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Weichspüler - Fluch oder Segen?

Weichspüler haben einen schlechten Ruf: Ich lese auf Facebook in einigen Haushaltsgruppen mit und schnappe dort auf, was euch Haushaltsbetreibende so bewegt. Dabei lese ich immer wieder Beiträge nach dem Prinzip “Hilfe, meine Waschmaschine stinkt!” und die dazugehörigen Antworten. Die gehen dann meistens in Richtung “Benutzt du Weichspüler? Mach das bloss nicht, die schaden der Maschine und können der Grund für den miesen Geruch sein!”

Obendrauf kam im Sommer 2019 ein wohl ziemlich unsachlicher Beitrag des SWR, der anprangerte, dass eklige Schlachtabfälle als Rohstoffe für Weichspüler verwendet würden und sie damit alles andere als vegan seien.

Wenn diese Waschhilfsmittel so viele schlechte Eigenschaften in sich vereinen, warum werden sie dann in so vielfältiger Ausführung produziert und gekauft?

In diesem Artikel gehe ich den Weichspüler-Mythen auf den Grund: Schaden Weichspüler wirklich der Waschmaschine (oder gar unserer Gesundheit) oder werden sie fälschlicherweise verteufelt?

Was sind eigentlich Weichspüler?

Weichspüler sind in der Regel flüssige Produkte, die kationische Tenside (auch “Invertseifen” genannt) enthalten. Diese besonderen Tenside werden in der Waschmaschine beim letzten Spülgang hinzugefügt und sollen dafür sorgen, dass die Wäsche nach dem Trocknen weicher ist.

Zusätzlich wirken viele Weichspüler gegen elektrische Aufladung (einige der kationischen Tenside sind sogenannte Antistatika), enthalten verschiedene Duftstoffe, optische Aufheller und zuweilen geruchsbindende Moleküle.

Warum wird Wäsche beim Trocknen hart?

Beim Trocknen von Wäsche kann es zur sogenannten “Trockenstarre” der Textilien kommen. Dabei bilden sich Wasserstoffbrücken-Bindungen zwischen Fasern aus Zellulose, die diese Fasern vorübergehend “verkleben”. So wird ein ursprünglich flexibler Stoff hart und steif.

Zellulose ist doch der Pflanzenbestandteil, aus dem man Papier macht? Richtig! Aber ebenso ist er der Hauptbestandteil von Baumwollfasern, aus denen man Textilien macht.

Ganz besonders deutlich erlebe ich die Trockenstarre an meinem Oberteil aus Viskose. Dieses Material ist nämlich nichts anderes als Gewebe aus einem Garn, das aus verflüssigter Zellulose neu gesponnen wurde (eine sogenannte Regeneratfaser). Chemisch unterscheiden sich die Moleküle in diesem Garn nicht von natürlicher Baumwolle. Die Neigung zur Trockenstarre eingeschlossen.

Wenn ich besagtes Kleidungsstück wasche und auf der Leine trockne, fühlt es sich nachher steif wie ein Brett an. Allerdings nicht für lange. Spätestens wenn ich es ein paar Minuten getragen habe, fällt es wieder weich und geschmeidig, als wäre nichts gewesen. Das rührt daher, dass Wasserstoffbrücken im Vergleich zu “richtigen” chemischen Bindungen (d.h. Atombindungen) nicht besonders fest sind. Das macht sie bei ausreichend Bewegung entsprechend kurzlebig.

Was kann ein Weichspüler dabei bewirken?

Die kationischen Tenside im Weichspüler heissen so, weil ihre Moleküle eine positive elektrische Ladung tragen. Damit finden sie dicht mit Elektronen umgebene (und damit leicht negativ geladene) Atome äusserst anziehend und lagern sich an solche gerne an. Doch genau diese elektronenreichen Atome sind auch für die Entstehung von Wasserstoffbrücken notwendig. Wenn jedoch ein kationisches Tensid solch ein Atom besetzt, bleibt dort kein Platz mehr für eine Wasserstoffbrücke. Und ohne Wasserstoffbrücken keine Trockenstarre.

Was genau sind kationische Tenside?

Tenside im Allgemeinen sind Moleküle, deren eines Ende gut wasserlöslich ist, während das andere Ende überhaupt nichts von Wasser hält. Die Wasserlöslichkeit eines Moleküls geht mit einer elektrischen Ladung oder ungleicher Elektronenverteilung zwischen den Atomen einher. Die alltäglichsten Tenside sind Seifen. Sie tragen eine negative elektrische Ladung (“anionische Tenside”) und sind für ihre Superwaschkraft hoch geschätzt (mehr dazu erfahrt ihr hier).

Ein Tensid (hier ein Anionisches) ähnelt im Prinzip einem Streichholz: Der “Kopf” ist wasserlöslich, der “Schaft” ist wasserabweisend und fettlöslich. So kann dieses Molekül mit zwei miteinander unverträglichen Stoffen gleichzeitig wechselwirken.

Kationische Tenside tragen dagegen eine positive elektrische Ladung. Sie enthalten in der Regel ein Stickstoffatom, das vier Bindungen statt seiner üblichen drei eingegangen ist. Damit teilt das Stickstoffatom ein Elektron mehr als üblich mit seinen Nachbarn, weshalb seine Kernladung um +1 überwiegt.

Vom Ammonium zum Tensid

Das einfachste Molekül dieser Art ist das Ammoniumion NH4+, in dem vier Wasserstoffatome an den Stickstoff gebunden sind. Klein und geladen ist dieses Molekül sehr gut wasserlöslich. In einem kationischen Tensid sind die vier Wasserstoffatome jedoch durch Kohlenwasserstoffreste ersetzt. Wenn mindestens einer davon so lang ist, dass seine Unlöslichkeit in Wasser sich bemerkbar macht, ist das Molekül ein Tensid.

Strukturformel für DSDMAC, ein typisches kationisches Tensid für Weichspüler
“DSDMAC”, ein typisches kationisches Tensid: Der “Kopf” (rot) mit dem Stickstoffion ist wasserlöslich, der “Schaft” (blau), bestehend aus zwei langen Kohlenwasserstoffketten, nicht. Da positiv geladene Teilchen nicht allein vorkommen, wird die Verbindung als Salz aus DSDMAC- und Chlorid-Ionen verwendet.

Weil sie sich vom Ammonium ableiten und alle vier H-Atome durch Kohlenwasserstoffreste ersetzt sind, werden Moleküle dieser Sorte “quartäre Amine” oder kurz “Quats” genannt.

Quats sind im Alltag weit verbreitet

Vielleicht kennt ihr das ein oder andere schon als Antistatika zum Aufsprühen oder für seine Wirksamkeit gegen Bakterien und Pilze (Benzalkoniumchlorid, ein bekanntes Konservierungsmittel, gehört auch zu dieser Familie!). Oder als “Weichmacher” der anderen Art: Polyquaternium-Verbindungen sind, als Alternative zu Silikonöl, Bestandteile z.B. von Haarspülungen. Darin sind die positiv geladenen Stickstoffatome zu längeren Ketten verknüpft, die sich um die Haare legen und ihnen eine glatte Oberfläche und damit leichte Kämmbarkeit verleihen.

Wie gut sind Weichspüler biologisch abbaubar?

In den 1990ern kamen in Weichspülern meist simple “Quats” wie das oben gezeigte DSDMAC zum Einsatz. Die haben jedoch einen entscheidenden Nachteil: Es gibt sie in der Nahrung von Lebewesen, insbesondere Kleinstlebewesen, nicht, was bedeutet, dass sie nur schwerlich bis gar nicht biologisch abbaubar sind.

Da eine vernünftige biologische Abbaubarkeit von Tensiden wie in Weichspülern aber seit 2006 von der EU vorgeschrieben ist, kommen heutzutage angepasste Moleküle zum Einsatz. Anstatt einfacher Kohlenwasserstoffreste sind darin Alkohol-Gruppen an den Stickstoff gebunden, die mit Fettsäuren verestert sind. Diese Verbindungen, kurz “Esterquats” genannt, ähneln damit den Fetten bzw. Triglyceriden, die wir alle als Nahrung kennen. Somit ist die Natur gut für die Spaltung und Verwendung solcher Verbindungen gerüstet. Das heisst, die Esterquats sind gut biologisch abbaubar.

Strukturformel eines Esterquats
Ein Esterquat mit drei Alkohol-, d.h. OH-Gruppen: Zwei davon sind mit Fettsäuren verestert, die dritte links nicht. Dieses Molekül kann von Lebewesen an den Estergruppen (-O-CO-) leicht gespalten werden.

Zumindest in der Theorie ist das eine tolle Sache. Beim Herumstöbern im Netz nach den Inhaltsstoffen von Weichspülern bin ich allerdings auf ein Sicherheitsdatenblatt eines Produkts einer aus der Werbung gut bekannten Firma gestossen – und siehe da: Der wirksame Bestandteil ist kein Esterquat, sondern unter anderem das (un)gute alte DSDMAC. Immerhin habe ich diese Angabe des betreffenden Herstellers gefunden, während sich andere gar nicht in die Karten schauen lassen.

So halte ich die Aussage auf Wikipedia, dass DSDMAC und Co. Heutzutage durch Esterquats ersetzt sind, für höchst fraglich.

Schlachtabfälle?! – Wie man quartäre Amine herstellt

Der anfangs erwähnte Beitrag des SWR wurde nicht zuletzt dafür kritisiert, dass er den Eindruck erweckte, in Weichspülern ‘seien eklige Schlachtabfälle drin’ (was von der Boulevardpresse nur zu gern aufgegriffen wurde).

Tatsächlich sind die Rohstoffe, aus denen man “Quats” für Weichspüler herstellt, Fette, die von Pflanzen oder Tieren stammen können. Da diese Fette keinen besonderen Qualitätsansprüchen genügen müssen, sind Schlachtabfälle letztlich eine wirtschaftliche und nachhaltige Quelle dafür. Dass die auch rege genutzt wird, ist auch seit langem hinlänglich bekannt.

Die Fette werden jedoch in einer ganzen Reihe von Schritten verarbeitet:

  1. Die Fette werden zunächst wie bei der Seifenherstellung gespalten (“verseift”), um freie Fettsäuren zu gewinnen. Das ebenfalls entstehende Glycerin wird davon abgetrennt.
  2. Anschliessend lässt man die Fettsäuren bei hoher Temperatur und einem Metallkatalysator (ein Hilfsstoff, der die Reaktion erleichtert) mit Ammoniak (NH3) reagieren, um das Stickstoffatom einzuführen. Es entstehen sogenannte Fettsäurenitrile.
  3. Nach weiterer Reinigung werden die Fettsäurenitrile mit Wasserstoff (H2) umgesetzt. Auch für diese Hydrierung genannte Reaktion ist ein Metall als Katalysator nötig. Dabei können “Fettamine” mit einem (wenn dabei Ammoniak anwesend ist), zwei oder drei gebundenen Kohlenwasserstoffresten entstehen.
  4. In einer Reaktion, die Alkylierung genannt wird, kann ein Fettamin mit drei Kohlenwasserstoffresten (d.h. ein tertiäres Amin) schliesslich mit einem vierten solchen Rest versehen werden.

Nach einem letzten Aufreinigungsschritt ist das quartäre Amin bzw. kationische Tensid dann fertig. Insgesamt braucht es also vier chemische Reaktionen und mindestens fünf Reinigungsschritte, um vom natürlichen Rohstoff zum Inhaltsstoff für Weichspüler zu kommen. Nach so viel Aufwand und chemischen Umbau-Aktionen bleibt vom Charakter des ursprünglichen Rohstoffs, ob nun tierisch oder pflanzlich, im Endprodukt nichts mehr übrig.

Weichspüler und vegan? Eine Frage der Definition!

Weichspüler mögen also nicht vegan sein (wenn man “vegan” denn streng als “ohne Tierprodukte” definiert). Aber dafür müssen keine Tiere sterben! (Denn die werden für Steak und Hamburger geschlachtet.) So lange ein erheblicher Teil der Menschheit also Fleisch isst, ist es (nicht nur) in meinen Augen wesentlich nachhaltiger, Chemikalien aus dem zu produzieren, was soundso anfällt, als unnötig Ressourcen und Energie aufzuwenden sowie Pestizid- und ähnliche Belastung zu riskieren, um extra pflanzliche Rohstoffe zu produzieren.

Wenn man “vegan” mit Hintergedanken an Umwelt, Tierschutz und Nachhaltigkeit als “dafür müssen keine Tiere sterben” bzw. “verbraucht minimale Ressourcen” definiert, könnte man selbst die Produkte aus tierischen Rohstoffen guten Gewissens als ‘vegan’ bezeichnen.

Weitere Nachteile von Weichspülern

  • In manchen Textilien können Weichspüler ähnliche Probleme machen wie ihre Verwandten in den Haar-Conditionern: Sie lagern sich auf den Geweben ab (das ist ja ihre Funktion!) und “verkleben” bzw. “verschliessen” sie so, dass ihre Durchlässigkeit für andere Stoffe beeinträchtigt wird. Das ist vor allem bei Funktionstextilien (“atmungsaktive” Sportkleidung) oder Daunen ein Problem.
  • Tatsächlich können Weichspüler sich auch in ähnlicher Weise auf den Oberflächen in der Waschmaschine ablagern und zu einem behaglichen Zuhause für Bakterien und Pilze werden (von denen dann der unangenehme Geruch der Maschine herrührt).
  • Unterschiedliche Ladungen ziehen sich an: So bilden kationische Tenside mit den herkömmlichen anionischen Waschmittel-Tensiden schwer wasserlösliche Aggregate. So ist bei der nächsten Wäsche nach dem Weichspülereinsatz mehr Waschmittel nötig als ohne.
  • Duftstoffe (und weitere Zusätze) können Allergien auslösen (müssen aber nicht). Grundsätzlich sind Allergien bzw. die Neigung dazu von Mensch zu Mensch sehr verschieden, sodass kaum vorauszusagen ist, wer auf was empfindlich reagiert.

Was (oder wem) nutzen Weichspüler dann überhaupt?

Mangelnde biologische Abbaubarkeit, unliebsame Rohstoffe, Probleme bei Funktionstextilien, Keime in der Waschmaschine und allergenes Potential… das ist eine lange Liste von Nachteilen, wenn die Wirkung von Weichspülern sich bloss auf das Verhindern der zeitlich begrenzten Trockenstarre, Duft und etwas Antistatik beläuft.

Ich habe allerdings von Menschen gelesen, die womöglich nicht darauf warten können/mögen, dass eine Trockenstarre von selbst verfliegt: Nämlich solche, die an Neurodermitis oder anderen Erkrankungen mit leicht reizbarer Haut leiden. Solchen sollen Hautärzte tatsächlich den Einsatz von Weichspülern empfehlen, wenn damit Reizungen durch “kratzige” Textilien zuvorgekommen werden kann.

Aus dem eigenen Familienkreis kenne ich Neurodermitis nur mit allergischem Ursprung, wenngleich wohl Nahrungsmittelproteine (Milch, Ei) die Ursache waren. Nichts desto trotz erscheint es mir hier sinnvoll, von Person zu Person abzuwägen, inwieweit der Nutzen eines Weichspülers mögliche Reaktionen auf seine Inhaltsstoffe überwiegt.

Gibt es denn (Hausmittel-)Alternativen zu industriellem Weichspüler?

In den Haushaltsgruppen und auf zahllosen Websites werden immer wieder vor allem Essig, Natron/Soda (oder gleich beide miteinander) und/oder ätherische Öle als Weichspüler-Ersatz empfohlen. Doch was taugen diese Alternativen?

Aus Chemikersicht gar nichts:

  • Essig: Enthält Essigsäure – die reagiert mit dem schwach basischen Kalk in (hartem) Waschwasser. Essig trägt also zur Wasserenthärtung bei und kann allenfalls dazu beitragen, den Verbrauch von Waschmittel durch die Entstehung von Kalkseifen oder Kalkablagerungen auf den Textilien zu verhindern. Heute Waschmittel enthalten allerdings bereits Enthärter (vor allem Zeolith A), die das übernehmen. Und zu viel Essigsäure in der Maschine kann um ungünstigsten Fall ihre Bauteile angreifen.
  • Natron und Soda (Natriumhydrogencarbonat, NaHCO3 bzw. Natriumcarbonat Na2CO3): Sind basisch und und fluoreszieren in UV-Licht. Letztere Eigenschaft macht sie zu optischen Aufhellern: Sie lassen die Wäsche weisser erscheinen (zumindest theoretisch: Die Stiftung Warentest hat 2013 keinen solchen Effekt nachweisen können) – machen sie aber nicht weicher. Ausserdem sind Basen ähnlich wie Säuren aggressiv: Nicht alle Fasern vertragen sie so ohne weiteres.
  • Essig und Natron oder Soda: Reagieren miteinander. Die dabei freigesetzte Kohlensäure zerfällt in CO2-Gas und Wasser. So gehen sowohl die enthärtende Wirkung des Essigs als auch die Fluoreszenz verloren.
  • Ätherische Öle: Werden gerne als “natürlicher” Ersatz für die Duftstoffe in Weichspülern genannt. Dabei geht jedoch gerne vergessen, dass auch und gerade die Bestandteile ätherischer Öle Allergien auslösen können (viele der fraglichen Duftstoffe in industriellen Produkten kommen sogar auch in ätherischen Ölen vor oder leiten sich davon ab!). Dazu kommt: Die Zusammensetzung von Naturprodukten wie ätherischen Ölen ist weder vollständig bekannt noch garantiert immer gleich – anders als bei “chemischen” Zubereitungen, die stets bis ins Detail bekannt sind. Daher solltet ihr beim Einsatz fortwährend genau und von Person zu Person beobachten, wer was verträgt und was nicht.  

Wie ich als Chemikerin vorgehe

Da in meinem Haushalt niemand unter Neurodermitis oder ähnlichem leidet, ist mir die Liste der Nachteile von Weichspülern gegenüber ihrem Nutzen viel zu lang.

Ich wasche daher meine Wäsche nur mit einem Vollwaschmittel in Pulverform und verzichte auf Weichspüler. Frottee-Handtücher (die ich nur trocknergeeignet kaufe) trockne ich im Wäschetrockner, denn durch dessen Gebläse wird die Trockenstarre von vorneherein verhindert. Von meiner Bluse aus Viskose (und anderer betroffener Kleidung) weiss ich überdies inzwischen, dass die Trockenstarre von selbst so vollständig vergeht, dass ich die Bluse nicht einmal bügeln muss.

Und wie wascht ihr eure Wäsche? Verwendet ihr Weichspüler? Habt ihr einen besonderen Nutzen davon? Oder warum verwendet ihr sie gerade nicht?

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:

Bei einer chemischen Reaktion geht kein Teilchen verloren!

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: H2 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 (6,02•1023) Atomen! Um die vielen Nullen bzw. die Gleitkommazahlen mit unvorstellbaren Exponenten zu vermeiden, haben die Chemiker festgelegt:

6,02*1023 Atome sind ein Mol Atome.

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 H2 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 (CH3COOH) ist – wie der Name sagt – eine Säure und wird von Natriumhydrogencarbonat (Natron, NaHCO3), das eine Base ist, neutralisiert, wobei Kohlensäure (H2CO3) und Natriumacetat (CH3COOH) entstehen. Für den Antrieb entscheidend ist jedoch, was danach passiert:

Kohlensäure ist instabil und zerfällt in Wasser und gasförmiges Kohlenstoffdioxid (CO2)! 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!

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 ein Molekül 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 1 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 (CH3COOH bzw. C2H4O2): 2*12 + 4*1 + 2*16 = 60 g/mol
  • Natron (NaHCO3): 1*23 + 1*1 + 1*12 + 3*16 = 84 g/mol

Ein Mol Essigsäure sind demnach 60 Gramm, die mit 84 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 ein Mol Essigsäure benötigt ihr also 600g oder 600 Milliliter Essig – und eine ziemlich grosse Rakete. Deshalb macht es Sinn, die Menge der eingesetzten Stoffe auf ein Fünftel (oder noch weiter) herunter zu rechnen:

0,2 Mol Essigsäure sind 12g – das entspricht 120g bzw. 120ml Schweizer Haushaltsessig – und 0,2 Mol Natron sind 16,8g. 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!

Nun steht eurem Raketenstart nichts mehr im Wege!

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:

  • 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!).
  • 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.
  • Fertigt für das Leitwerk mindestens drei Finnen (“Flügel”) aus Pappe an.
Vorlage für das Leitwerk der Rakete
  • Das 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.

  • 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.

  • 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
  • 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:

  • 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.
  • Dreht die Rakete mit der Spitze nach unten und füllt vorsichtig den Essig durch die Flaschenöffnung ein (ein Trichter kann dabei hilfreich sein).
  • 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 CO2-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 CO2 treibt das Päckchen zunehmend auseinander, sodass die Reaktion sich beschleunigt. Wenn ihr ungeduldig seid, schüttelt die Flasche etwas, sodass das Päckchen schneller auseinanderfällt.

  • Schraubt den Deckel sorgfältig über der Ballonhaut fest und stellt die Rakete wieder aufrecht auf ihre Sockel.
  • 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 CO2 strömt nämlich unweigerlich auch essighaltige Flüssigkeit aus der Düse!

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.


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

Hast du das Experiment nachgemacht: 

Rakete mit Stöchiometrie: Hat das Experiment bei dir geklappt?

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