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DIY Taschenwärmer mit Natriumacetat

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

Ihr braucht dazu

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

Das braucht ihr für einen DIY Taschenwärmer

Wie ihr einen Taschenwärmer herstellt

Zuerst müsst ihr Natriumacetat herstellen

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

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

Essig und Soda für den Handwärmer

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

 

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

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

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

Natriumacetat-Lösung auf dem Herd

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

 

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

Natriumacetat nach dem Abdampfen

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

 

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

Natriumacetat im Ofen

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

Bereitet jetzt die Füllung für den Taschenwärmer vor

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

Das mittlere Teil kommt in den Taschenwärmer.

Das mittlere Teil kommt in den Taschenwärmer.

 

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

Natriumacetat löst sich in heissem Wasser.

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

 

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

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

Jetzt könnt ihr euren Taschenwärmer füllen und benutzen

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

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

Handwärmer in Aktion

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

 

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

Ihr könnt diesen Taschenwärmer ausserdem beliebig wiederverwenden:

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

Was passiert da?

…Bei der Herstellung von Natriumacetat

Der Taschenwärmer-Trick funktioniert mit einem ganz besonderen Salz, das ihr aus Essigsäure (CH3COOH) und Natriumcarbonat (, Soda) herstellen könnt. Essig ist eine Säure, Natriumcarbonat hingegen eine Base. Beide reagieren miteinander, indem sie sich neutralisieren. Das heisst, aus einer relativ starken Säure und Base entstehen sehr viel schwächer saure und basische Stoffe:

Kohlensäure () ist nicht nur eine sehr schwache Säure, sondern zerfällt zudem leicht in Kohlenstoffdioxid und Wasser:

Das Gas Kohlenstoffdioxid steigt aus der Lösung auf (Deswegen schäumt das Ganze so. Ausserdem ist dieses Gas ein prima Treibstoff für viele andere spektakuläre Experimente!). So erhaltet ihr eine Lösung, die ausschliesslich Natrium ()- und Acetat ()-Ionen enthält. Wenn ihr nun das Wasser einkocht und trocknet, bleibt das feste Salz Natriumacetat übrig:

Warum Natriumacetat “auf Kommando” fest wird

In warmem Wasser löst sich mehr von einem Stoff als in kaltem Wasser. Das gilt auch für Natriumacetat. Deswegen macht ihr das Wasser so heiss wie möglich, um möglichst viel Natriumacetat in sehr wenig Wasser aufzulösen.

Wenn solch eine heisse Lösung abkühlt, “vergisst” das Natriumacetat leicht, dass es fest werden sollte. So bleibt auch in kaltem Wasser mehr gelöst, als “erlaubt” ist. Die Chemiker nennen so etwas eine übersättigte Lösung. Und diese spezielle übersättigte Lösung kann man auch als unterkühlte Schmelze ansehen – denn wenn ihr euren Taschenwärmer genau anseht, nachdem er seine Wärme angegeben hat, werdet ihr feststellen, dass von dem Wasser darin nicht mehr viel zu sehen ist: Nahezu der ganze Inhalt ist zu Kristallen erstarrt!

Ob übersättigte Natriumacetat-Lösung  oder unterkühlte Natriumacetat-Schmelze: Das Ganz ist sehr empfindlich. Ein “Tritt in den Hintern” durch das Knicken des Plättchens oder in der Lösung herumwirbelnde Schwebstoffe oder ein winzigkleiner Natriumacetat-Kristall genügen, um das Salz daran “zu erinnern”, dass es fest zu werden hat. Deshalb muss das Gefäss, indem die Natriumacetat-Lösung abkühlt, so vollkommen sauber sein.

Ansonsten – oder wenn ihr den Prozess durch das Knicken des Metallplättchens gezielt auslöst – geschieht folgendes:

 

Das heisst, das Wasser, das euch anfangs als Lösungsmittel gedient hat, wird grösstenteils in die Natriumacetat-Kristalle eingebaut. Die Kristalle enthalten also Kristallwasser! Der Stoff rechts vom Reaktionspfeil heisst deshalb korrekterweise “Natriumacetat-Trihydrat”.

Und nun der Trick: Woher die Wärme kommt

Der Umstand, dass es sich bei der Natriumacetat-Lösung in eurem Taschenwärmer eigentlich um eine Schmelze handelt, macht den Trick mit der Wärme möglich: Wie ihr auch an Wasser überprüfen könnt, wird zum Schmelzen Energie – die sogenannte Schmelzwärme – benötigt, die anschliessend der Schmelze innewohnt.

Das gilt auch für eine Natriumacetat-Schmelze, die auf Umwegen, nämlich durch das Auflösen von Natriumacetat in wenig Wasser, entsteht: Die Wärme wird dabei aus der Herdplatte bzw. dem kochenden Wasser in der Lösung “entnommen” und in der Schmelze gespeichert (d.h. ohne Herdplatte würde das Wasser durch das Auflösen des Natriumacetats abkühlen!). Das heisst, diese Energie verbleibt in der Schmelze auch dann verborgen, wenn sie abkühlt. Erst wenn die unterkühlte Schmelze wieder “auf Kommando” fest wird, wird diese Energie wieder abgegeben – und eure Hände werden warm!

Ich wünsche euch damit einen warmen Start in die kälteste Woche dieses Winters! Und verratet uns doch: Was tut ihr, um euch warm zu halten?

gefrorenes Wasser : Das Glas wird voller

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

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

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

Ihr braucht dazu

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

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

Wie ihr das Experiment durchführt

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

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

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

Was ihr beobachten könnt

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

Dichteanomalie sichtbar gemacht: Das Wasser ist gewachsen!

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

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Wie kann Wasser wachsen, wenn es friert?

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

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

Wasser verhält sich nicht “ganz normal”

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

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

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

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

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

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

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

Dichte – und warum Teiche stets von oben zufrieren

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

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

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

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

Warum Eis schwimmt

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

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

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

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

Warum Teiche von oben einfrieren

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

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

Wasser im Teich nach Dichte sortiert

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

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

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

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

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

Eis und heiss: Erforsche die Schmelzwärme

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

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

 

Ihr braucht dazu

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

 

Wie ihr das Experiment durchführt

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

 

Was ihr beobachten könnt

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

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

Was passiert da?

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

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

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

 

Wie ihr noch weiter forschen könnt

Die Schmelzwärme lässt sich wieder freisetzen

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

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

Verdampfungswärme: Das Gleiche “in Grün”

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

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

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

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

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

DIY Schneekugeln mit Benzoesäure

Ich freue mich, dass die Schneekugeln ab sofort auch im Ackermann-Magazin als eine der fünf kreativsten Weihnachts-Geschenkideen zu finden sind!

Advent mit Mikki und ihren 15 Engeln. Fabienne ist eben fertig mit ihren jüngsten Kreationen (hier findet ihr ihr Türchen Nr. 22), und eigentlich sind alle bereit für ein rauschendes Weihnachtsfest. Doch was alle nicht wissen ist, dass ich noch eine kleine Überraschung im Ärmel habe…

23. Dezember – Keinsteins Kiste

Klingeling! Schon wieder!? Klar natürlich, das ist unser letzter Gast, der die Weihnachtsvorfreude noch mehr aufkommen lässt! Das Buch von Evi wird zugeklappt, denn für sie ist es Zeit, uns zu verlassen und zu ihrer Familie zu gehen, der Haarspary von Fabienne hört auf zu sprühen und wie eine wild gewordene Bande stürmen wir auf Kathi zu, um sie herzlichst bei uns zu begrüssen.

Wenn du Kathi kennen würdest, dann wüsstest du, auf was wir uns schon ganz gespannt freuen. Sie ist nämlich unsere Expertin in Sachen Experimente, und genau solch eines hat sie uns mitgebracht!

Brav die Brille aufgesetzt schauen wir ihr zu, wie sie verschiedenste Dinge miteinander vermischt, in eine Kugel füllt, diese zuschliesst und… Okay, nein, nicht ganz. Explodiert ist nichts. Aber gemäss unseren Gesichtsausdrücken ist ganz was Spannendes passiert. Wenn man die Kugel jetzt nämlich schüttelt, so schneit es darin, wie eben in einer Schneekugel. Zauberhauft, nicht wahr!?

Ihr möchtet mit uns basteln und ein selbstgemachtes Geschenk für eure Lieben mit einem einfachen Chemie-Experiment verbinden? Dann lest euch die folgende Anleitung (Anne Marie Helmenstine von ThoughCo hat mich übrigens dazu inspiriert) gut durch und legt los!

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Was ihr für eine Schneekugel braucht

  • Ein Einmachglas mit Schraubdeckel
  • Benzoesäure (ein Feststoff aus kleinen Kristallen, den ihr in der Drogerie (Schweiz!) oder Apotheke bestellen könnt)
  • Wasser
  • Einen Kunststoffbehälter zum Anrühren
  • Einen Wasserkocher oder eine Herdplatte samt Kochtopf oder Teekessel
  • Wasserfeste Dekoration, zum Beispiel eine Gipsfigur (ggfs. vorher anmalen und durchtrocknen lassen!)
  • Sockel aus Styropor o.Ä. (schneidet oder sägt aus einem Styropor-Verpackungsrest einen flachen Zylinder, der den Deckel eures Einmachglases füllt, dabei aber Platz für das Schraubgewinde des Glases lässt!)
  • Heissklebepistole
  • Schutzbrille
  • einen Teller oder ein Tablett mit Rand
  • Optional: Bastelfreudige Mitforscherinnen wie Sarah und Fabienne

Die Zutaten für die DIY-Schneekugeln

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Wichtig: Benzoesäure ist nicht sehr giftig (sie wird in kleinen Mengen als Lebensmittelzusatz verwendet), kann aber die Augen und zuweilen auch die Haut reizen. Sarahs und Kathis Augen sind durch die Brillen teilweise davor geschützt. Besser macht ihr es so wie Fabienne und tragt beim Arbeiten mit Benzoesäure eine Schutzbrille!

So ist es richtig: Tragt beim Arbeiten mit Benzoesäure eine Schutzbrille!

Fabienne macht es vor: So sind die Augen gut geschützt!

Wenn ihr ganz sicher gehen möchtet, könnt ihr ausserdem Einmal-Handschuhe tragen (Chemiker empfehlen die Blauen aus Nitrilkautschuk). Die Benzoesäure-Lösung, die wir beim Schneekugel-Basteln verwenden, ist jedoch so stark verdünnt, dass sie unserer Haut nichts anhaben konnte. Deshalb haben wir uns die Handschuhe gespart.

Aufessen solltet ihr die feste Benzoesäure allerdings nicht – und ebenso wenig die Lösung trinken, denn davon würde euch furchtbar übel. Haltet die feste Benzoesäure und die Lösung deshalb von kleinen Kindern fern!

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Wie ihr die Schneekugeln basteln könnt

  1. Erhitzt etwas mehr Wasser, als in euer Einmachglas hineingeht, zum Sieden. Das Glas soll später bis zum Rand gefüllt werden – das ist etwas mehr als das darauf angegebene Volumen. Ausserdem habt ihr so eine Reserve, falls mal ein wenig Wasser daneben geht. Am schnellsten wird das Wasser in einem Schnellkocher, wie Kathi ihn verwendet, heiss. Sobald das Wasser gerade nicht mehr kocht, giesst es in einen Kunststoff-Behälter. Kathi verwendet dafür einen Messbecher mit weiter Öffnung.        Heisses Wasser im Messbecher
  2. Löst ca. 1g Benzoesäure in je 150ml heissem Wasser (also gut 3g in 500ml und so fort). Rührt gut um, bis sich das Kristall”pulver” möglichst vollständig aufgelöst hat. Das kann unter Umständen ein paar Minuten dauern.  Umrühren, bis die Benzoesäure gelöst ist
  3. Wichtig: Lasst die Lösung nun einfach bei Raumtemperatur stehen, damit sie langsam abkühlen kann. Werdet dabei nicht wie Sarah ungeduldig! Denn wenn die Lösung zu schnell abkühlt, erhaltet ihr womöglich mehr Klumpen als feine Schneekristalle!

    Nicht ungeduldig sein! Sonst gibt es Klumpen statt Schnee für die Schneekugeln

    Nicht so ungeduldig, Sarah! An der kalten Luft kristallisiert unser “Schnee” zu schnell!

Die Zeit, bis die Lösung abgekühlt ist, könnt ihr jedoch sinnvoll nutzen:

  1. Wärmt eure Heissklebepistole auf und leimt den Styropor-Sockel in den Deckel zum Einmachglas. Achtet dabei darauf, dass der Deckel sich nachher noch auf das Glas schrauben lässt! Ihr könnt auch Sekundenkleber (eine für Styropor geeignete Sorte) benutzen. Dann müsst ihr die Klebe-Arbeiten allerdings einen Tag vor dem Anrühren der Benzoesäure erledigen, damit der Klebstoff vollständig durchtrocknen kann (sonst löst er sich beim Einfüllen der Lösung schlimmstenfalls auf!).

    Der Sockel macht die Deko in der Schneekugel gut sichtbar!

    Genau, Fabienne! Das Styropor-Stück ist genau so zugeschnitten, dass es in den Deckel passt und Platz für das Glasgewinde lässt. Und den kleinen Engel sieht man darauf erst richtig gut!

  2. Leimt eure Dekoration auf den Sockel im Deckel. Auch nach diesem Schritt muss sich der Deckel noch aufs Glas schrauben lassen. Unsere Gips-Engel bekommen wir mit etwas Geschick noch so gerade durch die Glasöffnung. Und dank des Sockels kann man sie später auch im geschlossenen Glas gut sehen.

    Die Deko-Engel sitzen fest im Deckel der Schneekugeln

    Jetzt noch die Deko-Engel festleimen. Dabei hilft Fabienne gerne mit. Passt nur auf, dass die Gläser sich nachher noch zuschrauben lassen!

Wenn die Lösung und euer Heisskleber abgekühlt sind, geht es weiter:

  1. Falls noch kein Schnee zu sehen ist, nachdem eure Benzoesäure-Lösung auf Raumtemperatur abgekühlt ist, rührt einfach noch einmal um. Das Eintauchen des Rührstabs oder Löffels oder/und die Bewegung im Wasser bringen die verzögerte Kristallisation in Gang – und ihr erhaltet feine, funkelnde “Schneeflocken”, die euch bei Raumtemperatur erhalten bleiben!
  2. Stellt das offene Einmachglas in einen Teller oder auf ein Tablett mit Rand. Rührt noch einmal kräftig, um die Schneeflocken im Wasser aufzuwirbeln, und füllt das Ganze zügig in euer Einmachglas um.  Nach dem Abkühlen: Der Benzoesäure-Schnee wird in die Gläser gefüllt Füllt dann das Glas bis zum Rand mit (raumwarmem) Wasser auf. Bis zum Rand mit Wasser auffüllen, damit keine Luft in den Schneekugeln bleibt! In heissem Wasser könnten sich die Schneeflocken wieder auflösen. Doch das Wasser in Kathis Schnellkocher ist inzwischen auch abgekühlt.
  3. Schraubt den Deckel samit Dekoration auf das volle Glas. Die Flüssigkeit wird dabei überlaufen (der Teller bzw. das Tablett fängt sie auf!). Achtet dabei darauf, dass möglichst keine Luftblasen im Glas bleiben. Schraubt das Glas sorgfältig zu, damit kein Wasser mehr hinaus kann!      Jetzt vorsichtig zuschrauben...
  4. Trocknet das Glas mit einem Papiertuch ab. Kehrt es um und stellt es auf den Deckel: Fertig ist eure selbstgemachte Schneekugel!  Fertig! Unsere DIY Schneekugeln mit Benzoesäure Wenn ihr den Deckel – nein, der ist jetzt der Boden – noch verschönern wollt, könnt ihr eine Schleife aus Geschenkband darum binden.

 

Entsorgung

Benzoesäure darf nicht in die Kanalisation gelangen! Füllt die übergelaufene Lösung deshalb vom Teller oder Tablett in ein flaches, hitzebeständiges Gefäss (z.B. eine Eindampfschale oder einen ausrangierten Kochtopf) und erhitzt sie, bis das Wasser vollständig verdampft ist. Zurück bleibt ein wenig feste Benzoesäure, die ihr abkratzen und in den Restmüll entsorgen könnt. Auch die Papiertücher könnt ihr trocknen lassen und in den Restmüll entsorgen.

Grössere Mengen feste Benzoesäure müssen zur Sondermüll-Entsorgung gegeben werden. Bewahrt den Rest deshalb doch einfach im Original-Chemikalienbehälter auf bis zur nächsten Schneekugel-Bastelaktion!

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Und zum Schluss halten wir alle unsere eigene Schneekugel in der Hand, starren in sie hinein, als würden wir dem Engel, der in der Kugel steckt, ein Küsschen geben wollen.

Somit ist nun alles bereit für das grosse Finale. Weihnachten kann kommen – mit einem delikaten Menu in edlem Ambiente, gleich morgen, am 24. Dezember auf MIKKI’S BLOG.

Wenn ihr Lust auf weitere weihnachtliche Experimente habt, könnt ihr zum Beispiel Christbaumanhänger aus Kristallen züchten, Lichter mit eurem DIY-Spektroskop untersuchen oder eure eigenen Christbaumkugeln verspiegeln! Spannende Geschichten über einen molekularen Weihnachtsmann in euren Zellen oder das Spektrum des Weihnachtssterns findet ihr ebenfalls in Keinstein Kiste! Ich für meinen Teil wünsche euch jetzt schon schöne und entspannte Feiertage,

Eure Kathi Keinstein

P.S.:

Alle anderen Engel und ihre Türchen findet ihr hier:

Simi – www.kaffeepauseamsonntag.ch
Muriel – www.momof4.ch
Daniela – www.swissbeautylicious.ch
Rosy – www.momentswithrosy.com
Evi – develi.ch
Nina – kekoaskorner.wordpress.com
Claudia – hamerlike.ch
Peppermint – www.pm-rentadress.ch
Lynn – www.lynns-kostuemverleih.jimdo.com
Rita – www.ritasschirmwelt.ch
Steffi – www.visagistin-steffi.ch
Rene – www.artandactionstudio.lima-city.de

Schweiz: Auswandern im Winter
Für euch gewähre ich einmal einen ganz persönlichen Einblick in die Vorgeschichte von Keinsteins Kiste: Vor nun fast 8 Jahren bin ich von Deutschland in die Schweiz ausgewandert – an einem sibirisch kalten Wintertag!
Rund 500 Kilometer liegen zwischen meiner alten und der neuen Heimat, die wir damals im Dezember 2009, kurz vor Weihnachten, in einem viel zu grossen Kleintransporter zu bewältigen hatten. Dabei gab es ausserdem einiges zu beachten, um meinen Hausrat problemlos über die Grenze zu bringen.
Wie mein Vater und ich im Umzugswagen mit Hilfe der Physik Frost und Eis, die sich scheinbar gegen uns verschworen hatten, getrotzt haben, erfahrt ihr in meiner Geschichte vom Abenteuer Auswandern bei der Lifestyle Luxury Brigade!
 
Macht es euch also gemütlich, holt euch eine Tasse Tee und eine warme Decke und geniesst eine wahre Geschichte.