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Rätsel-Experiment für Kinder: Womit funktioniert der Eiswürfel-Kran?

Wenn es draussen kalt und grau ist, mache ich es mir gerne im Warmen gemütlich. Aber was tun an langen Tagen daheim? Ich habe für euch ein winterliches Rate-Experiment:

Mit welcher “magischen” Substanz könnt ihr einen Eiswürfel an einem Bindfaden befestigen und hochheben?

Nein, ich meine nicht Klebstoff. Der würde an einem Eiswürfel soundso nicht haften, sondern ratzfatz wieder abgehen, wenn das Eis schmilzt. Es gibt jedoch einen anderen Stoff, der den Bindfaden dank eines raffinierten physiko-chemischen Tricks ganz wunderbar am Eiswürfel haften lässt.

Lasst die Kinder den “magischen” Stoff erraten!

Welcher Stoff kann sowas? Lasst insbesondere eure Nachwuchs-Forscher darüber nachdenken (und ratet selbst mit, wenn ihr noch nicht darauf gekommen seid), bevor ihr weiter (vor-)lest. Dann könnt ihr nach folgender Anleitung ganz einfach selbst ausprobieren, ob ihr recht hattet.


Experiment: Wir bauen einen Eiswürfel-Kran


Ihr braucht dazu

  • einen Eiswürfel
  • ein Glas Wasser
  • einen stabilen Holzstab(Schaschlikspiess etc.)
  • ein Stück Bindfaden
  • Zucker oder Salz oder Pfeffer oder Kaugummi
Das braucht ihr: Glas mit Wasser, Holzspiesse, Bindfaden, Eiswürfel

Nur mit einem dieser Stoffe funktioniert das Experiment. Nennt den Nachwuchs-Forschern ruhig diese Vier zur Auswahl. Vielleicht kommen sie selbst darauf, was sie wirklich brauchen. Stattdessen könnt ihr auch alle vier Möglichkeiten ausprobieren.

So geht’s

  • bindet das Stück Bindfaden an euren Stab, sodass ein kleiner Kran entsteht
  • legt den Eiswürfel in das Wasserglas: Er schwimmt (Wieso? s. hier–>Eis wächst)
  • fragt spätestens jetzt die Nachwuchs-Forscher: Was glaubt ihr: Welche der genannten Zutaten ist geeignet, um den Eiswürfel an den Faden zu heften?
  • streut etwas von der “magischen” Substanz auf den Eiswürfel und legt das freie Ende des Fadens dazu.
  • wartet ca. 30 Sekunden
  • hebt den Eiswürfel vorsichtig am Faden aus dem Wasser.

Das könnt ihr beobachten

Wenn ihr die richtige Zutat gefunden habt, haftet der Eiswürfel am Faden, sodass ihr ihn aus dem Wasser heben könnt!

Der Eiswürfel hängt frei am Bindfaden!
Geht nur mit der richtigen Zutat: Der Eiswürfel hängt frei am Bindfaden!

Welches ist die richtige “magische” Substanz?

Erinnert ihr euch an die Wirkweise von Streusalz (die habe ich hier erklärt)? Wenn dessen Ionen sich mit Wasser mischen, bringt das Eis in der Umgebung zum Schmelzen. Die Wassermoleküle sind nämlich derart damit beschäftigt, die Salzionen zu umhüllen, dass sie nicht mehr am stetigen Schmelzen und Gefrieren, das sich zwischen Eis und Wasser abspielt, teilhaben können.

Und dann – so besagt es das Gesetz von Le Châtelier – müssen diese Wassermoleküle ersetzt werden. Indem mehr Eis zu flüssigem Wasser schmilzt, als es das normalerweise tut.

Das Schmelzen aber verbraucht Energie, entzieht der Umgebung also Wärme. Die Umgebung von Salz und Faden kühlt also ab, bis schliesslich selbst das Salzwasser mitsamt dem Faden am Eiswürfel festfriert!

Entsorgung

Sobald das Eis geschmolzen ist, könnt ihr das Salzwasser einfach in den Abfluss geben. Zum Blumengiessen eignet es sich wahrscheinlich nicht mehr, da die Pflanzen zu viel Salz nicht vertragen.

Alltagstipp: Eis und Salzwasser als Kühlmittel

Im Labor nutzen Chemiker die Abkühlung, die Salz in Eiswasser verursacht, zur Kühlung von Experimenten, bei denen zu viel Wärme frei wird. Streusalz ist ein billiges Mittel dafür. Das entstehende Salzwasser ist zudem nicht giftig, sodass es nachher einfach in den Abfluss entsorgt werden kann.

Tafelsalz ist zwar etwas teurer, funktioniert aber ebenso: Wenn eure Getränke im Eiswürfelbad einmal nicht kalt genug werden, gebt etwas Wasser und Salz dazu und rührt vorsichtig, um ein Eisbad zwischen 0°C und -10°C zu erhalten!

Und probiert ihr den Eiswürfelkran selbst aus? Über eure Erfahrungsberichte freue ich mich sehr!

Winterzeit ist Zeit für Experimente! Weite Teile Mitteleuropas versinken dieser Tage im Schnee. In manchen Regionen rund um die Alpen fällt sogar die Schule aus. Das ist _die_ Gelegenheit, die weisse Pracht näher zu erforschen!

Und da können sogar schon die ganz Kleinen mitmachen, denn die folgenden Experimente sind auch schon für Kinder im Kindegartenalter geeignet.

Was passiert, wenn Schnee warm wird?

Los geht es mit der alles bestimmenden Frage: Was passiert, wenn Schnee warm wird? Die Antwort ist einfach: Er schmilzt. Das weiss doch jedes Kind. Schnee ist ja schliesslich gefrorenes Wasser. Und wenn er schmilzt, wird daraus natürlich flüssiges Wasser.

Aber zur Zeit liegt draussen eine ganze Menge Schnee. Wenn der in ein paar Tagen einfach zu Wasser wird, müssten wir ja förmlich in den Wassermassen versinken….oder? Prüfen wir das doch ganz einfach nach.


Experiment 1: Wieviel Wasser steckt in einem Liter Schnee?


Ihr braucht dazu:

  • Einen Messbecher oder ein durchsichtiges Kunststoffgefäss, in das etwa 1 Liter Wasser passt (Glas kann bei plötzlicher Kälte springen, deshalb ist Kunststoff hier sicherer!)
  • genügend weichen, nicht zu nassen Schnee
  • eine kleine Schaufel
  • eventuell einen wasserfesten Filzschreiber

So geht’s:

Füllt den Messbecher bis zur 1-Liter-Marke mit Schnee. Wenn ihr keinen Messbecher habt, füllt euer Gefäss einfach nicht ganz bis zum Rand und markiert die Füllhöhe mit einem Strich. Wenn Kindergartenkinder noch keine Skala lesen können, kann ein farbiger Strich zur Erinnerung auch auf dem Messbecher angebracht werden.

Ein Liter Schnee, locker in den Messbecher geschaufelt

Stellt den Becher mit dem Schnee in einen warmen Raum und wartet etwa 3 bis 4 Stunden. Wenn ihr so viel Geduld nicht aufbringt, könnt ihr den Becher natürlich auch auf die Heizung oder in einem Topf mit heissem Wasser auf die Herdplatte stellen (Kunststoff nie direkt auf den Herd!). Dann geht es schneller. Gebt nur acht, dass ihr den Messbecher von der Wärmequelle nehmt, sobald der Schnee geschmolzen ist. Sonst verdampft zu viel Wasser!

Was geschieht?

Der Schnee schmilzt nach einiger Zeit vollständig. Es bleibt dabei aber sehr viel weniger als ein Liter Wasser übrig – in meinem Versuch gerade einmal 1/8 Liter (also 125ml)!

1 Liter Schnee geschmolzen: 1/8 Liter Wasser!
Der Schnee ist geschmolzen: Es bleibt nur 1/8 Liter Wasser!

Warum ist das so?

Lasst die Kinder zunächst Vermutungen anstellen. Vielleicht kommen sie ja selbst darauf: Der Schnee füllt das Gefäss nicht lückenlos. Das heisst, er muss Luft enthalten!


Bekommt man das Gefäss auch so voll mit Schnee, dass keine luftgefüllten Zwischenräume mehr bleiben?



Experiment 2: Wieviel Schnee kann man in das 1-Liter-Gefäss stopfen?


Ihr braucht dazu:

  • Den Messbecher oder euer 1-Liter-Gefäss
  • noch mehr Schnee
  • die Schaufel
  • eine Küchenwaage (für Kindergartenkinder, die noch keine Zahlen lesen und vergleichen können, ist eine Balkenwaage oder mechanische Anzeige, z.B. mit Zeiger, direkter erlebbar als eine digitale Waage – aber kein Muss)

So geht’s:

Stellt den leeren, trockenen Messbecher oder das Wassergefäss auf die Waage und schreibt euch das Gewicht auf.

Der leere Messbecher wiegt 112g.
Mein leerer Messbecher wiegt 112 Gramm.

Schaufelt dann draussen Schnee in das Gefäss und drückt ihn nach jeder Schaufelladung so fest hinein wie ihr könnt. Tragt dabei Winterhandschuhe oder arbeitet so zügig, dass euch weder der Schnee schmilzt noch die Finger abfrieren.

Trocknet das Gefäss aussen ab und wiegt es gleich noch einmal. Zieht dann das Gewicht des leeren Gefässes von dem des vollen Gefässes ab. Nun wisst ihr, wieviel Schnee ihr in euer Gefäss gestopft habt!

Messbecher mit Schnee auf der Waage
  • Gewicht meines vollen Messbechers: 653g
  • Gewicht meines leeren Messbechers: -112g
  • Gewicht des Schnees im Messbecher : 541g


Wer schon weiss, dass ein Liter Wasser rund 1 Kilogramm wiegt (für die fortgeschrittenen Physiker und Chemiker unter euch: Die Dichte von Wasser beträgt rund 1kg/l, also 1g/ml), der kann nun schon voraussagen, wie viel Wasser übrig bleiben wird, wenn der ganze Schnee geschmolzen ist. In meinem Messbecher sollten das 541ml sein.



Experiment 3: Wieviel Wasser steckt in dem gestopften Schnee?


Ihr braucht dazu:

  • den vollgestopften Becher von Experiment 2
  • noch ein paar Stunden Zeit oder eine Wärmequelle

So geht’s:

Stellt das mit Schnee vollgestopfte Gefäss an die Wärme und wartet – wie in Experiment 1 – bis der Schnee komplett geschmolzen ist. Dann lest die Skala ab. Wenn ihr keinen Messbecher mit Skala habt, markiert die Füllhöhe mit flüssigem Wasser mit einem zweiten Strich und vergleicht sie mit der Höhe des ersten Striches.

Was geschieht?

Der Schnee ist geschmolzen: Es sind etwas weniger als 550ml Wasser übrig – genau so viel wie erwartet!

Tatsächlich: In meinem Messbecher sind am Ende knapp 550ml Wasser! Genauer ist meine Skala nicht, aber die Rechnung scheint zu stimmen.

Aber: Das ist ja nur wenig mehr als die Hälfte von einem Liter, den ich vorher dicht mit Schnee vollgestopft habe! Obwohl ich mir so viel Mühe gegeben habe und es nicht danach aussah, ist immer noch fast das halbe Gefäss voller Luft gewesen!



Wie kann das sein, dass ich den Schnee einfach nicht dicht genug zusammenquetschen kann?


Noch ein Experiment: Schnee unter der Lupe

Um das zu erforschen, werdet ihr ein technisches Hilfsmittel brauchen: Eine starke Lupe, eine Fotokamera mit Makro-Objektiv oder leistungsstarkem Zoom, oder am besten ein einfaches Mikroskop.

Seht euch damit Schneeflocken oder ganz frisch geschneiten Schnee einmal genauer an (wie genau ihr das anstellt, zeige ich euch hier).

Schneeflocken unter meinem billigen USB-Mikroskop: Es handelt sich wunderschöne filigrane Eiskristalle!

Ihr werdet feststellen, dass Schneeflocken tatsächlich wunderschöne, filigrane Sterne sind, mit vielen Zacken und luftgefüllten Lücken dazwischen. Und diese Sterne bestehen aus Eis! Und Eis wiederum ist hart und steif. So ähnlich wie eure Legosteine.

Und wenn ihr die Legosteine alle zusammen in eine Kiste räumt, verkeilen und verhaken sich Fenster, Bäume und Figuren ineinander. So können sie nicht aneinander vorbei gleiten, so sehr ihr auch von oben darauf drückt. Davon gehen sie allerhöchstens kaputt. Aber es bleibt trotzdem noch reichlich Luft zwischen den Bausteinen.

Das gleiche passiert mit den Schneeflocken, wenn ihr darauf drückt: Die schönen Sterne verhaken sich ineinander, und viele Zacken brechen ab. Ganz zermahlen könnt ihr kleinen Eiskristalle mit blossen Händen aber nicht, sodass immer noch reichlich Luft zwischen den Trümmern bleibt. Und die sind – wie die luftgefüllten Räume dazwischen – so klein, dass man sie mit dem blossen Auge nicht sieht.

Und wenn man nun noch stärker drücken würde?

Beobachtungstipp:

Wenn ihr in einer Gegend seid, in der über längere Zeit sehr viel Schnee liegt und nachschneit (zum Beispiel in einem Skigebiet im Gebirge), betrachtet einmal die aufgestapelten Schneeschichten von der Seite. Das könnt ihr sehr gut, wenn der Schnee sich z.B. auf einer Hecke oder Mauer angehäuft hat: Das Gewicht der oberen Schneeschichten drückt die unteren Schichten zusammen. So werden die unteren Schichten immer dünner und fester.

Damit ergibt sich zum Schluss eine Frage für schlaue Forscher: Was passiert wohl mit den Schneeflocken in den unteren Schichten, wenn immer mehr Schnee oben drauf geschichtet wird…?

Forscher-Advent: 13 Experimente mit Kerzen

Liebe Leser,

Ich wünsche euch allen ein grossartiges neues Jahr voller Experimente und spannender Naturbeobachtungen! Nach unserer grossen Reise durch Australien war binnen weniger Tage Weihnachten…und das Jahr 2018 genau so schnell zu Ende.

So sind nun noch reichlich Kerzen übrig – und ebenso dunkle Tage im Januar, die sie erleuchten können. Habt ihr auch noch Kerzen? Dann habt ihr jetzt eine wunderbare Gelegenheit zu einer ganzen Reihe spannender Experimente!

Vorgestellt habe ich die Experimente mit Kerzen und Flammen bereits vor Weihnachten im Rahmen des Adventskalenders des Netzwerks Schweizer Familienblogs bei den Angelones – und dort findet ihr auch jetzt noch alles, was ihr zum Mitexperimentieren braucht und wissen müsst.

Viel Freude beim Stöbern und Mitexperimentieren wünscht

Eure Kathi Keinstein

Weihnachten mit Keinsteins Kiste: Experimente und mehr im Advent

Liebe Leser, Ich verbringe die Adventszeit dieses Jahr ganz unweihnachtlich im warmen Australien. Das bedeutet aber nicht, dass ihr ganz auf adventliche Experimente und Weihnachtsgeschichten aus der Naturwissenschaft verzichten müsst. Davon habe ich nämlich in den letzten Jahren so einige gesammelt, die nach wie vor spannend sind und viel Spass machen. Und dazu kommt dieses Jahr noch ein ganz neuer Artikel mit sage und schreibe 13 Experimenten! Deshalb gibt es heute eine Übersicht über alle Beiträge in Keinsteins Kiste zu Chemie und mehr rund um Advent und Weihnachten, die bis Weihnachten 2018 erschienen sind.

Experiment: Wie setzt sich Kerzenlicht zusammen? Untersucht Lichtquellen mit einem selbstgebauten Spektroskop!

Ihr möchtet euch die Wartezeit im Advent mit Forscher-Aktivitäten versüssen? Dazu braucht es nicht viel – nur eine Pappschachtel und eine alte CD. Damit könnt ihr nach dieser Anleitung ganz einfach ein eigenes Spektroskop bauen!

Spektroskop im Einsatz

Ich probiere das Keksschachtel-Spektroskop am Adventskranz aus

Schaut durch dieses Gerät auf eine Lichtquelle, und ihr könnt die einzelnen Farben sehen, aus welchen das Licht besteht. Gibt es Unterschiede zwischen Kerzenlicht und LED-Lichterketten? Strahlen Leuchtstoffröhren anders als die Sonne? Findet dies und mehr hier selbst heraus!

Weihnachtsgeschichte: Was war der Weihnachtsstern wirklich?

Diese Frage hat die neunjährige Sarah ihrem Onkel Balthasar gestellt, der ein echter Himmelsforscher ist. Der nimmt sie mit an seinen Arbeitsplatz, eine richtig grosse Sternwarte. Mit Hilfe von Onkel Balthasars Forscher-Kollegen findet Sarah heraus, wie die bunten Farben eines Lichtspektrums den Wissenschaftlern von der Zusammensetzung der Sterne erzählen. Dabei begegnet sie einigen fantastischen Himmelserscheinungen. Ob der Weihnachtsstern, dem die drei “heiligen Könige” nach Betlehem folgten, auch dabei ist? Wissenschaft zum Vorlesen (und Selberlesen), verpackt in eine weihnachtliche Geschichte findet ihr in diesem Beitrag! Der Weihnachtsstern : Himmelsphänomen oder Fantasieprodukt?

Spannende Wissenschaft: Der molekulare Weihnachtsmann

Auch in unseren Zellen weihnachtet es – und das das ganze Jahr über. Da spaziert nämlich ein Molekül von den Fabriken im Zellinnern zur Zellaussenhaut und schleppt einen grossen Sack voller Geschenke mit sich….ja, richtig gelesen: Da _spaziert_ ein Molekül! Dieses Molekül ist das Transportprotein Kinesin, das sich tatsächlich auf eigenen Füssen an den Streben des Zellskeletts entlang bewegen kann. In vielfacher Ausführung kann es so säckeweise frisch produzierter Hormone zum Versand durch Aussenhülle der Zelle verfrachten. Und einige dieser Hormone können uns wahrhaft glücklich machen. Damit wird der molekulare Weihnachtsmann wahrlich seiner Rolle gerecht. Ein Kinesin-Molekül läuft mitsamt Geschenkesack über ein Aktin-Filament Erfahrt in diesem Einblick in die Zellbiologie, wie Kinesin-Moleküle laufen lernen und mit Hilfe fleissiger Weihnachtselfen ihre Geschenke ausliefern. Und wo es einen Weihnachtsmann gibt, gilt immer (auch hier): Obacht vor dem Grinch! Oder möchtet ihr selbst im Forscher-Labor Geschenke basteln? Da habe ich gleich drei Vorschlage:

Experiment: Weihnachtskugeln mit Silberspiegel

Warum kann man sich eigentlich in Christbaumkugeln spiegeln? Weil sie mit Silber beschichtet sind – und zwar von innen! Aber wie kommt das Silber in die Glaskugel? Das könnt ihr in diesem Experiment ausprobieren und dabei eure eigenen Kugeln verspiegeln.

Links eine unbehandelte Ersatzkugel, rechts die selbst verspiegelte Kugel

Dazu benötigt ihr Silbernitrat – ein Salz, das Silber-Ionen enthält. Ihr bekommt es in der Drogerie oder Apotheke – für ein paar Franken oder Euros, die in diese ganz besondere “Bastelarbeit” gut angelegt sind. Schliesslich kommt ja echtes Silber dabei raus! Um aus diesen Silber-Ionen das spiegelnde Edelmetall zu machen, braucht ihr nichts weiter als Zucker und eine Wärmequelle. Den Rest – wie ihr das Silbersalz dazu bringt, auf der Kugeloberfläche zu Silber zu reagieren und wie ihr die Reste sicher entsorgt (Silber ist ein Schwermetall!) – erfahrt ihr hier in der Experimentier-Anleitung.

Experiment: Kristalle züchten

Neben spiegelnden Christbaumkugeln machen sich auch funkelnde Kristallsterne gut als Baumschmuck. Und die könnt ihr ganz einfach selber züchten. Ihr braucht dazu Alaun – ein Salz, das ihr in der Apotheke oder Drogerie kaufen könnt, und destillatgleiches Wasser (“Bügelwasser”), das ihr in jedem Supermarkt beim Haushaltszubehör findet. Dazu kommen ein paar Tage Geduld und ihr könnt wunderschönen Kristallen beim Wachsen zusehen. Mit diesen Kristallen lassen sich natürlich nicht nur Sterne züchten – eurer Fantasie sind keine Grenzen gesetzt: Sollen es lieber Herzen, Engel, Tannenbäume sein? Und wenn ihr Zugang zu anderen, farbigen Salzen habt (wie Kupfersulfat oder Chrom-Alaun), könnt ihr sogar farbigen Baumschmuck züchten! Hier in der Experimentier-Anleitung bei den Monstamoons stelle ich die schneeweisse Ausführung mit einfachem (Kali-)Alaun vor.

Experiment: Schneekugeln selber machen

Eine selbstgestaltete Schneekugel ist ein wunderschönes Geschenk für eure Lieben! In der ganz einfachen Ausführung wird einfach Glitzer in destillatgleiches Wasser gemischt und in ein gestaltetes Glas gefüllt. Was aber, wenn ihr “richtige” Schneeflocken in eurer Kugel haben wollt? DIY Schneekugeln mit Benzoesäure Die könnt ihr aus Benzoesäure selbst herstellen. Dem Namen zum Trotz ist Benzoesäure ein Feststoff, eine organische Verbindung, die oft als Lebensmittelzusatzstoff zum Einsatz kommt. Deshalb könnt ihr sie auch problemlos in der Drogerie oder Apotheke kaufen. Zur Herstellung von Schneeflocken wird das kochsalzähnliche Pulver direkt im Schneekugel-Wasser “umkristallisiert”. Wie das geht, zeige ich euch hier in der Experimentier-Anleitung gemeinsam mit Mikkis Weihnachtengeln.

Experimente: 13 Versuche mit Kerzen

Und damit euch auch ganz bestimmt nicht langweilig wird, gibt es zum Schluss noch etwas Neues: Im Rahmen der Advents-Blogparade der IG Schweizer Familienblogs bei den Angelones stelle ich euch 13 ganz einfache Experimente mit Kerzen vor. Ganz einfach heisst dabei aber nicht weniger spektakulär. Denn eine Kerzenflamme ist nicht nur heiss und hell, sondern über alle Massen faszinierend. Warum brennen Kerzen eigentlich? Könnt ihr eine Kerzenflamme um ein Hindernis herum ausblasen? Wie erschafft man eine halbe Flamme? Was passiert, wenn man ein Glas über eine Kerze stülpt? Warum sind Adventskranz und Weihnachtsbaum brandgefährlich? Die Antworten auf diese und mehr Fragen könnt ihr in dieser Experimentier-Anleitung und vor allem durch selbst Ausprobieren finden! Forscher-Advent: 13 Experimente mit Kerzen   Nun wünsche ich euch viel Spass beim Lesen, Stöbern, Basteln und Experimentieren im Advent! Zumindest rechtzeitig zu Weihnachten werden wir wieder im Lande sein. Und dann würde ich mich sehr über eure Berichte und Ergebnisse vom Nachbasteln und -Experimentieren freuen! Eure Kathi Keinstein

Experiment DIY Kinetischer Sand - und wie er funktioniert

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

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

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

 

Wie aus Sand Burgen werden

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

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

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

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

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

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

 

Was ist kinetischer Sand?

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

Silikon: Ein ganz besonderer Kunststoff

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

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

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

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

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

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

Silikon als perfekter “Zement” für Sandburgen?

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

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

 

Rezept: Kinetischer Sand selbstgemacht

Ihr braucht dazu

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

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

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

So geht es

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

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

So sind Sand und Stärke gründlich vermischt.

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

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

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

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

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

Die richtige Mischung: Dieser Sandball hält zusammen!

So ist die Mischung gut: Der Sandball hält zusammen!

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

Ein Pferd aus kinetischem Sand trägt den Spielzeug-Ritter

 

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

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

 

Wie funktioniert das?

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

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

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

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

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

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

 

Was zu beachten ist/Entsorgung

Zu empfehlen: Indoor-Sandkasten

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

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

Haltbarkeit dieses kinetischen Sandes

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

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

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

Experimente mit Elektrostatik: Blitze selber machen!

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

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

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

Was ist Elektrizität?

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

Der Ursprung der Elektrizität: Eine Eigenschaft von Teilchen

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

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

Elektrische Ladungen im Atom

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

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

Das Coulomb’sche Gesetz sorgt für Bewegung

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

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

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

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

Teilchenwanderung im Alltag

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

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

 

Wie ihr selbst Ladungen trennen und Blitze machen könnt

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

1.) Der klebende Luftballon

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

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

Der durch Reibung aufgeladene Ballon zieht meine Haare an!

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

 

 

2. Der “furchtsame” Kunststoffstab

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

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

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

 

3. Mit Abfall Blitze machen

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

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

Damit könnt ihr eure eigenen Blitze machen!

 

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

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

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

 

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

Was geschieht da?

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

Elektrostatische Anziehung und Abstossung

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

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

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

Wie aus elektrostatischer Aufladung Blitze werden

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

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

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

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

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

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

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

Ihr braucht dazu

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

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

Wie ihr das Experiment durchführt

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

  1. Entzündet 3 Streichhölzer gleichzeitig und lasst sie sogleich brennend in die Flasche fallen. Alternativ: Steckt das Papier mit dem Feuerzeug in Brand und lasst es ebenfalls brennend in die Flasche fallen.
  2. Sobald das Feuer erlischt, setzt das gepellte Ei mit dem schmalen Ende nach unten auf die Öffnung, sodass es diese dicht schliesst.
    Streichhölzer sind aus - das Ei ist auf der Öffnung.

    Bis hier hin und nicht weiter: Da brauchte ich dann schwerere Geschütze.

  3. Wartet einige Minuten: Das Ei wird wie von selbst in die Flasche gleiten!
    Das Ei wandert in die Flaschenöffnung.

    Jetzt geht es besser: Das Ei schiebt sich in den Flaschenhals.

  4. Sollte das Ei nicht ganz durch den Flaschenhals gleiten, könnt ihr die Flasche auch ein paar Minuten in den Kühlschrank – oder an diesem voraussichtlich kalten Osterfest nach draussen – stellen.
    Das Ei steckt fast ganz im Flaschenhals!

    Noch ein Bisschen, dann…

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

Die Flasche war zu eng fürs Ei : Jetzt ist nur die Hälfte drin!

Dumm gelaufen: Die Kräfte der Natur haben das Ei entzwei gerissen.

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

Was passiert da?

Teilchen-Bewegung ist Wärme

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

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

Teilchen-Bewegung ist Druck

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

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

Wie die Luft-Teilchen das Ei bewegen

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

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

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Wie ihr das Ei wieder aus der Flasche bekommt

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

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

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

Entsorgung

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

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

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

Und wie sehen eure Naturforscher-Ostern aus?

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?

Experiment im Frühling: Blumen färben

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

Blogparade: Kinder sind Forscher!

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Experiment: Wir färben Blumen um

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

Ihr braucht dazu

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

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

Wie ihr das Experiment durchführt

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

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

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

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

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

Was passiert da?

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

Die Adern in den Blütenblättern sind deutlich blau gefärbt

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

Und was ist der “Antrieb” dieser Wasserversorgung?

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

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

Warum funktioniert das nicht mit Topfpflanzen?

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Entsorgung

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

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

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

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?