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Chemie mit Globi : Rezension und Gewinnspiel zum Schweizer Vorlesetag #vorlesefieber

Dieser Artikel enthält Affiliate-Links aus dem Affilinet-Partnerprogramm des Orell-Füssli-Verlags (gekennzeichnet mit (*) – (*) ) – euch kosten sie nichts, mir bringen sie vielleicht etwas für meine Arbeit ein. Ich habe für diese Rezension vom Orell Füssli Verlag ein Rezensionsexemplar des Buches und eine Zusage für den Versand eines zweiten Exemplars als Gewinn erhalten. Vielen Dank dafür! Es besteht kein Interessenkonflikt hinsichtlich des Inhalts in diesem Beitrag und dessen Publikation.

Mint&Malve veranstalten anlässlich des ersten Schweizer Vorlesetages am 23.Mai – ausgerichtet vom Schweizerischen Kinder- und Jugendmedien SIKJM – die Blogparade #vorlesefieber , bei welcher sich alles ums Vorlesen dreht. Vorlesen – das ist eine wunderbare Möglichkeit, Zeit mit (seinen) Kindern zu verbringen und sie von Anfang an beim Lernen zu unterstützen – ohne dass die Kinder etwas davon merken! Denn Vorlesen fördert Sprachkompetenz und Kreativität… und kann nebst Nähe auch noch Wissen vermitteln. Um zum Vorlesen und Zuhören zu animieren, finden an 23. Mai in der ganzen Schweiz Veranstaltungen rund ums Vorlesen statt – und hier in der virtuellen Schweiz bloggen wir fleissig zu allem, was eine schöne Vorleserunde ausmacht.

Aber wie passen denn Vorlesen und Naturwissenschaft zusammen? Kann man denn Kindern überhaupt schon so etwas wie Chemie vermitteln? Und sind Lehrbücher nicht selbst dann, wenn sie vorgelesen werden, viel zu trocken für junge Forscher?

Mitnichten! Ich war selbst positiv überrascht als ich zum ersten Mal davon las: Es gibt tatsächlich Kinderbücher, welche den jungen und jüngsten Lesern die Chemie ihrer Alltagswelt näher bringen und zum Erforschen anregen – und das ganz ohne den üblichen negativen Anstrich meines Fachs! Eines davon ist noch dazu made in Switzerland und dreht sich um einen der grössten Helden der Schweizer Kinderliteratur: Ich schreibe von “Chemie mit Globi”!

Globi forscht und entdeckt

…und seine Fans forschen und entdecken mit. In diesem Band der Reihe GlobiWissen macht der stets neugierige Globi sich daran, die Chemie in seiner alltäglichen Umgebung (schliessich ist Chemie überall und alles ist Chemie) zu erforschen. Dabei unterstützt ihn sein Freund, der Chemieprofessor Justus K. Rauch, nach Kräften. Und hinter Justus verbergen sich eine ganze Reihe kluger Chemieprofessoren und Gymnasiallehrer, die im Auftrag der Akademie der Naturwissenschaften Schweiz gründlich darauf geschaut haben, dass alles seine chemische Richtigkeit hat und verständlich ist.

So sind fast 100 farbenfrohe Seiten entstanden, auf welchen Globi und Justus ihre Welt der Stoffe und Reaktionen erkunden – die der Alltagswelt jeder Familie entspricht. Und das Beste ist: Sie verraten sogar, wie man einige ihrer Experimente nachmachen kann, sodass die Leser (bzw. Zuhörer) auch selbst mitexperimentieren können!

Zum Inhalt des Buches

Die Chemie ist ein unglaublich weites Feld, und tatsächlich geht in unserem Leben und unserer Umgebung praktisch nichts ohne sie (denn auch das Leben selbst und die Natur beruhen letztlich auf Chemie). Dementsprechend vielfältig und weit gestreut sind auch die Inhalte von “Chemie mit Globi”. Deshalb gebe ich euch eine Kurzübersicht, was ihr in diesem Buch finden könnt. Und zu fast allen Themen gibt es überdies Experimentieranleitungen zum Selberforschen!

  • Einleitung – ganz nach dem Motto von Keinsteins Kiste: Chemie ist überall – alles ist Chemie – und ein Wimmelbild-Inhaltsverzeichnis
  • Geschichte der Chemie, und ein wichtiger Sicherheitshinweis für alle folgenden Experimente
  • Atome und Elementarteilchen, Periodensystem der Elemente
  • Verbindungen: das Wassermolekül und Reaktionsgleichungen
  • Die Aggregatzustände fest, flüssig und gasförmig und ihre Umwandlungen ineinander
  • Reinstoffe, Stoffgemische und Trennverfahren
  • Metalle, Legierungen, Edelmetalle
  • Säuren und Basen (unter anderem mit dem Versuch mit dem “nackten Ei”) und die Messung des pH-Werts (als Experiment mit Rotkohl)
  • Salze und ihre Flammenfarben, die zum Beispiel dem Feuerwerk seine Farben geben
  • Die Entstehung von Rost
  • Die verschiedenen Erscheinungsformen von Kohlenstoff, Kohlenstoff als Element des Lebens, fossile Brennstoffe
  • Düngemittel und Nährstoffkreislauf in der Natur
  • Kunststoffe aus Erdöl: Langlebigkeit, Recycling
  • Strom durch Chemie: Batterien, Recycling, Leitfähigkeit von Salzlösungen
  • Medikamente sind Chemikalien
  • Gele: Gelatine als Superabsorber, Leim und Klebstoffe
  • Hefen machen Chemie: Sie erzeugen neue Stoffe, z.B. das Gas Kohlendioxid, Gärung
  • Indigo und andere pflanzliche Farbstoffe
  • Seife und die Superwaschkraft
  • Duft- und Aromastoffe aus der Natur
  • Spurensuche dank Erbsubstanz: DNA in der Kriminaltechnik

Zu guter Letzt werden reale ChemikerInnen vorgestellt – wie sie an Universitäten und vielen anderen Betrieben arbeiten, und solche, die weltberühmt geworden sind. So ist es fast unumgänglich, dass die Lektüre Neugier geweckt hat. Und Globi wäre vermutlich nicht Globi, wenn er nicht noch Infos zur Hand hätte, wo ihr euch weitergehend über Chemie-Berufe informieren oder weiter über Chemie und Experimente nachlesen könntet.

Und dass ihr aufmerksam gelesen bzw. beim Vorlesen zugehört habt, könnt ihr auf der letzten Seite des Buches schliesslich mit Globis Chemie-Quiz beweisen.

Mein Eindruck vom Buch

Auf knapp 100 Seiten wird eine grosse Fülle von Themen und Alltags-Phänomenen, die einen vielfältigen Einblick in das unfassbar weite Feld der Chemie gewähren, vorgestellt. Dabei schauen die Autoren nicht davor, auch abstraktere Inhalte wie Elementarteilchen, Elementsymbole und Reaktionsgleichungen einzubringen.

Warum auch – schliesslich haben auch und gerade solche alltagsfremden Dinge grosses Potential, um Neugier zu wecken. So haben mich selbst schon ab 8 Jahren in meinem WasistWas-Buch über Sterne und Astronimie die Skizzen zur Kernfusion mit dem Teilchenmodell am meisten fasziniert. – Indem diese Neugier genutzt wird, wird den Kindern ein einfacher Zugang zu später oft als “schwierig” weil “abstrakt” verschrienen Inhalten ermöglicht. Nichts desto trotz bleibt die Chemie mit Globi stets leicht verständlich.

So können auch die Grossen, die kaum (noch) Ahnung von Chemie haben, beim gemeinsamen (Vor-)Lesen und Experimentieren entdecken und repetieren – und sich so für allfällige Fragen widmen. Die werden nämlich ganz sicher kommen. Denn Globi und die Chemie ist kein umfassendes Lehrbuch – es macht vielmehr neugierig und regt dazu an, sich ohne negativen Vorbehalt mit der spannenden Chemie des Alltags zu beschäftigen.

 

Eckdaten zum Buch

(*)
Chemie mit Globi – Globi forscht und entdeckt

(*)
Globi-Verlag, Imprint Orell Füssli Verlag AG, Schweiz 2011
Hardcover-Ausgabe, 96 Seiten
ISBN 978-3-85703-007-9

Fazit

Chemie vorlesen? Ja, das geht! Das Buch richtet sich zwar vornehmlich an Kinder der Primarstufe (1. bis 6. Klasse), die also schon selbst lesen können oder lernen, aber auch in diesem Alter verbindet das gemeinsame Lesen. Denn manchmal ist es einfach entspannter, jemandem zuzuhören – und diesen Jemand dann auch gleich mit Fragen eindecken zu können, als selbst zu lesen. Und ich habe schon Kindergärtler kennengelernt, die ihre Eltern mit Fragen zu “Ha-zwei-Oh” gelöchert haben (und die Eltern waren dann froh, bei mir und in Keinsteins Kiste Antworten auf so manche Frage zu finden).

Im Übrigen: Niemand ist perfekt…auch nicht Globi. So haben sich aller Umsicht und Mühe zum Trotz ein paar Fehler in diesen Band eingeschlichten. Macht aber nichts, denn der Orell Füssli Verlag bietet die korrigierten Seiten gratis zum Download an. Und wenn ihr euch schon ein wenig mit Chemie auskennt: Findet ihr den groben Fehler gleich auf dem Cover (dem Beitragsbild)? Die Auflösung und alle anderen korrigierten Seiten findet ihr hier!

Gewinnspiel: Chemie mit Globi für euch

Wenn ihr nun neugierig seid und die Chemie mit Globi erforschen möchtet, habe ich noch ein besonderes Schmankerl für euch: Der Orell Füssli Verlag stellt mir ein Exemplar von “Chemie mit Globi”, das ich unter euch verlosen darf! Herzlichen Dank dafür!

Wie ihr am Gewinnspiel teilnehmen könnt

Zur Teilnahme kommentiert diesen Beitrag mit gültiger E-Mail-Adresse (die brauche ich, um euch über euren Gewinn benachrichtigen zu können!) und schreibt, welche Alltagsbeobachtung euch besonders neugierig auf Chemie, Physik und Co macht, oder was euch mit Globi verbindet.

Teilnahmebedingungen

  • Das Gewinnspiel wird von Keinsteins Kiste in Zusammenarbeit mit dem Orell Füssli Verlag veranstaltet. Vielen Dank für die Bereitstellung und den Versand des Preises!
  • Das Gewinnspiel startet am 15. Mai 2018 und endet am 31. Mai 2018 um 24.00 Uhr.
  • Die Teilnahme am Gewinnspiel ist kostenlos.
  • Ihr müsst mindestens 18 Jahre alt sein (Liebe Kinder: Tut euch mit euren Eltern, Grosseltern oder anderen Erwachsenen zusammen!).
  • Ihr müsst eine Post-Adresse in der Schweiz, Deutschland oder Österreich haben, an welche der Gewinnpreis versandt werden kann.
  • Gewinnpreis ist ein Exemplar des Buches “Chemie mit Globi”.
  • Es gibt 1 Los für einen Kommentar mit gewünschtem Inhalt (s.o.).
  • Eine Auszahlung des Gewinns in bar ist nicht möglich. Der Rechtsweg ist ausgeschlossen.
  • Der Gewinner wird ausgelost und per eMail benachrichtigt. Dabei wird er darum gebeten, der Weitergabe seiner Postadresse an den Orell Füssli Verlag zuzustimmen, damit der Gewinn direkt vom Verlag versandt werden kann.
  • Die Gewinne gelten auf den Namen der teilnehmenden Person und sind nicht auf Drittpersonen übertragbar. Sofern die Ausschüttung eines Gewinns an einen in der Ziehung ermittelten Gewinner nicht möglich ist, weil eine Gewinnbenachrichtigung und/oder Gewinnzustellung scheitern und nicht binnen eines Monats nach der Ziehung nachgeholt werden können, verfällt der Gewinnanspruch.
  • Der Veranstalter behält sich das Recht vor, das Gewinnspiel aus sachlichen Gründen jederzeit ohne Vorankündigung zu modifizieren, abzubrechen oder zu beenden.

Und nun wünsche ich euch viel Spass beim (Vor-)Lesen, Forschen, Experimentieren und Mitspielen!

Deko im Frühling mit Superabsorber

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

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

 

Superabsorber statt Pflanzenerde für Zwiebelblumen

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

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

 

Ihr braucht dazu

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

Material : Zwiebelpflanzen, Hydroperlen, leere Gläser

Wie ihr eure gläsernen Topfpflanzen setzt

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

  • Schätzt ab, wieviele (Milli)Liter Wasser in die Gefässe passen würden, die ihr bepflanzen wollt. Entnehmt der Verpackung so viele Perlen bzw. Kristalle, wie ihr laut Angaben auf der Packung für dieses Volumen braucht. Achtung! Das sieht nach verdammt wenig aus, aber das passt schon: Ihr habt die grosse Überraschung ja noch vor euch!

    Hydroperlen bzw. Hydrokristalle für etwa 600ml Wasser

    Das sind genug Hydroperlen für die zwei Gläser oder insgesamt 600 Milliliter Wasser!

  • Verteilt die Hydroperlen bzw. Hydrokristalle auf die leeren Gefässe entsprechend ihrer Grösse. Dann füllt die Gefässe mit Wasser auf.

    Hydroperlen bzw. Hydrokristalle in Wasser

    Die Hydroperlen in den Gläsern, gleich nach dem Auffüllen mit Wasser. Und wirklich: Das genügt!

  • Stellt die Gefässe dorthin, wo sie nicht stören und deckt sie ggfs. gegen Staub ab (z.B. Deckel lose auflegen). Schaut in den nächsten Minuten bzw. Stunden immer mal wieder nach den Gläsern: Schon in den ersten Minuten werden die Perlen/Kristalle merklich wachsen und dabei zunehmend durchsichtiger erscheinen.

    Superabsorber in Aktion: Hydroperlen trocken und nach einer Nacht im Wasser

    Nach einer Nacht: So gross sind die Perlen geworden!

  • Nach einer Nacht sind meine Perlen von ursprünglich rund 2 mm im Durchmesser auf sage und schreibe 12 mm angewachsen und füllen die Gläser fast vollständig! Wenn es bei euch so weit ist, giesst das übrige Wasser ab.

    Superabsorber: Hydroperlen bzw. Hydrokristalle nach einer Nacht in Wasser

    Am nächsten Morgen: Die Hydroperlen sind über Nacht gewachsen und haben fast alles Wasser aufgesogen!

Jetzt könnt ihr mit dem Bepflanzen beginnen.

  • Wenn ihr bereits ausgetriebene Blumenzwiebeln umsetzt: Nehmt die Zwiebeln aus dem Topf und befreit die Wurzeln vorsichtig von der Erde (die könnt ihr zum Gärtnern aufheben). Spült die Wurzeln dann gründlich unter fliessendem Wasser, bis sie blitzsauber sind.
  • Nehmt einen Teil der Hydroperlen bzw. Hydrokristalle aus eurem Pflanzgefäss, legt sie in einem anderen Behälter beiseite (die Perlen sind jetzt elastisch wie Gummibälle – passt auf, dass sie euch nicht davonspringen!).
  • Platziert die Zwiebel mit den Wurzeln nach unten im Gefäss und füllt die Zwischenräume zwischen den Wurzeln behutsam mit den beiseite gelegten Perlen bzw. Kristallen auf (die Superabsorber gehen nicht so leicht kaputt, die Pflanzenwurzeln können dagegen recht empfindlich sein).

    Zwiebelblumen in Hydroperlen: Frühlings-Deko im Labor-Style

    Fertig! Jetzt heisst es geduldig warten!

  • Wenn die Zwiebel stabil untergebracht ist, platziert das Gefäss an einem hellen, nicht zu warmen Ort (wenn es nicht mehr friert auch draussen). Zwiebelblumen wie Krokusse, Narzissen und andere Frühlingsblüher sind für kühles Frühlingswetter geschaffen und welken bei zu hoher Raumtemperatur schnell.
  • Freut euch die nächsten Wochen an eurer Forscher-Frühlingsdeko und beobachtet die Pflanze und ihre Wurzeln beim Wachsen! Die Hydroperlen oder -kristalle werden mit der Zeit wieder schrumpfen, wenn das Wasser verdunstet oder die Pflanze davon trinkt. Insgesamt sollten die Pflanzen aber bis zu zwei Wochen ohne Giessen auskommen! Danach giesst einfach etwas Wasser nach, und die Superabsorber sollten wieder aufgehen.

 

Was passiert da?

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Was genau sind eigentlich Superabsorber?

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

Die Superabsorber unter den Polymeren haben zwei besondere Eigenschaften:

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

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

Woraus meine (und höchstwahrscheinlich auch eure) Hydroperlen bestehen

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

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

Wie funktionieren Superabsorber?

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

Mit Osmose zum Gel

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

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

Wo finden Superabsorber sonst noch Verwendung?

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


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

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

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Entsorgung

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

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

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

DIY Taschenwärmer mit Natriumacetat

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

Ihr braucht dazu

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

Das braucht ihr für einen DIY Taschenwärmer

Wie ihr einen Taschenwärmer herstellt

Zuerst müsst ihr Natriumacetat herstellen

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

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

Essig und Soda für den Handwärmer

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

 

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

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

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

Natriumacetat-Lösung auf dem Herd

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

 

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

Natriumacetat nach dem Abdampfen

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

 

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

Natriumacetat im Ofen

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

Bereitet jetzt die Füllung für den Taschenwärmer vor

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

Das mittlere Teil kommt in den Taschenwärmer.

Das mittlere Teil kommt in den Taschenwärmer.

 

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

Natriumacetat löst sich in heissem Wasser.

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

 

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

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

Jetzt könnt ihr euren Taschenwärmer füllen und benutzen

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

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

Handwärmer in Aktion

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

 

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

Ihr könnt diesen Taschenwärmer ausserdem beliebig wiederverwenden:

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

Was passiert da?

…Bei der Herstellung von Natriumacetat

Der Taschenwärmer-Trick funktioniert mit einem ganz besonderen Salz, das ihr aus Essigsäure (CH3COOH) und Natriumcarbonat (, 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 () 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 ()- und Acetat ()-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?

Was macht man, wenn man das nass-kalte Winterwetter satt hat und sich nach dem Frühling sehnt, der aber noch weit weg ist? Man geht dahin, wo es warm ist! Viele Zoos haben auch im Winter einladende Behausungen für Tiere und Pflanzen aus aller Herren Länder – auch solchen, in welchen es stets warm und häufig sonnig ist.

Der “ZOOh” in Zürich wartet diesbezüglich mit einem besonderen Leckerbissen auf: Der riesigen Masoala-Regenwaldhalle, in welcher man sich kurzerhand in den Dschungel auf Madagaskar versetzen lassen kann – auch mitten im Winter!

Nicht nur dort, sondern auf dem ganzen Zoo-Gelände habe ich bei unserem jüngsten Besuch viele faszinierende Tiere entdeckt, die sich Physik oder Chemie auf teils spektakuläre Weise zu Nutze machen. So kommen selbst Forscher, die sich mehr für diese beiden als für die Biologie der Tiere interessieren, im ZOOh voll auf ihre Kosten.

Hinter diesem Beitrag steht KEINE Kooperation mit dem ZOOh in Zürich, d.h. es gibt keine Vereinbarung über eine Gegenleistung – ich gehe liebend gern in den Zoo und bin nicht zuletzt der räumlichen Nähe wegen in Zürich Stammgast. Dieser Beitrag ist damit eine ausschliesslich persönliche Empfehlung aus Eigeninitiative!

Der zoologische Garten – zum Lernen und für den Artenschutz

Wenn ihr einmal nach Zürich kommt (oder sogar in der Nähe lebt), ist der Zoo für Naturfreunde immer einen Besuch wert. Wunderschöne und leider oft vom Aussterben bedrohte Tiere können hier in meist hochmodernen Anlagen bewundert werden. Diese Tiere werden hier oder in anderen Zoos ausserdem nachgezüchtet, womit sich die zoologischen Gärten aktiv an der Erhaltung der Arten beteiligen. Damit die genetische Vielfalt dabei erhalten bleibt, tauscht man den Nachwuchs gerne untereinander, d.h. von Zoo nach Zoo aus.

Viele Anlagen in Zürich sind zudem nach Naturreservaten rund um den Globus benannt, mit welchen der Zoo in enger Verbindung steht. So ist er auch am Schutz der Tiere in ihrer jeweiligen Heimat beteiligt. Und der fängt damit an, unsereinem ohne grossen Aufwand eine Weltreise zu ermöglichen und die Tiere und ihre Heimat kennen zu lernen. Denn inzwischen sind alle sieben (Teil-)Kontinente im ZOOh vertreten:

  • Asien mit Trampeltieren, indischen Löwen und Elefanten
  • Afrika mit den Dschelada-Pavianen und den Bewohnern der Masoala-Regenwaldhalle
  • Europa in Form der Storchenkolonie auf dem Zoogelände und mehreren Eulen-Arten
  • Südamerika mit zwei Lama-Arten und dem Flachlandtapir
  • Nordamerika mit Reptilien wie der Sidewinder-Klapperschlange
  • Australien mit einer neuen Anlage, die im März 2018 ihre Tore öffnet!
  • Die Antarktis – mit gutem Willen – mit den Königspinguinen (die leben tatsächlich auf Inseln etwas nördlich der Antarktis, doch ich lasse sie als kleine Brüder des Kaiserpinguins gerne durchgehen)

Das sind natürlich nur Beispiele für die vielen verschiedenen Arten, die es hier zu entdecken gibt.

Damit ihr bei eurem Zoobesuch inmitten der Artenvielfalt einen roten Faden habt, habe ich euch ein Quiz rund um die Physiker und Chemiker unter den Tieren im ZOOh zusammengestellt.

Wie das Quiz funktioniert

Nehmt die folgenden Fragen als Printable oder auf eurem Mobilgerät mit in den Zoo und haltet dort die Augen offen: Welche Tierarten werden in den einzelnen Abschnitten beschrieben? Die Tiere sind in keiner bestimmten Reihenfolge aufgelistet. Ihr könnt euch im ganzen Zoo frei bewegen und so die Anlagen in beliebiger Reihenfolge besuchen.

Tragt jeweils den deutschen Arten-Namen des gesuchten Tiers (wie auf der jeweiligen Beschreibungs-Tafel angegeben, Einzahl, ä = ae, ö = oe, ü =ue) in die Liste ein. Die markierten Buchstaben ergeben ein Lösungswort, das ihr als Password eingeben könnt, um hier eure Experten-Urkunde herunter zu laden!

Wie ihr zum ZOOh kommt

In Zürich ist das Parkieren teuer. Deshalb reist ihr am einfachsten mit dem Zug nach Zürich an. Vom Hauptbahnhof (“HB”) lauft ihr etwa 300 Meter zur Tram-Station “Central” und fahrt von dort mit dem Tram Nummer 6 in Richtung Zoo bis ganz nach oben zur Endstation. Von dort aus folgt ihr einfach den Tierspuren bis zum Haupteingang. Genaueres, auch zu Öffnungszeiten und Eintrittspreisen, erfahrt ihr auf der Homepage des Zoos!

Während der Anreise könnt ihr euch die Vorfreude übrigens wunderbar versüssen, indem ihr schon einmal die spannenden Infos zu den Tieren in den Quizfragen lest.

Wenn Zürich zu weit weg ist

Natürlich könnt ihr das Quiz auch in einem oder mehreren anderen Zoos (ein einziger anderer Zoo, der alle gesuchten Tiere hält, ist vermutlich schwer zu finden), mit Hilfe des Internets oder schlauer Bücher lösen.

Die gesuchten Tiere

Die lebende Batterie

Was ihr Menschen erst mit Hilfe von Sonne, Wind und Wasser mühsam erzeugen und in Batterien abfüllen müsst, trage ich in meinen eigenen Zellen bei mir!

Jede zweckentfremdete Zelle meiner elektrischen Organe ist eine winzigkleine Batterie, die ich mit der Energie aus meiner Körperchemie aufladen kann. Das funktioniert wie bei Muskelzellen – nur dass meine elektrischen Zellen sich nicht zusammenziehen, sondern ihre Ladung speichern.

Da all meine aufladbaren Zellen in Reihe geschaltet sind – wie die Batterien einer grossen Taschenlampe – können sie, wenn sie sich alle miteinander entladen, bei einer Gesamtspannung von bis zu 600 Volt für einige Sekunden einen Strom von bis zu 0,83 Ampere erzeugen. Das ergibt eine Leistung von 415 Watt – für einen Augenblick genug für den Betrieb eines Haarföhns.

Also ärgere mich lieber nicht, sonst bekommst du noch einen Schlag ab!

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Doppelklebeband frei Haus

Meine kleineren Verwandten sind dafür bekannt, dass sie senkrecht oder gar kopfunter an Wänden, Zimmerdecken oder dem Glas ihres Terrariums hängen. Das kann ich auch, obwohl ich als Grösster meiner Familie bis zu 35cm lang und entsprechend schwer werde!

Möglich ist mir das dank unzähliger mikroskopisch winziger Härchen an meinen Fusssohlen, die zusammen eine wahnsinnig grosse Oberfläche haben. Und die vielen, vielen Moleküle auf dieser Oberfläche ziehen die Moleküle von Glas und Mauern an, bzw. werden von diesen angezogen.

So ergeben auch hier viele winzigkleine Effekte in der Summe einen Grossen: Meine Füsse kleben förmlich an der Oberfläche, ohne dass sie untrennbar damit verbunden wären. Übrigens nur, wenn es nicht zu nass ist: Auf einem Wasserfilm komme sogar ich ins Rutschen!

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Auch Tiere schätzen Lebensmittelfarben

Ich bin für meine auffällige, zuweilen als kitschig empfundene Farbe bekannt. Die ist aber nicht in meinen Genen festgeschrieben. Stattdessen nehme ich die Farbstoffe – es handelt sich um Carotinoide, die ihr z.B. von Herbstblättern, Eidotter bzw. als Vitamin A kennt – mit der Nahrung auf.

Hier im Zoo bekomme ich deshalb zum üblichen Futter extra orange Krevetten-Schwänze serviert, damit ich auch so ausschaue, wie ihr mich kennt!

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Hier stimmt die Chemie

Ich lebe eng mit einem giftigen Tier zusammen, das eigentlich mehr wie eine Pflanze erscheint. Diesen Partner zu berühren hat denn auch für die meisten Lebewesen einiges mit der Begegnung mit einer Brennnessel gemein: Es tut weh, und wer nicht aufpasst, wird gelähmt und gefressen.

Mir passiert das nicht, denn ich schmiere mich mit dem Schleim von der Oberfläche meines WG-Partners sein, sodass dieser glaubt, ich sei ein Teil von ihm selbst! Dafür gewinnt mein Partner aus meinen Hinterlassenschaften wertvolle Nährstoffe. So eine Symbiose ist schon praktisch.

Seit Anfang dieses Jahrtausends bin ich übrigens ein weltbekannter Disney-Star. Wer findet mich?

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Giftnudel

Ich bin eines der giftigsten Tiere der Erde! Mein Gift heisst Batrachotoxin und stört die Nervenreizleitung zu den Muskeln anderer Tiere. Die Folge sind Lähmungen, auch der Atemmuskeln, die meine Fressfeinde bis hin zu einem Menschen töten können!

Deshalb nutzten die Choco-Indianer in Kolumbien mein Gift für ihre Pfeile für die Jagd. Nichts desto trotz bin ich eine gute Mutter und kümmere mich um meinen Nachwuchs. Das ist in unserer Familie nicht selbstverständlich.

Achtung! Eine ganze Reihe meiner Verwandten leben ebenfalls im ZOOh! Deshalb ein Tipp: Mein deutscher Name, der meine Farbe beschreibt, enthält ein edles chemisches Element!

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Lichtgestalt

Mein physikalisch-chemischer Trick gereicht für einem nicht meinem sondern eurem Vorteil. Ihr könnt mich dank ihr nämlich leichter entdecken, bevor ihr ungewollt über mich stolpert (ich bin nämlich klein und meistens giftig). Meine Oberfläche strahlt nämlich hell, wenn man sie mit UV-Licht, dem sogenannten Schwarzlicht, beleuchtet: Ich fluoresziere!

Hier im Zoo bin ich übrigens Untermieter in der Anlage einer sehr viel grösseren Tierart – und natürlich ist meine Behausung mit einer Schwarzlicht-Lampe ausgestattet, mit der ihr mich zum Leuchten bringen könnt (Kathi hat vergessen, mein Schild abzulichten, weshalb hier meine allgemeine Bezeichnung genügt)!

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Lebendes Stimmungsbarometer

Bestimmt kennt ihr mich für meine Fähigkeit, innerhalb kürzester Zeit die Farbe zu wechseln. Das mache ich aber nicht, wie ihr oft erzählt, um mich zu tarnen, sondern um meine Laune kundzutun und mich den wechselnden Widrigkeiten meines Lebensraums anzupassen.

So bin ich bei Wärme hell, sodass ich einfallende Sonnenstrahlung und bei Kühle dunkel, um möglichst viel Strahlungswärme aufzunehmen. Als wechselwarmes Tier fällt es mir nämlich nicht leicht, meine Körpertemperatur stabil zu halten. Bei zu viel Sonne werde ich allerdings fast schwarz, damit ich keinen Sonnenbrand bekomme, und zur Paarungszeit ist bei uns Fasnacht: Um die Weibchen zu beeindrucken, werde ich dann so bunt wie möglich. Wie bunt, hängt davon ab, wo genau ich zu Hause bin.

Wie ich das hinbekomme? Meine Hautzellen enthalten Farbstofftröpfchen, die nach Bedarf umsortiert und neu geordnet werden können. Zusammen ergeben die Tröpfchen, die gerade oben liegen, ein farbiges Muster – wie Pixel ein Computerbild ergeben.

Wenn ihr mich in Zürich findet (das ist nicht einfach, weil ich hier unglaublich viele Möglichkeiten habe, mich zu verstecken), ist meine Grundfarbe in der Regel grün. Wenn Reto und Kathi mich besuchen, machen sie stets eine Wette: Wer mich zuerst findet, bekommt im Restaurant ein Dessert. Macht ihr mit?

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Geisterstunde

Ich bin ein Jäger und in der Regel nachts auf Beutezug. Deshalb muss ich besonders leise sein, damit die Mäuse und anderes kleines Getier mich nicht kommen hören.

An meinem samtig weichen Gefieder gleiten die Luftteilchen vorbei ohne zu verwirbeln. So ist, wenn ich fliege, kein Rascheln oder Flattern zu hören. Um so besser kann ich meine Beute hören – wenn ich sie nicht schon längst mit meinen grossen Augen gesehen habe – während ich lautlos auf sie herabstürze.

Ich bin übrigens nach einem tagsüber jagenden Verwandten benannt.

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Wasserfreund – Wasserfeind

Obwohl ich ein Vogel bin, könnte man meinen, ich hätte Fell. Meine Federn sehen wirklich nach Haaren aus. Davon habe ich auch gleich besonders viele: Innen flauschige Daunen, die halten mich warm. Die haarfeinen Federn aussen fügen sich dagegen zu einer glatten Oberfläche zusammen, an der Wasser einfach abperlt.

Damit das funktioniert, muss ich mein Gefieder regelmässig putzen und mit einem öligen Stoff aus meiner Bürzeldrüse einschmieren. Man unterscheidet nämlich Stoffe in “wasserliebend” und “fettliebend”. Wasserliebende Stoffe mischen sich prima mit Wasser, aber nicht mit Fetten. Fettliebende Stoffe mischen sich dagegen prima mit Fetten, aber nicht mit Wasser. Und zu letzteren zählt mein Öl für die Federn.

Das ist auch gut so, denn meine Beute sind Fische, denen ich erst einmal hinterher “fliegen” muss.

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Wärmetauscher gesucht

Wenn ihr Menschen warm habt, schwitzt ihr, und die Flüssigkeit auf eurer Haut nutzt eure Körperwärme, um zu verdampfen. So kühlt ihr euch ab. Da ich wie die meisten anderen Tiere keine Schweissdrüsen habe (die wären in meiner warmen und feuchten Heimat auch nicht besonders nützlich), muss ich mich anders kühlen.

Zum Glück ist mir ein Schnabel mit grosser Oberfläche gewachsen, über welchen ich überschüssige Körperwärme direkt aus dem Blut darin an die Luft abgeben kann!

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Lösungswort:

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Viel Spass bei eurem nächsten Zoo-Besuch

wünscht euch eure Kathi Keinstein!

Und erzählt doch in den Kommentaren, was ihr Spannendes im Zoo erlebt habt!

Experimente Zauber mit Oberflächenspannung

In der Schweizer Fasnacht sind Hexen zentrale Figuren, aber bestimmt sind auch Zauberer, Feen und andere magische Wesen bei der Kostümwahl beliebt. Mache dein magisches Kostüm wirklich einzigartig: Ich verrate dir, wie du wirklich zaubern und deine Freunde und (Mit-)Gäste verblüffen kannst! Die Physik bzw. Chemie machts möglich!

1. Die schwimmende Büroklammer

Du brauchst dazu

  • ein sauberes Glas mit Leitungswasser
  • ein wenig Flüssigseife
  • eine Büroklammer
  • eine Pinzette
  • deinen Zauberstab

 Material für Büroklammer vs. Oberflächenspannung

Wie du den Zauber durchführst

  • präpariere den Zauberstab, bevor die Zuschauer dabei sind: Gib ein wenig Flüssigseife auf die Spitze, sodass das nicht auffällt
  • In Gegenwart der Zuschauer: Lege die Büroklammer mit Hilfe der Pinzette vorsichtig auf die Oberfläche des Wassers im Glas. Die Klammer wird schwimmen.
  • Bereite dich mit dem nötigen Brimborium aufs Zaubern vor
  • Führe den Zauberstab dabei nahe an die WasseroberflächeAlles bereit: Jetzt dein Zauberspruch!
  • Tippe, während du deinen Zauberspruch sagst, mit der seifigen Spitze des Stabes 1 – 2 cm von der Büroklammer entfernt auf die Wasseroberfläche. Klammer wird sofort auf den Grund des Glases sinken.Keine Oberflächenspannung mehr: Die Klammer ist versunken!

Was passiert da?

Wenn du schon das letzte Experiment rund um die Dichte und die Anomalie des Wassers gelesen hast, wirst du wissen: Nur Dinge, deren Dichte kleiner ist als die von flüssigem Wasser, können darauf schwimmen. So sollte es jedenfalls sein. Trotzdem schwimmt die Büroklammer aus Metall (zum Beispiel Eisen), dessen Dichte um ein Vielfaches höher als die flüssigen Wassers ist!

Die Oberflächenspannung machts möglich

Das rührt daher, dass Wasserteilchen ausserordentlich fest zusammenhalten. Zwischen den Wasserteilchen bzw. -molekülen wirken auch im flüssigen Zustand stark anziehende Kräfte, die sogenannten Wasserstoffbrücken, welche auch einen weiteren Zaubertrick – Harry Potter und der krumme Wasserstrahl – möglich machen. Dank dieser Wasserstoffbrücken halten die Wasserteilchen so dicht zusammen, dass sie an der Luft (mit welcher Wasserteilchen so gar nicht wechselwirken mögen) eine relativ schwer zu durchdringende Oberfläche bilden.

Diese Oberfläche ist so stabil, dass sie sogar der Erdanziehung standhalten kann: Wassertropfen zerlaufen auf einer Unterlage nicht, um der Schwerkraft folgend möglichst flach zu werden. Stattdessen erscheinen sie gewölbt (dazu findet ihr ein Experiment bei Forschen für Kinder)! Wie die Haut eines aufgeblasenen Luftballons steht die Wasseroberfläche dabei unter Spannung. Deshalb wird diese fesselnde Eigenschaft des Wassers (und anderer Stoffe) “Oberflächenspannung” genannt.

Dank der grossen Oberflächenspannung des Wassers können auch kleine Eisenteile schwimmen, obwohl sie eigentlich zu dicht dafür sind – wenn ihr Gewicht, wie bei der Büroklammer, auf genügend Auflagefläche verteilt wird. So ist nämlich an keiner Stelle die Last gross genug, um die film-artige Wasseroberfläche zu durchbrechen.

Die Zauberkraft der Tenside

Seife – nicht nur flüssige – besteht aus Tensiden. Das sind ganz besondere Teilchen: Sie haben nämlich zwei unterschiedliche Enden, die mit unterschiedlichen wechselwirken! Das macht die Tenside zu kleinen Diplomaten. Während nämlich das eine Ende Wasserteilchen anzieht und von ihnen angezogen wird, pflegt das andere Ende anziehende Wechselwirkungen mit solchen Teilchen, die sich nicht gern mit Wasser mischen.

Das verleiht den Tensiden nicht nur ihre Super-Waschraft, die darauf beruht, dass sie zwischen Wasser und Fett “vermitteln” und dem Fett ermöglichen, sich mit Wasser zu mischen. Tenside vermitteln nämlich ebenso zwischen Wasser und Luft – die sich in Bezug auf Wechselwirkungen wie Fett verhält, nämlich wasserabweisend.

Was dein Zauber bewirkt

Wenn du mit der Seife am Zauberstab auf die Wasseroberfläche tippst oder kurz hinein tauchst, lösen sich die Tenside vom Stab und ordnen sich an der Wasseroberfläche an: (wasserliebendes) Köpfchen in das Wasser, (fett- bzw. luftliebendes) Schwänzchen in die Höh!

Streichholzmodell: Tenside an der Wasseroberfläche

Dadurch wird der Zusammenhalt zwischen den einzelnen Wasermolekülen minimiert, wenn nicht gar aufgehoben, sodass die Oberflächenspannung zusammenbricht. Ohne den festen Oberflächenfilm ist nichts mehr da, was die Büroklammer tragen könnte, sodass sie wie ein Stein auf den Grund sinkt, wie ihre Dichte es vorschreibt.

2. Der furchtsame Pfeffer

Du brauchst dazu

  • ein sauberes Glas mit Leitungswasser
  • gemahlenen Pfeffer oder ein anderes wasserunlösliches Pulver
  • Flüssigseife
  • deinen Zauberstab

Material für den Zauber mit Pfeffer

Wie du den Zauber durchführst

  • Bringe wie im 1. Versuch vorab ein wenig Flüssigseife auf die Spitze deines Zauberstabs.
  • Wenn die Zuschauer da sind, bestreue die Wasseroberfläche auf dem Glas dicht mit gemahlenem Pfeffer. Das Pulver wird auf der Wasseroberfläche schwimmen.Pfeffer schwimmt auf der Wasseroberfläche
  • Bereite dich mit dem nötigen Brimborium aufs Zaubern vor. Bringe dabei den Zauberstab in die Nähe der Wasseroberfläche.
  • Wenn du deinen Zauberspruch sagst, tippe die Stabspitze kurz – für höchstens ein bis zwei Sekunden – auf die Wasseroberfläche. Die Pulverkörner auf der Wasserfläche werden sofort vor der Stabspitze Reissaus nehmen und in Richtung der Glasränder drängen!Der Pfeffer flieht vor dem Zauberstab!

 

Was passiert da?

Es sind einmal mehr die Tenside, welche die Pfefferkörnchen zur Flucht bewegen. Wie eine Schar, die auseinanderstrebt, breiten sich die Seifenteilchen vom Zauberstab fort auf der Wasseroberfläche aus. Dabei schieben sie die schwimmenden Pulverkörner kurzerhand zur Seite.

Da wir die winzigen Seifenteilchen nicht sehen können, erscheint dies so, als würden die sichtbaren Pulverkörner vor dem Stab zurückweichen!

 

Damit dir und allen anderen Lesern ein fröhliches Ohhh Häx!, Helau!, Alaaf!, Narri! Narro! und was man im durch die Länder sonst noch alles ruft!

Glasreiniger - Streifenfrei auch ohne Ammoniak

Die spannenden Antworten, die ich einer Leserin zur Wirkweise von WC-Reinigern gab, haben eine weitere Verfolgerin dazu bewegt, auch gleich nach der Funktion eines anderen Putzmittels zu fragen: Wie funktioniert ein Glasreiniger?

Wenn wir sauber machen, benutzen wird fast überall Seifen – denn die Superwaschkraft der Tenside darin ist einfach unschlagbar. Beinahe jedenfalls. Doch wer schon einmal Fenster geputzt hat, kennt ein leidiges Phänomen: Streifen an den Scheiben. Die entstehen entweder aus nicht gänzlich entferntem Schmutz – oder sind ein Souvenir, das die oberflächenliebenden Tenside uns hinterlassen.

Deshalb scheinen Glasreiniger anders zu funktionieren als gewöhnliche Seife, die man nach der Verwendung gründlich abwaschen muss: Einmal rasch aufgesprüht lösen sie den Schmutz ratzfatz, und nach dem Abwischen verschwinden die verbleibenden Streifen innerhalb von Sekunden. Was aber macht Glasreiniger so besonders?

Was im Glasreiniger drin ist

Wer Glas streifenfrei reinigen möchte, braucht eine Substanz, die sowohl ein Talent zum Schmutzlösen hat, als auch leicht und rückstandslos entfernbar ist. Deshalb enthalten Glasreiniger in der Regel

  • Organische Lösungsmittel: Ethanol oder/und andere Alkohole mit ähnlichen Eigenschaften. Organische Lösungsmittel können, was ihr Name verspricht: In ihnen lösen sich viele Stoffe leicht auf, die sich in Wasser weniger leicht lösen. Alkohole aus kleinen Molekülen lassen sich trotzdem leicht mit Wasser mischen, sodass man gemeinsam mit Wasser verwenden kann. Dabei setzen Alkohole die Oberflächenspannung von Wasser herab, sodass nicht nur sie selbst, sondern auch das Wasser schnell verdunsten kann: Flüssigkeitsreste verschwinden schnell vom Glas.
  • Wenig oder gar keine Seife: Die würde ja Streifen hinterlassen. Deshalb wird in Glasreinigern weitgehend darauf verzichtet.
  • Duftstoffe
  • Konservierungsmittel
  • Farbstoffe
  • Manche Glasreiniger enthalten zudem Ammoniak, dem eine zusätzliche Reinigungskraft zugeschrieben wird.

Alkohole sind umweltfreundlicher als Seifen

Organische Lösungsmittel haben vielerorts ein anrüchiges Image – aber keine Panik: Diese Stoffe sind nicht immer so schlimm, wie ihnen nachgesagt wird. Das gilt ganz besonders für Ethanol – den uns wohlbekannten Trink-Alkohol – und seine Verwandten. Die sind nämlich viel umweltverträglicher als viele Tenside in Seifen!

Als natürlicher Bestandteil vieler lebender Systeme (viele Kleinlebewesen stellen im Zuge der alkoholischen Gärung Ethanol selbst her und noch mehr – uns Menschen eingeschlossen – können ihn verstoffwechseln) ist Ethanol, anders als viele Tenside, leicht biologisch abbaubar.

In hoher Konzentration verursacht Ethanol allerdings nicht nur uns einen Kater oder schlimmeres, sondern ist auch für viele Kleinstlebewesen tödlich – was ihn zu einem beliebten Desinfektionsmittel macht. So sollten Glasreiniger auf Ethanol-Basis ohne weitere Konservierungsmittel auskommen können.

Denn die Duftstoffe und Konservierungsmittel in vielen Glasreinigern sind die gleichen zweischneidigen Schwerter wie in anderen Reinigungsmitteln, sodass mit solchen Zusätzen auch ein Glasreiniger nicht pauschal als “vollkommen harmlos” angesehen werden kann.

Warum Duftstoffe bedenklich sind

Duftstoffe leisten keinen direkten Beitrag zur Funktion des Reinigungsmittels: Sie reinigen nicht. Stattdessen sollen sie dem Produkt einen angenehmen Duft verleihen, welcher dem Konsumenten vermitteln soll, dass die Anwendung ungefährlich, angenehm, mit Sauberkeit und “Frische” und damit mit Gesundheit verbunden ist. Im “schlimmsten” Fall werden dabei sogar unangenehme Gerüche überdeckt, die andernfalls dem Körper als (lebens-)wichtige Warnung dienen: Ich stinke, also bin ich ungesund.

In Reinigungs- und anderen Produkten ist eine Vielzahl verschiedener Duftstoffe im Einsatz, die – praktisch alle körperfremd – auch gleich eine Vielzahl möglicher Allergieauslöser darstellen. Und das gilt für “naturnahe” bzw. natürliche ätherische Öle ebenso wie für Molekül-Kreationen aus dem Labor, wie ich hier näher erläutert habe.

Ebenso besonderes Augenmerk verdienen Konservierungsmittel: Die können nicht nur ebenso Allergien auslösen wie Duftstoffe. Sie sind überdies dem Leben nicht zuträglich – zwangsweise, denn sie sollen ja verschiedenste Kleinstlebewesen daran hindern, in unseren angebrochenen Putzmittel-Flaschen zu hausen und zu gedeihen. Das Problem dabei ist, dass viele solcher “Biozide” – lebensvernichtende Stoffe – auch für menschliche Zellen giftig sind.

Wenn wir Reinigungsmittel in normalem Umfang dafür benutzen, wozu sie gedacht sind, werden wir kaum eine gefährliche Dosis solcher Konservierungsmittel abbekommen. Die Dämpfe solcher Produkte einzuatmen empfiehlt sich trotzdem nicht. Denn was für die Vernichtung unliebsamer Kleinstlebewesen geschaffen ist, wird auch vor den unverzichtbaren Bewohnern unserer Haut und Schleimhäute nicht Halt machen. Wer viel putzen muss, ist deshalb nicht nur möglicher Allergien wegen mit Handschuhen gut bedient.

Ammoniak – Warum dieser Inhaltsstoff die Geister scheidet

Manche Glasreiniger enthalten neben Alkoholen oder anderen Reinigungskünstlern Ammoniak (der gern auch als “Salmiak” umschrieben wird). Ammoniak, , ist ein Gas, das sich sehr gut in Wasser löst. Die wässrige Lösung, heute Ammoniak-Wasser genannt, war vor allem früher als Salmiakgeist bekannt.

Ammoniak ist eine Base: Beim Lösen in Wasser kann ein Ammoniak-Molekül ein -Ion von einem Wassermolekül aufnehmen (“aq” im Index deutet an, dass das betreffende Teilchen in Wasser gelöst ist):

Unter den alten Sammelbegriff “Salmiak” fallen deshalb auch die Salze des Ammonium-Ions , wie sie zum Beispiel in Salmiakpastillen vorkommen! Anders als Ammoniak sind Ammoniumsalze, wenn man sie in Wasser löst, jedoch sehr schwache Säuren (das Ammonium-Ion muss schliesslich ein -Ion abgeben, damit daraus Ammoniak entstehen kann) – haben also ganz andere Eigenschaften!

In einer Ammoniak-Lösung liegen stets Ammoniak-Moleküle und Ammonium-Ionen zugleich vor: Ammoniak ist eine relativ schwache Base. Das bedeutet aber auch, dass sich stets gelöste Ammoniak-Moleküle im Gleichgewicht mit gasförmigem Ammoniak befinden.

Diese Moleküle können wir riechen, sodass eine Ammoniak-Lösung durch ihren mehr oder weniger stechenden Geruch auffällt.

Eine Base als Reinigungsmittel

Die Basizität ist wohl auch der Grund für die “reinigungsverstärkende” Wirkung des Ammoniaks. Denn die Gegenwart von Basen, genauer gesagt -Ionen, führt dazu, dass verschiedene grössere Biomoleküle leicht in kleinere, einfach abwaschbare Bruchstücke zerfallen. Fette beispielsweise sind mittelgrosse, wasserunlösliche Moleküle, die zu den Estern gehören und deshalb in Gegenwart von Basen gespalten werden. Die Bruchstücke – Glycerin und Fettsäuren – lassen sich leicht mit Wasser oder Ethanol aufnehmen. Auch Eiweisse, d.h. Proteine, werden in Gegenwart von Basen leicht hydrolysiert, also in Bruchstücke bis hin zu ihren Aminosäuren zerlegt.

Das Problem: Ammoniak ist giftig

  • Wie alle stärkeren Säuren und Basen wirkt Ammoniak ätzend – auch auf unsere Schleimhäute – und kann, wenn es eingeatmet wird, im schlimmsten Fall ein Lungenödem verursachen.
  • Ammoniak ist ausserdem ein Nervengift, das je nach Konzentration zu neurologischen Ausfällen, Koma und Tod führen kann.
  • Da es sich um ein Gas handelt, das aus der wässrigen Lösung leicht flüchtig ist und sich im Wasser auf unseren Schleimhäuten erneut lösen kann, ist Ammoniak schwer unter Kontrolle zu halten.
  • Ammoniak ist sehr giftig für Wasserorganismen: In natürlichen Gewässern sind praktisch immer Ammoniumionen zugegen (denn die Lebewesen darin scheiden sie als Stoffwechselabfall aus). Wenn eine Base wie Ammoniak-Lösung da hinein gerät, wird der pH-Wert angehoben (d.h. es gibt vermehrt -Ionen und damit wenig -Ionen im Wasser). Gemäss Le Chateliers Prinzip des kleinsten Zwangs wird dadurch das Gleichgewicht zwischen Ammonium-Ionen und Ammoniak, das natürlicherweise weit auf der Seite von  liegt, auf die Seite von  – Ammoniak – geschoben:
    Und Ammoniak ist auch für viele Wasserlebewesen bis hin zu Fischen giftig – ganz davon abgesehen, dass sich die meisten Lebewesen bei einem erhöhten pH-Wert ohnehin nicht wohlfühlen werden.

Es gibt also genug Gründe, um auf Ammoniak in Reinigungsmitteln zu verzichten.

Wie du dem Ammoniak aus dem Weg gehen kannst

Das ist eigentlich ganz leicht: Ammoniak hat einen extrem unangenehmen, stechenden Geruch – wenn du einem solchen begegnest, hör auf das Fluchtsignal deines Körpers und gehe auf Abstand.

Ich habe mal vielleicht 100-200 Milliliter konzentrierte Ammoniak-Lösung in einem Labor-Abzug (einem per Schiebetür verschliessbaren Kleinraum mit eingebauter “Dunstabzugshaube”) verschüttet. Ich musste mich selbst bewusst am Weglaufen hindern und stattdessen den Abzug schliessen, um das Gas an der Ausbreitung zu hindern, bevor ich das Zeug ordnungsgemäss entsorgen konnte!)

Das heisst: Wenn du zur Zeit einen Glasreiniger mit Ammoniak verwendest:

  • Atme den Sprühnebel bzw. die Dämpfe möglichst nicht ein (auch möglicher Duft- und Konservierungsstoffe wegen)-
  • Brauche den Glasreiniger auf. Das ist meiner Meinung nach sinnvoller als Wegwerfen – es sei denn, das Mittel bereitet dir schon gesundheitliche Probleme wie beispielsweise eine Allergie. Dann bringe die Reste zur Sondermüll-Entsorgung: Ammoniak darf nicht ins Abwasser gelangen!

Wenn du einen neuen Glasreiniger kaufen möchtest:

  • Achte darauf, dass der neue keinen Ammoniak (Ammoniak-Wasser, Salmiak, Salmiakgeist,…) enthält.
  • Achte ebenso darauf, dass Stoffe, die dir bereits Allergien auslösen, nicht enthalten sind.
  • Am empfehlenswertesten ist ein Glasreiniger auf Alkohol-Basis (Spiritus-Reiniger).

 

Glas reinigen mit Hausmitteln

Statt einem Glasreiniger aus dem Supermarkt kannst du auch einfach Brennsprit (Spiritus) in eine Zerstäuberflasche füllen und zum Reinigen verwenden. Statt – wie oft genannt – Zeitungspapier solltest du dabei aber ein Mikrofasertuch zum Wischen verwenden. Das fusselt ebenso wenig und enthält keine Druckerschwärze, die abfärben könnte.

Beim Umgang mit Brennsprit bzw. Spiritus und anderen organischen Lösungsmitteln gilt ausserdem: Kein offenes Feuer in ihre Nähe bringen! Diese Substanzen gehen sehr leicht in Flammen auf: Rauchen oder brennende Kerzen sind beim Fensterputz daher tabu!

Ausserdem gilt auch hier: Dämpfe nicht einatmen – die können benommen oder zumindest Kopfschmerzen machen!

Überdies sind dem Brennsprit aus dem Supermarkt Spuren sehr unangenehm riechender und schmeckender Substanzen wie Denatonium (dem bittersten bekannten Stoff der Welt) oder Butanon (Methylethylketon, MEK) beigemengt. Mit anderen Worten: Der Ethanol ist vergällt. Das lässt vermutlich die meisten Menschen nicht nur Abstand davon nehmen, den Sprit zu trinken um die Alkoholsteuer zu umgehen, sondern auch davon, daran zu schnüffeln. Ich zumindest empfinde den Geruch meines Brennsprits als viel unangenehmer als jenen des wirklich reinen Labor-Ethanols. Somit ergibt sich das “nicht einatmen” mehr oder weniger von selbst.

 

Wie ich meine Scheiben praktisch streifenfrei sauber bekomme

Ich verwende, der vermutlich vorwiegend aus Alkoholen besteht und keinen Ammoniak enthält (Ausser den Duft- und Konservierungsstoffen sind die Inhaltsstoffe nicht auf der Flasche angegeben. Der pH-Wert ist allerdings laut pH-Streifen neutral (und nicht basisch wie in Gegenwart von Ammoniak) und die Farbstoffe aus dem pH-Streifen lösen sich schnell in der Flüssigkeit (viele wasserunlösliche Farbstoffe lösen sich leicht in organischen Lösungsmitteln). Da der Reiniger beim Aufsprühen leicht schäumt, könnte überdies ein kleiner Anteil Seife enthalten sein).

  • Stark verschmutzte Aussenscheiben besprühe ich mit etwas Glasreiniger und rubble sie gründlich mit einem triefnassen Schwamm ab.
  • Das Alkohol-Wasser-Gemisch ziehe ich dann gründlich mit einem Gummi-Abzieher ab. Ein betagtes, einfaches Markenprodukt leistet mir dabei bessere Dienste als sein No-Name-Gegenstück aus Studentenzeiten.
  • Ganz wichtig: Den Abzieher wische ich nach jedem Zug über die Scheibe kurz an einem Tuch ab, sodass kein Wasser/Reiniger mehr daran klebt, das/der tropfen könnte!
  • Falls doch noch Streifen bleiben, poliere ich mit einem trockenen Mikrofasertuch kurz nach.

Und wie putzt ihr eure Fenster? Welche Glasreiniger verwendet ihr? Und wie wichtig ist euch die Zusatz-Reinigungskraft von Ammoniak?

gefrorenes Wasser : Das Glas wird voller

Warum ist es eigentlich keine gute Idee, eine geschlossene Glasflasche mit Wasser ins Tiefkühlfach zu legen? Dieses Experiment zeigt euch eine ungewöhnliche, verblüffende Eigenschaft des Wassers – seine Dichteanomalie!

Der Januar war hier in den niedrigen Regionen der Schweiz viel zu warm, aber der Februar grüsst heute Morgen mit einer feinen Puderzucker-Schneeschicht. So könnt ihr in diesem Winter vielleicht doch noch Beobachtungen machen, die spannende Fragen aufwerfen: Warum friert bei einem Teich zuerst die Oberfläche zu, während das Wasser darunter flüssig bleibt? Und warum sieht ein Wasserkübel voller aus, wenn das Wasser darin zu Eis erstarrt?

Dass der Kübel tatsächlich voller ist, könnt ihr mit diesem einfachen Experiment nachweisen!

Ihr braucht dazu

  • Ein – möglichst schmales – Trinkglas, das in euer Tiefkühlfach passt
  • Ein Tiefkühlfach (wenn es draussen friert, genügt auch Platz auf Balkon oder Terrasse)
  • Kaltes Leitungswassser
  • Einen wasserfesten Filzstift
  • Ein Lineal
  • Optional: Gefäss mit Skala und eine Küchen- oder Laborwaage
Material für das Experiment

Das ist alles was ihr braucht, um Wasser wachsen zu lassen!

Wie ihr das Experiment durchführt

  1. Füllt das Glas etwa zwei Drittel hoch mit Leitungswasser und stellt es auf eine waagerechte Fläche.
  2. Markiert die Höhe des Wasserspiegels mit einem Filzstift-Strich. Mit dem Lineal könnt ihr die Füllhöhe zudem auch in Zentimetern messen.
  3. Stellt das Glas mit dem Wasser in euer Tiefkühlfach oder bei Frost nach draussen und wartet einige Stunden.
  4. Wenn das Wasser vollständig gefroren ist, nehmt das Glas wieder aus dem Tiefkühlfach bzw. nach drinnen und wartet wenige Minuten, bis die Luftfeuchtigkeit nicht mehr sofort einen weissen Schleier auf der Glasoberfläche bildet. Wischt eventuelle Reste dieses Schleiers ab (gebt dabei acht, dass der Filzstift-Strich erhalten bleibt!).
  5. Vergleicht die Höhe der Eissäule im Glas mit eurer Markierung. Mit dem Lineal könnt ihr den Höhenunterschied in Millimetern messen!

Wenn ihr eine Waage und ein Gefäss mit unterteilter Skala, zum Beispiel einen Messzylinder, habt, könnt ihr auch die Veränderung der Dichte des Wassers messen:

  1. Wiegt das Glasgefäss vor und nach dem Einfüllen des Wassers. Der Gewichtsunterschied entspricht der Masse des eingefüllten Wassers. Lest dann das Volumen des eingefüllten Wassers (in Millilitern oder Kubikzentimetern cm3) von der Skala des Gefässes ab. Notiert beide Werte.
  2. Um die Dichte des Wassers zu erhalten, teilt die Masse des Wassers durch sein Volumen (die Zahlen werden sich sehr ähneln, sodass das Ergebnis in der Nähe von 1 g/cm3 liegen wird).
  3. Nachdem das Wasser gefroren ist, lest das Volumen noch einmal ab (wenn die Oberfläche der Eissäule sich gewölbt hat, versucht den Wert zu schätzen!) und rechnet die Dichte des Eises wie in 2. aus (ein zweites Mal wiegen müsst ihr dazu nicht – die Masse des Wassers ändert sich nicht!).

Was ihr beobachten könnt

Nach dem Gefrieren reicht die Oberfläche der Eissäule deutlich über den ursprünglichen Wasserspiegel hinaus: Eis nimmt mehr Platz ein als das flüssige Wasser, aus dem es entsteht – das Wasser ist beim Einfrieren gewachsen! In meinem Glas ist die Eissäule ganze 8 Millimeter (wenn ich zudem die Wölbung berücksichtige, mindestens 1 Zentimeter) höher als das Wasser, das ich eingefüllt hatte!

Dichteanomalie sichtbar gemacht: Das Wasser ist gewachsen!

Wenn ihr die Dichte von Wasser und Eis bestimmt, werdet ihr feststellen, dass der Wert für das Eis etwas kleiner ist als der für das Wasser (die Masse bleibt dabei unverändert: Vor und nach dem Gefrieren ist (annähernd) gleich viel Wasser im Glas).

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Wie kann Wasser wachsen, wenn es friert?

Nur ganz wenige Stoffe können das. Normalerweise werden Stoffe grösser, je wärmer sie werden. Das rührt daher, dass die Teilchen in warmen Stoffen sich heftiger bewegen als die gleichen Teilchen in kalten Stoffen. Und was ständig herumzappelt oder gar -wuselt, braucht einfach mehr Platz. Das heisst auch, dass diese Stoffe kleiner werden, wenn man sie abkühlt – also auch, wenn sie gefrieren.

Wasser und einige wenige Stoffe, wie die Elemente Bismut, Gallium, Germanium, Plutonium, Silicium und Tellur , fallen da allerdings aus dem Rahmen: Sie werden mitunter grösser, wenn sie abkühlen.

Wasser verhält sich nicht “ganz normal”

Flüssiges Wasser verhält sich genaugenommen ganz normal, so lange seine Temperatur über rund 4°C liegt. Dann gilt auch hier: Je wärmer das Wasser ist, desto wuseliger sind die Teilchen, aus denen es besteht, und desto mehr Platz nimmt es ein. Oder umgekehrt: Je kälter das Wasser ist, desto weniger wuseln die Teilchen und desto weniger Platz nehmen sie ein.

Bei rund 4°C passiert dann etwas neues: Wenn das Wasser noch kälter wird, bereiten die Wasserteilchen sich darauf vor, Eiskristalle zu bilden: Sie rotten sich zusammen und bewegen sich nurmehr in der Nähe der Plätze, die sie in einem Eiskristall-Gitter einnehmen würden. So wie Kinder, die “die Reise nach Jerusalem” spielen und – wenn sie erwarten, dass die Musik abbricht – darauf aus sind, in der Nähe der freien Stühle zu sein.

Und das Eiskristall-Gitter hat es in sich: Das Muster , in dem die Wasserteilchen darin angeordnet werden, ist nämlich ziemlich grobmaschig. Die anziehenden Wechselwirkungen, “Wasserstoffbrücken” genannt, welche die Wasserteilchen im Gitter zusammenhalten, halten sie nämlich gleichzeitig ziemlich auf Abstand voneinander.

Ein Modell des Eiskristall-Gitters : Jeder schwarze Knoten ist ein Wasserteilchen. Die Wasserstoffbrücken – dargestellt als grüne Streben – halten die Teilchen auf Abstand!

So kommt es, dass die Wasserteilchen schon beim Zusammenrotten vor dem Gefrieren auf Abstand gehen – so wie es die spielenden Kinder wohl täten, wenn man die freien Stühle voneinander entfernt aufstellen würde. Deshalb braucht flüssiges Wasser zunehmend mehr Platz, wenn es kälter als 4°C wird.

Unmittelbar vor dem Gefrieren sind die Wasserteilchen am weitesten – also entsprechend der Maschen im Eiskristallgitter – verteilt und nehmen schliesslich ihre festen Plätze im Gitter ein: Wenn Wasser einmal erstarrt ist, wächst das Eis nicht mehr weiter!

Weil das “Wachsen” eines abkühlenden Stoffes im Vergleich zu den meisten anderen Stoffen nicht ganz normal ist, nennen Chemiker und Physiker diese ungewöhnliche Eigenschaft eine Dichteanomalie.

Dichte – und warum Teiche stets von oben zufrieren

Der eingefrorene Wasserkübel sieht also nicht nur voller aus – er ist tatsächlich voller! Man kann das Ganze jedoch auch aus einem anderen Blickwinkel betrachten:

Würde die Wasserteilchen in einem Milliliter kaltem Wasser zählen und ihn dann einfrieren, dann wäre der entstehende Eisklumpen grösser. Um einen ordentlichen Vergleich anzustellen, könnte man aus diesem Eisklumpen einen Eiswürfel herausschneiden, der einen Milliliter fasst (das Volumen des Eiswürfels beträgt einen Milliliter). Würde man die Teilchen in diesem Eiswürfel zählen, wäre das Ergebnis eine kleinere Zahl als für einen Milliliter flüssiges Wasser – denn die Wasserteilchen, die nach dem Wachsen keinen Platz mehr im Würfel fanden, hat man schliesslich vorher weggeschnitten.

Da man mit dem Zählen von Stoffteilchen aber eine schiere Ewigkeit beschäftigt wäre, ist es wesentlich praktischer, die Teilchen alle zusammen zu wiegen. Denn jedes Teilchen hat seine Masse, die es zur Gesamtmasse eines Milliliters beisteuert. Da in einem Milliliter Eis weniger Teilchen sind, als in einem Milliliter flüssigen Wassers, wiegt ein Milliliter Eis entsprechend weniger.

Um diese veränderliche Eigenschaft von Stoffen zu beschreiben, verwenden Physiker die “Dichte”: Sie geben die Masse für ein bestimmtes Volumen des jeweiligen Stoffes an: rho = m/V . Damit lassen sich verschiedene Gesetzmässigkeit einfach ausdrücken: Aus “die meisten (flüssigen) Stoffe werden um so kleiner, je kälter sie werden” wird so “die Dichte der meisten (flüssigen) Stoffe nimmt zu (d.h. mehr Teilchen drängen sich in einem festgelegten Volumen zusammen – das Volumen wird schwerer), wenn sie kälter werden”.

Warum Eis schwimmt

Die wenigen Stoffe, für die das nicht uneingeschränkt gilt, weisen damit eine Dichteanomalie auf. Dieser Anomalie wegen hat Eis eine geringere Dichte als Wasser.

Und damit kommen wir zu einer weiteren Gesetzmässigkeit über die Dichte von Stoffen: Füllt man zwei Stoffe (davon ist mindestens einer flüssig und keiner ein Gas) mit unterschiedlicher Dichte, die sich nicht vollständig mischen, in ein Gefäss, dann schwimmt der Stoff mit der geringeren Dichte oben.*

*Tatsächlich gilt dies nur unter Vernachlässigung einiger äusserer Umstände, zu denen ihr bald hier mehr erfahren könnt.

Das gilt natürlich auch für Eis und Wasser – deshalb schwimmen die Eiswürfel im gekühlten Drink stets obenauf!

Warum Teiche von oben einfrieren

Darüber hinaus gilt das Gesetz auch innerhalb ein und desselben flüssigen Stoffs, wenn dieser in verschiedenen Bereichen eine unterschiedliche Dichte hat (weil diese Bereiche unterschiedlich warm sind). Wenn ein anfangs warmer Teich abkühlt, ordnet sich das kalte Wasser (das die höhere Dichte hat) unterhalb des wärmeren Wassers (mit niedrigerer Dichte) an. Da Wasser bei rund 4°C die höchste Dichte hat, landet das 4°C kalte Wasser somit ganz unten – darüber sind die Schichten wärmer.

Wenn es nun im Winter richtig kalt wird, kühlen die oberen Wasserschichten unter 4°C ab. Der Dichteanomalie wegen nimmt ihre Dichte dabei jedoch ab – und die kalten Schichten bleiben oben. Mehr noch: Die kälteste Sicht – mit der geringsten Dichte – ordnet sich ganz oben an, und erstarrt dort schliesslich als erstes zu Eis.

Wasser im Teich nach Dichte sortiert

Dichteverteilung im Teich: Links wenn es warm ist: unten – bei 4° ist das Wasser am dichtesten. Rechts wenn es kalt ist: Das dichteste Wasser ist unten – kälteres Wasser ist weniger dicht! By Klaus-Dieter Keller, details from KnowItSome, Tango! Desktop Project, Julo, Spax89 [CC BY-SA 3.0], via Wikimedia Commons

So freuen wir uns, wenn wir auf der Teichoberfläche Schlittschuh laufen können, während die Fische darunter sicher sein können, flüssiges Wasser zum Schwimmen und Atmen zu finden, wenn sie nur nach ganz unten tauchen (so lange der Teich nicht komplett durchfriert).

Dank der Dichteanomalie des Wassers können nicht nur Fische den Winter überleben – womöglich hat auch das Leben auf der Erde dank dieser ungewöhnlichen Eigenschaft mehrere Eiszeiten überdauern können – sodass wir die Anomalie heute in einem Glas im Tiefkühlfach beobachten können. Spannend, nicht?

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Und nun zum Abschluss eine Quizfrage: Welche “äusseren Umstände” führen dazu, dass das Gesetz “der Stoff mit der geringeren Dichte schwimmt oben” in Wirklichkeit mehr eine Faustregel ist, die oftmals nicht streng zu gelten scheint?

Die Auflösung samt einem spannenden Experiment gibt es nächste Woche hier in Keinsteins Kiste!

Ein Herz aus Eis

Bald ist Valentinstag, und wieder einmal sind viele darauf aus, die Herzen ihrer liebsten schmelzen zu lassen. Ich habe zu diesem Zweck bei einer englischsprachigen Kollegin ein wunderbar farbenfrohes Experiment aufgestöbert. Damit könnt ihr nicht nur jedes Herz aus Eis zum Schmelzen bringen, sondern gleich erforschen, wie das Schmelzen eigentlich abläuft!

Du brauchst dazu

  • Eine wasserdichte Herzform (zum Beispiel eine Silikon-Kuchenform oder eine gut schliessende Springform
  • Wenn du eine Springform verwendest: etwas Frischhaltefolie
  • Lebensmittel- oder/und wasserlösliche Acrylfarbe
  • Ein grosses Tablett mit Rand, eine flache Wanne oder ein Backblech
  • Platz im Tiefkühlfach für die Herzform
  • Ein Gefäss zum Ausgiessen
  • Leitungswasser
  • Speise- oder Streusalz
  • Etwas zum Umrühren (z.B. einen Rührstab oder Löffel)

Wie du das Herz zum Schmelzen bringst

Dazu muss das Herz erst einmal richtig eiskalt werden! Das schaffst du wie folgt:

  1. Fülle deine Herzform maximal zu drei Vierteln hoch mit Wasser (Mache sie nicht ganz voll! Wasser dehnt sich aus, wenn es gefriert und braucht daher mehr Platz als wenn es flüssig ist!). Wenn du ein rosarotes oder andersfarbiges Herz haben möchtest, rühre etwas Lebensmittelfarbe in das Wasser. Falls du eine Springform verwendest: Probiere vorher mit etwas ungefärbtem Wasser aus, ob sie dicht hält. Falls nicht: Lege die Springform vor dem Einfüllen des gefärbten Wasser mit einem (!) Stück Frischhaltefolie aus.
  2. Stelle die Form mit dem gefärbten Wasser vorsichtig ins Tiefkühlfach und warte etwa einen halben Tag.

Wenn das Herz vollständig gefroren ist, geht es weiter:

  1. Nimm das Herz aus dem Tiefkühlfach, löse das Eis aus der Form (falls es festgefroren ist: spüle die Form kurz mit warmem Wasser ab und drücke das Eis sofort heraus). Falls du Frischhaltefolie zum Abdichten verwendet hast, löse sie so vollständig wie möglich vom Eis.
  2. Lege das Herz auf das Tablett mit Rand. Ich habe weisse Küchentücher untergelegt, damit auf meinem schwarzen Backblech die Farben besser sichtbar bleiben.
  3. Streue Salz auf das Eis-Herz (sei dabei nicht sparsam). Das Eis wird um das Salz herum besonders schnell zu schmelzen beginnen.Streue Salz auf das Herz
  4. Verdünne die Acrylfarbe mit etwas Wasser bzw. rühre Lebensmittelfarbe in Wasser ein.
  5. Giesse die farbige Flüssigkeit vorsichtig über das Herz und beobachte.Giese Farbe über das gesalzene Herz

 

Was du beobachten kannst

  • Wenn du das gefrorene Herz aus dem Tiefkühlfach nimmst, wird es bei Raumtemperatur sehr langsam zu schmelzen beginnen.
  • Dort, wo du Salz darauf streust, wird das Eis sehr viel schneller tauen. Mit der Zeit fressen sich regelrecht Ritzen und Spalten in das Eis.
  • Wenn du farbige Flüssigkeit über das schmelzende Eis-Herz giesst, wird sie in und durch die Spalten laufen und die feinen Verästelungen deutlich sichtbar machen.

    im schmelzenden Eis - Herz bilden sich Furchen

    Hier ist schon einiges weggeschmolzen. Der Boden der Springform hatte eine karierte Struktur, die zu einer sehr regelmässigen Verteilung der Spalten beigetragen hat.

  • Nimm dir Zeit und beobachte das faszinierende Farbenspiel und die filigranen Strukturen, die das schmelzende Eis bildet! Wenn du eine Kamera hast, kannst du auch herrlich surreale Bilder davon machen!

    Acrylfarbe auf schmelzendem Eis

    Die stark verdünnte Farbe verläuft sich schnell. Mit reiner Acrylfarbe werden die Aushöhlungen und Schluchten noch besser sichtbar!

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Wie geht das Schmelzen vor sich?

Alle Stoffe bestehen aus winzigkleinen Teilchen. Die Art und Weise, wie wir die Stoffe wahrnehmen, hängt vom Verhalten dieser Teilchen – und vor allem von den Wechselwirkungen zwischen ihnen – ab.

Feststoff oder Flüssigkeit: Eine Frage der Bewegung

(Wasser-)Eis und Wasser sind ein und derselbe Stoff. Je nach herrschender Temperatur erscheint uns dieser Stoff fest oder flüssig (oder – bei ausreichend hoher Temperatur – sogar gasförmig: als Wasserdampf). Diese Erscheinungsformen – welche Chemiker und Physiker “Aggregatzustände” nennen – sind das Ergebnis unterschiedlicher Beweglichkeit der winzigen Stoffteilchen.

Im Feststoff sitzt längst nicht alles fest

In einem Eisblock, das heisst bei Temperaturen unter 0°C, sind die Wasserteilchen auf festgelegten Positionen angeordnet. Die Teilchen wechselwirken dabei mit ihren Nachbarn: Anziehung zwischen den Teilchen sorgt dafür, dass sie auf ihrem Platz bleiben, und die Ausrichtung dieser anziehenden Wechselwirkungen (im Fall von Wasserteilchen sind das vornehmlich sogenannte “Wasserstoffbrücken”) bestimmt das Muster der Anordnung. Die Teilchen sind also zu einem sich immer wiederholenden “Gitter” angeordnet, das wir – wenn es gross genug ist – als Festkörper wahrnehmen: Zum Beispiel als gefrorenes Herz.

Die Stoffteilchen sind allerdings ziemlich unruhige Gesellen. Ständig zittern und zappeln sie auf ihren Plätzen im Gitter herum – je höher die Temperatur des Ganzen ist, desto heftiger. Erst wenn man die Temperatur des Festkörpers auf den absoluten Nullpunkt (also 0 Kelvin oder -273,15°C) senken würde, wären die Teilchen im Gitter vollkommen ruhig.

Flüssigkeiten: Ein lebhaftes Gedränge

In einer Flüssigkeit gibt es keine festen Plätze mehr. Die Wasserteilchen in flüssigem Wasser bewegen sich weitestgehend frei gegeneinander, werden aber durch die anziehenden Wechselwirkungen nah beieinander gehalten. So geht es in der Flüssigkeit zu und her wie in einer bewegten Menschenmenge: Es strömt und fliesst und drängt hierhin und dorthin, und ununterbrochen ist man mit anderen auf Tuchfühlung. Wer schon einmal auf einer Grossveranstaltung wie der Street Parade in Zürich war, weiss, wovon ich schreibe.

Wie eine grosse Menschenmenge werden auch die Teilchen einer Flüssigkeit jeden Behälter, in welchen man sie gibt, bis zur letzten Ecke ausfüllen und sich dabei der Schwerkraft folgend von unten nach oben aufschichten.

Drei Aggregatzustände im Modell

Stoffteilchen in drei Aggregatzuständen, wie du sie im Alltag beobachten kannst: Fest, flüssig, gasförmig

Aus fest wird flüssig: Der Schmelzvorgang

Unser gefrorenes Herz wird im Tiefkühlfach höchstens bis auf schlappe -18°C abgekühlt. Und bei Raumtemperatur wird es dann allenfalls noch wärmer. “Wärme” ist dabei nichts anderes als die Bewegung der Stoffteilchen: Je wärmer ein Stoff ist, desto grösser ist das Gezappel. Dabei können die herumzappelnden oder -flitzenden Teilchen eines Stoffes ihre Nachbarn anrempeln und ebenfalls in Bewegung versetzen.

Das tun zum Beispiel die Luft-Teilchen, die – wie in einem Gas üblich – völlig ungebunden im Raum herumsausen. Wenn sie auf ihrem Weg gegen die Oberfläche des Eisherzens rempeln, versetzen sie die Wasserteilchen im Gitter in Schwingung: Die Eis-Oberfläche wird wärmer.

Und wenn die Temperatur des Eises dabei 0°C erreicht, kann die Wärme-Energie auf noch andere Weise verwendet werden: Um die Wasser-Teilchen an der Eis-Oberfläche aus dem Gitter zu lösen. Die dafür aufgewendete Energie wird Schmelzwärme genannt – ich habe sie kürzlich hier näher erklärt.

Die aus dem Gitter gelösten Teilchen bleiben zunächst dicht beieinander, bewegen sich dabei aber weitgehend frei: Sie bilden eine Flüssigkeit – flüssiges Wasser.

Ein Festkörper schmilzt also von aussen nach innen, denn von aussen kommt die Wärme und nach aussen können die Flüssigkeits-Teilchen davonfliessen. Dabei ist ein Teilchen im Gitter umso mehr Rempeleien ausgesetzt, je mehr “Seiten” es hat, die nach aussen weisen. Vorspringende Ecken und Kanten schmelzen also schneller als ein massiver Block, der eine kleine Oberfläche hat, die mit warmer Luft in Berührung kommen kann!

Was das Salz dazu tut

Kochsalz-Teilchen mischen sich sehr gut mit flüssigem Wasser. Das führt dazu, dass die Wasserteilchen aus dem Eis nicht erst bei 0°C, sondern schon bei niedrigeren Temperaturen (bis -17°C !) aus dem Gitter gelöst werden. Wie das vor sich geht, habe ich hier erklärt.

Wenn wir Salz auf unser Herz streuen, lösen sich die Wasserteilchen in der direkten Umgebung der Salzkörner demnach schneller aus dem Gitter. So entstehen zunächst Mulden, dann regelrechte Ritzen und Spalten in der Eis-Oberfläche, an deren Wänden nun viel mehr Wasserteilchen den Rempeleien der wärmeren Luft bzw. des flüssigen Wassers ausgesetzt sind. So wachsen die Ritzen und Spalten schnell weiter.

Wenn wir nun farbige Teilchen (zum Beispiel Acryl- oder Lebensmittelfarbe) mit den Wasserteilchen mischen, werden die Ritzen, durch die das farbige Wasser-Farbstoffgemisch fliesst, sehr gut sichtbar.

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Entsorgung

Wasser mit Lebensmittelfarben und Resten von wasserlöslichen Acrylfarben zum Basteln kann in den Ausguss entsorgt werden! Grössere Mengen Acrylfarbe solltest du eintrocknen lassen (oder besser zum Malen verwenden!) und in den Hausmüll geben.

Ideen zum Weiterexperimentieren

  • Du kannst das Experiment natürlich auch zu jedem anderen Anlass bringen: Anstelle der Herzform funktionieren weihnachtliche, Oster- und andere Formen ebenso gut.
  • Du kannst zudem mit verschiedenen Farbtönen experimentieren und (leider recht vergängliche) Eiskunst kreieren und fotografieren.
  • Was ich noch nicht ausprobiert habe: Was geschieht, wenn man das Herz mitsamt Ritzen und Spalten wieder einfriert und später eine andere Farbe zum Giessen verwendet?

Ich wünsche dir viel Spass beim Herzen schmelzen – sowohl derer aus dem Tiefkühlfach als auch derer deines/r Liebsten!

Vor fünf Jahren machte erstmals die “ice and salt challenge” um eine erstaunliche Kältemischung auf Youtube die Runde: Youtuber streuen sich Kochsalz auf die nackte Haut und fügen dann Eiswürfel hinzu. Das Ganze wird augenscheinlich sehr kalt – und die Challenge besteht darin, die Kälte lange genug zu ertragen.

Vor einem Jahr schlug diese Schnapsidee einmal mehr Wellen in den Medien:

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Denn diese Challenge ist gefährlich!

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Das Körpergewebe wird nämlich durch Kälte genauso verletzt wie durch Hitze: Eis und Salz werden gemeinsam so kalt, dass sogenannte Kaltverbrennungen bis zweiten oder dritten Grades die Folge sein können!

So fragt eine Leserin berechtigterweise: Warum tun Eis und Salz gemeinsam auf der Haut so weh?

Die Antwort lautet: Weil das Gemisch sehr kalt wird! Mischt man Eis und Kochsalz zu gleichen Teilen, kann die Temperatur des Gemischs auch in wärmerer Umgebung vom Schmelzpunkt reinen Wassers bei 0°C auf bis zu -17°C absinken!

Warum Eis mit Salz besonders kalt wird

Eigentlich gibt es in der Physik die Eigenschaft “Kälte” nicht. Was wir als Kälte empfinden, ist das Resultat nicht vorhandener Wärme – also geringer Energie. Wenn etwas kalt wird, wird ihm also Energie entzogen. Und diese Energie darf nach den Gesetzen der Thermodynamik nicht einfach verschwinden.

Tut sie auch nicht: In einem Gemisch aus Eis und Kochsalz spielen mehrere Phänomene, die Wärme für ihre Zwecke vereinnahmen, zusammen:

Schmelzwärme: Das Schmelzen erfordert Energie!

Der Versuch, den ich letzten Freitag hier verbloggt habe, hat gezeigt: Schon der Vorgang des Schmelzens als solcher erfordert Energie, in diesem Zusammenhang “Schmelzwärme” genannt, die dem schmelzenden Stoff und seiner Umgebung in Form von Wärme entzogen wird: Die Temperatur an der Oberfläche schmelzenden Eises stellt sich auf 0°C ein und steigt auch in wärmerer Umgebung nicht an.

Ebenso wenig nimmt sie weiter ab: Während am Schmelzpunkt, der auch Gefrierpunkt genannt wird, Wasserteilchen aus dem festen Eis-Gitter beweglich, also flüssig werden, ordnen sich andere, bewegliche Wasserteilchen wieder ins Gitter ein, werden also fest. Und dabei wird entsprechend Schmelzwärme freigesetzt.
Eis und Wasser befinden sich in einem Gleichgewicht, wie Le Châtelier es am Flughafen beschreibt!

Sobald sich dieses Gleichgewicht eingestellt hat, wird ebenso viel Schmelzwärme freigesetzt wie aufgenommen: Die Temperatur der beteiligten Stoffe ändert sich nicht.

Gelangt nun aus der Umgebung Wärme in dieses System, so verschiebt sich das Gleichgewicht weg von der Seite mit Wärme und damit hin zum flüssigen Wasser: Das Eis schmilzt.

Gefrierpunktserniedrigung: Wassermoleküle sind nicht multitaskingfähig!

Der Gefrierpunkt einer Kochsalzlösung in Wasser ist niedriger als der Gefrierpunkt von reinem Wasser. Dabei gilt: Je höher die Konzentration der Lösung (d.h. je mehr Salz mit dem Wasser vermischt) ist, desto niedriger ist ihr Gefrierpunkt. Chemiker und Physiker nennen diesen Effekt “Gefrierpunktserniedrigung”.

Das Auflösen von Kochsalz, also Natriumchlorid, in Wasser bedeutet, dass sich die Natrium- und Chlorid-Ionen einzeln mit den Wassermolekülen mischen. Dabei wird jedes Ion von einer bestimmten Anzahl Wassermoleküle eingehüllt (Chemiker sagen “hydratisiert”). Diese Wassermoleküle, die mit dem Einhüllen von Ionen “beschäftigt” sind, stehen damit nicht mehr für das Gefrieren – also der Umwandlung von flüssigem Wasser zu Eis, in der Gleichung oben von rechts nach links – zur Verfügung.

Gemäss dem Gesetz von Le Châtelier verschiebt sich das Gleichgewicht zum flüssigen Wasser, um den “Verlust” an flüssigem Wasser auszugleichen: Es schmilzt nun mehr Eis, als es erstarrt. Damit wird mehr Schmelzwärme aufgewendet, als frei wird: Die Temperatur nimmt ab – und zwar so lange, bis sich ein neues Gleichgewicht eingestellt hat.

Das geschieht, wenn die Temperatur der Mischung den Gefrierpunkt von Salzwasser-Eis erreicht hat. Erst dann kann nämlich das Wasser mitsamt der eingehüllten Ionen zu einem festen Stoffgemisch erstarren – vorher bildet sich auch aus Salzwasser, wenn überhaupt, nur reines Wassereis.

Was macht die Kälte für uns gefährlich?

Die biochemischen Reaktionen, die in unseren Zellen und Geweben ablaufen, sind darauf ausgelegt, bei rund 37°C – in unserer Haut auch bei ein paar Grad darunter – abzulaufen und optimal zusammen zu spielen. Sinkt die Temperatur in einem Körpergewebe darunter, werden die Stoffwechselreaktionen zunächst langsamer. Das ist nicht weiter tragisch – so lange die komplexen, ebenfalls auf 37°C ausgelegten Molekülstrukturen, aus denen wir bestehen, durch das Abkühlen nicht in Mitleidenschaft gezogen werden.

Sobald das geschieht, gerät der Stoffwechsel der betroffenen Zellen spätestens bei der Wiederannäherung an die Betriebstemperatur (also wenn das Gewebe wieder warm wird), aus dem Tritt. Ab einem gewissen Grad des molekularen Durcheinanders veranlassen solche Zellen ihre Selbstzerstörung und begehen Selbstmord, bevor ihre Funktionsstörung ihre Nachbarn grossartig beschädigen können (Die Molekularbiologen nennen diesen programmierten Zelltod “Apoptose”).

Wenn den beschädigten Zellen jedoch nicht die Zeit bzw. die Energie bleibt, um die kontrollierte Selbstzerstörung zu durchlaufen – weil sie zum Beispiel zu schnell kalt oder heiss werden oder anderweitig drastisch beschädigt werden, kommt es zu einem zellulären GAU (“grössten anzunehmenden Unfall”): Die Zellen werden unkontrolliert zerstört und neben Alarmsignal-Stoffen (einem molekularen “Hilfeschrei”) gelangen durch die zerstörten Zellwände Stoffe aus dem Zellinneren ins “Freie”, die den Nachbarzellen gefährlich werden können. Wir nehmen das als Entzündungsreaktion, Rötung, Schwellung, Schmerzen, und – wenn sichtbar grosse Gewebeabschnitte betroffen sind – als hässliche Wunden – Zell-Schrott eben – wahr (Molekularbiologen nennen diesen unkontrollierten Zelluntergang “Nekrose”).

Da in unkontrolliert entstandenem Zell-Schrott keine geordneten biochemischen Reaktionen und keine Blut- und damit Sauerstoffversorgung mehr möglich sind, kann “nekrotisches”, d.h. in einem “GAU” untergegangenes Gewebe nicht mehr heilen. Ebenso wenig funktioniert in solchen Gewebebereichen die Immun-Abwehr, sodass nekrotisches Gewebe leicht von Bakterien oder anderen unliebsamen Gästen infiziert werden kann.

Dabei macht es praktisch keinen Unterschied, ob der zelluläre GAU von starker Hitze oder starker Kälte herrührt: Kalt-Verbrennungen und Heiss-Verbrennungen unterscheiden sich in ihren Folgen nicht wesentlich. Das Auftreten von unumkehrbar zerstörtem Gewebe durch Hitze oder Kälte entspricht damit einer Verbrennung dritten Grades. Und gemäss so mancher Bilder, die ich auf Youtube gesehen habe, scheinen Kalt-Verbrennungen zweiten bis dritten Grades mit einer Kältemischung, die zu lange auf der Haut verbleibt, problemlos machbar zu sein!

Wozu kalte Sachen weh tun

Der menschliche Körper schützt sich vor Kalt- ebenso wie vor Heiss-Verbrennungen: Die Haut ist mit Schmerz-Rezeptoren ausgerüstet, die bei Hitze- und Kältereizen schmerzhaften Grossalarm auslösen und dafür sorgen, dass wir uns reflexartig von der Hitze- oder Kältequelle entfernen, bevor es zum Schlimmsten kommt.

Normalerweise jedenfalls. Wer sich an der “ice- and salt-challenge” beteiligt, bemüht sich darum, genau diesen Schutzreflex zu unterdrücken. Je “erfolgreicher” man darin ist, desto gefährlicher werden die Verletzungen, die daraus resultieren können!

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Ich rate daher dringend vom Nachmachen ab!

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Wie ihr trotzdem mit der Gefrierpunktserniedrigung experimentieren könnt

Anstatt ein Eis-Kochsalz-Gemisch auf eure Haut zu bringen, könnt ihr Eiswürfel oder Schnee und Salz ebenso gut in einem Behälter (am besten aus Kunststoff oder Edelstahl – Glas und Keramik können bei schneller Temperatur-Änderungen schonmal zerspringen!) miteinander mischen und die Temperaturabsenkung mit einem Thermometer messen.

Dabei könnt ihr gleich eure eigene Challenge veranstalten: Wer erreicht mit seinem Eis-Kochsalz-Gemisch die niedrigste Temperatur?

Wenn ihr unbedingt selbst fühlen möchtet, wie kalt das Gemisch wird, dann nehmt die Finger gleich wieder weg, sobald es euch unangenehm wird (das ist in der Regel innerhalb von Sekunden der Fall)!

Chemiker nutzen solche “Kältemischungen” aus Eis und Kochsalz übrigens gerne im Labor, um Reaktionsgefässe ohne aufwändige Elektrogeräte (ausser der Eiswürfelmaschine bzw. dem Tiefkühlfach) wirksam zu kühlen: So können Reaktionen, bei denen sehr viel Energie frei wird, im Zaum gehalten oder gasförmige Stoffe im Gefäss verflüssigt werden.

Seid ihr auch schon mit der “ice-salt-challenge” in Berührung gekommen oder habt gar daran teilgenommen? Oder habt ihr schonmal eine Kältemischung zum Kühlen verwendet?

Eis und heiss: Erforsche die Schmelzwärme

Der Winter ist die perfekte Zeit für Experimente mit Eis und Schnee. Ein ganz einfaches habe ich heute für euch – Aber Achtung! Es besteht die Gefahr, dass es das ein oder andere Weltbild erschüttert!

Wenn man etwas in einen Topf füllt und das Ganze auf dem Herd erhitzt, wird es stetig wärmer. Klar. Wärme ist schliesslich eine Form von Energie, die von einem Objekt auf ein anderes übertragen werden kann, und dabei nicht verloren gehen darf….Wirklich? Habt ihr schon einmal versucht, Eiswasser zu erwärmen?

 

Ihr braucht dazu

  • einen Herd
  • einen kleinen Kochtopf (der Topf auf dem Artikelbild ist zu gross bzw. enthält zu wenig Eis!)
  • Eis oder Schnee von draussen oder Eiswürfel aus dem Tiefkühlfach (ihr solltet den Topf gut damit füllen können)
  • kaltes Leitungswasser
  • einen Kochlöffel zum Rühren
  • ein Thermometer mit einem Anzeigebereich mindestens von -10°C bis +50°C, besser +100°C
  • etwas zum Schreiben (z.B. Tafel oder Notizblock)
  • ggfs. eine Uhr

 

Wie ihr das Experiment durchführt

  • Füllt Eis oder Schnee in den Topf und gebt ein wenig kaltes Wasser dazu. Der Boden des Topfes sollte mindestens 1cm hoch mit Wasser bedeckt sein (das Thermometer muss eintauchen können).
  • Messt sofort die Temperatur des Eiswassers und notiert sie
  • Stellt den Topf mit dem Eiswasser auf den Herd und heizt langsam ein. Rührt dabei laufend um.
  • Behaltet das Thermometer dabei im Wasser. Beobachtet während des Rührens die Anzeige. Ihr könnt in regelmässigen Zeitabständen die Temperatur notieren.

 

Was ihr beobachten könnt

  • Die Temperatur steigt von negativen Werten bis auf 0°C, zunächst aber nicht nennenswert darüber hinaus!
  • Das Eis schmilzt langsam, sobald eine Temperatur von 0°C erreicht ist.
  • Erst nachdem alles Eis geschmolzen ist, steigt die Temperatur des Wassers merklich an.
Nach dem Schmelzen steigt die Temperatur schnell an.

Erst nachdem das Eis geschmolzen ist, steigt die Temperatur schnell an. Damit dieses Phänomen deutlich messbar wird, solltet ihr den anfangs gut mit Eis und mit wenig Wasser gefüllten Topf langsam erwärmen!

Was passiert da?

Die Energie in Form von Wärme, die von der Herdplatte ausgeht, scheint zu verschwinden, anstatt in den Topf und seinen Inhalt über zu gehen! Laut dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik ist aber genau das – das Auftauchen oder Verschwinden von Energie aus bzw. in dem Nichts – verboten!

Aber keine Sorge – ich habe die Physik nicht aus den Angeln gehoben. Der Vorgang des Schmelzens als solcher erfordert Energie, die während des Schmelzvorgangs in dem verflüssigten Stoff “gespeichert” wird. Was Energie eigentlich ist und in welcher Weise sie umgewandelt und weitergegeben werden kann, hat sie uns in diesem Artikel übrigens selbst verraten.

Warum nun ein Schmelzvorgang Energie erfordert, und in welcher Weise sie in geschmolzenen Stoffen Eingang findet, erkläre ich anlässlich meines persönlichen AHA-Erlebnisses mit diesem Experiment hier genauer. Kurzum: Wärme ist eigentlich nichts anderes als Bewegung – und alle Stoffe bestehen aus mehr oder minder bewegten kleinen Teilchen. Beim Schmelzen gewinnen diese Teilchen ein neues “Level” der Bewegung, das wir nicht als Wärme wahrnehmen – sondern als veränderte Beweglichkeit des ganzen Stoffes: Was vorher fest und greifbar war, ist nach dem Schmelzen flüssig und rinnt uns durch die Finger!

 

Wie ihr noch weiter forschen könnt

Die Schmelzwärme lässt sich wieder freisetzen

Natürlich könnt ihr die in Beweglichkeit verwandelte Energie wieder zurück verwandeln. Stellt einen Behälter mit dem eben geschmolzenen Wasser einfach ins Tiefkühlfach – oder, wenn es draussen friert, auf die Terrasse oder den Balkon. Mit der Zeit wird das Wasser wieder erstarren, und die zum Schmelzen aufgewandte Energie geht dabei in Form von Wärme in die Umgebung über. Auf dem Balkon oder der Terrasse verliert sich diese Wärme schnell.

Wenn ihr aber einen freistehenden Tiefkühlschrank verwendet, fühlt einmal an dessen Rückseite. Die ist ganz warm! Sollte sie auch – der Tiefkühlschrank ist schliesslich eine Maschine, die ihrem Innenraum Wärme entzieht – auch die Schmelzwärme aus den Dingen, die wir darin “einfrieren”. Und laut den Gesetzen der Thermodynamik muss diese Wärme irgendwo hin  – vorzugsweise nach draussen. Genau da befördert die Tiefkühlschrank die Energie aus seinem Inhalt über verschiedene Stationen und Umwandlungen hin.

Verdampfungswärme: Das Gleiche “in Grün”

Wenn ihr ein Thermometer habt, das auch bei über 100°C noch funktioniert, könnt ihr das Experiment auf dem Herd einfach weiter laufen lassen. Nach dem Schmelzen der Eiswürfel wird die Temperatur des Wassers stetig ansteigen – bis sie rund 100°C erreicht. Das Wasser wird sieden und die Temperatur wird wieder weitgehend gleich bleiben – bis das Wasser vollständig verdampf ist. Erst der Wasserdampf kann theoretisch eine Temperatur über 100°C erreichen.

Auch das Verdampfen – der Vorgang, bei welchem eine Flüssigkeit zu einem Gas wird, verleiht dem Stoff ein neues Beweglichkeits-Level, das zu erreichen Energie erfordert.

Diesen Umstand habt ihr sicher schon einmal am eigenen Leib erlebt: Wenn ihr aus der warmen Dusche oder Badewanne steigt, verlangt es euch sicher ganz schnell nach einem Handtuch. Das warme, flüssige Wasser auf eurer Haut neigt nämlich dazu, recht rasch zu verdunsten – d.h. vor Erreichen des Siedepunkts zu Wasserdampf zu werden. Die dazu nötige Verdampfungswärme bezieht das Wasser dabei aus seiner Umgebung – und bedient sich dabei fleissig an eurer Körperwärme. Der Körper quittiert das dementsprechend ungehalten: Er signalisiert “es ist kalt!” – und ihr friert im eigentlich warmen Badezimmer!

Wenn es im Sommer richtig heiss ist, nutze ich diesen Effekt übrigens gerne aus: Ich tränke einen Sonnenhut aus Stoff mit Wasser – das nicht unbedingt kalt sein muss – und setze ihn triefnass auf. Sonne und Umgebungswärme lassen das Wasser im Hut rasch verdunsten, wobei es einen guten Anteil der nötigen Verdampfungswärme aus meinem Kopf bezieht – der so überschüssige Körperwärme einfach los wird. So bewahre ich auch bei Hitze buchstäblich “einen kühlen Kopf” – zumindest so lange, bis alles Wasser aus dem Hut verdunstet ist.

Habt ihr schon mit Schmelz- oder Verdampfungswärme experimentiert? Wenn nicht, probiert es unbedingt aus. Ich wünsche euch viel Spass dabei!