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: Gärung - die Superkraft von Hefe

Vor ein paar Tagen war es einmal wieder soweit: Ich hatte Geburtstag. Zur Feier des Tages habe ich mich in die Küche gestellt und der Biochemie gewidmet….ähm, Kuchen gebacken. Und zwar mit Hefe! Und damit wird das Kuchenbacken tatsächlich echte Küchen-Biochemie.

Was ist eigentlich Hefe?

Unsere Backhefe besteht aus richtigen Lebewesen! Aber nicht aus Pflanzen oder Tieren, sondern aus Pilzen mit dem komplizierten Namen “Saccharomyces cervisiae”.

Wenn ihr euch jetzt an Asterix und Obelix erinnert fühlt…richtig: Das Lieblingsgetränk der beiden Comic-Gallier ist lauwarme Cervisia – ein Bier. Tatsächlich ist die Backhefe der gleiche Pilz, der auch zum Bierbrauen verwendet wird.

Der erste Teil des Namens bedeutet übrigens so viel wie “Zuckerpilz”, womit der ganze Name sich etwa mit “Bier-Zuckerpilz” übersetzen lässt. Damit ist auch geklärt, wovon diese Pilze sich ernähren.

Hefen bilden übrigens keine Schirme und Hüte im Wald, wie ihr sie von anderen Pilzen kennt. Sie gehören nämlich zu den Einzellern und vermehren sich durch Zellteilung oder die Bildung von Ablegern. Deswegen sehen wir von ihnen ohne Mikroskop auch nicht mehr als eine gelblich-graue Masse. Mit einem Mikroskop hingegen kann man die einzelnen Hefezellen sehen:

Backhefe unter dem Mikroskop: Die Einzelzellen sind jetzt gut erkennbar.

Backhefe unter dem Mikroskop: Die Teilstriche der Skala sind jeweils 11 Mikrometer (Millionstel Meter!) voneinander entfernt. By Bob Blaylock [CC BY-SA 3.0 or GFDL], from Wikimedia Commons

Was macht ein Pilz in Brot und Kuchen?

Er lebt! Zumindest vor dem Backen. Und zwar wie alle Lebewesen von Zuckern. Nur ist Hefe dabei nicht zwingend auf Sauerstoff zum Atmen angewiesen. Während Menschen Sauerstoff als Oxidationsmittel brauchen, um aus den Zuckern chemische Energie zu gewinnen, können Hefen dazu auch andere chemische Reaktionen nutzen, die ohne Sauerstoff auskommen.

Solche Reaktionen werden zusammengefasst “Gärung” genannt. Bei der Gärung durch Hefe entsteht als “Abfall” der Trink-Alkohol “Ethanol” (auf den es die Bierbrauer abgesehen haben), und… findet es selbst heraus!

 

Experiment 1: Hefegärung sichtbar machen

Ihr braucht dazu

Eine Glasflasche mit engem Hals (ca. 0,5l),
Einen Luftballon, nicht aufgeblasen
Backhefe (1 Päckchen Trockenhefe)
Wasser (lauwarm)
Einen Teelöffel Haushaltszucker

Das braucht ihr für das Experiment

So geht es

Blast den Luftballon mehrmals hintereinander auf und lasst die Luft immer wieder heraus. So wird die Ballonhülle schon einmal gedehnt und lässt sich später leichter aufblasen.

Füllt die Flasche halb mit lauwarmem Wasser und löst den Zucker darin auf. Gebt die Hefe dazu und schwenkt die Flasche kurz, sodass sich alles gut mischt.

Stülpt dann die Öffnung des Luftballons über die Flaschenöffnung und stellt das Ganze an einen warmen Ort (ideal sind 28-32°C).

Wartet ab und beobachtet, was geschieht: In der Flasche geht es sichtlich geschäftig zu, und: Der Ballon bläht sich auf!

Im Laufe von 45 Minuten bläht der Ballon sich immer weiter auf!

Ein Gas entsteht: Links der Aufbau zu Beginn des Experiments, dann von links nach rechts: nach 15min, 30min, 45min

Was geschieht da?

Die Hefe verdaut den Zucker. Dabei entsteht ein Gas, das den Ballon füllt!

Was für ein Gas ist das?

Ihr könnt es selbst nachweisen!

Experiment 2: Gas-Nachweis

Ihr braucht dazu

Die Hefemischung in der Flasche aus Experiment 1
Ein Streichholz, etwas zum Anzünden
Eine Pinzette

So geht es

Entfernt den Luftballon von der Flasche. Entzündet das Streichholz und führt es mit Hilfe der Pinzette in die Flasche mit der Hefemischung (nicht eintauchen!). Beobachtet: Das Streichholz geht aus!

Was passiert da?

Das Gas, welches die Hefe produziert, ist Kohlenstoffdioxid (CO2)! Es ist schwerer als Luft und verdrängt so den Sauerstoff nach oben aus der Flasche. Ohne Sauerstoff kann Feuer nicht brennen – und geht aus.

 

Was in den Hefezellen passiert

Der wichtigste Zucker, von dem Hefe sich ernährt, ist Traubenzucker (Glucose). Das ist ein “Einfachzucker” (ein Monosaccharid), besteht also aus überschaubar kleinen, einzelnen Zuckermolekülen.

alpha-D-Glucose in 6-Ringform: Haworth-Strukturformel

Ein Glucose-Molekül

Aus Traubenzucker- bzw. Glucose-Molekülen können alle Lebewesen schnell Energie gewinnen. Die Hefe verwendet dazu eine Folge von Reaktionen, die die Biochemiker als “anaerobe Glykolyse” bezeichnen.

Dabei wird aus einem Molekül Glucose in mehreren Schritten ein Molekül “Pyruvat” hergestellt. Im Zuge dieser Schritte werden zwei Energieträger-Moleküle, die die Biochemiker abgekürzt “ADP” nennen, “aufgeladen”, indem je ein Phosphorsäure-Anion an jedes dieser Moleküle gehängt wird (die aufgeladenen Energieträger-Moleküle heissen dann “ATP”).

Für das Aufladen sind jedoch weitere Reaktionspartner (Moleküle namens NAD+) nötig, die ihrerseits recycelt werden müssen.

Gärung: Aus Pyruvat wird Ethanol. Dabei wird ein Molekül CO2 frei und ein Molekül NAD+ rezykliert.

Alkoholische Gärung By Arne “Norro” Nordmann. [GFDL, CC-BY-SA-3.0 or CC BY-SA 2.5 ], via Wikimedia Commons

Deswegen haben die Hefepilze ein weiteres Enzym (die Pyruvatdecarboxylase), das von den Pyruvat-Molekülen je ein Molekül Kohlenstoffdioxid (CO2) abspaltet.

Das Kohlenstoffdioxid wird danach aus den Zellen entsorgt und füllt euren Luftballon!

Übrig bleibt ein Molekül Acetaldehyd. Das ist für Zellen giftig und wird deshalb schnell zu Ethanol weiterverarbeitet, wobei die Abfall-Moleküle NADH aus der Glykolyse zu NAD+ recycelt werden.

Der Trink-Alkohol “Ethanol” ist übrigens für uns Menschen giftig, weil es in unseren Zellen das Enzym Alkoholdehydrogenase auch gibt – nur fördert es da die Reaktion in umgekehrter Richtung: Aus Ethanol wird Acetaldehyd. Und das beschert und einen mächtigen Kater (über diesen biochemischen Katzenjammer könnt ihr hier mehr lesen).

Wie wird dann Haushaltszucker vergoren?

Die Moleküle des Haushaltszuckers (Saccharose) bestehen aus je zwei verbundenen Einfachzuckern: dem Traubenzucker Glucose und dem Fruchtzucker Fructose.

Saccharose, unser Haushaltszucker dargestellt in der Haworth-Strukturformel

Ein Saccharose-Molekül

In den Hefepilz-Zellen gibt es deshalb ein Enzym, das diese Paare spalten kann, bevor die Einzelteile wie oben gezeigt “verdaut” werden.

Diese Fähigkeit – Haushaltszucker zu spalten und zu verwerten – hat der Backhefe schliesslich ihren wissenschaftlichen Namen (Saccharomyces…) eingebracht.

Wie “geht” Hefe in Milch?

Normale Vollmilch besteht zu ca. 5% aus Milchzucker (Laktose) – das sollte ja genug Futter für die Hefe sein, oder? Weil Reto laktoseintolerant ist, habe ich allerdings laktosefreie Milch für den Kuchen benutzt…und hatte schon Sorge, die Hefe würde damit nicht aufgehen. Stattdessen ging meine Hefe aber schon nach dem Mischen mit der Milch ab wie Schmitz’ Katze!

Hefe in laktosefreier Milch

Laktose ist auch ein Zweifachzucker, sie besteht aus je einem Molekül Glucose und Galactose.

Ein Laktose-Molekül: Haworth-Strukturformel

Auch Laktose ist ein Zweifach-Zucker, der vor der Verwertung gespalten werden muss

Unglücklicherweise hat die Back-Hefe aber kein Enzym, um Laktose zu spalten und so an die Glucose zu gelangen (sie ist also “laktoseintolerant”, wenngleich Hefepilze keinen Darm haben, der deswegen verstimmt sein könnte). Zum Glück für die Hefe enthält normale Vollmilch jedoch immer auch freie Glucose.

Laktosefreie Milch wird nun hergestellt, indem man das Enzym Laktase dazugibt, welches die Laktose in Glucose und Galactose spaltet (deshalb ist laktosefreie Milch ein wenig süsser als normale). So findet die Hefe in laktosefreier Milch sogar mehr zu fressen als in normaler Vollmilch und geht dementsprechend eifrig auf!

Was im Ofen mit der Hefe passiert

Und bevor euch nun bei all den lebendigen Pilzen der Appetit auf Brot und Kuchen vergeht: Wie alle Lebewesen sind Hefepilze auf gemässigte Temperaturen angewiesen. Wenn ihr euren Hefeteig also in den Ofen schiebt und erhitzt, sterben alle Pilze ab.

Das Kohlenstoffdioxid, das sie vorher im Teig freigesetzt haben, dehnt sich jedoch in der Hitze aus und lässt so Kuchen und Brot aufgehen und so wunderbar fluffig werden. Wenn indessen Stärke, Proteine, Fett und Zucker im Teig zu einem festen Molekülgerüst reagieren (zum Beispiel im Zuge der Maillard-Reaktion, zu der ihr hier lesen könnt), fällt das Ganze nach dem Abkühlen auch nicht mehr zusammen.

 

Entsorgung

Das Hefe-Wasser-Gemisch könnt ihr in den Ausguss entsorgen – oder vielleicht ein Brot damit backen? Den Luftballon könnt ihr nach Belieben weiter benutzen.

 

Ich wünsche euch viel Spass beim Ausprobieren und Beobachten! Was macht ihr sonst am liebsten mit Hefe bzw. Hefeteig?

Hast du das Experiment nachgemacht: 

Hefegärung: Hat das Experiment bei dir funktioniert?

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Experiment DIY Kinetischer Sand - und wie er funktioniert

Die grossen Ferien sind auch in den spätesten Kantonen und Bundesländern vorbei und der Sommer geht zu Ende. Wer denkt da nicht manchmal wehmütig an die Strandferien zurück? An das Gefühl von Sand zwischen Zehen und Fingern, an Sandburgen und andere Küsten-Kunstwerke?

Das alles muss aber nicht bis zum nächsten Jahr warten. Für Sehnsuchtsvolle gibt es nämlich ein Spielzeug, mit dem es sich auch an Schlechtwettertagen herrlich “sändelen” lässt: Kinetischer Sand. Den kann man entweder im Kaufhaus kaufen, online bestellen (Kinetic Sand® und ähnliche) – oder selber machen.

Ich habe meinen kinetischen Sand selbst gemacht und zeige euch, wie ich das hinbekommen habe. Und natürlich auch die Chemie, die dahinter steckt (und ganz und gar ungefährlich ist!). Denn wenn man versteht, was man da zusammenrührt, funktioniert es am besten und macht auch noch am meisten Spass.

 

Wie aus Sand Burgen werden

Jedes Kind, das gerne Sandburgen baut, weiss eines: Dazu braucht man nassen Sand. Wenn man trockenen Sand auftürmen oder gar formen will, fliesst der nämlich sofort auseinander und verteilt sich überall.

Nasser Sand dagegen pappt zusammen. Aber wieso eigentlich? Der gewöhnliche Strandsand besteht zu grössten Teilen aus Quarz, also aus Siliciumdioxid, SiO2. Das sind Kristalle, in denen Sauerstoff-Atome abwechslungsweise mit Silicium-Atomen verbunden sind. Darin ähnelt Quarz in gewisser Weise dem Wasser (und noch mehr einem Eiskristall): Darin wechseln sich nämlich Sauerstoffatome mit Wasserstoffatomen ab.

Aus diesem Grund finden sich Quarz und Wasser überaus anziehend – sie werden von “zwischenmolekularen Kräften” zusammen gehalten. Diese Kräfte wirken auch zwischen verschiedenen Wassermolekülen (wie das genau funktioniert, erkläre ich beim Experiment mit dem krummen Wasserstrahl). So können Wassermoleküle untereinander zusammenhalten und zwischen den Oberflächen von Sandkörnern regelrechte Wasserbrücken formen – sodass feuchte Sandkörner unwillkürlich zusammen pappen. Das Wasser wirkt also wie ein formbarer “Zement” zwischen den Sandkörnern!

Dort wo sich die Oberflächen der runden Sandkörner nicht so nahe kommen, bleiben Zwischenräume, die mit ein Bisschen Luft gefüllt sind.

Die Kräfte zwischen den Molekülen sind dabei eben so stark, dass die Sandkörner aneinander haften, aber so schwach, dass Kinderhände das Netzwerk aus Wasserbrücken zwischen Sandkörnern spielend leicht verformen können.

Dabei gibt es allerdings ein Problem: Wasser verdunstet relativ schnell – besonders an trockener Luft oder gar an der Sonne. Und dann beginnt die schöne Sandburg rasch wieder zu bröseln und zu Sandlawinen zu zerfallen.

 

Was ist kinetischer Sand?

Was wäre aber, wenn man einen “Zement” hätte, der nicht so leicht verdunstet? Das haben sich wohl die Erfinder von “Kinetic Sand®” gedacht – und ihren trockenen Sand mit Silikonöl (genauer gesagt “Polydimethylsiloxan”, PDMS) gemischt.

Silikon: Ein ganz besonderer Kunststoff

Silikone sind Kunststoffe aus langen Molekülketten, sogenannte Polymere. Anders als die meisten anderen Kunststoffe aus Kohlenstoff bestehen die Ketten der Silikone jedoch aus Silicium-Atomen, die sich mit Sauerstoff-Atomen abwechseln (Silicium ist Kohlenstoff in vielen chemischen Dingen sehr ähnlich). Das hatten wir doch schon….genau: Quarz. Tatsächlich sind sich die Silikon-Ketten und Quarz so ähnlich, dass auch zwischen ihnen anziehende zwischenmolekulare Kräfte wirken können.

Beim PDMS trägt übrigens jedes Siliciumatom noch zwei “Methylgruppen” aus Kohlenstoff- und Wasserstoffatomen, daher der Name:

Kinetischer Sand braucht "Zement" - Hier das Original: Polydimethylsiloxan

Ein Glied einer PDMS-Kette: Der Buchstabe n steht für eine beliebige Zahl solcher Glieder, die eine Kette bilden.

Und dazu kommt noch etwas: Silikone sind bei “lebendigen” Bedingungen, also in und um Körper von Lebewesen, sehr reaktionsträge, was sie unter den Kunststoffen besonders ungiftig macht. So sind Silikone als Material für Brustimplantate berühmt geworden und finden in der Medizin noch viele andere Anwendungen. Im Haushalt kennt ihr sie vielleicht als Material für elastische Backformen und -pinsel oder als Fugenmasse im Badezimmer.

Je nach der Länge und Vernetzung ihrer Moleküle können Silikone unterschiedliche Eigenschaften haben. Sind die Moleküle kurz genug und wenig bis gar nicht vernetzt, bilden sie bei Raumtemperatur mehr oder weniger zähe Flüssigkeiten: Silikonfette oder -öle. Die sind ihrer Reaktionsträgheit wegen bei Labor-Chemikern als Schmiere für ihre Glasapparaturen oder als Wärmeüberträger (Silikonöle verdunsten kaum und können viel heisser als Wasser werden, bevor sie zu kochen beginnen!) sehr beliebt.

Silikon als perfekter “Zement” für Sandburgen?

Eine ölig-zähe Flüssigkeit, die chemisch inert ist und schwer verdunstet – und zu den passenden Wechselwirkungen zu Sandkörnern fähig ist… die wäre doch ein perfekter “Zement” für Spielsand für kleine Kinder! Leider bekommt man Silikonöl nicht einfach so im Supermarkt. Deshalb haben schon viele DIY-begeisterte Mütter und BloggerInnen nach passenden Ersatzstoffen für PDMS gesucht. Mit mehr oder weniger grossem Erfolg.

Ich habe mitgesucht und zeige euch meinen persönlichen Favoriten: Der besteht ausschliesslich aus Quarzsand und Lebensmittelzutaten, lässt sich prima formen und kneten. Damit eignet sich dieser kinetische Sand auch für die ganz Kleinen, die schonmal etwas davon in den Mund nehmen.

 

Rezept: Kinetischer Sand selbstgemacht

Ihr braucht dazu

2 Tassen feinen Sand (Dekorsand oder gesiebten Vogelsand)
1 Tasse Maisstärke (Stärkemehl, z.B. Maizena)
Etwas Wasser
Etwas Speiseöl
Eine runde Schüssel, Schneebesen, Löffel

Was ihr braucht: Sand, Stärkemehl,Wasser,Schüssel,Schneebesen - dazu kommen: Löffel,Öl

Wenn ihr mehr Sand zum Spielen möchtet, nehmt einfach mehr von den Zutaten. Auf ein beliebiges Volumen Sand kommt dabei immer die Hälfte dieses Volumens an Stärkemehl!

So geht es

Gebt den Sand und Stärke trocken in die Schüssel und vermischt sie mit dem Schneebesen sehr gründlich. Es sollten am Ende keine Stärkeklumpen mehr zu sehen sein.

Kinetischer Sand gut gemischt: Sand und Stärke lassen sich fast nicht mehr auseinander halten

So sind Sand und Stärke gründlich vermischt.

Gebt dann langsam etwas Wasser hinzu. Für zwei Honigglas-Deckel Sand und einen Deckel Stärkemehl habe ich etwa 30ml Wasser gebraucht.

Mischt und knetet mit dem Löffel weiter, bis eine formbare Masse entsteht. Wenn ihr die Masse mit einer Hand aus der Schüssel heben könnt, knetet sie auf dem Tisch weiter und formt eine Mulde.

Sandmasse mit Mulde: Darin befinden sich 1-2ml Speiseöl.

Meine Probier-Portion: Die Mulde ist so gross wie ein Eidotter: Darin befinden sich 1-2ml Speiseöl. Jetzt verkneten!

Gebt etwas Speiseöl hinein und verknetet das Ganze. Wiederholt diesen Schritt allenfalls, bis euer Sand die gewünschte Geschmeidigkeit und Textur hat. Ich habe in die Hälfte meiner urpsrünglichen Mischung etwa 2ml Speiseöl eingeknetet.

Die richtige Mischung: Dieser Sandball hält zusammen!

So ist die Mischung gut: Der Sandball hält zusammen!

Dies ist ein Zeichen für eine gute Mischung: Kinetischer Sand lässt sich zu einem Ball formen, welcher nicht auseinander fällt! Dann hält der Sand nämlich so fest zusammen, dass der Ritter vom Titelbild darauf reiten kann!

Ein Pferd aus kinetischem Sand trägt den Spielzeug-Ritter

Inzwischen bin ich mit dem Bloggen fertig – drei Stunden sind vergangen: Das Pferd (wie auf dem Titelbild) steht immer noch unversehrt auf dem Küchentisch!

Wer es bunt mag, kann den Sand auch mit Lebensmittelfarbe einfärben (rührt dazu die Farbe ins Wasser ein, bevor ihr es zu Sand und Stärke gebt). Ich gebe aber keine Garantie, dass dann beim Spielen die Finger nicht auch bunt werden!

Wie funktioniert das?

Auch Stärke besteht aus Molekülketten – die einzelnen Kettenglieder sind Zucker-Ringe aus Kohlenstoff-, Sauerstoff- und Wasserstoffatomen. Wieder sind Sauerstoff-Atome im Spiel, die sich mit passenden anderen Atomen abwechseln. So können auch zwischen Stärke und Wasser und Sand anziehende zwischenmolekulare Kräfte wirken.

Kinetischer Sand braucht "Zement": Ausschnitt aus einem Stärkemolekül mit Verzweigung (Amylopektin)

Ein Ausschnitt aus einem Stärkemolekül mit Verzweigung (unverzweigte gibt es auch): Zu sehen sind vier Zucker-Einheiten, an den gestrichelten Linien folgen weitere. An jeder Ecke ohne Buchstaben befindet sich ein Kohlenstoff-Atom (C). Zwischen Wasserstoff- und Sauerstoff-Atomen gibt es sogenannte polare Bindungen, die für die anziehenden Kräfte zwischen Stärke und Wasser notwendig sind.

Die knäulen sich zu porösen Körnern zusammen, welche sich mit Wassermolekülen vollsaugen können (wie die Hydroperlen in diesem Experiment, nur sind Stärkekörner sehr, sehr viel kleiner!). So quellen die Körner und pappen dank den zwischenmolekularen Kräften mit dem Wasser zusammen. Vom Kuchenbacken kennt ihr das: Mehl und Wasser ergeben miteinander eine klebrige Pampe.

Wenn man Stärke erwärmt, können sogar richtige chemische Bindungen zwischen den Ketten entstehen: Das Ganze verkleistert – deshalb werden Kuchen fest. So weit wollen wir aber nicht gehen, denn der kinetische Sand soll ja “kinetisch”, also beweglich, sprich formbar bleiben.

Damit die Stärkepampe nicht an den Händen klebt, gebe ich – analog zum Einfetten einer Backform – noch einen Schuss Speiseöl dazu. Das Öl ist nicht mit Wasser mischbar, denn zwischen seinen Molekülen wirk eine andere Sorte Kräfte. So nimmt durch die Zugabe des Öls die pappende Wirkung der Stärke ein wenig ab. Ingesamt wird der Sand aber sehr geschmeidig und hält nach wie vor so gut, dass selbst mein Pferdekopf der Schwerkraft trotzt. Und: Das Speiseöl verdunstet nicht mal eben!

 

Was zu beachten ist/Entsorgung

Zu empfehlen: Indoor-Sandkasten

Vollkommen sauber ist wohl kein selbstgemachter kinetischer Sand. Ein paar Körner lösen sich immer davon und bleiben an Händen oder Umgebung haften. Deshalb empfehle ich, eine Kunststoff-Wanne oder ein Tablett zum Indoor-Sandkasten zu erklären, um den Sand etwas zu bändigen. Wenn dann doch mal was daneben geht, kann es einfach aufgefegt und in den Abfall entsorgt oder mit dem Staubsauger aufgesaugt werden.

Wascht eure Hände nach dem Spielen am besten mit Seife – dank der Superwaschkraft der Tenside darin bekommt ihr das Öl so ganz einfach wieder von den Fingern.

Haltbarkeit dieses kinetischen Sandes

Stärkemehl und Öl sind Lebensmittel – also nicht-sterile, biologische Produkte. Solche halten natürlich nicht ewig, zumal ich beim Anrühren ganz bewusst auf Konservierungsmittel verzichtet habe. Bewahrt den kinetischen Sand nach dem Spielen am besten in einer geschlossenen Tupper-Dose im Kühlschrank auf. Lasst ihn nach dem Herausnehmen ggfs. erst auf Raumtemperatur warm werden. Speiseöl wird nämlich in der Kälte fester, sodass der kalte Sand steif sein kann.

Dann sollte er einige Wochen oder gar Monate halten. Achtet einfach auf die Äusserlichkeiten: Wenn der Sand ranzig riecht oder schimmelt, macht besser neuen. Der alte Sand kann in den Restmüll entsorgt werden.

Jetzt wünsche ich euch aber erstmal viel Spass beim “Sändelen”! – Wie spielt ihr denn am liebsten mit Sand? Kennt ihr noch andere Rezepte für Indoor-Sand?

Hast du das Experiment nachgemacht:

Kinetischer Sand: Hat das Experiment bei dir funktioniert?

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Experimente mit Elektrostatik: Blitze selber machen!

Ein langer, heisser Sommer geht heute zu Ende – sagen sie im Radio. Und wahrlich haben wir in den vergangenen Wochen oftmals vergeblich auf Gewitter mit reichlich Regen und Abkühlung im Gepäck gewartet. Seit vorgestern geht es aber endlich wieder ordentlich rund. Blitze längs und quer über den Himmel und dazu lauter Donner künden Wind und – endlich – Regen an.

Aber was sind Gewitter eigentlich? Die meisten von euch werden wissen, dass Blitze etwas mit Elektrizität zu tun haben. Aber was ist denn nun wieder Elektrizität?

Heute beantworte ich nicht nur diese Frage, sondern zeige euch auch ein paar ganz einfache Experimente, in welchen ihr selbst Elektrizität und sogar eure eigenen Blitze (im winzigkleinen Miniaturformat – ganz harmlos!) erzeugen könnt.

Was ist Elektrizität?

Landläufig werden mit “Elektrizität” alle möglichen Erscheinungen und Technik rund um elektrische Aufladung und elektrischen Strom bezeichnet. Das erklärt aber nicht, worum es sich dabei handelt. Um das zu verstehen, müssen wir uns die winzigkleinen Teilchen, aus denen alle Stoffe bestehen, genauer ansehen.

Der Ursprung der Elektrizität: Eine Eigenschaft von Teilchen

Ursache für alle elektrischen Erscheinungen ist nämlich eine Eigenschaft dieser kleinen Teilchen. Die vielleicht naheliegendste Eigenschaft von Teilchen (und allen anderen Dingen) ist ihre Masse. Eine weitere Eigenschaft – um die es mir heute geht, ist die “elektrische Ladung”. Die gehört zu vielen Teilchen ebenso, wie den Teilchen ihre Masse gehört, oder einem Legostein seine rote Farbe.

Die elektrische Ladung gibt es in zwei (ganz streng genommen in drei) Formen, so, wie Legosteine rot oder blau sein können. Die Physiker nennen diese beiden Formen jedoch nicht “rot” und “blau”, sondern “positiv” bzw. “+” (plus) und “negativ” bzw. “-” (minus). Ein Teilchen kann also eine Ladung “+” oder “-” haben – oder gar keine Ladung. Das nennen die Physiker die Ladung “0” (null).

Elektrische Ladungen im Atom

Ein Atom besteht nun aus mehreren kleineren Teilchen mit verschiedenen elektrischen Ladungen. Im Atomkern befinden sich die Protonen, die eine Ladung “+” haben, und die Neutronen mit der Ladung “0”. In der Atomhülle findet man die Elektronen, die eine Ladung “-” tragen. Wenn man nun für jedes Proton +1, für jedes Neutron +0 und für jedes Elektron -1 rechnet, kommt man bei einem normalen Atom am Ende auf die Summe “0”. Das Atom hat – von aussen betrachtet – keine elektrische Ladung.

Es ist allerdings ganz leicht, Elektronen aus einem Atom zu entfernen oder weitere hinzuzufügen. Wenn das passiert, kommt bei der Addition aller Ladungen nicht mehr “0” heraus. Von aussen gesehen hat das Atom damit eine elektrische Ladung (Physiker und Chemiker nennen ein solches Atom ein “Ion”)! Die ist positiv, wenn Elektronen fehlen, und negativ, wenn zusätzliche Elektronen im Atom sind. Ebenso sind entferne Elektronen nun von aussen “sichtbar” elektrisch geladen. Und wenn man Elektronen und geladene Atome bewegt, bewegen sich ihre Ladungen natürlich mit.

Das Coulomb’sche Gesetz sorgt für Bewegung

Für elektrische Ladungen gelten zwei grundlegende physikalische Regeln, die gerne als das “Coulomb’sche Gesetz” zusammengefasst werden:

1. Verschiedenartige Ladungen ziehen einander an.
2. Gleichartige Ladungen stossen einander ab.

(Für diejenigen, die mit der Physik schon etwas weiter sind: Sowohl die Anziehung auch die Abstossung zwischen Ladungen nehmen um so mehr zu, je näher sich die Ladungen kommen.)

Diese beiden Regeln sorgen ungemein für Bewegung in der Teilchenwelt. So streben zwei einander nahe “freie” Elektronen, die beide eine Ladung “-” tragen, wie von Geisterhand voneinander weg, während ein Elektron unweigerlich auf ein Ion mit positiver Ladung zustrebt.

Teilchenwanderung im Alltag

Einzelne Teilchen können wir dabei freilich nicht mit unseren Sinnen beobachten. Aber wenn genügend geladene Teilchen in Bewegung sind, können wir die Folgen dieser Bewegung wahrnehmen. Und solche Bewegungen sind für uns heute alltäglich: In einer Batterie werden Elektronen (mit der Ladung “-“) und positiv geladene Teilchen (mit der Ladung “+”) getrennt voneinander aufbewahrt. Sobald man zwischen den Teilchenlagern eine Verbindung (z.B. durch ein Kabel) herstellt, wandern (oder besser: fliessen) die Elektronen durch das Kabel der Anziehung folgend zu den positiven Ladungen hin. Dieser Strom von Elektronen auf Wanderschaft ist das, was wir “elektrischen Strom” nennen!

Und wie alle bewegten Dingen enthält der elektrische Strom Energie, die in andere Energieformen wie Licht, Wärme oder Bewegung anderer Dinge umgewandelt werden kann (mehr zur Energie und ihren Formen erfahrt ihr hier).

Wie ihr selbst Ladungen trennen und Blitze machen könnt

Von den Atomen in vielen Stoffen könnt ihr ganz leicht Elektronen abreiben. Dazu zählen einige Kunststoffe, die ihr in eurem Haushalt finden könnt, das Fell von Tieren, aber auch eure eigenen Haare! Mit diesen Dingen könnt ihr ein paar einfache, aber wirkungsvolle Experimente machen. Sie alle funktionieren übrigens am besten bei trockener Witterung mit geringer Luftfeuchtigkeit. Dabei werden nämlich elektrische Ladungen getrennt gesammelt. Und die fliessen in feuchter Umgebung schnell wieder woandershin ab, anstatt am gewünschten Ort zu bleiben!

1.) Der klebende Luftballon

Diesen Klassiker hat schon mein Physikervater oft mit uns gemacht – und wir hatten als Kinder riesigen Spass daran: Blast einen Luftballon auf (nicht zu prall, damit er nicht platzt!) und reibt ihn kräftig an einem Wollpullover oder eurem Kopfhaar. Wenn es dabei hörbar knistert, legt den Ballon mit der geriebenen Seite an eine tapezierte Wand und lasst ihn los. Der Ballon bleibt an der Wand haften!

Oder haltet den Ballon mit etwas Abstand über einen Kopf mit feinem, trockenen Kinderhaar. Lasst das Kind dabei vor einem Spiegel stehen, denn: Die Haare werden angezogen – und die so entstehende Struwwelpeter-Frisur soll ja allen Beteiligten Spass machen!

Der durch Reibung aufgeladene Ballon zieht meine Haare an!

Funktioniert auch mit langen Erwachsenenhaaren (die am besten frisch gewaschen sind): Der Ballon zieht die Haare an!

 

2. Der “furchtsame” Kunststoffstab

Der Klassiker aus dem Physikunterricht: Knotet einen Bindfaden um den Schwerpunkt eines länglichen Gegenstands aus Kunststoff (zum Beispiel ein Stück Plastikbesteck) und haltet es am freien Ende des Fadens so, dass es frei und möglichst bewegungslos schwebt. Nähert ein zweites Kunststoff-Stück, das ihr zuvor kräftig an Wolle gerieben habt, langsam dem schwebenden Stück an. Das schwebende Stück wird sich von dem geladenen Kunststoff wegdrehen. Durch Annäherung aus der entgegengesetzten Richtung lässt sich die Drehrichtung auch umkehren!

Das aufgehängte Plastikmesser dreht sich in Pfeilrichtung vom aufgeladenen Plastik fort.

Gleiche Ladungen stossen sich ab: Der rote Pfeil deutet die Drehrichtung des aufgehängten Plastikmessers an.

3. Mit Abfall Blitze machen

So könnt ihr eure eigenen Blitze machen (die Idee dazu habe ich von Alli Sonnier von Learn-Play-Imagine): Ihr braucht dazu eine saubere Grillschale oder Lebensmittelverpackung aus Aluminium, einen Bleistift mit Radiergummi, eine Reisszwecke, ein Stück Styropor und ein Kleidungsstück aus Wolle.

Damit könnt ihr eure eigenen Blitze machen: Styropor, Aluminium-Schale, Wollschal, Bleistift und Reisszwecke

Damit könnt ihr eure eigenen Blitze machen!

Die Reisszwecke stecht ihr in der Mitte der Alu-Schale von unten durch den Boden und dann in den Radiergummi am Ende des Bleistifts. Jetzt könnt ihr das Ganze am Bleistift hochheben, ohne mit der Schale in Berührung zu kommen. Reibt nun das Styropor-Stück eine Weile kräftig an der Wolle (nehmt euch dafür ruhig rund 2 Minuten Zeit!). Legt den Styropor nun auf einem nicht-leitenden, trockenen Platz (z.B. einem Holztisch) ab und senkt die Alu-Schale am Bleistift langsam darüber ab. Hört dabei aufmerksam hin! Im besten Fall sollte die Schale den Styropor nicht berühren – gebt darauf gründlich acht, da Styropor und Alu-Schale einander anziehen.

Die aufgespiesste Aluschale schwebt über dem Styroporblock. Noch ein Bisschen näher, und die Funken werden vernehmlich knistern!

Langsam nähere ich meine Alu-Schale dem aufgeladenen Styroporblock an. Noch einen Moment, dann wird es knistern! Der Funkenschlag selbst geht allerdings so schnell, dass er sich nicht fotografieren lässt.

Wenn die Alu-Schale dem Styropor nahe kommt, könnt ihr ein verräterisches Knistern hören. Wenn ihr das Ganze in einem dunklen Raum ausprobiert, könnt ihr vielleicht sogar kleine Funken sehen. Richtig – das sind Blitze im Miniatur-Format, und das Knistern ist der Miniatur-Donner dazu!

Was geschieht da?

Durch das Reiben der Gegenstände aneinander werden geladene Teilchen geradezu von der Oberfläche der Dinge abgerubbelt – und bleiben an der Oberfläche des Gegenstücks haften. Wenn wir annehmen, dass Elektronen vom Kunststoff abgerieben werden und an der Wolle oder Haaren haften bleiben, trägt die Wolle nach dem Reiben negative Ladungen, während der Kunststoff – die Ballonhülle oder das Plastikmesser – positiv geladen ist.

Elektrostatische Anziehung und Abstossung

Diese unterschiedlichen Ladungen ziehen sich an – so stark, dass der geladene Ballon an der Wand (die ebenfalls negative Ladungen trägt) haftet, anstatt zu Boden zu fallen, oder dass die leichten Haare sich der Schwerkraft entgegen aufrichten!

Das schwebende und das geriebene Plastikmesser sind dagegen beide positiv geladen (ein paar Elektronen werden allein schon durch das Anfassen und die Bewegung des schwebenden Messers abgerieben), sodass sie einander abstossen – und zwar so stark, dass das sich langssam drehende Messer abbremst und sich in die Gegenrichtung zu bewegen beginnt!

Im Übrigen: Wenn euch die Plastikmesser bekannt vorkommen, dann nicht umsonst. Auf derselben Abstossung beruht nämlich auch das magische Harry-Potter-Experiment mit dem krummeln Wasserstrahl!

Wie aus elektrostatischer Aufladung Blitze werden

Durch das gründliche Reiben des Styropors sammeln sich schliesslich so viele Ladungen auf der Styropor-Oberfläche an, dass sie – der Anziehung folgend – den schmalen, luftgefüllen Spalt zwischen Styropor und Aluminium* überqueren können: Für einen Sekundenbruchteil fliesst Strom durch die Luft – ein Funke springt über. Genau das passiert auch bei einem Gewitter – nur sind die Funken dabei sehr, sehr, sehr viel grösser und werden dann Blitze genannt.

Wie in einer Gewitterwolke Ladungen für so grosse Funken zusammenkommen und warum Blitze (und eure Miniatur-Funken) leuchten und lärmen, erkläre ich euch am Montag ausführlich.

*Wenn ihr euch nun fragt, warum das funktioniert, obwohl ihr das Aluminium nicht aufgeladen habt: Aluminium ist ein Metall, in welchem – anders als in Kunststoffen – Elektronen sich prima bewegen können. So sorgt schon die Nähe der Ladung des Styropors dafür, dass die Elektronen im Aluminium sich so verschieben, dass an dessen Oberfläche eine dem Styropor entgegengesetzte Ladung entsteht: Die beiden Teile ziehen sich an und es kommt allenfalls zum Funkensprung.

Bis dahin wünsche ich euch viel Spass beim Experimentieren und Beobachten! Probiert doch auch aus, was ihr sonst noch aufladen und anziehen oder abstossen könnt (zum Beispiel: Wer bringt Styroporflocken zum Fliegen?)!

Hast du die Experimente nachgemacht:

Blitze selber machen: Haben die Experimente bei dir funktioniert?

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Wetter-Experiment: Regen machen im Glas

Am letzten Freitag spät nachmittags geschah, was zur Zeit am Ende eines sonnigen Tages immer wieder vorkommt: Es wird plötzlich dunkler, die Sonne verschwindet hinter dicken Gewitterwolken. Aufkommender Wind veranlasst mich, Balkontüre und Fenster zu schliessen. Denn bald schon spülen Gewitterschauer mitsamt Blitz und Donner das Land wieder ordentlich durch.

Diesen Freitag, während ich noch unterrichtete, ging es allerdings ganz besonders schnell: Kaum war die Sonne verdunkelt, öffnete der Himmel seine Schleusen. Für den Regen. So richtig viel und mit Wind. Und ehe ich mich versah, hatten sich Wasserlachen in den Wohnzimmereingang, die Küche und das Schlafzimmer ergossen. Da konnte ich nur noch Aufnehmer und Frottee-Handtücher auswerfen, um die nasse Himmelsbotschaft einzudämmen.

Das ganze Malheur brachte mich allerdings auf eine ganz spannende Naturforscher-Frage: Wie kommt es eigentlich, dass es regnet?

Und damit ist auch gleich das Thema für die diesjährigen Sommer-Experimente in Keinsteins Kiste gefunden: Das Wetter! Rund um Wetterphänomene oder die Launen des Himmels gibt es nämlich eine Menge spannender Experimente zum Selbermachen. Und den Anfang mache ich heute mit: Regen.

 

Woher kommt der Regen?

Klar, aus den Wolken, werden viele von euch jetzt sagen. Denn Wolken bestehen schliesslich aus Wasser. Aber wie geht es vor sich, dass die Wolken schweben, während Flüsse, Seen und Meere brav der Schwerkraft folgend auf der Erde bleiben? Und warum fällt das Wasser schliesslich doch wieder runter und macht uns nass?

Um zu beobachten, wie Regen – im ganz einfachen Sinne – entsteht, könnt ihr ganz einfach Regen machen – in einem Glas!

 

Wie ihr Regen machen könnt

 

Ihr braucht dazu

  • Ein grosses Glas, zum Beispiel ein Honig- oder Einmachglas
  • Leitungswasser
  • Eine bis zwei Hände voll Eiswürfel
  • Eine Schale, deren Boden das Glas ganz zudeckt
  • Einen Schnellkocher oder Kochtopf auf dem Herd

Schnellkocher mit Wasser, Glas, Schale mit Eiswürfeln: Mehr brauch ihr nichts fürs Experiment!

 

So macht ihr das Experiment

  1. Erhitzt das Wasser im Schnellkocher oder im Kochtopf auf dem Herd. Giesst das (fast) kochende Wasser in das Glas, bis es darin etwa 2cm hoch steht. Das Glas ist damit nun sehr heiss! Weist die Jungforscher darauf hin, dass sie es jetzt nicht mehr anfassen sollten!
  2. Stellt sogleich die Schale auf die Glasöffnung (die sollte damit so vollständig wie möglich zugedeckt – aber nicht luftdicht verschlossen! – werden) und gebt die Eiswürfel hinein.
  3. Lasst euch Zeit und beobachtet, was im Glas geschieht.
Meine Eiswürfelform aus Aluminium passt genau auf das Becherglas - so habe ich die Eiswürfel gar nicht herausgenommen, sondern die Schale einfach auf das Glas gestellt.

Praktisch: Meine Eiswürfelform aus Aluminium passt genau auf das Becherglas – so habe ich die Eiswürfel gar nicht herausgenommen, sondern die Schale einfach auf das Glas gestellt.

 

Was passiert dabei?

Das beinahe siedende Wasser verdampft bzw. verdunstet. Der so entstehende Wasserdampf bleibt aber im Glas gefangen, wenn die Schale auf der Öffnung steht. Das Eis kühlt dabei den Boden der Schale stark ab. So kondensiert – das heisst verflüssigt sich – das Wasser an der Unterseite der Eis-Schale. Schon bald könnt ihr an der Glaswand winzigkleine Tröpfchen erkennen, die langsam zu immer grösseren Tropfen zusammenwachsen. Irgendwann können die grösseren, schweren Tropfen sich nicht mehr halten und rinnen der Schwerkraft folgend die Glaswand hinunter und zurück in die Wasserschicht am Boden.

Und es kommt noch besser Wenn ihr Geduld habt und 10 bis 20 Minuten wartet (so lange hat es bei mir gedauert), werden auch die Tropfen, die direkt unter dem Boden der Schale heranwachsen, so schwer, dass sie nach unten tropfen: Es regnet im Glas!

Gleich fällt der nächste Regentropfen vom Boden der Eiswürfelschale!

Gleich fällt der nächste Regentropfen vom Boden der Eiswürfelschale!

 

Wie entsteht der Regen im Glas?

In flüssigem Wasser können sich die winzigen Wasserteilchen zwar frei bewegen, kleben dabei aber stets dicht beieinander. So gleiten sie aneinander vorbei ohne sich zu trennen, so wie die vielen Menschen in einem richtig dichten Gewühl. Wenn die Wasserteilchen aber mit genügend Energie ausgestattet werden, zum Beispiel, indem ihr sie mit dem Schnellkocher erwärmt, können sie sich voneinander lösen und jedes für sich frei im Raum herumflitzen: aus flüssigem Wasser wird Wasserdampf, ein Gas aus Wasserteilchen (die zum Verdampfen nötige Energie wird “Verdampfungswärme” genannt und ist vergleichbar mit der Schmelzwärme, die ihr hier erforschen könnt).

Der Wasserdampf vermischt sich mit der Luft im Glas und verteilt sich dabei so weit wie möglich – also bis hinauf zum Boden der Eis-Schale. Der wiederum ist so kalt, dass die Wasserteilchen im Dampf ihre Wärme-Energie an die Schale abgeben. Damit büssen sie aber auch ihre freie Beweglichkeit wieder ein und müssen sich mit anderen Wasserteilchen zusammenrotten: Aus dem gasförmigen Wasserdampf wird wieder flüssiges Wasser!

Winzige, für unsere Augen unsichtbare Macken in der Oberfläche des Schalenbodens oder daran haftende Staubkörnchen machen vermutlich den Anfang, an dem sich erst wenige, dann immer mehr Wasserteilchen ansammeln. So entstehen winzige Tröpfchen, die immer grösser werden, je mehr Wasserdampf verflüssigt wird. Sobald die Tropfen zu schwer werden, um am Schalenboden zu haften, fallen sie wie Regen hinunter ins Glas.

Wo die Wärme aus dem kondensierenden Wasserdampf hingeht, könnt ihr übrigens auch beobachten: Das Eis in der Schale wird nämlich zu schmelzen beginnen!

Warum regnet es aus Wolken?

Auch Wolken bestehen aus winzigen Wassertröpfchen oder – wenn es in den hohen Luftschichten richtig kalt ist – aus Eiskristallen. Diese Tröpfchen entstehen aus Wasserdampf, der in die Lufthülle der Erde, die Atmosphäre, gelangt, wenn die Wärme der Sonne das Wasser von der Oberfläche von Meeren, Seen und Flüssen verdunsten lässt.

Damit Wasser gasförmig wird, muss es nämlich nicht kochen – auch bei niedrigerer Temperatur lösen sich immer mal einige Teilchen von der Wasseroberfläche und mischen sich unter die Luft. Das nennt man Verdunsten und nicht Verdampfen, und es dauert wesentlich länger als das Einkochen von Wasser.

So lange die Wasserteilchen sich als Dampf mit der Luft mischen oder die Flüssigkeitströpfchen winzig genug sind, um von Luftströmungen getragen zu werden, bleiben sie in der Luft, sodass wir sie von unten z.B. als Schäfchenwolken oder geschlossene Wolkendecke beobachten können. Wenn sich jedoch zu viel Wasser ansammelt und die Tröpfchen zu sehr wachsen, werden sie irgendwann zu schwer und fallen nach unten, bis sie auf die Erde treffen und uns nass machen.

Wie Regentröpfchen ihren Anfang nehmen

Darüber, wie die Entstehung von Tröpfchen überhaupt ihren Anfang nimmt, sind sich übrigens auch die Wetterforscher noch nicht ganz sicher. Aber sie vermuten, dass auch in den hohen Luftschichten reichlich Staubkörnchen schweben, an die erste Wasserteilchen sich anlagern können, sodass immer neue Teilchen dazustossen und sich anheften können, um ein immer grösseres Tröpfchen zu formen.

Regen an Hindernissen

Vielfach beobachten kann man indessen, dass das Auflaufen von Wasserdampf an Hindernissen zur Entstehung von Wolken beiträgt und so zu Regen führen kann: Wenn der Wind wasserdampfhaltige Luft oder Wolken gegen eine Bergkette schiebt, staut sich das Wasser vor diesem Hindernis. Die Wasserteilchen werden enger zusammen geschoben und so besonders leicht dazu verleitet, sich zu Regentropfen zusammenzurotten. So kommt es, dass es hier in der Schweiz häufig nur auf einer Seite der Alpen regnet: Entweder bei uns im Norden oder im Kanton Tessin im Süden – je nachdem woher der Wind weht.

Ganz extrem zeigt sich die Wirkung von hinderlichen Bergketten im Westen Nordamerikas: Hier schiebt der Wind aus dem Westen das verdunstende Wasser aus dem pazifischen Ozean gegen die Berge der Sierra Nevada, sodass gleich dort reichlich Nebel und Regen entsteht. Davon leben an der Westseite dieses Gebirges richtige Regenwälder und die grössten Bäume der Welt (die dicksten unter ihnen haben wir im Sequoia Nationalpark bestaunen dürfen). Die Luft, die schliesslich über die Berge schwappt, ist nach diesem Regen allerdings arm an Wasserteilchen, dass es daraus so gut wie gar nicht mehr regnen kann. Deshalb gibt es östlich der Sierra Nevada nur karge, trockene Wüsten – darunter das berühmt-berüchtigte Death Valley (auch das ist eine spannende Forscher-Reise wert).

Wenn es kalt ist: Schnee

Wenn es in einer Wolke sehr kalt ist, entstehen aus dem Dampf keine Flüssigkeitströpfchen, sondern feste Kristalle: Schneeflocken! Chemiker und Physiker sagen: Das Wasser resublimiert (das Sublimieren ist das Verdampfen von Feststoffen – resublimieren der umgekehrte Vorgang: Die frei fliegenden Teilchen eines Gases lagern sich zu einem regelmässigen, festen Kristall zusammen, ohne erst eine Flüssigkeit zu bilden).

Damit ein schöner sechseckiger Schneekristall entstehen kann, braucht es – wie zur Entstehung eines Wassertröpfchen – ein Staubkorn oder ähnliches, an das sich die Wasserteilchen anlagern können. Wenn die Umgebung dieses Staubkorns in alle Richtungen gleich ist, wächst der Kristall durch die Anlagerung weiterer Teilchen gleichartig in alle (6) Richtungen. Das könnt ihr euch im Winter übrigens unter einem einfachen USB-Mikroskop ansehen!

Kalt, nass und windig: Hagel

Enthält eine kalte Gewitterwolke dagegen viel Wasser und weht darin ein strammer Wind nach oben, der auch schwerere Tropfen in der Luft hält, können die Tröpfchen schnell zu festen, halbwegs runden Eiskörnern zusammenfrieren und mit jeder neuen drumherum gefrierenden Wasserschicht immer grösser werden. Wenn die dann runterfallen, heisst das für uns Deckung suchen, denn: Es hagelt! Übrigens: Erst ab einem Korndurchmesser von 5mm oder mehr ist Hagel offiziell Hagel…kleinere Körner werden Graupel genannt.

 

Entsorgung

Ihr habt keine gefährlichen Stoffe verwendet, also gibt es nichts besonderes zu beachten: Leitungswasser kann in den Ausguss gegeben oder besser zum Blumengiessen oder anders verwendet werden.

Ich wünsche euch viel Spass beim Regenmachen! Und welches Wetterphänomen beobachtet ihr eigentlich am liebsten?

Hast du das Experiment nachgemacht: 

Regen im Glas: Hat das Experiment bei dir funktioniert?

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Experiment: Carotin - Farbstoffe ausschütteln - Von Stoffteilchen und ihren Vorlieben

Zur Zeit geht es wieder hoch her in Keinsteins Kiste, denn nächste Woche ist es wieder soweit: Am Freitag, den 13.4. startet der zweite Experimentier-Workshop in der hiesigen Primarschule! Und wir werden erneut Stoffgemische trennen. Damit ihr anderen auch mitmachen könnt, gibt es heute ein schnelles, einfaches Trenn-Experiment in der Ausführung für zu Hause.

 

Wie man Stoffe trennt

Da Stoffe aus unzähligen kleinen Teilchen bestehen, kann man diese Teilchen verschiedener Stoffe miteinander mischen – und erhält so ein Stoffgemisch, das wie ein Stoff aussehen kann, aber aus mehr als einer Sorte Stoffteilchen besteht. Um ein solches Stoffgemisch wieder in zwei Reinstoffe (die aus je einer einzigen Teilchensorte bestehen) zu trennen, läge es nahe, die Teilchen Stück für Stück in eigene Gefässe zu sortieren, wie Aschenbrödel ihre Körner und Linsen.

Praktisch durchführbar ist das aber nicht – dazu gibt es schlicht und einfach viel zu viele Teilchen zu sortieren. So enthalten allein 18 Milliliter Wasser rund 602’000’000’000’000’000’000’000 – das sind 602 Trilliarden! – Teilchen. So viele Tauben wie ihr bräuchtet, um die in angemessener Zeit zu sortieren, könntet ihr gar nicht aufbieten!

Zum Glück gibt es Tricks, mit deren Hilfe ihr die vermischten Teilchen alle miteinander sortieren könnt. Diese Tricks bestehen darin, die Eigenschaften auszunutzen, in denen sich die verschiedenen Teilchensorten unterscheiden: Sind Teilchen unterschiedlich schwer, schwimmt vielleicht eine Sorte auf einer Flüssigkeit, während die andere Sorte auf den Grund sinkt. Andere Teilchen verdampfen bei unterschiedlichen Temperaturen, sodass ihr einen Stoff verkochen könnt und den anderen zurückbehaltet, dringen unterschiedlich schnell durch andere Stoffe (dann könnt ihr sie mittels Papierchromatographie trennen), oder “mögen” sich schlicht und einfach nicht, sodass sie sich von selbst in Gruppen gleichartiger Teilchen zusammenrotten.

Manchmal unterscheiden sich vermischte Teilchensorten aber nicht genug, um auf diese Weise voneinander getrennt zu werden. Dann gibt es einen weiteren Trick: Ihr macht der Teilchensorte, die ihr vom Rest abtrennen möchtet, ein besseres Angebot.

Dazu braucht ihr

  • Ein dicht verschliessbares kleines Einmach- oder Gewürzglas
  • Speiseöl (eine möglichst farblose Sorte – meines ist schon ziemlich gelb)
  • ein Tomatenpürree bzw. Tomatenmark oder passierte Tomaten oder Tomatensaft
  • Wasser

 Das braucht ihr: Glas, Tomatenmark, Speiseöl

Wie ihr das Experiment durchführt

  1. Gebt etwas Tomatenpürree in das Glas und mischt es mit wenigen Millilitern Wasser (das Glas sollte allerhöchstens halb voll werden!), bis eine gleichmässig trübe rote Mischung entstanden ist. Die Farbstoff-Teilchen (und die übrigen Teilchen des Tomatenmarks) sind jetzt mit den Wasserteilchen vermischt und werden sich nicht mehr so leicht von ihnen trennen lassen.1.) Tomatenmark gemischt mit Wasser
  2. Gebt vorsichtig Öl in das Glas, bis eine etwa 1 bis  1,5 cm hohe Ölschicht auf dem Wasser schwimmt und schraubt das Glas fest zu. Die Ölschicht ist jetzt annähernd farblos bzw. gelblich.2.) Die gelbliche Ölschicht schwimmt auf dem Tomaten-Wasser
  3. Schüttelt das verschlossene Glas nun kräftig, sodass sich Öl und Tomaten-Wasser bestmöglich mischen. 3.) Gleich nach dem Schütteln: Alles ist vermischtStellt das Glas dann ab und wartet einige Minuten. Das Öl wird sich erneut über dem Wasser in einer eigenen Schicht sammeln – aber jetzt ist es rot!4.) Öl und Wasser haben sich wieder getrennt. Das Öl ist jetzt rot gefärbt!

Weitere Varianten zum Ausprobieren

Anstelle von Tomaten könnt ihr auch Produkte aus Karotten oder roten bzw. gelben Peperoni (in Deutschland und Österreich: nicht die kleinen scharfen, sondern ganz gewöhnliche Paprika!) verwenden. Sie alle enthalten Carotinoide – also rote oder gelbe Farbstoffe, die sich auf diese Weise ausschütteln lassen.

Ausserdem könnt ihr diese Farbstoffe auch direkt aus dem Gemüse gewinnen. Zermörsert es dazu mit etwas Wasser und feinem Sand, so wie die Blätter, deren Farbstoffe ihr in diesem Experiment trennen könnt. Dann füllt etwas von dem Gemüsebrei in ein Glas und gebt etwa 1 cm hoch Pflanzenöl dazu. Nach dem Schütteln sieht die Ölschicht farbig aus: Ein Teil der Farbstoffteilchen ist aus dem Gemüsebrei in das Öl gewandert.

Die Experimentier-Profis unter euch können die Teilchen auch zweimal wandern lassen: Gebt dazu zu einer neuen Portion Gemüsebrei zunächst Brennsprit (Spiritus, Ethanol – Achtung! Leichtentzündlich!) und schüttelt gründlich. Ein Teil der Farbstoffe wird sich so mit dem Ethanol mischen. Gebt dann noch etwas Öl dazu und schüttelt wieder. Da die Anziehungskräfte zwischen Ethanol-Teilchen jenen der Wasserteilchen gleichen, ziehen die Carotinoid-Farbstoffe die Gesellschaft des Öls vor und wandern dahin weiter. Die Ethanol-Schicht hat deshalb nach der Trennung Farbe verloren (ausserdem schwimmt sie oben, was euch verrät, dass Brennsprit leichter ist als Öl!).

Was geschieht da?

Wasser- und Ölteilchen “mögen” sich überhaupt nicht, weshalb sie mit allen Mitteln versuchen unter sich zu bleiben, wenn man sie zu mischen versucht (tatsächlich sind unterschiedliche Anziehungskräfte zwischen den Teilchensorten für die Uneinigkeit verantwortlich: Wasserteilchen ziehen sich aufgrund permanenter elektrischer Ladung an (ein Experiment dazu findet ihr hier), während die Anziehung zwischen Ölteilchen auf einem anderen Vorgang – der van-der-Waals-Wechselwirkung – beruht.

Carotinoide haben eine Vorliebe für Öl

Tomaten und andere rote oder gelbe Gemüse enthalten Farbstoffe, die man Carotinoide nennt (der Tomatenfarbstoff heisst genau genommen Lycopin). Die Carotinoide lassen sich sehr gut mit Öl mischen, da sich ihre Teilchen auf die gleiche Weise anziehen wie die Ölteilchen. Mit Wasser mischen sie sich dagegen nur schlecht. Das könnt ihr schon daran erkennen, dass beim Mischen des Tomatenpürrees mit Wasser eine trübe Suppe entsteht.

Lieber würden sich die Carotinoid-Teilchen aber mit Öl mischen. Deswegen lassen sie, wenn man ihnen die Möglichkeit bietet – indem man Öl mit dem Wasser in Berührung bringt, das Wasser links liegen und rotten sich stattdessen mit den Ölteilchen zusammen. Die Farbstoffteilchen verlassen also das Wasser, um sich mit dem bevorzugten Öl zu mischen – sodass das Öl schlussendlich rot aussieht. Und nicht nur das: Sobald Öl und Wasser sich getrennt haben, ist das rote Öl wieder durchsichtig (mehr oder weniger jedenfalls)! Die Farbstoff-Teilchen haben sich folglich bestmöglich mit dem Öl gemischt.

Eine grosse Grenzfläche sorgt für eine schnelle Wanderung

Damit möglichst viele Teilchen möglichst schnell vom Wasser ins Öl gelangen können, müssen sich Öl und Wasser auf einer möglichst grossen Fläche berühren. Um das zu erreichen, schüttelt ihr das Glas mit den beiden Flüssigkeiten. So werden die anfänglichen Schichten nämlich in viele kleine Tröpfchen zerlegt, die einander berühren. Und durch alle einander berührenden Tröpchenoberflächen können Farbstoffteilchen schnell ins Öl “auswandern”.

Wenn ihr, nachdem das geschehen ist, das Gefäss abstellt und in Ruhe lasst, rotten sich Öl und Wasser wieder in getrennten Schichten zusammen – das leichtere Öl schwimmt wiederum oben – wobei die Farbstoffteilchen im Öl bleiben.

Dieses Trennverfahren, bei welchem ein Stoff beim Schütteln aus einem Gemisch in ein anderes “auswandert”, nennen die Chemiker “Ausschütteln”. Im Labor ist das sehr nützlich, wenn so man einen Stoff dazu bringen kann, allein in ein Lösungsmittel mit z.B. niedrigem Siedepunkt einzuwandern. Dann kann man nämlich das Lösungsmittel einfach einkochen, ohne dass die Teilchen des anderen Stoffs dabei Schaden nehmen – und erhält so den reinen Stoff.

Wird mit diesem Trick (aber meist ohne Schütteln) ein (oder mehrere) Bestandteil(e) aus einem Feststoffgemisch abgetrennt, sprechen Chemiker zudem von einer Extraktion – der abzutrennende Stoff wird aus dem Gemisch extrahiert. Und das passiert ganz bestimmt auch in eurem Alltag!

Extraktion in eurem Alltag

Das Extrahieren ist überaus nützlich, wenn man Gemische von Feststoffen trennen möchte, die sich nicht alle gleich gut in Wasser (oder einem anderen Lösungsmittel) lösen. Solche Gemische können zum Beispiel Teeblätter oder andere Pflanzenteile sein. Die können wir Menschen nicht besonders gut verdauen – aber wir mögen das Aroma und können viele gesunde Bestandteile der Pflanzen brauchen. Glücklicherweise lösen sich viele dieser Stoffe gut ins Wasser.

So geben wir die Teeblätter oder Pflanzenteile in heisses Wasser (heisse Lösungsmittel lösen andere Stoffe gewöhnlich besser als kalte – ausserdem brechen in heissem Wasser die grossen Biomoleküle, die die Pflanzenoberfläche bilden, leichter auf) und warten ein paar Minuten, während die wasserlöslichen Stoffteilchen – darunter sind häufig auch farbige – aus den Blättern in das Wasser wandern. Die unverdaulichen Pflanzenreste können dann ganz einfach mit einem Filter abgetrennt werden.

Und das Ergebnis – den Extrakt – trinken wir als Tee! Genauso funktioniert auch das Kaffeekochen. Hier werden die Kaffeebohnen bloss vorher zu Pulver zermahlen. So kann besonders viel Wasser die Oberflächen der unzähligen Pulverkörner berühren – und die gewünschten Stoffe (Aromen, dunkle Farbe, Koffein) können besonders schnell aus dem Kaffeepulver in das Wasser wandern.

Und wo ist euch in eurem Alltag schon ein Extraktions-Verfahren begegnet?

Hast du das Experiment nachgemacht: 

Carotin-Farbstoffe ausschütteln: Hat das Experiment bei dir geklappt?

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Oster-Experiment: Wie geht das Ei in die Flasche?

Lang ist es nicht mehr hin: Nächste Woche ist schon Ostern – da ist noch gerade eben Zeit für ein schnelles Freihand-Experiment, bis der Osterhase kommt. Besser gesagt, für ein kleines Rätsel, das ihr eurer Familie oder euren Freunden zum Osterfest aufgeben könnt:

Wie bekommt ihr ein Ei in eine scheinbar zu enge Flasche – ohne es mit der Hand zu quetschen?

Ihr braucht dazu

  • Ein hartgekochtes Ei, ohne Schale
  • Eine Glasflasche, deren Öffnung nur wenig kleiner als das Ei ist
  • Streichhölzer – oder ein Feuerzeug und einen Streifen Papier

Was ihr braucht: Glasflasche mit weiter Öffnung, hartes Ei und Streichhölzer

Wie ihr das Experiment durchführt

Präsentiert euren Zuschauern das gepellte Ei, die Flasche und die Streichhölzer bzw. das Feuerzeug samt Papier. Stellt ihnen die Aufgabe: Bringt das Ei in die Flasche, ohne dass es kaputt geht – also nicht mit der Hand quetschen! Wenn sie die Antwort nicht selbst herausfinden, macht wie folgt weiter:

  1. Entzündet 3 Streichhölzer gleichzeitig und lasst sie sogleich brennend in die Flasche fallen. Alternativ: Steckt das Papier mit dem Feuerzeug in Brand und lasst es ebenfalls brennend in die Flasche fallen.
  2. Sobald das Feuer erlischt, setzt das gepellte Ei mit dem schmalen Ende nach unten auf die Öffnung, sodass es diese dicht schliesst.
Streichhölzer sind aus - das Ei ist auf der Öffnung.
Bis hier hin und nicht weiter: Da brauchte ich dann schwerere Geschütze.
  • Wartet einige Minuten: Das Ei wird wie von selbst in die Flasche gleiten!
  • Das Ei wandert in die Flaschenöffnung.
    Jetzt geht es besser: Das Ei schiebt sich in den Flaschenhals.
  • Sollte das Ei nicht ganz durch den Flaschenhals gleiten, könnt ihr die Flasche auch ein paar Minuten in den Kühlschrank – oder an diesem voraussichtlich kalten Osterfest nach draussen – stellen.
  • Das Ei steckt fast ganz im Flaschenhals!
    Noch ein Bisschen, dann…

    Wenn die Flaschenöffnung zu schmal (oder das Ei zu gross für die Öffnung ist) – da können Millimeter entscheidend sein – kann dabei passieren, was mir passiert ist:

    Die Flasche war zu eng fürs Ei : Jetzt ist nur die Hälfte drin!
    Dumm gelaufen: Die Kräfte der Natur haben das Ei entzwei gerissen.

    Das Ei wird förmlich halbiert! Wenn ihr bei eurer Vorführung Wert auf ein heiles Ei legt, probiert das Ganze vorher aus, bis ihr die passende Flasche zu euren Eiern bzw. die passenden Eier zur Flasche habt.

    Was passiert da?

    Teilchen-Bewegung ist Wärme

    Luft ist ein Gas (genau: ein Gemisch aus mehreren Gasen), das aus unzähligen winzig kleinen Teilchen besteht. Diese Teilchen sausen kreuz und quer durch den Raum und stossen ständig gegeneinander und gegen feste (und flüssige) Stoffe, die ihnen im Weg sind. Mit anderen Worten: Die wuseligen Luft-Teilchen brauchen eine Menge Platz – so wie die Kinder einer Schule, die auf dem Pausenplatz spielen.

    Wie sehr die Luft-Teilchen wuseln, können wir direkt spüren – wir nehmen ihre Bewegung nämlich als Wärme wahr. Das heisst: Je mehr die Teilchen sich bewegen, desto wärmer ist die Luft. Und das heisst wiederum: Je wärmer die Luft ist, desto mehr Platz braucht sie!

    Teilchen-Bewegung ist Druck

    Indem ihr brennende Streichhölzer oder Papier in die Flasche werft, sorgt ihr dafür, dass das Feuer die Luft ordentlich aufwärmt, sodass die Luft-Teilchen in der Flasche sich schneller bewegen und häufiger gegeneinander und gegen die Flaschenwände rempeln. So brauchen die Teilchen mehr Platz – und diejenigen, die nun nicht mehr in die Flasche passen, werden durch die Öffnung nach draussen gedrängt. Da der Raum draussen – die Erdatmosphäre – praktisch unbegrenzt ist, wird so gewährleistet, dass in der Flasche und draussen letztendlich der gleiche Druck herrscht.

    Sobald ihr das Ei auf die Öffnung setzt, verschliesst es diese vollständig. Wenn danach die Luft in der Flasche langsam wieder abkühlt, bewegen die Teilchen sich weniger und brauchen weniger Platz: Die Luft-Teilchen rempeln weniger gegeneinander, gegen die Flaschenwände und gegen das Ei. Da die Flasche nun verschlossen ist, können die zuvor hinausgedrängten Teilchen jedoch nicht wieder hinein. So entsteht im Inneren der Flasche ein Unterdruck.

    Wie die Luft-Teilchen das Ei bewegen

    Draussen bleibt der Druck dagegen stets gleich – und damit höher als drinnen. So drückt die Luft draussen die Umhüllung der Luft drinnen zusammen. Der Glasflasche macht das jedoch nichts – die ist hart und steif. Das Ei hingegen ist bis zu einem gewissen Grad formbar und überdies nicht fest mit der Flasche verbunden. Im Gegenteil: Es ist ziemlich glatt, sodass es an der Glaswand entlanggleiten kann.

    So können die Luft-Teilchen, die von aussen gegen das Ei rempeln – also Druck machen – das Ei damit in den Flaschenhals hinein schieben, sobald die Luft-Teilchen innen mangels Wärme nicht mehr dagegen halten können! Wenn durch das Abkühlen der Temperatur- und damit der Druckunterschied zwischen drinnen und draussen gross genug wird, kann das Ei vollständig in die Flasche hinein geschoben – oder, wenn die Öffnung zu eng ist, im schlimmsten Fall entzwei gequetscht werden.


    Wie ihr das Ei wieder aus der Flasche bekommt

    Es ist dazu nicht nötig, die Flasche zu zerschlagen! Geht stattdessen einfach wie folgt vor:

    1. Dreht die Flasche um, sodass das Ei von innen auf die Öffnung fällt und den Flaschenhals vollständig verschliesst.
    2. Lasst heisses fliessendes Wasser über den Flaschenbauch laufen (passt dabei auf eure Finger auf!) oder erwärmt die Flasche mit einem Haarföhn. So wie sich die Luft in der Flasche wieder ausdehnt, gleitet das Ei genauso wieder nach draussen, wie es in die Flasche hinein gekommen ist. Das hat sogar mit meinem halben Ei funktioniert!

    Ihr könnt das Ei natürlich auch mit Hilfe des Haarföhns oder heissen Wassers in die Flasche hinein bekommen, wenn ihr kein offenes Feuer verwenden möchtet. Dann benutzt allerdings besser einen Kochhandschuh um die Flasche festzuhalten, während ihr sie gründlich erwärmt.

    Entsorgung

    Gibt es keine! Das hartgekochte Ei (oder seine beiden Hälften) könnt ihr nach dem Experiment einfach aufessen. Sollte Russ daran gekommen sein, könnt ihr ihn vorher leicht abwaschen. Die Flasche könnt ihr sauber machen und für das nächste Osterfest und weitere Experimente aufheben!

    Mehr Experimente mit Eiern findet ihr übrigens hier – und hier könnt ihr mehr über die Farbstoffe erfahren, mit denen wir unsere Ostereier färben.

    Damit wünsche ich euch viel Spass beim Experimentieren und schöne Ostern!

    Und wie sehen eure Naturforscher-Ostern aus?

    Hast du das Experiment nachgemacht: 

    Ei in der Flasche: Hat das Experiment bei dir funktioniert?

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    Deko im Frühling mit Superabsorber

    Es ist die Zeit der Hasen, Küken Blumen…. Wie wäre es mit einer Osterdeko im Forscher-Stil – die gleich noch ein Experiment beinhaltet? Und (nicht nur) im Frühling jedes Heim-Labor verschönert? Ich habe ein tolles Gadget gefunden, das nicht nur eine besondere Sicht auf das Leben von Pflanzen gewährt, sondern auch eine verblüffende Eigenschaft von bestimmten Riesenmolekülen offenbart: Superabsorber!

    Ich habe das Material für das Experiment aus eigenem Antrieb beschafft. Für die Idee dazu danke ich Marion Rotter vom Luxury Lifestyle Magazine, in welchem diese spannende Frühlingsdekoration auch einen Platz finden wird.

    Superabsorber statt Pflanzenerde für Zwiebelblumen

    Hydroperlen aus Superabsorbern sind ganz besondere Kunststoffgebilde, die unglaubliche Mengen Wasser speichern und wieder abgeben können. Dabei sind sie durchsichtig und nach Wunsch bunt. So geben sie nicht nur einen praktischen Ersatz für Pflanzenerde ab (das kann z.B. Blähton für die Hydrokultur auch), sondern gewähren, wenn man sie in gläsernen Blumentöpfen verwendet, einen spannenden Blick auf das Wurzelwerk der Pflanzen.

    Und da Zwiebelblumen sich besonders leicht ein- und umsetzen lassen, bietet der Frühling die ideale Gelegenheit zum Experimentieren mit Superabsorbern!

    Ihr braucht dazu

    • Glasgefässe mit weiter Öffnung: Für den Labor-Stil können das zweckentfremdete Behälter sein, wie mein Honigglas, mein Einmachglas oder der Glaszylinder aus meinem Windlicht. Auch ein Labor-Becherglas eignet sich natürlich.
    • Zwiebelblumen, die idealerweise schon ein wenig ausgetrieben haben
    • Superabsorber: Die gibt es als “Hydrokristalle” oder “Hydroperlen” für kleines Geld in verschiedenen Shops für Krimskrams, Gadgets oder Geschenkartikel (meine Bezugsquelle hat mich letztlich nicht zu einer Erwähnung überzeugt, da sie stark verspätet und erst nach meiner Nachfrage geliefert und mich überdies trotz meiner Nicht-Zustimmung mit einer ganzen Flut von Newslettern zugeschüttet haben).
    • Leitungswasser, ein Lavabo bzw. Spülbecken zum Reinigen von Pflanzenwurzeln
    • Ein paar Stunden Zeit für viele Tage Freude
    Material : Zwiebelpflanzen, Hydroperlen, leere Gläser

    Wie ihr eure gläsernen Topfpflanzen setzt

    Zunächst müsst ihr die Superabsorber in Wasser ziehen lassen, damit sie sich ordentlich voll saugen. Das dauert ein paar Stunden, sodass es sich anbietet, sie über Nacht ziehen zu lassen. Eine Anleitung dazu liegt normalerweise der Verpackung der Hydrokristalle oder Hydroperlen bei. So bin ich mit meinen vorgegangen:

    • Schätzt ab, wieviele (Milli)Liter Wasser in die Gefässe passen würden, die ihr bepflanzen wollt. Entnehmt der Verpackung so viele Perlen bzw. Kristalle, wie ihr laut Angaben auf der Packung für dieses Volumen braucht. Achtung! Das sieht nach verdammt wenig aus, aber das passt schon: Ihr habt die grosse Überraschung ja noch vor euch!
    Hydroperlen bzw. Hydrokristalle für etwa 600ml Wasser
    Das sind genug Hydroperlen für die zwei Gläser oder insgesamt 600 Milliliter Wasser!
    • Verteilt die Hydroperlen bzw. Hydrokristalle auf die leeren Gefässe entsprechend ihrer Grösse. Dann füllt die Gefässe mit Wasser auf.
    Hydroperlen bzw. Hydrokristalle in Wasser
    Die Hydroperlen in den Gläsern, gleich nach dem Auffüllen mit Wasser. Und wirklich: Das genügt!
    • Stellt die Gefässe dorthin, wo sie nicht stören und deckt sie ggfs. gegen Staub ab (z.B. Deckel lose auflegen). Schaut in den nächsten Minuten bzw. Stunden immer mal wieder nach den Gläsern: Schon in den ersten Minuten werden die Perlen/Kristalle merklich wachsen und dabei zunehmend durchsichtiger erscheinen.
    Superabsorber in Aktion: Hydroperlen trocken und nach einer Nacht im Wasser
    Nach einer Nacht: So gross sind die Perlen geworden!
    • Nach einer Nacht sind meine Perlen von ursprünglich rund 2 mm im Durchmesser auf sage und schreibe 12 mm angewachsen und füllen die Gläser fast vollständig! Wenn es bei euch so weit ist, giesst das übrige Wasser ab.
    Superabsorber: Hydroperlen bzw. Hydrokristalle nach einer Nacht in Wasser
    Am nächsten Morgen: Die Hydroperlen sind über Nacht gewachsen und haben fast alles Wasser aufgesogen!

    Jetzt könnt ihr mit dem Bepflanzen beginnen.

    • Wenn ihr bereits ausgetriebene Blumenzwiebeln umsetzt: Nehmt die Zwiebeln aus dem Topf und befreit die Wurzeln vorsichtig von der Erde (die könnt ihr zum Gärtnern aufheben). Spült die Wurzeln dann gründlich unter fliessendem Wasser, bis sie blitzsauber sind.
    • Nehmt einen Teil der Hydroperlen bzw. Hydrokristalle aus eurem Pflanzgefäss, legt sie in einem anderen Behälter beiseite (die Perlen sind jetzt elastisch wie Gummibälle – passt auf, dass sie euch nicht davonspringen!).
    • Platziert die Zwiebel mit den Wurzeln nach unten im Gefäss und füllt die Zwischenräume zwischen den Wurzeln behutsam mit den beiseite gelegten Perlen bzw. Kristallen auf (die Superabsorber gehen nicht so leicht kaputt, die Pflanzenwurzeln können dagegen recht empfindlich sein).
    Zwiebelblumen in Hydroperlen: Frühlings-Deko im Labor-Style
    Fertig! Jetzt heisst es geduldig warten!
    • Wenn die Zwiebel stabil untergebracht ist, platziert das Gefäss an einem hellen, nicht zu warmen Ort (wenn es nicht mehr friert auch draussen). Zwiebelblumen wie Krokusse, Narzissen und andere Frühlingsblüher sind für kühles Frühlingswetter geschaffen und welken bei zu hoher Raumtemperatur schnell.
    • Freut euch die nächsten Wochen an eurer Forscher-Frühlingsdeko und beobachtet die Pflanze und ihre Wurzeln beim Wachsen! Die Hydroperlen oder -kristalle werden mit der Zeit wieder schrumpfen, wenn das Wasser verdunstet oder die Pflanze davon trinkt. Insgesamt sollten die Pflanzen aber bis zu zwei Wochen ohne Giessen auskommen! Danach giesst einfach etwas Wasser nach, und die Superabsorber sollten wieder aufgehen.

    Was passiert da?

    Was genau sind eigentlich Superabsorber?

    Superabsorber sind riesige Moleküle, sogenannte Polymere. Das sind lange Ketten aus sich immer wiederholenden kleinen Atomgruppen, die bei der Herstellung der Polymere miteinander verbunden werden. Was wir als “Plastik” oder “Kunststoff” bezeichnen, besteht aus solchen Riesen-Kettenmolekülen. Doch auch die Natur hält verschiedenste Polymere bereit, wie Proteine, Stärke, Zellulose oder unsere DNA.

    Die Superabsorber unter den Polymeren haben zwei besondere Eigenschaften:

    1. Die langen Kettenmoleküle sind über Querstreben aus weiteren Atomgruppen miteinander vernetzt. Das Ergebnis ist ein regelrechter Molekül-Schwamm, dessen Poren in der Grössenordnung von einigen Atomdurchmessern liegen. Das bedeutet, eine Hydroperle bzw. ein Hydrokristall ist im Grunde genommen ein einziges gigantisches Molekül – so gross, dass wir es sehen und anfassen können!
    2. Die Atomgruppen, aus welchen die Superabsorber-Polymere bestehen, sind so gestaltet, dass sie und Wassermoleküle einander anziehen: Chemiker sagen, die Atomgruppen sind “hydrophil” – sie mögen Wasser. Wie Atomgruppen aussehen müssen, die Wasser mögen, und wie die gegenseitige Anziehung funktioniert, habe ich im Artikel über Tenside genauer beschrieben.

    Kurz gesagt: Zu den wasserfreundlichsten Kohlenstoffverbindungen (zu diesen zählen die meisten Kunststoffe) gehören solche, die elektrische Ladungen tragen, also Ionen sind. Deshalb tragen die riesigen Superabsorber-Moleküle eine Unzahl an negativen Ladungen auf ihrem Netz aus Atomketten. Die wiederum ziehen nicht nur Wasser an, sondern auch positiv geladene Metall-Ionen. Mit solchen gehen die negativ geladenen Atomgruppen des Molekül-Schwamms Ionen-Bindungen ein – wie die Natrium- und Chlorid-Ionen in einem Kochsalzkristall!

    Woraus meine (und höchstwahrscheinlich auch eure) Hydroperlen bestehen

    Superabsorber sind also riesige Molekül-Netze, die aus zahllosen kleinen Carbonsäure-Gruppen (sehr häufige Monomere sind Acrylsäure bzw. ihre stickstoffhaltige Variante Acrylamid*, aus denen auch meine Hydroperlen bestehen) zusammengesetzt sind. In trockenem Zustand werden die Ladungen durch in den Maschen gebundene Natrium (Na+)-Ionen ausgeglichen, sodass das Netz sich auf sehr engem Raum dicht zusammenpacken lässt. So fühlen sich die trockenen, winzigen Hydroperlen hart und massiv an. Tatsächlich kann man sagen: Ein (trockener) Superabsorber ist sowohl ein Polymer als auch ein Salz!

    *Wenn der Begriff “Acrylamid” bei euch die Alarmglocken klingeln lässt: In verketteter Form, also als Polyacrylamid bzw. “Polyamid” ist diese Verbindung absolut nicht giftig!

    Wie funktionieren Superabsorber?

    Wenn ihr trockene Hydroperlen oder Hydrokristalle in Wasser legt, passiert mit ihnen das selbe, was auch mit meinem nackten Ei (ein weiteres spannendes Oster-Experiment!) passiert ist: Die Ionen im Inneren des Molekül-Schwamms streben danach, sich mit Wassermolekülen zu mischen und mit ihnen zu wechselwirken. Dabei sind zunächst im Schwamm viele Ionen zwischen wenigen bis gar keinen Wassermolekülen, während das Wasser draussen nur wenige Ionen enthält – und die Natur verlang danach, diesen Unterschied auszugleichen: Physiker nennen dieses Verlangen “osmotischer Druck”.

    Mit Osmose zum Gel

    Dem osmotischen Druck folgend dringen die Wassermoleküle rasch in den Molekül-Schwamm ein. Dort umlagern sie die Natrium-Ionen, welche sich daraufhin vom Molekül-Netz lösen, und die Anionengruppen. Letztere bleiben allerdings fest mit den Kohlenstoff-Maschen des Polymers verbunden, sodass der Schwamm selbst sich nicht auflöst. Dabei stossen sich die negativen Ladungen, die nicht länger von Natriumionen aufgehoben werden, gegenseitig ab und treiben das anfangs eng gepackte Netz immer weiter auseinander.

    Das Ergebnis ist ein riesiges Schwamm-Molekül, in dessen wachsenden Poren Wassermoleküle regelrecht kleben, während es immer mehr Raum einnimmt. Solch ein Gebilde, das weder wirklich ein Feststoff noch wirklich in Wasser gelöst ist, nennen die Physiker ein Hydrogel. Damit die Hydroperlen für eure Topfpflanzen bei all dem aber nicht völlig aus dem Leim gehen, ist ihre Oberfläche von einem zusätzlichen Polymer-Netz umgeben, das sich nur begrenzt ausdehnt und so dafür sorgt, dass die Perlen ihre Form behalten und so lustig herumspringen können.

    Wo finden Superabsorber sonst noch Verwendung?

    Ihrer Supersaugkraft wegen werden Superabsorber auch in Babywindeln eingebaut, damit Babys Popo auch die ganze Nacht trocken bleibt (ebenso saugen sie wirksam die Folgen einer Blasenschwäche auf). Dabei wird auf die formgebende Aussenhülle verzichtet, denn die Windel selbst hält ja alles an Ort und Stelle. Was passiert, wenn man Superabsorber ohne begrenzende Hülle mit Wasser tränkt, zeigen die Simple Chemics hier sehr eindrücklich:


    Da kann man bestimmt auch Pflanzen hinein setzen, aber man sieht dabei auch nicht mehr als in richtiger Erde. Ausserdem haben die springenden Gelbällchen es mir wirklich angetan. Man kann damit wunderbar herumspielen!

    Indem man kleine Superabsorber-Körner mit Erde mischt, wird zudem Blumenerde hergestellt, die auch ohne den “Labor-Look” besonders viel Wasser speichern kann.


    Entsorgung

    Polyacrylsäure und Polyamid sind nicht giftig. Polyacrylsäure wird sogar als Grundstoff für Medikamente und Kosmetik wie Gels zum Auftragen oder Augentropfen als Tränenersatz verwendet. Deshalb machen sie auch bei der Entsorgung keine Umstände.

    Die Hydroperlen oder Hydrokristalle können immer wiederverwendet werden – es ist nicht nötig, sie nach einmaliger Benutzung wegzuwerfen! Falls ihr sie doch irgendwann nicht mehr braucht, können sie in den Restmüll gegeben werden. Blumenzwiebeln könnt ihr bis im Herbst in den Garten oder auf den Balkon auspflanzen. Welke Pflanzenteile können ganz normal auf den Kompost oder in den Bioabfall.

    Und wir sieht eure – vielleicht auch ungewöhnliche – Frühlings- oder Osterdekoration aus?

    Hast du das Experiment nachgemacht: 

    Superabsorber: Hat das Experiment bei dir geklappt?

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    Experiment im Frühling: Blumen färben

    Endlich macht sich der Frühling bemerkbar, und bis Ostern ist es auch nicht mehr lange hin. Die ersten Blumen zeigen sich draussen, und in den Auslagen der Pflanzenhändler reihen sich Primeln, Zwiebelblumen und andere Frühlingsblüher aneinander. Das ist die Gelegenheit für ein blumiges Experiment, das auch dem Osterfest eine besondere Note geben kann! Bringen wir Farbe in die Blumen!

    Blogparade: Kinder sind Forscher!

    Anne von X-mal anders hat in ihrer Blogparade dazu aufgerufen, darüber erzählen, wie unsere Kinder ihre Welt erforschen. Denn unsere Kinder sind die Forscher von morgen, die in ein paar Jahren ihre Neugier verwenden, um seltene (und weniger seltene) Krankheiten und Heilungsmöglichkeiten dafür zu erforschen. Schon heute werden immer wieder atemberaubende Möglichkeiten gefunden, mit den verschiedensten Erkrankungen fertig zu werden. Damit das auch in Zukunft so bleibt lohnt es sich allemal, unseren Kindern die Welt der Naturwissenschaften, die hinter solchen Behandlungsmöglichkeiten steht, als spannend zu präsentieren und ihre Neugier darauf zu befeuern.

    Da ich Keinsteins Kiste genau dazu geschaffen habe, führt für mich kein Weg an dieser Blogparade vorbei!

    Nun, ich habe wohl keine Kinder, aber ich bin auch mal eins gewesen – und ich hatte (und habe noch!) einen richtig echten Physiker-Forscher zum Papa. Da wurde natürlich immer wieder gemeinsam experimentiert.

    So ist auch dieses Experiment alles andere als neu. Ich glaube mich daran zu erinnern, dass es vor rund 30 Jahren etwa so bei uns Einzug hielt:

    Beim Einkauf im Gartencenter durfte ich mich an der Pflanzenauswahl für den Garten beteiligen. Blaue Hortensien hatten mir es besonders angetan.

    Papa daraufhin: “Aber wir haben doch schon Hortensien im Garten…”

    Klein-Kathi: “Aber die sind rosa!” (Und meine Lieblingsfarbe war -und ist- eben blau.)

    Papa: “Dann machen wir unsere eben blau – dazu müssen wir keine neuen kaufen.”

    Er dachte daran, die Hortensien mit der gewünschten Farbe zu giessen, sodass die Pflanzen den Farbstoff selbst aufnehmen und in ihrem Innern verteilen sollten. Nur ist Papa eben Physiker, und kein Botaniker. Letzterer hätte vermutlich voraussagen können, dass der Plan nicht funktioniert – so wie mein Plan heute, das Ganze frühlingsgerecht mit einer weissen Primel im Topf zu wiederholen, auch nicht funktioniert hat.

    Dafür zeige ich euch jetzt, wie ihr tatsächlich Blumen umfärben und dabei beobachten könnt, wie Pflanzen trinken! Denn dank den Angelones habe ich einen passenden Plan B.

    Experiment: Wir färben Blumen um

    Für die Hortensien vor dem Haus ist es jetzt noch etwas früh. Deshalb habe ich passend zum Frühling einen Strauss weisser Tulpen erstanden: Die gibt es zur Zeit sehr preisgünstig in jedem Gartencenter oder Supermarkt mit Blumenabteilung. Und da Blau nach wie vor zu meinen Lieblingsfarben zählt, sollen auch meine Tulpen blau werden. Und ihr könnt natürlich mitexperimentieren!

    Ihr braucht dazu

    • weisse Schnittblumen (Tulpen, Rosen oder auch Gerbera sollen gut funktionieren)
    • Wasserlösliche Tinte (in eurem Lieblings-Farbton), zum Beispiel in Patronen für den Fülli
    • Ggfs. Gummi- bzw. Einmalhandschuhe
    • Eine kleine Vase oder anderes Glasgefäss
    • Ein paar Stunden, ggfs. einen Tag Zeit
    Alles zum Blumen färben : weisse Tulpen, Tinte, Gewürzgläser

    Die leeren Gewürzgläser geben passende Blumenvasen ab. Die Tulpen habe ich weiss gekauft – am Morgen danach waren sie rosa angehaucht. Das bescherte mir am Ende zweifarbige Blüten!

    Wie ihr das Experiment durchführt

    • Kürzt die Schnittblumen auf eine zu eurer Vase passende Länge (falls sie schon passend lang sind, schneidet in jedem Fall die Stiele frisch an!), entfernt überflüssige Blätter und stellt sie in die Vase
    • Löst die Tinte in etwas Wasser auf (wer keine blauen Finger mag, sollte dabei Handschuhe tragen). Die Lösung sollte kräftig gefärbt sein, da sie sich später in der ganzen Pflanze verteilen wird.
    Tinte zum Blumen färben: Taucht die Patrone kopfüber ins Wasser und erlebt ein faszinierendes Extra

    Schneidet den schmalen Teil der Tintenpatronen ganz oben ab und taucht die Patrone kopfunter in euer Wasserglas. Dann könnt ihr beobachten, wie die Tinte – sie ist dichter als Wasser – von selbst hinausläuft und faszinierende Schlieren formt!

    • Füllt das farbige Wasser in die Vase mit den Blumen.

    Vorher : Die Blumen zum Färben stehen in Vasen mit Tinte in Wasser

    • Wartet ein paar Stunden bzw. bis zum nächsten Tag – schaut währenddessen immer mal wieder nach den Blumen. Mit der Zeit wird die Farbe in die Blüten und Blätter übergehen!

    Was passiert da?

    Ihr könnt an diesem Experiment wunderbar beobachten, wie Pflanzen trinken! Anlässlich weiterer Experimente zur wunderbaren Welt der Pflanzen habe ich ausführlich erklärt, wie das von statten geht: Pflanzenstiele, Blätter und Blütenblätter sind von feinen “Rohrleitungen” durchzogen, ähnlich unseren Blutgefässen. Durch diese Gefässe können sie Wasser von den Wurzeln bis in jeden beliebigen Pflanzenteil transportieren.

    Die Adern in den Blütenblättern sind deutlich blau gefärbt

    Einen Tag später : Die Wasserleitungen in den Blütenblättern sind deutlich blau gefärbt!

    Und was ist der “Antrieb” dieser Wasserversorgung?

    Pflanzen sind in der Lage zu “schwitzen”: Über Poren in ihren Blattoberflächen geben sie Wasser (-dampf) an ihre Umgebung ab. Dadurch entsteht im Innern der Blätter ein Wassermangel, der neues Wasser von unten – also gegen die Schwerkraft! – durch die Leitungen nachströmen lässt. Dass die Wasserteilchen regelrecht an den Leitungswänden kleben, hilft ihnen entscheidend beim Emporklettern (Physiker nennen das den Kapillareffekt).

    Normalerweise sind Wasserteilchen farblos, sodass man sie in den Pflanzen nicht sieht. Wenn aber ein Farbstoff im Wasser gelöst ist, werden die Farbstoffteilchen mit den kletternden Wasserteilchen in die Pflanzen hinauf geschwemmt und sammeln sich vornehmlich am Ende der Leitungen – also ganz oben. Erst durch Rückstau bzw. durch die Ansammlung einzelner Farbstoffteilchen, die früher hängen bleiben, werden die Gefässe auf der ganzen Länge farbig.

    Warum funktioniert das nicht mit Topfpflanzen?

    Bei frisch angeschnittenen Schnittblumen tauchen die offenen Leitungen in den Stängeln direkt in das farbige Wasser. Wasser- und Farbstoffteilchen können also ungehindert in die Gefässe eindringen.

    Topfpflanzen haben dagegen Wurzeln, die in Erde stecken. Die Wurzeln sind Gewebe aus Zellen, die eine Oberfläche bilden, durch die Wasser und Nährstoffe geschleust werden müssen. Ob durch Poren, Kanäle oder einfach durch Zellzwischenräume – die sehr kleinen Wasserteilchen müssen sich dabei durch Engpässe kämpfen, durch welche grössere Farbstoffteilchen nicht unbedingt hindurch passen.

    Dazu kommt, dass sich Wasser und Farbstoffteilchen auch in der Pflanzenerde verteilen und darin hängenbleiben. So ist, selbst wenn ein Farbstoff durch die Wurzeln in die Pflanze gelangt, eine wesentlich grössere Menge Farbstoffteilchen nötig, um eine Topfpflanze sichtbar einzufärben, als für das Färben von Schnittblumen. Ganz extrem ist das im Garten, wo der “Topf” geradezu unendlich gross ist.

    Mein Physiker-Papa dachte damals freilich nicht an Zellen und Gewebe. Nachdem ich einst selbst in der Zellbiologie geforscht habe, war ich gespannt, ob Lebensmittel- oder Tintenfarbstoffteilchen in Pflanzenwurzeln eindringen würden. Taten sie nicht – jedenfalls nicht in sichtbarem Umfang.

    Woraus besteht Tinte? Eignen sich alle Tinten zum Blumen färben?

    Wasserlösliche Tintenfarbstoffe gehören meist der gleichen Molekül-Familie an wie viele Lebensmittelfarbstoffe: Es handelt sich um sogenannte Triphenylmethan-Farbstoffe, wie zum Beispiel “Wasserblau”.

    Wie diese Stoffe zu ihrem Namen kommen und was sie farbig macht, habe ich im Artikel über Ostereier-Farbstoffe – unter denen findet man ebenfalls Triphenylmethan-Farbstoffe – genau beschrieben.

    Andere Tinten bzw. Tuschen enthalten wasserunlösliche Farbkörner, die sehr viel grösser als Moleküle sind – sogenannte Pigmente. Die Pigmentkörner setzen sich mitunter auf dem Boden eines Tintenfasses ab, sodass man es vor der Benutzung schütteln sollte. Ihrer Grösse wegen eignen sich solche Pigmente weniger zum Pflanzen färben.

    Viele (vor allem wasserfeste) Schreiber enthalten zudem Tinten, die sich nur in organischen Lösungsmitteln wie Alkoholen oder Aceton lösen. Die erkennt ihr an dem typischen Geruch nach “Chemie”. Auch solche Tinten sind zum Pflanzenfärben nicht geeignet, weil die meisten organischen Lösungsmittel giftig für Zellen sind – sie bekämen den Blumen also gar nicht gut!

    Entsorgung

    Wasserlösliche Schreibtinten können im Restmüll entsorgt werden. Ungeöffnete Tintenpatronen oder ein angebrochenes Tintenfass verwendet aber besser noch zum Schreiben oder für weitere Experimente. Kleine Mengen Tintenlösung aus den Blumenvasen könnt ihr auch in den Abfluss geben (vorsichtig, damit keine farbigen Flecken im Spülbecken bleiben) oder für spätere Versuche abfüllen und aufheben.

    Wenn die gefärbten Schnittblumen verblüht sind, könnt ihr sie ebenfalls in den Restmüll geben. Wo der Bioabfall verbrannt wird wie in der Schweiz könnt ihr die gefärbten Pflanzen auch in die Biotonne geben.

    Ich wünsche euch viel Spass beim Experimentieren! Und verratet uns doch, welche Experimente ihr mit euren Kindern am liebsten macht!

    Hast du das Experiment nachgemacht:

    Blumen färben: Hat das Experiment bei dir funktioniert?

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    DIY Taschenwärmer mit Natriumacetat

    Aus gegebenem Anlass habe ich auch an diesem Montag ein Experiment für euch: Denn es ist arktisch kalt draussen. Da kommen euch Taschenwärmer mit Sicherheit sehr gelegen. Und die könnt ihr aus ganz einfachen Zutaten aus dem Haushalt selbst machen – und euch mit einem ganz ungefährlichen Chemie-Trick warm halten! Und so macht ihr euch eure eigenen DIY – Taschenwärmer :

    Ihr braucht dazu

    • Soda (Natriumcarbonat, zum Beispiel Waschsoda oder Backpulver)
    • Haushaltsessig (bzw. Essigessenz)
    • Einen wasserdichten Plastikbeutel (zum Beispiel einen “Ziplock”-Beutel)
    • Die Aluminiumhülse eines Teelichts
    • Ein Gefäss mit hohem Rand
    • Kochtopf, Herd, Backofen, Rührstab
    • Ein ganz sauberes Glasgefäss
    • Evtl. Trichter und Filterpapier (z.B. einen Kaffeefilter)
    • eine Schutzbrille (das ist sicherer, damit nichts in eure Augen spritzt)

     

    Das braucht ihr für einen DIY Taschenwärmer

    Wie ihr einen Taschenwärmer herstellt

    Zuerst müsst ihr Natriumacetat herstellen

    Das ist das spezielle Salz, das ihr später in den Taschenwärmer füllt. Ihr könnt es auch in der Apotheke oder Drogerie kaufen – dann könnt ihr diesen Abschnitt überspringen. Aber das wäre dann ja nur ein halbes DIY.

    Gebt für einen kleinen Handwärmer etwa 250 ml Haushaltsessig (das sind ca. 10% Essigsäure gelöst in Wasser) in das Gefäss mit dem hohen Rand.

    Essig und Soda für den Handwärmer

    Essig und Soda: Wenn ihr sie abmessen möchtet, helfen Messbecher und Waage. Diesen Messbecher benutze ich übrigens nur fürs Experimentieren! Für die Küche habe ich einen eigenen – das ist sicherer.

    Gebt langsam(!) etwa 25 g Soda dazu. Das Gemisch wird stark aufschäumen! Wenn ihr die Soda langsam hinzugebt, schäumt es nicht über. Wenn sich die Soda vollständig unter Schäumen gelöst hat, gebt langsam noch etwas mehr dazu, bis das Aufschäumen nachlässt (Ihr könnt die passende Menge auch genau ausrechnen, wie ich es beim Start meiner Essig-Carbonat-Rakete gezeigt habe). Rührt dabei immer gut um!

    Wenn ihr ganz sicher gehen wollt, könnt ihr den pH-Wert der Mischung mit einem pH-Streifen überprüfen: Essig ist eine Säure, die einen Universalindikatorstreifen rot färbt (pH < 7). Wenn die Säure durch die Soda neutralisiert ist, färbt sich der Streifen grün (pH = 7). Dann ist euer Mischungsverhältnis genau richtig. Wenn ihr zu viel Soda – eine Base – hinzu gebt, wird der Streifen blau (pH > 7). Falls das passiert, gebt einfach noch ein paar Tropfen Essig dazu, bis der pH-Wert stimmt.

    Ihr habt nun eine Lösung des Salzes Natriumacetat in Wasser. Gebt diese in ein Gefäss, das ihr erhitzen könnt, und lasst das Wasser auf dem Herd einkochen. In meinem relativ grossen Kochtopf ist die Flüssigkeit breit auf der Herdplatte verteilt – so verdampft sie schneller als in einem engen Gefäss.

    Natriumacetat-Lösung auf dem Herd

    Den ausrangierten Kochtopf benutze ich zum Kochen nicht mehr. Zum Experimentieren taugt er aber noch: Es bilden sich bereits Dampfbläschen in der Lösung.

    Der zurückbleibende weisse Feststoff darf nicht heisser als 324°C werden – ab dieser Temperatur zerfällt das Natriumacetat! Passt daher gut auf und nehmt den Topf von der Platte, sobald kein Wasser mehr sichtbar ist (wenn ihr meinen Beitrag über Schmelz- bzw. Verdampfungswärme gelesen habt, wisst ihr, dass siedendes Wasser nicht heisser als 100°C werden kann).

    Natriumacetat nach dem Abdampfen

    Das Wasser ist verdampft – jetzt kratze ich das feuchte Salz aus dem Topf.

    Stellt das noch feuchte Natriumacetat anschliessend ca. 45 Minuten bei 150°C in den Backofen, um es ganz zu trocknen.

    Natriumacetat im Ofen

    Umgefüllt in ein handliches Gefäss (nicht zwingend nötig) kann das Natriumacetat nun trocknen.

     

    Bereitet jetzt die Füllung für den Taschenwärmer vor

    Während das Natriumacetat trocknet, schneidet ihr ein handliches Plättchen aus dem Boden der Aluminium – Teelichthülse. Das Metall ist so dünn, dass es sich problemlos mit einer Küchenschere schneiden lässt. Legt den Plastikbeutel und das Plättchen bereit. Bringt schliesslich noch etwas Wasser zum Kochen.

    Das mittlere Teil kommt in den Taschenwärmer.

    Das mittlere Teil kommt in den Taschenwärmer.

    Stellt das Natriumacetat auf der Herdplatte bereit (ich habe es der Handlichkeit wegen vor dem Trocknen und jetzt noch einmal umgefüllt – das ist aber nicht zwingend nötig). Gebt ein wenig kochendes Wasser dazu (je 1 ml Wasser auf 9 g Natriumacetat!) und schaltet sofort die Herdplatte ein, sodass das Gemisch weiterhin beinahe kocht. Wenn ihr gut umrührt, löst sich das Salz vollständig im heissen Wasser. Falls nicht, gebt tropfenweise mehr Wasser hinzu.

    Natriumacetat löst sich in heissem Wasser.

    Links: Hier muss ich noch etwas rühren. Rechts: Das Salz hat sich vollständig aufgelöst. Jetzt noch schnell filtrieren, dann ist die Füllung für den Taschenwärmer fertig!

    Jetzt wird es ein wenig kniffelig: Wärmt euren Trichter am besten vor, indem ihr ihn unter fliessendes heisses Wasser haltet (verbrüht euch eure Finger aber nicht!). Legt das Filterpapier ein und filtriert die heisse Lösung schnell in das sehr saubere Gefäss. Ich habe das saubere Gefäss dazu auf die noch heisse Herdplatte gestellt, denn die Lösung darf bei diesem Schritt nicht abkühlen!

    Ihr habt nun eine heisse, klare Natriumacetat-Lösung, die keinerlei sichtbaren Partikel mehr enthält. Bewegt diese Lösung möglichst nicht mehr und lasst sie an der Raumluft abkühlen. Dabei sollte die Flüssigkeit klar und – natürlich – flüssig bleiben. Falls beim Abkühlen Kristalle entstehen, erwärmt den Behälter noch einmal auf der Herdplatte, bis die Kristalle verschwunden sind und lasst ihn wieder abkühlen.

    Jetzt könnt ihr euren Taschenwärmer füllen und benutzen

    Giesst die abgekühlte Natriumacetat-Lösung vorsichtig in den Plastikbeutel. Fügt das ausgeschnittene Aluminium-Plättchen hinzu und verschliesst den Beutel fest.

    Wenn euch kalt ist, knickt das Plättchen (es muss dabei in der Flüssigkeit liegen), bis der Inhalt des Beutels fest zu werden beginnt. Ihr werdet merken: Sobald das Natriumacetat fest wird, wird es ziemlich warm!

    Handwärmer in Aktion

    Zugegeben: Mein Ziplock-Beutel ist etwas zu gross für das Bisschen Natriumacetat. Aber das macht nichts: Warm wird es trotzdem – das Thermometer beweist es!

    Haltet den Beutel in den Händen oder steckt ihn in eine Tasche und geniesst die Wärme!

    Ihr könnt diesen Taschenwärmer ausserdem beliebig wiederverwenden:

    Legt den Beutel mitsamt Inhalt in kochendes Wasser und die Natriumacetat-Kristalle werden sich wieder auflösen. Lasst den Beutel langsam abkühlen. Wenn euch wieder kalt ist, knickt das Metallplättchen erneut, sodass wiederum Kristalle entstehen und dabei Wärme freisetzen!

    Was passiert da?

    …Bei der Herstellung von Natriumacetat

    Der Taschenwärmer-Trick funktioniert mit einem ganz besonderen Salz, das ihr aus Essigsäure (CH3COOH) und Natriumcarbonat (Na2CO3, Soda) herstellen könnt. Essig ist eine Säure, Natriumcarbonat hingegen eine Base. Beide reagieren miteinander, indem sie sich neutralisieren. Das heisst, aus einer relativ starken Säure und Base entstehen sehr viel schwächer saure und basische Stoffe:

    Kohlensäure (H2CO3) ist nicht nur eine sehr schwache Säure, sondern zerfällt zudem leicht in Kohlenstoffdioxid und Wasser:

    Das Gas Kohlenstoffdioxid steigt aus der Lösung auf (Deswegen schäumt das Ganze so. Ausserdem ist dieses Gas ein prima Treibstoff für viele andere spektakuläre Experimente!). So erhaltet ihr eine Lösung, die ausschliesslich Natrium (Na+)- und Acetat (CH3COO)-Ionen enthält. Wenn ihr nun das Wasser einkocht und trocknet, bleibt das feste Salz Natriumacetat übrig:

    Warum Natriumacetat “auf Kommando” fest wird

    In warmem Wasser löst sich mehr von einem Stoff als in kaltem Wasser. Das gilt auch für Natriumacetat. Deswegen macht ihr das Wasser so heiss wie möglich, um möglichst viel Natriumacetat in sehr wenig Wasser aufzulösen.

    Wenn solch eine heisse Lösung abkühlt, “vergisst” das Natriumacetat leicht, dass es fest werden sollte. So bleibt auch in kaltem Wasser mehr gelöst, als “erlaubt” ist. Die Chemiker nennen so etwas eine übersättigte Lösung. Und diese spezielle übersättigte Lösung kann man auch als unterkühlte Schmelze ansehen – denn wenn ihr euren Taschenwärmer genau anseht, nachdem er seine Wärme angegeben hat, werdet ihr feststellen, dass von dem Wasser darin nicht mehr viel zu sehen ist: Nahezu der ganze Inhalt ist zu Kristallen erstarrt!

    Ob übersättigte Natriumacetat-Lösung  oder unterkühlte Natriumacetat-Schmelze: Das Ganz ist sehr empfindlich. Ein “Tritt in den Hintern” durch das Knicken des Plättchens oder in der Lösung herumwirbelnde Schwebstoffe oder ein winzigkleiner Natriumacetat-Kristall genügen, um das Salz daran “zu erinnern”, dass es fest zu werden hat. Deshalb muss das Gefäss, indem die Natriumacetat-Lösung abkühlt, so vollkommen sauber sein.

    Ansonsten – oder wenn ihr den Prozess durch das Knicken des Metallplättchens gezielt auslöst – geschieht folgendes:

    Das heisst, das Wasser, das euch anfangs als Lösungsmittel gedient hat, wird grösstenteils in die Natriumacetat-Kristalle eingebaut. Die Kristalle enthalten also Kristallwasser! Der Stoff rechts vom Reaktionspfeil heisst deshalb korrekterweise “Natriumacetat-Trihydrat”.

    Und nun der Trick: Woher die Wärme kommt

    Der Umstand, dass es sich bei der Natriumacetat-Lösung in eurem Taschenwärmer eigentlich um eine Schmelze handelt, macht den Trick mit der Wärme möglich: Wie ihr auch an Wasser überprüfen könnt, wird zum Schmelzen Energie – die sogenannte Schmelzwärme – benötigt, die anschliessend der Schmelze innewohnt.

    Das gilt auch für eine Natriumacetat-Schmelze, die auf Umwegen, nämlich durch das Auflösen von Natriumacetat in wenig Wasser, entsteht: Die Wärme wird dabei aus der Herdplatte bzw. dem kochenden Wasser in der Lösung “entnommen” und in der Schmelze gespeichert (d.h. ohne Herdplatte würde das Wasser durch das Auflösen des Natriumacetats abkühlen!). Das heisst, diese Energie verbleibt in der Schmelze auch dann verborgen, wenn sie abkühlt. Erst wenn die unterkühlte Schmelze wieder “auf Kommando” fest wird, wird diese Energie wieder abgegeben – und eure Hände werden warm!

    Ich wünsche euch damit einen warmen Start in die kälteste Woche dieses Winters! Und verratet uns doch: Was tut ihr, um euch warm zu halten?

    Hast du das Experiment nachgemacht:

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    Experiment: Abendrot im Milchglas

    Zur Zeit bekommen wir ihn hier am Zürichsee selten zu sehen: Den klaren, blauen Himmel. Im Winter hängt nämlich meistens dicker, grauer Hochnebel über dem See. Wenn der sich aber doch einmal verzieht, ist die Farbe des Tageshimmels um so auffälliger blau – mit einer weissen Sonne darin. Und wenn die Bewölkung bis zum Abend locker bleibt, ist Romantik pur angesagt: Die lockeren Wolken oder dünnen Schleier glühen bei Sonnenuntergang (und ebenso bei Sonnenaufgang) rosa oder sogar leuchtend rot, während die Sonne darin rotgolden strahlt.

    Aber wie entsteht eigentlich das wechselnde Farbenspiel an unserem Tageshimmel? Mit diesem einfachen Experiment könnt ihr selbst erforschen, wie die Farben an den Himmel kommen!

    Warum der Himmel blau ist

    Wenn wir draussen nach oben schauen, blicken wir durch die Atmosphäre unserer Erde. Die besteht hauptsächlich aus Stickstoff und Sauerstoff – zwei Gasen, die eigentlich farblos, d.h. durchsichtig sind. Das zeigt sich uns nachts, denn dann sieht man die Atmosphäre tatsächlich nicht, sondern den dunklen Weltraum dahinter mitsamt der Sterne darin.

    Bei Tag ist es allerdings vorbei mit der Durchsichtigkeit – sobald Licht auf unsere Atmosphäre fällt, erscheint der Himmel farbig, und die Sterne dahinter sieht man nicht mehr. Das liegt daran, dass Sonnenstrahlen, die auf die Atmosphäre treffen, von einigen Teilchen darin in verschiedene Richtungen abgelenkt – die Physiker sagen gestreut – werden. Ein Teil des geordneten Strahlenbündels, das von der Sonne kommt, erreicht uns am Ende des Weges durch die Atmosphäre somit als wildes Strahlendurcheinander, ohne dass wir den Ursprung der einzelnen Strahlen feststellen könnten.  So sehen wir den Himmel als helle Fläche aus unzähligen Einzel-Lichtstrahlen.

    Und weil Himmel und Sonne zu gross und sperrig sind, um damit herum zu probieren, könnt ihr euch solch einen Himmel mit ein paar simplen Zutaten aus der Küche als handliches Modell nachbauen!

    Ihr braucht dazu

    • Einen grossen Glasbehälter
    • Leitungswasser
    • Ein wenig Milch
    • Eine weiss leuchtende Taschenlampe
    • Einen dunklen Raum

    Wie ihr das Experiment durchführt

    • Füllt das Glas mit Leitungswasser.
    • Gebt einen Schuss Milch dazu und rührt ggfs. um, bis sich die Milch gleichmässig im Wasser verteilt hat.
    • Nehmt das Glas und die Taschenlampe mit in den dunklen Raum.
    • Haltet die Taschenlampe direkt an das Glas und leuchtet so hindurch (ein dunkler Schal kann ggfs. Ritzen zwischen Glas und Lampe abdichten, sodass kein Streulicht hindurch dringt).
    • Leuchtet zunächst von der Seite durch das Glas und schaut von vorne bzw. oben, dann leuchtet von hinten bzw. unten und schaut durch das Glas hindurch direkt in das Licht. Ihr könnt natürlich auch andere Winkel ausprobieren!

    Was passiert da?

    Ein Glas mit sauberem Wasser ist durchsichtig, wie der Himmel in der Nacht: Ihr könnt sehen, was sich dahinter befindet. In Wasser wird das Licht praktisch nicht gestreut. Wenn ihr etwas Milch dazu gebt, mischt ihr Teilchen in das Wasser, die das Licht stark streuen (Milch enthält relativ grosse Teilchen, wie Fettmoleküle und Proteine, die sich zudem nicht gut mit Wasserteilchen mischen lassen). So erscheint das Wasser-Milch-Gemisch bei (unsortiertem) Tageslicht undurchsichtig weiss.

    Die Taschenlampe ist in diesem Modell die Sonne: Sie sendet kegelförmig geordnete Strahlen aus – in unserem Experiment direkt durch das durchsichtige Glas in das Milchwasser. Die Strahlen werden von den Milchteilchen abgelenkt, sodass selbst dann einige selbst dann in eure Augen fallen, wenn ihr das Glas von der Seite anleuchtet: Das ganze Milchwasser leuchtet – wie der Himmel am Tag!

    Die Milch bringt Farbe ins Modell

    Wenn ihr ganz genau hinschaut, werdet ihr feststellen: Das Milchwasser strahlt bläulich, wenn ihr mit der Taschenlampe von der Seite leuchtet und von vorn schaut. Wenn ihr direkt durch das Milchwasser ins Licht schaut, erscheint dagegen rötlich-golden!

    Wie das kommt?

    Weisses Licht ist ein Strahlengemisch aus Strahlen mit allen möglichen Wellenlängen – das bedeutet mit allen möglichen Farben (diese Farben könnt ihr zum Beispiel mit einem DIY-Spektroskop sichtbar machen, das auf Lichtbrechung und nicht auf Lichtstreuung beruht). Diese Farben werden aber nicht alle in gleicher Weise gestreut. Wie die streuenden Teilchen in der Luft streuen auch die Milchteilchen die blauen Strahlen (mit kurzen Wellenlängen) stärker als die roten (mit langen Wellenlängen).

    Mittag im Modell

    Wenn das weisse Licht nun von der Seite oder von oben kommt, werden die blauen Strahlen besonders weit (etwa im rechten Winkel) abgelenkt, sodass vornehmlich solche unsere Augen erreichen. So erscheint das Milchwasser blau, wenn die Taschenlampe von der Seite, von oben oder von unten strahlt, und der Himmel erscheint ebenfalls blau, wenn die Sonne hoch oben steht.

    Experiment : Im Milch - Modell ist der Mittagshimmel blau

    Morgen und Abend im Modell

    Schaut ihr dagegen durch das Milchwasser in die Lampe, werden vornehmlich die blauen Strahlen zu den Seiten abgelenkt, sodass vornehmlich rotes Licht eure Augen erreicht: Das Milchwasser erscheint rötlich – wie auch der Himmel beim Sonnenuntergang oder -aufgang. Wenn ihr einen solchen beobachtet, werdet ihr tatsächlich feststellen, dass der Himmel nur in Richtung der Sonne rot leuchtet – je weiter ihr nach Norden, Süden oder sogar in die entgegengesetzte Richtung schaut, desto weniger rot werdet ihr finden.

    Experiment: Im Milch-Modell ist der Sonnenuntergang rot

    Mit der Taschenlampe könnt ihr so den Lauf der Sonne nachstellen und die Farbänderung beobachten: Leuchtet zunächst von rechts nach links und bewegt die Lampe dann hinten um das Glas herum (Licht nach vorn!), bis sie schliesslich von links nach rechts leuchtet.

    Und wie kommt es nach Sonnenuntergang zur “blauen Stunde”?

    Wenn die Sonne erst einmal hinter dem Horizont verschwunden ist und kein direktes Licht mehr zum Streuen schickt, zeigt sich, dass ein Bestandteil der Atmosphäre tatsächlich blau ist: Das Ozon, welches in der Stratosphäre – also weit oben – die schützende Ozonschicht bildet, schluckt nämlich den roten Anteil der letzten Strahlen-Irrläufer, die auch nach Sonnenuntergang (und vor Sonnenaufgang) um die Erdkugel herum finden. So kommt vornehmlich der blaue Anteil dieses letzten Lichtes bei uns an und beschert uns eine “blaue Stunde”, ehe es wirklich dunkel und die Atmosphäre damit durchsichtig wird.

    Die Ozonschicht ist natürlich auch bei Tag vorhanden – dann aber wird weitaus mehr blaues Licht auf die Erde gestreut, als das Ozon schlucken kann (wie Stoffe Licht schlucken und warum so “dezimiertes” Licht uns farbig erscheint, habe ich übrigens hier genauer erklärt).

    Ich wünsche euch viel Spass beim Erkunden eures Modell-Himmels! Und verratet uns doch: Welche farbigen Himmelsphänomene habt ihr schon “in echt” beobachten können?

    Hast du das Experiment nachgemacht:

    Himmelblau: Hat das Experiment bei dir funktioniert?

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