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…?

Wie Streusalz wirkt - Nutzen und Gefahren im Winterdienst

(Titelbild: CC BY-SA3.0 by Heidas)

Willkommen im neuen Jahr – mit viel Schnee bis in die Niederungen und entsprechend viel Streusalz auf den Strassen. Letzten Samstag habe ich zwei Schneepflügen zugesehen, die in aller Eile unseren Busbahnhof geräumt haben. Dabei fiel mir am Heck jedes Fahrzeugs gleich ein Streuteller ins Auge. Dieses runde Gerät dreht sich fortlaufend und verteilt – die Zentrifugalkraft ausnutzend – Streusalz auf die frisch geräumte Fläche.

Tatsächlich wird in der Schweiz im Vergleich zu anderen europäischen Ländern – besonders wenn man ihre Grösse und Bevölkerung berücksichtigt – nach wie vor ziemlich viel Salz gestreut. Aber warum machen die Städte und Gemeinden das? Wie kann Streusalz verhindern, dass es Glatteis gibt? Und wie sorgt es dafür, dass Eis und Schnee schmelzen?

Was ist Streusalz?

Das Salz, welches gegen Schnee- und Eisglätte gestreut wird, ist tatsächlich nichts anderes als gewöhnliches Kochsalz, also Natriumchlorid, NaCl. In Ländern wie Deutschland, die auf geniessbares Kochsalz eine Salzsteuer erheben, wird das Streusalz “vergällt”. Das heisst, es werden Stoffe hinein gemischt, die das Salz ungeniessbar machen. Deshalb ist Streusalz – das in grossen Mengen gebraucht wird – oft wesentlich preiswerter als Tafel- oder hochreines Labor-Salz.

Wenn das Streusalz auch bei sehr hartem Frost funktionieren soll, wird das Natriumchlorid zudem mit anderen Salzen wie Calciumchlorid, CaCl2, oder Magnesiumchlorid, MgCl2, vermischt. Diese Salze haben auch bei niedrigeren Temperaturen eine auftauende Wirkung.

All diese Salze bestehen aus Ionen, also elektrisch geladenen Atomen, die sich zu einem Gitter – einem Ionenkristall – zusammengelagert haben. In Wasser werden die Ionen jedoch voneinander getrennt: Jedes dieser Salze löst sich in Wasser. Aus Natriumchlorid entstehen dabei Natrium- und Chlorid-Ionen:

NaCl –(H2O)–> Na+(aq) + Cl(aq)

Wie kann Streusalz verhindern, dass Wasser gefriert?

Wenn flüssiges Wasser auf 0°C oder darunter abkühlt, lagern sich auch Wassermoleküle zu Eiskristallen zusammen. Allerdings sind Wassermoleküle nicht elektrisch geladen. Stattdessen sind die Elektronen in solchen Molekülen nicht gleichmässig verteilt, sodass ein Ende eines Wassermoleküls negativer, das andere positiver geladen ist.

Wasserteilchen mit zwei Ladungs-Schwerpunkten
Das Sauerstoff-Ende (rot) eines H2O-Moleküls hat einen negativen, das Wasserstoff-Ende (weiss) einen positiven Ladungsüberschuss.

Das lässt sich übrigens mit diesem spannenden Experiment ganz einfach zeigen.

Die negativ geladenen Enden wenden sich im Eiskristall den positiv geladenen Enden der nächsten Moleküle zu und umgekehrt. So bestimmen die Ladungsüberschüsse in den Wassermolekülen die Form des Eiskristallgitters.

Ein Modell eines Eiskristalls: Die schwarzen bzw. silbernen “Eckstücke” stellen Wassermoleküle dar, die Verbindungsstäbe stehen für Wasserstoffbrücken zwischen den unterschiedlichen Ladungsschwerpunkten benachbarter Moleküle.

Wenn man nun Kochsalzkristalle (“Salzkörner” sind ganz kleine Kristalle) in flüssiges Wasser mischt, lagern sich die Wassermoleküle mit dem jeweils entgegengesetzt geladenen Ende an die Natrium- und Chlorid-Ionen im Gitter an. Dabei drängen sich die Wassermoleküle derart heftig um die Ionen, dass diese schliesslich aus dem Ionengitter herausgelöst werden! Damit können die einzelnen Ionen vollständig von Wassermolekülen umlagert werden.

Natriumion mit Hydrathülle
Ein Natrium-Ion ist vollständig von Wassermolekülen umgeben, die dem positiv geladenen Ion ihre negativ geladenen Enden zuwenden. An diese innere Hülle lagern sich weitere Wassermoleküle an – das negative Ende wiederum dem Ion zugewandt – an, sodass eine Hydrat-Hülle sehr dick werden kann.

Chemiker sagen, die Ionen sind von einer “Hydrat-Hülle” umgeben, oder – kurz gesagt – “hydratisiert” (das “aq” in der Reaktionsgleichung oben meint genau diesen Zustand: Na+(aq) ist ein Natrium-Ion mit Hydrat-Hülle; “aq” steht dabei für das lateinische “aqua” für Wasser).

Wasser ist nicht multitaskingfähig

Damit sind die Wassermoleküle ziemlich schwer beschäftigt. Nicht einmal bei Temperaturen knapp unter 0°C können sie sich von den Ionen losreissen und ihre Plätze in einem Eiskristall einnehmen. Und da die Hydrathülle eines jeden Ions aus weit mehr als einer Molekül-Schicht besteht, ist schnell ein Grossteil aller Wassermoleküle zu beschäftigt, um zu gefrieren. Das Wasser mit den gelösten und hydratisierten Salz-Ionen bleibt also flüssig.

Erst bei Temperaturen unter -21°C (im Labor) bilden sich Mischkristalle, die aus Salz-Ionen und Wassermolekülen bestehen – kurz gesagt: Salzwasser-Eis. Das Kristallgitter von Salzwasser-Eis ist allerdings bei weitem nicht so regelmässig wie das von reinem Wasser-Eis. Das ganze Mischmasch hält einfach weniger gut zusammen. Deshalb ist der Gefrierpunkt von Salzwasser tiefer als der von reinem Wasser. Chemiker und Physiker nennen diesen Umstand “Gefrierpunkterniedrigung”.

Gefrierpunkterniedrigung auf der Strasse

Streut man also Kochsalz auf eine nasse Strasse, so bildet sich auch bei Temperaturen bis zu etwa -10°C kein Eis. Enthält das Streusalz zudem oder stattdessen Calcium- oder Magnesiumchlorid, kann das Wasser auf der Strasse auch bei bis zu -20°C flüssig bleiben. Diese Salze enthalten nämlich Ca2+– bzw. Mg2+-Ionen, die grösser als Na+-Ionen sind. Damit ist das Gitter von Calcium- bzw. Magnesium-Salzwasser-Eis noch unregelmässiger als das von Natrium-Salzwasser-Eis – und hält entsprechend noch weniger gut zusammen.

Und wenn es bereits friert: Wie kann Streusalz Eis schmelzen?

Eiswasser und Le Châtelier: Eine bewegliche Angelegenheit

Erreicht die Temperatur von Wasser (fest oder flüssig) den Gefrierpunkt (bei 0°C) können sich zuvor bewegliche Wassermoleküle zu einem festen Eiskristall zusammenlagern und sich daraus lösen und zu flüssigem Wasser werden. Das heisst: Während an einigen Orten an der Kristalloberfläche neue Moleküle hinzu kommen, werden an anderen Orten andere Moleküle wieder abgelöst. Ob dabei (mehr) Eis entsteht oder schmilzt, hängt davon ab, ob dem Wasser Energie zugeführt oder entzogen wird.

Sobald nämlich flüssiges Wasser und Eis miteinander vorhanden sind, ist das Ganze ein dynamisches (d.h. bewegliches) System, welches dem Gesetz von Le Châtelier gehorcht (das Le Châtelier höchstselbst uns hier am Flughafen erklärt).

Wird dem Eiswasser Energie entzogen (z.B. durch Kühlung), kommen mehr neue Moleküle zum Eis hinzu, als davon abgelöst werden, sodass irgendwann das ganze Wasser zu Eis erstarrt. Wird stattdessen Energie hinzugefügt (z.B. durch Erwärmen), verhält es sich umgekehrt: Es lösen sich mehr Moleküle vom Eis als hinzu kommen, bis das ganze Wasser flüssig ist.

Mit diesem spannenden Experiment könnt ihr feststellen, dass sich die Temperatur des Eiswassers durch Erwärmen tatsächlich nicht ändert, so lange Eis und Wasser miteinander vorhanden sind!

In einer Umgebung ohne sich verändernde äussere Einflüsse (insbesondere ohne Energie-Austausch, was im Alltag ziemlich unrealistisch ist), kann sich sogar ein dynamisches Gleichgewicht einstellen: Wenn stets ebenso viele Wassermoleküle zum Kristall hinzukommen wie sich davon lösen, gefriert und schmilzt das Wasser ständig – aber die Menge des Eises (und des flüssigen Wassers) ändert sich nicht!

Kochsalz übt einen Zwang auf das System aus

Bringt man nun Kochsalz (oder einen anderen Stoff mit “Auftauwirkung”) in ein solches Eiswasser-System, dann wird ein erheblicher Teil Moleküle des flüssigen Wassers mit der Bildung von Hydrat-Hüllen um die Ionen “beschäftigt”. Diese Moleküle “fehlen” dem Eiswasser-System damit regelrecht. Und gemäss dem Gesetz von Le Châtelier ist das System umgehend darum bemüht, diesen Verlust auszugleichen.

Das Fehlen der flüssigen Wassermoleküle führt also dazu, dass sich mehr Moleküle aus dem Eis lösen, um die Fehlenden zu ersetzen. Das sind mitunter so viel mehr Moleküle, dass insgesamt mehr Wasser flüssig wird als gefriert – obwohl ohne Salz mehr Wasser gefroren wäre! So kann die Gegenwart von Streusalz selbst bei Temperaturen unter 0°C Eis zum Schmelzen bringen.

Wie kommt man bei Frost zum dynamischen System?

Wenn ihr gut aufgepasst habt, werdet ihr jetzt vielleicht einwenden, dass das Auftauen nur funktionieren kann, wenn Eis und flüssiges Wasser vorhanden sind. Und letzteres gibt es bei Frost naturgemäss nicht!

Guter Einwand. Aber die Verwender von Streusalz wissen das natürlich auch. Deshalb streuen sie das Salz gleich mit flüssigem Wasser – als pflotschigen Salz-Matsch oder gar als mehr oder weniger flüssige Salzlösung – also als “Sole” wie die Fachleute so etwas nennen.

Ausprobieren könnt ihr das Ganze hingegen mit trockenem Salz – in eurer warmen Wohnung. Da beginnt Eis nämlich von selbst zu schmelzen und bekommt so eine feuchte Oberfläche. Wie könnt ihr das nutzen? Das zeige ich euch in dieser ganz herzigen Experimentier-Anleitung.

Wie schadet Streusalz der Umwelt?

So nützlich Auftausalz auch ist, bringt es doch eine ganze Reihe von Problemen für die Umwelt, in die es ausgebracht wird, mit sich.

Beeinträchtigung von Gewässern

Die grossen Mengen an Salzen, die auf Strassen und Wege gestreut werden, lösen sich äussert gut in Wasser. Das sollen sie ja auch, denn sonst würde das Ganze nicht funktionieren. Die Salzlösung, die aus Schneematsch und tauendem Eis entsteht, kann jedoch ebenso leicht wie ablaufendes Wasser in umliegende Gewässer geraten. Und Salzwasser hat eine höhere Dichte als das normalerweise dort vorhandene Süsswasser: Ein Volumen an Salzwasser ist schwerer als das gleiche Volumen Süsswasser!

Ein natürliches Gewässer, das aus mehreren Wasserschichten unterschiedlicher Temperatur und Dichte besteht (die Dichteanomalie des Wassers führt dazu, dass reines Wasser bei rund 4°C die grösste Dichte hat), kann durch den Zufluss von Salzwasser von gestreuten Strassen eine oder mehrere neue Schicht/en erhalten. Solche neuen oder veränderten alten Schichten bringen die natürliche, temperaturgesteuerte Umwälzung der Wassermassen im Gewässer durcheinander, was die Verteilung von Sauerstoff und Nährstoffen beeinträchtigt und damit die Lebewesen im Gewässer gefährdet.

Schädigung von Bäumen und anderen Pflanzen

Die Gewächse im Binnenland und in Süssgewässern sind daran angepasst, dass sie Süsswasser “trinken” und ihre Nährstoffe daraus beziehen können. Das heisst, der Austausch von Wasser und darin gelösten Stoffen zwischen Wurzeln oder Blättern und ihrer Umgebung, der auf Osmose beruht (die ihr hiermit genauer erforschen könnt) ist fein auf einen geringen Salzgehalt abgestimmt.

Kurz gesagt nehmen viele Pflanzen- (und andere) Zellen um so mehr Wasser auf, je mehr Salze sie enthalten – und geben Wasser ab, wenn draussen mehr Salze sind als in ihrem Inneren. Das gilt jedoch nicht für Wurzeln, die Wasser mitsamt der darin enthaltenen Mineralstoffe (die nichts anderes als Salz-Ionen sind) aufnehmen sollen, von welchen die Pflanze sich ernährt.

Geraten diese Pflanzen nun unverhofft an Salzwasser von gestreuten Strassen, “trinken” sie das Wasser mitsamt dem vielen Salz. Das wiederum wird in die verschiedenen Pflanzenzellen verteilt und zieht weiteres Wasser nach sich: Die Zellen schwellen an und funktionieren nicht mehr richtig. In Folge dessen kränkeln die Pflanzen und gehen im schlimmsten Fall ein.

Tiere bekommen wunde Pfoten

Wer schon einmal mit einem Kratzer in der Haut im Meer gebadet hat, wird es selbst erfahren haben: Salzlösung tut weh! Sie kann die Haut reizen, besonders an empfindlichen vorgeschädigten Stellen. Wie zum Beispiel in den Zehenzwischenräumen von Säugetieren. Wenn es uns Menschen juckt oder zwickt, dann kratzen wir – die Tiere hingegen lecken solche wunden Stellen mit der Zunge. Im Speichel der Tiere wiederum lauern Keime, die so an die wunden Stellen geraten und Infektionen hervorrufen können, welche zu stärkeren Entzündungserscheinungen führen. Und mehr Salz in diesen Wunden tut wiederum weh, sodass mehr geleckt wird…

Mit dem Haushund oder der Katze können wir zum Tierarzt gehen, Salben auftragen und eine Halskrause anlegen, um das Lecken zu unterbinden – begeistert werden die Haustiere davon aber nicht sein. Und Wildtiere wie Füchse können in der Regel nicht einmal auf diese Hilfe zählen.

Korrosion von Metall- und Betonbauteilen

Vielleicht ist euch ja auch schon einmal aufgefallen, dass man in Häfen oder allgemein an der Meeresküste besonders viel Rost antrifft – tatsächlich rostet Eisen, das Kontakt mit Salzwasser hat, deutlich schneller als Eisen fernab vom Meer.

Das rührt daher, dass Wasser mit darin gelösten Salz-Ionen wesentlich besser elektrischen Strom leitet als Süsswasser oder gar reines Wasser. Und elektrische Leitfähigkeit ist für das Rosten und ähnliche Prozesse, die die Chemiker als “Korrosion” zusammenfassen, unverzichtbar. Korrosion ist nämliche eine Folge chemischer Reaktionen, bei welchen zwischen den Reaktionspartnern Elektronen ausgetauscht werden. Und Elektronen (oder andere geladene Teilchen) auf Wanderschaft sind…elektrischer Strom.

So können durch salzhaltiges Wasser Elektronen vom Eisen direkt zu dessen Reaktionspartnern wandern, was die Korrosion – das Rosten – besonders einfach macht. Was genau dabei geschieht, könnt ihr übrigens hier in meiner Rostparade nachlesen.

Autos, die über gesalzene Strassen fahren, rosten also ebenso schneller wie Brücken und andere Bauwerke aus Eisen, Stahl oder Stahlbeton, die rund um solche Strassen stehen.

Gibt es Alternativen zum Streusalz?

Da die Probleme, welche das Streuen mit Salz mit sich bringt, den Winterdiensten wohlbekannt sind, gibt es verschiedene Alternativen, die jedoch alle ihren eigenen Haken haben:

Harnstoff oder Ammoniumsulfat

Diese beiden Verbindungen haben eine ähnliche auftauende Wirkung wie Kochsalz und seine schwereren Verwandten. Allerdings enthalten sie Stickstoff (Harnstoff ist CO(NH2)2,Ammoniumsulfat ist (NH4)2SO4 !) in Verbindungen, die für viele Pflanzen sehr nahrhaft sind. Massenweise auf Strassen ausgebracht und im umliegenden Boden versickert können sie daher zu Überdüngung führen. Ausserdem ist auch Ammoniumsulfat eine Ionenverbindung und bringt die gleichen Probleme mit sich wie alle anderen Salze auch.

Abstumpfendes Streugut: Split, Sand, Blähton und ähnliches

Solche Streugüter sind im Prinzip nichts anderes als zerkleinerte Steine – weitgehend wasserunlöslich und unreaktiv. Damit gefährden sie zwar nicht den Stoffwechsel von Pflanzen und Tieren, müssen nach der Verwendung aber wieder eingesammelt und entsorgt werden. Würde man das nicht tun, würden Sand und Steinsplitter irgendwann Rinnsteine und Abflüsse verstopfen.

Und die Entsorgung oder gar Wiederaufbereitung von Streugut ist alles andere als einfach. Nachdem nämlich unzählige Autos darüber gefahren sind, ist das Streugut von Reifenabrieb und anderem Schmutz verunreinigt. Der müsste erst vom Streugut abgeschwaschen und dann seinerseits umweltschonend entsorgt werden.

Was ihr tun könnt, wenn euer Gehweg überfriert

Wenn ihr in Deutschland oder Österreich wohnt, werdet ihr keine grosse Wahl haben. Hier ist nämlich der Einsatz von Streusalz für Privatpersonen verboten (die Winterdienste der Kommunen streuen hingegen bei extremen Wetterbedingungen Salz auf den Strassen).

In der Schweiz gibt es dagegen kein generelles Verbot, sodass ihr hierzulande selbst entscheiden könnt, ob und womit ihr eure Gehwege streut.

Auf eurem privaten Garten- oder Fussweg, fernab von zahllosen Gummireifen, ist abstumpfendes Streugut eine gute Wahl für Pflanzen und Tiere. Ihr werdet es bloss immer wieder nachstreuen und schliesslich wieder einsammeln müssen, sobald Schnee und Eis geschmolzen sind.

Die beste Massnahme gegen Eisglätte auf Wegen und Strassen ist letztendlich das Schneeschippen. Denn was einmal geräumt ist, kann nicht mehr überfrieren und schmilzt im Frühjahr rückstandslos weg. Einzig bei überfrierendem Regen hilft das Schaufeln auch nicht weiter. Aber meiner Erfahrung nach ist das selbst hier in der Schweiz eine Ausnahme-Wettererscheinung.

Bevor ihr irgendetwas streut, empfehle ich euch, erst einmal zu schaufeln was das Zeug hält. Denn ganz ohne den Einsatz von Streugut wird es im heutigen Strassenverkehr kaum mehr gehen. Aber die Menge des dabei verwendeten Streusalzes kann so gering wie möglich gehalten werden. Und dabei könnt ihr alle mitmachen!

Und wie geht ihr gegen Schnee- und Eisglätte vor?

Forscher-Advent: 13 Experimente mit Kerzen

Liebe Leser,

Ich wünsche euch allen ein grossartiges neues Jahr voller Experimente und spannender Naturbeobachtungen! Nach unserer grossen Reise durch Australien war binnen weniger Tage Weihnachten…und das Jahr 2018 genau so schnell zu Ende.

So sind nun noch reichlich Kerzen übrig – und ebenso dunkle Tage im Januar, die sie erleuchten können. Habt ihr auch noch Kerzen? Dann habt ihr jetzt eine wunderbare Gelegenheit zu einer ganzen Reihe spannender Experimente!

Vorgestellt habe ich die Experimente mit Kerzen und Flammen bereits vor Weihnachten im Rahmen des Adventskalenders des Netzwerks Schweizer Familienblogs bei den Angelones – und dort findet ihr auch jetzt noch alles, was ihr zum Mitexperimentieren braucht und wissen müsst.

Viel Freude beim Stöbern und Mitexperimentieren wünscht

Eure Kathi Keinstein

Weihnachten mit Keinsteins Kiste: Experimente und mehr im Advent

Liebe Leser, Ich verbringe die Adventszeit dieses Jahr ganz unweihnachtlich im warmen Australien. Das bedeutet aber nicht, dass ihr ganz auf adventliche Experimente und Weihnachtsgeschichten aus der Naturwissenschaft verzichten müsst. Davon habe ich nämlich in den letzten Jahren so einige gesammelt, die nach wie vor spannend sind und viel Spass machen. Und dazu kommt dieses Jahr noch ein ganz neuer Artikel mit sage und schreibe 13 Experimenten! Deshalb gibt es heute eine Übersicht über alle Beiträge in Keinsteins Kiste zu Chemie und mehr rund um Advent und Weihnachten, die bis Weihnachten 2018 erschienen sind.

Experiment: Wie setzt sich Kerzenlicht zusammen? Untersucht Lichtquellen mit einem selbstgebauten Spektroskop!

Ihr möchtet euch die Wartezeit im Advent mit Forscher-Aktivitäten versüssen? Dazu braucht es nicht viel – nur eine Pappschachtel und eine alte CD. Damit könnt ihr nach dieser Anleitung ganz einfach ein eigenes Spektroskop bauen!

Spektroskop im Einsatz

Ich probiere das Keksschachtel-Spektroskop am Adventskranz aus

Schaut durch dieses Gerät auf eine Lichtquelle, und ihr könnt die einzelnen Farben sehen, aus welchen das Licht besteht. Gibt es Unterschiede zwischen Kerzenlicht und LED-Lichterketten? Strahlen Leuchtstoffröhren anders als die Sonne? Findet dies und mehr hier selbst heraus!

Weihnachtsgeschichte: Was war der Weihnachtsstern wirklich?

Diese Frage hat die neunjährige Sarah ihrem Onkel Balthasar gestellt, der ein echter Himmelsforscher ist. Der nimmt sie mit an seinen Arbeitsplatz, eine richtig grosse Sternwarte. Mit Hilfe von Onkel Balthasars Forscher-Kollegen findet Sarah heraus, wie die bunten Farben eines Lichtspektrums den Wissenschaftlern von der Zusammensetzung der Sterne erzählen. Dabei begegnet sie einigen fantastischen Himmelserscheinungen. Ob der Weihnachtsstern, dem die drei “heiligen Könige” nach Betlehem folgten, auch dabei ist? Wissenschaft zum Vorlesen (und Selberlesen), verpackt in eine weihnachtliche Geschichte findet ihr in diesem Beitrag! Der Weihnachtsstern : Himmelsphänomen oder Fantasieprodukt?

Spannende Wissenschaft: Der molekulare Weihnachtsmann

Auch in unseren Zellen weihnachtet es – und das das ganze Jahr über. Da spaziert nämlich ein Molekül von den Fabriken im Zellinnern zur Zellaussenhaut und schleppt einen grossen Sack voller Geschenke mit sich….ja, richtig gelesen: Da _spaziert_ ein Molekül! Dieses Molekül ist das Transportprotein Kinesin, das sich tatsächlich auf eigenen Füssen an den Streben des Zellskeletts entlang bewegen kann. In vielfacher Ausführung kann es so säckeweise frisch produzierter Hormone zum Versand durch Aussenhülle der Zelle verfrachten. Und einige dieser Hormone können uns wahrhaft glücklich machen. Damit wird der molekulare Weihnachtsmann wahrlich seiner Rolle gerecht. Ein Kinesin-Molekül läuft mitsamt Geschenkesack über ein Aktin-Filament Erfahrt in diesem Einblick in die Zellbiologie, wie Kinesin-Moleküle laufen lernen und mit Hilfe fleissiger Weihnachtselfen ihre Geschenke ausliefern. Und wo es einen Weihnachtsmann gibt, gilt immer (auch hier): Obacht vor dem Grinch! Oder möchtet ihr selbst im Forscher-Labor Geschenke basteln? Da habe ich gleich drei Vorschlage:

Experiment: Weihnachtskugeln mit Silberspiegel

Warum kann man sich eigentlich in Christbaumkugeln spiegeln? Weil sie mit Silber beschichtet sind – und zwar von innen! Aber wie kommt das Silber in die Glaskugel? Das könnt ihr in diesem Experiment ausprobieren und dabei eure eigenen Kugeln verspiegeln.

Links eine unbehandelte Ersatzkugel, rechts die selbst verspiegelte Kugel

Dazu benötigt ihr Silbernitrat – ein Salz, das Silber-Ionen enthält. Ihr bekommt es in der Drogerie oder Apotheke – für ein paar Franken oder Euros, die in diese ganz besondere “Bastelarbeit” gut angelegt sind. Schliesslich kommt ja echtes Silber dabei raus! Um aus diesen Silber-Ionen das spiegelnde Edelmetall zu machen, braucht ihr nichts weiter als Zucker und eine Wärmequelle. Den Rest – wie ihr das Silbersalz dazu bringt, auf der Kugeloberfläche zu Silber zu reagieren und wie ihr die Reste sicher entsorgt (Silber ist ein Schwermetall!) – erfahrt ihr hier in der Experimentier-Anleitung.

Experiment: Kristalle züchten

Neben spiegelnden Christbaumkugeln machen sich auch funkelnde Kristallsterne gut als Baumschmuck. Und die könnt ihr ganz einfach selber züchten. Ihr braucht dazu Alaun – ein Salz, das ihr in der Apotheke oder Drogerie kaufen könnt, und destillatgleiches Wasser (“Bügelwasser”), das ihr in jedem Supermarkt beim Haushaltszubehör findet. Dazu kommen ein paar Tage Geduld und ihr könnt wunderschönen Kristallen beim Wachsen zusehen. Mit diesen Kristallen lassen sich natürlich nicht nur Sterne züchten – eurer Fantasie sind keine Grenzen gesetzt: Sollen es lieber Herzen, Engel, Tannenbäume sein? Und wenn ihr Zugang zu anderen, farbigen Salzen habt (wie Kupfersulfat oder Chrom-Alaun), könnt ihr sogar farbigen Baumschmuck züchten! Hier in der Experimentier-Anleitung bei den Monstamoons stelle ich die schneeweisse Ausführung mit einfachem (Kali-)Alaun vor.

Experiment: Schneekugeln selber machen

Eine selbstgestaltete Schneekugel ist ein wunderschönes Geschenk für eure Lieben! In der ganz einfachen Ausführung wird einfach Glitzer in destillatgleiches Wasser gemischt und in ein gestaltetes Glas gefüllt. Was aber, wenn ihr “richtige” Schneeflocken in eurer Kugel haben wollt? DIY Schneekugeln mit Benzoesäure Die könnt ihr aus Benzoesäure selbst herstellen. Dem Namen zum Trotz ist Benzoesäure ein Feststoff, eine organische Verbindung, die oft als Lebensmittelzusatzstoff zum Einsatz kommt. Deshalb könnt ihr sie auch problemlos in der Drogerie oder Apotheke kaufen. Zur Herstellung von Schneeflocken wird das kochsalzähnliche Pulver direkt im Schneekugel-Wasser “umkristallisiert”. Wie das geht, zeige ich euch hier in der Experimentier-Anleitung gemeinsam mit Mikkis Weihnachtengeln.

Experimente: 13 Versuche mit Kerzen

Und damit euch auch ganz bestimmt nicht langweilig wird, gibt es zum Schluss noch etwas Neues: Im Rahmen der Advents-Blogparade der IG Schweizer Familienblogs bei den Angelones stelle ich euch 13 ganz einfache Experimente mit Kerzen vor. Ganz einfach heisst dabei aber nicht weniger spektakulär. Denn eine Kerzenflamme ist nicht nur heiss und hell, sondern über alle Massen faszinierend. Warum brennen Kerzen eigentlich? Könnt ihr eine Kerzenflamme um ein Hindernis herum ausblasen? Wie erschafft man eine halbe Flamme? Was passiert, wenn man ein Glas über eine Kerze stülpt? Warum sind Adventskranz und Weihnachtsbaum brandgefährlich? Die Antworten auf diese und mehr Fragen könnt ihr in dieser Experimentier-Anleitung und vor allem durch selbst Ausprobieren finden! Forscher-Advent: 13 Experimente mit Kerzen   Nun wünsche ich euch viel Spass beim Lesen, Stöbern, Basteln und Experimentieren im Advent! Zumindest rechtzeitig zu Weihnachten werden wir wieder im Lande sein. Und dann würde ich mich sehr über eure Berichte und Ergebnisse vom Nachbasteln und -Experimentieren freuen! Eure Kathi Keinstein