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Ausstellung: Die Entdeckung der Welt - Wie aus Kindern Forscher werden

Das ist ein Ball…

Das ist ein Ball : Blaue Holzkugel

und das eine Reise in die Vergangenheit – in meine Vergangenheit:

Bunte Kunststoff-Windräder, wie sie vor 30 bis 40 Jahren jedes Strandgeschäft im Angebot hatte

Denn diese bunten Windräder und das einzigartige Geräusch ihres Flatterns im Seewind gehören zu meinen frühesten Kindheitserinnerungen. An die frühen Seeferien an der Ostsee, wo die bunten Räder zu Dutzenden vor jedem Strandgeschäft zum Verkauf angeboten wurden.

Damals war ich schon mittendrin im Welt entdecken – damit fangen kleine Kinder nämlich gleich nach der Geburt schon an. Oder sogar schon davor. Und sie tun es mit allen Sinnen, die von Geburt an einsatzbereit, wenn auch noch nicht vollständig entwickelt sind. Aber die Entwicklung kommt dann mit dem Forschen und Lernen.

Wie das vor sich geht, könnt ihr noch bis zum 16. Juni in der St. Leonhardskirche in St. Gallen entdecken. Dort findet nämlich die Wanderausstellung “Die Entdeckung der Welt” des Vereins Stimme Q statt. Und danach ist sie in Winterthur – und schliesslich in Bern.

Ich habe von der Stiftung Q für den Besuch der Ausstellung zwei Freikarten für Erwachsene erhalten. Eine davon darf ich am Ende dieses Beitrags für euch verlosen. Es besteht kein Interessenkonflikt hinsichtlich des Inhalts in diesem Beitrag und dessen Publikation.

Mit dem Ball zurück in Kindertage

Die bunte Holzkugel, die so sehr an das beliebteste Kinderspielzeug erinnert, begleitet mich durch die ganze Ausstellung. Zum Auftakt setzt sie Dioramen in Betrieb, mit welchen verschiedene (heute erwachsene) Menschen mich in ihre Kindheit mitnehmen. Da leuchtet, glitzert, dreht und bewegt es sich symbolisch, während die Protagonisten via Lauschmuschel von ihren Kindheitserlebnissen und -eindrücken erzählen.

Wie bei einem Spint mit Pfandmünze kommt der Ball am Ende immer wieder zurück in meine Hand. Fast immer jedenfalls, denn genau bei den Windrädern bleibt die Kugel plötzlich verschwunden. Und nun?

Wenn es irgendwo klemmt, ist der Kassier am Eingang überaus hilfsbereit. Mit ein paar Handgriffen zaubert er das verlorene “Spielzeug” im Handumdrehen wieder hervor.

Auch weiterhin spricht die ganze Ausstellung (fast) all unsere Sinne an: Augen, Ohren, aber auch der Tastsinn ist gefordert.

Wie aus Neugeborenen Forscher werden: Ein Parcours durch die frühkindliche Entwicklung

An grossräumig verteilten Stationen kann ich die Schritte der Entwicklung von Kindern von der Geburt bis zum vollendeten 4. Lebensjahr mitverfolgen. Gemeinsam entwickeln sich die Sinne, Bewegungs- und Sprachfertigkeiten und aus all dem soziale Kompetenzen – die Fähigkeiten zum Miteinander.

Neben reichlich Lesestoff zur Entwicklung Schritt für Schritt kommen Fachexperten zu einzelnen Tehmen via Lauschmuschel zu Wort. Dazwischen finde ich zur Auflockerung Beispiele, was und wie Kinder wann lernen können. Auf Bildschirmen laufen nämlich Kurzfilme der Bildungsdirektion Zürich (die ihr auch hier finden könnt), die Szenen direkt aus dem Alltag von Kindern und Eltern bzw. Tageseltern zeigen.

Rundblick über die Ausstellung "Die Welt entdecken" in der neugotischen St. Leonhardskirche
Die farbenfrohen Fenster der St. Leonhardskirche harmonieren selbst an einem trüben Tag wunderbar mit den Elementen der Ausstellung.

Forscher Kristóf und die Holzfrucht

Fasziniert beobachte ich gut 3 Minuten lang, wie ein 9 Monate altes Baby im Video zum Forscher wird – auf der Spieldecke und in Mamas Nähe sich selbst überlassen. Sein Forschungsobjekt: ein rotes, gerundetes Stück Holz!

“Kleinkinder können sich dann in etwas vertiefen, wenn sie sich sicher und geborgen fühlen, weder Hunger noch Durst haben, bequem gekleidet und ausgeschlafen sind.”

Fazit des Kurzfilms “Die Holzfrucht”

Dieser Schlussatz aus dem Film zieht sich wie ein roter Faden durch die weitere Entwicklungsgeschichte: Geborgenheit und gleichzeitige Gelegenheit zur Eigenständigkeit sind Grundvoraussetzungen für nachhaltiges Forschen und Lernen.

Naturkunde für die ganz Kleinen

Auch der erste Naturkundeunterricht, im Video um 2- bis 3-Jährige, beläuft sich aufs Schauen und Tasten (und je nach Gegenstand auf Riechen und allenfalls Schmecken): Wie fühlt sich das Schneckenhaus an? Was macht die Schnecke, wenn man sie antippt? Das Gespräch zwischen Kind und Erwachsenen über das Erleben fördert auch die Sprachentwicklung ungemein.

Dabei sein ist alles

Kinder lieben es, die Grossen nachzuahmen. Dabei finden sie wunderbare Lerngelegenheiten Werden sie in Alltagsarbeiten eingebunden, haben sie ausserdem noch das Gefühl, helfen zu können. Das gilt auch für gemeinsames Experimentieren: Wer mitmachen kann, hat daran gleich doppelt Spass!

Besondere Themenfelder: Generation Iphone

Wenn es um die Entwicklung und Förderung von (Klein-)Kindern geht, gibt es in bestimmten Feldern immer wieder heisse Diskussionen. Zwei solchen sind in der Ausstellung eigene Bereiche gewidmet: Den immer häufigeren “modernen” Familienformen von Patchwork bis zu homosexuellen Eltern und der Frage nach dem Einsatz digitaler Medien in der frühkindlichen Bildung und Erziehung. Und letztere macht mich als Bloggerin für Familien und eine der ältesten Digital Natives besonders neugierig.

Welchen Sinn macht es, die Jüngsten mit dem Smartphone spielen zu lassen oder bereits Kindergärten (dieser Begriff meint in der Schweiz die Vorschule!) oder gar Kitas mit Tablets auszustatten? Angebote für diese Altersklasse gibt es in den Appstores ja zuhauf.

Die Experten in der Ausstellung sagen: Keinen! Es gebe keinen Grund, 0 bis 4 Jährige mit Tablets&Co zu versorgen – im Gegenteil: In dieser Zeit lernen Kinder, die reale Welt zu be(greifen). Da bestehe das Risiko, dass in der virtuellen Welt fehlerhafte oder gar unbrauchbare Abläufe und Konzepte erlernt werden.

Meine Sicht auf Tablets & Co für die Kleinsten

Diese Aussage bestätigt mein Bauchgefühl. Ich selbst bin ja noch nicht in, sondern gemeinsam mit der digitalen Welt aufgewachsen. So kam der erste Computer zu uns ins Haus, als ich schon zur Schule ging, und unsere Eltern limitierten die Zeit, die wir Kinder daran verbrachten, streng. Verpasst habe ich dadurch aber nichts.

Im Gegenteil: Ich bin nun nicht nur eine der ersten Digital Natives, sondern auch Teil der letzten Generation, die noch komplett analog – auf die eigenen Sinne und Motorik angewiesen – ihre Welt entdeckt hat (vielleicht rührt daher ja meine ungebrochene Leidenschaft für das Selber-Experimentieren).

Vorerst zumindest: Meine Schwester erzieht ihre Töchter weitestgehend smartphone- und tabletfrei, und das seit mehr als zweieinhalb Jahren ziemlich konsequent. Meinem Bauchgefühl und vor allem nach dem Besuch der Ausstellung unterstütze ich diese Haltung gerne.

Für die Grossen: Frühkindliche Betreuung in der Schweiz

Die Reise durch die frühkindliche Entwicklung nimmt jedoch nur einen Teilbereich der Ausstellung ein. Darüber hinaus liefert die nämlich noch reichlich weiteres Futter für die Diskussion um frühkindliche Betreuung, Bildung und Erziehung, die die Stimme Q schliesslich in die breite Öffentlichkeit tragen will.

So findet sich in der Mitte des Kirchenschiffs ein fantasievolles Steuerpult für die Präsentation einer umfassenden Statistiksammlung. Wieder kommt der Holzball zum Einsatz und ruft selbstständig über das Pult hopsend ein Diagramm nach dem anderen auf der grossen Leinwand auf. Die Diagramme zeigen unter anderem: Es gibt in der Schweiz grosse Lücken betreffend familien- bzw. familiengründungsfördernder Gesetzgebung und Kleinkinderbetreuung.

Ich schwärme ja gerne davon, wie einfach es im Vergleich zu Deutschland hierzulande ist, eine selbstständige Arbeit aufzunehmen. Dagegen wäre eine Familie zu gründen und zu betreuen wohl eine weitaus härtere Nuss als daheim im “grossen Kanton”. Insbesondere in Sachen Elternzeit und Betreuungsangebot scheinen die Eidgenossen noch reichlich Verbesserungsbedarf zu haben.

Das Steuerpult für die Statistiksammlung: Der blaue Ball unterhalb der grünen Tafel zeigt: Obwohl oder gerade weil in der Schweiz sehr viele Frauen berufstätig sind, gibt es Verbesserungsbedarf in Sachen Elternzeit und Kleinkinderbetreuung.

Für die Kleinen: Spielspass im Ausstellungsraum

Während die Grossen sich mit Lesestoff, Filmen und Statistik vergnügen, kommen auch die kleinen Ausstellungsbesucher nicht zu kurz. Kriechtunnel und weiche Matten zwischen den Stationen laden zum Spielen und Toben ein – und hier beschwert sich niemand, wenn es dabei mal ein wenig laut wird.

Und wer lieber nah bei Mami und Papi bleibt, kann gleich noch das ein oder andere Exponat nach eigenen Vorstellungen gestalten. Einige der Schautafeln sind nämlich Magnetwände mit beweglichen Elementen, die nach Lust und Laune irgendwo angeheftet werden können.

Das Highlight ist aber die Spielstation im Herzen der Ausstellung. Die grosse Kugelibahn für den Holzball hat (nicht nur) meinen Spieltrieb gleich geweckt. Eine Rutsche, eine Höhle “nur für Kinder” (es sei denn, die Grossen schaffen es irgendwie durch den Kriechtunnel oder den niedrigen Seiteneingang hinein) und der grosse Konfetti-Touchscreen laden zu ganz eigenen Abenteuern ein.

Der mannshohe Konfetti-Screen, auf welchen ein Beamer bunte Formen projeziert, ist besonders bei den Primarschülern beliebt. Man kann mit den virtuellen Konfetti nämlich interagieren. Jede Konfettifarbe hat eine andere Eigenschaft, die bei Berührung mit den Händen zu Tage tritt: “Die Pinken sind die besten!”, heisst es bei den begeisterten Kids (die Pinken blähen sich nämlich riesig auf, ehe sie wie Seifenblasen platzen), die Blauen sind aber ebenso beliebt (sie fahren bei Berührung Zacken aus und können per Wisch quer über den Screen geschossen werden. Auf ihrem Weg bringen sie dann andere Konfetti zum Platzen).

Durch ein Bullauge in Elternhöhe kann ich den Screen und die Kinder, die direkt hinter der Wand in der Höhle stehen, im Spiegel beobachten. Dabei zeigt sich: So faszinierend die Möglichkeiten der digitalen Technik auch sind, die “klassischen” Spielgeräte wie Rutsche und Kugelibahn verlieren darüber nicht ihren Reiz: Alle Teile der Spielinsel werden von den jungen Gästen gleich eifrig bevölkert.

Ein kleines Mädchen ist fasziniert vom riesigen Konfetti-Bildschirm. Wenn er will, kann der Papi seine Tochter durch den Kriechtunnel jederzeit erreichen.
29.03.2017; “Die Entdeckung der Welt” mit dem Konfettiscreen in Bellinzona (Michela Locatelli/photolocatelli.ch)

Ihr wollt die Ausstellung besuchen? Das solltet ihr wissen

Habt ihr nun auch Lust zum Mitspielen und -lernen? Dann könnt ihr die Ausstellung “Entdeckung der Welt” noch bis zum 16. Juni 2019 jeden Dienstag bis Sonntag (ausser Karfreitag) von 10 bis 18 Uhr in der St.Leonhardskirche in St.Gallen besuchen. Die Kirche ist nur wenige Hundert Meter vom Hauptbahnhof entfernt und von dort aus nicht zu übersehen.

Der Eintritt kostet für Erwachsene CHF 8, für Schüler und Auszubildende über 16, Studenten, AHV- und IV-Bezüger CHF 6. Für Kinder unter 16 ist der Eintritt inklusive Spielspass frei.

So lange es draussen noch frisch ist: Zieht euch in jedem Fall warm an! Wie jede ältere Kirche lässt sich auch diese nur schwerlich beheizen – und ich habe nach all der spannenden Lektüre im Stehen in der dünnen Sommerjacke ziemlich gefroren!

Alle Infos und Daten zu den zahlreichen Zusatzveranstaltungen rund um das Projekt findet ihr zudem auf der Website zur Ausstellung.

Gewinnspiel: Eine Freikarte (Erwachsene) für euch!

Wie nehmt ihr teil?

Kommentiert bis zum 18.04.2019 unter diesem Beitrag, mit wem oder warum ihr die Ausstellung in St. Gallen besuchen möchtet und noch eine Karte braucht. Gebt dazu eine gültige Email-Adresse an – der Gewinner erhält die Karte von mir als pdf-Datei zum Ausdrucken oder digitalen Transport mit der Eventfrog-App!

Anschliessend werde ich den Gewinner unter den gültigen Kommentaren auslosen.

Teilnahmebedingungen

  • Das Gewinnspiel wird von Keinsteins Kiste in Zusammenarbeit mit dem Verein Stimme Q veranstaltet. Vielen Dank für die Bereitstellung des Preises!
  • Das Gewinnspiel startet am 13. April 2019 und endet am 18. April 2019 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!).
  • Gewinnpreis ist eine Freikarte für die Ausstellung “Die Entdeckung der Welt” in der St.Leonhardskirche in St.Gallen, gültig an einem beliebigen Datum bis zum 16. Juni 2019.
  • 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.
  • 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 einer Woche 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.

Weitere Stationen der Wanderausstellung

St. Gallen ist euch zu weit weg oder es passt euch zeitlich nicht mehr? Auch dann könnt ihr die Ausstellung noch besuchen. Sie ist nämlich bis Ende des Jahres in der Schweiz unterwegs:

Vom 21.08. bis 20.10.2019 findet ihr sie im Eulachpark, Halle 710 in Winterthur und vom 15.11. bis 22.12.2019 im Kornhausforum in Bern.

Bis dahin habe ich aber noch eine Anregung zum Weltentdecken für eure Jüngsten zu Hause.

Und wie könnte ein altersgerechtes MINT-Experiment für Kleinkinder aussehen?

In der Ausstellung lernen wir: Voraussetzungen für nachhaltiges Erleben und Lernen – und das lässt sich auch auf Naturwissenschaften ummünzen – sind: Eine sichere, anregende Umgebung zum Selbsterkunden, und Gelegenheit zum Mitmachen bei gemeinsamen Experimenten. Ein spannender Versuchsgegenstand für Kleinkinder kann dabei aus Erwachsenensicht durchaus sehr simpel sein.

Naturwissenschaftliches zum Selbererkunden: Magnete!

Für Kinder megaspannende und ebenso sichere Gegenstände zum Selbsterkunden sind Dauermagnete! Ich habe schon in frühen Jahren die Magnetkupplungen meiner Holzeisenbahn-Wagen geliebt und fleissig damit experimentiert. Magnete gibt es aber auch in vielen Formen und Farben für den Kühlschrank oder die Magnettafel.

Welche Magnete sind für Kinder geeignet?

Wichtig ist, dass Magnete für Kinder ausreichend gross oder/und mit den sie umgebenden Materialien robust verarbeitet sind, sodass sie nicht verschluckt werden können. Dann nämlich könnt ihr die Kinder ganz beruhigt allein damit umgehen lassen (die Magnetfelder von einfachen Kühlschrank- oder Spielzeugeisenbahn-Magneten sind nicht gefährlich und vor allem nicht stark genug, um kleine Finger einzuklemmen.

Anders die sogenannten “Supermagnete” aus Legierungen mit dem Seltenerd-Metall Neodym: Wenn diese gross genug sind, um nicht verschluckt zu werden, sind ihre Magnetfelder so stark, dass sie für Kinder unlösbar an Eisen haften bleiben und (nicht nur) einen zarten Kinderfinger schmerzhaft quetschen können.

Was es über Magnete zu erforschen gibt

Mit einem oder mehreren Magneten können Kinder sich lange allein beschäftigen. Noch mehr Spass macht es jedoch, die wundersamen Magnetkräfte gemeinsam zu erkunden. Über folgende Fragen und Beobachtungen könnt ihr mit euren Kindern sprechen und dazu experimentieren:

  • Magnete ziehen Dinge an. Welche? Und welche nicht?
  • Magnete ziehen Dinge auch aus Entfernung an. Wie gross darf die sein?
  • Magnete ziehen Dinge auch durch andere hindurch an. Wie dick dürfen die sein?
  • Zwei Magnete ziehen sich nicht nur an, sie stossen sich auch ab. Sind die anziehenden und abstossenden Seiten eurer Magnete mit Farben markiert?

Dabei werden unweigerlich Fragen auftauchen. Woher rühren die “Zauberkräfte” der Magnete? Gibt es Magnete mit nur einer “Seite” (einem Pol)? Kann man solche erzeugen, indem man einen Magneten durchschneidet? Wenn ihr die richtigen Antworten auf solche Fragen parat haben wollt, findet ihr sie in meinem Artikel zu den Magnetkräften in Keinsteins Kiste.

Mehr Experimente für die ganz jungen Forscher

Da findet ihr auch viele weitere Experimente für kleine(re) Kinder. Hier sind einige Beispiele:

Und viele andere mehr.

Zu all diesen Experimenten findet ihr Erklärungen, die für die Kleinsten vielleicht zu weit gehen, aber euch Grossen dabei helfen sollen, den kleinen Forschern ihre Fragen zu ihren Beobachtungen zu beantworten.

Und wie habt ihr die Welt entdeckt? Wie entdeckt ihr sie mit euren Kindern?

Es ist Frühling – eine wunderbare Zeit für Experimente, für die man etwas Platz braucht. Deshalb habe ich heute für euch ein lustiges wie lehrreiches Spektakel für Balkon und Terrasse (oder auch für drinnen): Die Elefantenzahnpasta!

Das bekannte Experiment zeigt eine weitere wichtige Fähigkeit (die Gärung könnt ihr ja hier erforschen), die nicht nur Hefezellen, sondern auch unsere Zellen haben: Die Fähigkeit, sich vor Oxidationsmitteln zu schützen. Und da dabei eine Menge Gas entsteht, kann man diese Fähigkeit für dieses spassige Experiment nutzen.

Ihr braucht dazu

  • Hefe: am einfachsten geht das Experiment mit Trockenhefe
  • ein Gefäss mit schmaler Öffnung: z.B. eine 0,5l PET-Flasche oder ein Reagenzglas
  • etwas warmes Wasser (lauwarm, wie Hefe es gern hat)
  • etwas Geschirrspülmittel
  • ein Oxidationsmittel: Wasserstoffperoxid, als Lösung (3 – 6%) aus der Apotheke/Drogerie
  • Optional: Lebensmittelfarbe
  • Einen Trichter, der auf das schmale Gefäss passt
  • Schutzbrille, ggfs. Labormantel/Malschürze
  • Ein Backblech oder Tablett als Unterlage
Wasserstoffperoxid, Trockenhefe, Spülmittel, Lebensmittelfarbe, Reagenzglas, Schutzbrille, Trichter - das braucht ihr für die Elefantenzahnpasta!

So geht’s

  • Rührt die Trockenhefe in das warme Wasser ein, bis es keine Klumpen mehr gibt.
  • Füllt Wasserstoffperoxid in das schmale Gefäss (bis es zu ca. einem Fünftel (mit 6% H2O2) bzw. zwei Fünftel (mit 3% H2O2) gefüllt ist – verwendet dazu den Trichter!) und mischt Lebensmittelfarbe und einen Schuss Spülmittel hinein.
  • Stellt das Gefäss in das Backblech.
  • Giesst das Hefewasser schnell in das Gefäss und tretet zurück! Die Reaktion beginnt sofort!
Wasserstoffperoxid ist mit roter Farbe und Spülmittel gemischt, die Hefe in Wasser suspendiert
Alles parat: Rechts im Reagenzglas Wasserstoffperoxid-Lösung (Drogisten benutzen gerne lateinisierte Stoffnamen – hier “Hydrogenii peroxidum” , die schonmal zu Kommunikationsschwierigkeiten mit einkaufenden Chemikern führen) mit roter Lebensmittelfarbe und Spülmittel. Links ein Teelöffel Trockenhefe in Wasser. Nun das Linke in das Rechte giessen und los gehts!

Was ihr beobachten könnt

Die Mischung beginnt sofort zu sprudeln und heftig zu schäumen. Wie ein Zahnpastastrang quillt der Schaum aus der Gefässöffnung und ergiesst/schlängelt sich auf dem Backblech aussen herum.

Elefantenzahnpasta quillt aus dem Reagenzglas!
Zahnpasta für Zwergelefanten: Einem der Chemiker-Grundsätze – so viel wie nötig, so wenig wie möglich – zuliebe habe ich den kleinen Massstab im Reagenzglas gewählt. Zudem hatte “meine” Drogerie gerade nur 3% H2O2-Lösung vorrätig – mit 6% käme wohl noch mehr Schaum heraus. Im Übrigen: Ein guter Drogist oder Apotheker fragt nach, was ihr mit der Lösung vorhabt. Nicht irritieren lassen und ehrlich sein – sie geben sie dann schon heraus!

Sicherheitshinweise

Auch wenn sie gerne so genannt wird: Die “Elefantenzahnpasta” eignet sich nicht zum Zähneputzen! Nehmt sie also nicht in den Mund!

Wasserstoffperoxid wirkt ätzend auf Haut und Schleimhäute (die typischen weissen Verletzungen werden manchmal erst verzögert sichtbar und tun manchmal auch dann erst weh). Wenn euch etwas von der Lösung auf die Haut gerät, spült es gründlich mit fliessendem Wasser ab. Sollte euch trotz aller Vorsicht etwas ins Auge spritzen, spült das Auge sehr gründlich mit fliessendem Wasser aus (10 Minuten lang ist Labor-Standard!) und geht bei Beschwerden zum Augenarzt!

Ausserdem kann Wasserstoffperoxid farbige Textilien bleichen. Der Labormantel bzw. die Malschürze soll eure Kleider davor schützen.

Die “Zahnpasta” selbst enthält kaum bis kein Wasserstoffperoxid mehr und kann daher gefahrlos angefasst werden.

Entsorgung

Die “Zahnpasta” und Reste im Reaktionsbehälter können mit viel Wasser in den Abfluss entsorgt werden. Übrige Wasserstoffperoxidlösung könnt ihr im dicht schliessenden Originalbehälter in einem dunklen Schrank aufbewahren und später für weitere Experimente verwenden.


Was passiert da – Wie entsteht die Elefantenzahnpasta?

Wasserstoffperoxid – H2O2 – ist eine recht instabile Verbindung. Unter alltäglichen Bedingungen ohne Reaktionspartner zerfällt es sehr langsam in Wasser und Sauerstoff:

2H_{2}O_{2}\rightarrow 2H_{2}O+O_{2}

Kommt Wasserstoffperoxid allerdings mit anderen Stoffen in Berührung, oxidiert es die meisten davon. Das gilt insbesondere für die Bestandteile von Lebewesen. Deshalb solltet ihr bei diesem Experiment Schutzbrille und -kleidung tragen!

Schutz vor Oxidation durch Aufräum-Enzyme

Wenn die Zellen sauerstoffatmender Lebewesen (Menschen, Tiere, Hefepilze,…) Energie aus Sauerstoff gewinnen, kann in ihnen jedoch H2O2 als unerwünschtes Nebenprodukt entstehen (so ausgeklügelt die Reaktionswege sind, fehlerfrei laufen sie noch lange nicht). Damit dieses Wasserstoffperoxid nicht wild herumoxidiert, haben die Zellen ein Aufräumkommando, das durch Fehler entstehendes H2O2 schnellstmöglich aus der Welt schafft.

Dabei handelt es sich um Enzyme mit dem Namen Katalase. Das sind Proteine, die die natürliche Zersetzung von Wasserstoffperoxid in Wasser und Sauerstoff um ein Vielfaches beschleunigen – indem sie den Ablauf der Reaktion erheblich erleichtern.

Ein Biokatalysator erleichtert den Reaktionsablauf

Denn Reaktionen laufen dann leichter ab, wenn weniger Energie nötig ist, um sie zu starten. Ein Stoff, der eine Reaktion beschleunigen kann (ohne selbst abzureagieren), indem er die zum Start der Reaktion nötige Aktivierungsenergie verringern kann, wird Katalysator genannt.

Im Auto ist der Katalysator eine Metalloberfläche, an welcher giftige Abgase zu weniger giftigen Stoffen reagieren (mehr dazu findet ihr hier). In Lebewesen heissen die Katalysatoren Enzyme. Enzyme sind also Proteine, die Reaktionen erleichtern und damit beschleunigen. Die Katalasen gehören unter diesen zu den schnellsten Enzymen überhaupt: Ein einziges Katalase-Molekül schätzungsweise bis zu 10 Millionen H2O2-Moleküle in der Sekunde umsetzen! Das hat zur Folge, dass die Geschwindigkeit des Wasserstoffperoxid-Abbaus mit Katalase praktisch nur davon abhängt, wie viel H2O2 das Enzym in gegebener Zeit “zu fassen” bekommt.

Gasentwicklung dank Katalase

Damit ist die Katalase bestens geeignet, um durch Fehler in anderen Reaktionsabläufen entstehendes Wasserstoffperoxid sofort wieder verschwinden zu lassen – oder um aus Wasserstoffperoxid, das von aussen eindringt, in kürzester Zeit grosse Mengen Sauerstoff-Gas freizusetzen.

Wenn wir unsere Hefe durch Mischen mit Wasserstoffperoxid-Lösung (relativ) grossen Mengen H2O2 aussetzen, stürmen diese kleinen Moleküle die Hefezellen und werden dort postwendend zu Wasser und Sauerstoff-Gas umgesetzt. Sollten die Zellen dabei platzen oder ihre Aussenwände kaputt oxidiert werden, kommt die Katalase zudem direkt mit der Wasserstoffperoxid-Lösung in Berührung und das Gas entsteht noch schneller.

Nun brauchen gasförmige Stoffe ein Vielfaches mehr an Platz als flüssige Stoffe aus den gleichen Teilchen, sodass sich das Sauerstoff-Gas sehr schnell ausdehnt. Da unser Gemisch aber Seife enthält, werden die entstehenden Sauerstoffportionen in winzige Seifenbläschen eingeschlossen (über diese und andere Superkräfte von Seife könnt ihr hier nachlesen): Es entsteht Schaum.

Elefantenzahnpasta von Nahem gesehen: Die Schaumbläschen sind erkennbar.
Wenn ihr euch die “Elefantenzahnpasta” ganz aus der Nähe anschaut, könnt ihr die kleinen Schaumbläschen erkennen.

Und dieser Schaum, nass von Seifenwasser und Hefezellresten, quillt als “Elefantenzahnpasta”-Schlange aus dem Gefäss heraus.

Zusammenfassung

Die “Elefantenzahnpasta” besteht also aus Schaum aus Seife und Sauerstoff, der durch “Überfütterung” der Oxidationsschutz-Enzyme von Hefezellen mit Wasserstoffperoxid entsteht.

Auch Menschenzellen haben Katalasen, die den Abbau von Wasserstoffperoxid in der gleichen Weise beschleunigen: Wenn Wasserstoffperoxid in unsere Haut gelangt, entstehen im Gewebe kleine Sauerstoffbläschen, welche wir als die weissen Verletzungen sehen können.

Wichtig: Die Schutzenzyme des Körpers sind genau darauf ausgelegt, solche Oxidationsmittel zu entfernen, die bei Fehlern in zelleigenen Prozessen entstehen. Andere Oxidations- und Bleichmittel, insbesondere unter dem Kürzel “MMS” als “Wunderheilmittel” vertriebene gefährliche Chlorverbindungen gehören da nicht zu! Gegen solche Stoffe hat der menschliche Körper keine eigenen Schutzmassnahmen!

Und habt ihr das Elefanzenzahnpasta-Experiment schon einmal ausprobiert? Wozu sonst verwendet ihr Wasserstoffperoxid?

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…?

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!

Wasser ist spooky: Ein Zaubertrick für Gross und Klein

Bald ist Halloween: Für viele kleine und grosse Hexen und Zauberer rückt damit ein grosser Tag immer näher. Aber was wäre, wenn ihr im schaurig-schönen Kostüm auch tatsächlich zaubern könntet? Ich habe einen einfachen, aber verblüffenden Zauber für euch, mit dem ihr an eurer Halloween-Party sicher für Aufregung sorgen könnt! Und um Ärger mit dem EZD (dem Eidgenössischen Zauberei-Departement…) zu vermeiden, gibt’s auch eine wasserdichte naturwissenschaftliche Erklärung dazu.

 

Von Harry Potter zum verhexten Wasser

Bestimmt kennst du Harry-Potter – und vielleicht auch seine wilde Begegnung mit einem Drachen in “Harry Potter und der Feuerkelch”. Um eine Aufgabe in einem Wettkampf zu erfüllen, muss Harry diesem Drachen in einer Arena ein Ei entwenden. Um überhaupt eine Chance gegen den wildgewordenen Feuerspeier zu haben, ruft der Jungzauberer  dazu mit einem einfachen Zauber seinen Flugbesen in die Arena. Die Wirkung des Spruchs: Der Besen saust von seinem Lagerplatz ausserhalb der Arena auf den Zauberstab und seinen Besitzer zu.

Diesen Kunstgriff kannst auch du ganz einfach nachmachen – vielleicht nicht mit einem Besen und nicht über eine so grosse Entfernung – aber mit einem einfachen Kunststoff-Zauberstab und Wasser. Und schon das wird deine Freunde verblüffen und vielleicht sogar zum Gruseln bringen!

 

Was du dazu brauchst

  • Einen Wasserhahn am Waschbecken oder einem Getränkespender – hauptsache, du kannst einen millimeterdünnen Wasserstrahl daraus fliessen lassen
  • Einen Kunststoff-Zauberstab (ein Spielzeug ist ebenso geeignet wie der Einweg-Plastiklöffel, den ich verwende – aber probiere das Experiment vor der grossen Aufführung aus, denn nicht jeder Kunststoff funktioniert gleich gut!)
  • Ein Kleidungsstück aus echter Wolle – zum Beispiel ein Schal, Wollhandschuhe oder eine Strickjacke. Besonders eindrücklich wirkt das Ganze, wenn das Woll-Stück Teil deines Kostüms ist.

 

Wie du den Zauber vorführst

  1. Öffne den Wasserhahn nur ein wenig, sodass so gerade eben ein stetiger, aber millimeterdünner Wasserstrahl herausläuft.
  2. Reibe deinen Zauberstab kräftig mit dem Kleidungsstück aus Wolle (ein guter Zauberer “beschäftigt” sein Publikum währenddessen anderweitig, zum Beispiel im Gespräch).
  • Führe den Stab vorsichtig in die Nähe des Wasserstrahls und sprich “Accio Wasserstrahl!”. Berühre dabei in keinem Fall das Wasser mit dem Stab!
  • Der zuvor senkrecht fallende Strahl wird sich in Richtung des Stabes krümmen!
dünner Wasserstrahl und verhextes Wasser

Links: Ein dünner Wasserstrahl – Rechts: “Accio Wasserstrahl” – deutliche Krümmung um einen elektrostatisch aufgeladenem Plastik-Löffelstiel!

 

Was dabei passiert

Letzte Woche habe ich ein Experiment gezeigt, das einen Hinweis darauf gibt, wie Wasser und andere Stoffe aufgebaut sind: Wasser besteht, wie andere Stoffe, aus ganz vielen winzig kleinen Teilchen. Die Wasserteilchen haben dabei eine besondere Eigenschaft: Sie sind elektrisch geladen!

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Über elektrisch geladene Teilchen

Elektrisch geladene Teilchen spielen in unserem Alltag eine grosse Rolle. So fliessen solche Teilchen durch Stromkabel, wenn wir das Licht einschalten, und bringen die Lampe zum Leuchten. Diese Teilchen haben meist nur eine Ladung – und die ist positiv (+) oder negativ (-). Dafür, dass solche Teilchen überhaupt strömen, sorgt eine grundlegende physikalische Gesetzmässigkeit: Gleichartige Ladungen stossen sich ab, verschiedene Ladungen ziehen sich an. So bewegen sich die negativ geladenen “Strom-Teilchen” oder “Elektronen” vom negativ geladenen Minuspol einer Stromquelle weg und zum positiv geladenen Pluspol hin.[/yellow_box]

Wasserteilchen tragen dagegen zwei verschiedene Ladungen: Wie ein Magnet tragen sie an jeder Seite eine! (Da zwei verschiedene Ladungen einander aufheben, merkt man das den winzigen Wasserteilchen mit unseren groben Sinnen normalerweise nicht an.)

Wasserteilchen mit zwei Ladungs-Schwerpunkten

Ein Wasserteilchen trägt zwei elektrische Ladungen: Die negative Seite (-) ist rot, die positive Seite (+) ist blau schattiert.

Das führt dazu, dass die Plus-Seiten der Wasserteilchen die Minus-Seiten anziehen und umgekehrt. Im Wasser ordnen sich die Teilchen daher so, dass Plus-Seiten den Minus-Seiten gegenüber liegen und niemals gleiche Seiten einander zugewandt sind:

Wasserteilchen: Entgegengesetzte Ladungen ziehen sich an.

By User Qwerter at Czech wikipedia: Qwerter. Transferred from cs.wikipedia to Commons by sevela.p. Translated to english by by Michal Maňas (User:snek01). Vectorized by Magasjukur2[CC BY-SA 3.0], via Wikimedia Commons

Der Kunststoffstab besteht dagegen zunächst aus ungeladenen Kunststoff-Teilchen. Durch das Reiben an der Wolle wird er jedoch aufgeladen (die Wolle übrigens auch – du kannst vielleicht die darauf folgenden Entladungen in der Wollkleidung knistern hören). Wenn er danach in die Nähe des Wasserstrahls kommt, ordnen sich die Wasserteilchen so, dass ihre dem Stab entgegengesetzt geladene Seite zum Stab weist. Die Anziehungskraft zwischen den verschiedenen Ladungen zieht die Teilchen so aus ihrer Flussrichtung – der Wasserstrahl krümmt sich in Richtung des Stabes!

Damit wünsche ich dir viel Spass beim Zaubern – und erzähl doch mal, wie es funktioniert hat!

Von der verschwundenen Flüssigkeit zum Stoffteilchenmodell

Flüssigkeiten – sie sind “nass”, formlos und machen sich überall hin davon, wenn man sie nicht in einem Glas beisammen hält. Und wenn man ein Glas mit Flüssigkeit füllt, ist es voll….oder?

Dieses einfache Experiment zeigt dir eine echt verblüffende Eigenschaft von Flüssigkeiten – und gibt dir und deinen Kindern Anlass, euch mit einem einfachen Teilchenmodell für den Aufbau der Stoffe zu beschäftigen!

Für dieses Experiment brauchst du

  • rund 50ml Brennsprit (Spiritus, “Alkohol”, Ethanol)
  • rund 150ml Wasser, zum Beispiel aus der Leitung
  • 3 Gefässe mit geeichter Skala mit 10-Milliliter-Teilstrichen, zum Beispiel Standzylinder

oder:

  • 1 durchsichtiges Gefäss für mindestens 50ml Flüssigkeit
  • 1 durchsichtiges Gefäss für mindestens 100ml Flüssigkeit
  • einen wasserfesten Filzschreiber (nicht zu dick!)

 

So führst du das Experiment durch

Vorbereitung:

Miss im ersten Standzylinder genau 50 ml Wasser, im zweiten Standzylinder genau 50 ml Brennsprit ab. Schaue dabei von der Seite auf die Linie des Flüssigkeitsspiegels (die Linie sollte dazu auf Augenhöhe sein – setze oder knie dich hin oder beuge dich entsprechend). Wenn beim Wasser eine doppelte Linie bzw. ein unscharfer Ring zu sehen ist: Richte dessen unteren Rand an der Skala aus!

Oder:

  1. Fülle etwa 50 ml in das kleinere Gefäss mit Wasser und markiere den Flüssigkeitsspiegel an der Seite mit dem Filzstift.
  2. Fülle das Wasser vollständig in das grosse Gefäss um. Dann fülle das kleine Gefäss noch einmal – exakt bis zur Markierung (beachte dazu die Hinweise im oberen Abschnitt!) – und fülle den Inhalt erneut vollständig in das grosse Gefäss.
  3. Nun enthält das grosse Gefäss genau doppelt so viel Wasser wie das kleine Gefäss bis zur Markierung fasst. Markiere nun den Füllstand des grossen Gefässes mit dem Filzstift. Danach giesse das Wasser vollständig aus.

Das eigentliche Experiment:

Fülle die zuvor abgemessenen Flüssigkeiten zusammen in einen Standzylinder, schwenke ihn etwas und warte, bis die Flüssigkeiten zur Ruhe kommen.

Oder:

  1. Fülle das kleine Gefäss bis zur Markierung mit Wasser und giesse es vollständig(!) in das grosse Gefäss um.
  2. Wiederhole Schritt 4 mit Brennsprit.
  3. Nun befinden sich Wasser und Brennsprit zusammen im grossen Gefäss. Schwenke es ein wenig und warte, bis die Flüssigkeiten zur Ruhe kommen.
2 mal Flüssigkeit gibt weniger als das 2-fache Volumen!

Links: Einmal Wasser, einmal Brennsprit bis zur Markierung links am Glas. Rechts: Beide Flüssigkeiten gemeinsam im Glas: Zwei Portionen Wasser wurden zur Markierung links am Glas genutzt, eine Portion Wasser und eine Portion Brennsprit miteinander nehmen ein kleineres Volumen ein!

Was du beobachten kannst

Schaue den Flüssigkeitsspiegel von der Seite (auf Augenhöhe) an. Du wirst den Flüssigkeitsspiegel ein wenig unterhalb des Teilstrichs für 100ml bzw. deiner Markierung für “zwei kleine Gefässe” finden! Mehrere Milliliter Flüssigkeit sind scheinbar nach dem Mischen verschwunden!

Für kleine Mathematiker:

Ihr kennt sicher das kleine 1×1: 2×1 = 2 heisst es da. Das bedeutet: Auch 2x die Füllung des kleinen Gefässes (“1”) geben zusammen eine grosse Füllung (“2”), die zwei kleinen Füllungen gleicht. Sollte sie jedenfalls. Trotzdem ist die grosse Füllung aus dem Gemisch von Wasser und Brennsprit ein wenig kleiner als 2!

 

Wo ist die fehlende Flüssigkeit hin verschwunden? Wurde sie weggehext?

Keine Sorge, da bekäme ich ja Schwierigkeiten mit dem eidgenössischen Zauberei-Departement (hätte ich nur nichts gesagt…). Um das Rätsel der verschwundenen Flüssigkeit zu lösen, musst du dir Wasser und Brennsprit einmal genauer ansehen. Sehr viel genauer.

Auf den ersten Blick sind Wasser und Brennsprit sich zum Verwechseln ähnlich: Beide sind farblos und praktisch gleich flüssig. Brennsprit riecht allerdings ein wenig streng, sauberes Wasser dagegen gar nicht. Ausserdem kann man Brennsprit leicht anzünden, Wasser aber nicht. Noch mehr Unterschiede findet man, wenn man sich die Flüssigkeiten noch näher ansieht.

Stell dir vor, du füllst das kleine Gefäss mit Wasser und giesst die Hälfte davon in ein anderes Gefäss. Die beiden Hälften werden sich und der vorherigen ganzen Menge gleichen. Dann teilst du die Wassermenge noch einmal, und noch einmal, und noch einmal. Bald wirst du kleine Tropfen haben, die immernoch wie Wasser aussehen – und übrigens auch wie Alkohol, der sich genauso in immer kleinere Portionen teilen lässt (wenn du das wirklich ausprobierst: Alkohol-Tropfen werden tatsächlich eine etwas andere Form als Wassertropfen haben – das liegt an ihrer unterschiedlichen Oberflächenspannung, die Andrea von Forschen für Kinder hier erklärt).

Irgendwann würdest du eine Lupe brauchen, um die kleinen Tropfen noch zu sehen, dann ein Mikroskop, dann ein stärkeres Mikroskop… Und schliesslich, beim superstarken Hightech-Mikroskop im Forschungslabor, ist Schluss. Die wirklich winzig-, winzig-, winzigkleinen Wasserportiönchen lassen sich nicht weiter halbieren. Und beim Alkohol ist es das Gleiche.

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Wasser und Alkohol – und auch alle anderen Stoffe – bestehen aus einer riesigen Anzahl total winzigkleiner Teilchen!

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Wenn sich diese Teilchen von einem Gefäss ins anderer giessen lassen, erscheinen sie alle zusammen deinen Sinnen – die zu grob sind, um die winzigkleinen Teilchen einzeln wahrzunehmen – als Flüssigkeit. Halten sie dagegen fest zusammen, siehst und fühlst du sie als festen Gegenstand.

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Das Spannende daran ist, dass jeder Stoff aus einer ihm eigenen Sorte Teilchen besteht: Wasser-Teilchen und Alkohol-Teilchen unterscheiden sich – sie sind zum Beispiel unterschiedlich gross!

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Stell dir vor, du bist selbst sehr, sehr klein, sodass die Wasserteilchen für dich aussehen wie Reiskörner (oder kleine Perlen). Dann könnten Alkohol-Teilchen aussehen wie getrocknete Kichererbsen (oder grössere Perlen). Was passiert, wenn du diese beiden Teilchen-Sorten miteinander mischst, kannst du tatsächlich ausprobieren:

 

Das Experiment im Modell

Trockne die Gefässe vom Versuch mit Wasser und Brennsprit gut ab. Dann fülle wie in der Versuchsanleitung für die Flüssigkeiten beschrieben Reiskörner und Kichererbsen (oder kleine und grosse Perlen) ab und schütte sie im grossen Behälter zusammen. Schüttle den Behälter gründlich (halte die Öffnung zu, damit deine “Teilchen” nicht hinausfliegen und verloren gehen!) und schaue dir den Inhalt genau an.

Die Füllhöhe des Reis-Erbsen-Gemischs im grossen Behälter, wird unterhalb der Markierung liegen. Die Erklärung dafür ist nun offensichtlich: Die kleinen Reiskörner sind in die Zwischenräume zwischen den grösseren Kichererbsen gerutscht.

Modellversuch mit Reis und Kichererbsen

Reiskörner stehen für Wasser-Teilchen, Kichererbsen für Alkohol-Teilchen. Im Gemisch füllen die Reiskörner die Lücken zwischen den Erbsen: Das spart Platz!

Das können die winzigkleinen Wasser- und Alkohol-Teilchen auch! Die kleineren Wasser-Teilchen füllen die Zwischenräume zwischen den grösseren Alkohol-Teilchen! So nehmen beide miteinander gemischt weniger Platz ein als vgoneinander getrennt  – ohne dass wirklich Flüssigkeit verschwindet.

Und wenn du noch einen Beweis dafür möchtest: Wiege die Flüssigkeiten vor und nach dem Mischen – das Gewicht ändert sich beim Mischen nicht!

 

Entsorgung

Brennsprit, auch auf 50% verdünnt, muss als Sonderabfall entsorgt werden! Fülle ihn in einen dicht schliessenden Behälter und bringe ihn zur Sondermüll-Entsorgungsstelle. Du kannst das Alkohol-Wasser-Gemisch ebenso gut für spätere Experimente oder zum Reinigen aufheben. Die Markierungen mit wasserfestem Filzstift lassen sich zum Beispiel damit von den Gläsern wischen.

Dank Maike “Miss Declare” und Instagram habe ich eine ungewöhnliche Blogparade entdeckt, die um so besser in Keinsteins Kiste passt. Denn es geht bei Meike auf Mathsparks um Mathematik – und ohne Mathematik wäre die Chemie wohl kaum halb so spannend, wie sie ist.

Deshalb geht es heute um Mathematik in der Chemie. Und wer nun abgehobenes Zeug wie die Quantenmechanik fürchtet, kann beruhigt sein: Die Mathematik, die ich meine, erfordert einzig Grundschul- bzw. Primarschul-Kenntnisse und kann euch beim Experimentieren sehr nützlich sein. Denn ich spreche…ähm schreibe… von der Stöchiometrie.

Mit der Stöchiometrie können Chemiker nämlich berechnen, in welchem Verhältnis sie Stoffe einsetzen müssen, damit diese möglichst vollständig miteinander reagieren können.  Und weil sie dabei von der jeweiligen Reaktionsgleichung ausgehen, erkläre ich euch heute

  • Wie man Reaktionsgleichungen richtig liest und versteht
  • Wie die Chemiker sich unvertretbar grosser Zahlen entledigen
  • Wie man von einer Reaktionsgleichung auf abmessbare Stoffportionen kommt

Und damit es auch wirklich Spass macht zeige ich euch, wie ihr damit und mit ein paar Dingen aus dem Haushalt eure eigene Rakete starten lasst!

 

Wie du Reaktionsgleichungen liest und verstehst

Atome und Moleküle reagieren nicht irgendwie miteinander, sondern in festgelegten Verhältnissen. Diese Verhältnisse werden in einer Reaktionsgleichung zum Ausdruck gebracht. Und obwohl darin anstelle eines Gleichheitszeichens ein Pfeil von links nach rechts auftaucht, handelt es sich dabei um eine richtige mathematische Gleichung. Denn es gilt stets das Gesetz der Massen- bzw. Stoffmengenerhaltung:

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Bei einer chemischen Reaktion geht kein Teilchen verloren!

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Das bedeutet, links und rechts des Reaktionspfeils steht immer die gleiche Anzahl Atome:

Dabei werden einzelne Atome der jeweiligen Sorten durch Elementsymbole dargestellt. So steht ein “H” in Gleichung (1) für ein Wasserstoff-Atom. Wenn in einem Molekül bzw. Teilchen mehrere Atome der gleichen Sorte vorkommen, verwendet man das Elementsymbol einmal und gibt die Anzahl der Atome als Index an:  steht also für ein Molekül, das aus zwei Wasserstoffatomen besteht!

Wenn mehrere einzelne Atome einer Sorte vorkommen, verwendet man das Elementsymbol einmal und schreibt die Anzahl der Atome als Faktor davor:

Gleichung (2) meint das gleiche wie Gleichung (1): Zwei mal ein Wasserstoffatom bzw. zwei Wasserstoffatome reagieren zu einem Wasserstoffmolekül, das aus zwei Wasserstoffatomen besteht.

Auch ganze Moleküle können durch einen Faktor vervielfacht werden:

Gleichung (3) meint also: Vier Wasserstoffatome reagieren zu zwei Wasserstoffmolekülen aus je zwei Wasserstoffatomen. Dabei stehen auf jeder Seite des Pfeils insgesamt 4 Wasserstoffatome – die beiden Seiten der Gleichung sind damit “gleich”, wie es sich für eine richtige Gleichung gehört.

Verschiedene Teilchen werden schliesslich durch “+”-Zeichen verbunden aufgelistet:

Gleichung (4) meint also: Zwei Wasserstoffmoleküle und ein Sauerstoffmolekül (Chemiker sind ebenso bequem wie Mathematiker und sparen sich den Faktor “1”) reagieren zu zwei Wasser-Molekülen. Zur Kontrolle: Links wie rechts stehen insgesamt 4 Wasserstoff- und 2 Sauerstoff-Atome – die Gleichung stimmt soweit.

 

Das Mol als Chemikerdutzend

Beim Experimentieren geht man allerdings nicht mit einzelnen, sondern mit sehr, sehr, sehr vielen Atomen um. Ein Gramm Wasserstoff besteht aus rund 602’000’000’000’000’000’000’000 () Atomen! Um die vielen Nullen bzw. die Gleitkommazahlen mit unvorstellbaren Exponenten zu vermeiden, haben die Chemiker festgelegt:

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6,02*10^23 Atome sind ein Mol Atome.

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Dieser Trick ist auch in jedermanns Alltag verbreitet: Wem 12 Eier als eine schwer zu begreifende Menge erscheinen, der  bestellt ein Dutzend Eier und kann mit Hilfe des kleinen 1×1 der 12 auch den Output eines produktiven Hühnerstalls spielend bewältigend (zwei Dutzend sind 24, drei Dutzend 36,…).

Jetzt können Stoffmengen bequem in der Einheit “mol” (ein Mol = 1 mol) angegeben und verwendet werden. Die Gleichung (2) kann man damit auch so lesen: Zwei Mol Wasserstoffatome reagieren zu einem Mol Wasserstoffmolekülen.

Damit gibt die Reaktionsgleichung auch Auskunft über anfassbare Mengen!

Da das Abzählen von Atomen in Zahlen mit 23 Nullen aber mehr als mühsam ist, misst man Stoffmengen in der Praxis mit praktischeren Grössen – wie der Masse, die man wiegen kann. Die Masse/das Gewicht eines Mols Atome eines jeden Elements findet man in fast jedem Periodensystem. Die klugen Chemiker haben die Einheit der dort angegebenen Masse eines Atoms so gewählt, dass der Betrag des Atomgewichts dem Betrag der Masse eines Mols Atome in Gramm entspricht!

Das heisst, sie haben festgelegt, dass das aus 12 Kernteilchen bestehende Kohlenstoffatom 12 atomare Masseneinheiten (“u”) bzw. ein Mol Kohlenstoffatome 12 Gramm wiegt. Damit wiegt ein Kernteilchen rund 1 u, bzw. ein Mol Wasserstoffatome, deren Kerne aus jeweils nur einem Proton bestehen, rund 1 Gramm. Kurz gesagt: Die molare Masse des Wasserstoffatoms beträgt rund ein Gramm pro Mol (1 g/mol).

Die molare Masse eines Moleküls erhält man, indem man die molaren Massen seiner Atome einfach zusammenzählt. Ein Mol Wasserstoffmoleküle  wiegt also 1 + 1 = 2 Gramm, d.h. die molare Masse des Wasserstoffmoleküls beträgt 2 g/mol.

 

Von der molaren Masse zur fertigen Stöchiometrie

Wer also eine Reaktionsgleichung kennt, die über verwendete Stoffmengen Auskunft gibt, kann die Zutaten für eine Reaktion entsprechend abwiegen:

Gleichung (4) bedeutet: 2 Mol Wasserstoff-Moleküle und 1 Mol Sauerstoff-Moleküle reagieren zu 1 Mol Wassermolekülen.

1 Mol Wasserstoff-Moleküle wiegen 2g, 1 Mol Sauerstoff-Moleküle wiegen 32g (das Periodensystem verrät: 1 Mol O-Atome wiegt rund 16g), 1 Mol Wassermoleküle wiegen 1 + 1 + 16 = 18g.

Man kann also auch lesen:  2 * 2 = 4 Gramm Wasserstoff und 32 Gramm Sauerstoff reagieren zu 2 * 18 = 36 Gramm Wasser (der Massenerhaltung ist damit wiederum Genüge getan!).

Wenn ich also 36 Gramm Wasser (z.B. in einer Brennstoffzelle) herstellen möchte, brauche ich dazu 4 Gramm Wasserstoff und 32 Gramm Sauerstoff. Benötige ich mehr Wasser, kann ich diese Zahlen einfach vervielfältigen (für 360g Wasser brauche ich 40g Wasserstoff und 320g Sauerstoff), benötige ich weniger, kann ich mit Bruchteilen arbeiten (für 3,6g Wasser brauche ich 0,4g Wasserstoff und 3,2g Sauerstoff).

Wer sich nun fragt, wie er Gase wiegen soll: Da 1 Mol jedes beliebigen Gases aus kleinen Molekülen bei gegebener Temperatur und gegebenem Druck das gleiche Volumen einnimmt (22,4 l bei 0°C und 1bar), können die Stoffmengen ebenso gut in Volumina, die sich leichter messen lassen, umgerechnet werden. Aber das ist eine andere Geschichte.

 

Wie Essig und Natron eine Rakete zum Fliegen bringen

Für den Praxistest eurer Stöchiometrie-Kenntnisse eignen sich vielmehr feste und flüssige Reaktionspartner. Die kann man nämlich wesentlich einfacher abmessen. Zum Beispiel für den Start einer Rakete. Und den könnt ihr mit ein paar einfachen Zutaten aus dem Haushalt verwirklichen: Natron und Haushaltsessig!

Im Artikel zu den 3 Party- und Fasnachtsspektakeln mit CO2 könnt ihr nachlesen, wie ihr aus diesen beiden Stoffen reichlich Kohlenstoffdioxid-Gas gewinnen und damit zum Beispiel einen Leuchtvulkan zum Ausbruch bringen könnt. In Reaktionsgleichungen lässt sich das Ganze so darstellen:

Essigsäure () ist – wie der Name sagt – eine Säure und wird von Natriumcarbonat (Natron, ), das eine Base ist, neutralisiert, wobei Kohlensäure () und Natriumacetat () entstehen. Für den Antrieb entscheiden ist jedoch, was danach passiert:

Kohlensäure ist instabil und zerfällt in Wasser und gasförmiges Kohlenstoffdioxid ()! Und Gase haben die Eigenschaft, dass sie sehr viel Platz einnehmen – wenn sie können. So kann das Kohlenstoffdioxid, wenn es aus einer Düse ausströmt, als Rückstossantrieb für eine Modell-Rakete herhalten. Dazu lässt man die Reaktionen (5) und (6) zwischen Essig und Natron in einem geschlossenen Behälter ablaufen, dessen einziger Ausgang die Antriebsdüse am hinteren Ende der Rakete ist, sodass das Gas dort ausströmen muss, sobald es im Behälter zu eng wird.

Das Problem dabei: Bei den Reaktionen bleibt eine ganze Menge gewichtiger “Abfall” in der Rakete zurück, der mitfliegen muss, zum Beispiel das Natriumacetat aus Reaktion (5) und eine grosse Menge Wasser, die schon im Haushaltsessig enthalten ist und als Lösungsmittel dient. Damit die Rakete bestmöglich fliegen kann, ist es daher wichtig,  dass sie nicht unnötig mit überflüssigem, aber schwerem Material beladen wird (das gilt übrigens für alle Raketentreibstoffe, auch für jene von “richtigen” Weltraum-Raketen).

Mit anderen Worten: Die Reaktionsteilnehmer, mit denen die Rakete beladen wird, sollten so vollständig wie möglich miteinander reagieren, sodass möglichst wenig davon übrig bleibt. Und ihr könnt die Stöchiometrie nutzen, um das zu erreichen!

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Wie du den perfekten Treibstoff für deine Rakete berechnest

Zunächst sehen wir uns die Reaktionsgleichungen für die Antriebs-Reaktion an: Wenn ihr Gleichung (6) als Folge von Gleichung (5) betrachtet, erkennt ihr, dass zwei Moleküle Essigsäure und ein Äquivalent* Natron nötig sind, um ein Molekül Kohlenstoffdioxid zu erzeugen. Kurz ausgedrückt kann man dies auch so schreiben:

*Natron ist ein Salz, d.h. es ist nicht aus Molekülen aufgebaut, sondern ein beliebig grosser Ionenkristall (bzw. ein Pulver aus solchen Kristallen). Die Formel gibt das Verhältnis an, in welchem die Ionen im Kristall vorkommen und wird in Reaktionsgleichungen und beim Rechnen genauso (also äquivalent) verwendet wie die Summenformel eines Moleküls.

Optimal ist demnach ein Treibstoffgemisch, das zwei Mol Essigsäure-Moleküle und 1 Mol Natron Äquivalente enthält. (Für die Schlaumeier unter euch: Ich lasse hier die besonderen Regeln für chemische Gleichgewichte, zu welchen diese Reaktionen zählen, ausser Acht (Mit Le Châtelier erkläre ich auf dem Flughafen genauer, was es damit auf sich hat). Für den Nachbau der Modell-Rakete genügt jedoch auch die Stöchiometrie allein!)

Um zu erfahren, wieviel der Stoffe ihr verwenden müsst, benötigt ihr nun die molaren Massen der Moleküle bzw. Äquivalente, die ihr aus den molaren Massen ihrer Atome zusammensetzen könnt. Das Periodensystem verrät dazu:

Wasserstoff (H) wiegt rund 1 g/mol, Kohlenstoff ( C) rund 12 g/mol, Sauerstoff (O) rund 16 g/mol, Natrium (Na) rund 23 g/mol.

Daraus ergibt sich für

  • Essigsäure ( bzw. ): 2*12 + 4*1 + 2*16 = 60 g/mol
  • Natron (): 2*23 + 1*12 + 3*16 = 106 g/mol

Zwei Mol Essigsäure sind demnach 120 Gramm, die mit 106 Gramm Natron reagieren können. Bevor ihr ans Wiegen geht, gibt es aber noch ein Problem: Haushaltsessig besteht nur zu einem Bruchteil aus Essigsäure – der Rest ist Wasser. Der Haushaltsessig aus dem Supermarkt hier in der Schweiz enthält so nur rund 10 (Volumen-)% Essigsäure.

Glücklicherweise haben sowohl Essigsäure als auch Wasser eine Dichte von rund 1 g/cm3 (bzw. 1g/ml), sodass ihr auch für die Dichte des Gemischs aus beiden eine Dichte von rund 1g/ml annehmen könnt. Das bedeutet, dass ihr die Masse der Flüssigkeiten in Gramm 1:1 in das Volumen in Kubikzentimetern bzw. Millilitern umrechnen könnt.

Damit enthalten 10g bzw. 10ml Schweizer Haushaltsessig nur 1g Essigsäure und 9g Wasser. Für zwei Mol Essigsäure benötigt ihr also 1200g oder 1,2 Liter Essig – und eine ziemlich grosse Rakete. Deshalb macht es Sinn, die Menge der eingesetzten Stoffe auf ein Zehntel (oder noch weiter) herunter zu rechnen:

0,2 Mol Essigsäure sind 12g – das entspricht 120g bzw. 120ml Schweizer Haushaltsessig – und 0,1 Mol Natron sind 10,6g. Diese Mengen finden problemlos in einer 0,5l PET-Flasche Platz.

Tipp: Wer noch mehr Gewicht sparen möchte, verwendet “Essigessenz”, die in Deutschland im Supermarkt erhältlich ist und 25% Essigsäure enthält. So muss nicht das Zehnfache, sondern nur das Vierfache der berechneten Menge Essigsäure eingesetzt werden!

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Nun steht eurem Raketenstart nichts mehr im Wege!

 

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Experiment: Raketenstart mit Essig und Natron

Ihr benötigt

  • Eine 0,5l PET-Flasche
  • Etwas Pappe zum Basteln, eine Untertasse oder einen Zirkel, eine Schere, Klebeband
  • Haushaltsessig oder Essigessenz (aus der Reinigungsabteilung im Supermarkt)
  • Waage und ggfs. Messbecher mit 10ml- oder 20ml-Teilstrichen
  • Frischhaltefolie
  • Natron-Pulver (als Backtriebmittel bei den Backzutaten im Supermarkt)
  • Eine Luftballon-Hülle
  • Eine Ahle oder einen spitzen Schraubenzieher
  • 3 kleine Blumentöpfe oder andere gleich hohe Gegenstände
  • Eine spitze Nadel
  • Schutzbrille, Laborkittel oder entbehrliche Kleidung, ggfs. eine grosse Giesskanne oder einen Eimer voll Wasser
  • Platz für die Startrampe und trockenes Wetter 😉

 

Durchführung

Die PET-Flasche wird eure Rakete sein. Der Schraubverschluss wird dabei zur Antriebsdüse, der Boden der Flasche zur Raketenspitze. Damit das Ganze auch nach einer Rakete aussieht, könnt ihr eurer Flasche eine spitze Kappe und ein Leitwerk aus Pappe basteln:

  1. Zeichnet mit Hilfe der Untertasse oder des Zirkels einen Kreis auf die Pappe und schneidet ihn aus. Schneidet anschliessend ein “Tortenstück” (etwa ein Sechstel des Kreisumfangs) aus dem Kreis heraus und schiebt die geraden Kanten übereinander, sodass ein Kegel entsteht, der genau über den Boden eurer PET-Flasche passt. Fixiert den Kegel mit Klebeband (Flüssig- oder Heisskleber eignen sich dazu auch, allerdings benötigen sie geraume Zeit zum Trocknen. Eine Büroklammer hält den Kegel währenddessen zusammen. Klebeband hält hingegen sofort!).
  2. Klebt den fixierten (und trockenen) Kegel auf den Boden eurer Flasche, indem ihr einen Streifen Klebeband halb um den Flaschenkörper, halb um den Kegel legt und vorsichtig andrückt.
  3. Fertigt für das Leitwerk mindestens drei Finnen (“Flügel”) aus Pappe an.
    Vorlage für das Leitwerk der RaketeDas Bild zeigt eine Vorlage für meine Leitwerk-Finnen: Zeichnet diese dreimal auf die Pappe oder klebt Schablonen aus Papier darauf und schneidet sie aus. Faltet jede Finne entlang der mittleren gestrichelten Linie nach “innen”. Dann faltet die beiden Seitenflügel in die andere Richtung, also nach “aussen”.Befestigt die Seitenflügel mit Klebeband so am Flaschenkörper, dass die Spitzen der Finnen ein wenig über den aufgeschraubten Deckel hinausragen. Der Abstand zwischen den Finnen beträgt bei 3 Finnen einen Drittelkreis (120°), bei 4 Finnen einen Viertelkreis (90°) etc (Ich möchte Gewicht sparen, weshalb ich nur 3 Finnen verwende).

Da die Öffnung der Flasche zu weit ist, um den Ausstoss ausreichend zu bündeln, verengt ihr ihn als nächstes zu einer Antriebsdüse.

  1. Durchbohrt den (abgeschraubten) Deckel der Flasche in der Mitte mit der Ahle bzw. dem Schraubenzieher, sodass ein wenige Millimeter durchmessendes Loch entsteht. Schneidet zudem ein Stück aus der Ballonhülle, das sich bequem über die Flaschenöffnung legen lässt (Durchmesser ca. 4 bis 5 cm) und legt dieses zum Start bereit.

Jetzt ist es an der Zeit, den Raketentreibstoff vorzubereiten.

  1. Legt ein Stück Frischhaltefolie auf die Waage, tariert sie und wiegt 10,6g (auf der Haushaltswaage rund 11g) Natron darauf ab. Rollt anschliessend das Pulver so in die Folie ein, dass ein Päckchen entsteht, welches durch die Öffnung der PET-Flasche passt.
    Einwaage und Verpackung von Natron

    links: Natronpulver auf der Waage; rechts: das fertige Natron-Päckchen

  2. Messt 120 Milliliter Haushaltsessig ab (wenn ihr keinen ausreichend genauen Messbecher habt, könnt ihr auch 120g Haushaltsessig in einem Gefäss (tarieren!) abwiegen) und stellt ihn zum Start bereit.

Und nun zu den Startvorbereitungen:

  1. Stellt die Blumentöpfe so auf dem Startplatz auf, dass ihr die Rakete auf den Finnen darauf stellen könnt. Klebt die Töpfe mit etwas Klebeband fest, damit sie nicht verrutschen können. Nun solltet ihr folgendes am Startplatz griffbereit haben: Die Flaschen-Rakete, den durchbohrten Deckel, das Stück Luftballonhaut, das Gefäss mit dem Essig, das Natron-Päckchen und die spitze Nadel.
  2. Dreht die Rakete mit der Spitze nach unten und füllt vorsichtig den Essig durch die Flaschenöffnung ein (ein Trichter kann dabei hilfreich sein).
  3. Schiebt das Natron-Päckchen fast vollständig in die Öffnung, sodass es zunächst mit dem hinteren Ende darin hängenbleibt. Legt die Luftballonhaut über die Öffnung und das Ende – erst dann drückt das Päckchen vollständig in die Flasche!

Jetzt muss es zügig gehen – denn die Reaktion zur -Erzeugung ist nicht mehr aufzuhalten: Achtung! Von jetzt an steht die Rakete zunehmend unter Druck! Der Essig wird langsam in das Folienpäckchen eindringen und mit dem Natron zu reagieren beginnen. Das entstehende  treibt das Päckchen zunehmend auseinander, sodass die Reaktion sich beschleunigt. Wenn ihr ungeduldig seid, schüttelt die Flasche etwas, sodass das Päckchen schneller auseinanderfällt.

  1. Schraubt den Deckel sorgfältig über der Ballonhaut fest und stellt die Rakete wieder aufrecht auf ihre Sockel.
  2. Wartet, bis die Gasentwicklung in der Rakete (das Sprudeln und Brausen) weitgehend zum Stillstand gekommen ist. Nehmt dann grösstmöglichen Abstand zur Rakete hinein und stecht mit gestrecktem Arm die Nadel durch das Loch im Deckel in die Ballonhaut (Wer wirklich sicher leben möchte, montiert die Nadel auf eine Stange und übt vorher, bis er die Spitze damit aus grösserem Abstand durch das Loch befördern kann!).

Die Rakete wird sich sofort mit lautem Zischen in die Luft erheben – verliert nicht die Nadel vor Schreck 😉 und geht sofort nach dem Stich auf Abstand! Mit dem  strömt nämlich unweigerlich auch essighaltige Flüssigkeit aus der Düse!

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Sicherheitshinweise

Essigsäure ist eine schwache Säure, die – besonders auf 10% verdünnt – auf menschlicher Haut kaum ätzend wirkt. Wenn ihr Essigspritzer abbekommt, genügt es daher, sie mit viel Wasser abzuwaschen.

Auf Basen wie Natron reagiert der Körper wesentlich empfindlicher – gebt Acht, dass ihr das Natronpulver nicht in die Augen bekommt oder einatmet!

Die Augen schützt ihr deshalb mit der Schutzbrille – falls trotzdem etwas ins Auge geht, spült es gründlich (mindestens 10 Minuten!) mit Wasser aus und lasst im Zweifelsfall einen Augenarzt darauf schauen. Zuschauer sollten vorsorglich einige Meter Abstand zur Startrampe einhalten!

Viele Materialien werden dennoch von Essigsäure angegriffen: Wenn Spritzer auf eure Kleidung kommen, wascht diese sofort gründlich aus (und tragt zur Sicherheit entbehrliche Kleidung oder/und einen Kittel – Säurelöcher zeigen sich manchmal erst nach der nächsten Maschinenwäsche!). Marmor und Kalkstein eignen sich zudem nicht als Startrampe, da auch sie von Essigsäure angegriffen werden (sie bestehen aus Calciumcarbonat, einem chemischen Verwandten des Natrons!). Wenn ihr eure Rakete auf dem Rasen startet, verwendet einen Tisch oder eine Kiste als Startrampe und legt eine Plane darunter, denn auch Pflanzen mögen Essigsäure nicht (tatsächlich wird Haushaltsessig hierzulande im Baumarkt auch als glyphosatfreier Unkrautvernichter verkauft).

Und sollte aller Vorsicht zum Trotz der Raketentreibstoff irgendwo landen, wo er nicht hin soll und ihr ihn nicht aufnehmen könnt, giesst am besten reichlich Wasser darüber (dafür stehen Giesskanne oder Eimer bereit). Denn da weder Essigsäure noch Natron noch die Produkte ihrer Reaktion giftig sind, sind sie in grosser Verdünnung für Mensch und Umwelt harmlos.

Entsorgung

Dementsprechend können die Treibstoffreste auch (am besten miteinander) mit viel Wasser in den Ausguss entsorgt werden.

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Ich habe meine “Aceto”-Rakete draussen auf dem Land gestartet, weit entfernt vom nächsten Supermarkt. Und nachdem ich einige Versuche brauchte, um Anpassungen an der Antriebsdüse zu machen, ist “Aceto-3” mit meiner letzten Natron-Portion dann endlich abgehoben – zumindest für einen Augenblick! Und dass ich dabei noch eines Rechenfehlers wegen doppelt so viel Flüssigkeit wie nötig geladen hatte, gibt Anlass zur Annahme, dass ohne Fehler noch wesentlich mehr geht:

Dies ist nur ein Beispiel dafür, was für spannende Dinge ihr mit ein paar einfachen Rechenkenntnissen anstellen könnt. Wenn eure Kinder einmal wieder fragen, warum bitteschön sie unbedingt das “Plusrechnen” oder das Einmaleins (oder ähnliches) üben müssen, antwortet doch: “Damit ihr damit eine Rakete starten könnt”. Ich bin sicher, das tönt auch und gerade in Kinderohren spannend!

Und wenn ihr selbst eine Rakete starten lasst, erzählt uns doch nachher, wie weit sie geflogen ist!

Viel Spass wünscht

Eure Kathi Keinstein

Habt ihr euch auch schon einmal gefragt, wovon Pflanzen eigentliche leben? Wie sie an Energie und Nährstoffe kommen, um zu wachsen, Blätter und Blüten zu bilden?

Im Biologiebuch ist nachzulesen, dass Pflanzen tatsächlich fast nur von Luft, Licht und Wasser leben können! Das erkannten die Naturforscher Johan Baptista van Helmont und Joseph Priestley schon zu Beginn des 17. bzw. im 18. Jahrhundert.

Wie genau die Pflanzen es anstellen, aus ein paar winzigen Molekülen feste Stängel, Blätter und Blüten zu formen, könnt ihr mit spannenden Experimenten zu Hause und aufmerksamen Sinnen draussen selbst ergründen!

Um dieses faszinierende Thema zu würdigen und euch möglichst viele Naturforscher-Anregungen zu geben, widme ich dem Leben der Pflanzen zwei Beiträge, die diese und nächste Woche erscheinen sollen. So zeige ich euch heute wie Pflanzen ihre Nahrung aufnehmen und “Abfall”-Stoffe abgeben können. Der nächste Beitrag ist dann ganz der Energie- und Materialgewinnung durch Photosynthese gewidmet.

Aber fangen wir am Anfang an.

Pflanzen im Detail: Wie sind diese Lebewesen aufgebaut?

Eine typische Grünpflanze besteht aus Wurzeln, ggfs. einem Stängel oder Stamm und grünen Blättern. Wasser dringt in durch die Wurzeln ein und bringt die wenigen Nährstoffe, die aus dem Boden stammen, mit, wenn es in die verschiedenen Teile der Pflanze gelangt. Die grünen Blätter (und Stängel) sammeln Licht, mit dessen Energie die Pflanze aus Luft-Bestandteilen ihre Hauptnahrung herstellen kann: Glucose bzw. Traubenzucker. So viel mag den allermeisten unter euch bekannt sein.

Aber wie finden all diese Stoffe in der Pflanze ihren Bestimmungsort?

 

Versuch 1: Blätter ganz, ganz aus der Nähe betrachtet

Seht euch doch einmal ein Blatt genauer an. Bei grossen Blättern – zum Beispiel denen eines Ahorn-Baumes – könnt ihr schon mit blossem Auge ein Netzwerk wie aus Adern sehen. Tatsächlich sind diese Adern das Gegenstück zu unserem Blutgefässsystem: Sie sind Leitungen, durch welche Wasser und Nährstoffe transportiert werden! Und wie in unserem Gefässsystem gibt es neben den grossen Blatt-Adern auch kleinere und winzig kleine Gefässe, die in jeden Winkel reichen.

Habt ihr eine starke Lupe oder sogar ein Mikroskop? Schon mit einfachen Hilfsmittel könnt ihr die feinen Äderchen in Blättern sichtbar machen. Mein einfaches USB-Mikroskop mit angeblich 100-facher Vergrösserung reicht dazu schon aus.

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Anleitung zum Mikroskopieren:

  • Klemmt zum Mikroskopieren ein frisches, möglichst dünnes Blatt zwischen zwei Objektträger und schiebt es mit der Unterseite nach oben in die Halterung unter der Linse (oder fixiert die Träger mit Klebestreifen, wenn euer Mikroskop keine Halterung hat).
  • Beleuchtet das Blatt von unten (mein Gerät ist mit Beleuchtung von unten und von oben ausgestattet – es gibt jedoch kleine, günstige LED-Leuchten, die für Freihand-USB-Mikroskope ohne Unterbau den gleichen Zweck erfüllen). Die fast farblosen Blatt-Adern werden zwischen dem undurchsichtig grünen Blattgewebe hell aufleuchten.
Blatt Anatomie vergrössert

Oberseite eines Blattes des Ranunkelstrauchs bei Licht von unten: Die durchscheinenden Blattadern leuchten hell zwischen den Bereichen, die grosse Mengen des grünen Blattfarbstoffs Chlorophyll enthalten.

  • Noch eindrücklicher ist die Beleuchtung der Blattunterseite von oben: Die kleineren Blatt-Adern erscheinen dunkel, grössere Adern und Haare stehen hell hervor. Mit geübtem Auge und scharfem Bild lassen sich bei 100-facher Vergrösserung sogar einzelne Strukturen innerhalb der grünen Zell-Inseln ausmachen!
Blatt Anatomie Ranunkelstrauch

Die Unterseite eines Blattes des Ranunkelstrauchs bei Licht von oben: Blattoberfläche und grössere Blattadern sind von feinen weissen Härchen besetzt.

Ich habe ein junges Blatt von meinem Ranunkelstrauch (Kerria japonica), einem beliebten Zierstrauch, der auf meinem Balkon wächst, gepflückt. Die Blätter dieser Pflanze fühlen sich samtig an, was ein weiteres Detail erahnen lässt. Und die Mikroskopaufnahme zeigt es deutlich: Diese Blätter sind behaart – die feinen Härchen auf der Unterseite erscheinen im Bild als weisse Würmchen. Dazwischen schimmern die feinen Blattadern, die sich zwischen dunkelgrünen Inseln verzweigen.

  • Um mehr zu sehen ist es nötig, einzelne Schichten eines Blattes unter das Mikroskop zu bringen. Klebt dazu einen durchsichtigen Klebestreifen auf ein frisches Blatt und drückt ihn sorgfältig an (aber ohne das Blatt gänzlich zu zerquetschen!). Zieht den Streifen dann mit einem Ruck wieder ab. Wenn nun grüne Teile des Blattes am Streifen heften und das Blatt an betreffenden Stellen nur noch aus farbloser, dünner Haut besteht: Perfekt! Ihr habt alles bis auf eine Aussenhaut des Blattes entfernt. Platziert diese farblosen Stellen nun zwischen zwei Objektträgern unter dem Mikroskop:
untere Epidermis Tomatenblatt 100x

Dies ist die untere Aussenhaut eines frischen Blattes meiner Tomatenpflanze bei 100-facher Vergrösserung. Die winzigen Spaltöffnungen (sie sind ca. 0,05 – 0,1 mm klein!) sind als dunkelgrüne Punkte gut erkennen (die Ränder der Spalten enthalten den grünen Blattfarbstoff Chlorophyll, die übrigen Aussenhautzellen nicht). Diagonal durch das Bild verläuft ein Leitungsbündel, in dessen Umgebung ebenfalls chlorophyllhaltige Zellen haften geblieben sind.

  • Solltet ihr kein Mikroskop zur Hand haben, dafür aber eine Kamera mit Nahaufnahmen-(Makro-)Funktion, könnt ihr gegen das Licht durch grössere Blätter gleich an der Pflanze hindurch fotografieren und die Blattäderchen anschliessend auf einem grossen Bildschirm genauer betrachten (verwendet für solche Aufnahmen die bestmögliche Auflösung, dann könnt ihr am Bildschirm am weitesten hineinzoomen!).
Feigenblatt Makroaufnahme Gegenlicht

Ausschnitt aus einem Feigenblatt, gegen die Sonne aufgenommen (Samsung Galaxy NX, 16-50mm (kein Makro-Objektiv!), F/11, Belichtungszeit 1/200, ISO 100, Auflösung der Original-Aufnahme: 5472×3648 px)

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Wer ein besseres Mikroskop hat, kann darüber hinaus sehen, woraus diese Inseln und alle anderen Teile des Blattes bestehen: Richtig, aus Zellen! Wie unsere Körperteile auch ist ein Blatt nämlich ein Organ, das sich aus vielen Zellen zusammensetzt. Und wer bei stärkerer Vergrösserung genau hinschaut, kann vielleicht eine aus Zellen zusammengesetzte Spaltöffnung in der Blattunterseite erkennen.

Am gründlichsten beobachtet Mensch übrigens beim Zeichnen! Wenn ihr möchtet, dass euch wirklich nichts entgeht, greift also zu Holzstiften und zeichnet ab, was ihr unter dem Mikroskop seht. Ich habe für euch eine Skizze des Längsschnittes durch ein Blatt, welche dessen Aufbau aus  Zellen zeigt.

 

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Ein Blatt-Querschnitt aus der Nähe: Wie Blätter aufgebaut sind

Blatt-Anatomie: Querschnitt durch ein Pflanzen-Blatt

Skizze des Schnitts (von oben nach unten) durch ein Pflanzenblatt, wie er unter einem leistungsfähigen Lichtmikroskop erscheint: Blätter bestehen aus Zellen, die in unterschiedlichen Schichten angeordnet sind. Die Blattoberseite ist oben, die Unterseite ist unten. (By A.Spielhoff (Own work) [CC BY-SA 3.0], via Wikimedia Commons)

(a) und (g) Die meisten Blätter sind von einer schützenden Wachsschicht (“Cuticula”) überzogen.

(b) und (f) Epidermis-Zellen: Diese Zellen bilden die “Haut” des Blattes: Sie enthalten keinen grünen Blattfarbstoff und sind lichtdurchlässig.

(c) Palisadengewebe: Die Zellen sind hier dicht an dicht aneinander gereiht. Sie enthalten reichlich grünen Blattfarbstoff (Chlorophyll) und “verarbeiten” viel Sonnenlicht bei der Fotosynthese.

(d) Schwammgewebe: Die Zellen sind hier weniger dicht beieinander und weniger regelmässig angeordnet. In den freien Räumen dazwischen (j) befindet sich Flüssigkeit.

(e) Leitungsbündel: Eine Blattader ist in zwei Sorten Leitungen, die gebündelt eine “Ader” bilden, unterteilt: eine Sorte für Wasser und eine für die Fotosynthese-Erzeugnisse.

(h) Eine Spaltöffnung, gebildet von zwei benachbarten Zellen. Diese besonderen Zellen können sich je nach Wassergehalt berühren oder den Spalt offen lassen.

(i) Der Hohlraum hinter der Spaltöffnung ist mit Luft gefüllt und dient der Kohlendioxid-Aufnahme und der Sauerstoff- und Wasser(dampf)abgabe.

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Verschiedene Blätter für verschiedene Standorte

Dabei ist Blatt keineswegs gleich Blatt. Vielmehr sind Blätter an den Standort ihrer Pflanze und damit an den gewünschten Einsatz im Photosynthese-Business angepasst: Blätter, die in der Sonne wachsen, sind voll mit Photosyntheseanlagen und erzeugen viel Material, das abstransportiert werden möchte. So sind solche Blätter kräftig und tiefgrün. Die Blätter von Schattenpflanzen sind hingegen zarter und von blassgrüner Farbe: Sie enthalten weniger Chlorophyll und sind somit nicht darauf ausgelegt, grosse Mengen Sonnenenergie zu verwerten. Stattdessen würden sie in der prallen Sonne Schaden nehmen.

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Expedition 1: Finde Sonnen- und Schattenpflanzen!

Haltet die Augen offen, wenn ihr draussen unterwegs seid. Findet angepasste Sonnen- und Schattenpflanzen. Als Hinweis gebe ich euch je ein Beispiel:

Links: Sauerklee (Gattung Oxalis) ist eine typische Schattenpflanze mit zarten, hellen, grossflächigen Blättern. Er ist daher nur in schattigen Wäldern zu finden. Rechts: Unser Pfirsichbaum ist mit seinen dicken, tiefgrünen Blättern ein echter Sonnenanbeter.

Viele Bäume bilden sowohl Sonnen- und Schattenblätter an ein und derselben Pflanze! Betrachtet und befühlt die Blätter an tief hängenden Buchenästen. Könnt ihr beide Sorten finden, bestenfalls sogar am gleichen Baum? Sonnenblätter werdet ihr aussen bzw. oben am Rand der Baumkrone finden, wo sie das meiste Licht abfangen, während Schattenblätter weiter innen bzw. unterhalb des Blätterdachs zu finden sind. Klettert aber nicht ungesichert auf hohe Bäume! Wenn es keine tief hängenden Äste gibt, sind Sträucher und Hecken oder ein frisch umgestürzter Baum einfacher zu erreichende Fundstellen für zweierlei Laub!

Sonnen- und Schatten- Blatt ein und derselben Buche

Zwei Blätter ein und derselben Buche: Links ein Sonnenblatt vom Rand der Krone – es fühlt sich steif und ledrig an und ist dunkelgrün. Rechts ein Schattenblatt tief aus dem Gehölz – es fühlt sich dünner, fast zart an und ist heller. Achtung: An den Spitzen von Zweigen können sehr helle junge Blätter sein. Sucht daher in der Nähe der Zweig-Ansätze nach “echten” Schattenblättern!

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Nahrung rein, Abfall raus: Wie Blätter funktionieren

Im Organ Blatt werden die Kohlenstoff-, Wasserstoff- und Sauerstoffatome von Kohlendioxid und Wasser mit Hilfe von Lichtenergie zu Traubenzucker (Glucose) umgebaut (mehr dazu im Beitrag zur Photosynthese). Die nötigen Baustoffe müssen dazu aus der Luft bzw. aus dem Boden in die Blattzellen, genauer in die Chloroplasten, gebracht und der fertige Traubenzucker sowie Sauerstoff-“Abfall” von dort fortgeschafft werden. Bloss haben Pflanzen kein schlagendes Herz, das die dazu nötigen Verkehrsströme antreiben könnte.

Dafür haben die Blätter ihre Spaltöffnungen mit den dahinter liegenden Hohlräumen. Durch die geöffneten Spalten kann Kohlendioxid in die Hohlräume eindringen (alle Gasteilchen sind ständig in Bewegung, sodass dazu kein gesonderter Antrieb nötig ist) und durch ihre grosse Oberfläche in das Innere des Blattes gelangen. Auf dem umgekehrten Weg gelangt Sauerstoff durch diese Öffnungen hinaus.

Wirklich genial ist der Trick, mit welchem Pflanzen ihr Wasser gegen die Schwerkraft aus dem Boden ziehen. Blätter können nämlich “schwitzen”, indem sie über ihre Spaltöffnungen Wasser abgeben. Dieses Wasser fehlt dann in den Blattzellen, die sich Nachschub aus den Blattadern holen. Der so entstehende “Unterdruck” im Blattgefässsystem, das sich bis in die Wurzeln der Pflanze erstreckt, reicht aus, um Wasser aus dem Boden bis in die obersten Bereiche anzusaugen (Biologen nennen diesen Effekt dementsprechend “Transpirationssog”)! Und das funktioniert vom winzigen Kraut bis zu Dutzende Meter hohen Bäumen!

Dass der “Antrieb” der Wasserversorgung in den Blättern, d.h. im oberen Teil von Pflanzen liegt, ist auch der Grund dafür, dass Schnittblumen in der Vase über viele Tage frisch bleiben können: Sie haben zwar keine Wurzeln mehr, aber durch das Schwitzen können sie auch durch das angeschnittene Leitungssystem in den Stängeln Wasser aus der Vase ansaugen.

Damit die Wasserversorgung der Pflanze nicht beim kleinsten Engpass aus dem Ruder läuft, hat jede Pflanzenzelle ein eigenes kleines Wasserreservoir, die Vakuole, in welcher sie Wasser zwischenlagern kann. Ausserdem verleiht eine prall gefüllte Vakuole ihrer Zelle eine pralle, steife Gestalt, die dazu beiträgt, das ganze Blatt bzw. die ganze Pflanze in Form zu halten.

Ihr möchtet den Beweis dafür erbringen? Hier ist er:

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Versuch 2 : Die magische Pflanzen-Wiederbelebung

  • Giesst eine Topfpflanze so lange nicht oder stellt Schnittpflanzen in eine trockene Vase, bis ihre Blätter und Triebe schlaff (aber nicht spröde oder braun!) werden. Je nach Witterung kann das ein paar Stunden oder einen Tag dauern. Sehr gut funktioniert dieser Versuch zum Beispiel mit Sonnenblumen oder Blättern von Tomaten.

Wenn die Pflanze keinen Wassernachschub mehr hat, verbrauchen die Zellen ihre Vorräte aus den Vakuolen zum Schwitzen und für die Photosynthese. Die Entleerung ihrer Vakuole lässt die Pflanzenzelle erschlaffen, wie eine Ballonhülle ohne Luft darin.

  • Giesst nun die Topfpflanze reichlich oder gebt Wasser in die Blumenvase (und schneidet ggfs. den oder die Stängel noch einmal frisch an) und wartet wenige Stunden (z.B. bei Sonnenblumen) oder auch einen Tag (z.B. bei abgeschnittenen Tomatenblättern)..

Die zuvor schlaffe Pflanze wird sich in kurzer Zeit wieder aufrichten und straff und frisch aussehen, als wäre nichts gewesen!

Wiederbelebung Tomate Blatt

Ich habe meine Tomate ausgegeizt: Diese beiden Tomaten-Blätter in Bild 1 haben zwei warme Tage lang draussen unter der Tomatenpflanze gelegen: Sie hängen schlaff bis auf den Tisch. Nach der Aufnahme habe ich Wasser in das Glas gefüllt. Nach etwa 4 Stunden hat sich das rechte Blatt weitestgehend wieder aufgerichtet (Bild 2), nach 24 Stunden erscheinen beide Blätter frisch wie eben erst geschnitten (Bild 3).

Der Wassermangel in Zellen und Leitungssystem führt dazu, dass die Pflanze Wasser aus dem Boden bzw. der Vase ansaugt, sodass die Zellen ihre Vakuolen auffüllen können. So erhalten sie und die Pflanze ihre pralle, feste Gestalt zurück.

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Damit Pflanzen bei warmer Witterung nicht drauf los schwitzen, bis sie austrocknen, können sich ihre Spaltöffnungen, die “Schweissporen”, nach Bedarf öffnen und schliessen: Ein solcher Spalt besteht aus zwei nebeneinander liegenden Zellen, die nicht fest miteinander verbunden sind. Nur wenn diese Zellen prall mit Wasser gefüllt sind, wölben sie sich so nach aussen, dass ein offener Spalt zwischen ihnen klafft. Wenn die Pflanze nicht genügend Wasser hat und die Schliesszellen erschlaffen, schliesst sich der Spalt, sodass die Pflanze nicht unnötig Wasser ausschwitzt.

 

Standortspezialisten unter den Pflanzen

Pflanzen wachsen nicht nur im Garten, auf der Wiese oder im Wald in gemässigtem Klima, sondern an den verschiedensten, zuweilen scheinbar unmöglichen Orten. Wie gelingt ihnen das? Die Pflanzenarten haben sich an ihren jeweiligen Standort, insbesondere an die dort vorhandene Wassermenge, gut angepasst.

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Expedition 2 : Finde Pflanzen, die sich an unterschiedliche Wasserverfügbarkeit angepasst haben!

Pflanzen können anhand ihrer Anpassung an die Verfügbarkeit von Wasser in fünf übergeordnete Gruppen eingeteilt werden. In der Schweiz mit ihren vielfältigen Klimazonen könnt ihr Vertreter aller fünf Gruppen wild oder in Gärten finden. Ebenso gut könnt ihr diese kleine Expedition auch in einem botanischen Garten, im Gartencenter oder auf Reisen unternehmen.

Und hier sind für euch die fünf Pflanzengruppen:

Seerose1. Wasserpflanzen: wachsen teilweise oder vollständig unter Wasser. Unterwasser-Pflanzen brauchen keine Spaltöffnungen, Pflanzen mit Schwimmblättern wie Seerosen nur an der Luftseite ihrer schwimmenden Blätter. Wasserpflanzen nehmen Wasser und darin gelöstes Kohlendioxid über ihre gesamte Oberfläche auf. Wurzeln haben sie daher kaum, denn die werden höchstens noch zum Festhalten benötigt. Ausschliesslich an der Luft bzw. in trockenem Boden können Wasserpflanzen daher nicht überleben. Beispiel: Seerosen

Sumpfdotterblume2. Pflanzen feuchter Standorte: findet man zum Beispiel in Regen- oder Nebelwäldern. Oder in Feuchtgebieten, die häufig mit Bodennebel aufwarten. Die extrem hohe Luftfeuchtigkeit an solchen Standorten hindert sie am “Ausschwitzen” von Wasserdampf. Ihre grossen, dünnen
Blätter können dank Rillen oder Haaren für eine noch grössere Oberfläche und vorgewölbten und damit “am Wind” gelegenen Spaltöffnungen leichter Wasser abgeben. Beispiel: Sumpfdotterblume (Caltha palustris – Achtung giftig, nicht anfassen!)

Übrigens: Manche Pflanzen, die auch bei “normaler” Luftfeuchtigkeit zurecht kommen, können sich binnen kürzester Zeit an einen feuchten Standort anpassen. Solche eignen sich gut für die Bepflanzung einer “Hermetosphäre”. Die Anleitung zur Erschaffung eines solchen Gartens im Glas findet ihr übrigens hier!

Baeume im Fruehling3. Pflanzen wechselfeuchter Standorte: Wachsen an Standorten, die nur gelegentlich feucht sind, d.h. flüssiges Wasser bieten. Dies können periodisch austrocknende Gebiete sein oder solche, in welchen es im Winter friert. “Wechselfeuchte” Pflanzen legen in der trockenen Zeit eine Ruhepause ein: Sie werfen im Herbst die Blätter ab, ziehen sich in ein Minimum an Ausdehnung zurück oder überdauern die Trockenheit als Samen. Beispiele: Alle Laubbäume, die im Herbst die Blätter verlieren, viele einjährige Pflanzen

Olivenbaum4. Pflanzen trockener Standorte: In trockener Luft müssen Pflanzen das Schwitzen einschränken, um nicht zu verdursten, und ihr Wasser aus einem grossen Bereich des Bodens zusammenklauben. Sie haben daher ausgeprägte, tief oder weit reichende Wurzeln und kleine derbe Blätter mit dicker Wachsschicht. Die zahlreichen Spaltöffnungen darin befinden sich in kleinen Senken in der Blattoberfläche, sodass Wasser nicht so leicht daraus entweichen kann. Beispiel: Olivenbaum (Olea europaea)

Hauswurz Rosetten5. Pflanzen extrem trockener Standorte, auch als Sukkulenten bekannt: haben die Möglichkeit, Wasser in ihrem Innern langfristig zu speichern. Ihr Wasserspeichergewebe ist von einer festen, oft wehrhaften (Dornen, Stacheln!)  Aussenhülle umgeben. Sukkulenten haben eine kleine Oberfläche, d.h. Blätter sind – wenn vorhanden – sehr dick und fleischig. Spaltöffnungen sind in geschützen Bereichen (z.B. Rillen eines Kaktus) abgesenkt. Beispiel: Hauswurz (Gattung Sempervivum)
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All diese Spezialisten haben jedoch eines gemeinsam: Sie betreiben Fotosynthese! Und was sich dahinter verbirgt – wie Pflanzen aus Lichtenergie Nahrung gewinnen können – erfahrt ihr nächste Woche im zweiten Beitrag zum geheimnisvollen Leben der Pflanzen. Bis dahin wünsche ich euch viel Spass beim Erkunden und Experimentieren. Berichtet doch gleich hier im Kommentar von euren Erlebnissen!

Eure Kathi Keinstein

Die fünfte Jahreszeit nähert sich ihrem Höhepunkt, und ob Jecken, Narren oder Böögge, alle wollen in diesen Tagen Spass haben. Wie könnte ich mich da ausnehmen – als Exil-Rheinländerin im Land der Fasnacht? So ist es in den letzten Tagen im Haushalts-Labor reichlich närrisch zu- und hergegangen – und es sind dabei gleich drei spektakuläre Experimente für närrischen wie lehrreichen Partyspass herausgekommen.

Der Antrieb für ein gutes Spektakel: Treibgas

Bei “Treibgas” mögen viele an den ungeliebten Inhalt von Spraydosen denken, an hochentzündliche organische Gase, schlimmstenfalls an die umweltgefährlichen Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW). Da ich mich aber schadstoffarmen Experimenten für den Hausgebrauch verschrieben habe, ist das Treibgas meiner Wahl Kohlenstoffdioxid, . Das ist ein natürlicher Bestandteil der Atmosphäre, reaktionsträge und in dem kleinen Umfang, in welchem es bei solchen Experimenten freigesetzt wird, ohne Bedeutung für den Treibhauseffekt (jedenfalls im Vergleich zur Freisetzung durch unsere Autos und die Industrie). Und es lässt sich aus einfachen Haushaltszutaten aus dem Supermarkt gewinnen!

Die Konfetti-Bombe mit Chemie-Power

Mein erster Gedanke dazu, was man mit Gas an- oder auftreiben könnte, galt der Konfettibombe: Konfetti in eine schlaffe Luftballonhülle füllen und den Ballon aufblasen, bis er platzt! Da wäre es doch spannend, anstatt der eigenen Lunge oder eine Fahrradpumpe zum Aufblasen zu verwenden, den Ballon mit der Kraft der Chemie zu füllen…

Um dazu genügend  zu erzeugen, braucht man nichts weiter als Natriumcarbonat und Essigsäure. Natriumcarbonat, besser bekannt als Soda, bekommt man billig und in rauhen Mengen in der Drogerie als Hilfsmittel zum Waschen. Essigsäure gibt es in verdünnter Form als Haushaltsessig zum Reinigen.

Für das Experiment brauchst du ausserdem noch

  • Eine nicht zu grosse Flasche mit relativ weiter Öffnung und einen Stopfen aus Gummi oder Kork, mit welchem die Flasche sich dicht verschliessen lässt
  • Eine Ahle oder ähnliches, um den Stopfen zu durchbohren (sofern du keinen bereits durchbohrten Stopfen aus dem Laborbedarf oder Chemiebaukasten hast)
  • Eine einfache Luftballon-Hülle
  • Konfetti
  • Einen Trichter mit weitem Hals und einen Stab, der hindurchpasst (z.B. ein chinesisches Essstäbchen oder ein Malstift)
  • Wenige Blätter WC-Papier
  • Eine säure-unempfindliche, leicht zu reinigende Umgebung (keine Marmorfliesen oder -platten!!)
  • Lange Kleidung und Schutzbrille

Durchführung

Fülle die Flasche je nach Grösse zu einem Viertel bis etwa zur Hälfte mit Haushaltsessig. Feuchte auf zwei einzelnen WC-Papier-Blättern je einen gehäuften Teelöffel Soda (ein weisses Pulver) mit einigen Tropfen Wasser an. Schlage das WC-Papier über der Masse  zusammen und forme einen kleinen Block, der durch die Öffnung der Flasche passt.

Schiebe den Hals des Trichters in die Ballonhülle und fülle da hindurch Konfetti ein (mit dem Stab kannst du nachschieben, wenn der Hals des Trichters zu verstopfen droht). Nimm den Trichter wieder heraus und streife die Öffnung der Ballonhülle über das weite Ende des durchbohrten Stopfens (sofern dieser ein weites Ende hat – bei zylindrischen Stopfen ist die Orientierung egal).

Halte den Stopfen mit dem Ballon in einer Hand bereit und schiebe mit der anderen Hand die beiden Soda-Blöcke schnell hintereinander durch die Öffnung in die Flasche mit dem Essig. Setze dann sofort(!!) den Stopfen auf und halte ihn gut fest!

Variante: Forme mit einem Stück Papier einen Trichter auf der Flaschenöffnung und schütte trockenes Soda-Pulver direkt hinein.

Was dann geschehen sollte

Essig und Soda reagieren in beiden Varianten heftig aufschäumend miteinander. Das dabei entstehende Gas strömt durch den durchbohrten Stopfen in den Ballon und bläst ihn auf…bis er schliesslich platzt. So hatte ich mir das zumindest gedacht. Es gab da nur zwei Probleme:

  1. Der hiesige Haushaltsessig aus dem Supermarkt enthält nur 9,5% Essigsäure (und 80,5% Wasser), sodass sichdamit kaum genug Gas erzeugen lässt.
  2. Ich bin einfach zu langsam.

Ich habe mich also dazu entschlossen, noch eine Variante zu versuchen: Ich habe Natron, also Natriumhydrogencarbonat, das als Backtriebmittel erhältlich ist, anstelle von Soda verwendet.

Experimente: Konfettibombe Aufbau

Daraus kann mit der gleichen Menge Essigsäure die doppelte Menge  freigesetzt werden . Unglücklicherweise bin ich dazu erst recht zu langsam…

Missglücktes Experiment: Chemischer Vulkan statt Konfettibombe

Ausgewählte Frames aus der Videoaufzeichnung zur missglückten Konfettibombe: Bild 2 bis 7 sind innerhalb von nur 1,5 Sekunden entstanden!

So kam mir das überschäumende Reaktionsgemisch schneller aus der Flasche entgegen, als ich den Ballon-Stopfen aufsetzen konnte! Ergebnis waren in Folge dessen ein nur teilweise aufgeblasener Ballon und eine wortwörtliche Sauerei auf dem Fussboden (deshalb ist ein säure- und am Besten auch basenfester Untergrund so wichtig)!

In der Chemie und den anderen Naturwissenschaften gehört es zum Alltag, dass ein Versuch nicht klappt – dann gilt: Positiv denken, das Beste daraus machen – und nach Fehlern im Ablauf suchen, um diesen zu verbessern. Letzteres erfordert viel Geduld und noch mehr Zeit und Aufwand. Deshalb beschränke ich mich hier auf ersteres – und zweierlei Gutes zeigt der Versuch bereits:

  1. Die Reaktion setzt tatsächlich Gas frei – genug, um einen Ballon damit aufzublasen.
  2. Der “Unfall” bei diesem Versuch liefert die Basis für ein zweites Experiment, das somit praktisch gar nicht mehr schiefgehen kann: Der Glitzer-farbenfrohe Leuchtvulkan!

Und um dafür und das dritte, ultimative Spektakel noch Zeit zu finden, habe ich die Weiterentwicklung der Konfettibombe bis auf Weiteres vertagt.

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Woher kommt das  ?

Essigsäure ist ein Stoff, der -Ionen abgeben kann (d.h. eine Säure), während Carbonat-Ionen ihrerseits  -Ionen aufnehmen können (d.h. das Carbonat-Ion ist eine Base). Das ermöglicht Essigsäure () und Soda (Natriumcarbonat,, ein Salz, das Carbonat-Ionen enthält), einander zu neutralisieren:

Die dabei entstehende Kohlensäure (eine sehr schwache Säure, so wie das Natriumacetat eine sehr schwache Base ist) ist in Wasser nicht stabil – ihre Moleküle zerfallen:

Aus jedem Molekül Kohlensäure wird also ein Molekül gasförmiges  freigesetzt. Da zuvor zwei -Ionen nötig sind, um ein Molekül Kohlensäure zu erzeugen, braucht es zwei Moleküle Essigsäure für jedes Molekül , das erzeugt und in den Ballon gefüllt werden soll.

Deshalb habe ich die Variante mit Natron versucht. Denn “Natron” ist Natriumhydrogencarbonat, . Dieses Salz enthält schon halb fertige Kohlensäure, sogenannte Hydrogencarbonat-Ionen, . Um daraus Kohlensäure zu machen, braucht es nur noch ein Molekül Essigsäure pro künftiges  :

Das entstehende Gas lässt das Reaktionsgemisch wild aufschäumen, und wenn man es rasch einfängt, entsteht genügend Druck, um einen Ballon aufzublasen!

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Der Glitzer-farbenfrohe Leucht-Vulkan

Auch wenn ich für den Konfetti-Ballon zu langsam bin (und noch darauf hoffe, in Zukunft irgendwann einmal konzentriertere Essigsäure in die Hand zu bekommen), ist die überschäumende Reaktion doch für ein weiteres Spektakel gut: Für einen leuchtenden chemischen Vulkanausbruch (die Inspiration dazu kommt vom englischsprachigen Spiel- und Experimentierblog “Growing a jeweled rose“!

Dazu brauchst du

  • Haushaltsessig und Soda oder Natron (Natron hat im Zweifelsfall mehr “Wumms”, aus den oben in der gelben Box genannten Gründen)
  • Etwas Geschirrspülmittel
  • Eine Flasche wie beim ersten Versuch, aber sauber und trocken oder einen ähnlichen Behälter
  • Ein Becherglas oder einen ähnlichen Behälter zum Giessen
  • Einen nachfüllbaren Textmarker oder Glow-in-the-Dark-Bastelfarbe
  • Eine Schwarzlicht-Lampe (für die Textmarker-Variante) oder eine starke Lampe bzw. die Sonne (für die Glow-in-the-Dark-Variante)
  • Eine säurefeste, leicht zu reinigende Umgebung im Dunkeln (wiederum: keine Marmor-Flächen!!), z.B. eine Duschwanne

Durchführung

Fülle dieses Mal das Soda- oder Natron-Pulver in die Flasche (in meine Flasche mit 150ml gebe ich ca. 25g). Gib etwa 200ml Essig in das Becherglas.

Textmarker-Variante: Dann öffne den Textmarker und vermische so viel Textmarker-Flüssigkeit mit dem Essig, bis dieser unter Schwarzlicht hell leuchtet (Bei den nachfüllbaren Markern des namhaftesten deutschen Herstellers kannst du die “Mine” herausziehen und ggfs. im Essig auswaschen!).

Glow-in-the-Dark-Variante: Vermische Glow-in-the-dark-Farbe mit dem Essig und lade das Gemisch unter starkem Licht einige Zeit lang auf, sodass es im Dunkeln hell leuchtet.

Experimente: Kompontenten des Leuchtvulkans unter UV-Licht

Essig mit oranger Textmarker-Flüssigkeit und der mit Natron geladene “Vulkan” unter Schwarzlicht

Gib für beide Varianten noch einen Schuss Geschirrspülmittel für den extra-coolen Schaumeffekt zum Leucht-Essig. Richte dann das Schwarzlicht im Dunkeln auf die Flasche mit der Soda bzw. dem Natron (für die Textmarker-Variante) und giesse den Essig hinein.

Sofort bricht der chemische Vulkan aus: Das wild schäumende Gemisch quillt in schönster Leuchtfarben-Pracht aus der Flasche und ergiesst sich in die Umgebung!

Experimente: Leuchtvulkan nach dem Ausbruch in UV-Licht

Nach dem “Ausbruch”: Der funkelnde, leuchtende “Lava”-strom

Und wenn du lieber im Hellen Spass hast, kannst du weitere Varianten versuchen: Lebensmittelfarben im Essig, Glitzerstaub im Carbonat-Pulver oder von allem etwas. Der Fantasie sind keine Grenzen gesetzt!

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Wie Licht und Farben enstehen, habe ich in dieser Geschichte einfach erklärt, und wie das Leuchten im Schwarz- oder UV-Licht (Fluoreszenz) und das eigenständige Leuchten von Glow-in-the-Dark-Farbstoffen (Phosphoreszenz) funktionieren, erfährst du hier!

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Entsorgung für Versuch 1 und 2

Verdünnte Essigsäure, Soda- bzw. Natronreste sowie die Reste der Reaktionsgemische können mit reichlich Wasser in den Ausguss entsorgt werden. Die im Vulkan enthaltenen (kleinen) Mengen an (Leucht-)Farbstoffen stehen dem auch nicht im Wege.

Den kleinen Unfall mit der Natron-Konfettibombe habe ich übrigens zum Anlass genommen, damit erst einmal den Küchenboden zu scheuern, bevor ich die Reste aufgenommen und fortgespült habe.

Das ultimative Spektakel: Die Pharaoschlange

Wenn du auf Säure-Base-Reaktionen und die Gefahr einer Sauerei verzichten möchtest, kannst du Soda oder Natron auch anders um sein  erleichtern: Durch thermische Zersetzung! Natriumcarbonat oder Natriumhydrogencarbonat setzen nämlich bei ausreichend hoher Temperatur und den richtigen Umständen ganz von allein  frei. Und diese Umstände finden sich in einem zünftigen Feuer. Die “Pharao-Schlange”, wie dieser Versuch landläufig genannt wird, entspringt aus einem unscheinbaren “Ei” und wirkt geradezu wie ein lebendiges Wesen!

Ein so bekanntes Experiment geistert natürlich auch durch das Internet – allerdings häufig in einer hochgiftigen Variante, auf die mich meine Leserin Marion Rotter kürzlich aufmerksam gemacht hat.

Die Schlange lässt sich jedoch auch auf praktisch ungiftige Weise beschwören, sodass sie als atemberaubender Partyspass zuhause Einsatz finden kann!

In früheren Jahren konnte man das perfekte Reaktionsgemisch für ein solches Feuer fertig kaufen – in Form von Emser Pastillen. Da es sich dabei allerdings um Lutschpastillen handelt und der Hersteller vor einigen Jahren dazu übergegangen ist, sein Produkt in diesem Sinne zu optimieren, bringt das Verbrennen von heutigen Emser Pastillen keine Schlange mehr hervor.

Das macht aber nichts, denn die “Eier” der Pharao-Schlange lassen sich mit einfachen Haushalts-Zutaten und einem kleinen Zusatz wunderbar nachbauen.

Dazu brauchst du

  • Haushaltszucker (z.B. feinen Kristallzucker)
  • Soda (Natriumcarbonat)
  • Brennsprit (Für deutsche Leser: Spiritus)
  • ein wenig Mangan(IV)oxid (, “Braunstein”), blaues Kupfersulfat () oder Zigarettenasche
  • wenig Wasser
  • Mörser und Stössel (oder eine stabile Schale und einen abgerundeten Gegenstand)
  • einen Fön
  • eine feuerfeste Unterlage
  • eine feuerfeste Schale mit Sand
  • Feuerzeug oder Streichhölzer
  • gut belüfteter Raum, Terrasse oder Garten

Durchführung

Gib 3 gehäufte Teelöffel Soda und 9 gehäufte Teelöffel Zucker in den Mörser (in jedem Fall 1 Teil Soda auf 3 Teile Zucker), mörsere und vermische sie gründlich. Gib eine Messerspitze Braunstein-Pulver (habe ich verwendet) bzw. Kupfersulfat oder etwas Asche hinzu und vermische das Ganze gründlich.

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Manganoxid-Staub kann beim Einatmen oder Verschlucken gesundheitsschädlich sein (Kupfersulfat ebenso, und dieses ist überdies giftig für Wasserorganismen). Für diesen Versuch brauchst du jedoch so wenig davon, dass diese Stoffe bei sachgemässem Umgang damit nicht gefährlich sind.

Das heisst: Halte dich an meine Angaben, verwende nur wenig dieser Verbindungen und achte darauf, dass niemand sie “schnupft” oder verschluckt!

Zünde deine Schlangeneier zudem am besten draussen an, denn theoretisch können Mangan und Kupfer mit dem Rauch entweichen – und überhaupt “duftet” die Schlange nicht unbedingt angenehm.

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Gib wenige Milliliter Brennsprit und einige Tropfen Wasser hinzu, sodass eine formbare, ganz leicht klebrige Masse entsteht (sie fühlt sich in etwa an wie nasser Sand). Forme auf einer Unterlage kleine Blöcke (ca. 15x10x40mm) aus der Masse. Dann richte den heissen Luftstrom aus dem Fön auf die Blöcke, bis diese weich zu werden und sich zu verformen beginnen. Dann lasse die Blöcke mindestens 2 bis 3 Stunden an der Luft trocken (kippe sie nach der Hälfte der Zeit auf die Seite, damit auch die Unterseite schnell trocken wird. Die fertigen “Schlangeneier” sind vollkommen hart und können an einem trockenen Ort dauerhaft aufbewahrt werden!

Pharao-Schlange: Rohmasse und fertige "Schlangeneier"

Soda-Zuckermasse mit Manganoxid (links) und zwei fertige “Schlangeneier” (rechts)

Für das Experiment selbst stecke einen Zuckerblock aufrecht in die Schale mit Sand und platziere sie auf der feuerfesten Unterlage – nach Möglichkeit draussen. Tränke den Block und den umgebenden Sand mit einigen Millilitern Brennsprit (nicht sparen!), verschliesse die Sprit-Flasche, stelle sie weg und entzünde das Schlangenei sogleich.

Experiment Pharaoschlange : Schlangenei bereit zum Schlüpfen

Bereit zum Schlüpfen: Jetzt noch Brennsprit darüber, und dann anzünden!

In der ersten Hitze der Alkohol-Flamme beginnt auch der Zucker im zu brennen. In dem dichten Block verläuft die Verbrennung jedoch nicht vollständig: Es bleibt ein sehr kohlenstoffreicher Rückstand zurück – der Zucker “verkohlt”. In der Hitze des Feuers zerfällt zudem das Carbonat und setzt  frei. Dieses Gas und bei der Verbrennung des Zuckers entstehender Wasserdampf treiben den verkohlten Zucker auseinander: Innerhalb von Minuten wächst eine bis zu einem halben Meter lange Schlange aus der Schale und windet sich in atemberaubender Weise umher!

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Wie man Zucker zum Brennen bringt

Wer schonmal eine Feuerzangenbowle gemacht hat, weiss, das Zucker auch in einer Ethanolflamme gar nicht brennt, sondern allenfalls schmilzt oder karamellisiert. In einem Feuer geschieht nämlich nichts anderes, als das Moleküle auseinander gebrochen und ihre Atome neu zusammengesetzt werden.

Aus Haushaltszucker entstehen dabei – im Fall einer vollständigen Verbrennung – zum Beispiel Kohlenstoffdioxid und Wasser:

Um Zuckermoleküle in ihre Bestandteile zu zerlegen, wäre jedoch viel mehr Wärme nötig, als brennender Ethanol liefern kann. Deshalb wird die Pharaoschlange nur dann lebendig, wenn ihre Eier einen Katalysator enthalten.

Ein Katalysator ist nämlich ein Stoff, der dafür sorgt, dass eine Reaktion über einen anderen Weg verlaufen kann, als sie es normalerweise tut. Und wenn für die Begehung dieses anderen Weges weniger Energie nötig ist als für den herkömmlichen Weg, wird ein Katalysator zu einem überaus nützlichen Werkzeug!

Im menschlichen Körper könnten zum Beispiel die meisten zum Leben nötigen Reaktionen (nicht zuletzt die Verbrennung von Zucker!) bei 37°C ohne Katalysatoren gar nicht ablaufen. Deshalb hat die Natur die Enzyme erfunden. Das sind Proteine, die als Katalysatoren wirken. Und viele dieser Enzyme enthalten Metall-Atome bzw. -ionen (auch Mangan!), die für ihre Katalysator-Wirkung zuständig sind.

So liegt es nahe, dass Metall-Ionen auch der Pharao-Schlange auf die Sprünge helfen. Ich hatte beispielsweise Mangan(IV)oxid zur Hand, das Mangan-Ionen enthält. Kupfersulfat, das Kupfer-Ionen enthält, eignet sich aber ebenso, und auch Holz- oder Zigarettenasche enthalten verschiedene Metall-Ionen.

Mit Hilfe der Metall-(in diesem Fall Mangan-)Ionen kann also kann also Zucker in brennendem Ethanol einen energiesparsamen Weg zur Verkohlung nehmen. Dabei kommt uns zugute, dass ein echter Katalysator am Ende seines Einsatz als Wegweiser unverändert zurückbleibt. Denn damit können wenige Mangan-Ionen, die immer wieder aufs Neue zum Einsatz kommen, grosse Mengen Zucker auf den einfachen Weg zur Verkohlung führen. So genügt eine sehr kleine Menge Manganoxid, die kaum wirklich gesundheits- oder umweltschädlich ist, um die Pharaoschlange zu beleben.

Mehr über Katalysatoren erfährst du in dieser Geschichte um den Kraftfahrzeug-Katalysator, der für die chemische Reinigung der Abgase von Verbrennungsmotoren unserer Autos sorgt!

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Entsorgung

Die verkohlten Reste der Schlange können nach dem Abkühlen gefahrlos angefasst (sie fühlen sich ganz weich und schaumig an!) und in den Abfall entsorgt werden, da sie nur ganz wenig Mangan enthalten.

Und hast du eines dieser Experimente ausprobiert? Oder hast du ein anderes spektakuläres Lieblings-Experiement?