wichtig: Die Schutzenzyme des Körpers sind genau darauf ausgelegt, solche Oxidationsmittel zu entfernen, die bei Fehlern in zelleigenen Prozessen entstehen. Andere Oxidations- und Bleichmittel, insbesondere unter dem Kürzel “MMS” als “Wunderheilmittel” vertriebene gefährliche Chlorverbindungen gehören da nicht zu! Gegen solche Stoffe hat der menschliche Körper keine eigenen Schutzmassnahmen!

Und habt ihr das Elefanzenzahnpasta-Experiment schon einmal ausprobiert? Wozu sonst verwendet ihr Wasserstoffperoxid?

Einkochen und Einwecken mit Mehl - Warum geht das nicht?

Kürzlich hat meine Leserin Pia geäussert, was ich daraufhin vielfach in Foren zum Einkochen wiedergefunden habe:

Beim Einkochen (Einwecken) darf man nichts mit Mehl binden – das säuert. Aber Kuchen mit Mehl kann man einkochen. Auch Brot und Nudeln darf man – überall Mehl drin. Nur die Sauce darf nicht mit Mehl … warum nicht?

Eine spannende Frage – die mich veranlasst hat, mich näher mit der Physik und Chemie des Einkochens zu beschäftigen.

Einkochen: Wieso? Weshalb? Warum?

Durch Einkochen oder Einwecken werden Lebensmittel haltbar gemacht. Die sind nämlich nicht nur für uns äusserst nahrhaft, sondern auch für allerlei Mikroorganismen. Die nisten sich in Lebensmitteln ein, verändern ihr Aussehen und ihren Geschmack in oft nicht gewünschter Weise, und machen uns im schlimmsten Fall auch noch krank.

Eine einfache Methode, diese Störenfriede loszuwerden, ist, sie mitsamt ihrer Umgebung so gründlich zu erhitzen, dass sie selbst gekocht werden und damit absterben. Die meisten Lebewesen bestehen nämlich aus Proteinen, die ab 42°C ihre Form und damit ihre Funktionsfähigkeit verlieren: Sie denaturieren. Und damit ist es dann vorbei mit Leben. Wenn man dann noch dafür sorgen kann, dass es auch so bleibt…

Konservieren durch Erhitzen

Zum Einkochen werden die Lebensmittel in Gläsern erhitzt, die mittels eines Dichtungsringes oder Schraubdeckels luftdicht verschlossen werden können. Dabei dehnen sich Luft und allenfalls entstehender Wasserdampf (dank der Anomalie des Wassers auch flüssiges Wasser ein wenig) aus und können sich notfalls an der Dichtung vorbei nach draussen zwängen.

Sobald solch ein Glas jedoch abkühlt, zieht sich die Luft darin zusammen (und allfälliger Wasserdampf kondensiert zu flüssigem Wasser). So entsteht im Glas ein Unterdruck, der dafür sorgt, dass die Dichtung fest gezogen wird. Nun kann nichts mehr aus dem Glas hinaus oder hinein. Auch keine Mikroorganismen oder ihre Sporen.

Damit ist sicher gestellt, dass nicht nur alle Bakterien und Pilze im Einkochgut tot sind, sondern auch keine neuen mehr hinein gelangen können. Um dessen wirklich sicher zu gehen, erhitzt man das Einkochgut entsprechend gründlich und lange (in der Regel auf 100°C, die Siedetemperatur von Wasser bei Atmosphärendruck). So soll auch das Innerste eines Einmachglases warm genug werden, um lebensfeindlich zu sein.

Die Industrie gibt dem Ganzen einen Namen

Der deutsche Chemiker Rudolf Rempel hat das Einmachglas Ende des 19. Jahrhunderts erfunden und sich 1892 patentieren lassen – und starb ein Jahr darauf mit nur 34 Jahren. So kam es, dass der Unternehmer Johann Carl Weck das Patent erwarb und zum ersten industriellen Hersteller von Einmachgläsern und Zubehör wurde. Mit dem Namen Weck verbreitete sich bald der Begriff “Einwecken” für die Verwendung der Gläser.

Inzwischen hat das “Einwecken” Eingang in den Duden gefunden und darf damit als allgemeingültiger Teil der deutschen Sprache als Synonym für das Einkochen verwendet werden – ganz gleich welche Gläser man dazu benutzt. Anders verhält es sich jedoch mit dem Wortteil “Einweck-“. Der ist nach wie vor geschützt. Ein Einweckglas oder einen Einweckring gibt es somit bis heute nur von der Firma Weck.

Und wenn sich jetzt die österreichischen Leser fragen, wovon ich eigentlich schreibe: Bei euch war im frühen 20. Jahrhundert die Rex-Konservenglas-Gesellschaft Hersteller Nummer 1 für Einmachgläser. So hat sich in Österreich der Begriff “Einrexen” eingebürgert.

Warum klappt das Einwecken nicht mit Mehl?

Mehl enthält Amylasen: Das sind Enzyme, also Proteine, welche die langen Stärke-Ketten in kürzere Einfach- oder Zweifachzucker spalten können.

Strukturformel Stärke bzw. Amylose
Einfaches Stärkemolekül (“Amylose”) – eine Kette aus Glucose-Molekülen, hier als Sechsringe dargestellt.

Der Name verrät uns das: Die unverzweigte Form der Stärke nennen die Chemiker auch Amylose, wobei die Endung “-ose” auf ein Kohlenhydrat hinweist. Die verzweigte Form dieser Molekülketten nennen sie hingegen Amylopektin. Die Endung “-ase” der Amylase weist hingegen auf ein Enzym hin, das spaltet bzw. zerlegt, was im Namen davor steht.

Wie kommen solche Enzyme in das Mehl?

Die Amylasen sind ein wichtiger Bestandteil von Getreidekörnern. Sie werden von der Mutterpflanze darin eingelagert, damit sie die Stärke im Samenkorn spalten können. Denn der Keimling, der daraus wächst, kann nur mit kleinen Zuckermolekülen etwas anfangen.

So lange die Amylasen funktionsfähig sind (und das bleiben sie beim Mahlen und bei vielen Vorgängen der Lebensmittelzubereitung auch), machen sie ihren Job jedoch auch in Lebensmitteln. Dabei entstehen aus Stärke und Wasser kleinere Zuckermoleküle wie z.B. Maltose (Malzzucker), ein Zweifachzucker aus zwei Glucose-Einheiten.

Ein Maltose-Molekül besteht aus zwei Glucose-Ringen

Zucker sind süss. Warum wird dann das Eingemachte sauer?

Geschmacksveränderungen in verderbenden Lebensmitteln sind in der Regel die Folge von Gärung. Dabei erzeugen wie Bakterien und Hefen aus den Lebensmittelbestandteilen neue Stoffe, die anders schmecken. Die beiden wichtigsten Gärungsprozesse sind die alkoholische (hierbei entsteht der “Trinkalkohol” Ethanol) und die Milchsäuregärung (hierbei entsteht Milchsäure bzw. das Lactat-Anion). Und zwar ganz ohne Sauerstoff-Zufuhr.

Wie die alkoholische Gärung genau funktioniert, könnt ihr hier nachlesen und im Experiment gleich selbst beobachten. Dabei zeigt sich, dass als Nebenprodukt des Gärprozesses das Gas Kohlenstoffdioxid, CO2, entsteht. Und mit der Entstehung von Gas erhöht sich der Druck im Einmachglas – bis der Verschluss undicht wird.

Um das zu bewerkstelligen, brauchen die Mikroben Zucker aus kleinen Molekülen. Ergo solche Zucker, wie die Amylasen ihn aus der Stärke freisetzen. Nicht inaktivierte Amylasen können also nicht nur Pflanzenkeimlinge, sondern auch Mikroorganismen wie Bakterien und Hefen ernähren.

Bakterien und Hefen im Einmachglas?!

Nun sollte man annehmen, dass Amylasen im Einmachglas kein Problem darstellen sollten. Schliesslich werden beim Einkochen die Mikroben im Einmachgut totgekocht. Und an diesem Punkt sind alle meine bisherigen Recherchen ins Leere gelaufen.

So bleibt mir als Erklärung letztendlich nur der Umstand, dass auch der Einkochvorgang keine perfekte Konservierung ermöglicht. Irgendwo wird da immer die ein oder andere Zelle überleben. Oder zumindest ihre Enzyme für die Gärung werden nicht vollständig unbrauchbar gemacht (sind die richtigen Enzyme beisammen, funktioniert Gärung nämlich auch ohne Zellen).

Wenn diese letzten Überlebenden nichts zu futtern haben, können sie jedoch nichts – oder nur sehr, sehr langsam etwas – ausrichten. Mit einer Zuckerquelle aus Stärke samt Amylasen können diese Mikroben jedoch mit der Gärung beginnen und sich womöglich sogar etwas vermehren. Dabei muss nicht all zu viel CO2 entstehen, um den Unterdruck im Einmachglas aufzuheben. Und schon können weitere Mikroorganismen durch den undichten Verschluss eindringen, sich vermehren und im Einmachgut eine grosse Biochemie-Party schmeissen. Dabei entstehen dann noch mehr Stoffe, darunter noch mehr Gas, was den Verschluss um so undichter werden lässt…

Kurzum: Stärke mit Amylasen ist demnach nicht Voraussetzung für eine Gärung im Einmachglas, sondern beschleunigt sie “bloss” um ein Vielfaches.

Wie kann man das Stärke- Desaster verhindern?

  • Stärke ohne Amylasen verwenden: Stärke ohne Enzyme gibt es sicher für den Laborbedarf, (bio-)synthetisch hergestellt oder entsprechend gereinigt. Für den Hausgebrauch in der Küche aber viel zu teuer.
  • Saucen und anderes erst nach dem Einkochen mit Mehl binden: Dem Einmachglas ist die Konsistenz der Speisen egal. Die können daher auch erst beim Wiederaufwärmen kurz vor dem Verzehr angedickt werden.
  • Mehl und Mehlspeisen so stark erhitzen, dass die Amylasen sicher denaturiert werden: Dazu sind Temperaturen von deutlich mehr als 100°C nötig! Gebackenes Brot oder Kuchen sind daher durch und durch amylasefrei – die werden im Ofen heiss genug. Auch bei der Herstellung von trockenen Teigwaren (Nudeln, Pasta) scheinen die Amylasen beseitigt zu werden. Und wer nicht auf eine Mehlschwitze zum Andicken verzichten will, kann diese in Pflanzenöl ansetzen. Öl wird in der Pfanne nämlich heisser als wasserhaltige Butter und kann so die nötigen Temperaturen erreichen.
  • Wirklich lange und gründlich einkochen: Die in der Literatur empfohlenen Kochzeiten mindestens einhalten! Dabei steigt nicht nur die Wahrscheinlichkeit, möglichst viele Amylasen auszuschalten, sondern auch die Mikroben sterben zu einem grösseren Anteil ab. Der Nachteil: Je zerkochter die Mikroben werden, desto zerkochter wird auch das restliche Einmachgut.
  • Einen Dampfdrucktopf zum Einkochen verwenden: Unter steigendem Druck steigt auch der Siedepunkt von Wasser. Das Gargut wird damit heisser als im offenen Kochtopf. So gart es nicht nur schneller, sondern auch gründlicher: Die zur Denaturierung von Amylasen notwendige Temperatur kann so womöglich erreicht werden.

Wirklich sicher (und praktikabel) ist jedoch nur der zweite Vorschlag – auf Mehl, welches nicht gebacken wurde, beim Einkochen ganz zu verzichten.

Und welche Erfahrungen habt ihr beim Einkochen mit oder ohne Mehl schon gemacht? Wisst ihr bezüglich der Folgen des Vorhandenseins von Amylasen im Einmachgut mehr als ich?

Farbkreis mit wandernden Farben

Seid ihr das winterliche Grau in Grau auch so leid wie ich? Dann ist es für uns alle an der Zeit, uns etwas Farbe zu gönnen. Die Blogparade #farbenfroh aus der Reihe #bloggenkunterbunt in Barbaras Paradies kommt da gerade recht. Barbara sammelt nämlich Blogbeiträge, die etwas mit Farben zu tun haben. Und das noch bis Ende Februar!

Farben, Licht und Glanz – Warum die Welt uns bunt erscheint

Farben sind natürlich auch ein grosses und spannendes Thema in den Naturwissenschaften. Wenn ihr euch schon einmal gefragt habt, was Farben sind und warum die Welt uns bunt erscheint, findet ihr hier in meinem ultimativen Artikel zur Physik der Farben die Antwort.

Für die Blogparade sind aber neue Artikel im Februar gewünscht. Deshalb gibt es heute Farbiges für euch zum Mitmachen: Ein faszinierend buntes Experiment. Und alles, was ihr dazu braucht, findet ihr in eurer Küche oder im Supermarkt.

Vom Lichtspektrum…

Die Farbe ist eine Eigenschaft des Lichtes: Je nach seiner Wellenlänge nehmen wir das Licht, das in unsere Augen fällt, in einer bestimmten Farbe wahr. Erst alle Farben miteinander ergeben den Eindruck “weiss”. Wenn man alle Wellenlängen in aufsteigender (oder absteigender) Reihenfolge nebeneinander stellt, erhält man einen wunderschönen Regenbogen: Eine Reihe aller Farben, die ineinander über zu gehen scheinen.

Diese Reihe nennen die Physiker das Spektrum des sichtbaren Lichtes. An seinen Enden geht es in Farben über, die für unsere Augen unsichtbar sind: Infrarot am langwelligen, ultraviolett am kurzwelligen Ende.

…zum Farbkreis

Nun wäre es aber reichlich aufwändig, für jede dieser Wellenlängen eine eigene Sinneszelle zu entwickeln, nur damit wir farbig sehen können. Ganz davon zu schweigen, dass die kaum alle auf unserer kleinen Netzhaut Platz hätten. Deswegen hat der Mensch nur drei Sorten Farb-Sinneszellen – und dahinter geschaltet eine leistungsfähige Rechenmaschine (das Gehirn), welche die Eindrücke der drei Farbspezialisten zu einem Gesamt-Farbeindruck verarbeitet.

Die drei Grundfarben, für welche wir Menschen eigene Sinneszellen haben, haben findige Künstler und Naturphilosophen schon erkannt, bevor sie wussten, was eine Zelle ist oder wie unsere Netzhaut samt Gehirn funktioniert: Rot, Gelb und Blau. Durch das Vermischen von Farbstoffen in diesen drei Tönen lassen sich nämlich alle anderen Farbeindrücke erzeugen. Reines Rot, Gelb und Blau bekommt man hingegen durch Mischen nicht hin.

Und noch etwas haben die Künstler festgestellt: Bestimmte Farbenpaare nebeneinander erzeugen einen besonders starken Kontrast. Diese Farbenpaare werden Komplementärfarben genannt.

(Technisch gesehen sind zwei Farben komplementär, die gemeinsam weiss (wenn farbige Lichtwellen zusammen kommen) bzw. schwarz (wenn die Farbeindrücke durch Auslöschung von Lichtwellen entstehen, sodass das Mischen zur vollständigen Auslöschung führt) ergeben. Die Gesamtheit aller Lichtwellen erscheint also deshalb weiss , weil zu jeder Farbe auch die Komplementärfarbe vorhanden ist.)

Wenn man nun die drei Grundfarben in einem Dreieck anordnet und die jeweiligen Mischungen zweier Grundfarben im Verhältnis 1:1 entlang der Kanten dieses Dreiecks, dann liegen komplementäre Farben einander gegenüber. Das gilt auch, wenn man die nun sechs Farben wieder je 1:1 miteinander mischt und die Ergebnisse zwischen die Ausgangsfarben setzt. So entsteht ein Farbkreis, auf welchem ähnliche Farben nebeneinander und komplementäre Farben einander gegenüber zu finden sind.

Die Herstellung eines solchen Farbkreises mit sechs Farben könnt ihr mit einer spannenden physikalischen Spielerei verbinden:

Experiment: Farbkreis mit wandernden Farben

Wasser und darin gelöste Farbstoffe können sich durch “saugfähiges” Papier bewegen, wobei die Beweglichkeit der Stoffe von der Beschaffenheit ihrer Moleküle abhängt. Dieser Umstand kann genutzt werden, um Farben zu trennen. Das könnt ihr zum Beispiel ganz einfach mit einem schwarzen Filzstift ausprobieren, oder etwas aufwändiger mit den Farbstoffen in Pflanzenblättern. Die Links führen euch zu meinen Anleitungen dazu.

Heute wollen wir die Lauffähigkeit von Wasser und Farbstoffen aber nutzen, um die Farben zu vermischen.

Ihr braucht dazu

  • Lebensmittelfarben rot, gelb, blau
  • 6 gleichhohe Gläser
  • weisse Papierservietten
  • Bastel- oder Küchenschere
  • Leitungswasser
  • einen Stab zum Umrühren
  • bis zu 24 Studen Zeit

So geht’s

  • Schneidet aus den Papierservietten mehrlagige Streifen, die vom Boden des einen zum Boden des nächsten Glases reichen. Ich habe dazu einfach eine zusammengefaltete Serviette in Streifen geschnitten. Der vorgegebene Falz kann dann auf den Glasrändern platziert werden, und die Enden hängen links und rechts herunter. Ich habe die Streifen dann so gekürzt, dass die Enden etwa 10 bis 15mm auf dem Glasboden aufliegen können.
  • Stellt die leeren Gläser in einem Sechseck auf, nehmt aber die Streifen nach dem Abmessen der Länge wieder heraus.
    Füllt das erste, dritte und fünfte Glas zu mindestens einem Drittel mit Wasser.
  • Löst in einem Wasserglas reichlich blaue, im nächsten gelbe und im dritten rote Lebensmittelfarbe auf. Rührt allenfalls gut um, bis sich die Farbe vollständig im Wasser verteilt hat.
  • Hängt nun die Papierstreifen über die Ränder der benachbarten Gläser: Jeder Streifen soll zu einer Seite in farbigem Wasser, zur anderen Seite in einem leeren Glas hängen. In jedem leeren Glas hängen somit nun zwei trockene Streifen
Der Aufbau zu Beginn des Experiments
  • Und jetzt zum grossen Unterschied zu vielen Varianten dieses Versuchs im Netz: Wartet nicht nur ein bis zwei Stunden, sondern allenfalls einen ganzen Tag ab und schaut euren Farbkreis zwischendurch immer wieder an!

Was ihr beobachten könnt

Das Wasser steigt zunächst zügig in den Serviettenstreifen nach oben. Die Farbstoffe folgen in der Regel deutlich langsamer. Schliesslich überwinden erst das Wasser, dann die Farben den Falz über dem Glasrand und laufen weiter bis zum Boden des nächsten Glases. Wenn ihr lang genug wartet, wird sich buntes Wasser in den leeren Gläsern sammeln, sodass die Farbstoffe sich vermischen!

Farbkreis mit gewanderten Farben nach 24 Stunden
Der Farbkreis nach 24 Stunden: Im Glas zwischen Blau und Rot sammelt sich Violett, im Glas zwischen Blau und Gelb ist das Wasser grünlich, und in der Mitte es Glases zwischen Gelb und Rot lässt sich Orange erkennen.

Wie funktioniert das?

Wie Wasser und Farbstoffe sich durch Papier bewegen, habe ich hier bei der Papierchromatographie mit Filzstiften erklärt. Im Unterschied dazu lassen wir dieses Experiment aber tatsächlich so lange laufen, dass Wasser und Farben durch den ganzen Papierstreifen wandern und schliesslich am anderen Ende wieder herauskommen. Das funktioniert theoretisch so lange, bis der Wasserspiegel in den anfangs leeren Gläsern ebenso hoch ist wie der in den Grundfarben-Gläsern. Dann erst nämlich verursachen die Wassermoleküle in den Misch-Gläsern so viel “Stau”, dass die ganze Bewegung zum Erliegen kommt.

Entsorgung

Lebensmittelfarben sind ungiftig, sodass die Lösungen in den Abluss und die farbigen Papierstreifen in den Restmüll entsorgt werden können. Anstatt sie wegzugiessen, könnt ihr die farbigen Lösungen aber ebenso gut aufheben oder gleich für weitere Experimente verwenden!

Warum dauert der Versuch so lange?

Die Geschwindigkeit, mit welcher die Farben durch die Papierstreifen wandern, hängt ebenso von der Beschaffenheit der Servietten als auch von jener der Farbstoffmoleküle ab. Und es gibt mehr als jeweils eine Sorte Moleküle, die gelb, rot oder blau sein können.

Die Papierservietten, welche ich hier verwendet habe, habe ich auch bei der Trennung von Filzstiftfarben mit vielen Primarschulkindern eingesetzt. Und die Filzstiftfarben liefen innerhalb von wenigen Minuten die Streifen hinauf. Die Lebensmittelfarben (vom Grossverteiler mit dem orangen M) bestehen offenbar aus weitaus sperrigeren Molekülen. In meinen Farben sind das laut Verpackung

  • -Gelb : Curcumin (E 100) – das Gelb der Kurkuma-Wurzel
  • -Rot : Echtes Karmin bzw. Cochenille (E 120) – das Rot aus Cochenille-Schildläusen
  • -Blau : Spirulinaextrakt – ein Farbstoff aus Cyanobakterien (“Blaualgen”) der Gattung Spirulina
Der Farbkreis nach 4 Stunden: Die rote Farbe ist deutlich im Papier zu sehen, die gelbe Farbe erscheint am Glasrand noch blass und die blaue Farbe ist dort noch kaum zu sehen. Erst später werden die Farben intensiver und mischen sich in den vormals leeren Gläsern.

Das Karminrot wandert noch am schnellsten, gefolgt vom Curcumin-Gelb. Das Spirulina-Blau tut sich hingegen ganz schwer. Vielleicht findet ihr ja andere Farbstoffe, die schneller laufen?

Weitere Ideen zum Ausprobieren

-die unterschiedlichen Wandergeschwindigkeiten der Farben sichtbar machen: Mischt alle farbigen Lösungen in einem Glas und hängt einen Papierstreifen hinein. Welche eurer Farben läuft am weitesten hinauf, welche am wenigsten weit?
-probiert das Ganze mit Tinte, Kirschsaft oder anderen farbigen Flüssigkeiten auf Wasserbasis aus: Was läuft in euren Servietten am schnellsten?

Ich wünsche euch ganz viel Spass beim Experimentieren und Farben bestaunen!

Hier findet ihr übrigens noch mehr Farben in Keinsteins Kiste:

Und wie bringt ihr sonst Farbe in euren Februar-Alltag?

Zeolith und Detox - Taugen Klinoptilolith und Co zum Entgiften?

Im ersten Beitrag über Zeolith – besser Zeolithe, denn es handelt sich um eine ganze Familie von Stoffen – habe ich euch diese ganz besonderen Steine als Wasserenthärter, Spülmaschinentrockner und Rohstoff für Katzenstreu vorgestellt. Die Zeolithe bestehen aus einem festen Ionengitter aus Silizium- und Aluminiumionen, das negativ geladen ist (je grösser der Aluminiumanteil ist, desto mehr). Dieses Gitter enthält relativ grosse Aussparungen, regelrechte “Poren”. In diesen Poren können Wassermoleküle und positiv geladene Ionen (Kationen) angelagert werden. So ist gewährleistet, dass der Zeolith als Ganzes nicht elektrisch geladen ist.

So können Zeolithe mit grossem Aluminiumanteil ( Silizium : Aluminium = 1:1 gilt als gross!) nicht nur viel Wasser aufnehmen, sondern auch als Ionenaustauscher herhalten: Wenn im Wasser ausserhalb des Kristalls Kationen sind, die dem Zeolith besser “passen”, werden diese Ionen in den Poren angelagert und die ursprünglichen dafür freigesetzt. Da der in Waschmitteln eingesetzte synthetische Zeolith A Calcium-Ionen lieber bindet als Natrium-Ionen, kann er das Waschwasser “enthärten”, indem er die Calcium-Ionen daraus aufnimmt und dafür Natrium-Ionen abgibt.

Die “Schwamm-Wirkung” der Zeolithe führt schnell zu weiteren Anwendungs-Ideen. Warum nicht auch Sachen aufsaugen, die nicht nur lästig, sondern wirklich gefährlich sind?

Zeolith und “Detox” – Wie sinnvoll ist die “Entgiftung” mit den saugfähigen Steinen?

Zu den Metall-Kationen, die es sich gern im Zeolith-Gitter gemütlich machen, gehören zum Beispiel auch Cäsium- (Cs+ ) und Strontium-(Sr2+) Ionen. Deren radioaktive Vertreter entstehen als Nebenprodukte in Kernreaktoren und können bei Lecks oder gar einem Reaktorunglück zum Problem werden. So wurden schon nach der Katastrophe von Tschernobyl Zeolithe verwendet, um solche radioaktiven Ionen aus verseuchtem Wasser zu filtern (näheres dazu hier).

Könnte man das nicht nutzen, um – nicht nur radioaktive – Schwermetalle und andere Schadstoffe aus unserem Körper zu entfernen? Mit Hilfe von natürlich vorkommenden Steinen?

So zumindest lautet die Idee verschiedener Hersteller von Nahrungsergänzungsmitteln und ihrer Anhänger.

Was Detox-Zeolithe tun sollen

Produktbeschreibungen für Detox-Kuren mit “Zeolith” offenbaren eine ganze Palette von Wirkungen. Allen voran steht eine “Reduzierung der Ammonium- und Schwermetallbelastung des Körpers”, indem es “Giftstoffe und überschüssige Säuren im Darm bindet”. In den Beschreibungen angegebene Folgen dessen seien zum Beispiel (wörtliche Zitate von Anbietern von Zeolith-Kuren von Googles Seite 1, die ich hier bewusst nicht verlinke):

  • Entlastung des Stoffwechsels von Leber, Niere, Bauchspeichedrüse und Blut (mittels Entgiftung über den Darm)
  • “schnellere Regenerationen”
  • Stärkung des Immunsystems
  • Anti-Aging-Effekt
  • Steigerung von Energie, Vitalität und Lebensqualität
  • Bindung und Entfernung von freien Radikalen
  • Versorgung mit Calcium und Magnesium (allenfalls durch Beimengung von entsprechenden Verbindungen)

Um all das zu erreichen genüge es laut der Hersteller, regelmässig und allenfalls dauerhaft Zeolithe einzunehmen.

Was Zeolithe im Magen-Darm-Trakt tun können

Stoffe aus dem Darminhalt aufnehmen

Einmal verspeist können Zeolithe Ionen und wasserlösliche Stoffe genau an ihrem Aufenthaltsort aufnehmen: Im Inneren von Magen und Darm – im Nahrungsbrei.

Metallionen aus dem Darminhalt austauschen

Je nach Zusammensetzung können Zeolithe aber nicht nur Schwermetalle, sondern auch wertvolle Nährstoffe wie Calcium oder Eisen aus der Nahrung abgreifen.

Für die Reihenfolge, welche Ionen gegen welche ausgetauscht werden, gibt es eine Faustregel: Zweifach positiv geladene “haften” besser am Zeolith als einfach positiv geladene Ionen, kleine Ionen besser als grosse. Ein Zeolith, der Natrium (Na+) oder Kalium (K+) enthält, wird diese Ionen demnach für Calcium- (Ca2+), Magnesium-(Mg2+) und Eisen- (Fe2+)ionen abgeben. Währenddessen würde ein Zeolith, der Calciumionen enthält, diese nur gegen kleine zweiwertige Ionen, wie Magnesium- oder Eisenionen wieder hergeben.

Radioaktives Cäsium entfernen

Cäsium ist chemisch den Elementen Natrium und Kalium ähnlich und damit gut wasserlöslich. So können seine Ionen (Cs+) sich – im Unterschied zu denen vieler anderer Schwermetalle – ziemlich frei im Körper bewegen und sich überdies an Klinoptilolith anlagern. Das funktioniert zumindest im Tierversuch bei Ratten und Hühnern. Mit Menschen hat man das im Rahmen einer Studie noch nicht probiert.

Magensäure neutralisieren

Zeolithe sind tatsächlich basisch. Säure zur Neutralisation finden sie auf ihrem Weg durch den Verdauungstrakt auch reichlich vor: Im Magensaft, wo sie wichtige Aufgaben hat. Neben denen neutralisiert sie auch gleich die Zeolithe. So ist von deren basischen Eigenschaften nach dem Magendurchgang nichts mehr übrig. Für die Neutralisation der Magensäure sorgt der Körper schliesslich selbst beim Übergang in den Darmtrakt: Dessen Inhalt ist nämlich grundsätzlich schwach basisch.

Was Zeolithe im Magen-Darm-Trakt aus Chemikersicht nicht können

Schwermetalle und Giftstoffe aus “Speicherorganen” wie Leber, Nieren, Haut und Zähnen entfernen

Der Darm ist zur Aufnahme, nicht zur Ausscheidung solcher Stoffe geschaffen. Schliesslich wollen wir die nützlichen darunter ja aus dem Nahrungsbrei herausholen und sie nicht wieder an diesen verlieren. Was einmal aus der Nahrung in den Körper gelangt, bleibt also drin. Ausnahme: Gut wasserlösliche Ionen und Kleinstmoleküle, die durch Ionenkanäle und Transportproteine zwecks Elektrolythaushalt rein und raus können!

Es sei denn, es findet einen anderen Weg hinaus – über die körpereigenen Entgiftungsanlagen: Leber, Nieren und Lunge. Die Leber wiederum hat tatsächlich einen Hinterausgang in den Darm: Die Galle. Gallenflüssigkeit enthält tatsächlich grosse Abfall-Moleküle, die in der Leber so umgebaut wurden, dass sie wasserlöslich sind. So können sie ungehindert über den Darm ausgeschieden werden. Diese Moleküle sind nun aber so gross, dass sie auch nicht fälschlich wieder in den Körper hinein gelangen können.

Schwermetallionen effektiv gegen Natrium-, Kalium- und ähnliche Ionen austauschen

Die meisten Schwermetallionen schwimmen gar nicht frei im Darminhalt oder sonstwo im Körper umher, sondern sind an die verschiedensten Moleküle gebunden. Diese Bindungen müssen erst gebrochen werden, bevor die Ionen in die Poren des Zeoliths gelangen können (denn die meisten “Anhängsel”-Moleküle sind dafür zu gross). Somit ist theoretisch nur ein kleiner Teil der Schwermetalle im Darminhalt für das Zeolith “zu haben”.

Zwischen Giftstoffen und Nützlichem unterscheiden

Neben unerwünschten Stoffen gibt es in Magen und Darm eine Unzahl weiterer Stoffe: Nährstoffe, unverwertbare Nahrungsbestandteile, Bestandteile der Verdauungsflüssigkeiten, die sich alle mehr oder weniger gern um Zeolith-Pulverkörner herum lagern oder in die Poren eindringen. Und all jene, die sich eher gern mit Klinoptilolith oder anderen Zeolithen abgeben, konkurrieren mit jeglichen Giftstoffen um den Platz in den Zeolith-Poren. Da bleibt dann nur noch ein Bruchteil des Platzes für die Dinge, die man eigentlich “ausleiten” will.

Giftige organische Moleküle aus dem Darminhalt entfernen

Die Moleküle der berühmt-berüchtigten Giftstoffe sind nämlich entweder so gross (Aflatoxine, Pestizide, Antibiotika,…), dass sie gar nicht in die Poren von Naturzeolith (ergo Klinoptilolith) hinein passen. Oder sie sind so klein (z.B. Methanol), dass sie flink an jedem Zeolith vorbei in den Körper gelangen.

Den Körper mit Silizium versorgen

Unsere Magensäure ist nicht in der Lage, das Gitter von Klinoptilolith anzugreifen und Atome heraus zu lösen (und im basischen Inhalt des Darmes geht das erst recht nicht). Das ist auch gut so. Denn wenn sie das könnte, würde zuerst das Aluminium aus dem Zeolith freigesetzt. Und das hat einen denkbar schlechten Ruf, wenn es um die körperliche Gesundheit geht.

einen “Kater” bekämpfen

Nicht nur, dass sich Ethanol und sein Abbauprodukt Acetaldehyd (der eigentliche Verursacher des Katers) sich kaum an Klinoptilolith anlagern. Das Acetaldehyd und damit der Kater entstehen zudem in Zellen fernab vom Darm, wo die Zeolithe nie hingelangen und etwas daran ändern könnten. Was wirklich gegen einen Kater hilft und was im Körper mit dem Alkohol passiert, könnt ihr hier nachlesen.

Freie Radikale entfernen

Zeolithe sind Ionenaustauscher, keine Radikalfänger. Letztere sind Stoffe, die bei lebensförderlichen Bedingungen zu Redoxreaktionen – also dem Austausch von Elektronen – in der Lage sind. Solche Eigenschaften sind von Zeolithen nicht bekannt. Ausserdem: Freie Radikale entstehen in allen Zellen, die Energie aus der “Verbrennung” von Sauerstoff gewinnen. Also praktisch im ganzen Körper. Und das ist in den meisten Fällen weit weg vom Inhalt des Darmes.

Ammoniak aus dem Darminhalt entfernen

Ammoniak (NH3) ist ein kleines, dem Wasser ähnliches Molekül. Tatsächlich lässt das sich auch gut in den Poren von Naturzeolith unterbringen. Das Problem: Es gibt im menschlichen Darm keinen Ammoniak. Sofern wir nicht Ammoniak-Lösung trinken, was aber kaum jemand freiwillig tun wird: Die ist ätzend, giftig und stinkt! Allenfalls gibt es Ammonium-Ionen (NH4+) , die im menschlichen Darm entstehen (durch Bakterien, die unverdaute Proteine zersetzen). Die wiederum sind gut wasserlöslich und gelangen über die Blutbahn in die Leber. Dort wird das Ammonium zu Harnstoff verbaut und findet über die Nieren nach draussen. Und das schafft eine gesunde Leber gut und gern allein.

Nur Widerkäuer (Rinder, Schafe,… ) haben Bakterien in ihrem Verdauungstrakt, die wirklich Ammoniak produzieren. Das ist ein Grund für den Einsatz von Zeolithen in Nutztierfutter.

Bakterien, Pilze oder Viren bekämpfen

Bakterien und Pilze sind Lebewesen, die aus mindestens einer kompletten Zelle bestehen Damit sind sie um viele Grössenordnungen grösser als alle bereits erwähnten Moleküle. Nie im Leben passen die in die Poren von Klinoptilolith oder einem ähnlichen Zeolith!

Auch Viren – wenngleich keine klassischen Lebewesen – sind um Grössenordnungen grösser als die Poren im Zeolith-Gitter.

Eine Anwendungsmöglichkeit massgeschneiderter, synthetischer Zeolithe mit grossen Poren ist die Verwendung als “Behälter” z.B. für Antibiotika-Moleküle oder Silber-(Ag+)Ionen. Letztere haben eine bakterizide Wirkung und lassen sich durch Ionenaustausch im Zeolith deponieren. Solche präparierten Zeolithe werden dann verwendet, um z.B. keimabweisende Oberflächen herzustellen.

Dass Zeolithe ohne solches Gepäck meines Wissens keine Bakterien töten, ist übrigens gut so. Denn in unserem Darm gibt es eine Menge davon, die überaus wichtig für unsere Gesundheit sind. Und falls Zeolithe doch Bakterien töten, wäre das ein triftiger Grund, sie nicht einzunehmen!

Krebs heilen

Wissenschaftler haben tatsächlich Hinweise darauf gefunden, dass Zeolithe in der Nährflüssigkeit in Zellkulturen zu schnellerem Absterben der Zellen führen (und damit ein Zellgift sind). Im Tierversuch führen sie nach Auftragen zudem zur Verkleinerung von Hauttumoren durch extreme Austrocknung derselben. Dementsprechend sind die Krebsforscher an Zeolithen interessiert. Von den genannten Hinweisen zu einem wirksamen und anwendbaren Medikament ist es aber noch ein weiter Weg.

Und was ist mit Bentonit?

Bentonit wird häufig im Zusammenhang mit Zeolithen genannt und vertrieben, obwohl es gar nicht zu letzteren zählt. Bentonit ist nämlich eine Tonerde, die hauptsächlich aus dem Tonmineral Montmorillonit besteht. Das enthält zwar wie die Zeolithe Silizium, Aluminium, Sauerstoff und verschiedene positive Metallionen und kann sehr viel Wasser aufnehmen. Silizium und Aluminium sind aber nicht in einem festen Gerüst angeordnet, sondern bilden locker verbundene Schichten.

Deshalb hat Bentonit – anders als Zeolithe – die Eigenart, im Zuge der Aufnahme von Wasser aufzuquellen und dann fest zu werden. Und das nicht zu knapp. Das kann besonders im Magen-Darm-Trakt, wo im Allgemeinen wenig Platz ist, unangenehme, wenn nicht gar gefährliche Folgen haben: Verstopfung! Daher ist die Einnahme von Bentonit gar nicht zu empfehlen!

Und die übrigen Detox-Wirkungen? Gibt es dazu Untersuchungen?

“Stärkung des Immunsystems”, “Anti-Aging-Effekt”, “Steigerung von Energie, Vitalität und Lebensenergie” sowie “schnellere Regenerationen” (warum steht das in der Mehrzahl?!) sind äusserst schwammige Begriffe. So wie die ganze Welt um “Detox” und “Entgiftung” als Modeerscheinung eine äusserst schwammige Angelegenheit ist.

Von “Schlacken”, “Toxinen” und “Umweltgiften” ist da die Rede, aber kaum jemand (wenn nicht niemand), der Zeolithe und andere Entgiftungshilfen anpreist, weiss diese Stoffe oder ihre Herkunft im Einzelnen zu benennen. Kein Wunder: Die Liste dessen, was Klinoptilolith nicht kann, ist ja ziemlich lang und viele populäre Kandidaten für diese Stoffgruppen darauf vertreten. Damit wären konkrete Angaben zur Wirkweise von Zeolith und anderen Detox-Kuren ja viel zu leicht widerlegbar, um lange geduldet zu werden. Dementsprechend uneinheitlich und diffus sind auch die Beschreibungen der Wirkweise dieses und anderer Detox-Hilfsmittel.

Und was man nicht genau benennen kann, kann man nur schwerlich untersuchen. Deshalb gibt es weder Studien, die einen gesundheitlichen Vorteil von Detox-Kuren (ob nun mit oder ohne Zeolith) belegen, noch solche, welche die gegenteilige Aussage stützen würden.

Anders sieht das aus, wenn sich der Begriff “Detox” auf die medizinische Behandlung akuter Vergiftungen (im Mediziner-Jargon “Intox”) bezieht. Die wird wiederum wird nur fällig, wenn ein giftiger Stoff in grossen Mengen (meist versehentlich) aufgenommen wurde oder/und das Versagen von Nieren oder Leber aufgefangen werden muss. Solche Entgiftungsmassnahmen gehen oft am empfindlichen Verdauungstrakt vorbei. Ein Beispiel ist die Hämodialyse (maschinelle “Blutwäsche”), die sowohl als Notfallmassnahme als auch langfristig bei Patienten ohne funktionierende Nieren zum Einsatz kommt.

Mit Detox-Kuren im Sinne der Anbieter von Nahrungsergänzungsmitteln haben solche – gut als wirksam belegten – Methoden aber nichts zu tun.

Fazit

Die Wirkweise und der mögliche Nutzen von Detox-Kuren ist im Allgemeinen höchst unklar, nicht zuletzt weil es zu den schwammigen und uneinheitlichen Aussagen der Anbieter kaum bis keine belastbare/n Studien gibt.

Das gilt auch für Zeolithe, insbesondere Klinoptilolith, als Entgiftungs-Hilfsmittel. Meine Fachkollegin Dr. Arnold hat für einen Vortrag zum Thema gerade einmal 19 Veröffentlichungen rund um die Anwendung von Zeolithen am Menschen gefunden – wissenschaftlich unbrauchbare und solche mit fragwürdigen Schlussfolgerungen mit eingeschlossen! Die kommentierte Liste mit Links gibt es am Ende ihres hochinteressanten Handouts zum Vortrag, das auch für meinen Artikel eine wichtige Grundlage ist und viele weitere Einzelheiten enthält.

Die Liste der möglichen Wirkungen, die aus Chemiker-Sicht nicht funktionieren dürften, ist dagegen lang. Das sind (nicht nur) in meinen Augen genügend Gründe, um dem Detox-Hype im Allgmeinen und Zeolithen zum Einnehmen im Besonderen aus dem Weg zu gehen. Und euch zu raten, dasselbe zu tun.

Umweltbelastung und überzogene Preise

Dazu kommt, dass die Gewinnung von Naturzeolith – im Tagebau – naturgemäss nicht eben umweltfreundlich ist. Für ein Mittel ohne nachgewiesene Wirkung die Erde umgraben und Landschaften zerstören? Da gibt es sinnvollere und nachhaltigere Wege, etwas für die Gesundheit zu tun!

In jedem Fall rechtfertigen weder die Herstellungskosten für Naturzeolith noch die Liste den stolzen Preis für Zeolith-Produkte zur Detox-Kur: Angeblich liegt der Preis für ein Kilo Naturzeolith beim Grosshersteller bei rund 35 Eurocent. Fein gemahlen und in einer an Medikamente erinnernden Dose verpackt findet sich das Kilo Steinstaub dann für gut und gerne 150 Euro (!) im Angebot wieder! Da möchte ich gar nicht wissen, wie gross diese Diskrepanz in der teuren Schweiz ausfällt.

Da freue ich mich lieber an dem wasserenthärtenden Zeolith in meinem Waschmittel und denke schmunzelnd an Helge Schneiders “Katzenklo, Katzenklo, ja das macht die Katze froh!” – mit Zeolithstreu. Und bin mir dabei stets bewusst: Zeolith kann eben doch nicht alles.

Und seid ihr schon einmal mit Zeolithen als Detox-Kur in Kontakt gekommen? Was haltet ihr davon? Was sind eure Erfahrungen?

Experiment am Valentinstag: Essigeisherzen in Soda

Mit Essig und Soda (oder Natron – das ist chemisch eng mit der Soda vewandt) könnt ihr eine Menge Partyspass haben. Warum das nicht am Valentinstag mit den schmelzenden Herzen von letztem Jahr verbinden? Inspiriert dazu haben mich – passend zum Namen – die Inspiration Laboratories!

Statt einem grossen Herzen habe ich dieses Jahr viele kleine gemacht, und zwar nicht aus Wasser, sondern aus gefrorenem Essig. Wenn ihr schon über Streusalz gelesen oder den Eiswürfelkran ausprobiert habt, wisst ihr vielleicht noch, dass Wasser mit etwas drin einen niedrigeren Gefrierpunkt hat als reines Wasser. Das gilt auch für 10% Essigsäure in Wasser. Haushalts- bzw. Reinigungsessig aus dem Supermarkt ist nämlich genau das. Aber da ein gutes Gefrierfach bis zu -18°C erreicht, ist das kein Problem.

Ein Essig-Soda-Spektakel mit gefrorenem Essig – geht das?

Wenn flüssiger Essig mit Soda-Pulver reagiert, entsteht dabei genug Gas, um einen Vulkan oder gar eine Rakete anzutreiben. Was aber wenn der Essig gefroren ist, die Essigsäuremoleküle in einem Eiskristall gefangen sind? Probieren wir es aus!

Valentinsherzen müssen nicht rosa sein: Tinte aus einfachen Patronen für den Füllfederhalter färbt den gefrorenen Essig blau.

Experiment: Essigherzen in Sodalösung schmelzen

Zwei Feststoffe miteinander zur Reaktion zu bringen, ist etwas mühsam. Deshalb löse ich das Soda-Pulver in Wasser auf. So verteilen sich die Ionen, aus welchen die Soda besteht, im einzeln und fein im Wasser. Damit können wir sicher sein, dass sie den Essig im gefrorenen Herzen auch finden.

Ihr braucht dazu

  • Haushaltsessig
  • Soda oder Natron zum Waschen oder Backen
  • Leitungswasser
  • eine Form für herzförmige Eiswürfel oder Konfekt (am besten eine flexible aus Silikon)
  • ein Gefäss mit Giesse
  • Lebensmittelfarbe oder Tinte (zwei unterschiedliche Farbtöne)
  • Einmal- oder Putzhandschuhe, wenn ihr nicht gern bunte Finger habt
  • eine Schutzbrille für jeden Mitforscher, insbesondere dann, wenn ihr keine normale Brille tragt
  • eine flache Schale oder Wanne

Sicherheitshinweis

Essig ist eine schwache Säure, Soda eine schwache Base. Mit Wasser vermischt können beide Stoffe in der Regel gefahrlos angefasst werden. Vermeidet aber Kontakt mit euren Augen! Eine normale Brille schützt teilweise vor Spritzern, eine Schutzbrille mit geschlossenen Seiten ist aber sicherer.

Falls doch etwas ins Auge geht: Spült das Auge mindestens 10 Minuten lang mit fliessendem Wasser und wendet euch allenfalls an euren Augenarzt!

So geht’s

  • Um bunte Finger zu vermeiden tragt bei allen Schritten Handschuhe.
  • Füllt Essig in das Gefäss mit Giesse und mischt Lebensmittelfarbe oder Tinte hinein.
  • Füllt die Aussparungen der Eiswürfelform mit dem gefärbten Essig. Ihr müsst sie nicht ganz voll machen, denn Wassereis wächst (das Eis essighaltigen Wassers auch)!
  • Stellt die Eiswürfelform mit Essig für einige Stunden ins Gefrierfach.
  • Füllt ein Gefäss, in dem ihr gut rühren könnt, mit Wasser und rührt einige Löffel Sodapulver hinein (am besten so viel wie sich löst). Die Soda sollte sich möglichst vollständig auflösen.
  • Mischt etwas Lebensmittelfarbe oder Tinte (den zweiten Farbton) in die Sodalösung.
  • Gebt die Sodalösung 1-2cm hoch in die flache Schale und legt ein gefrorenes Essigherz hinein. Beobachtet und wiederholt das Ganze mit einem oder mehreren Herzen – ganz wie ihr wollt!

Was ihr beobachten könnt

Schon wenige Sekunden nachdem ich ein tintenblaues Herz in meine gelbe Sodalösung gelegt habe, fängt es leise an zu zischeln und Gasblasen lösen sich vom Rand des Eisherzes. Die blaute Tinte verteilt sich dabei in Schlieren in der gelben Lösung. Irgendwann richtet die Spitze des sich auflösenden Herzens nach oben auf.

Farbenspiel zum Tag der Liebe: Die blaue Tinte löst sich in Schlieren von den sprudelnden Herzen

Was hier geschieht

Der gefrorene Essig reagiert tatsächlich mit der Sodalösung!

Ein Einblick in die Chemie dahinter

Soda ist ein Salz, das aus Natrium- und Carbonat-Ionen besteht beim Auflösen in Wasser in diese beiden zerlegt wird.

Na2CO3 —-> Na+(aq) + CO32-(aq)

Das “(aq)” vermerkt dabei, dass die damit markierten Stoffe in Wasser gelöst sind.

Das Carbonat-Ion (CO32-) ist eine Base: Es nimmt gerne Wasserstoff-(H+-)-Ionen auf. (An die versierten Chemiker unter euch: Es ist natürlich eine so starke Base, dass es auch mit Wasser reagiert, aber um das Ganze einfach zu halten, lasse ich diese Einzelheit hier aus!)

Essig ist hingegen eine Säure: Er gibt gerne ein Wasserstoff-Ion an die nächstbeste Base ab. Auch dafür kommt Wasser in Frage, aber wenn eine Base wie Carbonat zur Hand ist, reagiert die Essigsäure (CH3-COOH) um so bereitwilliger damit:

2 CH3-COOH(aq) + CO32-(aq) —-> 2 CH3-COO(aq) + H2CO3(aq)

Die beiden Produkte, die dabei entstehen, sind eine weniger starke Säure bzw. Base als die beiden Ausgangsstoffe. Deshalb nennen Chemiker diese Reaktion eine Neutralisation.

Die Kohlensäure, die bei dieser Neutralisation entsteht, ist nicht stabil und zerfällt von selbst in Wasser und Kohlenstoffdioxid (CO2) – das Gas, welches sich in Bläschen von den gefrorenen Herzen löst:

H2CO3(aq) —-> H2O + CO2(g)

Wie der gefrorene Essig den Ablauf der Reaktion verändert

Dabei entsteht aber kein schäumendes Inferno wie beim Leucht-Vulkan. Statt frei im Wasser herum zu schwimmen sind die Essigsäuremoleküle hier nämlich im Essig-Eiskristall gefangen.

In der Nahaufnahme erkennt man die besondere strahlige Form dieser Essig-Eiskristalle.

Das bedeutet, nur die Moleküle an der Oberfläche des Eisherzens können gleichzeitig mit der Soda reagieren und im Zuge dessen herausschmelzen. Erst danach können die Moleküle in der Schicht darunter reagieren und so fort.

So läuft die sonst stürmische Reaktion hier langsam und gesittet ab – passend für einen gemütlichen Tag der Liebe.

Im Übrigen ist auch das CO2-Gas dafür verantwortlich, dass die Spitze des Herzchens sich irgendwann aufstellt: Es sammelt sich unter dem Eisherz und bricht irgendwann an seinem schmaleren nde aus. Mit einem ordentlichen Blubb steigt die Gasblase an die Wasseroberfläche und hebt dabei das schmale und damit leichtere Ende des Eisherzens mit an.

Entsorgung

Essig und Soda sind eine schwache Säure bzw. schwache Base. Wenn ihr sie zusammengebt, neutralisieren sie einander überdies. Lebensmittelfarben und kleine Mengen Tinte sind ungiftig. So können Reste der Lösung zusammen- und in den Ausguss gegeben werden.

Feste Soda-Reste könnt ihr für weitere Experimente aufheben und übrigen Essig zum Reinigen verwenden.

Varianten und weitere Ideen

Das farbenfrohe Experiment eignet sich prima, um damit herum zu probieren: Schiebt zum Beispiel die Wanne mit der Sodalösung ein wenig an, sodass kleine Wellen entstehen und verfolgt das Farbenspiel um die sprudelnden Herzen.

Und was passiert eigentlich, wenn man die Sodalösung einfriert und Soda-Eisherzen in flüssigen Essig legt?

Ich freue mich davon zu hören, wenn ihr dieses Experiment nachmacht: Welche Varianten habt ihr probiert, und was ist euch noch zum Austesten eingefallen?

Zeolithe: Wo die nützlichen Steine uns im Haushalt helfen

Zeolithe sind nicht nur im Haushalt äusserst nützlich. Auch als Nahrungsergänzungsmittel für Entgiftungskuren ist “Zeolith” überaus populär. Da diese Anwendung dieser vielseitigen Stoffgruppe hier aber den Rahmen sprengen würde, kommt ein zweiter Artikel zu Zeolithen und Detox nächste Woche!

Was ist eigentlich in unserem Waschpulver drin? Diese Frage kam neulich beim Nachtessen mit der Schwiegermutter auf. Na klar: Seife. Oder in der Chemiker-Sprache: Tenside. Und über deren Super-Waschkraft habe ich hier ja schon geschrieben. Aber nachsehen schadet ja nichts, dachte ich. Und siehe da: Mein Universal-Waschpulver vom orangen M enthält nur 5-20% Tenside – und 15%-30% Zeolithe. Was ist das denn nun schon wieder?

Was sind Zeolithe?

Laut Definition im Chemiebuch oder auf Wikipedia sind Zeolithe eine Gruppe von “kristallinen Alumosilikaten”… mit anderen Worten: Steine. Und zwar Steine, welche die chemischen Elemente Silizium und Aluminium enthalten. Das ist an sich nichts besonders, sind Silizium und Aluminium doch das zweit- und dritthäufigste Element in der Erdkruste.

So hübsch sind Zeolithe selten: Natrolith aus meiner Mineraliensammlung – ein natürlicher Zeolith auf Basalt. Dieses Grundgestein hat Naturzeolithen auch die Bezeichnung als “natürliches Vulkangestein” eingebracht.

Das Ionengitter der Zeolith-Kristalle, aus welchen diese Steine bestehen, ist allerdings ein ganz besonderes: Es enthält grosse Lücken, die den ganzen Kristall zu einem porösen Schwamm machen!

Wie sind Zeolith-Kristalle aufgebaut?

Die allgemeine Verhältnisformel der Zeolithe lautet:

Mn+x/n [(AlO2)x (SiO2)y. z H2O

Ein Schweizer Käse aus Si- und Al-Atomen

Der Inhalt der eckigen Klammer beschreibt das eigentliche Kristallgitter: Es besteht aus Silizium (Si)-, Aluminium (Al)- und Sauerstoff (O)-Atomen, wobei auf x Silizium-Atome stets y Aluminium-Atome kommen. Jedes dieser Atome ist mit vier Sauerstoffatomen verbunden (die wiederum werden dazu je zweimal verwendet, weshalb die Formel nur 2 Sauerstoff-Atome je Metallatom enthält). Anders eingeteilt besteht das Zeolith-Gitter somit einander überlappenden Sauerstoff-Tetraedern mit je einem Silizium- oder Aluminiumatom im Zentrum.

Molekülmodell: Tetraeder

Molekülmodell in Form eines Tetraeders: Die vier weissen Kugeln befinden sich in den vier Ecken dieses geometrischen Körpers, die pinke Kugel liegt in dessen Zentrum.

Wer sich ein etwas mit organischer Chemie auskennt (da sind es Kohlenstoff-Atome, die mit ihren Nachbarn Tetraeder bilden), weiss, dass man aus Tetraedern die vielfältigsten Gerüste bauen kann. Deshalb gibt es ein wahres Sammelsurium von Zeolithen:

60 natürlich vorkommende Mineralien gehören zu dieser Gruppe, über 150 weitere sind von Chemikern entworfen und künstlich hergestellt worden!

Sie alle haben eines gemeinsam: Ihre Gitter umfassen mehr oder weniger grosse Hohlräume – ein richtiger molekularer Schweizer Käse. In Waschmitteln findet man vor allem der synthetische Zeolith A, dessen Kristallgitter so aussieht:

Kristallgitter von Zeolith A

Jede Ecke in der Skizze steht für ein Silizium- oder Aluminium-Atom. Die Sauerstoff-Atome sind dazwischen entlang der Verbindungslinien angeordnet.

Grundbaustein der Zeolithe: Sodalith-Käfig mit Si-, Al- und O-Atomen
Ein Element des Zeolith-A-Gitters mit eingezeichneten Atomen

In der Mitte zwischen acht dieser Einheiten bleibt ein relativ grosses Loch, dessen Wände die Chemiker als alpha-Käfig” bezeichnen.

Gitter des Zeolith A mit markiertem alpha-Käfig
Die Wände des Alpha-Käfigs in diesem Ausschnitt aus dem Zeolith-A-Gitter sind dunkel eingefärbt.

Im Zeolith A sind ebenso viele Silizium- wie Aluminium-Atome enthalten – die Verhältnisformel für diesen Zeolith lautet damit:

Na12((AlO2)12(SiO2)12) · 27 H2O

Zeolith-Kristalle sind Riesen-Anionen

Wenn ihr euch die allgemeine Verhältnisformel der Zeolithe oder die für Zeolith A genauer angesehen habt, ist euch vielleicht das “-” an der Aluminium-Einheit aufgefallen. Richtig: Jeder Aluminium-Tetraeder im Gitter trägt eine negative elektrische Ladung. Damit ist das ganze Kristallgitter eines Zeoliths ein einziges riesiges und tausendfach geladenes Anion!

So etwas lässt die Natur aber nicht einfach frei und einsam existieren…entgegengesetze Ladungen müssen für den Ausgleich her. Hier kommen die positiven Metall-Ionen Mn+, die ganz links in der Verhältnisformel stehen, ins Spiel. Für jede negativ geladene Aluminium-Einheit muss ein einfach positiv geladenes (n = 1) Metall-Ion her. Wenn mehrfach positiv geladene (n > 1) Metall-Ionen zur Hand sind, ist die Anzahl x der Aluminium-Einheiten durch die Ladungszahl der Metall-Kationen zu teilen (x/n).

Zeolith A enthält einfach geladene Na+-Ionen – 12 davon für 12 Aluminium-Einheiten, die in den Lücken im Gitter Platz finden und sich locker um das negativ geladene Gerüst herum anordnen.

Zeolithe sind molekulare Schwämme

Ausserdem ist in den Lücken noch reichlich Platz für Wassermoleküle. Die finden sich ganz rechts in der Verhältnisformel wieder. Die Wassermoleküle umhüllen sowohl die Metall-Kationen als auch das Gitter selbst, was den Metallionen den Aufenthalt im Gitter erst richtig gemütlich macht (eine Wasserhülle (in Chemikersprache: “Hydrathülle”) um ein wasserlösliches Ion enthält weniger Energie als das Ion ohne Hülle, was den umhüllten Zustand erstrebenswerter macht).

Durch Erhitzen können diese Wassermoleküle jedoch zum Verdampfen gebracht werden und den Kristall verlassen. Das ist eine charakteristische Eigenschaft von sogenanntem “Kristallwasser”, das einer chemischen Formel mit einem “*” bzw. Multiplikations-Punkt angehängt wird.

Auf eine Grundeinheit des Zeolith-A-Gitters kommen so normalerweise 27 Wassermoleküle.

Was hat die grosse Menge Zeolith A in Waschmitteln zu suchen?

Zeolithe können Wasser enthärten!

Die Hohlräume der Kristalle der Zeolithe enthalten von Wasser umhüllte Natrium-Ionen. Diese Ionen sind damit regelrecht im Kristallwasser gelöst. Das macht sie leicht darin beweglich. Tatsächlich können sie sich durch den ganzen Kristall und hinaus bewegen. Wenn sich nun andere Metall-Ionen finden, die es in einem Zeolith-Kristall noch behaglicher finden, können die Natrium-Ionen deshalb ganz leicht gegen solche ausgetauscht werden.

Und in unserem Leitungswasser, mit welchem wir unsere Wäsche waschen, finden sich solche Ionen zuhauf. Es ist schliesslich mehr oder weniger “hart” – es enthält Kalk: Calciumcarbonat, genauer gesagt Calcium- (Ca2+) und Carbonat- (CO32-) Ionen.

[Für die Chemiker unter euch: Carbonat CO32- ist natürlich eine Base und reagiert mit Wasser zu Hydrogencarbonat- (HCO3) und Hydroxid-Ionen (OH) weiter, anstatt einfach gelöst zu werden. Aber das ist hier für einmal nicht von Bedeutung.]

Zusammen bilden diese beiden die gefürchteten Kalkbeläge, welche die Leitungen in unseren Waschmaschinen verstopfen und die Wäsche steif machen können. So etwas will keiner haben.

Wenn Zeolithe im Waschwasser sind, machen es sich die Calcium-Ionen jedoch lieber in den Hohlräumen des Zeolith-Gitters gemütlich und verdrängen dabei die Natrium-Ionen aus dem Zeolith A. Einen vollständigen Austausch von Natrium- gegen Calcium-Ionen könnte man so beschreiben:

Na12((AlO2)12(SiO2)12) · 27 H2O + 6 Ca2+(aq) –> Ca6((AlO2)12(SiO2)12) · 27 H2O + 12 Na+(aq)

Nachdem die Calciumionen sich im Zeolith eingerichtet haben, bleiben im Wasser Natrium- und Carbonat-Ionen zurück. Und Natriumcarbonat (auch als “Soda” bekannt) ist sehr gut wasserlöslich. So lagert es sich weder in der Maschine noch in der Wäsche ab und kann einfach fortgespült werden.

Das Gleiche geschieht mit dem Zeolith-Pulver. Das ist zwar nicht wasserlöslich, aber so fein gemahlen, dass es einfach mit weggeschwemmt wird.

Womit hat man früher Wasser enthärtet?

Künstliche Zeolithe wie Zeolith A kommen erst seit den späten 1970er Jahren in Waschmitteln zum Einsatz. Davor haben Gerüste aus Phosphor und Sauerstoff – also Phosphate – diese Aufgabe übernommen. Die Phosphat-Gerüste neigen allerdings dazu zu zerfallen, was sie zu ergiebigen Nährstoffen für Pflanzen macht.

Als solche Phosphate vermehrt mit Abwässern in die Umwelt gelangten, wurde das rasch zum Problem: Die Nährstoff-Schwemme führte zu Überdüngung und brachte viele ökologische Systeme aus dem Gleichgewicht. So wurden die Phosphate zunehmend durch Zeolithe ersetzt. Denn letztere sind schliesslich Steine – die taugen nicht als (unnötiger) Dünger.

Einen Haken haben Steine aber dennoch: Sie sind wasserunlöslich. Damit gelangt das ganze Zeolith-Pulver unverändert mit dem Abwasser in die Kläranlagen…und was gibt pulverisiertes Gestein in Wasser? Richtig: Schlamm. Und der sammelt sich in den Klärbecken. Seit Zeolithe in Waschmitteln zum Einsatz kommen, müssen Klärwerke deshalb mit merklich mehr Klärschlamm fertig werden – Grund genug, auch phosphatfreie (und zeolithhaltige) Waschmittel nicht in übertriebenen Mengen einzusetzen.

Zeolithe als Helferlein im Katzenklo

Habt ihr Katzen daheim? Dann kennt ihr Zeolithe wahrscheinlich auch von anderswo. Nämlich aus dem Zoohandel. Da wird nämlich gerne ein Naturzeolith (also ein natürlich vorkommendes Mineral) namens Klinoptilolith als Katzenstreu angeboten.

Die porösen Kristallgitter lassen sich nämlich nicht nur als Ionenaustauscher nutzen, sondern auch wie ein richtiger Schwamm! Das geht dann besonders gut, wenn der Zeolith etwa ebenso viele Silizium- wie Aluminiumatome enthält. Das synthetische Zeolith A ist ein gutes Beispiel dafür: Hier ist das Verhältnis zwischen Silizium und Aluminium 1:1. Aber auch Klinoptilolith mit 5:1 ist noch ein wunderbarer Schwamm.

Diese Zeolithe sind nämlich wahnsinnig heiss darauf, ihre Poren mit zusätzlichem Wasser aus ihrer Umgebung zu füllen (buchstäblich: Da es das Wasser in den Poren so bequem hat, wird eine Menge Energie, genannt “Adsorptionswärme”, dabei frei.

Doch damit nicht genug: Mit dem Wasser saugen sie auch vieles auf, was darin gelöst ist. Zum Beispiel Geruchsstoffe im Katzenurin. So werden die Nasen der menschlichen Dosenöffner geschont, während die Katze ihr Geschäft in natürlichem Gesteinsschutt verscharren kann.

Von Zeolith-Katzenstreu zu Pflanzenerde

Natürlicher Gesteinsschutt, der Wasser und überdies noch Nährstoffe (Urin, auch von Katzen, enthält naturgemäss Stickstoffverbindungen) speichert, kann zudem als Bestandteil von Pflanzenerde nützlich sein (andere formstabile Wasserspeicher sind “Superabsorber” aus organischen Polymeren (“Kunststoffen”), die ich in diesem Experiment als Ersatz für Pflanzenerde verwendet habe). Deshalb gilt Katzenstreu aus Naturzeolithen als geeignet für den Kompost.

Eigentlich sollte für synthetische Zeolithe dasselbe gelten – es handelt sich dabei schliesslich um Designer-Steine. Aber “natürlich” hat nunmal die weitaus grössere Werbewirkung – und ist in diesem Fall überdies billiger. Naturzeolithe kommen nämlich nahe der Erdoberfläche vor und können im Tagebau gewonnen werden (mit allen Konsequenzen für die Landschaft). Das künstliche Nachstellen der Entstehung von Steinen – so werden synthetische Zeolithe gemacht – ist hingegen ziemlich aufwändig. Mehr zum Vergleich von natürlichen und synthetischen Zeolithen findet ihr hier.

Zeolith im Geschirrspüler

Die “Saugfähigkeit” von Zeolithen wird seit einigen Jahren auch in der Küche genutzt. Hier kommt eine fest eingebaute Schale mit Zeolith-Pellets in der Spülmaschine zum Einsatz. Und zwar zur energiesparenden Trocknung.

Die Idee dahinter: Nach dem Spülgang ist das Maschineninnere samt Geschirr und Luft noch nass. Ein Ventilator bläst diese feuchte Luft durch den Behälter mit dem Zeolith, welcher das Wasser “aufsaugt” und dabei eine grosse Menge (Adsorptions-)Wärme abgibt. Die Luft kommt also trocken und warm in den Geschirrspüler zurück und bringt dort weiteres Wasser zum Verdampfen, das anschliessend vom Zeolith aufgenommen werden kann.

Beim nächsten Spülgang wird dagegen der Zeolith geheizt, sodass das Wasser aus den Poren im Kristallgitter verdampft und in den Geschirrspüler zurückgeführt werden kann. So wird der Zeolith für die nächste Trocknung wieder einsatzbereit gemacht.

Das Ganze gilt als sehr energieeffizient – allerdings liest man im Netzt viele Berichte über Geschirrspüler Zeolith-Trocknung (zum Beispiel hier und hier), die bereits nach drei bis fünf Jahren reif für eine unwirtschaftlich teure Reparatur sind. Ob diese Berichte repräsentativ sind, kann ich natürlich nicht sagen – aber es scheint, als wäre diese Technologie noch ausbaufähig.

Schaden oder nützen Zeolithe der Gesundheit?

Mehr dazu gibt es nächste Woche im zweiten Teil über Zeolith für Detox-Kuren!

Und wo sind euch Zeolith bzw. Zeolithe bislang begegnet?


Rätsel-Experiment für Kinder: Womit funktioniert der Eiswürfel-Kran?

Wenn es draussen kalt und grau ist, mache ich es mir gerne im Warmen gemütlich. Aber was tun an langen Tagen daheim? Ich habe für euch ein winterliches Rate-Experiment:

Mit welcher “magischen” Substanz könnt ihr einen Eiswürfel an einem Bindfaden befestigen und hochheben?

Nein, ich meine nicht Klebstoff. Der würde an einem Eiswürfel soundso nicht haften, sondern ratzfatz wieder abgehen, wenn das Eis schmilzt. Es gibt jedoch einen anderen Stoff, der den Bindfaden dank eines raffinierten physiko-chemischen Tricks ganz wunderbar am Eiswürfel haften lässt.

Lasst die Kinder den “magischen” Stoff erraten!

Welcher Stoff kann sowas? Lasst insbesondere eure Nachwuchs-Forscher darüber nachdenken (und ratet selbst mit, wenn ihr noch nicht darauf gekommen seid), bevor ihr weiter (vor-)lest. Dann könnt ihr nach folgender Anleitung ganz einfach selbst ausprobieren, ob ihr recht hattet.


Experiment: Wir bauen einen Eiswürfel-Kran


Ihr braucht dazu

  • einen Eiswürfel
  • ein Glas Wasser
  • einen stabilen Holzstab(Schaschlikspiess etc.)
  • ein Stück Bindfaden
  • Zucker oder Salz oder Pfeffer oder Kaugummi
Das braucht ihr: Glas mit Wasser, Holzspiesse, Bindfaden, Eiswürfel

Nur mit einem dieser Stoffe funktioniert das Experiment. Nennt den Nachwuchs-Forschern ruhig diese Vier zur Auswahl. Vielleicht kommen sie selbst darauf, was sie wirklich brauchen. Stattdessen könnt ihr auch alle vier Möglichkeiten ausprobieren.

So geht’s

  • bindet das Stück Bindfaden an euren Stab, sodass ein kleiner Kran entsteht
  • legt den Eiswürfel in das Wasserglas: Er schwimmt (Wieso? s. hier–>Eis wächst)
  • fragt spätestens jetzt die Nachwuchs-Forscher: Was glaubt ihr: Welche der genannten Zutaten ist geeignet, um den Eiswürfel an den Faden zu heften?
  • streut etwas von der “magischen” Substanz auf den Eiswürfel und legt das freie Ende des Fadens dazu.
  • wartet ca. 30 Sekunden
  • hebt den Eiswürfel vorsichtig am Faden aus dem Wasser.

Das könnt ihr beobachten

Wenn ihr die richtige Zutat gefunden habt, haftet der Eiswürfel am Faden, sodass ihr ihn aus dem Wasser heben könnt!

Der Eiswürfel hängt frei am Bindfaden!
Geht nur mit der richtigen Zutat: Der Eiswürfel hängt frei am Bindfaden!

Welches ist die richtige “magische” Substanz?

Erinnert ihr euch an die Wirkweise von Streusalz (die habe ich hier erklärt)? Wenn dessen Ionen sich mit Wasser mischen, bringt das Eis in der Umgebung zum Schmelzen. Die Wassermoleküle sind nämlich derart damit beschäftigt, die Salzionen zu umhüllen, dass sie nicht mehr am stetigen Schmelzen und Gefrieren, das sich zwischen Eis und Wasser abspielt, teilhaben können.

Und dann – so besagt es das Gesetz von Le Châtelier – müssen diese Wassermoleküle ersetzt werden. Indem mehr Eis zu flüssigem Wasser schmilzt, als es das normalerweise tut.

Das Schmelzen aber verbraucht Energie, entzieht der Umgebung also Wärme. Die Umgebung von Salz und Faden kühlt also ab, bis schliesslich selbst das Salzwasser mitsamt dem Faden am Eiswürfel festfriert!

Entsorgung

Sobald das Eis geschmolzen ist, könnt ihr das Salzwasser einfach in den Abfluss geben. Zum Blumengiessen eignet es sich wahrscheinlich nicht mehr, da die Pflanzen zu viel Salz nicht vertragen.

Alltagstipp: Eis und Salzwasser als Kühlmittel

Im Labor nutzen Chemiker die Abkühlung, die Salz in Eiswasser verursacht, zur Kühlung von Experimenten, bei denen zu viel Wärme frei wird. Streusalz ist ein billiges Mittel dafür. Das entstehende Salzwasser ist zudem nicht giftig, sodass es nachher einfach in den Abfluss entsorgt werden kann.

Tafelsalz ist zwar etwas teurer, funktioniert aber ebenso: Wenn eure Getränke im Eiswürfelbad einmal nicht kalt genug werden, gebt etwas Wasser und Salz dazu und rührt vorsichtig, um ein Eisbad zwischen 0°C und -10°C zu erhalten!

Und probiert ihr den Eiswürfelkran selbst aus? Über eure Erfahrungsberichte freue ich mich sehr!

Popcorn : Was den Mais zum Ploppen bringt

Winterzeit ist Popcorn-Zeit! Lange, düstere Tage laden zum Gang ins Kino oder zu gemütlichen Stunden im Heimkino ein. Und zum Film gehört eines praktisch immer dazu: Popcorn. Um so passender ist die heutige Leserfrage:

Was passiert beim Popcornmachen?

Den beliebte Snack könnt ihr herstellen, indem ihr Maiskörner stark erhitzt – in der Pfanne, einer speziellen Popcornmaschine oder der Mikrowelle – bis die Körner regelrecht explodieren und dabei lustig durch ihren Behälter hüpfen. Um zu verstehen, was beim Popcornmachen geschieht, müsst ihr wissen, wie so ein Maiskorn aufgebaut ist.

So ist ein Maiskorn aufgebaut

Wie die meisten Pflanzensamen bestehen Maiskörner aus drei Teilen:

  • dem Embryo, einem winzigen, unscheinbaren “Anfang” einer neuen Pflanze
  • dem Endosperm, einer weichen Masse, die um den Embryo herum das Innere des Samens ausfüllt und der ersten Ernährung des späteren Keimlings dient
  • der Schale, welche den Samen von aussen fest umschliesst
Querschnitt durch ein Samenkorn: a) Schale, b) Endosperm, c)+d) Embryo

Agnieszka Kwiecień ( Nova) [GFDL, CC BY-SA 3.0 or CC BY 2.5], from Wikimedia Commons

Für das Poppen des Popcorns zuständig ist vor allem das Endosperm. Das besteht zu grossen Teilen aus Stärke – einem Naturstoff, der aus beliebig langen kettenartigen Molekülen besteht. Diese Ketten sind durch Querstreben miteinander vernetzt, sodass sie einen regelrechten Molekül-Schwamm bilden.

Ausschnitt aus einem Stärkemolekül mit Verzweigung (Amylopektin)
Ausschnitt aus dem Stärke-Netzwerk im Endosperm: Stärke besteht aus sechseckigen Zuckermolekülen, die miteinander verkettet sind.

Und wie ein richtiger Schwamm ist dieser Molekül-Schwamm mit Wasser vollgesogen – und zwar mit flüssigem Wasser.

Damit das Ganze nicht auseinander fällt oder das Wasser verloren geht, ist das Maiskorn von einer harten, wasserundurchlässigen Schale umgeben.

Was passiert, wenn man Maiskörner erhitzt

Wenn ihr die Maiskörner erhitzt, beginnt das Wasser im Endosperm spätestens ab 100°C zu sieden: Es will verdampfen. Doch Wasserdampf ist (wie alle Gase) extrem raumfordernd: Der Dampf nimmt bei normalem Atmosphärendruck nämlich mehr als 1600 mal mehr Platz ein als flüssiges Wasser!

Allerdings ist die Schale der Maiskörner so steif, dass sich der Dampf in ihrem Innern nicht ausdehnen kann. Stattdessen steigt der Druck im Innern der Maiskörner, sodass weiteres Wasser vorerst nicht verdampfen kann. Erst bei etwa 200°C gibt die Schale schliesslich dem steigenden Druck nach und zerplatzt.

Damit kann das überhitzte Wasser nun schlagartig verdampfen und der Dampf dehnt sich explosionsartig aus. Dabei reisst er den durch die Hitze aufgeweichten Molekül-Schwamm des Endosperms regelrecht auseinander. Das Stärke-Gewebe kühlt dabei schnell ab und erstarrt. So entsteht ein steifes Molekül-Netzwerk, in dessen vergrösserten Zwischenräumen Luft eingeschlossen wird: Ein Popcorn.

Gepopptes Popcorn in zwei typischen Formen: Links ist die Schale in kleine Stücke zerplatzt und das Endosperm konnte sich relativ gleichmässig ausdehnen. Rechts ist die äussere Schicht des Endosperms vom Inneren abgeplatzt, die Schale des Maiskorns befindet sich auf der Rückseite.
Bunchofgrapes [GFDL, CC-BY-SA-3.0 or CC BY-SA 2.5], from Wikimedia Commons

Wie bekommt der Mais Geschmack?

Beim Erhitzen bilden sich im Mais selbst bis zu 23 Aromen, die dem Popcorn den Geschmack und Geruch von geröstetem Getreide verleihen. Für den typischen Popcorn-Geschmack zum Beispiel sorgt 2-Acetyl-1-Pyrrolin (nach Chemiker-Regeln: 1-(3,4-Dihydro-2H-pyrrol-5-yl)ethanon).

Strukturformel des Popcorn-Aromas
2-Acetyl-1-Pyrrolin, das “Popcorn-Aroma”

Werden bei der Zubereitung Fett, Zucker oder/und Salz zum Mais gegeben, bleiben diese Stoffe ebenfalls auf der Oberfläche des Gewebes haften, gehen chemische Reaktionen ein und geben dem Popcorn Geschmack.

Kristallzucker wird bei 143°C bis 160°C zu Karamell, welches das fertige Popcorn als braun glänzende Schicht überzieht. Da bei höheren Temperaturen jedoch bittere Zuckercouleur entsteht, gebt den Zucker nicht zum Poppen mit dazu, sondern vermischt das frisch gepoppte Popcorn erst nachher mit frisch hergestelltem, warmem Karamell!

Funktioniert das mit allen Maiskörnern?

Nein. Damit der Mais bei haushaltstauglichen 200°C platzt, darf die Schale der Körner nicht zu dick sein. Eine ausreichend dünne und dennoch dichte Schale hat nur eine Maissorte: Der sogenannte “Puffmais” (Zea mays ssp. mays convar. microsperma) wird als Popcornmais zum Selberpoppen verkauft.

Einige Körner Popcorn - Mais
Puffmais, auch als Popcorn-Mais bekannt: Die Körner haben eine dünnere, glasigere Schale als andere Maissorten

Wie funktioniert Popcorn in der Mikrowelle?

Ein gewöhnlicher Herd oder das Heizgerät einer Popcorn-Maschine werden warm und übertragen die Wärme direkt auf den Mais. Wärme ist dabei nichts anderes als die Bewegung (in Feststoffen: das Schwingen im festen Teilchengitter) von Teilchen: Die Teilchen in der heissen Herdplatte bewegen sich schnell, schubsen die Teilchen im Topf an, welche wiederum die Teilchen in den Maiskörnern anschubsen – darunter die Wassermoleküle. Und sobald die sich schnell genug bewegen, fangen sie an zu verdampfen.

So heizt ein Mikrowellenherd

Ein Mikrowellenherd gibt seine Energie direkt an Wasser ab – nicht durch Anschubsen von Teilchen wie auf der klassischen Herdplatte, sondern durch elektromagnetische Wellen. Die Wellenlänge dieser Wellen ist genau so gewählt (und liegt im Mikrowellenbereich, deshalb heisst der Herd so), dass sie Wassermoleküle (und weitgehend nur die) in Bewegung versetzen können. Und bewegte Wassermoleküle sind warm.

Unsere Speisen bestehen zu grossen Teilen aus Wasser, welches durch die Mikrowellen erwärmt wird und alle anderen Moleküle in ihrer Umgebung anschubst. So werden die Speisen warm – die Teile des Tellers, die nicht mit Wasser in Kontakt sind, aber nicht.

Popcorn in der Mikrowelle

Beim Popcorn bewirken die Mikrowellen das gleiche wie die Wärmeübertragung durch einen Herd: Wassermoleküle werden in Bewegung versetzt (und damit heiss), bis sie verdampfen wollen. Und wenn der so entstehende Druck in den Maiskörnern hoch genug wird, platzen die Körner auf.

Weil die bis um 200°C erreicht werden können, sind nicht alle Kunststoffbehälter zum Popcornmachen in der Mikrowelle geeignet. Viele Kunststoffe “schmelzen” schon ab 150°C! Deshalb sind Mikrowellenschüsseln aus Keramik oder Glas die besser Wahl.

Wie entsteht buntes Popcorn?

Manche Hersteller färben ihr Popcorn mit knallbunten Farben ein, um dann zum Beispiel bunte Spielzeugbehälter zu füllen. Dazu verwenden sie verschiedene Lebensmittelfarbstoffe (die z.B. auch in Ostereierfarben zum Einsatz kommen).

Wenn ihr das nachmachen möchtet: Färbt euer Popcorn erst nach dem Poppen und Abkühlen! Die üblichen Lebensmittelfarbstoff-Moleküle gehen nämlich schon ab etwa 150°C kaputt und verlieren so ihre Farbe! Das musste ich feststellen, als ich versucht habe, gefärbte DIY-Knete auszubacken.

Popcorn als nachhaltiges Verpackungsmaterial

Ohne Fett und Zucker gepopptes Popcorn kann übrigens wie Styroporflocken als Stossschutz- und Isoliermaterial in Verpackungen verwendet werden. Es ist schliesslich fast genauso leicht wie Styropor, besteht im Unterschied dazu aber aus einem nachwachsenden Rohstoff (Styropor hingegen ist ein Erdölprodukt).

Nach dem Transport des Verpackungsinhalts kann es als Vogelfutter verwendet oder kompostiert (und vielleicht für den Maisanbau wiederverwendet?) werden.

Ich vernasche mein Popcorn allerdings am liebsten – karamellisiert oder mit Karamell und Salz (!), wie wir es während unserer Australienreise im Supermarkt erstanden und ständig mit im Auto hatten.

Und wie mögt ihr euer Popcorn am liebsten?

Winterzeit ist Zeit für Experimente! Weite Teile Mitteleuropas versinken dieser Tage im Schnee. In manchen Regionen rund um die Alpen fällt sogar die Schule aus. Das ist _die_ Gelegenheit, die weisse Pracht näher zu erforschen!

Und da können sogar schon die ganz Kleinen mitmachen, denn die folgenden Experimente sind auch schon für Kinder im Kindegartenalter geeignet.

Was passiert, wenn Schnee warm wird?

Los geht es mit der alles bestimmenden Frage: Was passiert, wenn Schnee warm wird? Die Antwort ist einfach: Er schmilzt. Das weiss doch jedes Kind. Schnee ist ja schliesslich gefrorenes Wasser. Und wenn er schmilzt, wird daraus natürlich flüssiges Wasser.

Aber zur Zeit liegt draussen eine ganze Menge Schnee. Wenn der in ein paar Tagen einfach zu Wasser wird, müssten wir ja förmlich in den Wassermassen versinken….oder? Prüfen wir das doch ganz einfach nach.


Experiment 1: Wieviel Wasser steckt in einem Liter Schnee?


Ihr braucht dazu:

  • Einen Messbecher oder ein durchsichtiges Kunststoffgefäss, in das etwa 1 Liter Wasser passt (Glas kann bei plötzlicher Kälte springen, deshalb ist Kunststoff hier sicherer!)
  • genügend weichen, nicht zu nassen Schnee
  • eine kleine Schaufel
  • eventuell einen wasserfesten Filzschreiber

So geht’s:

Füllt den Messbecher bis zur 1-Liter-Marke mit Schnee. Wenn ihr keinen Messbecher habt, füllt euer Gefäss einfach nicht ganz bis zum Rand und markiert die Füllhöhe mit einem Strich. Wenn Kindergartenkinder noch keine Skala lesen können, kann ein farbiger Strich zur Erinnerung auch auf dem Messbecher angebracht werden.

Ein Liter Schnee, locker in den Messbecher geschaufelt

Stellt den Becher mit dem Schnee in einen warmen Raum und wartet etwa 3 bis 4 Stunden. Wenn ihr so viel Geduld nicht aufbringt, könnt ihr den Becher natürlich auch auf die Heizung oder in einem Topf mit heissem Wasser auf die Herdplatte stellen (Kunststoff nie direkt auf den Herd!). Dann geht es schneller. Gebt nur acht, dass ihr den Messbecher von der Wärmequelle nehmt, sobald der Schnee geschmolzen ist. Sonst verdampft zu viel Wasser!

Was geschieht?

Der Schnee schmilzt nach einiger Zeit vollständig. Es bleibt dabei aber sehr viel weniger als ein Liter Wasser übrig – in meinem Versuch gerade einmal 1/8 Liter (also 125ml)!

1 Liter Schnee geschmolzen: 1/8 Liter Wasser!
Der Schnee ist geschmolzen: Es bleibt nur 1/8 Liter Wasser!

Warum ist das so?

Lasst die Kinder zunächst Vermutungen anstellen. Vielleicht kommen sie ja selbst darauf: Der Schnee füllt das Gefäss nicht lückenlos. Das heisst, er muss Luft enthalten!


Bekommt man das Gefäss auch so voll mit Schnee, dass keine luftgefüllten Zwischenräume mehr bleiben?



Experiment 2: Wieviel Schnee kann man in das 1-Liter-Gefäss stopfen?


Ihr braucht dazu:

  • Den Messbecher oder euer 1-Liter-Gefäss
  • noch mehr Schnee
  • die Schaufel
  • eine Küchenwaage (für Kindergartenkinder, die noch keine Zahlen lesen und vergleichen können, ist eine Balkenwaage oder mechanische Anzeige, z.B. mit Zeiger, direkter erlebbar als eine digitale Waage – aber kein Muss)

So geht’s:

Stellt den leeren, trockenen Messbecher oder das Wassergefäss auf die Waage und schreibt euch das Gewicht auf.

Der leere Messbecher wiegt 112g.
Mein leerer Messbecher wiegt 112 Gramm.

Schaufelt dann draussen Schnee in das Gefäss und drückt ihn nach jeder Schaufelladung so fest hinein wie ihr könnt. Tragt dabei Winterhandschuhe oder arbeitet so zügig, dass euch weder der Schnee schmilzt noch die Finger abfrieren.

Trocknet das Gefäss aussen ab und wiegt es gleich noch einmal. Zieht dann das Gewicht des leeren Gefässes von dem des vollen Gefässes ab. Nun wisst ihr, wieviel Schnee ihr in euer Gefäss gestopft habt!

Messbecher mit Schnee auf der Waage
  • Gewicht meines vollen Messbechers: 653g
  • Gewicht meines leeren Messbechers: -112g
  • Gewicht des Schnees im Messbecher : 541g


Wer schon weiss, dass ein Liter Wasser rund 1 Kilogramm wiegt (für die fortgeschrittenen Physiker und Chemiker unter euch: Die Dichte von Wasser beträgt rund 1kg/l, also 1g/ml), der kann nun schon voraussagen, wie viel Wasser übrig bleiben wird, wenn der ganze Schnee geschmolzen ist. In meinem Messbecher sollten das 541ml sein.



Experiment 3: Wieviel Wasser steckt in dem gestopften Schnee?


Ihr braucht dazu:

  • den vollgestopften Becher von Experiment 2
  • noch ein paar Stunden Zeit oder eine Wärmequelle

So geht’s:

Stellt das mit Schnee vollgestopfte Gefäss an die Wärme und wartet – wie in Experiment 1 – bis der Schnee komplett geschmolzen ist. Dann lest die Skala ab. Wenn ihr keinen Messbecher mit Skala habt, markiert die Füllhöhe mit flüssigem Wasser mit einem zweiten Strich und vergleicht sie mit der Höhe des ersten Striches.

Was geschieht?

Der Schnee ist geschmolzen: Es sind etwas weniger als 550ml Wasser übrig – genau so viel wie erwartet!

Tatsächlich: In meinem Messbecher sind am Ende knapp 550ml Wasser! Genauer ist meine Skala nicht, aber die Rechnung scheint zu stimmen.

Aber: Das ist ja nur wenig mehr als die Hälfte von einem Liter, den ich vorher dicht mit Schnee vollgestopft habe! Obwohl ich mir so viel Mühe gegeben habe und es nicht danach aussah, ist immer noch fast das halbe Gefäss voller Luft gewesen!



Wie kann das sein, dass ich den Schnee einfach nicht dicht genug zusammenquetschen kann?


Noch ein Experiment: Schnee unter der Lupe

Um das zu erforschen, werdet ihr ein technisches Hilfsmittel brauchen: Eine starke Lupe, eine Fotokamera mit Makro-Objektiv oder leistungsstarkem Zoom, oder am besten ein einfaches Mikroskop.

Seht euch damit Schneeflocken oder ganz frisch geschneiten Schnee einmal genauer an (wie genau ihr das anstellt, zeige ich euch hier).

Schneeflocken unter meinem billigen USB-Mikroskop: Es handelt sich wunderschöne filigrane Eiskristalle!

Ihr werdet feststellen, dass Schneeflocken tatsächlich wunderschöne, filigrane Sterne sind, mit vielen Zacken und luftgefüllten Lücken dazwischen. Und diese Sterne bestehen aus Eis! Und Eis wiederum ist hart und steif. So ähnlich wie eure Legosteine.

Und wenn ihr die Legosteine alle zusammen in eine Kiste räumt, verkeilen und verhaken sich Fenster, Bäume und Figuren ineinander. So können sie nicht aneinander vorbei gleiten, so sehr ihr auch von oben darauf drückt. Davon gehen sie allerhöchstens kaputt. Aber es bleibt trotzdem noch reichlich Luft zwischen den Bausteinen.

Das gleiche passiert mit den Schneeflocken, wenn ihr darauf drückt: Die schönen Sterne verhaken sich ineinander, und viele Zacken brechen ab. Ganz zermahlen könnt ihr kleinen Eiskristalle mit blossen Händen aber nicht, sodass immer noch reichlich Luft zwischen den Trümmern bleibt. Und die sind – wie die luftgefüllten Räume dazwischen – so klein, dass man sie mit dem blossen Auge nicht sieht.

Und wenn man nun noch stärker drücken würde?

Beobachtungstipp:

Wenn ihr in einer Gegend seid, in der über längere Zeit sehr viel Schnee liegt und nachschneit (zum Beispiel in einem Skigebiet im Gebirge), betrachtet einmal die aufgestapelten Schneeschichten von der Seite. Das könnt ihr sehr gut, wenn der Schnee sich z.B. auf einer Hecke oder Mauer angehäuft hat: Das Gewicht der oberen Schneeschichten drückt die unteren Schichten zusammen. So werden die unteren Schichten immer dünner und fester.

Damit ergibt sich zum Schluss eine Frage für schlaue Forscher: Was passiert wohl mit den Schneeflocken in den unteren Schichten, wenn immer mehr Schnee oben drauf geschichtet wird…?