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Ein Herz aus Eis

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

Du brauchst dazu

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

Wie du das Herz zum Schmelzen bringst

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

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

Wenn das Herz vollständig gefroren ist, geht es weiter:

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

 

Was du beobachten kannst

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

    im schmelzenden Eis - Herz bilden sich Furchen

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

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

    Acrylfarbe auf schmelzendem Eis

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

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Wie geht das Schmelzen vor sich?

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

Feststoff oder Flüssigkeit: Eine Frage der Bewegung

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

Im Feststoff sitzt längst nicht alles fest

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

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

Flüssigkeiten: Ein lebhaftes Gedränge

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

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

Drei Aggregatzustände im Modell

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

Aus fest wird flüssig: Der Schmelzvorgang

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

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

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

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

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

Was das Salz dazu tut

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

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

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

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Entsorgung

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

Ideen zum Weiterexperimentieren

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

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

DIY-Experiment: Entdecke verborgene Farben!

Farbenfrohe Papier-Chromatographie – ganz einfaches Experiment für die jüngeren Forscher

Das neue Jahr mit Keinsteins Kiste ist fulminant gestartet. Es gab nämlich diese Woche eine Premiere: Die Kiste gibt es jetzt nämlich auch zum Anfassen und Mitmachen – als “rollendes Chemielabor” voller spannender Experimente, das in Schulen und zu Events aller Art kommt (mit mir natürlich). Ihren ersten Einsatz hatte die rollende Kiste am letzten Dienstag im hiesigen Primarschulhaus Steg zum Science-Projekttag der Primar- (d.h. Grund-)schüler, die dort lernen.

Wir haben verschiedene Stoffgemische getrennt – doch an einem Experiment hatten die Kinder besonders Freude: Am Geheimnis des schwarzen Filzstifts. Das ist nämlich überraschend farbig. Und Farben regen die Kreativität von Kindern ganz besonders an. Ich zeige euch heute, wie ihr dieses kleine, schnelle Experiment ganz einfach nachmachen könnt!

Was ihr dazu braucht

  • einen schwarzen, wasserlöslichen (!) Filzstift
  • saugfähiges weisses Papier (z.B. Papierservietten oder Filterpapier)
  • ein Glas mit weiter Öffnung
  • Wäscheklammern
  • gegebenenfalls einen Bleistift oder Schaschlik-Spiess
  • Wasser

Material: Was ihr für die Papierchromatographie braucht

Wie ihr das Experiment durchführt

  • Schneidet euer Papier in Streifen, die etwas länger sind als das Glas hoch ist.
  • Zeichnet mit dem Filzstift einen gut sichtbaren Querstrich auf ein Ende eines Papierstreifens (der Strich darf sich nicht ganz am Rand des Streifens befinden!).

Schwarzer Querstrich auf Serviette

  • Füllt das Glas 0,5 bis 1cm hoch mit Wasser.
  • Taucht das bemalte Ende des Streifens vorsichtig ein wenig ins Wasser ein (der Strich darf nicht mit eintauchen!) und klemmt den Streifen gerade so eingetaucht mit einer Wäscheklammer am Glasrand oder dem quer darüber liegenden Spiess fest.
  • Wartet ab und beobachtet. Der Filzstift-Strich wird sein Geheimnis innerhalb von einigen Sekunden oder wenigen Minuten offenbaren!
Papierchromatographie mit Spiess und am Glasrand

Links: Variante für Gläser mit senkrechtem Rand: Der Papierstreifen ist am Glas befestigt. Rechts: Variante für Gläser beliebiger Form: Der Papierstreifen hängt an einem Stab, der quer über dem Glas liegt.

Was geschieht hier?

Stoffe wie Wasser und Filzschreiberfarben bestehen aus unzähligen winzigen Teilchen. Dabei hat jeder Stoff seine eigene Teilchen-Sorte mit eigenen Eigenschaften. Ein DIY-Versuch, welcher zeigt, dass es diese Teilchen gibt, und eine nähere Erklärung zum “Teilchenmodell” findet ihr hier. Einem Stoff sieht man mit nacktem Auge nicht immer an, ob er aus nur einer oder mehrerer Teilchensorten besteht (und damit eigentlich ein Stoffgemisch ist).

Um herauszufinden, ob man es mit einem Gemisch zu tun hat, und wie viele Stoffe daran beteiligt sind, muss man die Teilchen voneinander trennen und nach Sorten sortieren. Dazu nutzen Chemiker häufig aus, dass die verschiedenen Stoffteilchen sich unterschiedlich schnell bewegen, wenn es mal eng wird.

Viele Feststoffe sind nicht so fest und massiv, wie sie aussehen. Stattdessen sehen sie aus wie ein Stück Emmentaler-Käse oder ein Schwamm – mit vielen, vielen Löchern oder «Poren». Diese Löcher sind so klein, dass wir sie mit nackten Auge nicht sehen können – manchmal fast so klein wie Stoffteilchen. Das Filterpapier von Station 2 ist so ein Schwamm – und andere Papiersorten auch. Deshalb können wir Papier als eine Art Hindernis-Rennbahn für Stoffteilchen gebrauchen!

Die Wettläufer auf dieser Rennbahn sind die Stoffteilchen, aus denen die Flüssigkeit im schwarzen Filzstift besteht. Das aufsteigende Wasser schwemmt die Stoffteilchen aus dem Filzstift-Strich durch das Papier. Die Teilchen, die am leichtesten ihren Weg durch die Poren des Papier-Schwamms finden, kommen dabei am weitesten – die Teilchen, die am langsamsten durch den Schwamm finden, kommen am wenigsten weit!

Die Tinte aus meinem Filzschreiber besteht aus (mindestens) drei leicht trennbaren Farbstoffen: blau, orange und rosarot!

Die Tinte aus meinem Filzschreiber besteht aus (mindestens) drei leicht trennbaren Farbstoffen: blau, orange und rosarot!

Mögliche Varianten zum Ausprobieren

  1. Welches ist das beste Papier? Die Geschwindigkeit, mit welcher die Farbstoffe sich im Papier verteilen, hängt von der Durchlässigkeit des Papiers, also der Dichte der Hindernisse auf der “Rennbahn” ab. Ein “langsames” Papier führt zu einer deutlicheren Trennung der Farben, erfordert aber mehr Geduld. Für die grösseren Forscher habe ich das Farbschreiben zur Trennung von Farbstoffen aus Pflanzenblättern vorgestellt und dazu normales Schreibpapier verwendet. Das “Rennen” darin dauert mindestens eine Stunde – dafür sind die Farbstoffe nachher als klar trenn- und miteinander vergleichbare “Banden” zu erkennen. Probiert einfach selbst aus, welches Papier sich am besten für eure Zwecke eignet!
  2. Ist einzig schwarze Tinte ein Stoffgemisch? Nicht nur schwarze Filzstifte bergen ein Geheimnis. Wenn ihr andere Filzstifte zur Hand habt, versucht herauszufinden, welche Farben ebenfalls aus mehreren Farbstoffen zusammengemischt sind!
  3. Kunst und Forschen lassen sich vereinen! Nicht nur ein einfacher Strich lässt sich trennen! Ebenso gut könnt ihr Muster auf euer Papier schreiben – oder mehrere Farben auf einem Streifen laufen lassen. Der Fantasie sind keine Grenzen gesetzt!
  4. Und was ist mit wasserfesten Tinten? Das Farbschreiben mit Wasser als “Antrieb” funktioniert nur mit wasserlöslichen Filzschreibern. Wasserfeste Tinten, zum Beispiel aus Permanent-Markern, CD-Schreibern und anderen Stiften, lösen sich wie die Blatt-Farbstoffe nur in passenden organischen Lösungsmitteln. Wenn ihr solche Tinten trennen möchtet, versucht es am besten mit Ethanol (Brennsprit, Spiritus) oder Aceton (z.B. aus dem Malerbedarf im Baumarkt). Fleckbenzin verdunstet sehr schnell und bringt zusätzliche Gefahren mit sich, weshalb es weniger Achtung! Organische Lösungsmittel sind leicht entzündlich! Niemals in der Nähe von offenem Feuer damit arbeiten!

Ich wünsche euch viel Spass beim Nachmachen – bringt Farbe in den grauen Winter! Und wenn ihr in der Deutschschweiz lebt und rollende Chemielabor hautnah erleben möchtet, findet ihr alle Informationen dazu in meiner Lernkiste!

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?

Der Winter ist da – und mit ihm eine spannende Gelegenheit für Naturforscher: Was ist eigentlich Schnee? Finde es selbst heraus – ein USB-Mikroskop am Laptop liefert die Antwort!

Dieser Artikel enthält Links aus dem Amazon-Partnerprogramm (gekennzeichnet mit (*)-(*) ) – euch kosten sie nichts, mir bringen sie vielleicht etwas für meine Arbeit ein. Das verwendete Mikroskop und der Molekülbaukasten sind Privatanschaffungen und gehören zu meinem persönlichen Inventar.

Dieser Beitrag ist Teil der Blogger-Aktion #vergisstmannicht !

“Die Inuit kennen 40 verschiedene Wörter für ‘Schnee'”, erklärt Smilla Jaspersen in dem Film “Fräulein Smillas Gespür für Schnee”. Diese Aussage hat einen Mythos geschaffen, welcher darin wurzelt, dass in den Inuit-Sprachen eine Unzahl verschiedener Vor- und Nachsilben an gerade einmal zwei Grundwörter gehängt werden können, um die verschiedenen Erscheinungsformen von Schnee zu beschreiben. Im Deutschen verwenden wir dafür zusammengesetzte Wörter: Papp- und Pulverschnee, Schneematsch – und schliesslich Schneeflocken.

All diese Wörter, ob Inuit oder Deutsch, beschreiben den weissen Stoff, der im Winter vom Himmel fällt und uns ebenso pulvrig weich wie eishart begegnen kann. Aber woraus besteht Schnee eigentlich? Klar – aus gefrorenem Wasser. Aber warum erscheint uns dieses gefrorene Wasser so anders als das massive, harte Eis, das beim Erstarren eines Gewässers entsteht?

Die Antwort findest du, wenn du dir Schnee einmal ganz aus der Nähe ansiehst – durch ein Mikroskop.

Dies ist ein Versuch für draussen – im Garten oder auf dem Balkon oder unterwegs während eines Winterspaziergangs, wenn du jemanden hast, der dein Equipment trägt!

 

Wetter- und andere notwendige Rahmenbedingungen

Schnee lässt sich nur im Winter mikroskopieren – wenn es welchen hat. Wer das Glück hat im Hochgebirge zu sein, findet dort auch in den Herbst und Frühling hinein mitunter Schnee.

Für die einfache Untersuchung von Schnee unter dem USB-Mikroskop ist Schneefall bei einer Lufttemperatur von 0°C oder besser etwas darunter optimal. Ein offener Unterstand (zum Beispiel der Balkon der Nachbarn oben, ein Vordach oder eine Schutzhütte für Wanderer) schützt die Elektronik und dich vor dem Eingeschneitwerden.

 

Geräte/Hilfsmittel

  • Kamera-Mikroskop mit USB-Kabel zum Anschluss an einen Computer ((*)eine grosse Auswahl gibt es zum Beispiel hier(*) )
  • Laptop mit USB-Port, Treibern zum Mikroskop sowie Software zur Bild- und optional Video-Erfassung
  • Petrischale oder Uhrglas
  • Dunkle Unterlage (wenn du ein Handmikroskop ohne eigene Auflagefläche für Objektträger benutzt)
  • Evtl. Spatel, flacher Löffelstiel oder/und Pinzette
  • Gefrierfach
  • Warme Kleidung, optional heisser Tee

 

Warum kein optisches Mikroskop?

Um Schneeflocken betrachten zu können, ohne dass sie sofort schmelzen, muss das Mikroskop auf den Gefrierpunkt (0°C) oder besser noch weiter abgekühlt werden. Glas, aus welchem die Linsen optischer Mikroskope bestehen, gerät durch starke Temperaturänderungen schnell unter Spannung und kann Risse bekommen oder brechen. Deshalb besteht die Gefahr, dass beim Abkühlen und Wiederaufwärmen eines optischen Mikroskops die Linsen beschädigt werden – das ist besonders dann ärgerlich, wenn es sich um ein teures Gerät handelt!

Wer dennoch mit einem optischen Mikroskop im Warmen arbeiten möchte, kann vorgekühlte Objektträger mit einem durchsichtigen, in der Kälte härtenden Lack bestreichen und Schneeflocken darauf fallen lassen. Nach dem Aushärten des Lacks kann der Abdruck der Flocken im Lack im Warmen mikroskopiert und dauerhaft aufbewahrt werden.

 

Anleitung (für das Vorgehen mit dem USB-Mikroskop)

Dieses Experiment muss gut vorbereitet werden. Wenn im Wetterbericht Kälte und Schneefall angekündigt werden, stelle das Mikroskop einige Stunden vor dem Experimentieren nach draussen unter einen Unterstand. Ich habe hierbei einen Baumwollbeutel über das Gerät gestülpt, um es vor Schneeverwehungen und all zu neugierigen Vögeln zu schützen. Lege die Petrischale, Spatel oder/und Pinzette in einer geschlossenen Gefrierdose zeitgleich ins Gefrierfach (ein gutes Gefrierfach kühlt auf bis zu -20°C, also in der Regel deutlich weiter als die Luft draussen, was sehr nützlich sein wird).

Wenn es dann schneit (oder ganz frischer Schnee gefallen ist), ziehe dich warm und baue den Laptop unter dem Unterstand auf. Hole die Dose mit den Werkzeugen aus dem Gefrierfach (öffne sie erst draussen in der Kälte, damit die Petrischale nicht beschlägt!).

Schalte das Mikroskop ein und starte die Software zur (Live-)Bild- oder/und Videoerfassung.

Ab jetzt sollte alles möglichst zügig gehen.

Halte die Petrischale mit zwei Fingern an den Rändern in den fallenden Schnee und fange ein paar Flocken. Wenn es nicht mehr schneit, kannst du mit dem Spatel oder der Pinzette vorsichtig ein paar frisch gefallene Flocken von der Umgebung (Boden, Pflanzen,…) in die Schale befördern.

Platziere die Schale unter dem Kameraobjektiv, wähle eine passende Vergrösserungsrate und stelle das Bild scharf. Mache nun zügig Aufnahmen von allen Ansichten, die dir gefallen. Dazu kannst du die Schale vorsichtig hin- und herschieben, drehen, oder zwischendurch neue Flocken fangen. Wenn du die Schale dabei mit der Pinzette greifst, wird sie weniger schnell warm, als wenn du sie mit der Hand berührst.

Petrischale mit Schneeflocken unter dem USB-Mikroskop

Petrischale mit Schneeflocken unter dem USB-Mikroskop

Die regelmässige Struktur der Schneekristalle ist am Rand einzelner Flocken, wo sich die Kristalle möglichst nicht überlappen, am klarsten sichtbar!

Unter dem Mikroskop: Schneeflocken bestehen aus sternförmigen Kristallen: Zu dicht beieinander erscheinen sie noch nicht ganz klar

Schneeflocken bestehen aus sternförmigen Kristallen: Zu dicht beieinander erscheinen sie noch nicht ganz klar

Mein Mikroskop hat einen drehbaren Objekt-Teller mit Motor und Beleuchtungsmöglichkeit von unten. Beides habe ich nicht genutzt und dennoch festgestellt, dass das Gerät im Betrieb genug Wärme abgibt, um die Schneeflocken nach wenigen Minuten zu schmelzen. Wenn du wie ich eine Software zur Videoerfassung hast, kannst du dies nutzen, um den Schmelzvorgang aufzuzeichnen.

 

Wissenswertes: Geheimnisse der Schneeflocken

Für die Jüngeren: Warum Schnee unter den Schuhen knirscht

Das Mikroskop enthüllt: Schneeflocken sind wunderschöne Sterne mit sechs Zacken – aus hartem, kaltem Eis! Und bis sich eine dicke Schneeschicht gebildet hat, sammeln sich sehr sehr viele dieser Sterne am Boden an. Dabei landen sie kreuz und quer aufeinander, wie sie gerade fallen, und werden von ihrem eigenen Gewicht ineinander geschoben.

Schnee-Kristall-Sterne unter dem Mikroskop zu einer Flocke verworren

Schneekristall-Sterne zu einer Flocke verworren

Hast du schon einmal genau zugehört, was passiert, wenn du viele Legosteine – oder die Schmucksterne vom Weihnachtsbaum – zusammen in eine flache Schachtel legst und mit der Hand hindurchstreichst? Es raschelt und klappert! Und wenn du ein wenig von oben darauf drückst (vorsichtig – du willst die Legos oder den Christbaumschmuck ja nicht kaputt machen!) – dann knirscht es, wenn die Teile aneinander reiben.

Schneeflocken zwar sehr viel kleiner, aber genauso fest wie Legosteine. So reiben auch sie aneinander, wenn man sie zusammendrückt. Ausserdem gehen sie – weil sie so klein sind – noch viel schneller als Legosteine kaputt, wenn man darauf tritt.

Die aneinander reibenden und zerbrechenden winzigen Schneekristalle unter unseren Schuhen sind also die Ursache für das herrliche Knirschen, wenn wir durch frischen Schnee laufen!

 

Für die Älteren: Kristallstruktur von Wasser

Die wunderschönen Schneekristalle, die das Mikroskop uns enthüllt, sind erstaunlich symmetrisch. Tatsächlich lassen sich durch einen perfekt geformte Schneestern drei Achsen legen, die den Kristall in sechs praktisch identische Teile zerlegen. Und jedes dieser Teile passt genau in einen Winkel von 60°! Dieser Winkel, oder auch sein Doppel, 120°, wiederholt sich ausserdem in der filigranen Struktur dieser Teile immer und immer wieder.

Schnee-Kristalle unter dem Mikroskop

Aber wie können aus flüssigem Wasser so unglaublich regelmässige Strukturen entstehen?

Von Molekülen zum Kristall

Schneekristalle bestehen aus Wassermolekülen: Zwei Wasserstoff-Atome sind in einem festgelegten Winkel zueinander an ein Sauerstoff-Atom gebunden. Alle drei Atome bilden ein Wassermolekül. Jedes Wasserstoff-Atom eines Wassermoleküls kann zudem eine weniger feste Bindung, eine “Wasserstoff-Brückenbindung” zu einem Sauerstoff-Atom eines anderen Wassermoleküls eingehen. Diese Wasserstoff-Brücken führen dazu, dass die Wassermoleküle in einem Eiskristall ganz bestimmte Plätze einnehmen und sich zu einem regelmässigen, sechseckigen Muster anordnen.

Wenn du einen (*)Molekülbaukasten(*) hast, kannst du dieses Muster – das Kristallgitter – nachbauen:

Jeder dieser Bausteine mit vier Enden (für Mathematik-Fans: die Enden sind weitestmöglich voneinander entfernt und weisen auf die Ecken eines Tetraeders) steht dabei für ein Wassermolekül mit dem Sauerstoff-Atom in der Mitte des Bausteins sowie zwei Wasserstoff-Atomen und zwei Ansatzstellen für Wasserstoff-Brücken, für welche die vier Enden stehen.

Wassermolekül-Baustein und Verbindungsstücke aus dem Molekülbaukasten

Wassermolekül-Baustein und Verbindungsstücke aus dem Molekülbaukasten

Jetzt brauchst du noch jede Menge Verbindungsstücke. Ihre Länge ist egal, doch sollten sie alle gleich lang sein. Mit den Verbindungsstücken kannst du nun die Wassermoleküle zu einem Eis-Kristallgitter zusammenfügen.

Molekülbaukasten: Modell eines Schnee-Kristalls aus 92 "Wassermolekülen" und 120 Verbindungsstücken

Dieses Modell besteht aus 92 “Wassermolekülen” und 120 Verbindungsstücken

Dieses Modell eines Eiskristalls ist ein Ausschnitt aus dem sehr viel grösseren Kristallgitter. An seiner Oberfläche sind überall freie Enden, an die du weitere Wassermoleküle anfügen könntest, so lange du Bausteine hast. Das symmetrische, sechseckige Muster mit seinen 60°- und 120°-Winkeln ist hier schon gut erkennbar.

Die Entstehung von Schneeflocken

In der Luft gibt es nicht nur Wasserdampf und feine Wassertröpfchen, die mitunter Wolken bilden, sondern auch sehr feine Staubkörnchen. Wird es in höheren, wasserhaltigen Luftschichten sehr kalt – mindestens -12°C – schlagen sich Wassermoleküle an der Oberfläche solcher Staubkörnchen nieder und fügen sich zu einem Eis-Kristallgitter wie im Modell oben zusammen.

So kommen viele Wassermoleküle auf engem Raum zusammen: Der noch kleine Eiskristall wird für seine Grösse schwer (“er hat eine hohe Dichte”) und beginnt in Richtung Erde zu fallen. Währenddessen werden an die freien “Enden” der Moleküle an der Kristalloberfläche laufend weitere Wassermoleküle angebaut. In welche Richtungen der Anbau verläuft,  hängt von den Eigenschaften der direkten Umgebung des Kristalls ab: Temperatur, Luftströmungen, die Menge vorhandener Wassermoleküle und viele mehr. Und die sind auf allen Seiten eines bestimmten vereisten Staubkorns gleich – für jede Schneeflocke im wilden Durcheinander der Luft jedoch ein wenig anders.

Schneeflocken wachsen also ausgehend von einem Staubkorn von innen nach aussen. Hier findest du faszinierende Videoaufnahmen vom Wachstum von Schneekristallen.

So wächst jede Schneeflocke von “ihrem” Staubkorn aus in jede Richtung in der gleichen Weise. Dafür ist es praktisch unmöglich, zwei Schnee-Kristalle zu finden, die sich vollkommen gleichen. Nur die durch das Kristallgitter vorgegebenen Winkel von 60° und 120° finden sich in jeder Schneeflocke wieder. Wenn dann noch mehrere Kristalle ineinander und zusammen wachsen, können schöne Flocken entstehen, die mehrere Zentimeter gross sind.

Die klarsten Bilder einzelner Schnee-Kristalle lassen sich jedoch von kleineren, möglichst wenig verwachsenen Flocken gewinnen.

Und hast du schon einmal Schnee unter dem Mikroskop betrachtet? Oder hast du vor, es zu probieren? Welche Erfahrungen hast du gemacht?

Dieser Beitrag füllt das Türchen Nr. 19 im Blogger-Adventskalender auf apfelwiebirne.de !

Weihnachten rückt immer näher, und die Welt ist angefüllt mit festlichem Schmuck und unzähligen Lichtern. Besonders am Weihnachtsbaum darf dabei ein klassisches Accessoire nicht fehlen: Die spiegelnd glänzenden Christbaumkugeln. Heutzutage gibt es sie in unzähligen Ausführungen und Materialien, doch am edelsten sind in meinen Augen immernoch schlichte Kugeln aus hauchdünnem Glas, in deren metallisch glänzender Oberfläche man sich spiegeln kann.

Doch wie kommen die zarten Glaskugeln zu ihrem Spiegelglanz? Damit hat sich auch Sandra Morgenstern auf Chemie-Azubi.de beschäftigt und mich zu diesem Experiment inspiriert…. Normalerweise ist Glas schliesslich durchsichtig… Tatsächlich sorgt eine Metallschicht, genauer gesagt eine Schicht aus metallischem Silber, für den Spiegelglanz der Christbaumkugeln. Wie man solch einen Silberspiegel erzeugt und in die Kugeln hinein- oder von aussen darauf bekommt, kannst du mit diesem Experiment selbst ausprobieren.

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Achtung! Zur Herstellung eines “Silberspiegels” werden Silbernitrat und andere ätzende Chemikalien benötigt!

Silbernitrat ist eine gefährliche Chemikalie der Gruppe 2 im Sinne des Schweizer Chemikalienrechts, denn es ist ätzend und kann schwere Haut- und Augenschäden verursachen. Auch Natronlauge und Ammoniak-Lösung wirken ätzend.

Dieses Experiment kann in passender Umgebung zu Hause durchgeführt werden, empfehlenswerter ist jedoch die Durchführung in einem Labor. Experimentiert, wenn ihr keine Erfahrung im Umgang mit ätzenden Chemikalien habt, in jedem Fall gemeinsam mit jemandem, der sich damit auskennt!

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Wie das Silber in die Kugel kommt

Normalerweise sind Metalle bei Raumtemperatur Feststoffe (das einzige bei Raumtemperatur grundsätzlich flüssige Metall ist das giftige Quecksilber). Das heisst, sie sind mehr oder weniger (reines Silber eher mehr) weich und formbar, aber immernoch fest und nicht freiwillig dazu bereit, sich auf einer Glasfläche zu einer dünnen Schicht zu verteilen.

Da Quecksilber zur Verwendung als Weihnachtsdekoration zu giftig ist, läge es daher nahe, ein weniger giftiges und zudem reaktionsträges, glänzendes Metall – wie zum Beispiel Silber – zu schmelzen und als Anstrich zu verwenden. Unglücklicherweise liegt der Schmelzpunkt der allermeisten Metalle sehr hoch (der Schmelzpunkt von Silber beträgt 961,9°C !), sodass bei dem Versuch, Glas mit geschmolzenem Silber zu überziehen, unweigerlich auch das Glas schmelzen und von einer Christbaumkugel nicht viel übrig bliebe.

Deshalb muss ein Weg gewählt werden, auf dem Silber-Atome bei moderateren Temperaturen zu einem Teil einer Flüssigkeit werden können. Das bekommt man hin, wenn man eine Lösung von Silber-Ionen (also elektrisch geladenen Silber-Atomen) in Wasser verwendet. Man löst also ein Salz, das Silberionen enthält, in Wasser auf und erhält so eine silberhaltige Flüssigkeit… wenn man denn ein wasserlösliches Silbersalz findet. Denn Silberionen bilden mit fast allen möglichen Gegenionen in Wasser äusserst schwerlösliche Salze – ausser mit dem einen Gegenion, das praktisch immer geht: Dem Nitrat-Ion. Die Nitrate praktisch aller Metalle zeichnen sich nämlich durch ihre Wasserlöslichkeit aus – so auch das Silbernitrat .

So führt trotz einiger unangenehmer Eigenschaften von Nitrat-Ionen – sie bekommen Wasser- und Bodenorganismen überhaupt nicht gut und können sich in (heissem) Wasser zu giftigem Stickstoffdioxid zersetzen – beim Versilbern von Christbaumkugeln kein Weg am Silbernitrat vorbei.

Eine Silbernitratlösung kann schliesslich durch eine kleine Öffnung in eine Glaskugel eingebracht werden. Danach müssen die Silber-Ionen jedoch zu ungeladenen Silber-Atomen werden, denn nur die lagern sich zu dem bekannten Metall mit seinem typischen Glanz zusammen. Im Gegensatz zu einem ungeladenen Silber-Atom fehlt einem Silber-Ion ein negativ geladenes Elektron (sodass das Ion aufgrund seiner unvollständig ausgeglichenen Kernladung einfach positiv geladen ist), sodass die Silber-Ionen mit jeweils einem zusätzlichen Elektron ausgestattet (“reduziert”) werden müssen.

Eine chemische Reaktion, die das möglich macht, nennt sich Redox-Reaktion (mehr zu solchen Reaktionen erfahrt ihr hier auf der Grillparty). Eine Gruppe von Stoffen, die den Silber-Ionen zusätzliche Elektronen “spenden” können (und dabei “oxidiert” werden), sind die Aldehyde, eine bestimmte Klasse organischer Verbindungen. Absolut harmlose Vertreter dieser Stoffgruppe sind Zucker, wie zum Beispiel Glucose (auch bekannt als “Traubenzucker”), die sich ebenfalls gut in Wasser löst.

Die Reduktion von Silberionen durch Glucose läuft in alkalischer Umgebung, das heisst, bei einem hohem pH-Wert, ab. Der kann durch Zugabe von Natronlauge oder einer anderen alkalischen Lösung einfach erreicht werden. Bei hohem pH-Wert reagieren jedoch die Silberionen zu nurmehr schwer in Wasser löslichem Silberhydroxid (AgOH), das als weisser Feststoff im Gefäss mit der Lösung absinkt. Deshalb muss ein Trick angewendet werden: Gibt man Ammoniak-Lösung ( in Wasser) in die Silberlösung, gehen je zwei Ammoniak-Moleküle mit einem Silberion eine sogenannte Komplex-Verbindung (“Diamminsilber-Ion” genannt) ein, die auch bei hohem pH-Wert in Wasser löslich ist und ebenfalls mit Hilfe von Glucose reduziert werden kann.

Sind eine alkalische Diamminsilber- und eine Glucoselösung erst einmal in einer Glaskugel, kann die Reaktion durch moderate Wärmezufuhr (z.B. im Wasserbad ab ca. 70°C) gestartet bzw. vorangetrieben werden. Die reduzierten, metallischen Silberatome “fallen” dabei aus der Lösung “aus” und lagern sich sich Atom für Atom an der Glasinnenfläche ab, bis eine spiegelnd glänzende Schicht entstanden ist!

 

Material

Arbeitsplatz und Schutzkleidung

Wenn der Versuch zu Hause durchgeführt werden soll, arbeitet – vornehmlich der Ammoniak-Dämpfe wegen – im Freien! Im Labor eigentlich sich ein Arbeitsplatz mit geeignetem Abzug (“Kapelle”). Führt den Versuch nicht in der Küche (auch nicht mit Dunstabzugshaube) durch, denn wo Lebensmittel zubereitet werden, haben Labor-Chemikalien nichts verloren!

Tragt beim Experimentieren stets lange Hosen, geschlossene Schuhe und einen Kittel oder andere Baumwollkleidung, die fleckig oder beschädigt werden darf, dazu – insbesondere beim Umgang mit ätzenden Stoffen – eine Schutzbrille.

Silbernitrat macht gelbe oder schlimmstenfalls schwarze Flecken auf der Haut, die ungefährlich sind, aber unschön aussehen und erst nach Tagen oder Wochen verblassen! Deshalb empfehle ich die Verwendung von Einmal-Handschuhen beim Umgang mit Silbernitrat.

Silbernitrat ist ausserdem sehr gefährlich für Wasserorganismen! Deshalb dürfen Reste des Salzes und silbernitrathaltiger Lösungen nicht ins Abwasser bzw. den Hausmüll entsorgt werden! Sammelt Reste der Lösungen in einer braunen Glasflasche und bringt sie in eine Sammelstelle für Chemikalienabfälle (“Sondermüll”)!

Zubehör zum Silberspiegel-Experiment

Die wichtigsten Hilfsmittel für den Versuch: Alter Stahlkochtopf auf einem Fondue-Brenner, Einmalhandschuhe, destillatgleiches Wasser aus dem Supermarkt, Ammoniak und Natronlauge aus einem alten Chemiebaukasten, Dextrose-Tabletten, Porzellanschale zum Zermahlen, Pipetten aus der Drogerie, Erlenmeyerkolben für die Silbersalz-Lösung (reaktive Chemikalien immer in Glasgefässe geben – Kunststoff hält nicht alles aus!), Plastikbecher für die Glucoselösung – Greifzange und Silbernitrat fehlen hier noch!

Geräte und Chemikalien

  • Durchsichtige Christbaumkugel aus Glas oder Glasgefäss mit Öffnung (bei vielen Glaskugeln verbirgt sich unter dem Aufhänger eine Öffnung!)
  • Heizgerät (elektrische Heizplatte, Spiritus- oder Gasbrenner), ggfs. Feuerzeug/Streichhölzer
  • Dreifuss oder andere Vorrichtung zum Kochen (sofern nicht Teil des Heizgeräts)
  • Topf mit Leitungswasser
  • 2 Bechergläser (oder andere Chemikaliengefässe zum Ansetzen von Lösungen)
  • 2 Pasteur-Pipetten oder Spritzen
  • Reagenzglas-Klemme oder Greifzange
  • Einmal-Handschuhe
  • Schutzbrille

 

  • Silbernitrat (Lösung 0,1M) 
  • Glucose (Lösung gesättigt, 10%), zum Beispiel aus “Dextrose”-Tabletten
  • verdünnte Natronlauge 
  • Ammoniaklösung (3,5%) 
  • Destilliertes (oder entionisiertes, d.h. “destillatgleiches”) Wasser

Versuchsanleitung

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Vorweg eine Grundregel für die Verwendung gefährlicher Chemikalien: Verwendet stets kleinstmögliche Mengen, sodass möglichst wenig Abfall entsteht!
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Durchsichtige Christbaumkugeln

Zwei durchsichtige Glaskugeln – gekauft mit Dekor-Farbe, die aber siedendem Wasser nicht unbedingt standhält!

 

Die folgenden Mengenangaben genügen zum Verspiegeln von ein bis zwei Kugeln (Durchmesser ca. 7cm)-

  1. Stelle eine gesättigte Glucose-Lösung her: Wiege bei Raumtemperatur in einem Becherglas 25g Glucose ab und gib 50ml destilliertes Wasser hinzu. Gut umrühren! Ein kleiner Rest der Glucose bleibt gewöhnlich ungelöst am Gefässboden zurück.
    Dextrose-Tabletten lösen sich meiner Erfahrung nach schlechter, eigenen sich aber genauso für den Versuch: Zerstampfe zwei Tabletten zu Pulver und gib 50ml destilliertes Wasser hinzu. Gut umrühren, bis sich ein Grossteil des Pulvers gelöst hat!
  2. Trage ab jetzt Handschuhe: Stelle in einem weiteren Becherglas eine Silbernitrat-Lösung her: Wiege 0,5g Silbernitrat ab (entspricht einer Spatel- bzw. Messerspitze, falls du keine Feinwaage zur Hand hast) und gib 30ml destilliertes Wasser hinzu. Diese Lösung kann in einer braunen Flasche aufbewahrt werden.
  3. Bereite eine Diamminsilber-Lösung vor: Fülle so viel Silbernitrat-Lösung ab, wie du heute zum Verspiegeln brauchst (diese Lösung darf nicht aufbewahrt werden!). Gib mit einer Pasteur-Pipette verdünnte Natronlauge hinzu, bis graubraunes Silberhydroxid die Lösung trübt. Dann tropfe Ammoniak-Lösung (nicht einatmen, draussen arbeiten!) hinzu, bis sich die Trübung vollständig auflöst. Gut umrühren oder schwenken, damit sich alles gut vermischt!
  4. Heize das Leitungswasser im Topf auf 70 – 100°C (also beinahe oder leicht kochend).
  5. Löse inzwischen den Aufhänger der zu verspiegelnden Glaskugel und gib erst 30ml Diammin-Silber-Lösung, dann ca. 20ml Glucoselösung in die Kugel. Wenn du kein Becherglas mit Giesse hast, verwende eine Pipette oder eine Spritze zum sauberen Einfüllen. Setze den Aufhänger anschliessend wieder auf die Kugel.

    Alles bereit für den Silberspiegel

    Glaskugel ohne Verschluss (liegt daneben) – die Porzellanschale passt zufällig auch als Halterung – Glucose und Silbersalzlösung stehen bereit

  6. Greife den Hals der Kugel mit der Reagenzglasklemme oder der Greifzange und tauche sie tief in das vorgeheizte Wasser im Topf. Schwenke die Kugel fortlaufend hin und her, damit die Lösung darin sich auf die gesamte Innenfläche verteilen kann. Achte darauf, dass keine Lösung aus der Kugel in das Wasserbad gerät! Wenn das geschieht (das Wasserbard wird in diesem Fall schwarz werden!), darf das Wasserbad nicht mehr in den Ausguss entsorgt werden!
    Christbaumkugel selbst verspiegeln

    Die (noch klare) Reaktionslösung ist in der Kugel, die Kugel wird in das Wasserbad getaucht. Wenn das Wasser wirklich heiss ist, die Kugel nicht mit der blossen Hand halten!

    Die Lösung in der Kugel wird in der Hitze dunkel werden, und innerhalb einiger Minuten wird die Kugelinnenfläche sich erst graugrün trüben, ehe die Fläche silbern metallisch zu spiegeln beginnt!

  7. Hebe die verspiegelte Kugel aus dem Wasserbad und lasse sie auf einem alten Handtuch (im Labor: auf einem Korkring) abkühlen. Dann öffne den Aufhänger erneut und giesse die Lösung aus der Kugel in ein Becherglas (Achtung, dieses kann auch verspiegelt werden!) oder in eine weitere Kugel, mit der du nach Zugabe neuer Glucoselösung wie mit der ersten verfährst.

 

Was in der Kugel im Einzelnen geschieht:

Silbernitrat ist Salz, besteht also aus Kristallen, die sich wiederum aus Ionen zusammensetzen, die sich säuberlich geordnet zu einem Festkörper zusammengelagert haben. Beim Auflösen in Wasser werden diese Ionen voneinander getrennt: (Gleichgewichtsgleichungen!)

Gibt man Natronlauge () (oder eine andere Base) hinzu, gelangen -Ionen in die Lösung, die sich mit Silberionen zu schwerlöslichem Silberhydroxid (AgOH) zusammenlagern:

Des weiteren zugefügte Ammoniak-Moleküle führen zur Enstehung von Diamminsilber-Ionen:

Da es sich bei den Reaktionen zum dynamische Gleichgewichte handelt, führt der Verbrauch von Silberionen für Reaktion (3) dazu, dass Reaktion (2) rückwärts läuft, um den Verbrauch auszugleichen: Das Silberhydroxid löst sich wieder auf (Monsieur Le Châtelier erklärt das Geheimnis des chemischen Gleichgewichts auf dem Flughafen genauer).

Gibt man Glucose zu einer Lösung mit – und Silber-Ionen, wird die Glucose () zu Gluconsäure () oxidiert. Dabei gibt ein Glucose-Molekül zwei Elektronen () ab:

Diese Elektronen werden von Silber-Ionen aufgenommen, welche auf diese Weise reduziert werden:

Jedes Glucose-Molekül kann also zwei wasserunlösliche Silber-Atome erzeugen, die sich fein verteilt irgendwo aus der Lösung absetzen:

Schwenkt man die Lösung in einem Glasgefäss bzw. einer Christbaumkugel, während die Reaktion abläuft, verteilen sich die Silberatome somit gleichmässig auf der Glasoberfläche, sodass das Glas mit einer Spiegelfläche überzogen wird.

Christbaumkugel mit und ohne Silberspiegel

Links die unbehandelte Ersatzkugel, rechts die verspiegelte Kugel!

Silberspiegel von aussen und als Tollens-Probe

Anstatt das Reaktionsgemisch in die Kugel zu geben, könnte man auch eine grössere Menge davon herstellen und die Kugeln hineintauchen. So würde ein Silberspiegel auf der Kugelaussenseite entstehen. In der Industrie bietet sich das auch an, weil sich das Eintauchen leichter automatisieren lässt. Angesichts der ätzenden und umweltgiftigen Wirkung der verwendeten Chemikalien ist das Verspiegeln von innen im Heimlabor jedoch sparsamer und sicherer.

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Denn: Je weniger gefährliche Chemikalien wir verwenden, desto weniger müssen wir entsorgen!
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Die Erzeugung eines Silberspiegels wurde früher – und heute häufig zur Demonstration im Schulunterricht – auch als Nachweis für die als Reaktionspartner notwendigen Aldehyde verwendet. In diesem Zusammenhang wird die Reaktion dann “Tollensprobe” und die alkalische Diamminsilber-Lösung “Tollens Reagenz” genannt – beides nach dem Agrikulturchemiker Bernhard Tollens, der sich seinerzeit mit der Chemie von Zuckern – also Aldehyden – beschäftigte.

 

Entsorgung von Chemikalienresten

Festes Silbernitrat und ammoniakfreie (!) Silbernitratlösung können im geschlossenen Originalbehälter fern von Kinderhänden und Licht langfristig aufbewahrt werden.

Sobald eine Silbernitrat-Lösung Ammoniak enthält, muss sie umgehend (das heisst im Verlauf des Versuchs, zu dem sie angesetzt wurde) vollständig zur Reaktion gebracht werden! Verwende die Lösung also munter für mehrere Kugeln, bis sich kein Silber mehr absetzt und gib zum Schluss noch einmal reichlich Glucose dazu, damit sicher alles reduziert ist.

Aus einer Diamminsilber-Lösung kann beim Eintrocknen nämlich Silbernitrid () entstehen – ein Salz, das bei grober Handhabung (z.B. beim Aufschrauben eines damit verkrusteten Flaschendeckels) schnell und heftig explodieren kann!

Sammelt schliesslich alle Restlösungen in braunen Flaschen – dabei darf das vollständig reduzierte verbrauchte Reaktionsgemisch nicht mit Silbernitratresten vermischt werden, denn es kann immernoch Ammoniak enthalten! – und bringt sie zur Chemikalienabfall- (Sondermüll-) Sammelstelle!

Wer im Labor einen Abzug mit geeigneter Filteranlage zur Verfügung hat, kann die Reste der Lösungen nach der Reduktion des Diamminsilbers im geschlossenen Abzug eindampfen und die Rückstände im Behälter für feste Schwermetall-Abfälle entsorgen.

Und habt ihr schon einmal Christbaumkugeln verspiegelt? Die Tollens-Probe in anderem Zusammenhang gemacht? Oder sogar diese Versuchsanleitung ausprobiert?