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!

Unsichtbare Tinte, Sympathetische Tinte, Zaubertinte, Vexiertinte, Tinte für Damen, Tinte für Liebende… man kennt sie unter vielen Namen: Farblose Schreibflüssigkeiten, die erst in den Händen des Empfängers geheimer Botschaften sichtbar werden. So zahlreich wie die Namen sind auch die Rezeptvorschläge im Netz. Doch welche unsichtbare Tinte ist die beste für deinen geheimen Valentinsgruss? Ich habe verschiedene Rezepturen für dich getestet!

Unsichtbare Tinte: Eine Erfindung aus alten Tagen

Schon im Altertum trieben Liebesbekundungen, insbesondere den Damen im alten Rom, die Röte ins Gesicht. Heisse Schwüre und sehnsuchtsvolle Zeilen sprach oder schrieb die Römerin von Welt nicht offen. Und Briefboten konnte Frau erst gar nicht trauen. Dennoch waren schon damals verliebte Herzen unheimlich mitteilungsbedürftig.

Zur Lösung dieses Problems empfahl der römische Dichter Ovid den liebenden Römerinnen, ihre Liebesbriefe mit Milch auf eine weisse Schreibfläche zu schreiben. Ein neugieriger Bote musste sodann glauben, unbenutztes Schreibmaterial zu transportieren. Der Angebetete der Absenderin musste hingegen eingeweiht sein. Denn es galt, Russ über die leere weisse Fläche zu blasen. Dieser würde an der eingetrockneten Milch, nicht aber an der Schreibfläche selbst haften und die Schrift somit sichtbar machen.

Ebenso waren unter den alten Römern farblose Tinten bekannt, die erst durch die Reaktion mit anderen Stoffen oder durch Wärmeeinwirkung farbig und damit sichtbar wurden.

Doch nicht nur Liebende wussten derlei unsichtbare Tinte zu schätzen. Frühe Priester des Islams vollbrachten damit ganz andere Zauberei: Sie schrieben Mohammeds Namen unsichtbar auf Steine, sodass dieser erst beim Erwärmen der Steine in der Hand erschien! Auf die damaligen Zuschauer, die in der Regel nichts von Chemie verstanden, muss das wie ein göttliches Zeichen gewirkt haben.

Ab dem 17. Jahrhundert bis in das 19. Jahrhundert hinein wurde unsichtbare Tinte einmal mehr unter Liebenden sehr beliebt. Und weil alles Antike in jener Zeit “in” war, nannte man die Tinte nach dem altgriechischen “Sympatheia” für “Zuneigung” auch “sympathetische Tinte”. Das klingt dann wohl in etwa so geheimnisvoll, wie solche Tinte erscheinen mag, wenn sie wie durch Zauberhand auf einem vermeintlich leeren Papier sichtbar wird.

Zum Ende der Geheimtinten-Ära wurden schliesslich so spezielle unsichtbare Stoffgemische entwickelt, dass diese Tinten von Spionen im Krieg eingesetzt werden konnten. Die dabei eingesetzten Chemikalien sind heute jedoch nicht immer einfach zu bekommen und zuweilen giftig.

Dennoch hält das weltweite Netz zahlreiche einfache und ungiftige Rezepte für unsichtbare Tinte bereit. Aber welche davon ist für einen geheimen Liebesbrief am besten geeignet? Hier findest du Vorschläge für verschiedene Tinten im Vergleich!

Unsichtbare Tinte selber machen

Grundsätzlich benötigst du zum Verfassen und Entschlüsseln unsichtbarer Liebesbotschaften:

  • Tuschfeder, Füllfederhalter oder anderes Schreibgerät
  • Papier
  • farblose, “unsichtbare” Tinte
  • Wärmequelle oder passenden “Entwickler”

Reinige eine gebrauchte Tuschfeder oder einen Füllfederhalter vor dem Schreiben gründlich mit Wasser, bis er keine farbigen Schreibspuren mehr hinterlässt. Fülle dann den Federhalter mit der unsichtbaren Tinte oder tauche deine Schreibfeder hinein und schreibe deine Nachricht. Lasse das Schriftstück gut trocknen und lasse es deiner/m Angebeteten zukommen. Je nach verwendeter Tinte erwärme dieser das Schriftstück entweder vorsichtig oder besprühe oder überstreiche das Geschriebene vorsichtig mit dem passenden Entwickler.

Herausforderung: Unsichtbare Tinte sieht man beim Schreiben nicht

Aber welche Tinte ist die Beste?

Zum Erwärmen

Die bekanntesten unsichtbaren Tinten sind farblose Flüssigkeiten, die sich erst zeigen, wenn man ein beschriebenes Papier kräftig erwärmt. Hierzu gehören:

Zitronensäure: Frisch gepresster oder abgepackter Zitronensaft oder Zitronensäure zum Entkalken aus dem Putzmittelregal

Essigsäure: Heller Speiseessig oder Haushaltsessig aus dem Putzmittelregal

Nachteile: Beide Flüssigkeiten haben einen verräterischen Eigengeruch. Essig riecht dabei wesentlich stärker als ein Entkalker mit Zitronensäure! Ausserdem greifen sowohl Reinigungsessig als auch Zitronensäure-Entkalker das Schreibpapier an, sodass beim Schreiben besondere Vorsicht nötig ist, wenn die Schrift wirklich unsichtbar werden soll.

Milch: Ich habe laktosefreie Milch verwendet, gewöhnliche Vollmilch wird aber genauso geeignet sein. Nach dem Schreiben auf weissem Papier wird Milch innerhalb weniger Minuten völlig unsichtbar!

Tintenlöscher: Erscheint auf weissem Papier ebenfalls völlig unsichtbar.

Beim Erwärmen der unsichtbaren Geheimbotschaft ist Vorsicht geboten! Wenn du einen Elektroherd (keinen Induktionsherd!) hast, kannst du eine Platte auf niedriger Stufe einschalten und deinen unsichtbaren Brief einige Sekunden darauf legen. Bleibe unbedingt dabei und achte darauf, dass das Papier nicht verkohlt oder gar anbrennt! Sonst ist die Botschaft verloren! Eine Kerzenflamme liefert ebenfalls die nötige Hitze, entzündet jedoch um so leichter das Papier.

Zitronensäure und Essig: Es erfordert relativ viel Hitze (Herdplatte auf mittlerer Stufe), bis die Schrift braun wird. Je mehr du das Papier erhitzt, desto grösser ist jedoch die Gefahr, dass das Papier ebenfalls braun wird oder anbrennt.

Milch und Tintenlöscher: Beide werden auf der Herdplatte auf niedriger Stufe schnell braun, sodass die Gefahr, dass das Papier zerstört wird, geringer ist.

Unsichtbare Tinte: Cobaltchlorid und Milch
Schrift aus Cobaltchlorid (linkes Herz) und Milch (rechtes Herz) vor und nach dem Erwärmen auf der Herdplatte

Wie unsichtbare Tinte zum Erwärmen funktioniert

Papier ist ein Gewebe aus Zellulose, also Riesenmolekülketten, die aus Zucker-Einheiten aufgebaut sind. Diese sind empfindlich gegenüber Säuren wie Essig- oder Zitronensäure, welche mit den Zelluloseketten reagieren und sie beschädigen können. Unter normalen Umständen sieht man diese Schäden kaum bis gar nicht – die Tinte ist unsichtbar. Wird das Papier jedoch erhitzt, führt die Wärme zum Zerfall der Papier-Bestandteile, und die dabei entstehenden Trümmer der Kohlenstoffverbindungen erscheinen zunehmend dunkelbraun. Dabei zerfallen die bereits beschädigten Moleküle schneller als die unbeschädigte Zellulose, sodass beim vorsichtigen Erwärmen zunächst die beschriebenen Bereiche des Papiers – also die Schrift – dunkel werden.

Auch Milch und Tintenlöscher enthalten Kohlenstoffverbindungen, die bei grosser Hitze zerfallen – und das noch leichter als Zellulose. Die Milch-Schrift und der Tintenlöscher auf dem Papier brennen also förmlich an, noch ehe Säuren ihre Wirkung entfalten können.


Farbe durch chemische Reaktionen

Viele farblose Stoffe, die sich in Wasser gelöst als unsichtbare Tinte verwenden lassen, können mittels chemischer Reaktionen in farbige Stoffe umgewandelt werden. Dazu wird die unsichtbare Schrift mit einem passenden Reaktionspartner besprüht oder überstrichen. Wie Stoffe zu ihrer Farbe kommen, erfährst du übrigens hier.

Natriumcarbonat (“Soda”) oder Essig: Eine Base sorgt für einen hohen, eine Säure für einen niedrigen pH-Wert. Beide pH-Wert-Verschiebungen führen dazu, dass Bestandteile von Trauben- oder Rotkohlsaft eine neue Farbe erhalten.

Kaliumrhodanid (Kaliumthiocyanat): Ein farbloses Salz, das mit Eisen-Ionen eine tiefrote bis braune Verbindung bildet.

Mit konzentrierter Natriumcarbonat-Lösung Geschriebenes ist bereits beim Schreiben kaum sichtbar und wird beim Trocknen praktisch unsichtbar. Die geringe Sichtbarkeit macht das unsichtbare Schreiben mit Natriumcarbonat besonders schwierig. Beim Überstreichen mit Traubensaft setzt sich die Schrift jedoch schnell und deutlich graublau vom rosaroten Traubensaft in der Umgebung ab.

Die Reaktion von Kaliumrhodanid-Schrift mit Eisen-Ionen dauert wesentlich länger. Nach dem Überstreichen können Minuten oder gar Stunden vergehen, bis die Schrift deutlich sichtbar wird – eine harte Geduldsprobe für heiss Verliebte.

Unsichtbare Tinte: Kaliumrhodanid mit Eisen und Natriumcarbonat mit Traubensaft
Am Morgen danach: Eisenrhodanid (linkes Herz) und Natriumcarbonat mit Traubensaft (rechtes Herz). Die Traubensaft-Variante ist frisch überstrichen besser lesbar – Eisenrhodanid wird erst über Nacht so sichtbar wie hier.

Wie die geheimnisvollen Farbänderungen funktionieren

Von Säuren und Basen

Essigsäure und Zitronensäure sind – wie alle Säuren – Stoffe, die H+-Ionen abgeben können. Diese H+-Ionen (es handelt sich dabei um Protonen ohne Elektronenhülle!) können jedoch nicht ganz allein durch die Materie irren. Stattdessen lagern sie sich an andere Moleküle an. Stoffe, die aus solchen Molekülen bestehen, die H+-Ionen aufnehmen, nennt man Basen. Eine Säure kann also eine chemische Reaktion mit einer Base eingehen, indem sie ihr ein H+-Ion “übergibt”. Dabei entstehen gleich zwei neue Moleküle: Der “Rest” der Säure, der nun einen Wasserstoff-Atomkern weniger hat, und die vormalige Base, die nun um einen Wasserstoff-Atomkern reicher ist.

Dabei kann es vorkommen, dass eine beteiligte Säure oder Base an sich keine Farbe hat, der Säurerest bzw. das um ein H+-Ion reichere Basen-Molekül farbig ist! Das rührt daher, dass ein H+-Ion “seine” Säure ganz ohne Elektronen verlässt. Das Elektronenpaar, welches zuvor die Bindung zum H+-Ion gebildet hat, bleibt dem Säurerest erhalten und muss am Molekül untergebracht werden. In grösseren organischen Molekülen können dazu in einer Art Kettenreaktion über viele Bindungen Elektronen verschoben werden – Elektronen, von deren Position die Farbe bzw. Nicht-Farbe eines Moleküls abhängt! (Wie die Anordnung von Elektronenpaaren im Molekül einem Stoff Farbe verleiht, erfährst du hier in der Geschichte zu den Ostereier-Farben.) Umgekehrt muss eine Base eine Elektronenpaar-Bindung zur Verfügung stellen, um ein H+-Ion aufzunehmen, was ebenso zu einer weiträumigen Verschiebung von Elektronen führen kann.

Trauben- und Rotkohlsaft enthalten farbige Säuren, die mit dem Carbonat-Ion aus dem Natriumcarbonat, einer Base, in der Schrift reagieren können:

Es entstehen Hydrogencarbonat-Ionen und schliesslich Kohlensäure sowie ein Säurerest ([Saeure]) mit einem bläulichen Farbton, der sich vom Saft auf dem nicht beschriebenen Papier deutlich abhebt.

Von bunten Salzen

Auch Ionen in Kristallen oder einer Lösung können verschiedene Farben haben (Die Farbe eines Atoms oder Ions beruht auf den Abständen vom Kern, in welchen sich die Elektronen ihrer Hülle aufhalten können – mehr dazu erfährst du hier). Die Ionen der Metalle aus den ersten beiden Hauptgruppen des Periodensystems und ihre Verbindungen – ihre Salze – sind jedoch in der Regel farblos. Anders verhält es sich mit den Ionen der sogenannten Übergangsmetalle, welche im Vergleich zu den Hauptgruppenmetallen zusätzliche Elektronen haben, die in vielfältiger Weise angeordnet zu verschiedenen Farben führen können.

Ionen des Kaliums, eines Metalls der ersten Hauptgruppe, erscheinen ebenso farblos wie das Rhodanid- bzw. Thiocyanat-Anion (SCN) . Eisen ist hingegen ein Übergangsmetall: Fe3+-Ionen erscheinen in Wasser und in Salzen meist gelb bis rotbräunlich (Rost enthält Fe3+-Ionen!). Bilden sie jedoch ein Salz mit Thiocyanat-Ionen, wird ihre Elektronenhülle so umgebaut, dass sie tiefrot bis dunkelbraun erscheinen (ganz ähnlich wie Blut aus der Vene!).

Kaliumthiocyanat lässt sich in Wasser lösen, sodass man damit unsichtbar schreiben kann. Bringt man anschliessend eine Lösung mit Fe3+-Ionen auf die unsichtbare Schrift, entsteht in den geschriebenen Linien dunkles Eisenthiocyanat und macht das Geschriebene lesbar.


Tinte, die nach dem Lesen wieder unsichtbar wird

Manche Reaktionen, die Stoffen Farbe verleihen, können ganz einfach umgekehrt werden. Eine unsichtbare Tinte, deren Funktion auf solch einer Reaktion beruht, kann nach dem Sichtbarmachen und Lesen wieder unsichtbar werden!

Cobaltchlorid: Das rosafarbene Salz bildet in Wasser eine ebenso rosafarbene Lösung, die auf Papier geschrieben zu einem hellen Grau verblasst. Besonders auf pastellfarbenem oder Recycling-Papier ist sie damit nur schwer lesbar. Wärmt man die Schrift vorsichtig an, erstrahlt sie in einem satten Türkisblau. Doch sobald das Papier abkühlt, verblasst die Schrift wieder zum ursprünglichen Zustand!

Co2+-Ionen gelten leider als krebserregend (vornehmlich beim Einatmen) und möglicherweise erbgutverändernd, weshalb sie seit Ende 2008 auf der Kandidatenliste besonders besorgniserregender Stoffe gemäss REACH-Verordnung stehen. Cobalt-Salze sind daher nicht für jedermann im freien Handel erhältlich und ausschliesslich im Labor mit Schutzkleidung (Kittel, Schutzbrille, Handschuhe) zu verwenden. Da Cobalt-Salze überdies sehr giftig für Wasserorganismen sind, müssen sie besonders umsichtig entsorgt werden: Cobalthaltige Lösungen werden im geschlossenen Abzug eingedampft und die festen Rückstände wie auch Salzreste im Behälter für Schwermetall-Abfälle entsorgt!

Ich habe noch ein wenig von einer Cobalt-Verbindung aus einem Chemiebaukasten aus vergangenen Zeiten, sodass ich den zauberhaften Farbwechsel-Effekt hier dennoch zeigen kann.

Fluoreszierende Flüssigkeiten: Werden schreibfertig in speziellen Filzstiften angeboten, mit welchen man praktisch unsichtbar schreiben kann (zu Halloween habe ich damit schon schaurige Kürbisgesichter gezaubert). Nur unter ultraviolettem Licht aus einer “Schwarzlicht”-Lampe werden damit verfasste Botschaften enthüllt. Viele UV-Marker enthalten gesundheitsschädliche Lösungsmittel wie Xylol, sodass sie nicht für Kinder geeignet sind und in gut belüfteter Umgebung verwendet werden sollten!

Warum Cobaltchlorid die Farbe wechselt

Co2+-Ionen erscheinen rosa, wenn sie von Wassermolekülen umgeben sind. Das ist natürlich in einer Lösung in Wasser der Fall. Wenn das Wasser aus solch einer Lösung – zum Beispiel nach dem Schreiben – verdunstet, lagern sich die darin gelösten Ionen zu winzigen Cobaltchlorid-Kristallen zusammen. Dabei behalten die Cobalt-Ionen ein paar Wassermoleküle bei sich (genau genommen 6 Wassermoleküle je Cobalt-Ion, sodass diese in das Kristallgitter mit eingebaut werden. Die chemische Formel für das rosafarbene Cobaltchlorid lautet also CoCl2• 6H2O . Dem Chemiker verrät sie: Dieses Salz enthält “Kristallwasser”.

Wird Cobaltchlorid erwärmt, verdampft das darin enthaltene Kristallwasser: Die Wassermoleküle aus dem Kristall gehen in die umgebende Luft über. Ohne die Hülle aus Wassermolekülen ordnen sich die Elektronen in der Hülle der Cobalt-Ionen neu, sodass diese nicht länger rosa, sondern kräftig blau erscheinen. Das blaue Cobaltchlorid ist somit wasserfrei. Sobald dieses Salz jedoch wieder abkühlt, zieht es die Wassermoleküle aus der feuchten Umgebungsluft wieder in den Kristall zurück: Das Cobaltchlorid erhält sein Kristallwasser zurück und wird wieder rosa.

So lange Luftfeuchtigkeit vorhanden ist und man beim Erwärmen acht gibt, dass das Papier nicht verbrennt, lässt sich dieses Spiel mit dem Cobaltchlorid beliebig oft wiederholen.


Unsichtbare Tinte: Die vier besten Kandidaten

Fazit: Die beste unsichtbare Tinte

Die beste unsichtbare Tinte für den Hausgebrauch ist Milch auf weissem Papier. Die wird nämlich nicht nur wirklich unsichtbar und kann mit einfachen Mitteln klar und deutlich lesbar gemacht werden. Darüber hinaus ist sie völlig ungiftig und du findest sie in praktisch jedem Haushalt – und wenn nicht dort, dann in jedem Supermarkt zum kleinen Preis.

Der Farbwechsel von Cobaltchlorid ist ebenfalls zauberhaft und lässt gewiss viele Herzen höher schlagen, eignet sich der gesundheitsschädlichen Tinte wegen aber nur für Liebesbriefe an die/den liebste/n Labor-Kollegen.

Und womit verfasst du deine geheimen Valentins-Botschaften?

Hast du das Experiment nachgemacht: 

Unsichtbare Tinte: Haben die Experimente bei dir funktioniert?

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Suchst du eine Beschäftigung für deine Kinder und dich an kalten, verregneten Tagen? Etwas Kreatives, wobei man noch etwas lernen kann? Modelliermassen und Knete haben schon Generationen von Kindern begeistert – und die Kassen von Bastelbedarfs- und Spielzeugherstellern gefüllt. Doch hast du dich auch schon gefragt, was eigentlich drin ist in der Knetmasse, die du deinen Kindern kaufst, damit sie sie anfassen, mit den Händen erkunden und je nach Alter auch mal unversehens in den Mund nehmen?

Bevor du dich nun an die stundenlange Suche nach dem richtigen Produkt machst, das all deinen Ansprüchen und Wünschen an seine Zusammensetzung gerecht wirst, kannst du deine Knete ganz einfach selbst machen – und dazu (fast) ausschliesslich Lebensmittel verwenden!

Wie genau das vor sich geht und welche (ganz ungiftige) Chemie in der Knete steckt und ihr ihre tollen Eigenschaften verleiht, erzähle ich euch bei den “Küstenkidsunterwegs”! Lieben Dank an Katja Josteit für die Veröffentlichung dort!

Und mit welcher Knetmasse spielen deine Kinder? Hast du schon einmal Knete selbst hergestellt? Welche Zusammensetzung bevorzugst du dabei?

Adventskränzchen 2019
Dieser Beitrag ist Teil des Adventskränzchens 2019.
Weitere Beiträge zum Tagesthema “Aus der Backstube” findet ihr hier:
www.marie-theres-schindler.de
http://cosmic-blue.jimdofree.com
 www.aftermyfancy.at
https://100barbara.wordpress.com
http://www.diekunstdesbackens.com

Der Winter ist da – und mit ihm eine spannende Gelegenheit für Naturforscher: Was ist eigentlich Schnee? Finde es selbst heraus – ein USB-Mikroskop am Laptop liefert die Antwort!

Dieser Artikel enthält Links aus dem Amazon-Partnerprogramm (gekennzeichnet mit (*)-(*) ) – euch kosten sie nichts, mir bringen sie vielleicht etwas für meine Arbeit ein. Das verwendete Mikroskop und der Molekülbaukasten sind Privatanschaffungen und gehören zu meinem persönlichen Inventar.

“Die Inuit kennen 40 verschiedene Wörter für ‘Schnee'”, erklärt Smilla Jaspersen in dem Film “Fräulein Smillas Gespür für Schnee”. Diese Aussage hat einen Mythos geschaffen, welcher darin wurzelt, dass in den Inuit-Sprachen eine Unzahl verschiedener Vor- und Nachsilben an gerade einmal zwei Grundwörter gehängt werden können, um die verschiedenen Erscheinungsformen von Schnee zu beschreiben. Im Deutschen verwenden wir dafür zusammengesetzte Wörter: Papp- und Pulverschnee, Schneematsch – und schliesslich Schneeflocken.

All diese Wörter, ob Inuit oder Deutsch, beschreiben den weissen Stoff, der im Winter vom Himmel fällt und uns ebenso pulvrig weich wie eishart begegnen kann. Aber woraus besteht Schnee eigentlich? Klar – aus gefrorenem Wasser. Aber warum erscheint uns dieses gefrorene Wasser so anders als das massive, harte Eis, das beim Erstarren eines Gewässers entsteht?

Die Antwort findest du, wenn du dir Schnee einmal ganz aus der Nähe ansiehst – durch ein Mikroskop.

Dies ist ein Versuch für draussen – im Garten oder auf dem Balkon oder unterwegs während eines Winterspaziergangs, wenn du jemanden hast, der dein Equipment trägt!

Wetter- und andere notwendige Rahmenbedingungen

Schnee lässt sich nur im Winter mikroskopieren – wenn es welchen hat. Wer das Glück hat im Hochgebirge zu sein, findet dort auch in den Herbst und Frühling hinein mitunter Schnee.

Für die einfache Untersuchung von Schnee unter dem USB-Mikroskop ist Schneefall bei einer Lufttemperatur von 0°C oder besser etwas darunter optimal. Ein offener Unterstand (zum Beispiel der Balkon der Nachbarn oben, ein Vordach oder eine Schutzhütte für Wanderer) schützt die Elektronik und dich vor dem Eingeschneitwerden.

Geräte/Hilfsmittel

  • Kamera-Mikroskop mit USB-Kabel zum Anschluss an einen Computer ((*)eine grosse Auswahl gibt es zum Beispiel hier(*) )
  • Laptop mit USB-Port, Treibern zum Mikroskop sowie Software zur Bild- und optional Video-Erfassung
  • Petrischale oder Uhrglas
  • Dunkle Unterlage (wenn du ein Handmikroskop ohne eigene Auflagefläche für Objektträger benutzt)
  • Evtl. Spatel, flacher Löffelstiel oder/und Pinzette
  • Gefrierfach
  • Warme Kleidung, optional heisser Tee

Warum kein optisches Mikroskop?

Um Schneeflocken betrachten zu können, ohne dass sie sofort schmelzen, muss das Mikroskop auf den Gefrierpunkt (0°C) oder besser noch weiter abgekühlt werden. Glas, aus welchem die Linsen optischer Mikroskope bestehen, gerät durch starke Temperaturänderungen schnell unter Spannung und kann Risse bekommen oder brechen. Deshalb besteht die Gefahr, dass beim Abkühlen und Wiederaufwärmen eines optischen Mikroskops die Linsen beschädigt werden – das ist besonders dann ärgerlich, wenn es sich um ein teures Gerät handelt!

Wer dennoch mit einem optischen Mikroskop im Warmen arbeiten möchte, kann vorgekühlte Objektträger mit einem durchsichtigen, in der Kälte härtenden Lack bestreichen und Schneeflocken darauf fallen lassen. Nach dem Aushärten des Lacks kann der Abdruck der Flocken im Lack im Warmen mikroskopiert und dauerhaft aufbewahrt werden.

Anleitung (für das Vorgehen mit dem USB-Mikroskop)

Dieses Experiment muss gut vorbereitet werden. Wenn im Wetterbericht Kälte und Schneefall angekündigt werden, stelle das Mikroskop einige Stunden vor dem Experimentieren nach draussen unter einen Unterstand. Ich habe hierbei einen Baumwollbeutel über das Gerät gestülpt, um es vor Schneeverwehungen und all zu neugierigen Vögeln zu schützen. Lege die Petrischale, Spatel oder/und Pinzette in einer geschlossenen Gefrierdose zeitgleich ins Gefrierfach (ein gutes Gefrierfach kühlt auf bis zu -20°C, also in der Regel deutlich weiter als die Luft draussen, was sehr nützlich sein wird).

Wenn es dann schneit (oder ganz frischer Schnee gefallen ist), ziehe dich warm und baue den Laptop unter dem Unterstand auf. Hole die Dose mit den Werkzeugen aus dem Gefrierfach (öffne sie erst draussen in der Kälte, damit die Petrischale nicht beschlägt!).

Schalte das Mikroskop ein und starte die Software zur (Live-)Bild- oder/und Videoerfassung.

Ab jetzt sollte alles möglichst zügig gehen.

Halte die Petrischale mit zwei Fingern an den Rändern in den fallenden Schnee und fange ein paar Flocken. Wenn es nicht mehr schneit, kannst du mit dem Spatel oder der Pinzette vorsichtig ein paar frisch gefallene Flocken von der Umgebung (Boden, Pflanzen,…) in die Schale befördern.

Platziere die Schale unter dem Kameraobjektiv, wähle eine passende Vergrösserungsrate und stelle das Bild scharf. Mache nun zügig Aufnahmen von allen Ansichten, die dir gefallen. Dazu kannst du die Schale vorsichtig hin- und herschieben, drehen, oder zwischendurch neue Flocken fangen. Wenn du die Schale dabei mit der Pinzette greifst, wird sie weniger schnell warm, als wenn du sie mit der Hand berührst.

Petrischale mit Schneeflocken unter dem USB-Mikroskop

Petrischale mit Schneeflocken unter dem USB-Mikroskop

Die regelmässige Struktur der Schneekristalle ist am Rand einzelner Flocken, wo sich die Kristalle möglichst nicht überlappen, am klarsten sichtbar!

Unter dem Mikroskop: Schneeflocken bestehen aus sternförmigen Kristallen: Zu dicht beieinander erscheinen sie noch nicht ganz klar

Schneeflocken bestehen aus sternförmigen Kristallen: Zu dicht beieinander erscheinen sie noch nicht ganz klar

Mein Mikroskop hat einen drehbaren Objekt-Teller mit Motor und Beleuchtungsmöglichkeit von unten. Beides habe ich nicht genutzt und dennoch festgestellt, dass das Gerät im Betrieb genug Wärme abgibt, um die Schneeflocken nach wenigen Minuten zu schmelzen. Wenn du wie ich eine Software zur Videoerfassung hast, kannst du dies nutzen, um den Schmelzvorgang aufzuzeichnen.

Wissenswertes: Geheimnisse der Schneeflocken

Für die Jüngeren: Warum Schnee unter den Schuhen knirscht

Das Mikroskop enthüllt: Schneeflocken sind wunderschöne Sterne mit sechs Zacken – aus hartem, kaltem Eis! Und bis sich eine dicke Schneeschicht gebildet hat, sammeln sich sehr sehr viele dieser Sterne am Boden an. Dabei landen sie kreuz und quer aufeinander, wie sie gerade fallen, und werden von ihrem eigenen Gewicht ineinander geschoben.

Schnee-Kristall-Sterne unter dem Mikroskop zu einer Flocke verworren

Schneekristall-Sterne zu einer Flocke verworren

Hast du schon einmal genau zugehört, was passiert, wenn du viele Legosteine – oder die Schmucksterne vom Weihnachtsbaum – zusammen in eine flache Schachtel legst und mit der Hand hindurchstreichst? Es raschelt und klappert! Und wenn du ein wenig von oben darauf drückst (vorsichtig – du willst die Legos oder den Christbaumschmuck ja nicht kaputt machen!) – dann knirscht es, wenn die Teile aneinander reiben.

Schneeflocken zwar sehr viel kleiner, aber genauso fest wie Legosteine. So reiben auch sie aneinander, wenn man sie zusammendrückt. Ausserdem gehen sie – weil sie so klein sind – noch viel schneller als Legosteine kaputt, wenn man darauf tritt.

Die aneinander reibenden und zerbrechenden winzigen Schneekristalle unter unseren Schuhen sind also die Ursache für das herrliche Knirschen, wenn wir durch frischen Schnee laufen!

Für die Älteren: Kristallstruktur von Wasser

Die wunderschönen Schneekristalle, die das Mikroskop uns enthüllt, sind erstaunlich symmetrisch. Tatsächlich lassen sich durch einen perfekt geformte Schneestern drei Achsen legen, die den Kristall in sechs praktisch identische Teile zerlegen. Und jedes dieser Teile passt genau in einen Winkel von 60°! Dieser Winkel, oder auch sein Doppel, 120°, wiederholt sich ausserdem in der filigranen Struktur dieser Teile immer und immer wieder.

Schnee-Kristalle unter dem Mikroskop

Aber wie können aus flüssigem Wasser so unglaublich regelmässige Strukturen entstehen?

Von Molekülen zum Kristall

Schneekristalle bestehen aus Wassermolekülen: Zwei Wasserstoff-Atome sind in einem festgelegten Winkel zueinander an ein Sauerstoff-Atom gebunden. Alle drei Atome bilden ein Wassermolekül. Jedes Wasserstoff-Atom eines Wassermoleküls kann zudem eine weniger feste Bindung, eine “Wasserstoff-Brückenbindung” zu einem Sauerstoff-Atom eines anderen Wassermoleküls eingehen. Diese Wasserstoff-Brücken führen dazu, dass die Wassermoleküle in einem Eiskristall ganz bestimmte Plätze einnehmen und sich zu einem regelmässigen, sechseckigen Muster anordnen.

Wenn du einen (*)Molekülbaukasten(*) hast, kannst du dieses Muster – das Kristallgitter – nachbauen:

Jeder dieser Bausteine mit vier Enden (für Mathematik-Fans: die Enden sind weitestmöglich voneinander entfernt und weisen auf die Ecken eines Tetraeders) steht dabei für ein Wassermolekül mit dem Sauerstoff-Atom in der Mitte des Bausteins sowie zwei Wasserstoff-Atomen und zwei Ansatzstellen für Wasserstoff-Brücken, für welche die vier Enden stehen.

Wassermolekül-Baustein und Verbindungsstücke aus dem Molekülbaukasten

Wassermolekül-Baustein und Verbindungsstücke aus dem Molekülbaukasten

Jetzt brauchst du noch jede Menge Verbindungsstücke. Ihre Länge ist egal, doch sollten sie alle gleich lang sein. Mit den Verbindungsstücken kannst du nun die Wassermoleküle zu einem Eis-Kristallgitter zusammenfügen.

Molekülbaukasten: Modell eines Schnee-Kristalls aus 92 "Wassermolekülen" und 120 Verbindungsstücken

Dieses Modell besteht aus 92 “Wassermolekülen” und 120 Verbindungsstücken

Dieses Modell eines Eiskristalls ist ein Ausschnitt aus dem sehr viel grösseren Kristallgitter. An seiner Oberfläche sind überall freie Enden, an die du weitere Wassermoleküle anfügen könntest, so lange du Bausteine hast. Das symmetrische, sechseckige Muster mit seinen 60°- und 120°-Winkeln ist hier schon gut erkennbar.

Die Entstehung von Schneeflocken

In der Luft gibt es nicht nur Wasserdampf und feine Wassertröpfchen, die mitunter Wolken bilden, sondern auch sehr feine Staubkörnchen. Wird es in höheren, wasserhaltigen Luftschichten sehr kalt – mindestens -12°C – schlagen sich Wassermoleküle an der Oberfläche solcher Staubkörnchen nieder und fügen sich zu einem Eis-Kristallgitter wie im Modell oben zusammen.

So kommen viele Wassermoleküle auf engem Raum zusammen: Der noch kleine Eiskristall wird für seine Grösse schwer (“er hat eine hohe Dichte”) und beginnt in Richtung Erde zu fallen. Währenddessen werden an die freien “Enden” der Moleküle an der Kristalloberfläche laufend weitere Wassermoleküle angebaut. In welche Richtungen der Anbau verläuft,  hängt von den Eigenschaften der direkten Umgebung des Kristalls ab: Temperatur, Luftströmungen, die Menge vorhandener Wassermoleküle und viele mehr. Und die sind auf allen Seiten eines bestimmten vereisten Staubkorns gleich – für jede Schneeflocke im wilden Durcheinander der Luft jedoch ein wenig anders.

Schneeflocken wachsen also ausgehend von einem Staubkorn von innen nach aussen. Hier findest du faszinierende Videoaufnahmen vom Wachstum von Schneekristallen.

So wächst jede Schneeflocke von “ihrem” Staubkorn aus in jede Richtung in der gleichen Weise. Dafür ist es praktisch unmöglich, zwei Schnee-Kristalle zu finden, die sich vollkommen gleichen. Nur die durch das Kristallgitter vorgegebenen Winkel von 60° und 120° finden sich in jeder Schneeflocke wieder. Wenn dann noch mehrere Kristalle ineinander und zusammen wachsen, können schöne Flocken entstehen, die mehrere Zentimeter gross sind.

Die klarsten Bilder einzelner Schnee-Kristalle lassen sich jedoch von kleineren, möglichst wenig verwachsenen Flocken gewinnen.

Und hast du schon einmal Schnee unter dem Mikroskop betrachtet? Oder hast du vor, es zu probieren? Welche Erfahrungen hast du gemacht?

Hast du das Experiment nachgemacht: 

Schneeflocken mikroskopieren: Hat das Experiment bei dir funktioniert?

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Dieser Beitrag füllt das Türchen Nr. 19 im Blogger-Adventskalender auf apfelwiebirne.de !

Weihnachten rückt immer näher, und die Welt ist angefüllt mit festlichem Schmuck und unzähligen Lichtern. Besonders am Weihnachtsbaum darf dabei ein klassisches Accessoire nicht fehlen: Die spiegelnd glänzenden Christbaumkugeln. Heutzutage gibt es sie in unzähligen Ausführungen und Materialien, doch am edelsten sind in meinen Augen immernoch schlichte Kugeln aus hauchdünnem Glas, in deren metallisch glänzender Oberfläche man sich spiegeln kann.

Doch wie kommen die zarten Glaskugeln zu ihrem Spiegelglanz? Damit hat sich auch Sandra Morgenstern auf Chemie-Azubi.de beschäftigt und mich zu diesem Experiment inspiriert…. Normalerweise ist Glas schliesslich durchsichtig… Tatsächlich sorgt eine Metallschicht, genauer gesagt eine Schicht aus metallischem Silber, für den Spiegelglanz der Christbaumkugeln. Wie man solch einen Silberspiegel erzeugt und in die Kugeln hinein- oder von aussen darauf bekommt, kannst du mit diesem Experiment selbst ausprobieren.

Achtung! Zur Herstellung eines “Silberspiegels” werden Silbernitrat und andere ätzende Chemikalien benötigt!

Silbernitrat ist eine gefährliche Chemikalie der Gruppe 2 im Sinne des Schweizer Chemikalienrechts, denn es ist ätzend und kann schwere Haut- und Augenschäden verursachen. Auch Natronlauge und Ammoniak-Lösung wirken ätzend.

Dieses Experiment kann in passender Umgebung zu Hause durchgeführt werden, empfehlenswerter ist jedoch die Durchführung in einem Labor. Experimentiert, wenn ihr keine Erfahrung im Umgang mit ätzenden Chemikalien habt, in jedem Fall gemeinsam mit jemandem, der sich damit auskennt!


Wie das Silber in die Kugel kommt

Normalerweise sind Metalle bei Raumtemperatur Feststoffe (das einzige bei Raumtemperatur grundsätzlich flüssige Metall ist das giftige Quecksilber). Das heisst, sie sind mehr oder weniger (reines Silber eher mehr) weich und formbar, aber immernoch fest und nicht freiwillig dazu bereit, sich auf einer Glasfläche zu einer dünnen Schicht zu verteilen.

Da Quecksilber zur Verwendung als Weihnachtsdekoration zu giftig ist, läge es daher nahe, ein weniger giftiges und zudem reaktionsträges, glänzendes Metall – wie zum Beispiel Silber – zu schmelzen und als Anstrich zu verwenden. Unglücklicherweise liegt der Schmelzpunkt der allermeisten Metalle sehr hoch (der Schmelzpunkt von Silber beträgt 961,9°C !), sodass bei dem Versuch, Glas mit geschmolzenem Silber zu überziehen, unweigerlich auch das Glas schmelzen und von einer Christbaumkugel nicht viel übrig bliebe.

Deshalb muss ein Weg gewählt werden, auf dem Silber-Atome bei moderateren Temperaturen zu einem Teil einer Flüssigkeit werden können. Das bekommt man hin, wenn man eine Lösung von Silber-Ionen (also elektrisch geladenen Silber-Atomen, Ag+) in Wasser verwendet. Man löst also ein Salz, das Silberionen enthält, in Wasser auf und erhält so eine silberhaltige Flüssigkeit… wenn man denn ein wasserlösliches Silbersalz findet. Denn Silberionen bilden mit fast allen möglichen Gegenionen in Wasser äusserst schwerlösliche Salze – ausser mit dem einen Gegenion, das praktisch immer geht: Dem Nitrat-Ion NO3. Die Nitrate praktisch aller Metalle zeichnen sich nämlich durch ihre Wasserlöslichkeit aus – so auch das Silbernitrat AgNO3 .

So führt trotz einiger unangenehmer Eigenschaften von Nitrat-Ionen – sie bekommen Wasser- und Bodenorganismen überhaupt nicht gut und können sich in (heissem) Wasser zu giftigem Stickstoffdioxid zersetzen – beim Versilbern von Christbaumkugeln kein Weg am Silbernitrat vorbei.

Eine Silbernitratlösung kann schliesslich durch eine kleine Öffnung in eine Glaskugel eingebracht werden. Danach müssen die Silber-Ionen jedoch zu ungeladenen Silber-Atomen werden, denn nur die lagern sich zu dem bekannten Metall mit seinem typischen Glanz zusammen. Im Gegensatz zu einem ungeladenen Silber-Atom fehlt einem Silber-Ion ein negativ geladenes Elektron (sodass das Ion aufgrund seiner unvollständig ausgeglichenen Kernladung einfach positiv geladen ist), sodass die Silber-Ionen mit jeweils einem zusätzlichen Elektron ausgestattet (“reduziert”) werden müssen.

Eine chemische Reaktion, die das möglich macht, nennt sich Redox-Reaktion (mehr zu solchen Reaktionen erfahrt ihr hier auf der Grillparty). Eine Gruppe von Stoffen, die den Silber-Ionen zusätzliche Elektronen “spenden” können (und dabei “oxidiert” werden), sind die Aldehyde, eine bestimmte Klasse organischer Verbindungen. Absolut harmlose Vertreter dieser Stoffgruppe sind Zucker, wie zum Beispiel Glucose (auch bekannt als “Traubenzucker”), die sich ebenfalls gut in Wasser löst.

Die Reduktion von Silberionen durch Glucose läuft in alkalischer Umgebung, das heisst, bei einem hohem pH-Wert, ab. Der kann durch Zugabe von Natronlauge oder einer anderen alkalischen Lösung einfach erreicht werden. Bei hohem pH-Wert reagieren jedoch die Silberionen zu nurmehr schwer in Wasser löslichem Silberhydroxid (AgOH), das als weisser Feststoff im Gefäss mit der Lösung absinkt. Deshalb muss ein Trick angewendet werden: Gibt man Ammoniak-Lösung (NH3 in Wasser) in die Silberlösung, gehen je zwei Ammoniak-Moleküle mit einem Silberion eine sogenannte Komplex-Verbindung (“Diamminsilber-Ion” genannt) ein, die auch bei hohem pH-Wert in Wasser löslich ist und ebenfalls mit Hilfe von Glucose reduziert werden kann.

Sind eine alkalische Diamminsilber- und eine Glucoselösung erst einmal in einer Glaskugel, kann die Reaktion durch moderate Wärmezufuhr (z.B. im Wasserbad ab ca. 70°C) gestartet bzw. vorangetrieben werden. Die reduzierten, metallischen Silberatome “fallen” dabei aus der Lösung “aus” und lagern sich sich Atom für Atom an der Glasinnenfläche ab, bis eine spiegelnd glänzende Schicht entstanden ist!

Material

Arbeitsplatz und Schutzkleidung

Wenn der Versuch zu Hause durchgeführt werden soll, arbeitet – vornehmlich der Ammoniak-Dämpfe wegen – im Freien! Im Labor eigentlich sich ein Arbeitsplatz mit geeignetem Abzug (“Kapelle”). Führt den Versuch nicht in der Küche (auch nicht mit Dunstabzugshaube) durch, denn wo Lebensmittel zubereitet werden, haben Labor-Chemikalien nichts verloren!

Tragt beim Experimentieren stets lange Hosen, geschlossene Schuhe und einen Kittel oder andere Baumwollkleidung, die fleckig oder beschädigt werden darf, dazu – insbesondere beim Umgang mit ätzenden Stoffen – eine Schutzbrille.

Silbernitrat macht gelbe oder schlimmstenfalls schwarze Flecken auf der Haut, die ungefährlich sind, aber unschön aussehen und erst nach Tagen oder Wochen verblassen! Deshalb empfehle ich die Verwendung von Einmal-Handschuhen beim Umgang mit Silbernitrat.

Silbernitrat ist ausserdem sehr gefährlich für Wasserorganismen! Deshalb dürfen Reste des Salzes und silbernitrathaltiger Lösungen nicht ins Abwasser bzw. den Hausmüll entsorgt werden! Sammelt Reste der Lösungen in einer braunen Glasflasche und bringt sie in eine Sammelstelle für Chemikalienabfälle (“Sondermüll”)!

Zubehör zum Silberspiegel-Experiment
Die wichtigsten Hilfsmittel für den Versuch: Alter Stahlkochtopf auf einem Fondue-Brenner, Einmalhandschuhe, destillatgleiches Wasser aus dem Supermarkt, Ammoniak und Natronlauge aus einem alten Chemiebaukasten, Dextrose-Tabletten, Porzellanschale zum Zermahlen, Pipetten aus der Drogerie, Erlenmeyerkolben für die Silbersalz-Lösung (reaktive Chemikalien immer in Glasgefässe geben – Kunststoff hält nicht alles aus!), Plastikbecher für die Glucoselösung – Greifzange und Silbernitrat fehlen hier noch!

Geräte und Chemikalien

  • Durchsichtige Christbaumkugel aus Glas oder Glasgefäss mit Öffnung (bei vielen
  • Glaskugeln verbirgt sich unter dem Aufhänger eine Öffnung!)
  • Heizgerät (elektrische Heizplatte, Spiritus- oder Gasbrenner), ggfs. Feuerzeug/Streichhölzer
  • Dreifuss oder andere Vorrichtung zum Kochen (sofern nicht Teil des Heizgeräts)
    Topf mit Leitungswasser
  • 2 Bechergläser (oder andere Chemikaliengefässe zum Ansetzen von Lösungen)
  • 2 Pasteur-Pipetten oder Spritzen
  • Reagenzglas-Klemme oder Greifzange
  • Einmal-Handschuhe
  • Schutzbrille
  • Silbernitrat (Lösung 0,1M) 
  • Glucose (Lösung gesättigt, 10%), zum Beispiel aus “Dextrose”-Tabletten
  • verdünnte Natronlauge 
  • Ammoniaklösung (3,5%) 
  • Destilliertes (oder entionisiertes, d.h. “destillatgleiches”) Wasser

Versuchsanleitung

Vorweg eine Grundregel für die Verwendung gefährlicher Chemikalien: Verwendet stets kleinstmögliche Mengen, sodass möglichst wenig Abfall entsteht!

Christbaumkugeln aus klarem Glas
Zwei durchsichtige Glaskugeln – gekauft mit Dekor-Farbe, die aber siedendem Wasser nicht unbedingt standhält!

Die folgenden Mengenangaben genügen zum Verspiegeln von ein bis zwei Kugeln (Durchmesser ca. 7cm)-

  • Stelle eine gesättigte Glucose-Lösung her: Wiege bei Raumtemperatur in einem Becherglas 25g Glucose ab und gib 50ml destilliertes Wasser hinzu. Gut umrühren! Ein kleiner Rest der Glucose bleibt gewöhnlich ungelöst am Gefässboden zurück.
    Dextrose-Tabletten lösen sich meiner Erfahrung nach schlechter, eigenen sich aber genauso für den Versuch: Zerstampfe zwei Tabletten zu Pulver und gib 50ml destilliertes Wasser hinzu. Gut umrühren, bis sich ein Grossteil des Pulvers gelöst hat!
  • Trage ab jetzt Handschuhe: Stelle in einem weiteren Becherglas eine Silbernitrat-Lösung her: Wiege 0,5g Silbernitrat ab (entspricht einer Spatel- bzw. Messerspitze, falls du keine Feinwaage zur Hand hast) und gib 30ml destilliertes Wasser hinzu. Diese Lösung kann in einer braunen Flasche aufbewahrt werden.
  • Bereite eine Diamminsilber-Lösung vor: Fülle so viel Silbernitrat-Lösung ab, wie du heute zum Verspiegeln brauchst (diese Lösung darf nicht aufbewahrt werden!). Gib mit einer Pasteur-Pipette verdünnte Natronlauge hinzu, bis graubraunes Silberhydroxid die Lösung trübt. Dann tropfe Ammoniak-Lösung (nicht einatmen, draussen arbeiten!) hinzu, bis sich die Trübung vollständig auflöst. Gut umrühren oder schwenken, damit sich alles gut vermischt!
  • Heize das Leitungswasser im Topf auf 70 – 100°C (also beinahe oder leicht kochend).
  • Löse inzwischen den Aufhänger der zu verspiegelnden Glaskugel und gib erst 30ml Diammin-Silber-Lösung, dann ca. 20ml Glucoselösung in die Kugel. Wenn du kein Becherglas mit Giesse hast, verwende eine Pipette oder eine Spritze zum sauberen Einfüllen. Setze den Aufhänger anschliessend wieder auf die Kugel.
Glaskugel ohne Verschluss (liegt daneben) – die Porzellanschale passt zufällig auch als Halterung – Glucose und Silbersalzlösung stehen bereit
  • Greife den Hals der Kugel mit der Reagenzglasklemme oder der Greifzange und tauche sie tief in das vorgeheizte Wasser im Topf. Schwenke die Kugel fortlaufend hin und her, damit die Lösung darin sich auf die gesamte Innenfläche verteilen kann. Achte darauf, dass keine Lösung aus der Kugel in das Wasserbad gerät! Wenn das geschieht (das Wasserbard wird in diesem Fall schwarz werden!), darf das Wasserbad nicht mehr in den Ausguss entsorgt werden!
Die (noch klare) Reaktionslösung ist in der Kugel, die Kugel wird in das Wasserbad getaucht. Wenn das Wasser wirklich heiss ist, die Kugel nicht mit der blossen Hand halten!

Die Lösung in der Kugel wird in der Hitze dunkel werden, und innerhalb einiger Minuten wird die Kugelinnenfläche sich erst graugrün trüben, ehe die Fläche silbern metallisch zu spiegeln beginnt!

  • Hebe die verspiegelte Kugel aus dem Wasserbad und lasse sie auf einem alten Handtuch (im Labor: auf einem Korkring) abkühlen. Dann öffne den Aufhänger erneut und giesse die Lösung aus der Kugel in ein Becherglas (Achtung, dieses kann auch verspiegelt werden!) oder in eine weitere Kugel, mit der du nach Zugabe neuer Glucoselösung wie mit der ersten verfährst.


Was in der Kugel im Einzelnen geschieht:

Silbernitrat ist Salz, besteht also aus Kristallen, die sich wiederum aus Ionen zusammensetzen, die sich säuberlich geordnet zu einem Festkörper zusammengelagert haben. Beim Auflösen in Wasser werden diese Ionen voneinander getrennt: (Gleichgewichtsgleichungen!)

Gibt man Natronlauge (NaOH) (oder eine andere Base) hinzu, gelangen OH-Ionen in die Lösung, die sich mit Silberionen zu schwerlöslichem Silberhydroxid (AgOH) zusammenlagern:

Des weiteren zugefügte Ammoniak-Moleküle führen zur Enstehung von Diamminsilber-Ionen:

Da es sich bei den Reaktionen zum dynamische Gleichgewichte handelt, führt der Verbrauch von Silberionen für Reaktion (3) dazu, dass Reaktion (2) rückwärts läuft, um den Verbrauch auszugleichen: Das Silberhydroxid löst sich wieder auf (Monsieur Le Châtelier erklärt das Geheimnis des chemischen Gleichgewichts auf dem Flughafen genauer).

Gibt man Glucose zu einer Lösung mit OH– und Silber-Ionen, wird die Glucose (C5H11O5CHO(aq)) zu Gluconsäure (C5H11O5COOH) oxidiert. Dabei gibt ein Glucose-Molekül zwei Elektronen (e) ab:

Diese Elektronen werden von Silber-Ionen aufgenommen, welche auf diese Weise reduziert werden:

Jedes Glucose-Molekül kann also zwei wasserunlösliche Silber-Atome erzeugen, die sich fein verteilt irgendwo aus der Lösung absetzen:

Schwenkt man die Lösung in einem Glasgefäss bzw. einer Christbaumkugel, während die Reaktion abläuft, verteilen sich die Silberatome somit gleichmässig auf der Glasoberfläche, sodass das Glas mit einer Spiegelfläche überzogen wird.

Christbaumkugel mit und ohne Silberspiegel
Links die unbehandelte Ersatzkugel, rechts die verspiegelte Kugel!

Silberspiegel von aussen und als Tollens-Probe

Anstatt das Reaktionsgemisch in die Kugel zu geben, könnte man auch eine grössere Menge davon herstellen und die Kugeln hineintauchen. So würde ein Silberspiegel auf der Kugelaussenseite entstehen. In der Industrie bietet sich das auch an, weil sich das Eintauchen leichter automatisieren lässt. Angesichts der ätzenden und umweltgiftigen Wirkung der verwendeten Chemikalien ist das Verspiegeln von innen im Heimlabor jedoch sparsamer und sicherer.

Denn: Je weniger gefährliche Chemikalien wir verwenden, desto weniger müssen wir entsorgen!

Die Erzeugung eines Silberspiegels wurde früher – und heute häufig zur Demonstration im Schulunterricht – auch als Nachweis für die als Reaktionspartner notwendigen Aldehyde verwendet. In diesem Zusammenhang wird die Reaktion dann “Tollensprobe” und die alkalische Diamminsilber-Lösung “Tollens Reagenz” genannt – beides nach dem Agrikulturchemiker Bernhard Tollens, der sich seinerzeit mit der Chemie von Zuckern – also Aldehyden – beschäftigte.

Entsorgung von Chemikalienresten

Festes Silbernitrat und ammoniakfreie (!) Silbernitratlösung können im geschlossenen Originalbehälter fern von Kinderhänden und Licht langfristig aufbewahrt werden.

Sobald eine Silbernitrat-Lösung Ammoniak enthält, muss sie umgehend (das heisst im Verlauf des Versuchs, zu dem sie angesetzt wurde) vollständig zur Reaktion gebracht werden! Verwende die Lösung also munter für mehrere Kugeln, bis sich kein Silber mehr absetzt und gib zum Schluss noch einmal reichlich Glucose dazu, damit sicher alles reduziert ist.

Aus einer Diamminsilber-Lösung kann beim Eintrocknen nämlich Silbernitrid (Ag3N) entstehen – ein Salz, das bei grober Handhabung (z.B. beim Aufschrauben eines damit verkrusteten Flaschendeckels) schnell und heftig explodieren kann!

Sammelt schliesslich alle Restlösungen in braunen Flaschen – dabei darf das vollständig reduzierte verbrauchte Reaktionsgemisch nicht mit Silbernitratresten vermischt werden, denn es kann immernoch Ammoniak enthalten! – und bringt sie zur Chemikalienabfall- (Sondermüll-) Sammelstelle!

Wer im Labor einen Abzug mit geeigneter Filteranlage zur Verfügung hat, kann die Reste der Lösungen nach der Reduktion des Diamminsilbers im geschlossenen Abzug eindampfen und die Rückstände im Behälter für feste Schwermetall-Abfälle entsorgen.

Und habt ihr schon einmal Christbaumkugeln verspiegelt? Die Tollens-Probe in anderem Zusammenhang gemacht? Oder sogar diese Versuchsanleitung ausprobiert?

Hast du das Experiment nachgemacht: 

Silberspiegel: Hat das Experiment bei dir funktioniert?

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

Hermetosphäre

Neulich stiess ich im Netz auf ein erstaunliches Bild: Ein Glasgefäss, vielleicht eine alte Vorratsflasche aus einer Apotheke, mit geschlossenem Deckel – und darin eine atemberaubende Miniaturausgabe eines Regenwaldes! Pflanzen in einem geschlossenen Glasgefäss? Können die, eingesperrt und getrennt vom Rest der Welt, darin überhaupt überleben? Man hört ja nur allzu oft von schaurigen Formen der Tier-“Haltung” unter ähnlichen Bedingungen…

Zu jenem Bild gehörte glücklicherweise ein Link. Und der führte mich auf die Website von Ulf Soltau, seines Zeichens Diplom-Biologe, welcher dort zeigt: Ja, sie können! Und das ganz ohne Pflanzenquälerei!

Solch ein ungewöhnliches, an Fantasien von einer Mission zum Mars erinnerndes Pflanzgefäss trägt zudem einen Namen, der einer Science-Fiction-Welt wahrlich angemessen klingt: Hermetosphäre.

Die Beschreibung “hermetisch abgeschlossen” ist euch sicher geläufig – er leitet sich von Hermes Trismegistos, dem Urvater der Alchemie, ab und trifft auf das Innere einer Hermetosphäre tatsächlich so weit wie möglich zu. “Sphäre” leitet sich vom griechischen Wort für “Kugel” her, steht hier jedoch eher für “Gefäss” (auch wenn Ulf Soltau bewiesen hat, dass Hermetosphären auch kugelrund sein können). Dem Namen nach leben diese Pflanzen also tatsächlich in einem fest geschlossenen Gefäss – sind also weder Wind noch Wetter, und nicht einmal der Giesskanne ausgesetzt.

Und das funktioniert – über Jahre hinweg: Eine wirklich alte Hermetosphäre fand den Weg in die Daily Mail – ihr Besitzer hat seine begrünte Flasche über 40 Jahre lang nicht mehr geöffnet!

Aber wie genau kann das funktionieren? Was unterscheidet die Pflanzenwelt im Glas von der, die wir gewöhnt sind? Und wie könnt ihr euch eine eigene Hermetosphäre anlegen?

 

Stoffe auf der Erde werden im Kreis herumgereicht

 

Im Grunde genommen ist der Flaschen-Urwald gar nicht so ungewöhnlich. Schliesslich ist die Erde selbst eine gewaltige Hermetosphäre (zumindest annähernd), die von der Gravitation zusammengehalten durch die isolierende Leere des Weltalls kreist. Die Stoffe, aus welchen die Erde – einschliesslich des Lebens an ihrer Oberfläche – besteht, kreisen ebenfalls: Keine Verbindung, kein Molekül auf der Erde ist wirklich beständig. Vielmehr werden die Atome darin stets von einer Daseinsform an die nächste weiter gereicht. Und nach der letzten Station folgt wieder die erste.

Der Kohlenstoffkreislauf

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Einer der wichtigsten dieser Kreisläufe für das Leben ist der des Kohlenstoffs. Sämtliche organischen Verbindungen enthalten Kohlenstoff, und aus organischen Verbindungen bestehen alle Lebewesen. Der meiste Kohlenstoff ist jedoch in der Erdkruste gebunden – in Form von Kalk (CaCO3) und anderen Carbonaten. Besonders Kalk ist aber in geringen Mengen wasserlöslich und kann von fliessendem Wasser und etwas Geduld aus dem Gestein gewaschen werden (Verwitterung): Steter Tropfen höhlt eben den Stein.

Wenn Calciumcarbonat in Wasser gelöst wird, entsteht Kohlensäure, deren Moleküle nicht stabil sind:

.

Aus der Kohlensäure entsteht Kohlenstoffdioxid, welches im Zuge der Verdunstung von Gewässern in die Atmosphäre gelangen kann (die besteht in Bodennähe zu 0,03% aus Kohlenstoffdioxid). Beide Reaktionen sind ohne weiteres umkehrbar (und damit Teile von chemischen Gleichgewichten), sodass Kohlenstoffdioxid in Regenwasser gelöst zum Erdboden zurückgelangen und neuen Kalk – neues Gestein – bilden kann (Sedimentation).

Noch spannender als dieser anorganische Kohlenstoffkreislauf ist der organische Kreislauf, der mit dem Anorganischen in Verbindung steht, aber Lebewesen mit ins Spiel bringt. Am Anfang dieses Kreislaufs stehen solche Lebewesen, die aus anorganischen Kohlenstoff-Verbindungen organische Verbindungen herstellen können. Die Biologen nennen sie Produzenten (P) – dazu gehören vornehmlich die Pflanzen, Algen und einige Bakterien. Und zwar die Grünen unter ihnen. Die betreiben nämlich Photosynthese.

In den Chloroplasten, jenen Zellbestandteilen, die die Pflanzen grün erscheinen lassen, können Pflanzen Kohlenstoffdioxid aus der Luft und Wasser zu Glucose (Traubenzucker)  und anderen Kohlenhydraten umbauen:

Diese Reaktion erfordert Energie, die das Licht liefert, welches auf die Grünpflanzen mit ihren Chloroplasten fällt. Bei der Synthese von Glucose mit Hilfe von Licht wird diese Energie in den Glucose-Molekülen zwischengespeichert. Wenn nun andere Lebewesen (Konsumenten, K) die Pflanze mitsamt der Glucose fressen, können ihre Zellen die Glucose zerlegen und die darin gespeicherte Energie nutzbar machen:

Den dazu nötigen Sauerstoff (welchen Pflanzen an die Luft abgeben) atmen diese Lebewesen ein, das Kohlenstoffdioxid atmen sie aus, sodass es von Pflanzen wieder zu Glucose verarbeitet werden kann.

Wenn Pflanzen jedoch absterben, bevor sie gefressen werden, gibt es eine Reihe von Lebewesen – Pilze, einige “niedere” Tiere und viele Kleinstlebewesen (Mikroorganismen) – welche die Überreste abgestorbener Pflanzen (und Tiere) vollständig in anorganische Kohlenstoffverbindungen zerlegen – die Biologen nennen sie deshalb Zersetzer oder “Destruenten” (D).

Zu den anorganischen Kohlenstoffverbindungen zählen das Kohlenstoffdioxid, die Kohlensäure und ihre Salze, die Carbonate. In Form von Kohlenstoffdioxid findet der Kohlenstoff so zur Photosynthese in Pflanzen zurück – der Kreislauf schliesst sich.

 

Der Stickstoffkreislauf

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Ebenso wichtig für Lebewesen wie Kohlenstoff ist auch das Element Stickstoff, welches Bestandteil vieler Biomoleküle, zum Beispiel von Aminosäuren, Proteine, DNA und anderer ist. Die Erdatmosphäre besteht zu rund 78% aus Stickstoff in N2-Molekülen. Die beiden Stickstoff-Atome darin sind jedoch über eine Dreifachbindung sehr fest aneinander gebunden, sodass sie für die meisten Lebewesen nicht nutzbar sind.

Zum Glück haben sich einige Bakterienarten auf die Zerlegung von Stickstoffmolekülen unter grossem Energieaufwand (Stickstofffixierung) spezialisiert. Sie leben in Symbiose mit vielen Pflanzen und stellen aus Luft-Stickstoff Ammoniak her:

Pflanzen können Stickstoff aus Ammonium-Ionen (NH4+), die in Gegenwart von Wasser oder anderen Säuren aus Ammoniak entstehen, direkt in eine vorhandene Aminosäure einbauen “assimilieren” und anschliessend neue Aminosäuren daraus herstellen:

Da die Pflanzen aber, um Ammonium in ihre Wurzeln aufzunehmen, für jedes NH4+ ein H+-Ion abgeben müssen und damit Gefahr laufen “ihren” Boden zu versäuern, bevorzugen sie häufig Stickstoff in Form von Nitrat-Ionen (NO3), die sie in Wasser gelöst ohne Zutun “trinken” können. Die Nitrat-Ionen liefern verschiedene Bakterienarten, die Ammoniak oxidieren können:

Einmal aufgenommen werden die Nitrat-Ionen in den Pflanzen wieder zu Ammoniak bzw. Ammonium-Ionen reduziert und zur Herstellung von Aminosäuren verwendet. Und die werden gebraucht, damit eine Pflanze neue Proteine herstellen und wachsen kann. Deshalb verwenden Gärtner, die nicht darauf warten mögen, dass all die Bakterien im Boden ihre Arbeit tun, Nitrate oder Ammoniumverbindungen als Dünger.

Aus den organischen Bestandteilen absterbender Pflanzen kann schliesslich von den Destruenten unter den Lebewesen Ammoniak abgespalten werden (Ammonifikation), der seinen Weg zurück in den organischen Stickstoffkreislauf findet. Andere Mikroorganismen können hingegen Nitrat-Ionen bis zum elementaren Stickstoff (N2) reduzieren (Denitrifikation), der zurück in die Luft gelangt.

 

Wie ein Stoffkreislauf ins Wohnzimmer kommt

Solche Stoffkreisläufe im Grossen finden auch im Kleinen – in der Hermetosphäre statt! Die Pflanzen entnehmen ihrer Umgebung die Stoffe, die sie zum Leben brauchen, und geben sie früher oder später an ihre Umgebung zurück. Und da zwischen dem Inneren des Glases und der Aussenwelt kein Stoffaustausch stattfindet, geht letztlich nichts verloren. Einzig Energie muss solch einem System regelmässig zugeführt werden um der Thermodynamik gerecht zu werden. Und diese Energie gelangt hauptsächlich in Form von Licht ins Glas.

Um einen Kohlenstoff- bzw. Stickstoffkreislauf in einfachster Form im Kleinen zu betreiben, brauchen wir also:

  1. Luft, die Stickstoff und Sauerstoff, sowie ein wenig Kohlenstoffdioxid enthält
  2. Grünpflanzen als Produzenten, die aus anorganischem Material organische Verbindungen aufbauen können
  3. Bakterien und andere Klein- und Kleinststlebewesen, die organisches Material zu anorganischen Verbindungen abbauen und gegebenenfalls die Aufbereitung von Stickstoff übernehmen können
  4. Wasser als allgegenwärtiges Lösungsmittel und Rohstoff für die Photosynthese
  5. Licht als Energiequelle

Konsumenten stehen nicht auf der Liste. Die würden auch mehr Platz brauchen, als eine handliche Hermetosphäre zu bieten hat. Doch wer sorgt dann dafür, dass die Pflanzen nicht irgendwann das wenige CO2 in der Hermetosphären-Luft aufbrauchen und sie dafür mit Sauerstoff anreichern?

Die vorhandenen Kleinstlebewesen werden das kaum schaffen. Aber das müssen sie auch gar nicht. Pflanzen atmen nämlich ebenso wie alle anderen “aeroben” Lebewesen auch! Sie haben zwar keine Lungen, aber in Pflanzenzellen gibt es ebenso Mitochondrien, wie in den Zellen von Mensch und Tier. Diese kommen vor allem nachts zum Zuge, wenn keine Photosynthese stattfindet. Dann nämlich nehmen Pflanzen über ihre Oberfläche Sauerstoff auf, um damit in ihren Mitochondrien Glucose zu “verheizen” und Energie zu gewinnen.

So kann eine Hermetosphäre gut auf atmende Konsumenten verzichten, ohne dass die Luftzusammensetzung entgleist.

Das gilt übrigens auch für sogenannte fleischfressende Pflanzen (Carnivoren), die mit ausgeklügelten Fallen kleine Tiere festhalten und verdauen können. Diese tierische Nahrung dient den Carnivoren nämlich als zusätzliche, aber nicht als einzige Stickstoffquelle – sie können ihre Nährstoffe auch auf herkömmlichem Weg gewinnen.

 

Die Hermetosphäre zum Selbermachen

Eine Hermetosphäre lässt sich leicht selbst anlegen. Folgendes wird dafür benötigt:

Material

  • Ein fest verschliessbares Gefäss aus Glas oder durchsichtigem Kunststoff: eine möglichst weite Öffnung macht Bepflanzung und Pflege einfach. Das Material sollte farblos sein, da farbige Gläser oder Kunststoffe für die Pflanzen wichtige Lichtbestandteile herausfiltern (mehr zu Licht und Farben)! Meine Hermetosphäre auf dem Artikelbild ist in einem ca. 2-Liter-Vorratsglas mit Dichtungsring angelegt.
  • Material für den Untergrund (“Substrat“), auf dem die Pflanzen wachsen können: Um zu gewährleisten, dass die Stroffkreisläufe funktionieren, ohne dass die Bodenzusammensetzung oder gar der pH-Wert zu stark verändert werden, sollte das Substrat möglichst unbeteiligt am Gesamtgeschehen bleiben. Das heisst vor allem: Es darf möglichst keinen Kalk enthalten! In meiner Hermetosphäre habe ich feinkörnigen Blähton (4 bis 8 mm, für Hydrokultur-Pflanzen, erhältlich im Baumarkt oder Gartencenter) verwendet. Erfahrene “Hermenauten” schwören auch auf Lavagranulat. Beide sind formbeständig und gut durchlässig für Luft und Wasser. Dünger gehört übrigens nicht in eine Hermetosphäre – die damit zusätzlich verfügbaren Stickstoff-Verbindungen würden nur dazu führen, dass die Pflanzen über ihr verfügbares Raumangebot hinaus wachsen würden!
  • Ein dünnes Stück Filz und zwei Magnete: Ein kleines Filz-Stück wird auf einen der Magnete geklebt und von innen an die Gefässwand gelegt. Der zweite Magnet wird von aussen angebracht, sodass er den ersten anzieht und festhält. Dieser “Scheibenwischer” kann am äusseren Magneten über die Gefässwand bewegt werden und die Innenseite reinigen, ohne dass das Glas geöffnet werden muss. Für mein Vorratsglas waren zwei “Supermagnete” (aus Neodym-Eisen-Bor (“NdFeB”), auch die gibt es im Baumarkt – sie sind etwas teurer als einfache Kühlschrankmagnete) nötig, da zwei Kühlschrankmagnete sich durch die dicke Glaswand nicht fest genug anziehen. Der kleine Durchmesser (ca. 5 mm) der Magnete erlaubt zudem, den Scheibenwischer um die Kanten des Gefässes herum zu schieben!
    Magnet-Scheibenwischer

    Magnet-Scheibenwischer von aussen

  • Geeignete Pflanzen: In einer Hermetosphäre herrscht ständig eine Luftfeuchtigkeit von praktisch 100% und es wird darin fast unweigerlich lauschig warm. Unter solch extremen Bedingungen fühlen sich vornehmlich tropische Pflanzen wohl. Im Fachhandel für Terrarienbedarf findet man solche, wie auch manchmal bei Verkaufs-Aktionen von botanischen Gärten. Ich habe im Gartencenter eine kleine Mosaikpflanze (Fittonia) und eine nur 10 bis 12 cm hohe Alocasia (dem Aussehen nach) entdeckt. Erstere steht auf Ulf Soltaus Liste möglicher Hermetosphären-Bewohner, letzterer bin ich (in der grossen Version) schon häufiger in feucht-warmen Gewächshäusern begegnet.
  • Zersetzer (Destruenten): Kleinstlebewesen gibt es in einer Hermetosphäre unweigerlich. Ohne sie würde die Welt in der Flasche auch nicht funktionieren, weshalb es wenig Anlass gibt, den Eintrag von Bakterien und anderen Winzlingen bei der Bepflanzung bewusst zu vermeiden. Um den Kleinsten die Arbeit zu erleichtern, können weisse Asseln oder tropische Springschwänze sehr hilfreich sein. Beide Arten sind nur wenige Millimeter gross und ernähren sich von abgestorbenen Pflanzenteilen und Schimmelpilzen! Man bekommt sie im Fachhandel für Terrarienbedarf, da sie als Putzkolonne für Tropen-Terrarien ebenso beliebt sind wie als Snack für zwischendurch für deren tierische Bewohner. Ich habe weisse Asseln im Netz bei einem Fachhändler für Amphibienhaltung bestellt. In der kalten Jahreszeit ist das jedoch riskant (tropische Tiere haben es nicht gerne kalt), sodass man die Tierchen dann besser direkt beim Händler abholt.
  • Dekoration: Zur Gestaltung von Hermetosphären können verschiedene, witterungsbeständige Materialien zum Einsatz kommen: nicht-kalkhaltige Steine (z.B. Basalt), trockenes, nicht moder-anfälliges Holz oder Xixam-Platten (Baumfarn-Material, im Terrarien-Fachhandel erhältlich) sind nur einige Beispiele. Aus Platzgründen habe ich zunächst auf weitere Dekoration verzichtet.
  • Nützliches Werkzeug: Eine lange Küchenpinzette kann das Bepflanzen tiefer Gefässe erheblich vereinfachen. Eine Ballbrause, wie Bonsai-Züchter sie verwenden, kann zur Reinigung von Glaswänden bzw. zur anfänglichen Bewässerung dienen.

 

Eine Hermetosphäre einrichten:

Die folgende Anleitung beschreibt, wie ich meine erste Hermetosphäre eingerichtet habe, angelehnt an die ausführliche Beschreibung von Ulf Soltau:

  1. Reinige das Glasgefäss aussen und innen gründlich und spüle es mit klarem Wasser aus.
  2. Gib das Substrat (z.B. den Blähton) in ein Küchensieb und spüle unter fliessendem Wasser den Staub ab. Fülle das Glasgefäss zu 10 – 20% in zwei Etappen mit dem (nassen) Substrat:
  3. Nachdem du zwei Drittel des Substrats eingefüllt hast, kannst du die Pflanzen mit der Pinzette oder geschickten Händen (bei grosser Gefässöffnung) platzieren. Da meine Pflanzen vom Gartencenter in Erde kamen, habe ich diese zuvor vorsichtig entfernt und die Wurzeln ebenso vorsichtig unter fliessendem Wasser abgespült. Mit dem letzten Drittel des Substrats bedecke die Wurzeln.
  4. Bodendecker und Moose legst du einfach auf das Substrat.
  5. Je nach Geschmack kannst du die Hermetosphäre mit Dekoration versehen.
  6. Wenn die Glaswände beim Bepflanzen verschmutzt worden sind, kannst du sie mit der Ballbrause abspülen. Wenn sich dabei zu viel Wasser im Gefäss sammelt, lasse es einige Tage offen stehen, bis das überflüssige Wasser verdunstet ist.
    Ulf Soltaus Faustregel: Die richtige Wassermenge ist erreicht, wenn das Substrat nass, aber kein Wasser am Gefässboden sichtbar ist!

    Da ich Substrat und Pflanzen nass eingebracht habe und die Wände sauber blieben, musste ich weder Wasser zugeben noch verdunsten lassen.

  7. Setze die Zersetzer ein: Ich habe einige weisse Asseln mitsamt etwas von ihrem Zucht-Substrat (in welchem sie geliefert wurden) auf einem langen Löffel gesammelt und auf dem Boden meiner Hermetosphäre platziert. Die Tierchen verkriechen sich zudem gerne unter Rindenstückchen, die dann mitsamt der Asseln in die Hermetosphäre gelegt werden können. Ich habe die Asseln übrigens problemlos erst einige Tage nach dem Einrichten der Bepflanzung eingesetzt.
  8. Wenn alles beisammen ist und der Wassergehalt stimmt, schliesse das Gefäss und stelle es an einem möglichst hellen Ort auf. Direkte Sonneneinstrahlung ist aber unbedingt zu vermeiden, da die Sonne die Hermetosphäre innerhalb weniger Minuten stark aufheizt!

Hermetosphäre ganz

Pflege einer Hermetosphäre

Die kleine Welt in der Hermetosphäre ist erhält sich weitestgehend selbst: Wasser und Nährstoffe werden in geschlossenen Kreisläufen herumgereicht. Die Bevölkerung mit Zersetzern passt sich dabei der Gefässgrösse und dem Nahrungsangebot an.

Es ist jedoch nicht ungewöhnlich, dass gleich am Anfang einzelne Blätter absterben. Diese kammst du dann mit der Pinzette entfernen, um eine Belastung durch organischen Abfall gering zu halten.

Eine Hermetosphäre muss daher weder gegossen noch gefüttert oder gar gedüngt werden. Da sich jedoch unweigerlich Kondenswasser an den Glaswänden niederschlagen wird (vornehmlich an den kühleren, oft einem Fenster zugewandten Seiten), solltest du das Gefäss regelmässig drehen. So bekommen die Pflanzen gleichmässig von allen Seiten Licht, und Algenbildung an immer feuchten Wänden kann vorgebeugt werden. Zusätzlich kannst du die Wände jederzeit mit dem Magnet-Scheibenwischer reinigen.

Darüber hinaus kannst du deine Stoffkreisläufe im Glas nun einfach bestaunen und die Entwicklung der Hermetosphäre beobachten. Einzig etwa einmal im Jahr solltest du den Wassergehalt zu überprüfen und gegebenenfalls nachfüllen. Denn Wassermoleküle sind so winzig, dass sie früher oder später durch jede noch so kleine Ritze entweichen können.

 

Fazit

Meine Pflanzen fühlen sich nach 5 Tagen in der Hermetosphäre noch sichtlich wohl. Ich hoffe nun sehr, dass mir die Alocasia (die ich eigentlich sehr viel grösser kenne) nicht über den Kopf wachsen wird (sollte sie dank begrenztem Stickstoff-Vorrat eigentlich nicht können). Falls doch, werde ich mich irgendwann nach einem grösseren Glas umsehen müssen…

Die weissen Asseln zeigen sich seit dem Einsetzen nicht mehr. Das ist jedoch kein Wunder, sind sie doch nur im Dunkeln richtig aktiv. Es scheint mir aber, sie machen an einigen angeschlagenen Blatträndern der Fittonia durchaus ihren Job.

Ich bin nun sehr gespannt, wie diese Welt im Glas sich entwickeln wird. Wenn es Neues gibt, werde ich hier ein “Update” hinterlassen. Und ich bin sicher, dass diese erste Hermetosphäre nicht meine Einzige bleiben wird!

Und habt ihr auch schon einmal eine Hermetosphäre angelegt? Oder habt ihr es vor? Welche Erfahrungen habt ihr gemacht?

Heute darf ich einen Gast in Keinsteins Kiste begrüssen! Maike Köster alias Miss Declare schreibt auf ihrem Blog über die Chemie in Nahrung und Kosmetik, über Technik und was Frauen sonst noch interessiert. Heute hat Maike einen spannendes Stück ihrer “Heim-Laborausrüstung” dabei, das sich bereits bei einem interessanten Schulprojekt gut bewährt hat.

Dieser Artikel enthält Links aus dem Amazon-Partnerprogramm (gekennzeichnet mit (*) ) – euch kosten sie nichts, mir bringen sie vielleicht etwas für meine Arbeit ein.

Hallo, ich bin Maike von Miss Declare und habe mich auf der Suche nach einem Nanoteilchen in Keinsteins-Kiste verirrt.

Habt ihr das Nanoteilchen gesehen? Nein? Das ist auch gar nicht so leicht, denn die kleinen Teilchen haben ihren Namen vom griechischen Wort „nanos“ bekommen, was Zwerg bedeutet.

Und das sind die Nanoteilchen auch: Zwerge, denn ein Nanometer ist ein Milliardstel Meter also 10-9m bzw. 0,000000001m.

Damit ihr euch das besser vorstellen könnt, nehmt euch doch mal ein einziges Haar in die Hand. Das ist schon sehr, sehr dünn, oder? Ein Nanopartikel ist aber noch 50.000mal kleiner und deswegen mit dem menschlichen Augen nicht zu finden.

was ist nano 2

CC-BY-SA 4.0 by Maike Köster

Mit dem Kosmos Experimentierkasten „Nanotechnologie“ auf der Suche nach den Zwergen

Weil ich das Nanoteilchen nicht finden konnte, habe ich mich mit dem Kosmos Experimentierkasten Nanotechnologie auf die Suche nach den kleinen Zwergen gemacht.

Der Experimentierkasten

Experimentierkasten_klein

CC-BY-SA 4.0 by Maike Köster

Schon beim Öffnen fühlt man sich mit dem Experimentierkasten gut aufgehoben, denn eine bedruckte Folie bietet eine gute Orientierung, ohne dass man jemals von Begriffen wie Petrischale oder Deckelheber gehört haben müsste. Hier findet man alle Geräte auf einen Blick. Für diesen Experimentierkasten ist auch fast alles an Zubehör dem Kasten beigelegt. Zubehör, welches nicht beiliegt, ist aber in jedem Haushalt zu finden (z.B. Küchenwaage).

Kasten von innen_klein

CC-BY-SA 4.0 by Maike Köster

Unter der Folie findet ihr eine Anleitung, die 41 gängige Nano-Experimente enthält und auch für Kinder bzw. Jugendliche leicht verständlich ist, außerdem liegt einen Spielplan bei, der durch die Experimente führt.

Spielplan_klein

CC-BY-SA 4.0 by Maike Köster

Bei den Experimenten nimmt die Schwierigkeit der Versuche immer mehr zu, dabei sind Experimente, die sehr banal sind und so auch für Grundschulkinder geeignet; andere Versuche übersteigen jedoch sogar das Oberstufenniveau und erfordern so ein hohes Maß an physikalisch-chemischen Grundkenntnissen.

Deine Experimente_klein

CC-BY-SA 4.0 by Maike Köster

Die Experimente werden in 5 Gruppen eingeteilt:

  1. Größen & Oberflächen

Die Einführung in die Welt der kleinen Zwerge: Hier werden Fragen wie „Wie groß ist denn eigentlich ein Nanometer“ oder „Warum hat die Größe Einfluss auf die Eigenschaften der Teilchen“ mit teilweise banalen Experimenten beantwortet.

  1. Moleküle, Wasser & Lotuseffekt

Habt ihr schon mal von dem Lotuseffekt gehört? Bestimmt, denn als Lotuseffekt wird der Effekt der gering benetzbaren Oberfäche bezeichnet. Den findet ihr z.B. bei vielen Regenjacken, aber das und mehr lernt ihr in dieser Experimentiergruppe.

  1. Schwebende Teilchen & Mischungen von Stoffen

Welche Stoffe mischen sich miteinander, welche nicht? Und können Teilchen schweben? Nach diesen Experimenten wisst ihr mehr.

  1. Wellen und Licht

Ein einfaches Indiz für das Vorliegen von kleinen Teilchen ist der Tyndall-Effekt. Was und warum das so ist und viele Beispiele findet ihr hier.

  1. Oberflächen und Haftung?

Schon mal einen Gecko gesehen? Ja? Aber wisst ihr was dieser mit der Nanotechnologie zu tun hat? Nach diesen letzten Experimenten bestimmt.

Der Kosmos Experimentierkasten kostet momentan ca. 55€ (zum Beispiel hier: Kosmos 631727 – Nanotechnologie Experiment (*) und wird für Jugendliche ab 15 Jahren empfohlen.

Diese Altersempfehlung kommt wahrscheinlich daher, dass der Experimentierkasten die leicht entzündliche Flüssigkeit Propanol enthält und dieser bei falscher Anwendung gesundheitsschädlich wirken kann.

Unter Anleitung der Eltern ist dieser Experimentierkasten jedoch auch für Kinder ab dem Grundschulalter geeignet, denn die Nanowelt lässt Groß & Klein immer wieder staunen, bei noch jüngeren Kindern eignen sich die Effekte auch zum Vorzaubern durch Eltern, ältere Geschwister oder Großeltern.

Anleitungsheft_klein

CC-BY-SA 4.0 by Maike Köster

Auch wissenschaftlich interessierte Jugendliche finden an diesem Experimentierkasten bestimmt Gefallen, denn für begeisterte Jungchemiker werden chemische Fachbegriffe eingeführt und die spezifischen Eigenschaften von Stoffen näher gebracht.

Alles in allem ist dieser Experimentierkasten genau das Richtige für alle, die sich auf die Suche nach den Zwergen machen, und weckt die Neugier bei Groß & Klein mehr über Wissenschaft zu lernen.

Und damit auch ihr euch jetzt auf die Suche nach dem Zwerg machen könnt, habe ich euch ein Experiment aus dem Kosmos Experimentierkasten Nanotechnologie mitgebracht.

Experimente_klein

CC-BY-SA 4.0 by Maike Köster

Experiment: Wasserabweisende Schicht aus Kohlenstoff

Material:

  • Eine Holzklammer oder eine Wäscheklammer
  • Einen unbeschichteten Objektträger oder ein Stück Spiegel / Plastik
  • Ein Teelicht
  • Eine Pipette
  • Ein Glas
  • Ein Feuerzeug
  • Eine Untertasse
  • Etwas Wasser

Durchführung:

  1. Fülle etwas Leitungswasser in das Glas und stelle die Kerze auf die Untertasse
  2. Nun klemmst Du den Objektträger in die Wäscheklammer ein und zündest die Kerze an
  3. Halte den Objektträger etwa 1 cm über die Kerzenflamme und warte, bis sich eine schwarze Schicht bildet.
Achtung: Bitte halte den Objektträger nicht direkt in die Flamme!
  1. Sobald sich die schwarze Schicht gebildet hat, pustest Du die Kerze aus und legst den Objektträger mit der schwarzen Schicht nach oben zeigend auf die Untertasse und lässt diesen abkühlen.
  2. Nun tropfst Du einige Tropfen Wasser auf die schwarze Schicht. Was passiert?

Was passiert?

Toll, Du hast gerade deine eigene wasserabweisende Schicht aus Nanopartiklen erzeugt und damit den Zwerg gefunden!

Warum?

In der Flamme der Kerze verbrennt das Wachs, welches aus organischen Molekülen besteht, zu Wasserdampf und Kohlenstoffdioxid.

Der Wasserdampf und der Kohlenstoffdioxid steigen in die Luft auf, aber da nicht alle Moleküle vollständig verbrannt werden, entstehen aus den verschiedenen langen Kohlenwasserstoffketten beim Auftreffen auf den Objektträger zwergenhaft kleine, schwarze Rußpartikel. Nach einiger Zeit sammelt sich immer mehr Ruß am Objektträger, wodurch die schwarze Schicht entsteht.

Und warum ist diese Schicht wasserabweisend?

Ganz einfach, die Rußschicht hat hydrophobe Eigenschaften, das heißt, dass diese Schicht Wasser gar nicht mag und sich deswegen Tropfen bilden, die von der Schicht weg rollen.

Und habt ihr die Nanoteilchen gefunden? Dann schreibt es doch in die Kommentare.

Eure,

Maike von Miss Declare

Kürbis und Kaltes Feuer : Halloween

Dieser Beitrag erscheint anlässlich des ersten Blogging Day – organisiert vom wunderbaren Bloggerforum auf meinbloggerforum.de – und neu auch im Rahmen der Kürbis-Blogparade auf “Gesundheit lenkt Energie”

Halloween ist ein Inbegriff für lange, dunkle Nächte, für Grusel und Geistererscheinungen, die gemäss altem Brauch in der Nacht vor Allerheiligen auf Abstand gehalten werden sollen. In der heutigen Zeit bedeutet Halloween jedoch vielmehr Partyspass und angenehm-schauerliche Events.

Ob es  um historische Schreckgespenster oder neuzeitliche Party-Geister geht, beim nächtlichen Spuk sind rätselhafte Lichteffekte, geisterhaftes Leuchten und kaltes Feuer, unverzichtbar.

Diese ‘Geschichte’ lüftet das Geheimnis von drei Sorten gespenstischer Lichtphänomene, mit welchen du auch deiner Halloween-Party einen magischen Gänsehauteffekt verleihen kannst.

Fluoreszenz

Kathi und Reto arbeiten eifrig an ihrer Halloween-Dekoration. Reto ist in der Küche beschäftigt, möchte einen Kürbis schnitzen, als plötzlich ein derber Fluch ertönt.

“Das Messer ist abgebrochen”, erklärt Reto, als Kathi aufgeschreckt herbeigestürzt kommt, “so wird das nichts mit dem Schnitzen…”

“Dann nimm doch den hier, und zeichne dem Kürbis das Gesicht einfach auf.” Kathi drückt ihrem Freund einen Filzschreiber in die Hand und ist schon wieder im Wohnzimmer verschwunden.

Kurz darauf tönt es aus der Küche: “Was soll denn das? Die Tinte sieht man ja gar nicht!”

“Du wirst sie schon sehen!”, ruft Kathi zurück, während sie eben eine ziemlich schwarzviolette Glühbirne in die Lampe auf der Fensterbank schraubt, “zeichne einfach und dann bring den Kürbis hier rüber!”

Was hat Kathi vor?

Die dunkelblaue, fast schwarz erscheinende Lampe strahlt nur wenig sichtbares, dafür aber umso mehr ultraviolettes Licht ab. Die unsichtbare Tinte des Filzstifts, mit dem Reto das Kürbisgesicht zeichnen soll, enthält eine fluoreszierende Substanz. Das ultraviolette bzw. “Schwarz”-Licht kann diese Substanz zum Leuchten, zur Fluoreszenz anregen und das Gesicht auf dem Kürbis sichtbar machen.

Halloween einmal feuerfest: fluoreszierendes Kürbis-Gesicht - nur unter UV-Licht sichtbar!

Fluoreszenz: Dieses Kürbisgesicht wird erst unter UV-Licht (380 nm) offenbart!.

Was ist Fluoreszenz?

Das Leuchten unter Schwarzlicht, das man auch Fluoreszenz nennt, kommt im Prinzip genauso zu Stande wie die Farben, die wir bei sichtbarem Licht sehen: Auf den fluoreszierenden Stoff fällt Licht, einzelne Lichtquanten werden von Elektronen in der Elektronenhülle der Atome darin geschluckt und zum Umzug auf ein passendes, höheres Energieniveau ‘verwendet’.

Die meisten Lichtquanten aus Kathis schwarzer Glühbirne haben jedoch besonders kurze Wellenlängen und sind damit für das menschliche Auge unsichtbar (man findet dieses Licht im Lichtspektrum jenseits des violetten sichtbaren Lichts, weshalb man es “ultraviolettes”, kurz UV-Licht nennt). Eine kürzere Wellenlänge bedeutet jedoch auch eine grössere Energie, mit welcher ein UV-Lichtquant ein Elektron auf eine besonders hohe Energie-Etage in der Elektronenhülle befördern kann.

Von dort kann das Elektron in zwei Schritten auf seine Ausgangsetage – in den Grundzustand – zurückkehren (“die Treppe benutzen”). Das Geheimnis des Fluoreszierens beruht dabei auf der Länge dieser beiden Schritte.

In einem fluoreszierenden Molekül ist einer dieser Schritte nämlich so klein, dass das Elektron bei seiner Überwindung nur wenig Energie, also ein Lichtquant mit sehr langer Wellenlänge abgeben muss. Solches Infrarot-Licht ist für das menschliche Auge ebenfalls unsichtbar. Der andere Schritt ist folglich um einiges länger – so lang, dass das Elektron bei seiner Überwindung  ein sichtbares Lichtquant abgibt: Dessen Energie ist hoch genug, um nicht infrarot zu sein, aber klein genug, um auch nicht ultraviolett zu sein.

Fluoreszenz

Fluoreszenz: Elektronen werden mittels UV-Licht in einen hoch angeregten Zustand gebracht (1). Das Elektron kehrt in zwei Schritten in den Grundzustand (3) zurück Dabei entspricht ein Schritt der Abgabe eines unsichtbaren Infrarot-Lichtquants, der andere der Abgabe eines sichtbaren Lichtquants.

Retos Fluoreszenz-Filzschreiber-Farbstoff fluoresziert gelblich: Die Elektronen in dessen atomarem Hochhaus überwinden also auf ihrem Rückweg in den Grundzustand einen Abstand, der einem gelben Lichtquant entspricht. Andere Moleküle können jedoch andere Abstände haben. Ein Rubin (der nicht nur als Laser-Lichtquelle taugt), fluoresziert zum Beispiel rot, wieder andere Stoffe blau oder grün.

Welche Stoffe können fluoreszieren?

LED-Lampen (also Leuchtdioden, z.B. in Taschenlampen), die UV-Licht leuchten, bekommt man heute preiswert (in der Schweiz für unter 10 CHF) im Elektro-Handel. UV-Leuchtstoffröhren oder “Energiespar”-Lampen sind unter Umständen etwas teurer. Aber mit beiden lässt sich leicht herausfinden, welche Stoffe in UV-Licht fluoreszieren.

Einer der alltäglichsten fluoreszierenden Stoffe ist wahrscheinlich Kalk (Calciumcarbonat, CaCO3), der mit UV-Licht beleuchtet ebenso hellgelblich fluoresziert wie Retos Spezialtinte. So zeigt ein Rundgang mit der UV-Lampe durch das abgedunkelte Badezimmer deutlich, wo nachlässig geputzt wurde und enttarnt selbst bei normalem Licht unsichtbare Kalkablagerungen. Auch der Kalk in unseren Zähnen fluoresziert weisslich.

Waschmittel enthalten häufig sogenannte optische Aufheller. Das sind Stoffe, die bei der Wäsche in Textilien haften bleiben und in UV-Licht, zum Beispiel in der Disco, für das bläulich-weisse Leuchten weisser T-Shirts verantwortlich sind.

Mit Absicht werden fluoreszierende Stoffe in Geldscheine und Ausweisdokumente eingearbeitet um ihre Fälschungssicherheit zu erhöhen. Mit UV-Licht beleuchtet offenbaren sie häufig überraschendes (Geheimtipp: Der EU-Führerschein (die Plastikkarten-Version) ist besonders spektakulär!).

Fluoreszenz für dein Halloween:

Mit einem UV-Filzschreiber lässt sich nahezu alles zeichnen und mit UV-Leuchtmitteln (“Schwarzlicht”) gespenstisch in Szene setzen – als künstlerische Bearbeitung der Dekoration im Partyraum oder als raffinierte Details auf Kostüm und Accessoires.

Nur die eigene Haut und zum Essen gedachte Lebensmittel sollten nicht auf diese Weise dekoriert werden: UV-Filzschreiber enthalten Lösungsmittel wie Xylol, die gesundheitsschädlich sein können (Reto und Kathi wollen die Schale ihres Kürbis’ natürlich nicht essen, sodass sie die getrost bemalen können!).

Dafür gibt es eine breite Palette von Kosmetik- und Bodypainting-Produkten mit fluoreszierenden Farbstoffen, die für ein wahrhaft gruseliges Make-Up verwendet werden können, wenn eine Halloween-Party mit Schwarzlicht ansteht. Zudem dürfte dort auch das klassische Bettlaken-Gespenst zum geisterhaft-glühend weissen Blickfang werden.

 Phosphoreszenz

Da  UV-Leuchtmittel doch recht teuer sind und im Dauerbetrieb laufend Strom verbrauchen, hat Kathi sich noch etwas ausgedacht, um ihren Kürbis auch bei ausgeschalteter Lampe schaurig glühend in Szene zu setzen. In der Halloween-Ecke im Kaufhaus hat sie deshalb nach Artikeln mit der Kennzeichnung “glow in the dark”, zu Deutsch “leuchtet im Dunkeln”, gesucht.

Und das ganz ohne Stromanschluss. Zumindest fast – denn bevor solche Gegenstände im Dunkeln leuchten, müssen sie von einer hellen Lichtquelle – der Sonne oder einer Lampe – eine Zeit lang beleuchtet werden. Wenn man das Licht dann ausmacht, leuchten sie viele Minuten, wenn nicht sogar Stunden hell gelb-grünlich vor sich hin, ohne warm zu werden oder gar Strom zu brauchen.

Halloween einmal feuerfest: phosphoreszierende Kunststoff-Maden

Phosphoreszenz: Dieses Arrangement stand zuvor auf dem Balkon, um in der Sonne aufzuladen. Plötzlich tönte es von dort: “KAAATHII! Hast du den Kürbis gesehen? DEN willst du garantiert nicht mehr essen!! — Keine Sorge, Reto: Diese Maden sind aus Kunststoff und phosphoreszieren sogar im Dunkeln!.

Wie funktioniert das?

Diese Erscheinung, Phosphoreszenz genannt, ist wiederum eine besondere Eigenschaft bestimmter Stoffe. Auch in diesen schlucken Elektronen Lichtquanten (in diesem Fall sichtbares Licht aus der hellen Lichtquelle) und ziehen damit auf ein höheres Energieniveau um. Das besondere an diesen  Energieniveaus ist jedoch, dass die Elektronen extrem lange Zeit darin verbleiben können (Minuten oder gar Stunden, während sie in ‘normalen’ Atomen und Molekülen binnen winziger Sekundenbruchteile in den Grundzustand zurückkehren!).

So können die Elektronen phosphoreszierender Stoffe von sichtbarem Licht angeregt werden und die Energie der geschluckten Lichtquanten speichern, bis das Licht aus ist und die Party läuft, um sie dann im Laufe der Zeit in Form von Lichtquanten wieder abgeben, die die gleiche Wellenlänge haben wie das zuvor geschluckte Licht.

Phosphoreszenz

Phosphoreszenz: Elektronen werden durch sichtbares Licht angeregt (1). In einem phosphoreszierenden Stoff können Elektronen eine längere Zeit im angeregten Zustand verbleiben (2), ehe sie die zur Anregung geschluckte Energie wieder abgeben (3).

Welche Chemikalien/Stoffe phosphoreszieren?

Die “Phosphoreszenz” ist nach dem Element Phosphor (genauer gesagt nach weissem Phosphor) benannt, welcher einen Glow-in-the-dark-Effekt zeigt. Dessen Entdecker ahnte jedoch nicht, dass es sich dabei vielmehr um eine Form der Chemolumineszenz (siehe unten) handelt. Die Leucht-Farbstoffe in Glow-in-the-Dark-Accessoires bestehen meist aus Kristallen, in welche einzelne Fremdatome eingebaut sind.

Phosphoreszenz für dein Halloween:

Ob als fiese Maden, geisterhafte Spinnen oder weithin sichtbares Vampir-Gebiss: Glow-in-the-dark-Accessoires gibt es zu Halloween in reichlicher Auswahl und kommen in möglichst dunkler Umgebung besonders gut zur Geltung. Für ganz Kreative gibt es sogar Malfarben, die phosphoreszierende Stoffe enthalten. In jedem Fall sollten sie unmittelbar vor ihrem Einsatz kräftig mit Lichtquanten aus einer Lampe “aufgeladen” werden.

 Chemolumineszenz

“Und was machen wir mit dem anderen Kürbis, den ich schon ausgehöhlt habe?”, fragt Reto schliesslich. “Wenn wir da eine Kerze hineintun, wird immer einer von uns im Wohnzimmer aufpassen müssen, wenn sie brennt…”

“Ich weiss etwas Besseres”, wirft Kathi rasch ein, bevor Reto noch anfügen kann ‘…und ich weiss auch schon, wer das sein wird…’.

“Das hier habe ich auch im Kaufhaus gefunden”, erklärt sie und hält einen kleinen Kunststoffstab in die Höhe, der mit einer knallroten Flüssigkeit gefüllt ist. “Einmal knicken, und wir haben – hoffentlich für ein paar Stunden – kaltes Feuer: Gruselig rot leuchtend und ganz ohne Strom und Brandgefahr!”

Halloween einmal feuerfest: Kürbis mit Chemolumineszenz

Chemolumineszenz: Ein Knicklicht (links im Vordergrund) sorgt für gruselige Kürbisbeleuchtung ganz ohne Feuergefahr!

Wie will Kathi das denn hinbekommen?

Was Kathi da in der Hand hält, ist ein sogenanntes Knicklicht – ein Leuchtstab. Der besteht eigentlich aus zwei Stäben ineinander. Der innere Stab ist aus dünnem Glas und enthält den Stoff Wasserstoffperoxid (H2O2). Darum herum ist eine durchsichtige Hülle aus flexiblem Kunststoff. Im Zwischenraum zwischen Glasstab und Kunststoffhülle sind ein Stoff mit dem Name Bis(2,4,5-trichlorphenyl-6-carbopentoxyphenyl)oxalat, kurz CPPO, und ein Farbstoff, der fluoreszieren kann, eingeschlossen. Da Kathis Knicklicht rot aussieht, ist der Farbstoff darin wahrscheinlich ein Rhodamin (es gibt auch passende Farbstoffe in fast allen anderen Farben).

Knicklicht_Aufbau

Aufbau eines Knicklichts: (1) Kunststoffröhre: schliesst die Chemikalien sicher ein (2) Wasserstoffperoxid im Glasröhrchen (3) CPPO und ein Fluoreszenzfarbstoff (4) Wasserstoffperoxid tritt aus (5) wenn alle Stoffe vermischt sind, leuchtet der Stab (by Pbroks13 (CC-BY 3.0) auf Wikimedia Commons))

Wenn Kathi das Kunststoffrohr knickt, wird es nachgeben, aber nicht kaputt gehen. Anders das Glasrohr in dessen Innerem: Es wird zerbrechen, sodass alle Stoffe miteinander vermischt werden.

Sobald das geschieht, reagiert CPPO mit Wasserstoffperoxid zu zwei neuen Stoffen: 1,2-Dioxetandion und Phenol.

Reaktion_Phosphoreszenz_1

Ein “erhellendes” Molekül entsteht: CPPO reagiert mit Wasserstoffperoxid zu Phenol und 1,2-Dioxetandion (nach cyalume-reactions by Smurrayinchester (CC-BY-SA 3.0 auf Wikimedia Commons))

Das 1,2-Dioxetandion ist ein besonderes Molekül: Es enthält einen Ring aus nur 4 Atomen. Wer einen Molekülbaukasten hat und so etwas nachbauen will, wird feststellen, dass es einiges an Nachdruck und Fingerspitzengefühl braucht, um einen Ring aus 4 Atomen zusammen zu setzen. Wie in solch einem Modell steckt auch in dem wirklichen Molekül mit dem Vier-Ring eine ganze Menge Energie, die es zu einer speziellen chemischen Reaktion mit einem Fluoreszenz-Farbstoff befähigt: Es bringt den Farbstoff zum Leuchten!

Man nimmt an, 1,2-Dioxetandion “nimmt” sich dazu ein einzelnes Elektron aus der Hülle eines Farbstoff-Moleküls und “gibt” es anschliessend zurück – allerdings auf eine höhere Etage im atomaren Hochhaus. Das 1,2-Dioxetandion betätigt sich also als “Aufzug”, der ein Elektron des Farbstoffs mit Energie ausstatten und in einen angeregten Zustand versetzen kann. Es übernimmt damit die Rolle des UV-Lichts bei der Fluoreszenz.

Reaktion_Phosphoreszenz_2

Chemolumineszenz: 1,2-Dioxetandion nimmt ein Elektron eines Fluoreszenzfarbstoffs (“dye”) und gibt es auf ein höheres Energieniveau zurück. Dabei zerfällt 1,2-Dioxetandion in zwei Moleküle Kohlendioxid. Der Farbstoff im angeregten Zustand (“dye*”) gibt die so erhaltene Energie in Form eines sichtbaren Lichtquants (“hv”) ab: Der Farbstoff “fluoresziert” ohne dass UV-Licht zur Anregung nötig ist. (nach cyalume-reactions by Smurrayinchester (CC-BY-SA 3.0 auf Wikimedia Commons))

So kehrt ein angeregtes Elektron wie bei der Fluoreszenz alsbald in den Grundzustand zurück und strahlt dabei ein sichtbares Lichtquant ab. Ein Knicklicht “fluoresziert” also ohne Bestrahlung mit UV-Licht. Da es die Energie für sein Leuchten stattdessen aus einer chemischen Reaktion bezieht, nennt man diesen Vorgang “Chemolumineszenz”.

Chemolumineszenz für dein Halloween:

Knicklichter in allen Farben gibt es für wenige Rappen oder Cent zu kaufen. So lange du sie sachgemäss verwendest, d.h. ihre Kunststoffhülle nicht beschädigst oder sie grosser Hitze (offenes Feuer) aussetzt, sind die darin eingeschlossenen Chemikalien auch nicht gefährlich (entgegen mancher Gerüchte enthalten Knicklichter schliesslich KEINE radioaktiven Stoffe!).

Bedenke aber: Einmal geknickt wird ein Knicklicht bestenfalls einige Stunden leuchten, bis das enthaltene CPPO verbraucht ist – die Reaktion lässt sich, einmal gestartet, nicht mehr anhalten.  Dafür leuchten verbrauchte Knicklichter in UV-Licht weiter: Der enthaltene Farbstoff wird schliesslich nicht aufgebraucht und kann auch “normal” fluoreszieren!

Fazit

Ob mit Schwarzlicht, Glow-in-the-Dark oder erleuchtender Chemie: Zahlreiche geisterhafte Lichteffekte können uns eine gruselige Zeit bescheren. In diesem Sinne: Happy Halloween!

Und mit welchem gespenstischen Lichtzauber sorgst du für ein echt gruseliges Halloween-Erlebnis? 

Letzte Woche hast du hier lesen können, warum viele Stoffe farbig erscheinen und warum wir unsere Welt bunt sehen. Jetzt im Herbst präsentieren sich Farben aber noch wundersamer als sonst: Die im Sommer grünen Blätter von Bäumen und Sträuchern werden gelb, orange und rot: sie ändern ihre Farbe!

Stoffe erscheinen farbig, weil ihre Elektronen Licht mit ganz bestimmten Wellenlängen schlucken und vorübergehend auf ein anderes, erreichbares Energieniveau – eine höhere Etage im atomaren Hochhaus – wechseln können. Wenn sich die Farbe eines Gegenstands ändert, bedeutet das also, dass sich entweder der farbige Stoff darin verändert (und damit die Abstände zwischen den atomaren Hochhaus-Etagen), oder dass der Gegenstand mehrere farbige Stoffe enthält, deren Mischungsverhältnis sich ändert.

Mit dem hier beschriebenen Versuch kannst du nachweisen, dass Blätter von Pflanzen mehrere Farbstoffe enthalten. Dieser Versuch lässt sich bei Beachtung der Anleitung und Sicherheitsanweisungen in diesem Artikel und auf den Chemikalien-Behältern gefahrlos zu Hause durchführen. Kinder experimentieren nur unter der Aufsicht durch Erwachsene! Für Schäden in Folge der Durchführung, insbesondere bei Nichtbeachtung der Anweisungen, übernimmt Keinsteins Kiste keine Haftung.

Grüne Blätter enthalten Chlorophyll, einen grünen bzw. blaugrünen Stoff, der im Rahmen der Photosynthese die Energie absorbierter Lichtwellen in chemische Energie umwandelt. Diese Energie muss dann auf andere Moleküle übertragen werden. Das übernehmen andere Stoffe, die ebenfalls farbig sind: Die Carotinoide sind chemisch mit Vitamin A (beta-Carotin) verwandt und haben ähnlich diesem gelbe, orange bis rotbraune Farben. In einem frischen Blatt werden die Carotinoide jedoch vom Chlorophyll verdeckt bzw. damit vermischt, sodass die meisten Blätter im Sommer saftig grün erscheinen.

Im Herbst stellen viele Pflanzen ihren Photosynthese-Betrieb jedoch ein und machen Winterpause. Das damit überflüssige Chlorophyll in den Blättern wird dabei abgebaut, während die Carotinoide länger in den Blättern verbleiben. Ohne die Abdeckung durch bzw. die Mischung mit Chlorophyll erscheinen uns die Carotinoide nun uneingeschränkt gelb, orange und rot.


Einzelne Farbstoffe werden sichtbar, wenn man sie trennt

Um die einzelnen Farbstoffe im Farbgemisch der Blätter sehen und unterscheiden zu können, müssen wir sie voneinander trennen. Zum Trennen von Stoffen haben Chemiker viele verschiedene Strategien ersonnen, mit welchen sie die verschiedenen Eigenschaften verschiedener Stoffe nutzen. Bei Farbstoffen, die wir allein durch Ansehen unterscheiden können, genügt es diese an verschiedene Orte zu sortieren, an welchen wir sie einzeln betrachten können.

Die passende Strategie dazu wird Chromatographie genannt: Das Farbstoffgemisch wird mit einem Fliessmittel vermengt (auch bewegliche bzw. mobile Phase genannt) und durch eine Art Flussbett (auch ruhende bzw. stationäre Phase)strömen gelassen. Die Farbstoffe verhalten sich dabei wie Treibgut im Fluss: Je nach ihrer Beschaffenheit bleiben sie unterschiedlich stark an Grund und Ufern (also dem Flussbett) des Flusses haften und kommen in einer vorgegebenen Zeit unterschiedlich weit voran. Die unterschiedlichen Treibgutsorten (oder Farbstoffe) können wir dann an verschiedenen Abschnitten des Flussbetts einzeln betrachten.

Um Blattfarbstoffe zu trennen genügt ein Streifen Papier als stationäre Phase, der in einem Honigglas oder ähnlichem, das als Trennkammer dient, aufgehängt wird. Als Fliessmittel, das gemeinsam mit den Farbstoffen die mobile Phase bildet, kann ein Gemisch aus Aceton und Benzin verwendet werden.


Vorbereitung für einen Versuch: Trennung von Blattfarbstoffen mittels Papier-Chromatographie

Wichtig! Lies dir die folgende Anleitung bis zum Ende durch, bevor du mit einem Versuch beginnst! Sie enthält wichtige Hinweise zu möglicherweise gefährlichen Stoffen und zur richtigen Entsorgung von Abfällen!

Für die Papier-Chromatographie zur Trennung von Blattfarbstoffen brauchst du:

  • grüne (im Herbst auch gelbe und/oder rote) Blätter von Pflanzen (z.B. Ahorn-Blätter)
  • Zeichenblock
  • Aceton (ein Lösungsmittel, das man im Baumarkt im Malerbedarf bekommt)
  • Fleckbenzin (aus der Drogerie oder Apotheke)
  • Mörser und Stössel
    oder eine kleine, stabile Glas- oder Keramik-Schale und ein Werkzeug zum Zerstossen (wenn du mehrere Farbstoffgemische gleichzeitig trennen möchtest, empfehle ich für jedes Gemisch einen eigenen Mörser)
  • sauberen Sand (eine Messerspitze je Farbstoffgemisch)
  • ein leeres, sauberes Honig- oder Marmeladenglas mit Deckel und möglichst geradem Boden
  • Zwei Pasteur-Pipetten oder andere Dosierhilfen für kleine Flüssigkeitsmengen (z.B. Nasentropfen-Deckelpipetten aus der Drogerie)
  • Stecknadeln mit Kopf
  • Schere, Bleistift
  • Einen passenden Ort zum Experimentieren:
    Aceton und Benzin sind leicht flüchtig und sollten nicht unnötig eingeatmet werden! Arbeite deshalb im Freien oder in einem gut durchlüfteten Raum auf einer abwischbaren, lösungsmittelfesten Unterlage (kein Kunststoff!). Am Experimentierplatz und vor allem beim Experimentieren wird nicht gegessen, getrunken oder geraucht! Benzin und Aceton und ihre Dämpfe sind leicht entzündbar! Achte darauf, dass die Chemikalienflaschen wann immer möglich geschlossen sind. Da die Farbstoffe sehr lichtempfindlich sind, solltest du zudem bei gedämpftem Licht (in keinem Fall bei direkter Sonneneinstrahlung) und zügig arbeiten können.
  • Ich empfehle dir zudem eine Schutzbrille zu tragen:
    Lösungsmittel können die Augen reizen. Bei Augenkontakt mit den Flüssigkeiten wasche die Augen gründlich (10 Minuten lang!) aus und gehe danach im Zweifelsfall zum Augenarzt. Mit Schutzbrille ist es jedoch sehr unwahrscheinlich, dass Lösungsmittel-Spritzer in deine Augen gelangen.

So bereitest du den Versuch vor

Zur Vorbereitung des Versuchs (hier ist weder Eile noch Lichtschutz nötig) schneide von einem Zeichenblock-Bogen (Din A4) einen Querstreifen von 3 bis 5 cm Breite ab und führen ihn senkrecht in das offene Honigglas, bis er den Boden berührt. Markiere die Höhe des Glasrandes auf dem Streifen und falte ihn ca. 1 mm unter der Markierung. Schneide den Bereich “oberhalb des Glases” in der Mitte senkrecht ein bis zum Falz, sodass du nun einen Halbstreifen nach vorn, den anderen nach hinten knicken kannst. Wenn du den Papierstreifen nun wieder in das Glas hängst, sodass die beiden Halbstreifen auf dem Rand aufliegen, sollte der ungeteilte Streifen senkrecht und gerade hängen und unmittelbar über dem Glasboden enden. Das ist unsere stationäre Phase.

Vorlage Chromatographie-Streifen

Muster für die Vorbereitung der stationären Phase:Der Streifen Zeichenblock-Papier ist quer dargestellt. Das rechte Ende entspricht unten und wird später in die Flüssigkeit in der Trennkammer getaucht. Fliessmittel und Farbstoffe laufen (bzw. steigen) im Versuch nach oben (entlang der Pfeilrichtung, die hier nach links dargestellt ist).

Nimm den Papierstreifen erst einmal wieder aus dem Glas. Fülle dann 8 ml (oder 8 gut gefüllte Pipetten) Fleckbenzin und 2 ml ( 2 gut gefüllte Pipetten) Aceton in das Glas. Sollte der Glasboden nicht ganz bedeckt sein, gib noch etwas mehr Benzin und Aceton im Verhältnis 4 : 1 hinzu. Schraube den Deckel auf das Glas, damit die Lösungsmitteldämpfe (du wirst sie riechen) nicht entweichen können.


Wie du die Farbstoffe aus den Blättern bekommst

Ab jetzt solltest du deinen Experimentierplatz vor direkter Sonneneinstrahlung bzw. Beleuchtung schützen und ohne längere Unterbrechung arbeiten können.

Gib eine Messerspitze Sand in einen Mörser. Zerschneide ein grünes (oder gelbes oder rotes) Ahornblatt in kleine Stücke (ich schneide das Blatt dazu alle 3 bis 5 mm längs ein und dann senkrecht dazu, sodass kleine Quadrate oder Rechtecke im Rechenkästchenformat entstehen) und gib die Schnipsel in den Mörser. Gib gerade so viel Aceton dazu, dass Flüssigkeit im Mörser sichtbar bleibt – in meinem Espressotassen-Mörser waren das eine, höchstens zwei Nasentropfen-Pipetten.

Aceton und Benzin müssen in einer Sondermüll-Sammelstelle entsorgt werden! Indem du kleinstmögliche Mengen verwendest, die im Idealfall in kurzer Zeit verdunsten, vermeidest du unnötigen Abfall und bestenfalls den Gang zur Sammelstelle!

Zermahle die Blattschnipsel mit Sand und Aceton einige Minuten lang gründlich (sollte das Aceton dabei verdunsten, gib einfach noch ein paar Tropfen hinzu), bis das Aceton sich tief grün (oder gelb oder rot) gefärbt hat. Diese Lösung sollte möglichst viel Farbstoff in möglichst wenig Aceton enthalten. Eventuell überschüssiges Aceton kannst du einfach verdunsten lassen (den Behälter vor Licht schützen!).


Wie du die Chromatographie startest

Schiebe die Blattschnipsel beiseite und kippe den Mörser mit der Farbstofflösung etwas, sodass du die Flüssigkeit über dem Sand stehen siehst. Tauche einen Stecknadelkopf in die Lösung und tupfe die Flüssigkeit unten auf deinen Papierstreifen. Der Farbtupfer muss später oberhalb des Flüssigkeitsspiegels im Glas verbleiben! Ich habe meine Tupfer daher ca. 1 cm über dem unteren Streifenrand angebracht.

Lasse den ersten Tupfer kurz antrocknen und tupfe weitere Lösung auf dieselbe Stelle. Wiederhole das Auftragen, bis der Farbtupfer deutlich sichtbar und von intensiver Farbe ist. Dann schraube das Honigglas auf und hänge den Streifen wieder hinein, sodass sein Ende in die Flüssigkeit darin taucht. Lege den Deckel umgekehrt wieder auf die Glasöffnung, um die Lösungsmitteldämpfe am Entweichen zu hindern. Bewege das Glas jetzt nach Möglichkeit nicht mehr.

Chromatographie-Streifen im Honigglas

Papier-Chromatographie im Honigglas:Links der Papierstreifen, welcher die stationäre Phase bildet, mit einer getrennten Farbspur (aufgenommen nach dem Versuch); Rechts befindet sich der Streifen in der Honigglas-Trennkammer. Der graue Rand unten zeigt, wie weit das Papier in die Flüssigkeit eintaucht. Der zweite, nach hinten gecknickte Halbstreifen der Aufhängung wird hier durch den Deckel verdeckt.


Wie du deine Versuchsergebnisse sicherst

Die Flüssigkeit wandert von unten nach oben in den darin eintauchenden Papierstreifen – anfangs sehr schnell, später zunehmend langsamer. Dabei schwemmt sie die verschiedenen Farbstoffe unterschiedlich weit mit. Lasse den Versuch ca. 15 Minuten lang, maximal so lang, bis die Flüssigkeit den Falz fast erreicht hat, laufen, bevor du den Papierstreifen aus dem Glas nimmst und damit den Fluss stoppst. Schraube das Glas anschliessend gleich wieder zu.

Sieh dir die Verteilung der Farben an, während du den Streifen kurz trocknen lässt (die Lösungsmittel verdunsten sehr schnell, sodass das Papier im Nu trocken sein sollte). Markiere die farbigen Banden mit Bleistift und beschrifte sie. Da die Farbstoffe sich am Licht nach wie vor schnell zersetzen, können die Markierungen ggfs. für spätere Versuche als Referenz dienen. Wenn du Fotos machen möchtest, dann tu das am besten gleich nach dem Versuch, so lange die Farben noch am deutlichsten sichtbar sind. Der trockene Streifen lässt sich überdies zwischen den Seiten eines Buchs oder in einer geschlossenen Schachtel lichtgeschützt aufbewahren.

Papierchromatographie von grünen Blättern

Ergebnis der Chromatographie eines Farbstoffauszugs aus einem noch grünen Ahorn-Blatt: Beide Chlorophyll-Varianten sind deutlich zu sehen. Ausserdem haben sich die besser beweglichen Carotinoide vom etwas langsameren Lutein abgesetzt.

Wenn du die Farbstoffe aus einem grünen Blatt getrennt hast, solltest du von unten nach oben folgende Banden sehen können:

  • Startpunkt: Einige Stoffe wandern nicht erkennbar bzw. gar nicht, sodass der ursprüngliche Tupfen, nun gelblich-grau, immer noch sichtbar ist
  • gelbgrün: Chlorophyll B : Diese Variante des Chlorophylls wandert in Papier am langsamsten.
  • blaugrün: Chlorophyll A : Diese Variante des Chlorophylls wandert etwas schneller als Chlorophyll B.
  • gelb: Lutein (Xanthophyll) : Dies ist ein gelboranger Carotin-Farbstoff, der z.B. auch Eigelb gelb färbt.
  • orangegelb: einige weitere Carotinoide wandern noch schneller und damit weiter als Lutein.

Farbtupfer aus gelben Blättern enthalten keine sichtbaren Chlorophylle mehr, weshalb die Banden für Chlorophyll A und B bei solchen fehlen. Rote Blätter enthalten ebenfalls noch gelbe Carotinoide. Die roten Farbstoffe lösen sich weniger gut in Aceton und bewegen sich im beschriebenen Versuch nicht sichtbar vom Startpunkt fort.

Zum besseren Vergleich können auch mehrere Farbgemische auf einem breiten Papierstreifen nebeneinander untersucht werden.

Papierchromatographie von bunten Herbst-Blättern

Papier-Chromatographie mit mehreren Proben: Rechts eine weitere Probe von dem grünen Blatt aus dem ersten Versuch, in der Mitte eine Probe des Auszugs aus einem gelben Ahorn-Blatt, links aus einem dunkelroten Ahorn-Blatt. Das grüne Blatt enthält deutlich sichtbar Chlorophyll, das gelbe und rote Blatt nicht. Die Carotinoide und das Lutein sind bis an den Falz gewandert und dort gestaut worden (stoppe den Versuch, bevor das passiert!). Die roten Farbstoffe in der linken Probe haben sich nicht vom Startpunkt wegbewegt.


Weitere Chromatographie-Versuche

Enthalten Blätter von verschiedenen Pflanzenarten die gleichen Farbstoffe? Enthalten rote bzw. gelbe Lebensmittel (z.B. Gemüse, Früchte, Paprika-Gewürz) auch Carotinoide? Wie sieht es mit gelben und roten Blütenblättern aus?

Diesen Fragen kannst du mit weiteren Versuchen gemäss dieser Beschreibung einfach nachgehen. Fallen dir vielleicht noch mehr ein?


Entsorgung von Abfällen

Schraube das Honigglas nach dem Experimentieren gut zu, um den Rest des Fliessmittels für spätere Versuche aufzuheben. Mörser mit zermahlenen Blättern lasse über Nacht draussen (auf dem Balkon oder der Terrasse) stehen, bis die Lösungsmittelreste darin verdunstet sind. Blattreste und Sand kannst du dann in den Rest-Abfall geben. Lösungsmittelreste, die nicht verdunstet sind, müssen in einer Sondermüll-Sammelstelle abgegeben werden. Fülle sie dazu in eine fest verschliessbare Flasche aus Glas oder Polyethylen (PE) bzw. Polypropylen (PP) (andere Kunststoffe werden eventuell von Aceton aufgelöst!) und lagere sie licht- und wärmegeschützt, bis du sie zur Abfall-Sammelstelle bringen kannst.

Fazit

Grüne Ahorn-Blätter enthalten zwei Varianten des Chlorophylls, den Carotin-Farbstoff Lutein und andere Carotinoide. Im Herbst werden die Chlorophylle schnell abgebaut, die Carotinoide wesentlich langsamer, sodass die Blätter sich gelb, noch später rot verfärben. Mittels Papier-Chromatographie mit Aceton/Benzin lassen sich Chlorophylle und Carotinoide mit wenig Zeitaufwand trennen.

Und die Farbstoffe welcher Pflanzenarten hast du getrennt?

Hast du das Experiment nachgemacht:

Blatt-Chromatographie: Hat das Experiment bei dir funktioniert?

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