Experiment: DIY – Taschenwärmer für kalte Wintertage
Aus gegebenem Anlass habe ich auch an diesem Montag ein Experiment für euch: Denn es ist arktisch kalt draussen. Da kommen euch Taschenwärmer mit Sicherheit sehr gelegen. Und die könnt ihr aus ganz einfachen Zutaten aus dem Haushalt selbst machen – und euch mit einem ganz ungefährlichen Chemie-Trick warm halten! Und so macht ihr euch eure eigenen DIY – Taschenwärmer :
Ihr braucht dazu
- Soda (Natriumcarbonat, zum Beispiel Waschsoda oder Backpulver)
- Haushaltsessig (bzw. Essigessenz)
- Einen wasserdichten Plastikbeutel (zum Beispiel einen „Ziplock“-Beutel)
- Die Aluminiumhülse eines Teelichts
- Ein Gefäss mit hohem Rand
- Kochtopf, Herd, Backofen, Rührstab
- Ein ganz sauberes Glasgefäss
- Evtl. Trichter und Filterpapier (z.B. einen Kaffeefilter)
- eine Schutzbrille (das ist sicherer, damit nichts in eure Augen spritzt)
Wie ihr einen Taschenwärmer herstellt
Zuerst müsst ihr Natriumacetat herstellen
Das ist das spezielle Salz, das ihr später in den Taschenwärmer füllt. Ihr könnt es auch in der Apotheke oder Drogerie kaufen – dann könnt ihr diesen Abschnitt überspringen. Aber das wäre dann ja nur ein halbes DIY.
Gebt für einen kleinen Handwärmer etwa 250 ml Haushaltsessig (das sind ca. 10% Essigsäure gelöst in Wasser) in das Gefäss mit dem hohen Rand.
Essig und Soda: Wenn ihr sie abmessen möchtet, helfen Messbecher und Waage. Diesen Messbecher benutze ich übrigens nur fürs Experimentieren! Für die Küche habe ich einen eigenen – das ist sicherer.
Gebt langsam(!) etwa 25 g Soda dazu. Das Gemisch wird stark aufschäumen! Wenn ihr die Soda langsam hinzugebt, schäumt es nicht über. Wenn sich die Soda vollständig unter Schäumen gelöst hat, gebt langsam noch etwas mehr dazu, bis das Aufschäumen nachlässt (Ihr könnt die passende Menge auch genau ausrechnen, wie ich es beim Start meiner Essig-Carbonat-Rakete gezeigt habe). Rührt dabei immer gut um!
Wenn ihr ganz sicher gehen wollt, könnt ihr den pH-Wert der Mischung mit einem pH-Streifen überprüfen: Essig ist eine Säure, die einen Universalindikatorstreifen rot färbt (pH < 7). Wenn die Säure durch die Soda neutralisiert ist, färbt sich der Streifen grün (pH = 7). Dann ist euer Mischungsverhältnis genau richtig. Wenn ihr zu viel Soda – eine Base – hinzu gebt, wird der Streifen blau (pH > 7). Falls das passiert, gebt einfach noch ein paar Tropfen Essig dazu, bis der pH-Wert stimmt.
Ihr habt nun eine Lösung des Salzes Natriumacetat in Wasser. Gebt diese in ein Gefäss, das ihr erhitzen könnt, und lasst das Wasser auf dem Herd einkochen. In meinem relativ grossen Kochtopf ist die Flüssigkeit breit auf der Herdplatte verteilt – so verdampft sie schneller als in einem engen Gefäss.
Den ausrangierten Kochtopf benutze ich zum Kochen nicht mehr. Zum Experimentieren taugt er aber noch: Es bilden sich bereits Dampfbläschen in der Lösung.
Der zurückbleibende weisse Feststoff darf nicht heisser als 324°C werden – ab dieser Temperatur zerfällt das Natriumacetat! Passt daher gut auf und nehmt den Topf von der Platte, sobald kein Wasser mehr sichtbar ist (wenn ihr meinen Beitrag über Schmelz- bzw. Verdampfungswärme gelesen habt, wisst ihr, dass siedendes Wasser nicht heisser als 100°C werden kann).
Das Wasser ist verdampft – jetzt kratze ich das feuchte Salz aus dem Topf.
Stellt das noch feuchte Natriumacetat anschliessend ca. 45 Minuten bei 150°C in den Backofen, um es ganz zu trocknen.
Umgefüllt in ein handliches Gefäss (nicht zwingend nötig) kann das Natriumacetat nun trocknen.
Bereitet jetzt die Füllung für den Taschenwärmer vor
Während das Natriumacetat trocknet, schneidet ihr ein handliches Plättchen aus dem Boden der Aluminium – Teelichthülse. Das Metall ist so dünn, dass es sich problemlos mit einer Küchenschere schneiden lässt. Legt den Plastikbeutel und das Plättchen bereit. Bringt schliesslich noch etwas Wasser zum Kochen.
Das mittlere Teil kommt in den Taschenwärmer.
Stellt das Natriumacetat auf der Herdplatte bereit (ich habe es der Handlichkeit wegen vor dem Trocknen und jetzt noch einmal umgefüllt – das ist aber nicht zwingend nötig). Gebt ein wenig kochendes Wasser dazu (je 1 ml Wasser auf 9 g Natriumacetat!) und schaltet sofort die Herdplatte ein, sodass das Gemisch weiterhin beinahe kocht. Wenn ihr gut umrührt, löst sich das Salz vollständig im heissen Wasser. Falls nicht, gebt tropfenweise mehr Wasser hinzu.
Links: Hier muss ich noch etwas rühren. Rechts: Das Salz hat sich vollständig aufgelöst. Jetzt noch schnell filtrieren, dann ist die Füllung für den Taschenwärmer fertig!
Jetzt wird es ein wenig kniffelig: Wärmt euren Trichter am besten vor, indem ihr ihn unter fliessendes heisses Wasser haltet (verbrüht euch eure Finger aber nicht!). Legt das Filterpapier ein und filtriert die heisse Lösung schnell in das sehr saubere Gefäss. Ich habe das saubere Gefäss dazu auf die noch heisse Herdplatte gestellt, denn die Lösung darf bei diesem Schritt nicht abkühlen!
Ihr habt nun eine heisse, klare Natriumacetat-Lösung, die keinerlei sichtbaren Partikel mehr enthält. Bewegt diese Lösung möglichst nicht mehr und lasst sie an der Raumluft abkühlen. Dabei sollte die Flüssigkeit klar und – natürlich – flüssig bleiben. Falls beim Abkühlen Kristalle entstehen, erwärmt den Behälter noch einmal auf der Herdplatte, bis die Kristalle verschwunden sind und lasst ihn wieder abkühlen.
Jetzt könnt ihr euren Taschenwärmer füllen und benutzen
Giesst die abgekühlte Natriumacetat-Lösung vorsichtig in den Plastikbeutel. Fügt das ausgeschnittene Aluminium-Plättchen hinzu und verschliesst den Beutel fest.
Wenn euch kalt ist, knickt das Plättchen (es muss dabei in der Flüssigkeit liegen), bis der Inhalt des Beutels fest zu werden beginnt. Ihr werdet merken: Sobald das Natriumacetat fest wird, wird es ziemlich warm!
Zugegeben: Mein Ziplock-Beutel ist etwas zu gross für das Bisschen Natriumacetat. Aber das macht nichts: Warm wird es trotzdem – das Thermometer beweist es!
Haltet den Beutel in den Händen oder steckt ihn in eine Tasche und geniesst die Wärme!
Ihr könnt diesen Taschenwärmer ausserdem beliebig wiederverwenden:
Legt den Beutel mitsamt Inhalt in kochendes Wasser und die Natriumacetat-Kristalle werden sich wieder auflösen. Lasst den Beutel langsam abkühlen. Wenn euch wieder kalt ist, knickt das Metallplättchen erneut, sodass wiederum Kristalle entstehen und dabei Wärme freisetzen!
Was passiert da?
…Bei der Herstellung von Natriumacetat
Der Taschenwärmer-Trick funktioniert mit einem ganz besonderen Salz, das ihr aus Essigsäure (CH3COOH) und Natriumcarbonat (Na2CO3, Soda) herstellen könnt. Essig ist eine Säure, Natriumcarbonat hingegen eine Base. Beide reagieren miteinander, indem sie sich neutralisieren. Das heisst, aus einer relativ starken Säure und Base entstehen sehr viel schwächer saure und basische Stoffe:
Kohlensäure (H2CO3) ist nicht nur eine sehr schwache Säure, sondern zerfällt zudem leicht in Kohlenstoffdioxid und Wasser:
Das Gas Kohlenstoffdioxid steigt aus der Lösung auf (Deswegen schäumt das Ganze so. Ausserdem ist dieses Gas ein prima Treibstoff für viele andere spektakuläre Experimente!). So erhaltet ihr eine Lösung, die ausschliesslich Natrium (Na+)- und Acetat (CH3COO–)-Ionen enthält. Wenn ihr nun das Wasser einkocht und trocknet, bleibt das feste Salz Natriumacetat übrig:
Warum Natriumacetat „auf Kommando“ fest wird
In warmem Wasser löst sich mehr von einem Stoff als in kaltem Wasser. Das gilt auch für Natriumacetat. Deswegen macht ihr das Wasser so heiss wie möglich, um möglichst viel Natriumacetat in sehr wenig Wasser aufzulösen.
Wenn solch eine heisse Lösung abkühlt, „vergisst“ das Natriumacetat leicht, dass es fest werden sollte. So bleibt auch in kaltem Wasser mehr gelöst, als „erlaubt“ ist. Die Chemiker nennen so etwas eine übersättigte Lösung. Und diese spezielle übersättigte Lösung kann man auch als unterkühlte Schmelze ansehen – denn wenn ihr euren Taschenwärmer genau anseht, nachdem er seine Wärme angegeben hat, werdet ihr feststellen, dass von dem Wasser darin nicht mehr viel zu sehen ist: Nahezu der ganze Inhalt ist zu Kristallen erstarrt!
Ob übersättigte Natriumacetat-Lösung oder unterkühlte Natriumacetat-Schmelze: Das Ganz ist sehr empfindlich. Ein „Tritt in den Hintern“ durch das Knicken des Plättchens oder in der Lösung herumwirbelnde Schwebstoffe oder ein winzigkleiner Natriumacetat-Kristall genügen, um das Salz daran „zu erinnern“, dass es fest zu werden hat. Deshalb muss das Gefäss, indem die Natriumacetat-Lösung abkühlt, so vollkommen sauber sein.
Ansonsten – oder wenn ihr den Prozess durch das Knicken des Metallplättchens gezielt auslöst – geschieht folgendes:
Das heisst, das Wasser, das euch anfangs als Lösungsmittel gedient hat, wird grösstenteils in die Natriumacetat-Kristalle eingebaut. Die Kristalle enthalten also Kristallwasser! Der Stoff rechts vom Reaktionspfeil heisst deshalb korrekterweise „Natriumacetat-Trihydrat“.
Und nun der Trick: Woher die Wärme kommt
Der Umstand, dass es sich bei der Natriumacetat-Lösung in eurem Taschenwärmer eigentlich um eine Schmelze handelt, macht den Trick mit der Wärme möglich: Wie ihr auch an Wasser überprüfen könnt, wird zum Schmelzen Energie – die sogenannte Schmelzwärme – benötigt, die anschliessend der Schmelze innewohnt.
Das gilt auch für eine Natriumacetat-Schmelze, die auf Umwegen, nämlich durch das Auflösen von Natriumacetat in wenig Wasser, entsteht: Die Wärme wird dabei aus der Herdplatte bzw. dem kochenden Wasser in der Lösung „entnommen“ und in der Schmelze gespeichert (d.h. ohne Herdplatte würde das Wasser durch das Auflösen des Natriumacetats abkühlen!). Das heisst, diese Energie verbleibt in der Schmelze auch dann verborgen, wenn sie abkühlt. Erst wenn die unterkühlte Schmelze wieder „auf Kommando“ fest wird, wird diese Energie wieder abgegeben – und eure Hände werden warm!
Ich wünsche euch damit einen warmen Start in die kälteste Woche dieses Winters! Und verratet uns doch: Was tut ihr, um euch warm zu halten?
Hast du das Experiment nachgemacht:
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Wenn etwas nicht oder nur teilweise funktioniert haben sollte, schreibt es in die Kommentare. Ich helfe gerne bei der Fehlersuche!
Ist es auch möglich höher konzentrierte Essigsäure zu verwenden? Wir stellen die Handwärmer als NWT Projekt her und besitzen somit den Zugriff auf bis zu 99 prozentige Essigsäure, würden diese aber gerne auf etwa 50% reduzieren.
Verzeih bitte die etwas verspätete Antwort: Ich bin derzeit auf einem Roadtrip in Australien unterwegs, sodass mir nicht immer die Möglichkeit und Zeit bleibt, Kommentare zu beantworten.
Höher konzentrierte Essigsäure ist kein Problem – einzig mit reiner Essigsäure dürfte das Ganze nach dieser Anleitung nicht gehen, weil die Neutralisation hier ja in wässriger Lösung abläuft. 50% (oder jede andere Konzentration mit nennenswertem Wasseranteil) funktionieren aber wunderbar und haben sogar einen Vorteil: Ihr müsst dann einfach weniger Wasser abdampfen. Einzig die Mengenverhältnisse in dieser Anleitung stimmen dann nicht mehr, aber den Artikel mit der Anleitung für die Berechnung der passenden Verhältnisse (Stichwort Stöchiometrie!) habe ich in dieser Anleitung verlinkt.
Ich habe mich hier übrigens mit 10% Essigsäure begnügt, weil die Anleitung zum Nachmachen im normalen Haushalt gedacht ist – und da bekommt man konzentrierte Essigsäure oder gar „Eisessig“ (leider) nicht so einfach (es sei denn, man wohnt in Deutschland und findet Essigessenz – die funktioniert bei angepasstem Mengenverhältnis natürlich auch.
Viel Spass beim Experimentieren,
Liebe Grüsse aus Down Under,
Kathi „Keinstein“
Hallo,
ist es möglich einen Taschenwärmer mit anderen Salzen zu erstellen?
Z.B. Baiumhydroxid, Magnesiumnitrat oder Magnesiumnitrat+Litiumnitrat?
Ich suche ein Salz mit höherer Schmelztemperatur Ca. 80°
Grüsse Maggie Ellsässer
Hallo,
Ich verstehe nicht ganz, worauf du hinaus möchtest. Die tatsächliche Schmelztemperatur von reinem Natriumacetat liegt bei 300°C, die des Gemischs mit wenig Wasser im Taschenwärmer unter 100°C (sonst liesse sich das feste Gemisch nicht in kochendem Wasser wieder schmelzen). Eine höhere Schmelztemperatur bedeutet letztlich mehr Aufwand zur „Wiederaufladung“ des Taschenwärmers. Warum brauchst du denn eine solche?
Bei der Suche nach einem anderen passenden Salz wären in jedem Fall zwei Fragen zu beantworten:
1. Lässt sich aus dem Salz bzw. seinem Gemisch mit Wasser mit wenig technischem Aufwand eine unterkühlte Schmelze herstellen und bei der gewünschten Temperatur „recyceln“? Die beiden Nitrate sind zumindest ähnlich gut wasserlöslich wie Natriumacetat und zersetzen sich erst bei 300°C oder höher. Die Löslichkeit von Bariumhydroxid ändert sich stark mit der Temperatur – inwieweit sich das nutzen lässt, kann ich auf Anhieb nicht beurteilen. Wahrscheinlich würde dieser Umstand aber ein angepasstes Vorgehen bei der Zubereitung nötig machen. Inwieweit die genannten Salze bzw. deren Gemische mit Wasser unterkühlte Schmelzen überhaupt bilden, kann ich so auf Anhieb nicht beantworten.
2. Sind die verwendeten Stoffe im Alltag sicher handhabbar? Natriumacetat hat den grossen Vorteil, dass es nicht giftig und auch sonst weitestgehend ungefährlich ist. Bariumsalze sind dagegen meistens giftig, aber wenigstens gesundheitsschädlich (so Bariumhydroxid). Bariumhydroxid reagiert überdies stark alkalisch, sodass es ätzend wirkt. Da ist besondere Vorsicht bei der Wahl der Hülle des Taschenwärmers gefragt – denn ein Auslaufen sollte aus genannten Gründen unbedingt vermieden werden. Auch Lithiumnitrat ist gesundheitsschädlich und beide Nitrate überdies brandfördernd. Auch da ist die richtige Wahl der Hülle wichtig und Brandschutzfragen sollten bedacht werden. Ausserdem können Nitrate zur Herstellung von Sprengstoffen verwendet werden, weshalb sie für Privatpersonen auf legalem Weg meist gar nicht erhältlich sind. – Wenn es allerdings um eine reine Labor-Demonstration geht, klären sich bei entsprechender Ausstattung die meisten Sicherheitsfragen von selbst.
Liebe Grüsse,
Kathi
Ich habe als Soda Backpulver verwendet. Beim ersten Versuch ist Salz entstanden, aber beim zugeben von kochendem Wasser ist keine klare Flüssigkeit entstanden. Beim zweiten Versuch ist überhaubt kein Salz entstanden, sondern eine eher etwas dickflüssige milchig-durchsichtige Flüssigkeit. Die Hälfte habe ich stehen lassen und die andere Hälfte habe ich weiter gekocht, aber es ist immer noch kein Salz entstanden. Hat der Versuch zwei vielleicht doch funktioniert oder muss die Flüssigkeit bei Backpulver
auch klar sein?
Hat nicht funktioniert
Hm…das tönt seltsam. Bist du sicher, dass das Backpulver wirklich aus Natriumcarbonat besteht? Es gibt nämlich noch andere, damit verwandte Backpulverbestandteile:
Eigentlich sollte das Ganze auch mit Natriumhydrogencarbonat („Natron“) funktionieren. Davon bräuchte man zwar die doppelte Menge für die gleiche Menge Natriumacetat (das Salz, dass du im ersten Schritt herstellst), aber grundsätzlich lässt sich auch nicht verbrauchter Essig abdampfen, wenn man die Mischung nur lang genug kocht (der Siedepunkt von reiner Essigsäure liegt mit 118°C über dem von Wasser, sodass Essigreste nach dem Wasser verdampfen würden). Dann bliebe einfach weniger Salz übrig als beim Einsatz von Soda. Dafür spräche, dass du im ersten Durchgang aus deinem Backpulver und Essig ein Salz herstellen konntest. Kaliumcarbonat („Pottasche“) und Kaliumhydrogencarbonat bzw. das daraus entstehende Kaliumacetat sollten mit den Natriumsalzen vergleichbare Eigenschaften haben (auch wenn ich nicht aus dem Stehgreif sagen kann, ob sich aus Kaliumacetat ähnlich einfach eine unterkühlte Lösung herstellen lässt wie aus Natriumacetat). Manche Backpulver enthalten auch Ammoniumsalze („Hirschhornsalz“). Bei solchen halte ich es für denkbar, dass beim Neutralisieren bzw. Erhitzen unerwünschte Reaktionen auftreten.
Zum zweiten Schritt: Die Klarheit der heissen Flüssigkeit (Natriumacetat-Lösung) zeigt an, dass sehr wahrscheinlich keine Partikel darin sind, die dazu führen könnten, dass die Lösung beim Abkühlen zu früh fest wird. Wenn die trübe Lösung aber beim Abkühlen flüssig bleibt, hat die Trübung jedoch keinen Einfluss darauf, ob der Taschenwärmer funktioniert.
Ich hoffe, ich kann damit bei der Fehlersuche weiterhelfen,
Liebe Grüsse,
Kathi
Das Problem bei Backpulver ist, dass da noch Stärke enthalten ist. Daher erhält man am Ende leider kein reines Salz…
Hallo,
vielen Dank für die tolle Idee und die ausführliche Anleitung!
Bei mir klappt die Umsetzung leider nicht ganz. Ich glaube, es liegt an der Teelichthülse. Ich kann knicken so viel ich will, es kristallisiert einfach nicht. Wenn ich jedoch einen „Erinnerungskristall“ hinzufüge, wird es wie gewünscht schön warm. Daher gehe ich davon aus, dass bis dahin alles richtig gelaufen ist. Gibt es eine Alternative zur Teelichthülse?
Vielen Dank und Grüße
Bea
Der Taschenwärmer kristallisiert bereits vor dem Knicken
Danke für die Anleitung. Ich habe die Idee einen Metallbehälter mit ein paar Litern Salzlösung auf meinem Kaminofen zu parken. Wenn der Ofen abgekühlt ist, kann man die Lösung aktivieren und hat noch ein wenig Wärme auf Abruf. Metallplättchen scheidet in einem Metallbehälter leider aus, irgendeine Idee wie man das elegant mechanisch von aussen macht? Oder kann man die Lösung irgendwie verunreinigen so dass der Prozess von selbst startet wenn sie abkühlt?