Ihr könnt zu Hause selbst zu Forschern werden und die Natur erkunden! Spannende Experimente zur Chemie, Physik und Biologie für kleine und grosse Naturforscher zu Hause oder im Schulzimmer findet ihr hier!

Experiment: So wachsen Zinkbäume!

Was sind Zinkbäume? Pflanzen, die ganz aus Metall sind? Und wie können sie wachsen?

Mit Hilfe von elektrischem Strom! Wenn ihr eine Sicherheitsnadel verkupfert, könnt ihr beobachten, wie Metallatome in Form von Ionen durch Flüssigkeit von einem Metallstück zun nächsten wandern. Indem ihr statt einer Flüssigkeit festes Gemüse verwendet, könnt ihr diesen Umstand nutzen, um eine Kartoffelbatterie zu bauen. Aber wenn ihr schon eine gute Batterie oder ein Netzteil habt, könnt ihr das auch verwenden, um den Ionen vorzuschreiben, in welche Richtung sie wandern sollen. Zum Beispiel, um faszinierende Metallbäumchen wachsen zu lassen!

Ich habe dieses Experiment schon vor Jahren zu Hause gemacht, es aber bislang nicht verbloggt, weil die dabei verwendeten Stoffe nicht ganz ungefährlich sind. Unter anderem kann dabei Chlorgas entstehen. Lest deshalb die Beschreibung sehr gut durch – denn Sicherheitsmassnahmen und besonderer Aufwand bei der Entsorgung sind nötig! Wenn ihr alle Hinweise beherzigt, könnt ihr aber auch mit dem Chlor sicher umgehen.

Ihr braucht dazu

  • Zwei grosse Stahlnägel
  • Einen Weinkorken
  • Klebefilm
  • Einen kleinen, flachen Behälter (z.B. Tupperdose für Streichwurst)
  • Gleichstromquelle: Eisenbahntrafo, Netzteil, 9V-Batterie oder Batterieblock (Spannung sollte mindestens 3V betragen!)
  • Kabel oder Litze zum Verdrahten
  • Krokodilklemmen oder Löt-Ausrüstung
  • Zinkchlorid (ZnCl2)GHS-Symbole: Ätzend, Achtung, Umweltschädlich oder Zinkiodid (ZnI2)GHS-Symbole: Ätzend, Umweltschädlich
  • Destilliertes bzw. destillatgleiches Wasser (letzteres gibt es im Supermarkt)
  • Ggfs. Werkzeug und robuste Arbeitsplatte, um die Nägel zu knicken
  • Natriumthiosulfat (oder ähnliches Reduktionsmittel) für die Entsorgung
Das braucht ihr, um Zinkbäume wachsen zu lassen: Zinkchlorid, Wasser, Stromquelle, Eisennägel mit Kabel, Behälter, Korken, Klebefilm

Zinkchlorid oder Zinkiodid?

Bei der Elektrolyse von Zinkchlorid entsteht gasförmiges Chlor (Cl2), das aggressiv reagiert (es ist ein starkes Oxidationsmittel) und giftig ist. Sorgt deshalb beim Experimentieren für eine gute Belüftung: Wenn ihr ein Labor habt, arbeitet im Abzug, sonst am besten im Freien! Chlor löst sich weniger gut in Wasser und hat eine blassgrünliche Farbe. So nimmt es euch nicht die Sicht auf den Nagel, an dem die Zinkbäume wachsen.

Bei der Elektrolyse von Zinkiodid entsteht Iod (I2), das ein Feststoff ist. So besteht praktisch keine Gefahr, dass ihr etwas davon einatmet. Dafür ist Iod in Wasser gelblich bis kräftig braun, sodass es im schlimmsten Fall die Sicht auf die Zinkbäume am Nagel nebenan nehmen kann.

Somit haben beide Stoffe ihre Vor- und Nachteile. Ich überlasse es euch zu entscheiden, welchen ihr verwendet. Ich selbst habe mich, obwohl ich zu Hause keinen Laborabzug habe, für Zinkchlorid entschieden und das Experiment auf dem Balkon aufgebaut. So hatte ich sicher freie Sicht für alle Aufnahmen.

Verwendet von beiden möglichen Chemikalien so wenig wie möglich, denn so entsteht einerseits möglichst wenig giftiges Chlor, andererseits müsst ihr umso weniger entsorgen, je weniger Chemikalien ihr einsetzt!

So geht’s

  • Bearbeitet beide Nägel so, dass sie nach etwa einem Drittel ihrer Länge einen Knick von ca. 120° machen.
  • Verbindet die abgeknickten Köpfe der Nägel mit Kabeln, die ihr später an eure Stromquelle anschliessen könnt. Entfernt dazu die Isolierhülle der Litze und lötet je ein Kabelende an einem Nagel fest oder, wenn ihr Experimentierkabel mit Krokodilklemmen verwendet, klemmt jedes davon an Kopf eines Nagels.
  • Schneidet den Weinkorken längst in zwei Hälften. Klebt die Nägel so auf die Wölbung einer Korkenhälfte, dass sie sich nicht berühren! Die abgeknickten Köpfe mit den Lötverbindungen bzw. Klemmen sollen dabei nach oben ragen. Legt die Korkenhälfte mitsamt der Nägel in den kleinen Behälter und klebt ihn mit dem Klebefilm am Boden fest (der Korken soll nicht wegschwimmen!).
  • Löst rund 13,5g Zinkchlorid oder 31,9g Zinkiodid in 100 Milliliter destilliertem Wasser auf. So erhaltet ihr eine Lösung mit einer Konzentration von rund 1 mol/l (Mehr zu Stöchiometrie hier).
  • Gebt eben so viel von dieser Lösung in den Behälter mit den Nägeln, dass die flach liegenden Teile der Nägel vollständig bedeckt sind. Die abgeknickten Enden mit den Kontakten sollen jedoch ausserhalb der Lösung und trocken bleiben!
  • Verbindet einen Nagel mit dem Plus-, den anderen mit dem Minuspol eurer Stromquelle.
  • Wenn alles bereit ist, schaltet den Strom ein und dreht ihn ggfs. (wenn ihr einen Trafo mit Drehschalter benutzt) langsam auf.
  • Schaltet den Strom unbedingt wieder ab, wenn eure Zinkbäume gross genug sind!

Zinkbäume: Das könnt ihr beobachten

Wenn eine ausreichend hohe Spannung anliegt, bildet sich auf dem Nagel am Pluspol ein mattgrauer Überzug, aus dem bald feine metallische Verästelungen in Richtung des anderen Nagels herauswachsen: Auf dem Nagel wachsen kleine Zinkbäume!

Blick von oben in das Versuchsgefäss nach 20 Minuten Laufzeit: Am rechten Nagel wachsen Zinkbäume in Richtung des linken Nagels. Gelöstes Chlor lässt die Flüssigkeit ein wenig grün erscheinen.
Mein Versuchsgefäss nach 20 Minuten Laufzeit: Die Zinkbäume am rechten Nagel wachsen entlang des elektrischen Feldes (das die Bewegungsrichtung der Ionen vorgibt) zwischen den Nägeln. Gelöstes Chlor lässt die Flüssigkeit etwas grünlich erscheinen.

Wenn ihr eine Zinkchlorid-Lösung verwendet, bilden sich am anderen Nagel kleine Gasblasen und ihr könnt bald einen stechenden Geruch wahrnehmen. Möglicherweise könnt ihr auch erkennen, dass das Gas eine grünliche Farbe hat.

Achtung! Atmet das Gas nicht ein! Es handelt sich um giftiges Chlor (Cl2)! Deshalb sollt ihr dieses Experiment unbedingt im Freien oder in einem Labor im laufenden Abzug (“Kapelle”) machen. Lasst das Experiment nicht unnötig lange und nicht unbeaufsichtigt laufen, ganz besonders, wenn ihr im Freien experimentiert!

Wenn ihr eine Zinkiodid-Lösung verwendet, entsteht kein Gas. Dafür färbt sich die Flüssigkeit um den zweiten Nagel mit der Zeit bräunlich. Das elementare Iod (I2) ist bei Raumtemperatur nämlich ein Feststoff, der sich in einer Lösung mit Iodid-Ionen lösen kann oder sich in kleinen, festen Partikeln absetzt. Auch Iod ist gesundheitsschädlich, lässt sich aber wesentlich leichter im Zaum halten als das gasförmige Chlor.


Was passiert da?

Eine Batterie oder andere Gleichstromquelle hat zwei Pole mit unterschiedlich grossen Elektronenvorräten. Am Minuspol gibt einen grossen Überschuss an negativ geladenen Elektronen, während am Pluspol gemessen an den sonstigen Atombestandteilen sehr wenig Elektronen vorhanden sind. Verbindet man den Minuspol der Batterie über eine elektrisch leitendes Kabel mit dem Pluspol, fliessen die überschüssigen Elektronen vom Minuspol schnell zum Pluspol, bis an beiden Polen gleich viele Elektronen sind. Elektronen, die durch ein leitendes Material fliessen, sind somit “Stromteilchen”.

Aber auch andere geladene, bewegliche Teilchen können zu Stromteilchen werden. So zum Beispiel Ionen in einer Lösung. Die beiden Nägel in diesem Versuch sind nichts anderes als Verlängerungen der beiden Pole eurer Stromquelle. Sobald die Quelle eingeschaltet ist, drängen die Elektronen vom Minuspol in den daran angeschlossenen Nagel, während Elektronen aus dem anderen Nagel zum Pluspol hin abfliessen. So ist der Minuspol-Nagel nun seinerseits negativ und sein Gegenüber positiv geladen.

Wie Zinkbäumchen wachsen können

Als ihr das Zinkchlorid (bzw. -iodid) im Wasser aufgelöst habt, sind die festen Kristalle zu einzelnen Ionen zerfallen:

Da gegensätzliche Ladungen sich anziehen, wandern die Zn2+-Ionen zum bei eingeschalteter Stromquelle negativ geladenen Nagel. Wenn sie dort ankommen, nimmt jedes Zink-Ion zwei Elektronen aus der wartenden Menge auf. So entsteht ein ungeladenes Zink-Atom:

Und viele Zink-Atome, die sich übereinander stapeln, bilden das Metall Zink. So bekommt der negativ geladene Stahlnagel mit der Zeit einen Überzug aus Zinkmetall. Zum Glück leitet auch das Zinkmetall elektrischen Strom, sodass aus der Stromquelle nachfolgende Elektronen einfach hindurchdringen und weitere Zink-Ionen ergänzen (Chemiker sagen “reduzieren”) können.

Wenn das an allen Stellen der (verzinkten) Nageloberfläche gleichmässig geschähe, würde die Zinkschicht einfach immer dicker. Tatsächlich läuft der Prozess aber keineswegs so gleichmässig ab. Vielmehr bilden einzelne Zinkatome, die sich auf der vormals glatten Stahlfläche ablagern, eine raue Oberfläche voller Vorsprünge und “Noppen”. Für die nachfolgenden Zink-Ionen ist der Weg zu diesen vorspringenden Atomen bzw. Atomgruppen kürzer als der bis ganz zur Stahloberfläche. So lagern sich sich aussen auf diesen “Noppen” ab, bevor sie den eigentlichen Nagel erreichen: Die betreffenden “Noppen” wachsen weiter und werden zu Ästen, von denen ausgehend bald weitere Ästchen wachsen. Mit der Zeit entstehen ganze filigrane “Bäumchen” aus Zinkmetall.

Und woher kommt das Chlor (bzw. Iod)?

Während die Zink-Ionen zum negativ geladenen Nagel wandern, wandern die Chlorid-Ionen (Cl) zum positiv geladenen Nagel. Dort gibt jedes Cl-Ion ein Elektron an den Nagel ab, um den Mangel darin auszugleichen. So entsteht ein ungeladenes Chlor-Atom. Da aber nicht gern allein sind, tun sie sich zu Paaren zusammen, die durch eine Atombindung zusammengehalten werden:

Mit Iodid-Ionen (I) verhält es sich ganz genauso:

Der entscheidende Unterschied ist, dass Chlormoleküle (Cl2) bei uns angenehmer Temperatur ein Gas bilden, Iodmoleküle (I2) aber einen Feststoff (oder sie lagern sich an weitere Iodid-Ionen an und bleiben als “I3” im Wasser gelöst).

Schematische Darstellung der Elektrolysezelle: So entstehen Zinkbäume
Was im Versuchsgefäss passiert (hier mit Zinkiodid: Positiv geladene Zink-Ionen (d.h. Kationen) wandern zum negativ geladenen Nagel (deshalb Kathode genannt) und nehmen je 2 Elektronen auf. Die entstehenden Zinkatome bilden die Zinkbäume. Negativ geladene Iodid-Ionen (d.h. Anionen) wandern zum positiv geladenen Nagel (deshalb Anode genannt) und geben je ein Elektron ab, ehe sie Iodmoleküle bilden. Ein Voltmeter kann die Spannung, die die Stromquelle liefert, anzeigen, ein Amperemeter die Stärke des fliessenden Stroms. (nach: Niko Lang, CC BY-SA 2.5, via Wikimedia Commons)

Wieviel Spannung muss die Stromquelle hergeben, damit die Zinkbäume wachsen?

Wenn ihr ein Netzteil mit Dreh- oder Schieberegler (z.B. einen Eisenbahntrafo) verwendet und diesen langsam aufdreht, werdet ihr feststellen, dass an euren Nägeln bei ganz langsamer “Fahrt” nichts passiert. Es braucht also eine gewisse elektrische Spannung – also eine gewisse Grösse des Unterschiedes zwischen den Elektronenvorräten – damit die oben genannten Reaktionen wirklich ablaufen. Wie kommt das?

In dem Moment, da die ersten Zink-Ionen zu Zink-Atomen werden, stehen Zink-Ionen und Zinkmetall in direktem Kontakt. Das ist die gleiche Situation, wie ihr sie z.B. von Kartoffelbatterien kennt. Auch am anderen Nagel gibt es solch eine Gegenüberstellung. Mit anderen Worten: Mit dem Beginn des Experiments werden beide Nägel zu den Polen einer Batterie! Und die will ihren Strom in genau der entgegengesetzten Richtung liefern wie eure eigentliche Stromquelle.

Eure Stromquelle muss also gegen die “Nagelbatterie” in eurem Versuchsgefäss anarbeiten. Damit der Strom in die Richtung fliesst, in die ihr ihn haben wollt, muss die Stromquelle also mehr Spannung liefern als die “Nagelbatterie”. Wieviel mehr, das haben fleissige Forscher unlängst ausgemessen:

Wenn ihr eure Zinkbäumchen aus Zinkchlorid züchten möchtet, benötigt ihr mindestens 2,3 Volt, wenn ihr stattdessen lieber mit Zinkiodid arbeitet, sollten schon 1,3 Volt genügen. Zumindest in der Theorie. Tatsächlich hängt diese sogenannte “Zersetzungsspannung” auch von eurem Versuchsaufbau ab. Schlecht gelötete Kontakte, lange Leitungen und ähnliches können dazu führen, dass ihr etwas mehr als die Zersetzungsspannung braucht. Mein Eisenbahn-Trafo liefert jedoch bis zu etwa 15 Volt, ein Batterieblock mit vier AA-Batterien 6 Volt und eine 9 Volt-Batterie was draufsteht. So habt ihr mit solchen Stromquellen in jedem Fall genügend Spannung zur Verfügung.


Entsorgung

Wenn ihr unbenutzte Zinksalz-Lösung übrig habt, könnt ihr sie in einem dicht verschlossenen Behälter aufbewahren und für spätere Versuche benutzen. Die Zinkbäumchen sind leider sehr zerbrechlich und lassen sich kaum im Ganzen aufheben. Sie bestehen aber aus reinem Zinkmetall, dass ihr ebenfalls sammeln und für andere Versuche nutzen könnt.

Gebt etwas Natriumthiosulfat (ein kristalliner Feststoff) in die Versuchslösung, nachdem ihr die Nägel herausgenommen habt. Dieser Stoff reduziert allenfalls noch vorhandenes Chlor bzw. Iod wieder zu Chlorid- bzw. Iodid-Ionen. Damit sind die gefährlichsten Abfälle bereits beseitigt.

Reste der gebrauchten (und reduzierten) und der ungebrauchten Lösung dürfen dennoch nicht in den Abfluss! Sie sind giftig für Wasserorganismen! Entsorgt beide an einer Sondermüll-Sammelstelle (wenn ihr ein Schullabor mit Entsorgungssystem habt: In den Behälter für anorganische Salze und Schwermetalle).

Und habt ihr schon einmal Zink- oder andere Metallbäume gezüchtet? Welche Erfahrungen habt ihr gemacht?

Spuk mit Physik: Gruselige Geräusche zu Halloween

Halloween zu Hause: Schaurige Geräusche für eure Gruselgeschichten und wie sie entstehen

Die unheimlichste Nacht des Jahres rückt näher – und das in einer denkbar ungünstigen Zeit – zumindest, was grosse Spukpartys betrifft. Aber richtig schaurig-schön wird so eine Nacht doch erst, wenn ihr sie im gemütlichen Kreis eurer Lieben verbringt und euch bei schummrigem Licht Gruselgeschichten erzählt. Damit die auch so richtig unter die Haut gehen, könnt ihr sie mit einfachen Zutaten mit passenden Gruselgeräuschen garnieren.

Hier sind einige Beispiele für euch!

Gruselige Geräusche mit Material aus dem Haushalt erzeugt

Heulender Wind (oder ein Gespenst?)

Blast mit leicht geöffnetem Mund und wechselnder Kraft waagerecht über die Öffnung einer Glasflasche. Es entsteht ein an- und abschwellender dunkler Heulton. Probiert aus, wie ihr für das passende Wind- (oder Gespenster-) Geheul blasen müsst. Macht zwischendurch Pausen, bevor euch vom Blasen schwindelig wird! Wenn ihr etwas Wasser in die Flasche füllt, wird der Ton höher.

Mächtiger Donner

Schüttelt ein dünnes Blech oder eine grosse Pappe kurz (oder länger für entfernten Donner) und kräftig.

Monsterstimmen

Schnarrende Vögel

Legt zwei Blatt DIN-A4-Papier so übereinander, dass das untere Blatt an der schmalen Kante gut einen Zentimeter unter dem oberen hervorschaut. Haltet die Blätter an den Enden dieser schmalen Kante und spannt sie straff. Blast nun scharf mit spitzen Lippen (fast) waagerecht gegen die Kante. Mit etwas Übung könnt ihr dem Papier ein laut schnarrendes Geräusch entlocken. Mir gelingt das am besten, wenn ich ein wenig von oben auf die doppelte Kante blase. Achtung: Macht auch hier ab und zu eine Pause, bevor euch schwindelig wird!

Quäkende Gnome

Schneidet aus Frischhaltefolie oder Zellophan ein Quadrat mit 5 bis 7 Zentimeter Kantenlänge. Greift zwei gegenüberliegende Kanten mit den Händen und spannt die Folie straff, während ihr sie vor euren Mund hebt. Blast nun wiederum sehr kräftig mit spitzen Lippen aus sehr kurzem Abstand gegen die euch zugewandte freie Kante. Mit etwas Übung könnt ihr so ein fies quäkendes Geräusch erzeugen. Wie bei allen geblasenen Geräuschen gilt: Pausen machen, bevor euch schwindelig wird!

Schaurige Geisterstimme

Sprecht durch ein langes Rohr, zum Beispiel eine leere Küchentuchrolle, in einen Eimer. Eure Stimme wird dumpf und hohl klingen. Durch Veränderung eurer Stimmlage könnt ihr den Effekt bei Bedarf anpassen.

Das blubbernde Schleim-Monster

Füllt eine tiefe Schale mit Wasser. Sprecht, am besten tonlos raunend, während ihr die Lippen so nah an den Rand und den Wasserspiegel haltet, dass der dabei ausgeatmete Luftstrom das Wasser blubbern lässt.

Der Todesschrei

Für diesen Effekt braucht ihr ein wenig technische Unterstützung – in Form eines Aufnahme- oder Sound-Bearbeitungs-Apps oder -geräts, das Aufnahmen mit unterschiedlicher Geschwindigkeit abspielen kann. Nehmt das Geschrei eines Babys auf (ein kurzer Ausschnitt reicht!) und spielt die Aufnahme langsamer ab (bzw. bearbeitet sie entsprechend). Probiert vor dem Einsatz aus, mit welcher Geschwindigkeit der Schrei am besten klingt. Spielt die vorbereitete Datei dann während eurer Geschichte ab.

Herzklopfen

Bei so viel Grusel fehlt jetzt eigentlich nur noch das passende angstvolle Herzklopfen. Nehmt dazu ein Küchen und greift es fest mit beiden Händen wenige Zentimeter unterhalb einer Kante. Macht die Hände dabei zu Fäusten, sodass die Daumen flach auf den gerollten Fingern und dem Tuch liegen und nach oben bzw. vorne weisen. Zwischen euren beiden Daumen sollten nun 15 bis 20 cm Stoff liegen. Strafft das Tuch zwischen euren Daumen leicht. Führt dann die Fäuste ein Stück zusammen und zieht das Tuch ruckartig wieder stramm. Es ertönt ein dumpfes “Bumm”, das einem Herzton sehr ähnlich ist. Wenn ihr unmittelbar vor dem nächsten Herzton locker lasst und das Tuch wiederum schnell stramm zieht, könnt ihr einen Herzrhythmus “da-Bumm – da-Bumm – da-Bumm” nachstellen. Je schneller folgend ihr locker lasst und stramm zieht, desto höher steigt der Puls!


Wie Geräusche entstehen und wie wir sie hören können

Aber wie funktioniert das alles eigentlich?

Was ist Schall?

Vielleicht wisst ihr bereits: Schall besteht aus sich ausbreitenden Wellen. Dabei handelt es sich aber nicht um die bekannten Wellen mit Auf- und Abbewegungen, wie ihr sie von Wasserwellen oder Wellenlinien kennt. Die sind nämlich nur eine Spielart dessen, was Wellen tatsächlich sind: Nämlich wiederkehrende Muster von physikalischen Vorgängen, die sich im Raum ausbreiten.

Bei den Wellen, die wir in unserer Alltagswelt erleben, zum Beispiel den Wasserwellen, handelt es sich um Bewegungsmuster: Wenn Wellen über einen See laufen, bewegt sich die Wasseroberfläche immer wieder auf und ab. Und damit Bewegungsmuster sich ausbreiten können, braucht es etwas, das sich bewegt. Physiker nennen dieses “Etwas” ein Medium. Das Medium, in dem sich Wasserwellen ausbreiten, ist zum Beispiel Wasser – oder besser dessen Oberfläche.

Luft als Medium für Schallwellen

Das Medium, in dem sich die Schallwellen ausbreiten, die wir hören, ist hingegen Luft. Und die wiederum besteht aus unzähligen winzigkleinen Teilchen, die sich durch ständiges Herumgewusel auf Abstand halten. Das Gewusel können wir freilich nicht wahrnehmen, sodass uns die Luft in einem geschlossenen Raum in der Regel als stehend erscheint.

Nichts desto trotz können wir mit der Hand durch die Luft streichen oder darin herum laufen: Die winzigen Luftteilchen sind beweglich – sie lassen sich herumschieben. Wenn man den Teilchen in einem bestimmten Bereich der Luft einen kräftigen Schubs gibt, kann man sie sogar enger zusammenschieben, als sie sonst in stehender Luft verteilt sind. Aber nur für einen kurzen Moment. Denn die zusammengeschobenen Teilchen stossen in ihrer Wuselei gegeneinander und gegen jene Teilchen, die hinter ihnen sind – und schieben auch diese zusammen. So erkämpfen sich die anfangs zusammengeschobenen Teilchen für einen Augenblick besonders viel Platz – bevor ihre Nachbarn sie wieder auf den anfänglichen Abstand zwingen.

Indessen drängen die weiter vom Schubs entfernten Teilchen wiederum die nächsten Teilchen zusammen. Das Gedränge – und der darauf folgende vermehrte Platz – wandern also fort vom Ort des Schubses in den luftgefüllten Raum hinein.

Animiertes Modell einer Längswelle: So verbreiten sich Geräusche
Schallwellen sind Längswellen: Denkt euch an jeder Kästchenecke ein Luftteilchen. Am linken Rand erhalten sie einen Schubs, der die Teilchen von links nach rechts zusammenschiebt. Der Impuls wandert ebenfalls von links nach rechts. (Christophe Dang Ngoc Chan (cdang), CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons)

Schallwellen sind wandernde Dichteveränderungen

Wie dicht Teilchen in einem Gas gedrängt sind, messen Physiker mit einer Grösse, die sie passenderweise “Dichte” nennen: Die Anzahl der Teilchen (gemessen wird ihre Gesamtmasse) in einem bestimmten Raum (Volumen). Wie beschrieben lässt sich die Dichte eines Gases durch Anschubsen grösserer Mengen Gasteilchen leicht verändern. Schallwellen sind somit nichts anderes als wiederkehrende Veränderungen der Dichte eines Gases wie Luft, die sich in diesem Gas ausbreiten.

Während die Bewegung bei einer Wasserwelle (dabei ändert sich die Höhe des Wasserspiegels in wiederkehrender Weise) senkrecht zur Ausbreitungsrichtung abläuft (Der Wasserspiegel bewegt sich auf und ab, die Wellen laufen aber die Oberfläche entlang), findet die Bewegung bei Schallwellen in die gleiche Richtung wie die Ausbreitung statt. Schallwellen sind damit “Längswellen”, während man Wasserwellen “Querwellen” nennt.

a) Eine Längswelle: Die Schwingung, also die wiederkehrende Bewegung, erfolgt in die gleiche Richtung wie die Welle sich ausbreitet. b) Eine Querwelle: Die Schwingung (“Auf und Ab”) erfolgt senkrecht zur Ausbreitungsrichtung (von links nach rechts) (Debianux, CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons)

Wie wird Schall übertragen?

Wenn ihr mit dem Küchentuch Herztöne nachmacht, versetzt ihr den Luftteilchen durch das schnelle Straffen des Tuchs einen Schubs nach vorn. Die Luftteilchen vor dem Tuch werden zusammengeschoben und diese Verdichtung breitet sich in der Luft in alle Richtungen aus, bis sie auf ein festes Hindernis stösst. Das könnte eine Wand sein – oder die Haut, die unser Mittelohr verschliesst und “Trommelfell” genannt wird.

Sobald sich die Luftteilchen direkt vor unserem Trommelfell verdichtet haben und wieder auseinander streben, schubsen sie die Teilchen des Trommelfells an. Das Trommelfell wiederum ist ein Feststoff. Das heisst, jedes Teilchen hat darin seinen festen Platz. So schwingen alle Teilchen des Trommelfells durch den Schubs gemeinsam nach innen, wodurch sie eine Reihe kleiner Knochen – die Gehörknöchelchen – in Bewegung versetzen.

Anatomie des menschlichen Ohrs
Damit können wir Geräusche hören: Schallwellen, die in den äusseren Gehörgang dringen, schubsen das Trommelfell an, das wiederum Hammer, Amboss und Steigbügel in Bewegung setzt. Letzterer klopft dabei an die Hörschnecke, welche die Klopfzeichen in Form elektrischer Signale an den Hörnerv weitergibt. Der wiederum führt ins Gehirn, das die Signale verarbeitet. (Lars Chittka; Axel Brockmann, CC BY 2.5, via Wikimedia Commons)

Das letzte von ihnen, seiner Form wegen “Steigbügel” genannt, klopft schliesslich gegen die “Schnecke”, die eine Art Sensor darstellt, welcher das Klopfen in Nervenimpulse übersetzt. Die werden an den Zentralcomputer – unser Gehirn – weitergeleitet, der uns dann ausrechnet, was wir da gehört haben.

Töne oder Geräusche?

Die denkbar einfachste Form von Schall ist eine einfache, sich gleichmässig ausbreitende Schallwelle mit gleichbleibender Frequenz. Was das schon wieder ist? Noch eine physikalische Grösse, mit der man die Geschwindigkeit misst, in der dichtere und dünnere Luft aufeinander folgen.

Wenn wir den Kammerton A hören, nach dem Musiker ihre Instrumente stimmen, erreichen beispielsweise 440 Verdichtungen in einer Sekunde unser Ohr. Physiker sagen “die Frequenz des Tons beträgt 440 Hertz (Hz)”. Das klingt viel, ist es aber nicht. Grundsätzlich gilt: Je höher die Frequenz der Schallwellen, desto höher ist der Ton. Unser Gehör ist dafür geschaffen, Töne zwischen etwa 30 Hz und 20’000 Hz (20 Kilohertz) wahrzunehmen! Schallwellen mit noch höheren Frequenzen nennt man “Ultraschall”. Die können wir Menschen nicht mehr hören, manche Tiere, wie z.B. Fledermäuse, hingegen schon.

So einfache, reine Töne sind in unserer Welt jedoch selten. Selbst gut gestimmte Musikinstrumente geben stets eine Vielfalt von Schallwellen von sich. Wenn deren – zweifellos regelmässiges – Muster unsere Ohren erreicht, errechnet das Gehirn daraus die typische Klangfarbe des Instruments.

Am häufigsten erreichen jedoch hochkomplizierte Wellengebilde – oder regelrechter Wellensalat – unsere Ohren, die sich mit bestimmten Frequenzen nicht mehr beschreiben lassen. Die interpretiert das Gehirn als das, was wir Geräusche nennen. Im Laufe eines Menschenlebens lernt es eine grosse Zahl davon kennen und ordnet sie Eindrücken, Gefühlen und Ursachen zu.

Manche Geräusche können uns unangenehm sein (besonders, wenn unser Gehirn sie mit gruseligen Dingen verknüpft hat). Dahingegen empfinden wir Töne mit mittelgrossen Frequenzen meist als angenehm – sofern sie nicht zu laut sind.

Was ist “laut”?

Je dichter man Gasteilchen zusammendrängt, desto heftiger stossen sie gegeneinander und streben so auseinander. In einem dichten Gas herrscht also ein hoher Druck. Dementsprechend nennen Physiker auch das Ausmass, in welchem Gasteilchen in Schallwellen zusammengeschoben werden, den “Schalldruck”. Ein höherer Schalldruck führt dazu, dass die Schallwellen das Trommelfell heftiger schwingen und den Steigbügel folglich heftiger klopfen lassen. So werden stärkere Nervenimpulse erzeugt als bei niedrigerem Schalldruck.

Stark vereinfacht lässt sich also sagen: Je höher der Schalldruck eines Tons oder Geräuschs, desto lauter ist er. Tatsächlich kommen jedoch noch einige Faktoren – nicht zuletzt persönliche Eigenheiten eines jeden Menschen – dazu, wenn wir bestimmen wollen, was wir nun als ‘laut’ empfinden und was nicht.

Schalldruckpegel: Eine lange Skala wird überschaubar

Möchte man den Schalldruck von Alltagsgeräuschen als wiederkehrende Veränderung des normalen Luftdrucks messen, braucht man dafür eine sehr, sehr lange Skala. Physiker verwenden dafür die gleiche Einheit wie für den Luftdruck auch – das Pascal (Pa). Ein Schalldruck im Alltag kann dabei etwa zwischen den 60 Millionstel Pascal (0,00006 Pa !) eines Blätterrauschens direkt am Ohr und den 600 Pascal eines Düsenflugzeugs, das in 30 Metern Entfernung abhebt, betragen.

Das ist im Alltag natürlich sehr unpraktisch, wenn es darum geht, euch im Alltag ein Gefühl zu vermitteln, wie laut etwas ist. Deshalb gibt man statt des Schalldrucks in der Regel den Schalldruckpegel in Dezibel (dB), also Zehntel “Bel” an. Die Zahlen auf der Dezibel-Skala geben uns -vereinfacht gesagt – einen Eindruck, wie viele Nullen vor oder hinter dem Komma die Werte des Schalldrucks haben (es handelt sich um eine logarithmische Skala – die Umrechnung des Schalldrucks in Dezibel ist aber nicht so simpel, das man den Zusammenhang gleich mit dem blossen Auge erkennt).

Das Blätterrauschen beispielsweise bringt darauf einen Schalldruckpegel von 10 dB mit sich, während das Düsenflugzeug ganze 150 dB erzeugt. Es heisst, dass die kurzfristige Einwirkung von Schalldruckpegeln ab 120 dB bereits Gehörschäden verursachen kann. Deshalb tragen Flughafenangestellte auf dem Rollfeld meist einen Gehörschutz in Kopfhöhrerform (hier in der Schweiz nach dem führenden Modell des Militärs “Pamir” genannt). Die Schalen, die um die Ohren liegen, absorbieren die heftigen Bewegungen, die Schallwellen unter den Luftteilchen verursachen und schubsen die Luft zwischen Ohr und Schale nur ganz schwach (oder gar nicht) an.

Künstliche Ohren und Stimmen

…kennt ihr alle. Denn es handelt sich um Mikrofone und Lautsprecher. Ein Mikrofon enthält Bauteile bzw. Sensoren, die von Schallwellen ähnlich angeschubst werden wie die Bestandteile unseres Innenohrs. Statt durch Nervenbahnen werden so erzeugte elektrische Signale durch Kabel in ein Aufnahmegerät weitergeleitet, das den Job des Gehirns übernimmt und die Töne und Geräusche speichert.

In einem Lautsprecher bringen elektrische Signale eine Membran, also eine Art Folie, zum Schwingen, die dann wiederum die Luft anschubst und so Schallwellen erzeugt.


Welche Geräusche sind am Halloween-tauglichsten?

Nun ist eure Kreativität gefragt: Abgesehen von meinen Beispielen oben – Welche weiteren Möglichkeiten kennt oder findet ihr, um Luftteilchen anzuschubsen und möglichst gruselige Geräusche zu erzeugen? Und welches ist eurer Meinung nach das schaurig-schönste Geräusch für Halloween?

Mehr Schauriges zu Halloween findet ihr hier in Keinsteins Kiste:

Kürbis und kaltes Feuer – Deko-Tipps für Forscher

Blut – die spannendste Chemikalie der Welt

Selbstgemachter Spielschleim – Wie er wirklich gelingt

Experiment: Sicherheitsnadel galvanisieren

Wie beschichtet man ein Metall mit einem anderen? Durch Galvanisieren!

Nicht alles, was glänzt ist Gold! Oder Kupfer, oder… Die Oberflächen vieler Gegenstände sind nur mit einer dünnen Schicht dieser wertvollen Metalle überzogen. Solche Dinge nennt man dann vergoldet, verkupfert, versilbert oder ähnlich. Doch das bedeutet nicht, dass solche Gegenstände minderwertig sind. Vielmehr wird ihre Haltbarkeit durch ihre besonder Metalloberfläche verbessert – und sieht auch noch hübsch aus. Denn eine Edelmetall-Schicht ist reaktionsträge und schützt den Gegenstand unter ihr vor den Kräften von Wind und Wetter. Aber wie bringt man eine dünne Metallschicht auf ein anderes Material?

Dazu wird Wanderlust geladener Metallteilchen (sogenannter Metall-Ionen) ausgenutzt – und das könnt ihr leicht selber machen!

Ihr braucht dazu

  • Eine Sicherheitsnadel
  • Eine Kupfermünze (z.B. 1,2 oder 5 Eurocent)
  • Eine Kleine Schale
  • Haushaltsessig
  • Soda oder Natron (für die Entsorgung)

Sehr dreckige Münzen könnt ihr mit Essig und etwas Kochsalz leicht reinigen – wie genau das geht, zeige ich euch hier.

Essig, Schale, Kupfermünze, Sicherheitsnadel: Das braucht ihr zum Galvanisieren
Da man nicht mit Behältern für Lebensmittel experimentiert: Der Deckel eines leeren Honigglases (das ich nur noch für Versuche, nicht für Lebensmittel verwende!) hat mir als Schale gedient.

So geht’s

Lest in jedem Fall den Abschnitt “Entsorgung” durch, bevor ihr mit dem Experimentieren beginnt! Nach dem Versuch ist nämlich ein besonderer Entsorgungsschritt nötig. Den könnt ihr euch wesentlich leichter machen, wenn ihr von vorneherein sparsam arbeitet.

  • Legt Münze und Nadel nebeneinander in die Schale, sodass sie sich nicht berühren!
  • Gebt so viel Essig dazu, dass beide Teile vollständig bedeckt sind. Verwendet dabei so wenig Essig wie möglich – denn je weniger Essig ihr später entsorgen müsst, desto weniger Soda oder Natron werdet ihr dafür brauchen!
Münze und Sicherheitsnadel in Essig im Deckel des Honigglases: Das Galvanisieren kann beginnen!
Zu Beginn des Experiments: Kupfermünze und silbrig glänzende Sicherheitsnadel liegen im Essig ohne sich zu berühren.
  • Wartet ein paar Tage und schaut ab und zu nach, was sich verändert.
  • Wenn euch der Essiggeruch stört, könnt ihr die Schale einfach abdecken (mit einem Brett, einem Buch oder Ähnlichem)

Das könnt ihr beobachten

Die Nadel färbt sich mit der Zeit kupferrot, während die Münze zunehmend matt wird. Der Essig färbt sich zudem gelbgrün.

Nach einer Woche im Essig: Die vormals stahlglänzende Sicherheitsnadel ist nun ebenso kupferrot wie die Münze!
Nach einer Woche im Essig hat die Oberfläche der Sicherheitsnadel die gleiche Farbe wie die Münze: Kupfer hat sich darauf abgelagert!

Das passiert

Haushaltsessig besteht aus Wasser und Essigsäure. Kommt ein Metall wie Kupfer mit einer Säure in Berührung, geben stets ein paar Metallatome an der Oberfläche ein oder mehrere Elektron(en) ab. Dabei verlassen die Atome – welche zu Ionen werden – die Metalloberfläche und lösen sich im Wasser.

Das “(aq)” in der Gleichung bedeutet “in Wasser gelöst”.

Da Kupfer ein ziemlich edles Metall ist, können zunächst nur sehr wenige seiner Atome auf diese Weise zu Ionen werden. Diese wenigen Ionen können sich jedoch frei im Wasser bewegen – und so irgendwann an die Oberfläche der Sicherheitsnadel, die aus Stahl bestehen mag, gelangen.

Stahl wiederum enthält Eisenatome. Und Eisenatome geben sehr viel leichter Elektronen ab als Kupferatome.

So kommt es, dass die Eisenatome ihre Elektronen liebend gern an Kupferionen abgeben.

Die Eisenatome werden dabei zu Ionen, die sich im Wasser lösen, während die Kupferionen wieder zu Kupfer-Atomen werden, die sich an der Eisenoberfläche niederlassen.

Sobald auf diese Weise Kupfer-Ionen aus der Lösung verschwinden, bleibt darin “Platz” für neue Kupfer-Ionen. Die können sich somit von der Münze lösen und ihre Wanderung in Richtung Sicherheitsnadel antreten. (Alle beteiligten Reaktionen sind sogenannte Gleichgewichtsreaktionen. Le Châtelier erklärt hier am Flughafen, was es damit auf sich hat und wie die Richtung, in der sie ablaufen, von den Mengen der beteiligten Teilchen abhängt!)

Geladene Teilchen, die wandern, sind “Strom”

Geladene Teilchen, die wandern? Ja, ihr denkt richtig: Das ist nichts anderes als elektrischer Strom! Der Versuchsaufbau ist eine Art simple Batterie. Die Ionen wanderen darin so lange von der Münze zur Nadel, bis die ganze Nadeloberfläche mit Kupferatomen bedeckt ist. Dann gibt es dort nämlich keine Eisenatome mehr, die ihre Elektronen an weitere Kupferionen abgeben könnten. Die Batterie ist “leer”.

Galvanisieren im “richtigen Leben”

Wer Gegenstände mit einer edlen Metallschicht verkaufen möchte, mag in der Regel nicht tagelang warten, bis das Galvanisieren weit genug vorangeschritten ist. Deshalb benutzt er zum Einen statt Essig eine Lösung, die bereits reichlich Kupfer-Ionen (oder andere gewünschte Metall-Ionen) enthält. Zum Anderen schliesst er seine Anlage an elektrischen Strom an: Das Kupfermetall an den (physikalischen) Pluspol, das Material, das verkupfert werden soll, an den Minuspol.

Die angeschlossene Stromquelle liefert zusätzliche Elektronen in das zu verkupfernde Material, die die Kupferionen entgegen nehmen können. Zudem ermöglicht die Stromquelle den vom Kupfer abgegebenen Elektronen das Abfliessen, sodass auch leicht neue Kupfer-Ionen in Lösung gehen können.

Und zu guter Letzt leitet Kupfer selbst den Strom sehr gut. Das heisst, die zusätzlichen Elektronen gelangen auch leicht durch die neu entstehende Kupferschicht, sodass diese so lange dicker wird, wie die Stromquelle angeschlossen ist.


Vom Galvanisieren zur nutzbaren Batterie

Wenn ihr euch die oben beschriebenen Reaktionen genau anschaut, werdet ihr feststellen, dass dabei in der Kupfermünze Elektronen “übrig” bleiben, in der Eisennadel aber nicht. Im Kupfer sammeln sich demnach mehr Elektronen als im Eisen. Verbindet man aber mit einem leitfähigen Material eine Elektronenansammlung mit einem Ort mit wenig Elektronen, so fliessen Elektronen von der Ansammlung zum “leeren” Ort ab. Und fliessende geladene Teilchen kennen wir als elektrischen Strom!

Unser Aufbau mit Münze und Sicherheitsnadel, die lose in Essig liegen, ist als Batterie aber ziemlich unpraktisch. Denn auch der Essig ist elektrisch leitfähig und bildet, sobald Münze und Nadel vollständig eingetaucht sind, eine unumgängliche Abkürzung für den Strom.

Die könnt ihr vermeiden, indem ihr eure Metalle nicht in einer Flüssigkeit, sondern in einem festen Material, in dem auch Ionen wandern können, unterbringt. Zum Beispiel in einer Kartoffel. Wie ihr aus Kartoffeln wirklich funktionierende Batterien bauen könnt, zeige ich euch hier!

Entsorgung

Der Essig enthält nach dem Galvanisieren Kupferionen (sie geben der Flüssigkeit die grünliche Farbe), die giftig für Wasserorganismen sind und deshalb nicht ins Abwasser dürfen. Verwendet deshalb so wenig Essig wie möglich. Gebt nach dem Versuch, wenn ihr Nadel und Münze aus der Schale genommen habt, feste Soda oder Natron zu dem Essig darin. (Achtung! Geht langsam vor und rührt zwischendurch um! Die Mischung schäumt kräftig und wird warm: Allein das ist schon ein chemisches Spektakel, das schnell zur Sauerei ausarten kann!)

Mischt so lange Soda oder Natron mit dem Essigrest, bis keine Reaktion mehr sichtbar ist. Dann habt ihr die Säure neutralisiert. Mit noch ein wenig mehr Soda oder Natron wird die Lösung basisch: Das ist euer Ziel. Die Kupferionen bilden nämlich bei basischem pH-Wert ein Gemisch fester Stoffe (in eurer Schale vor allem Kupferacetat, Kupfercarbonat und Kupferhydroxid), das man Grünspan nennt.

Gebt das Gemisch aus festen Stoffen und Flüssigkeit durch ein Filterpapier (z.B. einen Kaffeefilter) und lasst das Papier mitsamt den Feststoffen trocknen, bevor ihr es in den Hausmüll gebt. Die filtrierte Lösung darf dann mit viel Wasser in den Ausguss.

Nun wünsche ich euch viel Spass beim Galvanisieren!

Experiment: Kartoffelbatterie bauen

Endlich habe ich mal wieder Zeit zum Experimentieren gefunden. Und mich dabei einem Thema gewidmet, das in Keinsteins Kiste bislang zu kurz gekommen ist: Batterien und Strom. Dazu habe ich mir erst einmal eine Stromquelle selber gebaut: Die Kartoffelbatterie!

Mit der folgenden Experimentieranleitung könnt ihr ganz einfach eure eigenen Kartoffelbatterien bauen und so zusammenschalten, dass ihr damit eine Leuchtdiode zum Leuchten bringen könnt. Alles, was ihr dazu braucht, findet ihr in der Küche, im Werkzeugkasten – und allenfalls für kleines Geld im Fachhandel für elektronische Bauteile.

Experiment: Kartoffelbatterie bauen

Ihr braucht dazu

Das braucht ihr zum Bau einer Kartoffelbatterie samt Stromkreis.
  • 4 Kartoffeln
  • 4 blanke Kupfermünzen (z.B. Eurocents) – hier erfahrt ihr, wie ihr angelaufene Kupfermünzen ganz einfach blank bekommt!
  • Zinkdraht oder 4 Unterlegscheiben aus Zink
  • blanke Büroklammern
  • Schaltlitze oder ähnlich ummantelten Kupferdraht
  • Lüsterklemmen (oder Stecker und Muffen aus dem Modellbau)
  • LED (Leuchtdiode) für den Betrieb bei ca. 3 bis 6 Volt (aus dem Elektronikhandel)
  • Drahtschere, Küchenmesser
  • Optional: Voltmeter bzw. Multimeter
  • Tablett aus Kunststoff, Glas oder Keramik (kein Metall, trocken!)

So geht’s

  • Wenn ihr mit Zinkdraht arbeitet, wickelt etwa 15 Zentimeter Draht zu einer münzgrossen Scheibe auf, von der 2 bis 3 Zentimeter Drahtende abstehen. Fertigt insgesamt vier solcher Scheiben an. Wenn ihr mit Unterlegscheiben experimentiert, könnt ihr diesen Schritt überspringen.
Vier Zinkdraht-Spiralen als Elektroden für die Kartoffelbatterie
Vier Zinkdraht-Spiralen-Elektroden für eine Vierer- Kartoffelbatterie
  • Schneidet eine Seite jeder Kartoffel waagerecht ab, sodass die Kartoffeln nicht wackeln, wenn ihr sie auf eine Unterlage stellt.
  • Schneidet in die beiden gegenüberliegenden Enden jeder Kartoffel je einen Schlitz.
  • Steckt in die Schlitze jeder Kartoffel jeweils eine Kupfermünze und ihr gegenüber eine Zinkscheibe (Drahtspirale oder Unterlegscheibe). Die Metallscheiben dürfen sich nicht berühren! Wenn ihr ein Multimeter habt, könnt ihr es auf einen Messbereich von 1-2V einstellen und mit den beiden Messfühlern die Kupfer- und Zinkscheibe einer Kartoffel berühren. So habe ich an einer Kartoffel eine Spannung von rund 0,85V messen können.
Eine Kartoffelbatterie ohne angeschlossene Drähte
Eine Kartoffelbatterie ohne angeschlossene Drähte: Sie liefert eine Spannung von 0,85V.
  • Klemmt an jede Kupfermünze eine Büroklammer.
  • Schaltet nun die vier Kartoffeln in Reihe: Verbindet mittels Litze und Lüsterklemmen oder Steckern die Zinkscheibe einer Kartoffel mit der Kupfermünze der nächsten, die Zinkscheibe dieser nächsten mit der Kupfermünze der übernächsten Kartoffel und so weiter.
  • Wenn alle Kontakte funktionieren, solltet ihr nun zwischen der Kupfermünze der ersten und der Zinkscheibe der letzten Kartoffel eine Spannung von etwa 3,4V messen können (Messbereich ggfs. anpassen!).
Fertiger Kartoffelbatterie - Stromkreis
Fertig: Ein Kartoffelbatterie -Block aus vier Kartoffeln in Reihe samt angeschlossener LED. Jetzt nur noch das kurze Beinchen an die Zinkscheibe rechts im Bild…
  • Verbindet nun das lange Bein (Wichtig! Dioden, auch Leuchtdioden, leiten den Strom nur in eine Richtung, falschherum angeschlossen gehen sie kaputt!) der LED mit der letzten freien Kupfermünze.
  • Jetzt könnt ihr den Stromkreis schliessen: Berührt mit dem kurzen Bein (aber nicht mit dem Langen!) der LED die letzte freie Zinkscheibe: Die LED leuchtet auf!

Das passiert

Das Multimeter zeigt euch schon beim Aufbau, dass die Kartoffelbatterien funktionieren: Sie liefern eine messbare elektrische Spannung, und wenn man sie in einen Stromkreis einbaut, fliesst ein Strom! Und zwar ein so starker, dass er die LED zum Leuchten bringt.

Kartoffelbatterie betreibt rote LED
Licht aus und es wird sichtbar: Die rote LED leuchtet – dank Kartoffelbatterie!

Wo kommt der Strom her?

Die Metalle Kupfer und Zink bestehen aus elektrisch ungeladenen Atomen. Die Atome beider Metalle können Elektronen abgeben und so zu positiv geladenen Ionen werden. Diese Ionen können sich in Wasser lösen – zum Beispiel in dem Wasser in einer Kartoffel.

Allerdings ist das Bestreben der beiden Metalle, Elektronen abzugeben, sehr unterschiedlich. So gibt Zink ziemlich leicht Elektronen ab (Chemiker nennen es deshalb ein unedles Metall). Kupfer trennt sich dagegen wesentlich weniger leicht von seinen Elektronen (Chemiker nennen es deswegen ein edles Metall oder Edelmetall).

Steckt man also eine Zinkscheibe in eine Kartoffel, lassen einige Zinkatome Elektronen in der Scheibe zurück und lösen sich als Ionen im Kartoffelwasser. Die Zinkscheibe ist damit der (physikalische) Minuspol der Kartoffelbatterie.

Aus einer Kupferscheibe treten dagegen fast keine Ionen aus, sodass auch fast keine Elektronen zurückbleiben. Die Kupfermünze ist damit der (physikalische) Pluspol der Kartoffelbatterie.

Das Multimeter misst den Unterschied zwischen den Elektronenansammlungen im Zink (viele Elektronen) und Kupfer (fast keine Elektronen) und gibt ihn als Zahl mit der Einheit Volt (V) an. Diese Zahl, auch elektrische Spannung genannt, sagt Chemikern, wie unterschiedlich das Bestreben zweier Stoffe (hier Kupfer und Zink), Elektronen abzugeben, ist.

Verbindet man die Elektronenansammlung im Zink nun über elektrisch leitende Drähte mit dem elektronenarmen Kupfer, dann fliessen die Elektronen als Strom vom Zink ins Kupfer – und können auf ihrem Weg elektrische Geräte wie eine LED betreiben. So können immer neue Zink-Ionen entstehen und immer neue Elektronen zurücklassen. Damit fliesst der Strom eine ganze Weile, sodass die LED nicht sofort wieder ausgeht, sondern immer weiter leuchtet.

Und was geschieht an der Kupfermünze?

Wenn Elektronen vom Zink zum Kupfer fliessen, werden sie an ihrem Ziel von anderen, bestenfalls positiv geladenen Teilchen aufgenommen. Da Kartoffeln naturgemäss keine Kupfer-Ionen enthalten, sind das vornehmlich Wasserstoff-Ionen (H+ bzw. H3O+) aus der Kartoffel (In Wasser gibt es immer ein paar davon, und eine Kartoffel mag organische Säuren enthalten, die noch ein paar mehr liefern):

An der Kupfermünze entsteht also Wasserstoff-Gas. Die Münze selbst reagiert dagegen nicht.

Und der Rest des Stromkreises?

Der Name “Stromkreis” verrät es: Damit ein Strom fliessen kann, braucht es einen kompletten Kreislauf. Die Elektronen fliessen aber nur durch die Kabel vom Zink zum Kupfer. Wo ist der Rest des Kreislaufs?

Für den ist die Kartoffel zuständig. Die enthält, wie schon erwähnt, eine Menge flüssiges Wasser, in dem geladene Teilchen sich bewegen können – wenn sie einen Anlass dazu haben. Zudem enthält eine Kartoffel naturgemäss eine Menge verschiedener Ionen, die nur auf einen Anlass zum Wandern warten. Und das Entstehen bzw. Verschwinden von Ionen an den Metallteilen in der Kartoffel ist solch ein Anlass.

So wandern die neu entstehenden Zink-Ionen und andere positiv geladene Ionen durch die Kartoffel in Richtung Kupfermünze, um die Ladung der dort verbrauchten Wasserstoff-Ionen zu ersetzen. Ebenso wandern negativ geladene Ionen durch die Kartoffel in Richtung Zink-Scheibe, um die Ladung der dort entstehenden Zink-Ionen auszugleichen.

Während die Elektronen also durch das Kabel vom Zink zum Kupfer fliessen, fliessen durch die Kartoffel andere Ladungen vom Kupfer zum Zink. Damit ist der Stromkreis ganz und gar geschlossen.

Das Ganze funktioniert daher ebenso gut mit Äpfeln, Zitronen oder anderem Obst. Denn auch diese Früchte enthalten flüssiges Wasser und verschiedene Ionen, die wandern können.

Wann ist eine Kartoffelbatterie leer?

Grundsätzlich ist eine Batterie dann leer, wenn es keinen messbaren Unterschied zwischen den Elektronenansammlungen an Minus- und Pluspol mehr gibt. Denn ohne diesen Unterschied kann kein Strom fliessen.

Wenn aus Zink-Atomen Ionen werden, verlassen diese das Metall und lösen sich im Wasser der Kartoffel. Damit bleiben immer weniger Atome in der Zinkscheibe. Mit anderen Worten: Die Zinkscheibe (oder -spirale) wird immer kleiner, bis – theoretisch – irgendwann nichts mehr davon übrig ist.

Gleichzeitig entsteht an der Kupfermünze Wasserstoff und verschiedene Ionen bewegen sich innerhalb der Kartoffel hin und her. Wird dabei ein Zustand erreicht, in dem es keine Ladungsansammlung mehr auszugleichen gibt, hört der Strom auf zu fliessen und die LED leuchtet nicht länger. Dann, so sagen wir, ist die Batterie “leer”.

Warum brauchen wir mehrere Kartoffeln?

Meine Leuchtdiode, ein typisches Exemplar aus dem Handel für Elektro-Kleinteile, ist für den Betrieb in Stromkreisen mit 6-Volt-Batterieblöcken ausgelegt. Das heisst, um genügend Strom zu erzeugen, dass sie leuchtet, brauchen wir zumindest annähernd eine Spannung dieser Höhe (in jeder Schaltung ist etwas “Schwund”, sodass die LED für den 6-Volt-Antrieb schon mit weniger Strom als aus 6 Volt leuchten). Tatsächlich hat meine LED schon bei einer Spannung von gut 3 Volt zu leuchten begonnen.

Und das ist auch gut so. Denn eine höhere Batterie-Spannung kann erreicht werden, indem man mehrere Batterien hintereinander schaltet. Dann nämlich addieren sich die Spannungen über den einzelnen Batterien zur Gesamtspannung. Das funktioniert bei Kartoffelbatterien genauso wie bei richtigen Batterieblöcken: 4 “AA”-Batterien, die jede für sich 1,5V liefern, liefern in Reihe geschaltet 1,5V+1,5V+1,5V+1,5V = 6V (oder 4*1,5V=6V). Vier Kartoffeln, die jede für sich 0,85V liefern, liefern in Reihe geschaltet dementsprechend 3,4V.

Um einen 6-Volt-Batterieblock zu ersetzen, bräuchte ich also 7 Kartoffeln (7*0,85V = 5,95V), 7 Münzen und 7 Zink-Spiralen oder -scheiben, 9 Kabel und eine Menge Platz. Dazu kommt, dass ihr die Kartoffeln nach dem Experiment nicht mehr essen solltet, denn sie könnten Metallionen enthalten, die ungesund sind (Zink-Ionen sind zwar nicht ungesund und Kupferionen werden nur wenige darin sein, aber man weiss nie so genau, ob in Unterlegscheiben oder Drähten noch andere, ungesündere Metalle als Zink enthalten sind).

Sollte eure LED mit vier Kartoffeln nicht leuchten, obwohl die Kontakte als solche in Ordnung sind, schaltet einfach noch eine fünfte Kartoffelbatterie dazu.


Entsorgung

Die elektrischen Bauteile, Münzen und Kabel könnt ihr für spätere Experimente aufheben (spült die Münzen und Zinkscheiben ggfs. zuvor mit Wasser sauber und trocknet sie ab).

Die Kartoffeln solltet ihr – wie schon erwähnt – nach dem Experiment nicht essen. Wenn euer Bioabfall ähnlich wie unserer verbrannt wird, könnt ihr sie aber in die Biotonne entsorgen. Wegen der Metallionen darin solltet ihr die Kartoffeln aber besser nicht in den Kompost geben (besonders Klein- und Kleinstlebewesen mögen Kupferionen gar nicht!).

Hast du das Experiment nachgemacht: 

Kartoffelbatterie: Hat das Experiment bei dir funktioniert?

View Results

Loading ... Loading ...

Wenn etwas nicht oder nur teilweise funktioniert haben sollte, schreibt es in die Kommentare. Ich helfe gerne bei der Fehlersuche!

13 Experimente im Sommer

Die Sonne verwöhnt uns an langen, warmen Tagen. Ab und zu sorgen lauer Regen oder wilde Gewitter dafür, dass indes alles grünt und blüht. Der Sommer ist eine tolle Zeit für Experimente im Garten oder auf dem Balkon. In Keinsteins Kiste findet ihr viele spannende Anregungen, wie ihr die Natur um euch erforschen, die Sonnenenergie für Experimente nutzen oder einfach draussen Spass haben könnt. Was macht Blätter grün? Welche buchstäblich coolen Experimente eignen sich für heisse Tage? Oder wollt ihr lieber eine Rakete starten?

In dieser Sammlung von Sommer-Experimenten werdet ihr fündig!

Sicherheit – für euch und euren Garten

Wenn ihr draussen experimentiert, beachtet die gleichen Sicherheits-Grundregeln wie beim Experimentieren drinnen: Sucht euch einen spritz- und allenfalls feuerfesten Experimentierplatz, tragt passende Schutzkleidung (Malschürze wie beim Umgang mit Wasserfarben und bei aggressiven Stoffen Schutzbrille) und esst und trinkt nicht dort, wo ihr experimentiert!

Meine Checkliste zum sicheren Experimentieren findet ihr hier in Keinsteins Kiste zum Download.

Wenn ihr draussen experimentiert, habt ihr zudem einen unbestrittenen Vorteil: Für eine gute Belüftung ist immer gesorgt. Achtet aber darauf, dass eure Nachbarn nicht zu sehr unter stinkenden Experimenten leiden, falls ihr solche durchführt. Oder ladet sie einfach zum Mitforschen ein.

Ganz wichtig ist jedoch: Achtet darauf, dass keine flüssigen oder festen Bestandteile eurer Experimente an die Pflanzen oder in den Boden eures Gartens oder eurer Balkonkübel gelangen!

Das gilt besonders für Säuren und Basen wie Essig oder Natron und Seifen! Die können nämlich nicht nur unsere Haut, sondern auch Pflanzenteile beschädigen. Säuren und Basen können in grösseren Mengen zudem den pH-Wert im Boden so verändern, dass das Leben darin gehörig durcheinander gerät.

Seifen, genauer die Tenside darin, stören den Stoffaustausch zwischen Kleinstlebewesen und dem Wasser in ihrer Umgebung. So können sie für das Leben im Boden sehr gefährlich werden.

Sorgt deshalb für eine schützende Unterlage an eurem Experimentierplatz: Eine Maltischdecke, ein Tablett oder Backblech oder eine Plane auf dem Rasen können euch gute Dienste leisten.

Wenn ihr diese Sicherheitsvorkehrungen beachtet, steht dem Experimentierspass ohne Schaden an euch oder eurem Garten nichts mehr im Wege! Also los:

13 Experimente für draussen

Blätter transportieren Wasser – Ein Kontrollversuch macht es sichtbar

Experiment: Blätter transportieren Wasser - und warum ein Kontrollversuch wichtig ist

Mit diesem einfachen Experiment könnt ihr nicht nur sichtbar machen, dass Pflanzen trinken und schwitzen – und auf diese Weise Wasser aus dem Boden (oder einer Vase) in die Luft transportieren. Ihr könnt auch die Bedeutung eines Kontrollaufbaus (einer “Blindprobe” oder auch einer Kontrollgruppe) für die Bewertung von Versuchsergebnissen aufzeigen. Oft zeigt sich das Ergebnis eines Versuch nämlich erst im Vergleich mit einem Aufbau ohne die entscheidende Zutat richtig deutlich. Das macht solche Kontrollversuche zu einem unverzichtbaren Werkzeug für die grossen Forscher! Da ihr im Sommer reichlich Zweige mit grünen Blättern finden könnt, können auch eure kleinen Forscher einen solchen Vergleich durchführen. Die Anleitung dazu findet ihr hier.

Das geheimnisvolle Leben der Pflanzen

Rund um Pflanzen gibt es ohnehin so viel zu entdecken. Wenn ihr ein Mikroskop habt – schon ein einfaches USB-Mikroskop genügt! – könnt ihr euch den spannenden Aufbau von Blättern ansehen. Unterwegs könnt ihr nach Sonnen- und Schattenblättern oder nach Standort-Spezialisten Ausschau halten. Und wusstet ihr, dass ihr eine Pflanze, die nach einem langen heissen Tag die Blätter hängen lässt, nicht gleich aufgeben müsst? Ihr könnt sie ganz einfach wiederbeleben! Eine ganze Sammlung von Tipps und Anleitungen rund um Pflanzen und ihre Blätter findet ihr hier.

Photosynthese erleben

Blogbild Photosynthese

Pflanzen leben von Luft und Licht…und von Wasser natürlich. Weitere Nährstoffe brauchen sie nur in vergleichweise winzigen Mengen. So kommt es, dass die wilden Gewächse, in die sich selbst unsere Topfpflanzen im Zimmer manchmal verwandeln, uns immer wieder zum Staunen bringen. Das Geheimnis dahinter: Pflanzen bauen aus CO2 und Wasser mit Hilfe von Lichtenergie Kohlenhydrate – die Bestandteile ihrer selbst – auf. Dabei entsteht praktischerweise Sauerstoff als Abfall. Den Vorgang, der dahinter steckt, nennen die Biochemiker Photosynthese. Und ihr könnt nicht nur die Entstehung von Sauerstoff, sondern auch die Bildung von Stärke in Pflanzenteilen einfach nachweisen. Wie das geht, erfahrt ihr hier. 

Raketenstart mit dem perfekt berechneten Treibstoff

Wer eine Rakete starten möchte, braucht möglichst viel Triebkraft bei möglichst wenig Gewicht. Essig und Natron geben einen prima Treibstoff ab, der für euch weitestgehend ungefährlich ist. Hier erfahrt ihr nicht nur, wie ihr aus Abfällen eure eigene Rakete baut, sondern auch wie ihr das perfekte Gemisch für euren Treibstoff ausrechnen könnt. Stöchiometrie nennen Chemiker diese Art zu rechnen. Wenn ihr eure Startrampe auf dem Rasen errichtet, empfehle ich euch eine Plane darunter zum Schutz des Grüns. Denn der Antrieb dieser Rakete beruht zwar darauf, dass Essig und Natron einander neutralisieren. Aber es hat wohl noch kein Raketen-Experiment gegeben, bei dem nicht einmal irgendetwas schief gelaufen wäre!

Spass mit Elefantenzahnpasta

Womit putzen Elefanten sich die Zähne? Mit einer grossen Menge schaumigem Zeug? Könnte man meinen…aber Scherz beiseite. Diesen Schaum solltet ihr besser nicht anfassen – aber Zuschauen allein macht grossen Spass! Auch für diesen Schaumvulkan ist ein Gasentstehung die Triebkraft. Hier sorgt Hefe, die mit Wasserstoffperoxid fertig zu werden versucht, für seine Entstehung. Und damit es richtig schäumt, gehört ein Schuss Seife dazu. Da weder die noch Wasserstoffperoxid gesund für den Garten sind, rate ich auch hier dringend zu einer Auffangwanne. Damit steht dem grossen Spass nichts mehr im Wege. Wie ihr die Elefantenzahnpasta anrichtet – vielleicht in einer grösseren Ausgabe als meiner? – erfahrt ihr hier.

Hefegärung mit Sonnenenergie

Experiment: Gärung - die Superkraft von Hefe

Hefe kann nicht nur blitzschnell Wasserstoffperoxid loswerden, sondern auch, was euren Kuchen zum Aufgehen bringt: Sich ernähren. Die Art und Weise, wie Hefezellen ihre Nahrung “verdauen”, nennt man Gärung. Und dabei entsteht eine richtig grosse Menge CO2. Die kann nicht nur dafür sorgen, dass euer Teig schön fluffig wird, sondern auch einen Luftballon aufblasen. So könnt ihr mit einem solchen die Gärung ganz einfach sichtbar machen! Und da Hefe es gerne lauschig warm hat, liefert die Sommersonne euch die passende Energie dazu. Wie ihr den Versuch macht, erfahrt ihr hier.

Blattfarbstoffe trennen

Wusstet ihr, dass Blätter im Herbst nicht gelb und rot werden, sondern einfach nur nicht länger grün bleiben? Richtig: In einem grünen Blatt sind stets alle seine möglichen Farben enthalten: Grün, Gelb, Rot. Das Grün ist im Sommer bloss derart in der Übermacht, dass es alle anderen Farben überstrahlt. Im Herbst lagern die Pflanzen es jedoch ein, und übrig bleiben Gelb und Rot, bevor ihre Blätter welken und abfallen. Ihr wollt einen Beweis? Mit diesem spannenden Experiment könnt ihr die Farbstoffe aus grünen Blättern trennen und einzeln begutachten! Da ihr dazu Lösungsmittel braucht, ist die gute Belüftung draussen euch dabei ein grosser Vorteil.

Die mysteriöse Pharaoschlange

Dieser faszinierende Partyspass erfordert ein wenig Vorbereitung seitens grosser Forscher – und eine Geheimzutat, die ihr in der Apotheke oder Drogerie kaufen müsst. Welche das ist, verrate ich hier mitsamt der Anleitung und zwei weiteren verblüffenden Experimenten. Das folgende Spektakel lohnt jedoch den Aufwand: Ihr könnt Zucker zum Brennen bringen und beobachten, wie ein mächtiger Aschewurm sich wie von Zauberhand aus dem Sand erhebt und windet! Und wenn ihr das Ganze draussen macht, braucht ihr euch um den Rauchabzug keine grossen Gedanken zu machen. Ein Spass für jede Gartenparty!

Für heisse Tage im Sommer: Herzen schmelzen…

Ein Herz aus Eis

…oder was immer ihr sonst schmelzen lassen wollt. An heissen Tagen sorgt dieses coole Experiment für viel Spass und allfällige Abkühlung. Beobachtet, in welcher Weise Eis schmilzt, beschleunigt den Vorgang mit Salz und erschafft mit bunten Farben surreale Eiswelten. Ganz junge Forscher haben hier ebenso viel Freude wie grössere Kameraleute, die gern farbenfrohe Bilder aufnehmen. Achtet aber darauf, ein Auffangblech oder eine Folie zu verwenden, damit die Farben bleiben, wo sie hingehören und nicht in den Garten laufen! Anleitung und Hintergründe zum Experiment findet ihr hier.

Brausende Herzen schmelzen…mit Essig-Eis

Experiment am Valentinstag: Essigeisherzen in Soda

Für diese Variante des Farbenspiels beim Schmelzen macht ihr Eiswürfel nicht aus Wasser, sondern aus Haushaltsessig! In einer Natron- oder Sodalösung zeigen die beim Schmelzen ihren wahrhaft aufbrausenden Charakter. Mit etwas Tinte oder Lebensmittelfarbe wird das Ganze zudem zu einem weiteren Farbspektakel. Aber bitte nicht trinken – auch wenn sie sich neutralisieren sollten, können Essig und Natron auf Schleimhäute ätzend wirken! Auffangblech oder Plane schützen zudem euren Garten, wenn es hoch her geht. Die Anleitung zum Experiment findet ihr hier.

Eis wächst!

gefrorenes Wasser : Das Glas wird voller

Zur Weiterverwendung zwecks Abkühlung an heissen Tagen ist das Eis aus diesem Experiment geeignet. Wusstet ihr, dass Wasser beim Gefrieren wächst? Das ist eine ganz besondere Eigenschaft dieses allgegenwärtigen Stoffes. Forscher nennen sie auch die “Dichteanomalie” des Wassers: Sie wissen, dass Wasser bei etwa +4°C am “kleinsten” ist und, wenn es kälter wird, wieder wächst! Auch dann, wenn es beim Kälterwerden gefriert. Deshalb solltet ihr niemals geschlossene Glasflaschen mit Inhalt ins Gefrierfach legen. Denn wenn der Inhalt zu stark wächst, platzen sie! Wie ihr das Wachstum von Eis ganz ohne Gefahr sichtbar machen könnt, erfahrt ihr dagegen hier.

Kinetischer Sand für drinnen und draussen

Experiment DIY Kinetischer Sand - und wie er funktioniert

Ihr habt Sehnsucht nach dem Strand? Der Sandkasten ist öde geworden? Ihr habt gar keinen Platz dafür? Oder der Sommer ist verregnet? Dann habe ich eine gute Nachricht für euch. Mit diesem Rezept könnt ihr kinetischen Sand ganz einfach selber machen! Mit diesem praktischen Sand können kleine Forscher nach Herzenslust bauen und spielen, ohne dass der berüchtigte Strandferien-Effekt eintritt: Sand überall! Denn diese Sandkörner bleiben beieinander, anstatt sich im Wohnraum zu verteilen. So steht dem Spielspass auf der Terrasse oder sogar drinnen nichts mehr im Wege.

Natur-Bingo für den Sommer-Spaziergang am See

Tier-Bingo am See

Wir haben in diesem besonderen Jahr auf Fernreisen verzichtet und verbringen die Ferien zu Hause. Da gibt es auch so viel zu entdecken! Wenn ihr an einem See oder Teich wohnt oder Urlaub macht, könnt ihr euren Spaziergang durch die Natur dort mit einem spannenden Forscher-Bingo verbinden. Die Anleitung samt Bingokarte zum Ausdrucken findet ihr hier. Wer entdeckt zuerst alle gesuchten Tiere?

Und noch mehr Experimente im Sommer

Viele weitere Versuche in Keinsteins Kiste könnt ihr nicht nur drinnen, sondern ebenso gut auf der Terrasse oder dem Balkon machen. Stöbert und probiert also ruhig nach Herzenslust weiter. Ich wünsche euch viel Spass beim Experimentieren in diesem Forschersommer!

Eure Kathi Keinstein

Und was ist euer Lieblings-Sommer-Experiment? Wenn ihr einen Blog habt oder gerne einmal einen Gastbeitrag schreiben würdet, nehmt damit doch gleich an meiner Jubiläums-Blogparade teil!

Grosse Jubiläums-Blogparade: Mein Lieblings-Experiment

Ganze 5 Jahre ist es nun her, dass Keinsteins Kiste das Licht der Welt erblickt hat. Fünf Jahre! Das ist ein halbes Jahrzehnt! Dieses “kleine” Jubiläum möchte ich mit euch allen feiern – und mit euren Experimenten in einer Blogparade.

Da dieses Jubiläums-Jahr auch hinsichtlich des Weltgeschehens ein ganz besonderes ist (C. sei’s gedankt…), ist “Mein Lieblings-Experiment” dieses Jahr das perfekte Motto. Denn nachdem mir genau diese Blogparade letztes Jahr aufgrund bombiger Auftragslage im Job und eigenen Ferienplänen völlig versandet ist, ist die Lage dieses Jahr eine völlig andere:

In kaum einem Jahr hatten wir so viel Gelegenheit – und werden sie noch haben – zu Hause zu experimentieren, zu lernen und zu entdecken. Monate des Heimlernens liegen hinter uns, Sommerferien mit eingeschränkten Reisemöglichkeiten vor uns. Das ist die Gelegenheit, euer Lieblings-Experiment zu finden – oder uns zu zeigen, was ihr schon gefunden habt!

Letztes Jahr hat es trotz allem einen Beitrag zur Parade von Anne Nühm alias “breakpoint” gegeben. Der soll nun hier seine Würdigung als erster Beitrag zur Neuauflage finden.

Und da auch mein Sommer vor allem zu Hause stattfinden wird, lasse ich diese Auflage der Blogparade auch ganz bestimmt nicht mehr versanden. Versprochen.

Fünf Jahre Keinsteins Kiste

Bis in die erste Hälfte 2015 waren “Blogger” in meinen Augen Werbegesichter für Mode, Kosmetik und allerlei Lifestyle-Produkte – kurzum das, was man heute vielleicht eher mit dem Begriff “Influencer” in Verbindung bringt. Und damit so ganz und gar nicht meine Welt.

Erst als ein Neuzugang in einer völlig themenfremden Facebook-Gruppe am Rande ihren Mama-Blog erwähnte, öffnete sich mir die Tür zur ganzen Welt der Blogger – und mir war sofort klar: Davon möchte ich auch ein Teil sein! So habe ich binnen weniger Wochen diesen Blog ins Leben gerufen.

Seitdem hat sich so vieles getan und verändert. Von Anfang an war Keinsteins Kiste als Sammlung naturwissenschaftlicher Inhalte gedacht – zunächst reichlich unspezifisch in Form von “Geschichten aus Natur und Alltag”. Naturwissenschaft besteht nun in grossen Teilen aus Beobachtung…und dazu sind aufmerksame Sinne unabdingbar. So kam ich zu der Umwidmung des Blogs zu “Natur und Wissenschaft für alle Sinne”.

Doch auf Dauer erschien mir auch dies zu ungenau. Zumal ich mit meinem in der deutschsprachigen Blogsphäre nach wie vor exotischen Genre lange nach meinem Platz in deren unendlichen Weiten gesucht habe. Schlussendlich führte diese Suche an den Anfang des Blogs zurück. Mit einem Mama-Blog fing die Geschichte der Kiste an, und mit Familienblogs und ihren Autoren kann ich mich nun wahrhaftig identifizieren. Und das, obwohl ich selbst gar keine Kinder habe.

Wozu Keinsteins Kiste? Um Chemie und anderen Naturwissenschaften ein positives Gesicht zu geben!

Nichts desto trotz arbeite ich mit Kindern, und habe dabei schnell festgestellt, dass es nichts wunderbareres gibt als die kindliche Neugier. Physik (und Chemie und…) ist schliesslich, wo man spielt.

Und diese Neugier ist ein grossartiger Ansatzpunkt, um mein grosses Ziel zu verfolgen: Der Naturwissenschaft im Allgemeinen und der Chemie in Besonderen in euren Köpfen ein besseres Ansehen zu verschaffen!

Die Welt ist nämlich voll von “Fake-News”, Fehlinformationen und teils gefährlichen Irrlehren, die viel zu oft auf fruchtbaren Boden stossen. Und solch “fruchtbarer Boden” entsteht, wenn junge Menschen die Fächer, in welchen sie lernen können, wie die Welt funktioniert und wie sie selbst diese Funktionsweisen ergründen können, als “zu schwierig”, “abstrakt”, “realitätsfern” oder gar “unwichtig” erleben. Dann nämlich verlassen sie ihre Schulen oft ohne ein grundlegendes Verständnis für die Natur der Dinge – und sind entsprechend anfällig für jeglichen Unsinn, der darüber verbreitet wird.

Je früher jedoch Neugier und Freude an der Erforschung der Welt geweckt werden, desto grösser sehe ich auch die Chance, dass die Aufmerksamkeit für und die Freude an naturwissenschaftlichen Zusammenhängen erhalten bleibt und Chemie und Co in den Augen einstmaliger Jungforscher ihr gutartiges Gesicht behalten.

Chemie ist nämlich überall und alles ist Chemie. So tut ihr gut daran im Gedächtnis zu behalten, dass sie eben nur manchmal gefährlich, aber immer spannend ist!

Experimente wecken Spass und Neugier – nicht nur bei kleinen Forschern

Die eindrücklichste und zugleich spassigste Art und Weise, Naturwissenschaften zu lernen, ist, selbst zu experimentieren und zu forschen. So habe ich – besonders in den letzten drei Jahren – mehr und mehr Experimente in Keinsteins Kiste einfliessen lassen, die ihr zu Hause oder in jedem beliebigen Klassenzimmer selbst machen könnt.

Und damit auch naturwissenschaftlich nicht “vorbelastete” Eltern und Lehrer ihren Kindern die unvermeidlichen Fragen junger Forscher beantworten können (allen voran “Wie funktioniert das bloss?”), liefere ich zu jeder Anleitung auch eine ausführliche Erklärung dessen, was hinter den spannenden Beobachtungen steckt.

So können Klein und Gross beim Experimentieren etwas lernen. Aber damit nicht genug: Ihr Grossen könnt euer naturwissenschaftliches Wissen auch direkt in eurem Alltag gebrauchen! Wie? Das könnt ihr in den gesammelten Haushalts– und Gesundheitstipps in der Keinsteins Kiste lernen.

So ist der Blog nun schon seit zwei Jahren offiziell gefüllt mit “Natur und Wissenschaft für die ganze Familie”.

Grosse Sommer-Blogparade zum Geburtstag

Doch nun könnt ihr in der Blogparade selbst mitfeiern und -forschen!

Thema der Blogparade: Mein Lieblings-Experiment!

Experimente mit Aha-Effekt

Denn die Freude an Naturwissenschaft beginnt oft mit einem besonders eindrücklichen Experiment, das einen regelrechten Aha-Effekt auslöst.

So war es zumindest bei mir: In der siebten Klasse bin ich erstmals der Schmelzwärme begegnet – einem Konzept, das mir bis dahin völlig unbekannt war. Und mit dieser einschneidenden Veränderung meines Weltbildes hatte ich mein Herz unrettbar an die Chemie verloren (und das, obwohl sich die Physiker mit den Chemiker um die Einordnung dieses Konzeptes streiten könnten!).

Die ganze Geschichte von diesem Aha-Erlebnis erfahrt ihr hier, und natürlich gibt es auch eine Anleitung für das Experiment zum Nachmachen!

Vielleicht kehrt eure Leidenschaft auch immer wieder zu dem einen Experiment zurück?

Experimente, die euch nicht loslassen

Ich habe zum Beispiel bei jeder sich bietenden Gelegenheit Eisensulfid aus den Elementen Eisen und Schwefel hergestellt (das Teufelchen in mir spielt immer wieder gern mit Schwefel herum…). Da das eine ziemlich stinkige Angelegenheit ist, müssen dafür besondere Anforderungen an die Umgebung erfüllt sein, weshalb es das Experiment (noch) nicht in Keinsteins Kiste gibt.

Experimente, bei welchen ihr (bislang?) nur zugeschaut habt

Oder habt ihr euch bislang noch nicht selbst getraut, zu experimentieren, aber andere dabei beobachtet? Sei es der Lehrer in der Schule, der Dozent in der Uni, oder ein Show-Experimentator auf der Bühne? Welches Schau-Experiment hat euch besonders beeindruckt – vielleicht gar so sehr, dass ihr es gerne einmal selbst versuchen würdet – oder eben gerade nicht?

Im Rahmen der Lehrerausbildung hat uns unser Dozent ein wahrhaft beeindruckendes Demonstrations-Experiment gezeigt: Die Thermit-Reaktion!

Thermit-Versuch für die Schule: Die Reaktion findet im Blumentopf statt, glühendes flüssiges Eisen tropft unten heraus!

Hier bei wird Eisen(III)oxid mit Aluminium-Pulver zur Reaktion gebracht, wobei Temperaturen bis gut 2000°C entstehen! Mit grossem Getöse und Leuchtspektakel entsteht dabei flüssiges(!) metallisches Eisen. Deshalb nutzen Eisenbahner diese Reaktion, um frisch verlegte Schienen zusammen zu “schweissen”. Der sehr grossen Brandgefahr wegen sollte ein solches Experiment immer ausserhalb des Schulhauses (z.B. auf dem asphaltierten Schulhof) gemacht werden.

Später habe ich dann für einige Zeit an der Berufsschule in Arth-Goldau unterrichtet und dort in der Chemikaliensammlung eine fertige Thermit-Mischung gefunden. Natürlich habe ich die ausprobieren müssen – aber leider habe ich es nicht fertig gebracht, das Ganze zu zünden (das ist nämlich – zum Glück – ohne einen speziellen Thermit-Zünder kaum zu bewerkstelligen). Die Enttäuschung bei mir und den extra auf den Hof geführten Schülern war entsprechend gross.

Aber wenn ich noch einmal die Gelegenheit bekäme, Thermit zu zünden, wäre ich sofort dabei.

Experimente in der Forschung

Oder seid ihr sogar selber Forscher (gewesen)?

In der Forschung müssen Wissenschaftler ihre Experimente immer wieder und wieder durchführen und immer das Gleiche beobachten, bevor sie ein belastbares (weil wiederholt beobachtbares) Ergebnis veröffentlichen können. Auch ich kann ein Lied davon singen.

Besonders aufregend wird das Ganze dann, wenn ein Experiment tatsächlich immer das gleiche Ergebnis liefert – und wenn andere Forscher, die den Versuch nachmachen, dieses Ergebnis ebenfalls beobachten. Dann hat man nämlich etwas gefunden, was den allgemeinen Wissenstand wirklich erweitern könnte!

Habt ihr als Forscher selbst einmal so ein eindrückliches Experiment gemacht?

Was ihr zur Blogparade wissen müsst:

Experimentiert ihr gerne – zu Hause, in der Schule oder sogar an eurem eigenen Forscher-Arbeitsplatz? Schaut ihr euch spannende Experimente lieber an? Oder würdet ihr gerne auch selbst experimentieren?

Mit dieser Blogparade möchte ich euch alle – ganz gleich welchen Bezug ihr zum Experimentieren habt – zum Mitmachen einladen:

Beschreibt in einem Blogartikel euer Lieblings-Experiment!

Erzählt, schreibt, fotografiert, filmt oder wie auch immer ihr euch ausdrückt von eurem Erlebnis beim Experimentieren oder Zusehen: Was beeindruckt euch besonders, und warum ist dies euer Lieblings-Experiment?

Und wenn ihr selbst experimentiert, habt ihr vielleicht auch eine Anleitung dazu? Und wenn ihr ganz versiert seid und die Beobachtung sogar erklären könnt, wäre das natürlich Spitzenklasse – aber nicht notwendig.

Bei Bedarf helfe ich beim Erklären auch gerne aus.

Veröffentlicht den Artikel bis zum 13. September 2020 auf eurem Blog bzw. Kanal, verlinkt darin auf diesen Artikel und postet den Link dazu hier in die Kommentare. So kann ich sie über meine Kanäle teilen und zum Abschluss in einer Zusammenfassung würdigen.

Ihr möchtet gerne ein Experiment vorstellen und habt keinen eigenen Blog? Dann könnt ihr euren Beitrag gerne als Gastbeitrag in Keinsteins Kiste einreichen!

Ganz besonders würde ich mich freuen, wenn ihr anderen von dieser Blogparade “erzählt”, sodass möglichst viele die Chance haben, mit zu forschen!

Nun wünsche ich euch viel Spass beim Forschen, Experimentieren und Verbloggen,

Eure Kathi Keinstein

Experiment: Recycling selbst gemacht - HDPE

In Deutschland wurden in meinen Kindertagen die “gelbe Tonne” und der “grüne Punkt” auf Kunststoff-Verpackungen eingeführt. Das Ziel: Plastikabfälle sollen vom Restmüll getrennt gesammelt werden, damit man sie recyceln kann. Hier in der Schweiz ist man leider bis heute nicht so weit – wenn wir von dem flächendeckenden Recycling-Kreislauf für PET*-Getränkeflaschen einmal absehen. HDPE und andere landen hierzlande dagegen in der Müllverbrennungsanlage.

*Eine Übersicht über die gängigsten Kunststoff-Arten und der gebräuchlichen Abkürzungen findet ihr hier!

Aber wie funktioniert Kunststoff-Recycling eigentlich? Wie kann man aus alten Plastik-Gegenständen neue herstellen?

Leicht recycelbar: Thermoplaste

Einige Kunststoffe, darunter die im Alltag am weitesten Verbreiteten, haben eine spannende Eigenschaft, die das Wiederverwenden einfach macht: Wenn man sie erhitzt, werden sie formbar – und kühlen sie ab, werden sie erneut fest! Solche Kunststoffe werden von den Fachleuten “Thermoplaste” genannt. Und nicht nur das – einzelne Kunststoffteile lassen sich in ihrem formbaren Zustand sogar mit anderen verschmelzen!

Wenn die Temperatur, ab welcher ein Kunststoff formbar (“plastisch”) wird, ausreichend weit unterhalb jener Temperatur liegt, bei welcher die Riesen-Kettenmoleküle im Kunststoff zerstört werden, lässt sich diese Eigenschaft für das Recycling nutzen. Nicht mehr benötigte Kunststoff-Gegenstände können erhitzt, neu geformt und zu neuen Gegenständen verschmolzen werden.

Experiment: Recycelt euren eigenen Thermoplast

Das könnt ihr sogar selbst ausprobieren! Sehr gut eignet sich dafür Polyethylen (PE), genauer gesagt HDPE, die Polyethylen-Spielart mit Hoher Dichte. Aus diesem Material bestehen die meisten Flaschen für Shampoo und andere Hygieneprodukte. Das Recycling-Dreieck aus drei Pfeilen mit der Ziffer 2 und dem Kürzel “HDPE” oder “PE-HD” verraten euch, dass eine Flasche wirklich aus diesem Material besteht.

Recycling-Symbol für HDPE (via Wikimedia Commons, User : Tomia / CC BY-2.5 )

Ihr könnt also aus leeren Shampoo-Flaschen ganz einfach neue Gegenstände herstellen – zum Beispiel Deko-Anhänger für den Weihnachtsbaum, Osterstrauch oder sonstige Anlässe.

Ihr braucht dazu

  • Leere Flasche(n) aus HDPE (eine Shampoo-Flasche reicht für bis zu vier Anhänger)
  • Ausstechformen für Plätzchen aus Metall (einfache Formen, sonst wird es sehr kniffelig)
  • Alufolie
  • Etwas Pflanzenöl
  • Küchenschere
  • Elektro-Herdplatte (KEIN Induktionsherd! Dunstabzug empfohlen!)
  • Einen Kochtopf
  • Greifzange (vom Grill, Tiegelzange o.Ä.)
Material zum Umschmelzen von HDPE
Die linke, feinstrukturierte Ausstechform habe ich schnell aufgegeben: Die kleinen Nischen lassen sich kaum mit Folie auskleiden, ohne dass diese reisst. Die rechte hat dafür gute Dienste geleistet.

So geht’s

  • Säubert die leere Flasche sorgfältig. Schneidet das obere und unter Ende – am besten über einem Waschbecken – ab. Wenn sich dabei weitere Reste des Inhalts zeigen, reinigt die Teile noch einmal gründlich.
  • Schneidet die Flasche in möglichst feine Schnitzel. Ich habe dazu die Seitenwände in grössere Stücke zerteilt und diese zunächst streifenartig eingeschnitten. Dann habe ich senkrecht zu den Einschnitten schmale “Streifen” abgetrennt (wie ein Coiffeur beim Haareschneiden). Das Ergebnis: HDPE-Flocken von etwa 2x2mm Grösse.
Schritt für Schritt von der HDPE-Flasche zu kleinen Flocken
Von der leeren Shampoo-Flasche zu kleinen Flocken
  • Kleidet eine Ausstechform mit Alufolie aus. Achtet darauf, dass die Folie die Form innen vollständig und bis zum Boden bedeckt. So kann euer Werkstück die Form des Ausstechers ganz übernehmen. Achtet aber darauf, dass keine Risse oder Löcher entstehen! (Dieser Schritt kann bei zu filigranen Ausstechformen sehr kniffelig werden.)
Ausstechform mit Alufolie von oben und unten
  • Bestreicht die Innenseite dieser selbstgemachten Aluschale mit etwas Öl, so als wolltet ihr darin einen Kuchen backen.
  • Füllt eine dichte Schicht eurer PE-Flocken in die Form. Achtet darauf, dass die Flocken jeden Winkel der Form dicht ausfüllen.
Ausstechform als Aluschale, gefüllt mit HDPE-Flocken
So ist die Form gut gefüllt: Der Boden ist nicht mehr zu sehen, die Flockenschicht ca. 3mm dick.
  • Stellt die Form in den leeren Kochtopf und stellt diesen leer (bis auf die Alu-Form(en)) auf den Herd.
  • Schaltet die Herdplatte für 8 bis 10 Minuten auf niedrige bis mittlere Stufe. Behaltet das Experiment unbedingt im Auge und schaltet wenn möglich den Dunstabzug ein! Sollte sich Geruch nach schmorendem Plastik oder gar Rauch zeigen, nehmt den Topf sofort vom Herd!
  • Nach gegebener Zeit, bzw. wenn die Flocken aneinanderbacken, nehmt den Topf vom Herd und lasst die Formen abkühlen. Vorsicht, heiss: Wenn ihr sie dazu aus dem Topf nehmen wollt, benutzt dazu die Zange!
  • Nehmt das abgekühle Werkstück samit Aluminium aus der Form. Die Folie sollte sich ganz leicht abschälen lassen. Dann könnt ihr mit Wasser und Seife das Öl abwaschen.
Fertige HDPE-Blume noch in der Alu-Form
Oops! Die braune Färbung zeigt: Das ist wohl etwas zu heiss geworden. Ausserdem ist bei diesem ersten Versuch Rauch entstanden und Reto hat sich über den Geruch nach schmorendem Plastik beschwert. Die Notkühlung mit Wasser hat dieses Stück aber noch retten können.

Notfall-Tipp: Wenn das Experiment zu stinken oder gar zu rauchen beginnt, droht der Kunststoff zu verschmoren. Um das Schlimmste zu verhindern, könnt ihr die Temperatur der Werkstücke sehr schnell senken, indem ihr kaltes Wasser einige Millimeter hoch in den Topf laufen lasst. Zischen und Dampfen ist dabei ein Zeichen für Energieverbrauch – und damit für die sinkende Temperatur.

Rückseite der gebräunten HDPE-Blume mit Alu-Resten
Die Rückseite des überhitzten Stücks, nachdem ich die Aluminiumfolie (ohne Öl!) mühsam mit einem Küchenmesser abgekratzt habe: Trotz Überhitzung hält der Kunststoff so fest zusammen, dass diese Blume nicht einmal bei der Kratzerei kaputt ging!

Was ihr beobachten könnt

Beim Erhitzen werden die Kunststofffocken dicker, beginnen zu glänzen und ihre Kanten werden weicher. Sie sehen aus wie Käse, der im Begriff ist zu schmelzen. Die dicht übereinander geschichteten Flocken verschmelzen dabei sogar miteinander. Wenn ihr die Flocken nun mit der Greifzange antippt, könnt ihr feststellen: Sie sind weich und nachgiebig – ganz wie schmelzender Käse.

Nachdem das Werkstück abgekühlt ist, ist der Kunststoff so hart wie zuvor, aber: Die Flocken haben sich zu einem einzigen Werkstück verbunden. Und zwar so fest, dass dieses sich problemlos mit einer Bürste reinigen lässt!

HDPE-Blume ohne Bräunung
Es geht auch ohne Bräunung! An der geölten Alufolie beim zweiten Versuch hat nichts mehr geklebt – nur ein paar Flocken mehr hätten es sein dürfen – für einen saubereren Rand.

Wenn euch das Ganze jetzt bekannt vorkommt: Genau, Bügelperlen funktionieren auf die gleiche Weise!  Die bestehen in der Regel auch aus Polyethylen, wenn auch aus LDPE.


Was passiert da?

Wie sind Thermoplaste aufgebaut?

Was wir im Alltag allgemein “Kunststoff” oder “Plastik” nennen, sind in aller Regel Stoffe, die aus langen Molekülketten aus sich wiederholenden Gliedern bestehen. Die Chemiker nennen diese Stoffe deshalb “Polymere”. Die Moleküle von thermoplastischen Kunststoffen sind tatsächlich ganz einfache Ketten oder “Fäden” ohne Verzweigungen, die mehr oder weniger wirr miteinander verknäuelt sind.

Ausschnitt aus einer Polyethylen-Kette als Kalottenmodell: Dieser Molekül-“Faden” besteht aus Kohlenstoff- (schwarz) und Wasserstoff- (weiss) Atomen.

Amorphe Thermoplaste

Ähnlich wie ein Haufen verworrene Wolle bildet dieses Gewirr einen einzigen Körper, den wir sehen und anfassen können. Denn so wie die rauhen Oberflächen der Wollfäden diese aneinander haften lassen, wirken auch zwischen den Molekülfäden schwache Kräfte, die für Haftung aneinander sorgen.

Wie ein Haufen wirrer Wolle sind auch solche Kunststoffe selbst bei Raumtemperatur sehr biegsam. Dazu gehört zum Beispiel Polyethylen “geringer Dichte” (Low Density – oder LDPE). Die Chemiker nennen solche Kunststoffe auch “amorph” – eben “ohne geordneten Aufbau”.

Teilkristalline Thermoplaste wie HDPE

Das HDPE, Polyethylen “hoher Dichte” ist dagegen hart und nur wenig flexibel. Das rührt daher, dass in dieser Variante des Kunststoff ein Teil der Ketten oder “Fäden” sorgfältig parallel zueinander aufgereiht sind. Als enthielte der Haufen verworrener Wolle zwischendurch Abschnitte, die sorgfältig zu kleinen Knäueln aufgewickelt sind. Und ein streng gewickeltes Wollknäuel ist bekannt ziemlich fest.

Beim realen Wollknäuel ist die straffe Wicklung dafür verantwortlich. In einem Polymerknäuel können sich zwischen ordentlich parallel laufenden Ketten wesentlich stärkere zwischenmolekulare Kräfte ausbilden, die die Ketten fester beieinander halten.

Weil ein so geordneter Aufbau Chemiker leicht an Kristalle erinnert, nennen die solche Kunststoffe “kristallin” bzw., wenn durch Teile des Gewirrs geordnet sind, “teilkristallin”.

Was beim Erhitzen passiert

Je wärmer ein Stoff ist, desto mehr Bewegungsdrang haben seine Moleküle. Im festen Kunststoff schwingen die Atome der Ketten hin und her. Mit steigender Temperatur führen sie einen immer wilderen Tanz auf. Irgendwann wird dieses Treiben so toll, dass die zwischenmolekularen Kräfte das Gezappel nicht mehr aufwiegen können. Die Moleküle lösen sich voneinander – und können nun aneinander vorbei gleiten.

Wären die rauhen Wollfäden mit einem Mal völlig glatt und geölt, könnte man den wirren Haufen auch ganz einfach entwirren oder umformen.

Das Gleiche wird nun mit dem Kunststoff möglich: Die voneinander gelösten Ketten lassen sich durcheinander schieben – und Kettenenden aus verschiedenen Haufen können sich sogar miteinander mischen! Der wärmebedingte wilde Tanz der Atome sorgt für die dazu nötige spontane Bewegung. So kann aus zwei wirren Molekülhaufen (oder Kunststoff-Flocken) schliesslich ein einziges Gewirr werden, ohne dass wir sie verrühren oder drücken müssten.

Nach dem Abkühlen ist der Spuk vorbei – vorerst

Sobald die Temperatur wieder sinkt, werden die Atome wieder ruhiger und die zwischenmolekularen Kräfte – jetzt mitunter zwischen neuen Nachbarn – gewinnen wieder die Oberhand. Der Kunststoff wird erneut hart.

Das Geniale daran: Das Spiel lässt sich praktisch beliebig oft wiederholen – so lange man den Kunststoff nicht zu heiss werden lässt und die Kettenmoleküle selbst zerstört werden.

Warum ich kein Wasserbad verwende, um das zu verhindern

Da viele organische Verbindungen kaputt gehen, wenn sie zu heiss werden, erhitzen Chemiker ihre Stoffe gerne in einem Wasserbad (oder einem aus Silikonöl, wenn die Temperatur noch etwas höher sein soll). So können sie sicherstellen, dass der Versuch nicht heisser als 100°C wird (denn da verdampft das Wasser, bevor es heisser wird).

HDPE wird allerdings erst ab 135°C richtig weich, sodass ein Wasserbad bei Atmosphärendruck einfach nicht heiss genug werden kann, um die PE-Flocken miteinander zu verschmelzen. Speiseöl kann dagegen so heiss werden (das nutzen wir ja beim Braten). Aber viele Pflanzenöle rauchen in diesem Bereich schon beträchtlich, was die Sicht auf den eigentlichen Versuch trüben und nachher zu viel Reinigungsarbeit führen kann.

Deshalb habe ich nur ein wenig Öl zum Einfetten der Form verwendet, da sonst der wieder erkaltete Kunststoff an der Aluminiumfolie kleben bleibt (und das Abkratzen ist überaus mühsam).


Entsorgung

Der Kunststoff als solcher verändert sich durch das Erhitzen nicht. Er kann also ganz normal in den Hausmüll entsorgt werden. Aber viel schöner ist doch, eure Versuchsergebnisse als Deko zu verwenden, oder?

Unverbrauchte Reste der Shampoo-Flaschen könnt ihr auch in die gelbe Tonne/den gelben Sack (Deutschland, Österreich) geben. Aluminium gehört in Deutschland ebenfalls in die gelbe Tonne. In der Schweiz gibt es dafür eigene Sammelbehälter an den Entsorgungsstellen.

Die Ausstechformen könnt ihr nach dem Experiment getrost weiter zum Backen verwenden.

Fazit

Leere PE-Flaschen lassen sich mit einfacher Küchenausrüstung leicht zu neuen Gegenständen umarbeiten. Durch das Zerschneiden des kalten Kunststoffs in kleine Flocken könnt ihr die neue Form dabei sehr frei vorherbestimmen (Recyclingprofis machen das übrigens auch so und zerkleinern die Kunststoffabfälle, bevor sie sie erhitzen und neu verarbeiten).

Die Bewegung der Kunststoff-Moleküle (bzw. ihrer Atome) bei hohen Temperaturen hebelt zwischenmolekulare Anziehungskräfte aus, sodass die Moleküle bei genügend hoher Temperatur (bei HDPE rund 135°C) gegeneinander beweglich werden und ihr sie in neue Form(en) bringen könnt.

Beim Ausprobieren wünsche ich euch viel Spass und freue mich über Berichte von euren Ergebnissen in den Kommentaren. Was habt ihr bei eurem Recycling-Experiment hergestellt?

Mehr zum Thema Kunststoffe in Keinsteins Kiste

Hast du das Experiment nachgemacht: 

PE-Recycling selbst gemacht: Hat das Experiment bei dir funktioniert?

View Results

Loading ... Loading ...

Wenn etwas nicht oder nur teilweise funktioniert haben sollte, schreibt es in die Kommentare. Ich helfe gerne bei der Fehlersuche!

Stärkefolien : Valentinsherzen aus DIY-Bioplastik

‘Plastik’ ist “böse Chemie”, die aus Erdöl hergestellt wird und in der Natur nicht verrottet? Mitnichten! Wie ihr schon im Kunststoff-1×1 hier in Keinsteins Kiste nachlesen könnt, ist die Sorte Moleküle, aus denen ‘Plastik’ besteht, eigentlich eine Erfindung der Natur! Und was die Natur erfindet, kann sie auf kurz oder lang auch wieder abbauen. Das gilt auch für ihre hauseigenen Polymeren – der Stoffgruppe, zu welchen auch die Kunststoffe gehören.

Und diese sogenannten Biopolymere könnt ihr nutzen, um euer eigenes Bioplastik herzustellen – zum Beispiel für ein echt herziges Valentinsgeschenk aus dem eigenen Forscherlabor. Hier erfahrt ihr, wie es geht!

Ihr braucht dazu

Meine Valentins-Herzen bestehen aus Stärkefolie. Wie der Name vermuten lässt, braucht ihr dafür Stärke – und zwar natürliche Stärke, nicht die lösliche Stärke aus dem Laborbedarf oder der Chemiesammlung in der Schule. Natürliche Stärke bekommt ihr auch viel einfacher, nämlich im Supermarkt. In der Schweiz ist “Maizena” praktisch ein Synonym für Maisstärke, in Deutschland kennt man selbige unter dem Markennamen “Mondamin”. Kartoffelstärke soll aber ebenso funktionieren.

Nun aber zur Inhaltsliste für zwei bis fünf untertassengrosse Folienstücke

  • Etwa 5g trockene Stärke (hier in der Schweiz habe ich natürlich Maizena zur Hand)
  • Wasser
  • Glycerin (85%, aus der Drogerie oder Apotheke)
  • Optional: Lebensmittelfarbe
  • 1 Becherglas oder ähnliches Glasgefäss
  • Topf mit Wasserbad, Herd, Topfhandschuh oder/und Grillzange
  • Löffel oder Stab zum Umrühren, Buttermesser
  • Frischhaltedosen aus PE oder PP (Polyethylen bzw. Polypropylen, das übliche Material für “Tupper”-Dosen)
  • Optional: Backblech, Backofen

So geht’s

  • Verdünnt einige Milliliter Glycerin mit der gleichen Menge Wasser und rührt das Gemisch um, bis es klar ist. Diese Glyzerinlösung könnt ihr auch problemlos in einer geschlossenen Flasche für spätere Experimente aufbewahren.
  • Gebt zu 5g Stärke im Glasgefäss etwa 40 ml Wasser und etwa 5 ml der zuvor angefertigten Glycerinlösung und rührt gründlich um. Es entsteht ein milchiges Gemisch, aus dem sich Stärke als weisser Schlamm am Boden absetzt, sobald ihr zu Rühren aufhört. Für farbige Herzen könnt ihr zudem einige Tropfen Lebensmittelfarbe einrühren.
Mischung mit roter Lebensmittelfarbe: Die Stärke setzt sich sichtbar unten ab.
  • Stellt die Frischhaltedosen mit dem Boden nach oben auf das Backblech oder eine andere Unterlage.
  • Stellt den Topf mit dem Wasserbad auf den Herd und erhitzt das Glasgefäss mit dem Gemisch darin, während ihr immer wieder umrührt. Topfhandschuh oder/und Grillzange werden euch beim Festhalten des heissen Glases gute Dienste leisten!
  • Sobald die Flüssigkeit zu einer trüben, gelartigen Masse “bindet” (wie eine Sauce), giesst sie auf die umgekehrten Frischhaltedosen und verstreicht sie mit dem Buttermesser gleichmässig mindestens 2 Millimeter dick. Bei dieser Dicke dauert das Trocknen länger, aber die Gefahr, dass dabei Risse entstehen, ist geringer.
  • Lasst die verstrichene Masse über Nacht an der Luft trocknen. Wenn ihr ungeduldig seid, könnt ihr sie zunächst auch bei 50-80°C (wenn ihr Lebensmittelfarbe verwendet NICHT wärmer, da die Farbstoffe sich sonst zersetzen!) eine Stunde oder länger im Backofen trocknen. Dabei besteht allerdings die Gefahr, dass Risse in den Folien entstehen.
Die dünne Folie links ist stärker gerissen als jene aus gut 2 Millimeter Stärkemasse rechts. Die hellen Stellen sind noch sehr feucht, sodass ich die Folien über Nacht habe trocknen lassen.
  • Wenn die Stärkemasse ausgehärtet ist, könnt ihr die Folie (ggfs. mit Hilfe eines flachen Messers) von den Dosen lösen und nach Wunsch zuschneiden.
Dank des vorne überhängenden Auswuchses lässt sich die Folie einfach von der Dose abziehen.

Achtung: Die Stärkefolien sind nicht wasserfest! Sorgt also dafür, dass eure Valentinsherzen stets im Trockenen bleiben. Für die Beschriftung habe ich dementsprechend einen Permanentschreiber mit organischem Lösungsmittel verwendet.

Die Stärkefolie lässt sich problemlos mit der Küchenschere schneiden. Da besonders die dicke Folie noch Restfeuchte enthielt, wurde sie an der Luft mit der Zeit krumm. Ein paar Stunden unter einem schweren Buch auf dem flachen Tisch und sie war wieder schön flach.

Was passiert da?

Was ist Stärkemehl?

Stärke besteht aus grossen Kettenmolekülen, sogenannten Polymeren, die aus Tausenden miteinander verknüpften Glucose- also Traubenzucker-Ringen besteht. Pflanzen stellen diese Polymere her, um ihren Traubenzucker, der ihnen als Energieträger dient, ordentlich “aufgefädelt” zu lagern.

Es gibt zwei verschiedene Sorten Stärkepolymere:

  • Amylose, die aus einfachen Ketten aus wenigen Tausend aneinandergereihten Glucose-Einheiten besteht.
  • Amylopektin, dessen Ketten sich etwa alle 30 Glucose-Ringe verzweigen. So entstehen regelrechte Molekül-Büschel, die gut und gerne Zehntausende oder gar Hunderttausende Glucose-Ringe umfassen können.

Trotzdem sind “Maizena” und andere Stärkemehle weit von den Eigenschaften entfernt, die wir von Kunststoffen, also “Plastik” kennen. Im Stärkemehl sind diese Molekülketten nämlich sorgfältig zu kleinen Körnern zusammengepackt. Dabei besteht jedes Korn aus etlichen Schichten, die säuberlich um seinen Mittelpunkt herum gelagert sind – in etwa wie die Schichten einer Zwiebel. Damit ähnelt ein Stärkekorn sehr einem Kristall, also der am regelmässigsten aufgebauten Sorte Festkörper, die es gibt. Und Kristalle, ob nun die von Salz und Zucker oder von Mineralien wie Bergkristall, haben freilich wenig mit nachgiebigen Kunststoffen gemein.

Stärkekörner bei 800-facher Vergrösserung in polarisiertem Licht unter dem Mikroskop: Das x-förmige Muster auf den Körnern zeugt von einer Wechselwirkung mit polarisiertem Licht, wie sie eine kristallartige Substanz zeigt (die Stärke ist optisch aktiv).

Stärke und Wasser: Eine besondere Beziehung

In einem unterscheiden sich Stärkekörner aber völlig von den üblichen Kristallen: Die Stärkepolymere können zwischen ihren Ketten kleine Moleküle festhalten! Aus der Schule bekannt ist der Stärkenachweis durch darin eingelagerte Jod-Moleküle, die die Ketten dunkel färben (wie ihr den Nachweis mit jodhaltigen Desinfektionsmitteln aus der Hausapotheke daheim durchführen könnt, erfahrt ihr hier).

Doch besonders Amylopektin ist in der Lage, sich auch grosse Mengen Wassermoleküle “einzuverleiben”. Die Wassermoleküle dringend zwischen die Verästelungen der Amylopektinbüschel und beanspruchen reichlich Platz. Die Folge: Die Büschel und damit auch die ganzen Stärkekörner quellen auf. Die vormals fest einsortierten Molekülketten werden so beweglich und können zunehmend aus ihren Positionen verrutschen.

Wenn nun Wärme hinzukommt – die nichts anderes ist als Bewegung von Molekülen und ihren Gliedern – rutschen und wirbeln die Stärkeketten und -zweige durcheinander, bis ein furchtbares Gewirr entsteht, das keine (mir bekannte) Macht der Welt wieder auflösen kann. Aus den vormals festen Stärkekörnern in Wasser ist ein mit Wasser vollgesogenes Molekülwirrwarr geworden, das wir als gelartige Masse wahrnehmen und “Stärkekleister” nennen. Tatsächlich besteht Tapetenkleister aus quellender Stärke oder Zellulose-Varianten!

Lassen wir simplen Stärkekleister ausgestrichen an der Luft liegen, verdunsten die aufgesogenen Wassermoleküle mit der Zeit und das Molekülwirrwarr fällt in sich zusammen. Dabei bleibt es jedoch unverändert verworren, sodass es nun einen einzigen Festkörper bildet – allerdings hart und spröde. Und hier kommt das Glycerin ins Spiel.

Von der Platte zur Folie dank Weichmacher

Glycerin ist ein Alkohol mit mehren OH-Gruppen an einem Kohlenstoff-Grundgerüst. Dank der OH-Gruppen kann es ähnlich mit der Stärke wechselwirken wie Wasser – und dementsprechend zwischen den Ketten Platz finden – verdunstet von dort aber weniger leicht. Ausserdem kann Glycerin selbst Wassermoleküle besser bei sich behalten als die Stärke. So sorgt das zu unserem Stärkekleister gegebene Glycerin dafür, dass die Stärkefolien nicht ganz und gar austrocknen, sondern flexibel bleiben.

Das Glycerin übernimmt in unserem Biokunststoff also die Rolle des Weichmachers. Für uns ist es dabei allerdings harmlos, selbst wenn es aus der Stärkefolie freigesetzt wird. Als Bestandteil jedes natürlichen Fettes kommt es naturgemäss in unseren Körpern vor, sobald diese Fettmoleküle zerlegen. So ist es auch als Lebensmittelzusatzstoff E 422 als Feuchthaltemittel ohne Höchstmengenbeschränkung zugelassen. (In Reinform trinken solltet ihr Glycerin dennoch nicht, da es auch dem Körper eine Menge Wasser entziehen und damit in rauen Mengen zur Dehydrierung führen kann!)

Polymergewirr auch bei “richtigen” Kunststoffen

Auch in den alltäglichen Kunststoffen, die wir überall um uns herum finden, sind lange Polymer-Ketten zu mehr oder minder dichtem Molekül-Filz verstrickt und zuweilen sogar über chemische Bindungen miteinander vernetzt. Die Dichte eines solchen Filzes bzw. die Engmaschigkeit seiner Vernetzung bestimmen die Härte oder Biegsamkeit des Kunststoffs. Eingelagerte Weichmacher können einen entscheidenden Einfluss auf die Flexibilität des Materials haben.

In elastischen Kunststoffen (“Gummi”) verhalten sich die Ketten zudem ähnlich wie Spiralfedern: Sie können aus ihrer natürlichen verkrümmten Lage hinaus gerade(r) gezogen werden und kehren anschliessend wieder in ihre Ausgangshaltung zurück.

Ihr molekülfilz-artiger Aufbau gibt unseren Kunststoffen ihre enorme Formbarkeit und Robustheit, die wir sonst nur von Biopolymeren kennen (Holz und Pflanzenteile aus Zellulose sind ebenfalls sehr elastisch – beobachtet einmal Bäume bei starkem Wind! – und bedenkt die gleichzeitige Biegsamkeit und Festigkeit von menschlichem Haar, das aus Faserproteinen besteht!).

Entsorgung

Reste von Stärkekleister, Lebensmittelfarbe und Glycerin könnt ihr in den Ausguss bzw. Hausmüll entsorgen. Übrige Glyzerinlösung könnt ihr aber problemlos für spätere Versuche aufbewahren. Der Stärkekleister lässt sich mit Wasser leicht von Gefässen und Besteck entfernen.

Und wem schenkt ihr euer Herz aus selbstgemachtem Biokunststoff?

Hast du das Experiment nachgemacht

Herzen aus Stärkefolie: Hat das Experiment bei dir funktioniert?

View Results

Loading ... Loading ...

Wenn etwas nicht oder nur teilweise funktioniert haben sollte, schreibt es in die Kommentare. Ich helfe gerne bei der Fehlersuche!

Experiment: Ein Weihnachtsdüfte-Puzzle

Adventszeit und Weihnachten…diese Zeit himmlischer Düfte weckt in euch hoffentlich ebenso sehr Behaglichkeit und angenehme Erinnerungen wie in mir. Anis, Zimt und andere Gewürze sowie Tannengrün und vieles mehr regen in diesen Tagen unsere Nasen an. Aber was ist eigentlich ein Duft – und wie gut können unsere Nasen ihn wahrnehmen?

Probiert es aus – mit diesem kleinen Experiment – das auch für ganz junge Forscher (die bereits sprechen und neue Wörter lernen mögen) eine spannende Erfahrung ist!

Adventskränzchen 2019
Dieser Beitrag ist Teil des Adventskränzchens 2019.
Weitere Beiträge zum Tagesthema “Zimt, Anis & Co” findet ihr auf:
www.marie-theres-schindler.de
http://www.diekunstdesbackens.com

Was ist ein Geruch?

Der Geruch ist eine Eigenschaft von Stoffen (oder Stoffgemischen), die wir mit unserer Nase, unserem Geruchssinn, wahrnehmen können. Empfinden wir einen Geruch als angenehm, sprechen wir gern von einem Duft. Ein unangenehmer Geruch hingegen heisst zum Beispiel ‘Gestank’.

Den Geruch eines Stoffs können wir wahrnehmen, wenn seine Moleküle sich mit Luft vermischen und darin herumschwirren, sodass wir sie einatmen können. Denn indem wir durch die Nase einatmen, befördern wir diese Moleküle zu den Geruchszellen tief im Innern der Nasenhöhle.

Jede Geruchszelle hat an ihrer Oberfläche eine ihr ganz eigene Sorte Proteine, die perfekte Andockstellen für jeweils eine ganz bestimmte Molekülsorte bilden. Docken passende Moleküle an diese Proteine an, wird in der Geruchszelle ein elektrisches Signal erzeugt und an das Gehirn weitergeleitet. Das Gehirn erkennt, woher dieses Signal kommt, und macht daraus den Eindruck des zugehörigen Geruchs.

Wie gut wir riechen können

Menschen haben 200 bis 400 verschiedene Sorten Geruchszellen und können damit ebenso viele verschiedene Stoffe riechen. Da das Gehirn jedoch verschiedene Geruchssignale wie Farben mischen kann, sind – dank rund 10 Millionen Geruchszellen insgesamt – können wir weitaus mehr, nämlich bis zu einer Billion verschiedene Geruchseindrücke und Nuancen erleben.

Damit das Gehirn einen Geruch als solchen wahrnimmt, müssen etwa 10 bis 100 Millionen stark riechende Moleküle “ihre” Geruchszellen zu einem elektrischen Trommelfeuer bewegen… Das klingt nach viel – ist es aber nicht. Ein Milliliter Luft enthält nämlich rund 25’000’000’000’000’000’000 , also 25 Millionen Millionen Millionen (25 Trillionen) Moleküle! Wenn also jedes 250-milliardste Molekül darin einen Geruch hat, können wir ihn riechen.

Ein Hund würde darüber aber nur müde lachen (wenn er das könnte). Er hat nämlich einen rund 1000 mal feineren Geruchssinn als wir Menschen. Deshalb lassen wir uns ja gerne von Hunden helfen, wenn es um das Erkennen sehr schwacher Gerüche geht. Zum Beispiel beim Verfolgen einer Fährte oder dem Aufspüren von Drogen in einem geschlossenen Koffer.

Übung macht den Meister

Das Erkennen von Stoffen an ihrem Geruch kann man wunderbar üben. Zum Beispiel mit meinem Weihnachtsduft-Puzzle. Könnt ihr die adventlichen Düfte darin den Bildern oder Namen zuordnen?

So bastelt ihr euer Weihnachtsduft-Puzzle

Ihr braucht dazu

Free Printable: Die Links starten den Download des jeweiligen pdf-Dokuments zum Ausdrucken!

So geht’s

Zunächst bastelt ihr euer Duftpuzzle zusammen.

  • Zeichnet auf dem dünnen Papier Kreise um eine Teelichthülle. Der Durchmesser der Kreise soll auf jeder Seite 5 bis 7 Millimeter länger sein als der Durchmesser der Teelichthülle. Dann schneidet die Kreise aus. Nun solltet ihr für jede Teelichthülle einen Papierkreis haben.
  • Legt die Kreise auf die Unterlage aus Kork oder dicker Pappe und stecht mit der Nadel Löcher in die Mitte jedes Kreises. Die Löcher sollen klein sein – da sollen Moleküle hindurch, nichts anderes.
  • Schneidet aus der Bildervorlage die Bilder aus, die ihr verwenden möchtet und klebt sie mit Fotoklebern auf die Unterseite der Teelichthüllen.
  • Füllt in jede Teelichthülle das zum Bild passende Gewürz, Orangen- oder Mandarinenschale, Tannennadeln oder andere Duftquellen*.
  • Befestigt das durchlöcherte Papier wie einen Deckel auf jeder offenen Teelichthülle und befestigt es mit Klebestreifen. Nun könnt ihr nicht mehr sehen, was darin ist, aber riechen oder auf der Unterseite nachschauen. 
fertiger Behälter mit verstecktem Duft

Wichtige Hinweise

*Ihr könnt natürlich auch ätherische Öle verwenden. Wenn ihr mit Kindern bastelt und spielt, verwendet aber keine konzentrierten bzw. “reinen” Öle! Die Natur ist nämlich alles andere als sanft: Konzentrierte ätherische Öle können die Haut und die Augen reizen und bei Verschlucken gesundheitsschädlich sein! Auch sind viele davon giftig für Wasserorganismen und gehören daher nicht in die Umwelt, sondern in den Sonderabfall entsorgt.

Viele ätherische Öle lassen sich nicht mit Wasser mischen, sodass sie meist mit Ethanol (“Alkohol”) verdünnt werden. Der hat jedoch einen eigenen Geruch und ist in seiner billigsten Form – Brennspiritus – zusätzlich mit übelriechenden Stoffen “vergällt”. Deshalb empfehle ich für ein unbeschwertes Geruchserlebnis, die Gewürze und Zutaten in ihrer natürlichen Form zu verwenden.

Ob konzentriert oder verdünnt: Viele der duftenden Naturstoffe können allergische Reaktionen auslösen. Behaltet eure Jungforscher deshalb im Auge – auch nach dem Spielen mit dem Duft-Puzzle – und sortiert, wenn euch eine Reaktion auffällt, einen möglichen Auslöser vor dem nächsten Spiel aus. Oder, sollte euch eine Allergie gegen einen der Stoffe schon von vorneherein bekannt sein, lasst ihn gleich weg.

Jetzt könnt ihr mit dem Duftpuzzle spielen

Legt den Spielplan auf den Tisch und die Duftbehälter mit den Löchern nach oben und den Bildern nach unten daneben. Lasst die Jungforscher nun einen Behälter nach dem anderen auswählen und daran schnuppern (nicht auf die Unterseite schauen!). Könnt ihr die Behälter auf den passenden Bildern platzieren? Wenn ihr eure Wahl getroffen habt, könnt ihr die Behälter umdrehen und schauen, ob ihr richtig liegt.

  • Für ganz junge Forscher: Lasst die Kinder vor dem Spiel den Geruch der Gewürze und Zutaten ausserhalb der Behälter “probieren”, benennt sie gemeinsam und überlegt, woher (z.B. von welchen Lebensmitteln) die Kinder den Geruch kennen. So können die Kinder neu gelernte Begriffe beim Spiel verwenden und einüben.
  • Für Forscher, die schon lesen und schreiben können: In der “Schulkinder”-Version des Spielbretts stehen auch die Namen der Gewürze und Duftquellen auf den Bildern. Stattdessen könnt ihr auch das Spielbrett ohne Text verwenden und die Jungforscher die erschnüffelten Duftquellen zunächst aufschreiben lassen.
  • Für Chemie-Experten: Kennt ihr auch die chemischen (Trivial-)Namen der verschiedenen Duft-Moleküle? Und welcher gehört zu welchem Gewürz? Anstelle der Bilder könnt ihr auch die Molekül-Namen (oder Strukturformeln?) auf der Unterseite der Behälter anbringen und gemeinsam mit der erschnupperten Duftquelle benennen.

Natürlich könnt ihr auch mit ganz anderen Düften oder Gerüchen oder mit einer grösseren Auswahl ein Duftpuzzle bauen – ganz wie es euch Freude macht.

Was duftet denn da?

Die meisten natürlichen Düfte sind Gemische verschiedener Moleküle, die unserer Nase und damit unserem Gehirn den Eindruck eines Duftgemischs vermitteln. Das gilt auch für ätherische Öle, die in der Regel direkt aus Pflanzenteilen gewonnen werden (synthetische ätherische Öle sind Nachbildungen solcher Gemische, die jedoch meist nicht alle Feinheiten des natürlichen Aromas aufweisen). Deshalb habe ich im Folgenden für jede Pflanze nur das jeweils wichtigste Duftmolekül aufgeführt.


Strukturformel Benzaldehyd

Marzipan: Benzaldehyd

Der wichtigtste Bestandteil von Marzipanduft ist Benzaldehyd, ein kleines Molekül, das nach Bittermandeln duftet. In den Bittermandeln ist aber nicht von vorneherein Benzaldehyd enthalten, sondern ein Stoff namens Amygdalin, der von Enzymen zu Benzaldehyd und hochgiftiger Blausäure (Cyanwasserstoff) zersetzt wird. Deshalb sind Bittermandeln nicht essbar! Im Marzipan kommt das Benzaldehyd jedoch ohne Blausäure aus, sodass wir es ohne Sorge geniessen können. Auch das Aroma von Weinen wird nicht zuletzt von Benzaldehyd bestimmt.



Strukturformel Anisaldehyd

Anis: Anisaldehyd

Sowohl echter Anis als auch der nicht damit verwandte Sternanis sowie Fenchel und andere Kräuter enthalten einen Stoff namens trans-Anethol, der an der Luft zum duftenden Anisaldehyd und Anissäure zersetzt wird. Ist euch die Ähnlichkeit des Anis-Dufts zum Fenchelgeruch aufgefallen? Das Bild auf dem Spielplan zeigt übrigens nicht den echten Anis (einen Doldenblütler, dessen Samen wir im Gewürzregal finden können), sondern Sternanis, der ursprünglich aus China kommt, heute aber auch hierzulande sehr beliebt ist.



Strukturformel  Zimtaldehyd

Zimt: Zimtaldehyd

Zimtpulver, wie wir es aus dem Gewürzschrank kennen, wird aus der Rinde des Zimtbaums (Cinnamomum verum) gewonnen. Der wichtigste Duftstoff im darin enthaltenen Zimtöl ist Zimtaldehyd (trans-Cinnamal). Da viele Menschen seinen Duft als sehr angenehm und appetitlich empfinden, ist dieser Stoff sowohl als Gewürz (im Zimt) als auch als Kosmetikduft sehr beliebt. Allerdings ist Zimtaldehyd auch dafür bekannt, Allergien auszulösen.



Strukturformel Eugenol

Gewürznelken: Eugenol

Eugenol, der wichtigste Bestandteil des ätherischen Öls aus Gewürznelken, ist in der Pflanzenwelt weit verbreitet. So ist Eugenol nicht nur ein weiterer wichtiger Bestandteil von Zimtöl, sondern zum Beispiel auch in Piment, Lorbeer, Basilikum, Kirschen und Bananen zu finden. Eugenol ist nicht nur bei Parfumherstellern beliebt, sondern wirkt auch schwach schmerzstillend und antibakteriell.



Strukturformel Vanillin

Vanille: Vanillin

Der wichtigste Duftstoff aus der Vanilleschote ist ganz klar das Vanillin mit seinem typischen Aroma. Das Vanillin-Molekül sieht nicht von ungefähr dem Eugenol ähnlich – man kann Vanillin recht einfach aus Eugenol herstellen. Nur: Wer Eugenol, also Nelkenaroma hat, möchte das in der Regel auch behalten. Aber zum Glück gibt es noch einen anderen passenden Ausgangsstoff: Lignin, das in Holz zu finden ist. So entstammt das preisgünstige Aroma in Vanillinzucker in der Regel Holzresten. Richtige Vanilleschoten und damit hergestellter Vanillezucker sind teurer, enthalten dafür aber das ganze natürliche Duftstoffgemisch.



Strukturformel Gingerol

Ingwer: Gingerol

Der führende Aromastoff des Ingwers, Gingerol, liefert eine in dieser Runde einzigartige Geschmacksnote: scharf! Und zwar so richtig scharf (60.000 Scoville auf der gleichnamigen Schärfeskala – das ist mehr als reiner Cayennepfeffer zu bieten hat!). Vermutlich empfinden wir Gingerol nicht von ungefähr als scharf, denn in grösseren Mengen verzehrt ist dieser Stoff giftig. In unseren geniessbaren Zubereitungen aus dem Rhizom (der “Wurzel”) der Ingwerpflanze, in welchem Gingerol vorkommt, ist allerdings so wenig davon vorhanden, dass ihre nützlichen Wirkungen, zum Beispiel gegen Magen-Darm-Beschwerden, überwiegen.


Aromaten – der Name ist Programm

Alle bisherigen Moleküle haben eines gemeinsam: Sie enthalten einen Benzolring. Chemiker haben dieser Stoffgruppe, deren Benzolringe aus einer ganz besonderen Art von chemischen Bindungen bestehen, nach ihrer leicht wahrnehmbaren Gemeinsamkeit benannt. Die meisten der Benzolring-Moleküle haben nämlich einen ganz eigenes, für uns Menschen wahrnehmbares Aroma – einen Geruch. Deshalb nennen die Chemiker diese Verbindungen “aromatische Verbindungen” oder kurz “Aromaten”.

Es gibt aber noch viele andere Stoffgruppen, die richtig dufte sind. So enthalten ätherische Öle vielfach sogenannte Terpene. Ein Vertreter dieser Gruppe ist


Strukturformel R-Limonen

Orangenschale: R-Limonen

Limonen ist das häufigste sogenannte Monoterpen in Pflanzen. So kommt R-Limonen nicht nur in Zitrusfrüchten, sondern auch in Kümmel, Dill und Koriander vor. Sein Spiegelbild, das S-Limonen (das nach Terpentin riecht), findet man indessen in Edeltannen und Pfefferminze. In Fichtennadeln, Muskatnuss und Campher sind sogar beide Spiegelbilder, das R- und das S-Limonen enthalten. Die Doppelbindungen zwischen den Kohlenstoffatomen in ihren Molekülen machen Terpene ziemlich reaktionsfreudig. So können Limonen-Dämpfe mit Luft entzündliche Gemische bilden. Aber keine Sorge: So viel ist davon in Orangenschalen nicht drin.


Ebenfalls häufig geruchsreich sind Verbindungen, die eine sogenannte Aldehydgruppe enthalten und daher “Aldehyde” genannt werden. Eine Aldehydgruppe besteht aus einem Kohlenstoff-Atom, das über eine Doppelbindung mit einem Sauerstoffatom und zusätzlich mit einem Wasserstoffatom verbunden ist. Viele der oben genannten aromatischen Verbindungen enthalten auch eine solche Gruppe – und damit gleich zwei “dufte” Komponenten.

Ein ganz simples Aldehyd ist dagegen für den weihnachtlichen Tannenduft zuständig.


Strukturformel Laurinaldehyd

Edel-Tanne: Laurinaldehyd

Laurinaldehyd, auch Dodecanal, besteht aus einer Kette aus zwölf Kohlenstoffatomen (mit Wasserstoffatomen), deren letztes eine Aldehydgruppe trägt. Es ist einer der wichtigsten Aromastoffe aus dem Tannenöl, das zum Beispiel aus den Nadeln der Edel-Tanne gewonnen wird. Von allen Tannenzweigen im Handel hat die Edel-Tanne (“Nobilis”) den intensivsten Tannenduft, sodass ich genau diese Zweige für meinen Adventskranz bevorzuge.


Entsorgung

Die Gewürze, die ihr in das Puzzle füllt, könnt ihr nachher natürlich noch anderweitig verwenden. Tannennadeln und Orangenschalen können, wenn nicht anders verwendet, problemlos in den Grünabfall. Teelichthüllen aus Aluminium können in der Schweiz an der Kehrichtsammelstelle in den Metallcontainer, in Deutschland und Österreich in die gelbe Tonne entsorgt werden. Oder ihr hebt sie einfach für die nächste Duftpuzzlerunde auf.

Nun wünsche ich euch viel Spass beim Erkunden der weihnachtlichen Düfte!

Hast du das Experiment nachgemacht:

Duftpuzzle: Hat das Experiment bei dir funktioniert?

View Results

Loading ... Loading ...

Wenn etwas nicht oder nur teilweise funktioniert haben sollte, schreibt es in die Kommentare. Ich helfe gerne bei der Fehlersuche!

Silber putzen leicht gemacht!

Die Weihnachtszeit ist auch die Zeit von Festtagsmenu und fein herausgeputzter Tafel. Aber gerade wer die eher selten eindeckt, steht mitunter vor einem ungeliebten Haufen Arbeit: Das Tafelsilber ist schon wieder angelaufen – und auch der Silberschmuck zum Festtagsoutfit glänzt nicht mehr. Also ist Putzen und Polieren angesagt…es sei denn, man versteht ein wenig von Chemie.

Dieser Beitrag ist Teil des Adventskränzchens 2019!
Weitere Beiträge zum Thema des Tages “Fein herausgeputzt” findet ihr auf
www.marie-theres-schindler.de
http://cosmic-blue.jimdofree.com
https://das-leben-ist-schoen.net

Warum läuft Silber an?

Landläufig kennt man Silber eigentlich als Edelmetall – also als eines jener Metalle, die als so reaktionsträge gelten, dass sie auch an der Luft mehr oder weniger blank bleiben. “Reaktionsträge” meint dabei “schwer bis gar nicht zu oxidieren”. Und für das Oxidieren an der Luft ist in der Regel der darin enthaltene Sauerstoff verantwortlich. Der kann dem Silber aber gar nichts, wenn er alleine ist. Anders sieht es aber aus, wenn der Sauerstoff Unterstützung durch seinen grossen Bruder hat: Den Schwefel.

Schwefel: Der anrüchige Bruder des Sauerstoffs

Der steht im Periodensystem der Elemente direkt unter dem Sauerstoff, was bedeutet, dass Schwefel und Sauerstoff chemisch miteinander eng verwandt sind. So gibt es Schwefel auch in Form von S2--Ionen, analog zu den Sauerstoff-Anionen O2-. Und diese S2- -Ionen kommen zum Beispiel im Schwefelwasserstoff, H2S, einem äusserst übelriechenden Gas, oder in organischen Verbindungen, den sogenannten Thiolen, vor. “Thio-” ist altgriechisch für Schwefel und die Endung “-ol” weist auf die chemische Verwandschaft hin: Thiole sind die schwefelhaltigen Geschwister der Alkohole.

Ebenso haben auch die Aldehyde und Ketone (Sauerstoffverbindungen, die entstehen, wenn man Alkohole oxidiert – darunter Acetaldehyd, das uns nach Alkoholgenuss den Kater beschert) schwefelhaltige Geschwister.

All diese organischen Schwefelverbindungen sind oft ziemlich üble Stinker, und das nicht von ungefähr: Wie Schwefelwasserstoff sind einige Thiole hochgiftig, sodass der Gestank uns Menschen aus gutem Grund dazu bewegt, vor ihnen wegzulaufen. Andere Verbindungen werden von Pflanzen verwendet, um ihre Fressfeinde abzuschrecken. Ein bekanntes Beispiel dafür sind Zwiebeln. Der Stoff, der uns beim Schneiden von Zwiebeln Tränen in die Augen treibt, um uns vom Zerstören der Knollen abzuhalten, gehört auch zur Grossfamilie der schwefelorganischen Verbindungen.

Wie Schwefel an das Silber kommt

Tatsächlich kann man Thiole und andere schwefelorganische Verbindungen – und damit auch Schwefelwasserstoff in kleinen Mengen – überall dort finden, wo Leben ist oder war. Zum Beispiel in Lebensmitteln, auf unserer Haut oder auch in Kosmetika. So ist es nur natürlich, dass unser Tafelsilber und Silberschmuck, wenn wir sie benutzen, nebst Sauerstoff auch mit S2--Ionen in Berührung kommt.

Und die bilden mit Silberionen, Ag+, ein schwarzes, wasserunlösliches Salz, das Silbersulfid Ag2S:

2Ag+ + S2- –> Ag2S

Dabei wird eine Menge Energie frei. Das bedeutet, dem fertigen Silbersulfid wohnt viel weniger Energie inne als dem Silber-Metall und den S2--Ionen. Und Zustände mit möglichst wenig Energie strebt die bequeme Natur stets an. Der Zustand als Silbersulfid ist sogar dermassen erstrebenswert, dass Luftsauerstoff aus Silber-Metall Silber-Ionen machen kann (das geht normalerweise nicht von selbst), wenn S2- zur Stelle ist, um mit letzteren Silbersulfid zu bilden. Und zwar direkt an der Oberfläche des Silber-Metalls, wo die Ag+-Ionen entstehen. So bleibt das wasserunlösliche Silbersulfid gleich dort und bildet die dunkle Patina, die Silber so häufig überzieht.

Wie wird man die Silbersulfid-Schicht wieder los?

Grundsätzlich gibt es zwei Wege, die schwarze Schicht von der Silberoberfläche zu bekommen:

  • Man schrubbt oder löst sie ab – dann ist das Silber darin aber verloren.
  • Man macht aus den Silberionen darin wieder metallisches Silber und setzt die Sulfid-Ionen frei.

Ich ziehe den zweiten Weg dem ersten vor, um möglichst viel Silber an meinen Gegenständen zu erhalten. Und dazu gibt es neben kommerziellen Reinigungsmitteln verschiedenste Hausmittel im Netz. Besonders interessant – weil so einfach und wirksam, finde ich dieses:

Silber mit Aluminiumfolie in Salzwasser reinigen

Ihr braucht dazu

  • euer angelaufenes Silber (Besteck, Tafelsilber oder Schmuck ohne Steine oder sonstiges Beiwerk!)
  • Aluminiumfolie
  • etwas Kochsalz
  • Leitungswasser
  • Kochtopf und Herd
  • einen gut belüfteten Raum bzw. eine Dunstabzugshaube zum Herd
  • eine Grillzange oder ein ähnliches Greifwerkzeug
Was ihr zum Silber putzen braucht: Silber, Kochsalz, Alufolie, Kochtopf
Ich habe für meinen Testlauf ein Schmuckstück aus 925er Silber verwendet (unten im Bild). Das bedeutet, 925 von 1000 Teilen oder 92,5% des Metalls sind Silber, der Rest besteht aus anderen Metallen – in der Regel Kupfer. In solch einer Legierung ist das Silber etwas härter als in ganz reiner Form. Silberbesteck besteht übrigens meistens aus 80% Silber und 20% Kupfer und ist damit noch härter. Doch so lange das Besteck nicht grün angelaufen ist, funktioniert dieser Trick auch damit.

So geht’s

  • Füllt Wasser in den Topf (es soll eure Silbergegenstände später ganz bedecken) und gebt einen Löffel Kochsalz hinzu (als wolltet ihr z.B. Spaghetti kochen)
  • Bringt das Wasser auf dem Herd zum Kochen
  • Zerteilt inzwischen die Aluminiumfolie in kleine Schnipsel und gebt sie in das kochende Wasser. Die Schnipsel sollten ganz ins Wasser eingetaucht sein – hierzu ist die Grillzange sehr nützlich!
  • Legt den Silbergegenstand in das kochende Wasser, lasst das Ganze kurz aufkochen und nehmt das Silber mit der Zange wieder heraus (Vorsicht, heiss!). Wenn ihr das ganze Tafelsilber säubern wollt, wiederholt diesen Schritt einfach mit den nächsten Teilen.
  • Lasst das Metall kurz abkühlen und trocknet es gründlich ab
Silber und Alufolie im Kochtopf
Kaum zu sehen: Das Silber liegt auf dem Grund des Salzwassers mit Aluminium-Schnipseln.

Was ihr beobachten könnt

Das Silber wird innerhalb einer Minute oder weniger wieder hell und glänzend. Der aufsteigende Wasserdampf riecht währenddessen ein wenig nach faulen Eiern – deshalb grössere Mengen nicht einatmen, gut lüften oder den Abzug verwenden!

Vorsicht, heiss: Gerade aus dem Topf gehoben glänzt das Silber blitzblank!
Vorsicht, heiss: Gerade aus dem Topf gehoben glänzt das Silber blitzblank!

Was passiert da?

Aluminium ist ein sehr unedles Metall. Es wird also leicht oxidiert. Oxidation bedeutet: Das Aluminium gibt Elektronen an einen Reaktionspartner ab:

Ein möglicher Reaktionspartner, der freiwillig Elektronen von Aluminium entgegennimmt (die Aufnahme von Elektronen eines Reaktionspartners heisst Reduktion), sind Silberionen, Ag+:

Links: Das Schmuckstück vor dem Kochen mit deutlich sichtbarer Silbersulfid-Schicht.
Rechts: Nach dem Kochen, Abkühlen und Trocknen glänzt das Silber wieder hell.

Euch kommt das irgendwie bekannt vor? Richtig: Aluminiumfolie als Rostfänger in der Spülmaschine funktioniert ganz ähnlich! Mit dem Unterschied, dass das Aluminium dort der Entstehung von Flugrost (d.h. Eisen-Ionen) zuvorkommt, weil es leichter als Eisen oxidiert wird.

Für die Reduktion von Silbersulfid müssen die Elektronen aber irgendwie vom Aluminium in der Folie zum Silbersulfid an der Oberfläche unseres Tafelsilbers gelangen. Und Elektronen, die auf Wanderschaft gehen, sind elektrischer Strom.

Elektronentransport dank Elektrolytlösung

Hier kommt das Kochsalz, NaCl, ins Spiel. Gibt man es ins Wasser, löst es sich nämlich in Na+– und Cl-Ionen auf. Und Ionen, die sich in einer Flüssigkeit bewegen können, leiten den elektrischen Strom! Anders als in einem Kabel, durch welches Elektronen einfach hindurchströmen, wandern positiv geladene Ionen (Kationen) hierzu durch die Flüssigkeit dorthin, wo es viele Elektronen gibt (zur “Kathode”), um dort Elektronen (hier vom Aluminium) “huckepack” zu nehmen, während die negativen Ionen (Anionen) dorthin wandern, wo wenig Elektronen sind (zur “Anode”), um dort Elektronen abzugeben (hier an die Silberionen). Eine solche leitfähige Flüssigkeit nennen die Chemiker “Elektrolyt”.

Ebenso wie Kochsalz funktionieren natürlich auch andere wasserlösliche Salze als Bestandteil der Elektrolytlösung zum Silberputzen. Natron, Soda oder Backpulver werden gerne als Alternativen genannt. Diese reagieren allerdings basisch und bilden mit vielen Metallen – auch Aluminium – schwer lösliche Hydroxide. Und die könnten die Oberfläche der Aluminiumfolie für die Redox-Reaktion mit dem Silber blockieren (“passivieren”). Deshalb – und weil Basen die Haut eher reizen als neutrale Stoffe oder Säuren – finde ich Kochsalz als Elektrolyt einfach bequemer.

Da auf diese Weise sehr bequemes Silbersulfid zerstört werden soll, braucht es zusätzlich noch Energie, damit das Ganze funktioniert. Und die fügen wir durch das Erhitzen zu.

Und woher kommt der Geruch nach faulen Eiern?

Wenn die Ag+-Ionen zu metallischem Silber reagieren, bleiben die S2--Ionen übrig:

Die bleiben aber ungern nackt und einsam, sodass sie sich sofort von den nächstbesten Wassermolekülen H+-Ionen schnappen:

Also insgesamt:

Das Gas H2S, also Schwefelwasserstoff, ist giftig, wasserlöslich, verdampft aber leicht – ganz besonders, wenn die Lösung gerade kocht. Deshalb können wir es im Wasserdampf, der aus unserem Topf mit dem Silber aufsteigt, riechen. Aber keine Sorge: Gerade weil dieses Gas so giftig ist, ist die menschliche Nase darauf äusserst empfindlich. Bevor wir gesundheitsschädliche Mengen davon einatmen können, sind wir in aller Regel längst vor dem Gestank davongelaufen.

Trotzdem solltet ihr euren Raum, in dem ihr Silber auf diese Weise putzt, gut lüften oder die Dunstabzugshaube einschalten, damit sich das Gas nicht sammelt – und damit nicht eure ganze Wohnung danach stinkt 😉 .

Was passiert, wenn man viel Silber reinigt?

Wenn ihr viel Silber reinigt, könnte es auch mit Kochsalz als Elektrolyt passieren, dass eure Alufolienschnipsel stumpf werden. Denn dank der frei werdenden S2--Ionen kommt ihr letztlich um die Entstehung von Hydroxiden (Verbindungen mit OH-Ionen) nicht herum. So lassen sich alle Gleichungen oben zu einer einzigen Reaktionsgleichung zusammenfassen:

Sollte sich das Aluminiumhydroxid Al(OH)3 an der Oberfläche der Alufolie sammeln, bis das Reinigen des Silbers nicht mehr funktioniert, tauscht die Folienschnipsel einfach gegen frische Schnipsel aus. Zudem könnt ihr die Haltbarkeit der Folienschnipsel etwas verlängern, indem ihr ein wenig Säure, zum Beispiel Zitronensäure, zur Salzlösung gebt.

Wenn ihr euch gut mit Chemie auskennt, könntet ihr natürlich eine Pufferlösung einzusetzen, um die Alufolie noch deutlich länger “frisch” zu halten. Aber das ist eine andere Geschichte.


Entsorgung

Da bei diesem Verfahren Silberionen an der Silberoberfläche zu metallischem Silber reduziert werden, sollte eure Salzlösung nach dem Kochen praktisch kein Silber enthalten. Das Aluminium reagiert ebenfalls zu schwer löslichen Salzen (spätestens dann, wenn ihr die gebrauchte Lösung mit etwas Natron basisch macht).

Wenn die, nachdem ihr viel Silber gereinigt habt, als sichtbare Schlieren oder Trübung aus der Lösung ausfallen, könnt ihr die Flüssigkeit filtrieren, das Filterpapier (z.B. einen Kaffeefilter) trocknen lassen und in den Hausmüll geben.

So könnt ihr die verbleibende Salzlösung nach dem Abkühlen – und nachdem ihr die Folienschnipsel herausgenommen habt, in den Ausguss entsorgen.

Die Folienschnipsel könnt ihr wie anderes Haushalts-Aluminium auch in den Recycling-Abfall geben (in der Schweiz in den Container an der Abfall-Sammelstelle, in Deutschland und Österreich über die gelbe Tonne).

Wenn ihr ausserdem Kupfer oder Messing putzen möchtet: Auch dafür gibt es einen einfachen Chemie-Trick – den findet ihr hier!

Und wie putzt ihr euer Silber für gewöhnlich?

Hast du das Experiment nachgemacht:

Silber putzen: Hat das Experiment bei dir funktioniert?

View Results

Loading ... Loading ...

Wenn etwas nicht oder nur teilweise funktioniert haben sollte, schreibt es in die Kommentare. Ich helfe gerne bei der Fehlersuche!