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
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!).
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!
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.
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!
Mögliche Varianten zum Ausprobieren
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!
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!
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!
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!
Hast du das Experiment nachgemacht:
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Wenn etwas nicht oder nur teilweise funktioniert haben sollte, schreibt es in die Kommentare. Ich helfe gerne bei der Fehlersuche!
https://www.keinsteins-kiste.ch/wp-content/uploads/2018/01/Blogbild_Farbschreiben-1.jpg450810Kathi Keinsteinhttps://www.keinsteins-kiste.ch/wp-content/uploads/2018/03/Logo_rund.pngKathi Keinstein2018-01-12 16:00:272020-07-07 11:34:10Experiment: Das Geheimnis des schwarzen Filzstifts
Advent, Advent, ein Lichtlein brennt…das ist die Gelegenheit, sich die Wartezeit aufs Christkind zu vertreiben und ein Geheimnis des Lichts zu erforschen: So baut ihr euer eigenes Spektroskop – mit ein paar Kleinigkeiten aus eurem Alltag!
Die meisten Lichtquellen im Alltag erscheinen uns weiss oder zumindest gelblich weiss. Dazu zählen auch die vielen Kerzenflammen, die sich in der Advents- und Weihnachtszeit Räume und Gemüt erhellen. Nun ist Weiss eigentlich gar keine Farbe, sondern ein Gemisch aus vielen Farben, das unsere Augen als weiss wahrnehmen. Und eine Farbe ist unsere Wahrnehmung der Wellenlänge der jeweiligen Lichtwelle.
Der Umstand, dass Licht aus Wellen besteht und verschiedenfarbiges Licht verschiedene Wellenlängen hat, erlaubt es euch, das Wellengemisch in weissem Licht gemäss den Brechungsgesetzen der Physik nach Farben zu „sortieren“. Dazu könnt ihr entweder ein Prisma verwenden – einen geometrischen Körper aus Glas oder Kristall – oder eine CD (Compact Disc). Denn die unsichtbar feinen Rillen, in welchen die Daten auf der Scheibe aufgereiht und abgelesen werden, brechen das Licht nach den gleichen Gesetzen wie ein Prisma. Bestimmt sind euch die regenbogenfarbigen Muster auf CDs schon aufgefallen.
Tatsächlich genügt es schon, eine CD schräg ins Licht zu halten, um einen bunten Regenbogen – das Spektrum des Lichtes – zu sehen. Wenn ihr darüber hinaus die feinen Unterschiede zwischen verschiedenen Lichtquellen beobachten möchtet, müsst ihr das Licht, welches auf die CD fällt, auf einen engen Raum begrenzen. Das geht am einfachsten, indem man das Licht durch einen engen Spalt in eine ansonsten dunkle Kammer mit einer CD fallen lässt. Und genau solch eine Kammer könnt ihr euch ganz einfach bauen!
Ihr braucht dazu
Eine leere Keksschachtel o.Ä
Eine alte CD oder einen CD-Rohling (keine DVD*!)
Ein Cuttermesser oder eine spitze Schere
Ein Stück Pappe zum Unterlegen
Klebeband
Bleistift und Winkelmesser
Zur Verschönerung: etwas Geschenkpapier oder ähnliches
*Eine DVD unterscheidet sich von einer CD darin, dass in der DVD mehrere Schichten mit Datenrillen übereinander liegen. So wird das Licht, das auf eine DVD fällt, auch an mehreren Schichten gebrochen. Ihr würdet deshalb mit einem DVD-Spektrometer quasi „doppelt sehen“. Funktioniert natürlich auch, kann aber stören, wenn es um die Feinheiten geht.
Wie ihr das Spektroskop baut
Öffnet die Keksschachtel an beiden kurzen Enden vorsichtig, sodass ihr sie flach auf den Tisch legen könnt.
Markiert auf beiden langen, schmalen Seiten auf gleicher Höhe einen Winkel von 60°, indem ihr die beiden Schenkel über die breite Seite hinweg miteinander verbindet.
So zeichnet ihr den ersten Winkel von 60°.
Die Verbindungslinie beginnt am oberen Schenkel des Winkels: Die 0-Linie des Geodreiecks liegt auf dem Falz der Schachtel!
Klappt die Schachtel um wie auf dem Bild. Der schräge Schenkel des zweiten Winkels berührt ebenfalls die Verbindungslinie. So liegen sich beide Winkel genau gegenüber, und ihr könnt später die CD hineinschieben!
Legt die Pappe zwischen Ober- und Unterseite der Schachtel und schneidet entlang der durchgezogenen gerade schwarzen Linien (NICHT die Unterseite der Schachtel mit einschneiden!). Entfernt das auf der breiten Seite ausgeschnittene Rechteck, sodass ein Loch zum Hineinschauen bleibt.
Das geschlossene Rechteck auf der breiten Seite wird ausgeschnitten. Dort könnt ihr später in das Spektroskop hinein schauen!
Schneidet einen waagerechten Schlitz in die Verschlusslasche am anderen Ende der Schachtel. Für einen Schlitz von 1mm Breite macht zwei parallele Schlitze und trenn das Stück Pappe dazwischen vorsichtig heraus. Für einen schmaleren Schlitz klebt einen Streifen Klebeband über den breiten Schlitz und ritzt das Band über dem Schlitz einmal ein.
Ein breiterer Schlitz kann mit Klebeband überklebt und anschliessend eingeritzt werden. So entsteht ein sehr schmaler Spalt, der euch ein detailreiches Spektrum beschert!
Faltet die Schachtel wieder auf und klebt die beiden Enden sorgfältig wieder zusammen (der Schlitz muss frei bleiben!).
Schiebt die CD in den 60° geneigten Spalt (Die „Datenseite“ zeigt zum Schlitz!) und fixiert sie mit Klebeband. Achtet darauf, etwaige Ritzen sorgfältig zuzukleben, damit kein Streulicht hindurchscheinen kann. Klebt dann das Loch in der Mitte und die spiegelnde Fläche in der Nähe des Sichtlochs ab.
Wenn ihr das Spektroskop verschönern möchtet, hüllt die Keksschachtel zum Schluss in Geschenkpapier (auch hier muss der Schlitz frei bleiben!).
Wie ihr das Spektroskop benutzt.
Richtet den Schlitz auf eine Lichtquelle. Schliesst ein Auge und bringt das andere seitlich nah an das Sichtloch. Oder ihr schaut mit beiden Augen über das CD-Ende hinweg in das Sichtloch. Bewegt das Spektrometer ggfs. vorsichtig, bis das Licht durch den Schlitz auf die CD fällt. Ein dunkles Tuch über eurem Kopf und der Spektrometer-Dose kann dabei helfen, Streulicht auszusperren.
Ein wenig höher als hier müsste ich es halten, damit das Licht der Kerzenflamme direkt durch den Schlitz fällt!
Sobald ihr die richtige Position gefunden habt, seht ihr Regenbogenfarben auf der schrägen CD unter dem Sichtloch: Das weisse Licht besteht aus vielen verschiedenen Farben, die alle in unterschiedlichem Winkel gebrochen werden! Alle Farben zusammen ergeben das Spektrum des Lichtes.
Wenn ihr Fotos machen möchtet, stellt das Spektroskop so ab, dass der Schlitz sich auf Höhe eurer Lichtquelle befindet. Richtet Licht und Gerät so aus, dass ihr des Spektrum im Guckloch sehen könnt.
Das Spektroskop in Position: So könnt ihr das Spektrum eines Teelichts beobachten und habt die Hände zum Fotografieren frei!
Platziert dann das Objektiv eurer Kamera direkt auf dem Guckloch (ein Makro-Objektiv oder -modus ist dabei von Vorteil!). Stellt das Bild so gut wie möglich scharf und haltet beim Auslösen still. Wenn ihr ein Stativ und einen Fernauslöser verwenden möchtet, könnt ihr das Spektrometer auch auf die schmale Kante stellen, sodass das Sichtloch nach vorne zum Objektiv zeigt.
Welche Lichtspektren ihr sehen könnt
Das Spektrum einer Kerzenflamme ist durchgehend von blauviolett bis tiefrot: Die Flamme strahlt gleichmässig Licht in allen Farben ab. Wenn ihr Kochsalz in die Flamme bringt, kann im orangegelben Bereich eine hellere Linie sichtbar werden: Natrium-Atome strahlen Licht mit zwei dicht benachbarten Wellenlängen im gelben Bereich ab!
Wenn es auf eurer Strasse gelbe Strassenlaternen – Natrium-Dampflampen – gibt, könnt ihr auch in ihrem Licht die gelbe(n) Natrium-Linie(n) ausmachen!
Wenn ihr das Spektrum der Sonne betrachtet (Achtung! Beim Ausrichten NIE direkt in die Sonne schauen!), erscheinen feine, dunkle Linien im Regenbogen: Die Sonnen-„Atmosphäre“ enthält verschiedene Atome, vor allem Wasserstoff und etwas Helium, die Licht mit bestimmten Wellenlängen schlucken, sodass es nicht hier auf der Erde ankommt. Deshalb können Astronomen mit Hilfe von Spektrometern herausfinden, welche Atome in Sternen enthalten sind! Mehr dazu erzähle ich in meiner Weihnachtsgeschichte um das Spektrum des Weihnachtssterns.
Das Spektrum einer Leuchtstoffröhre besteht aus mehreren dicken, voneinander getrennten farbigen Linien. In Leuchtstoffröhren wird mit Hilfe von Quecksilberdampf UV-Licht erzeugt, dass Leuchtstoffe auf der Innenwand der Röhre zur Fluoreszenz bewegt: Das UV-Licht hebt Elektronen auf bestimmte höhere Energieniveaus, von wo sie in wohldefinierten Schritten zurückkehren und dabei Licht mit ganz bestimmten Wellenlängen, die wir im Spektrum sehen, abstrahlen.
Das Artikelbild gibt euch einen ersten Eindruck. Alles, was ihr braucht, ist Kali-Alaun, das ihr in der Apotheke bestellen könnt, destillatgleiches Wasser (das es zum Beispiel zum Bügeln/Glätten im Supermarkt gibt) und ein paar Kleinigkeiten aus dem Haushalt. Und natürlich etwas Geduld – aber die lohnt sich. Das Ergebnis begeistert (nicht nur) mich nämlich total!
Schaut euch die Bastelanleitung vollständig an, bevor ihr loslegt – und dann wünsche ich euch viel Spass beim Kristalle züchten!
Seit Dezember 2017 gibt es bei den Monstamoons zudem noch viele weitere tolle Bastelideen für Christbaumschmuck aus den verschiedensten Materialien. Es lohnt sich also, auch während des restlichen Dezembers wieder dort vorbei zu schauen.
Eine fröhliche und besinnliche Adventszeit wünscht euch
Ihr kennt sie bestimmt – die spacige Leuchte, die in den 1970ern erstmals trendete: Die Lavalampe. Ich habe sie als Teenager während ihres Wiederauflebens in den 1990er Jahren kennengelernt und bestimmt so manche Stunde die auf- und absteigenden lavaartigen Blasen darin beobachtet.
Heute verrate ich euch, wie die geheimnisvollen Lavalampen funktionieren – und wie ihr den Effekt mit einem schnellen, einfachen Experiment nachstellen könnt!
Wie funktioniert eine Lavalampe?
Eine Lavalampe enthält zwei unterschiedlich farbige Flüssigkeiten, die sich nicht miteinander mischen. Wenn man die Lampe einschaltet, beginnt die eine Flüssigkeit in lavaartigen Blasen in der anderen Flüssigkeit aufzusteigen – und nach ein wenig Zeit wieder abzusinken. Doch was bewegt die „Lava“ in der Lampe?
Die Dichte ist der Schlüssel
Zu den ganz „persönlichen“ Eigenschaften jedes Stoffs zählt das Gewicht, welches eine ganz bestimmte Menge dieses Stoffs auf die Waage bringt. Mit anderen Worten: Ein Liter massives Holz ist leichter als ein Liter Wasser. Beides können wir problemlos mit einer Hand heben. Einen Liter Blei zu heben, würde jedoch eine grosse Kraftanstrengung erfordern: Blei ist sehr viel schwerer als die beiden erstgenannten Stoffe.
Physiker und Chemiker sagen: Blei hat ein viel höheres spezifisches Gewicht – bzw. eine viel höhere Dichte – als Wasser oder Holz.
Wie kommt das?
Das Metall Blei besteht sehr dicht gepackten Atomen, deren Atomkerne wiederum aus vielen, d.h. über 200 dicht gepackten Kernteilchen bestehen. Dahingegen besteht Wasser aus Wasserstoff- (1 Kernteilchen) und Sauerstoff-Atomen (16 Kernteilchen), die in kleinen, gegeneinander leicht beweglichen Molekülen miteinander verbunden sind. Diese Anordnung braucht deutlich mehr Platz als die Atom-Packung im Metall.
Kurz und kindgerecht gesagt: Die Blei-Teilchen sind tatsächlich „dichter“ beieinander als die Wasserteilchen, sodass in einem Liter Blei mehr Teilchen auf der Waage liegen und so mehr Gewicht zusammenbringen als in einem Liter Wasser.
Von der Dichte zur Schwimmfähigkeit
Wenn man zwei Flüssigkeiten, die sich nicht ineinander lösen, zusammengibt, schwimmt stets die weniger dichte Flüssigkeit auf der dichteren (das gilt übrigens auch für feste Körper in Flüssigkeiten – so lange man Begleitumstände wie Oberflächenspannung oder das geschickte Ausnutzen des Auftriebs durch Formgebung vernachlässigen kann).
Damit ein Stoff abwechselnd auf einer Flüssigkeit schwimmen und darin sinken kann, muss er also seine Dichte ändern.
In der Lavalampe: Dichteänderung durch Temperatur
Für die meisten Stoffe gilt: Wenn sie wärmer werden, nimmt ihre Dichte ab. Das liegt daran, dass die Teilchen eines Stoffes um so zappeliger sind, je wärmer sie es haben. Die Temperatur eines Stoffes ist damit ein Mass für die Zappeligkeit seiner Teilchen. Und Teilchen, die zappelig sind – also in ihrer festen Anordnung hin und her schwingen oder in einer Flüssigkeit oder einem Gas umeinander wuseln, brauchen dafür mehr Platz als ruhigere Teilchen. So finden in einer warmen Portion eines Stoffs weniger Teilchen Platz als in einer kalten Portion des selben Volumens.
Deshalb ist unten im Sockel einer Lava-Lampe eine Heizung eingebaut. Diese Heizung erwärmt die „Lava“, die im kalten Zustand dichter ist als die klare Flüssigkeit um sie herum. Sobald die Dichte der „Lava“ unter die Dichte der klaren Flüssigkeit sinkt, steigt die Lava brockenweise auf bis ans obere Ende des Gefässes (die Nicht-Mischbarkeit der Flüssigkeiten sorgt dabei für die runden Formen: nicht-mischbare Stoffe bevorzugen möglichst kleine Grenzflächen zueinander!).
Oben im Lampengefäss ist es kühler, sodass die „Lava“ abkühlt und ihre Dichte zunimmt. Sobald sie die Dichte der klaren Flüssigkeit übersteigt, sinken die Lavabrocken wieder auf den Boden der Lampe, wo sie wiederum erwärmt werden.
Dabei sind die beiden Flüssigkeiten so gewählt, dass ihre Dichten sehr nah beieinander liegen. So genügen wenige Grad Temperaturunterschied, um das Verhältnis der Dichten umzukehren.
Experiment: Lava-Effekt im Glas
Du kannst das Geschehen in einer Lavalampe ganz einfach und ohne Heizung – dafür weniger dauerhaft – mit ein paar Haushaltszutaten nachstellen!
Du brauchst dazu
Ein hohes Trinkglas oder ähnliches Glasgefäss
Leitungswasser
Speiseöl
Kochsalz
Teelöffel
Evtl. Lebensmittelfarben
So führst du das Experiment durch
Fülle das Glas halb mit Wasser
Gib dann Speiseöl vorsichtig dazu (das Öl schwimmt auf dem Wasser – seine Dichte ist geringer als die von Wasser!), bis sich eine mindestens 1 cm dicke Schicht gebildet hat
Streue vorsichtig erst wenig, dann mit dem Teelöffel mehr Salz in das Öl
Das kannst du beobachten
Das Salz fällt durch die Ölschicht, ohne dass es sich auflöst. An der Grenzfläche zwischen Öl und Wassser lösen sich Tropfen aus der Ölschicht und fallen mit dem Salz durch das Wasser auf den Glasboden. Binnen einiger Sekunden lösen sich die Ölblasen wieder vom Glasboden und steigen wieder zur Ölschicht auf. Das Salz bleibt am Glasboden zurück. Mit mehr Salz lässt sich das beliebig wiederholen.
Wenn du es spektakulär und farbig magst, kannst du Öl und Wasser auch mit unterschiedlichen Lebensmittelfarben einfärben und so eine ganz bunte „Lavalampe“ kreieren.
Was passiert im Glas?
Kochsalz löst sich nicht in Öl (so wie Öl sich nicht in Wasser löst). Die Dichte des Gemischs aus Öl und Salz ist allerdings grösser als die von Wasser. So sinkt das Öl-Salz-Gemisch durch das Wasser nach unten.
Salz löst sich sehr gut in Wasser: Es zieht die Wechselwirkung mit Wasser derer mit dem Öl vor: Das Salz sinkt innerhalb der Öltropfen nach unten (Salz ist sowohl dichter als Öl, als auch dichter als Wasser), soweit es nicht sogar vom umgebenden Wasser herausgelöst (extrahiert) wird. Das salzfreie Öl mit geringerer Dichte löst sich schliesslich von dem Salz am Boden des Glases ab und steigt wieder zur Ölschicht auf.
So lange du noch Salz zum Nachstreuen hast, kannst du diesen „umgekehrten“ Lavalampen-Effekt immer wieder beobachten!
Entsorgung
Wasser, Öl und Salz sind Lebensmittel, die in den Abfluss entsorgt werden können. Seife hilft dabei, Ölreste vom Glas zu lösen.
Und nun wünsche ich dir viel Spass mit deiner Lava im Glas!
Hast du das Experiment nachgemacht:
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Wenn etwas nicht oder nur teilweise funktioniert haben sollte, schreibt es in die Kommentare. Ich helfe gerne bei der Fehlersuche!
https://www.keinsteins-kiste.ch/wp-content/uploads/2017/11/Blogbild_Lavalampe.jpg450810Kathi Keinsteinhttps://www.keinsteins-kiste.ch/wp-content/uploads/2018/03/Logo_rund.pngKathi Keinstein2017-11-10 20:33:482020-07-07 11:38:37Schnelle „Lavalampe“ im Glas – Eine Frage der Dichte
Darüber zu lesen ist eine Sache, diese Chemie mit allen Sinnen zu erleben – und vielleicht sogar selbst Gips zu recyceln – ist eine ganz andere. Deshalb habe ich mich in den Baumarkt aufgemacht und Gips gesucht, um das Ganze auszutesten. Was dabei herauskommt und wie ihr die spannenden Eigenschaften dieses Werkstoffs selbst erforschen könnt, verrate ich euch hier.
Das richtige Ausgangsmaterial
Gipspulver besteht aus Calciumsulfat mit ein wenig Kristallwasser (CaSO4*1/2 H2O), d.h. aus gebranntem Gips. Das Aushärten und anschliessende Recycling funktioniert nur mit diesem Stoff, weshalb ihr unbedingt darauf achten solltet, dass euer Gipspulver wirklich aus gebranntem Gips besteht. In der Bastelabteilung meines Schweizer Baumarkts im Dorf habe ich nämlich verschiedene Kunststoff-Zubereitungen mit ähnlichen Eigenschaften gefunden – aber keinen Gips.
In der Männer-Domäne hatte ich dann mehr Glück: Dort gibt es die klassische Fugen-Spachtelmasse „auf Naturgips-Basis“ der auch in Deutschland bekannten Firma Molto (und nein, das ist keine Schleichwerbung – Moltofill-Pulver kam dem blossen Calciumsulfat am nächsten, ist in handlich kleinen Mengen erhältlich und erst noch günstiger als die Produkte in der Bastel-Abteilung), für das ich mich aus genannten Gründen entschieden habe.
Was ihr sonst noch braucht
Drei Einweg-Behälter zum Ansetzen der Gipsmischung: Zwei davon werdet ihr nach dem Experiment nicht mehr reinigen können, mindestens einen müsst ihr schlimmstenfalls zerstören. Ich habe deshalb saubere Joghurt-Becher verwendet
Einen Holzstab oder ähnliches zum Umrühren
Wasser aus der Leitung
Zeitungspapier oder eine ähnliche Unterlage, um euren Arbeitsplatz zu schonen
Einen Hammer und ggfs. Mörser und Stössel
Schutzbrillen
Eine Alu-Schale oder ein ähnlich ofenfestes Behältnis, das nicht (mehr) zum Kochen Verwendung findet
Einen Backofen, bestenfalls mit Umluft-Beheizung
Gips ansetzen
Die Anleitung auf der Packung ist einfach: Gebt einen Teil Wasser in einen Joghurt-Becher und zwei Teile Gips-Pulver dazu. Rührt das Ganze um, bis sich eine gleichmässig matschige Pampe bildet (der Hersteller hat mit Zusätzen dafür gesorgt, dass die Masse beim Umrühren nicht sofort aushärtet). Wartet nun mindestens eine Stunde und beobachtet die Gipsmasse.
Wenn ihr währenddessen den Becher mit der Gipsmasse in die Hand nehmt und vorsichtig drückt, könnt ihr feststellen: Die Masse wird hart und dabei deutlich warm (keine Angst: nicht heiss): Beim Einbau des Wassers in die Gips-Kristalle wird nämlich Energie in Form von Wärme frei!
Da die Natur bequem ist und alle Dinge einen möglichst energiearmen Zustand bevorzugen, laufen Vorgänge, bei welchen Energie frei wird, von selbst ab – so auch das Aushärten von Gips.
Lasst den Gips nun einige Stunden abkühlen und weiter aushärten. Holt den festen Gipsblock dann (z.B. am nächsten Tag) aus dem Behälter (vielleicht müsst ihr den Joghurtbecher dazu zerschneiden: Der Gips wird beim Aushärten auch ein wenig grösser, sodass er ziemlich fest im Becher sitzen kann). Lagert ihn ein paar Tage an einem warmen, trockenen Ort an der Luft, bis er wirklich hart und nicht mehr feucht ist.
Vorbereitung zum Recycling
Stellt die Alu-Schale auf einen harten Boden (ich habe den nackten Boden meines Balkons gewählt, der durch Hammerschläge keinen Schaden nimmt) und legt euren Gipsblock hinein. Zieht nun unbedingt eine Schutzbrille an! Dann zerkleinert ihr den Block, indem ihr mit dem Hammer darauf schlagt.
Ihr werdet feststellen: Die feste Gipsmasse ist wirklich sehr hart! Die Sache erfordert daher Geduld und Ausdauer, aber schlagt den Gips sorgfältig in kleine Stücke. Geht dabei behutsam vor, damit nicht alles herumspritzt und die Nachbarn vom Lärm nicht wahnsinnig werden. Anschliessend könnt ihr den Gipsgries in einem Mörser zu Pulver zerreiben.
Es ist atemberaubend (im wahrsten Sinne des Wortes!), wie aus dem ursprünglichen Gipspulver ein derart hartes, steinähnliches Material geworden ist – und das nur durch etwas Wasser!
Für alle Skeptiker: Die Gegenprobe
Nehmt einen kleinen Teil des Pulvers, das ihr aus dem gehärteten Gips hergestellt habt und vermengt ihn in einem neuen Joghurtbecher mit etwas Wasser, bis wieder eine weiche Pampe entsteht – und lasst sie eine Weile stehen. Dieses Mal wird der Gips nicht aushärten.
Gips brennen
Verteilt das übrige Pulver in der Aluschale und platziert diese im Backofen. Stellt die Temperatur auf 150°C und wählt, wenn vorhanden, einen Betriebsmodus mit Umluft (Heissluft). Ich habe den Pizza-Modus verwendet, in welchem neben dem Umluftgebläse auch Unterhitze zum Einsatz kommt. Die bewegte Luft im Umluft-Modus trägt das verdampfende Wasser zügig vom Gipspulver fort, sodass der Gips zügig „trocknen“ kann.
Nachdem bei der Aufnahme des Wassers in den Gips Wärme frei geworden ist, verlassen die Wasserteilchen die Kristalle nicht mehr so ohne Weiteres. Ihr müsst Energie aufwenden, um – dem Lauf der Natur entgegengesetzt – aus dem „bequemen“, energiearmen Gips mit viel Wasser einen energiereicheren Gips mit wenig Kristall-Wasser zu machen. Der Ofen liefert diese Energie in Form von Wärme.
Schaltet den Ofen nach mindestens 90 Minuten ab und lasst das Pulver an einem trockenen Ort abkühlen.
Der grosse Augenblick: Den selbstgebrannten Gips neu ansetzen
Gebt euer Pulver wie anfangs beschrieben in den dritten Joghurt-Becher. Auch hier gilt: Auf einen Teil Wasser kommen zwei Teile Gips. Beobachtet die so entstehende Masse. Härtet sie aus? Wird sie genauso warm wie die originale Spachtelmasse?
Ich habe meinen Becher in der Hand gehalten, während ich mein selbstgebranntes Gipspulver mit kaltem Wasser vermischt habe. Das Gemisch ist sofort warm geworden! Das heisst: Der Gips hat Wasser aufgenommen! Wie erwartet ist er in der folgenden Stunde hart geworden – nicht so steinhart wie das originale Moltofill, aber eindeutig fest. In den nächsten Tagen muss meine Probe noch vollständig durchtrocknen. Sobald das geschehen ist, gibt es hier noch ein Update zur endgültigen Härte der recycelten Gipsmasse.
In jedem Fall könnt ihr damit beweisen: Gips kann wirklich mehr als einmal härten – wenn man sich die Mühe macht und ihm die dazu nötige Energie wiedergibt!
Und wie funktioniert das Recyceln von Gips bei euch?
Hast du das Experiment nachgemacht:
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Bald ist Halloween: Für viele kleine und grosse Hexen und Zauberer rückt damit ein grosser Tag immer näher. Aber was wäre, wenn ihr im schaurig-schönen Kostüm auch tatsächlich zaubern könntet? Ich habe einen einfachen, aber verblüffenden Zauber für euch, mit dem ihr an eurer Halloween-Party sicher für Aufregung sorgen könnt! Und um Ärger mit dem EZD (dem Eidgenössischen Zauberei-Departement…) zu vermeiden, gibt’s auch eine wasserdichte naturwissenschaftliche Erklärung dazu.
Von Harry Potter zum verhexten Wasser
Bestimmt kennst du Harry-Potter – und vielleicht auch seine wilde Begegnung mit einem Drachen in „Harry Potter und der Feuerkelch“. Um eine Aufgabe in einem Wettkampf zu erfüllen, muss Harry diesem Drachen in einer Arena ein Ei entwenden. Um überhaupt eine Chance gegen den wildgewordenen Feuerspeier zu haben, ruft der Jungzauberer dazu mit einem einfachen Zauber seinen Flugbesen in die Arena. Die Wirkung des Spruchs: Der Besen saust von seinem Lagerplatz ausserhalb der Arena auf den Zauberstab und seinen Besitzer zu.
Diesen Kunstgriff kannst auch du ganz einfach nachmachen – vielleicht nicht mit einem Besen und nicht über eine so grosse Entfernung – aber mit einem einfachen Kunststoff-Zauberstab und Wasser. Und schon das wird deine Freunde verblüffen und vielleicht sogar zum Gruseln bringen!
Was du dazu brauchst
Einen Wasserhahn am Waschbecken oder einem Getränkespender – hauptsache, du kannst einen millimeterdünnen Wasserstrahl daraus fliessen lassen
Einen Kunststoff-Zauberstab (ein Spielzeug ist ebenso geeignet wie der Einweg-Plastiklöffel, den ich verwende – aber probiere das Experiment vor der grossen Aufführung aus, denn nicht jeder Kunststoff funktioniert gleich gut!)
Ein Kleidungsstück aus echter Wolle – zum Beispiel ein Schal, Wollhandschuhe oder eine Strickjacke. Besonders eindrücklich wirkt das Ganze, wenn das Woll-Stück Teil deines Kostüms ist.
Wie du den Zauber vorführst
Öffne den Wasserhahn nur ein wenig, sodass so gerade eben ein stetiger, aber millimeterdünner Wasserstrahl herausläuft.
Reibe deinen Zauberstab kräftig mit dem Kleidungsstück aus Wolle (ein guter Zauberer „beschäftigt“ sein Publikum währenddessen anderweitig, zum Beispiel im Gespräch).
Führe den Stab vorsichtig in die Nähe des Wasserstrahls und sprich „Accio Wasserstrahl!“. Berühre dabei in keinem Fall das Wasser mit dem Stab!
Der zuvor senkrecht fallende Strahl wird sich in Richtung des Stabes krümmen!
Links: Ein dünner Wasserstrahl – Rechts: „Accio Wasserstrahl“ – deutliche Krümmung um einen elektrostatisch aufgeladenem Plastik-Löffelstiel!
Elektrisch geladene Teilchen spielen in unserem Alltag eine grosse Rolle. So fliessen solche Teilchen durch Stromkabel, wenn wir das Licht einschalten, und bringen die Lampe zum Leuchten. Diese Teilchen haben meist nur eine Ladung – und die ist positiv (+) oder negativ (-). Dafür, dass solche Teilchen überhaupt strömen, sorgt eine grundlegende physikalische Gesetzmässigkeit: Gleichartige Ladungen stossen sich ab, verschiedene Ladungen ziehen sich an. So bewegen sich die negativ geladenen „Strom-Teilchen“ oder „Elektronen“ vom negativ geladenen Minuspol einer Stromquelle weg und zum positiv geladenen Pluspol hin.
Wasserteilchen tragen dagegen zwei verschiedene Ladungen: Wie ein Magnet tragen sie an jeder Seite eine! (Da zwei verschiedene Ladungen einander aufheben, merkt man das den winzigen Wasserteilchen mit unseren groben Sinnen normalerweise nicht an.)
Ein Wasserteilchen trägt zwei elektrische Ladungen: Die negative Seite (-) ist rot, die positive Seite (+) ist blau schattiert.
Das führt dazu, dass die Plus-Seiten der Wasserteilchen die Minus-Seiten anziehen und umgekehrt. Im Wasser ordnen sich die Teilchen daher so, dass Plus-Seiten den Minus-Seiten gegenüber liegen und niemals gleiche Seiten einander zugewandt sind:
Der Kunststoffstab besteht dagegen zunächst aus ungeladenen Kunststoff-Teilchen. Durch das Reiben an der Wolle wird er jedoch aufgeladen (die Wolle übrigens auch – du kannst vielleicht die darauf folgenden Entladungen in der Wollkleidung knistern hören). Wenn er danach in die Nähe des Wasserstrahls kommt, ordnen sich die Wasserteilchen so, dass ihre dem Stab entgegengesetzt geladene Seite zum Stab weist. Die Anziehungskraft zwischen den verschiedenen Ladungen zieht die Teilchen so aus ihrer Flussrichtung – der Wasserstrahl krümmt sich in Richtung des Stabes!
Damit wünsche ich dir viel Spass beim Zaubern – und erzähl doch mal, wie es funktioniert hat!
Hast du das Experiment nachgemacht:
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https://www.keinsteins-kiste.ch/wp-content/uploads/2017/10/Blogbild_Krummer_Wasserstrahl.jpg450810Kathi Keinsteinhttps://www.keinsteins-kiste.ch/wp-content/uploads/2018/03/Logo_rund.pngKathi Keinstein2017-10-13 16:00:092020-08-26 08:49:50Experiment: Harry Potter und der krumme Wasserstrahl
Flüssigkeiten – sie sind „nass“, formlos und machen sich überall hin davon, wenn man sie nicht in einem Glas beisammen hält. Und wenn man ein Glas mit Flüssigkeit füllt, ist es voll….oder?
Dieses einfache Experiment zeigt dir eine echt verblüffende Eigenschaft von Flüssigkeiten – und gibt dir und deinen Kindern Anlass, euch mit einem einfachen Teilchenmodell für den Aufbau der Stoffe zu beschäftigen!
Für dieses Experiment brauchst du
rund 50ml Brennsprit (Spiritus, „Alkohol“, Ethanol)
rund 150ml Wasser, zum Beispiel aus der Leitung
3 Gefässe mit geeichter Skala mit 10-Milliliter-Teilstrichen, zum Beispiel Standzylinder
oder:
1 durchsichtiges Gefäss für mindestens 50ml Flüssigkeit
1 durchsichtiges Gefäss für mindestens 100ml Flüssigkeit
einen wasserfesten Filzschreiber (nicht zu dick!)
So führst du das Experiment durch
Vorbereitung:
Miss im ersten Standzylinder genau 50 ml Wasser, im zweiten Standzylinder genau 50 ml Brennsprit ab. Schaue dabei von der Seite auf die Linie des Flüssigkeitsspiegels (die Linie sollte dazu auf Augenhöhe sein – setze oder knie dich hin oder beuge dich entsprechend). Wenn beim Wasser eine doppelte Linie bzw. ein unscharfer Ring zu sehen ist: Richte dessen unteren Rand an der Skala aus!
Oder:
Fülle etwa 50 ml in das kleinere Gefäss mit Wasser und markiere den Flüssigkeitsspiegel an der Seite mit dem Filzstift.
Fülle das Wasser vollständig in das grosse Gefäss um. Dann fülle das kleine Gefäss noch einmal – exakt bis zur Markierung (beachte dazu die Hinweise im oberen Abschnitt!) – und fülle den Inhalt erneut vollständig in das grosse Gefäss.
Nun enthält das grosse Gefäss genau doppelt so viel Wasser wie das kleine Gefäss bis zur Markierung fasst. Markiere nun den Füllstand des grossen Gefässes mit dem Filzstift. Danach giesse das Wasser vollständig aus.
Das eigentliche Experiment:
Fülle die zuvor abgemessenen Flüssigkeiten zusammen in einen Standzylinder, schwenke ihn etwas und warte, bis die Flüssigkeiten zur Ruhe kommen.
Oder:
Fülle das kleine Gefäss bis zur Markierung mit Wasser und giesse es vollständig(!) in das grosse Gefäss um.
Wiederhole Schritt 4 mit Brennsprit.
Nun befinden sich Wasser und Brennsprit zusammen im grossen Gefäss. Schwenke es ein wenig und warte, bis die Flüssigkeiten zur Ruhe kommen.
Links: Einmal Wasser, einmal Brennsprit bis zur Markierung links am Glas. Rechts: Beide Flüssigkeiten gemeinsam im Glas: Zwei Portionen Wasser wurden zur Markierung links am Glas genutzt, eine Portion Wasser und eine Portion Brennsprit miteinander nehmen ein kleineres Volumen ein!
Was du beobachten kannst
Schaue den Flüssigkeitsspiegel von der Seite (auf Augenhöhe) an. Du wirst den Flüssigkeitsspiegel ein wenig unterhalb des Teilstrichs für 100ml bzw. deiner Markierung für „zwei kleine Gefässe“ finden! Mehrere Milliliter Flüssigkeit sind scheinbar nach dem Mischen verschwunden!
Für kleine Mathematiker:
Ihr kennt sicher das kleine 1×1: 2×1 = 2 heisst es da. Das bedeutet: Auch 2x die Füllung des kleinen Gefässes („1“) geben zusammen eine grosse Füllung („2“), die zwei kleinen Füllungen gleicht. Sollte sie jedenfalls. Trotzdem ist die grosse Füllung aus dem Gemisch von Wasser und Brennsprit ein wenig kleiner als 2!
Wo ist die fehlende Flüssigkeit hin verschwunden? Wurde sie weggehext?
Keine Sorge, da bekäme ich ja Schwierigkeiten mit dem eidgenössischen Zauberei-Departement (hätte ich nur nichts gesagt…). Um das Rätsel der verschwundenen Flüssigkeit zu lösen, musst du dir Wasser und Brennsprit einmal genauer ansehen. Sehr viel genauer.
Auf den ersten Blick sind Wasser und Brennsprit sich zum Verwechseln ähnlich: Beide sind farblos und praktisch gleich flüssig. Brennsprit riecht allerdings ein wenig streng, sauberes Wasser dagegen gar nicht. Ausserdem kann man Brennsprit leicht anzünden, Wasser aber nicht. Noch mehr Unterschiede findet man, wenn man sich die Flüssigkeiten noch näher ansieht.
Stell dir vor, du füllst das kleine Gefäss mit Wasser und giesst die Hälfte davon in ein anderes Gefäss. Die beiden Hälften werden sich und der vorherigen ganzen Menge gleichen. Dann teilst du die Wassermenge noch einmal, und noch einmal, und noch einmal. Bald wirst du kleine Tropfen haben, die immernoch wie Wasser aussehen – und übrigens auch wie Alkohol, der sich genauso in immer kleinere Portionen teilen lässt (wenn du das wirklich ausprobierst: Alkohol-Tropfen werden tatsächlich eine etwas andere Form als Wassertropfen haben – das liegt an ihrer unterschiedlichen Oberflächenspannung, die Andrea von Forschen für Kinder hier erklärt).
Irgendwann würdest du eine Lupe brauchen, um die kleinen Tropfen noch zu sehen, dann ein Mikroskop, dann ein stärkeres Mikroskop… Und schliesslich, beim superstarken Hightech-Mikroskop im Forschungslabor, ist Schluss. Die wirklich winzig-, winzig-, winzigkleinen Wasserportiönchen lassen sich nicht weiter halbieren. Und beim Alkohol ist es das Gleiche.
Wasser und Alkohol – und auch alle anderen Stoffe – bestehen aus einer riesigen Anzahl total winzigkleiner Teilchen!
Wenn sich diese Teilchen von einem Gefäss ins anderer giessen lassen, erscheinen sie alle zusammen deinen Sinnen – die zu grob sind, um die winzigkleinen Teilchen einzeln wahrzunehmen – als Flüssigkeit. Halten sie dagegen fest zusammen, siehst und fühlst du sie als festen Gegenstand.
Das Spannende daran ist, dass jeder Stoff aus einer ihm eigenen Sorte Teilchen besteht: Wasser-Teilchen und Alkohol-Teilchen unterscheiden sich – sie sind zum Beispiel unterschiedlich gross!
Stell dir vor, du bist selbst sehr, sehr klein, sodass die Wasserteilchen für dich aussehen wie Reiskörner (oder kleine Perlen). Dann könnten Alkohol-Teilchen aussehen wie getrocknete Kichererbsen (oder grössere Perlen). Was passiert, wenn du diese beiden Teilchen-Sorten miteinander mischst, kannst du tatsächlich ausprobieren:
Das Experiment im Modell
Trockne die Gefässe vom Versuch mit Wasser und Brennsprit gut ab. Dann fülle wie in der Versuchsanleitung für die Flüssigkeiten beschrieben Reiskörner und Kichererbsen (oder kleine und grosse Perlen) ab und schütte sie im grossen Behälter zusammen. Schüttle den Behälter gründlich (halte die Öffnung zu, damit deine „Teilchen“ nicht hinausfliegen und verloren gehen!) und schaue dir den Inhalt genau an.
Die Füllhöhe des Reis-Erbsen-Gemischs im grossen Behälter, wird unterhalb der Markierung liegen. Die Erklärung dafür ist nun offensichtlich: Die kleinen Reiskörner sind in die Zwischenräume zwischen den grösseren Kichererbsen gerutscht.
Reiskörner stehen für Wasser-Teilchen, Kichererbsen für Alkohol-Teilchen. Im Gemisch füllen die Reiskörner die Lücken zwischen den Erbsen: Das spart Platz!
Das können die winzigkleinen Wasser- und Alkohol-Teilchen auch! Die kleineren Wasser-Teilchen füllen die Zwischenräume zwischen den grösseren Alkohol-Teilchen! So nehmen beide miteinander gemischt weniger Platz ein als vgoneinander getrennt – ohne dass wirklich Flüssigkeit verschwindet.
Und wenn du noch einen Beweis dafür möchtest: Wiege die Flüssigkeiten vor und nach dem Mischen – das Gewicht ändert sich beim Mischen nicht!
Entsorgung
Brennsprit, auch auf 50% verdünnt, muss als Sonderabfall entsorgt werden! Fülle ihn in einen dicht schliessenden Behälter und bringe ihn zur Sondermüll-Entsorgungsstelle. Du kannst das Alkohol-Wasser-Gemisch ebenso gut für spätere Experimente oder zum Reinigen aufheben. Die Markierungen mit wasserfestem Filzstift lassen sich zum Beispiel damit von den Gläsern wischen.
Hast du das Experiment nachgemacht:
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Wenn etwas nicht oder nur teilweise funktioniert haben sollte, schreibt es in die Kommentare. Ich helfe gerne bei der Fehlersuche!
https://www.keinsteins-kiste.ch/wp-content/uploads/2017/10/Stoffteilchenmodell.jpg450810Kathi Keinsteinhttps://www.keinsteins-kiste.ch/wp-content/uploads/2018/03/Logo_rund.pngKathi Keinstein2017-10-07 21:56:092020-07-07 11:43:06Experiment: Die verschwundene Flüssigkeit und das Stoffteilchenmodell
Habt ihr euch auch schon einmal gefragt, wovon Pflanzen eigentlich leben? Mit dieser Frage habe ich den ersten Teil der Experimente um das geheimnisvolle Leben der Pflanzen begonnen. Darin habt ihr erfahren, dass Pflanzen fast ausschliesslich von Luft und Wasser leben, und wie sie diese „Zutaten“ zum Leben aufnehmen und Abfälle wieder ausscheiden können.
Kein Leben ohne Energie
Doch was ist das eigentlich, das Leben? Nach Ansicht der Biologen sind Lebewesen Ansammlungen von Stoffen, die – mit Hilfe von chemischen Reaktionen – sich selbst vermehren können. Lebewesen nehmen also einfache Moleküle aus ihrer Umgebung auf und bauen sie zu grossen, komplexen Molekülen, Zellen und Geweben um. Für Pflanzen heisst das: Sie nehmen Wasser und Kohlendioxid aus ihrer Umgebung und bauen aus den Atomen dieser Moleküle Zucker, Proteine und vieles mehr, die sie zu Blättern, Stängeln und Blüten zusammenfügen. Mit anderen Worten: Pflanzen bringen Ordnung in das vormals fein verteilte Durcheinander der Kleinmoleküle.
Leben ist Ordnung: Ein ungeordneter Haufen Atome (in kleinen Molekülen) – entsprechend dem Haufen Bausteine links – kann zu einem Lebewesen geordnet werden – wie die Bausteine zum Gesicht rechts.
Die Gesetze der Thermodynamik schreiben der Natur jedoch vor: Ordnung machen erfordert Arbeit – bzw. Energie. Das gilt für das Zimmeraufräumen ebenso wie für das Wachstum von Pflanzen und anderen Lebewesen.
Was leben will, braucht also (mindestens) eine verlässliche Energiequelle, um all seine chemischen Prozesse am Laufen zu halten.
Wir Menschen erledigen das beim Essen: In unserer Nahrung sind Moleküle – vornehmlich Zuckermoleküle – enthalten, in welchen Energie gespeichert ist. Diese „chemische“ Energie kann freigesetzt werden, wenn solche Moleküle mit passenden Partnern reagieren und dabei weniger energiereiche Produkte entstehen.
Grüne Pflanzen halten es anders: Sie bauen ihre Zuckermoleküle selbst! Und die Energie, welche sie in diese Moleküle einbauen, liefert ihnen das Sonnenlicht. Ganz verlässlich jeden Tag aufs Neue. Den Prozess, in welchem aus Kohlendioxid und Wasser mit Hilfe von Sonnenenergie Zuckermoleküle entstehen, nennen Biologen und Biochemiker „Photosynthese“.
Photosynthese: Wie aus Luft und Wasser Zucker wird
‚Die Photosynthese‘ fasst eine ganze Reihe von Reaktionen und Prozessen zusammen, für die wiederum eine ganze Reihe von Proteinen gebraucht wird – und natürlich Licht. Das Ganze lässt sich in einer einfachen Reaktionsgleichung zusammenfassen, welche die Ausgangsstoffe und das (vorläufige) Endprodukt der Photosynthese enthält:
Wer nachzählt, wird feststellen, dass links und rechts des Pfeils von jeder Sorte gleich viele Atome stehen, wie es sich für eine ordentliche Reaktionsgleichung gehört. 6 Moleküle Kohlendioxid (CO2) und 6 Wasser-Moleküle (H2O) werden also zu einem Traubenzucker- (bzw. Glucose-) Molekül (C6H12O6) und 6 Sauerstoff-Molekülen (O2) umgebaut.
Um Traubenzucker-Moleküle zu machen ist Energie erforderlich, die in diesen Molekülen gespeichert wird und später wieder freigesetzt werden kann. Lebewesen, d.h. Tiere, Menschen und auch Pflanzen können Glucose zu diesem Zweck im Zuge der Zellatmung kontrolliert „verbrennen“ (dazu benötigen wir den Sauerstoff, den wir atmen). Dass Zucker sich mit einem kleinen Trick auch ganz einfach anzünden und zur Energiefreisetzung abbrennen lässt, könnt ihr mit der „mysteriösen Pharao-Schlange“ selbst ausprobieren.
Licht wird zu chemischer Energie
Bevor es an die Zellatmung geht, muss der Energieträger Glucose jedoch erst einmal hergestellt werden – mit Lichtenergie. Und Licht lässt sich mit farbigen Molekülen sammeln: Im Artikel zu Farben, Licht und Glanz erkläre ich ausführlich, wie passende Lichtportionen (man nennt sie Photonen oder Lichtquanten) Elektronen auf eine höhere Etage innerhalb der Elektronenhülle eines Moleküls „anregen“ können. Je nachdem wie ein solches Molekül gebaut ist, können derart „angeregte“ Elektronen von der höheren Etage aus sehr einfach „ihr“ Molekül verlassen, um in die Elektronenhülle eines anderen Moleküls in der Nähe „einzuziehen“.
Ein Molekül mit dieser Fähigkeit zur Abgabe von Elektronen ist Chlorophyll, das vornehmlich blaues und rotes Licht zur Elektronenbeförderung verwendet (grünes und gelbes Licht lässt es unbehelligt, weshalb es uns grün erscheint). In den grünen Teilen von Pflanzen sitzen Chlorophyll-Moleküle dicht an dicht in Proteine eingebettet, wie Rosinen in einem sehr rosinenreichen Kuchen. Das Ganze hat die Form eines molekularen Hohlspiegels: So können angeregte Chlorophyll-Moleküle ihre Nachbarn anregen und ihre gesammelte Lichtenergie an das „Chef“-Chlorophyll im Brennpunkt des „Spiegels“ weiterleiten. Einmal angeregt kann dieses Molekül sehr einfach ein Elektron an ein benachbartes Protein abgeben, welches es wiederum an seinen Nachbarn weiterreicht und so fort, bis das Elektron schliesslich auf ein kleineres, bewegliches Elektronen-Transportmolekül (NADPH) verladen und zur Zucker-Herstellung „verschifft“ wird.
Dem ursprünglichen „Chef“-Chlorophyll – jetzt ein elektrisch positiv geladenes „Radikal“ – missfällt das nun fehlende Elektron jedoch so sehr, dass es sich schleunigst ein neues sucht. Behilflich ist ihm dabei ein weiteres Nachbar-Protein – ein Enzym, das Wassermoleküle auseinanderbauen kann:
Die vier Elektronen, die bei dieser Reaktion entstehen, werden zum Wiederauffüllen der Elektronenhülle von Chlorophyll verwendet. Die Wasserstoff-Ionen (H+) dienen als „Treibstoff“ für molekulare Dynamos (Proteine names ATP-Synthase), die das Energieträger-Molekül ATP „generieren“. Einzig die Sauerstoff-Atome haben keinen direkten Nutzen. So werden je zwei davon zu einem Sauerstoff-Molekül (O2) verbunden und kurzerhand durch die Spaltöffnungen in den Pflanzenblättern entsorgt.
In dieser „Lichtreaktion“ werden also Lichtquanten gesammelt, um mit ihrer Energie Wassermoleküle zu zerlegen und den Elektronentransporter NADPH sowie den Energietransporter ATP zu beladen. Dabei bleiben Sauerstoff-Moleküle als Abfall übrig, der entsorgt werden muss.
Und dass letzteres wirklich funktioniert, könnt ihr selbst nachweisen:
Versuch 1 : Sauerstoff durch Photosynthese
Sauerstoff ist Ausgangsstoff für jede Art von Verbrennung, zum Beispiel der von Kerzenwachs. Ohne Sauerstoff kann keine Verbrennung stattfinden. In einem abgeschlossenen Raum verbraucht eine brennende Kerze daher sämtlichen Sauerstoff und verlischt dann. Eine brennende Kerzenflamme zeigt also an, dass Sauerstoff in ihrer Umgebung vorhanden ist. Und das könnt ihr euch zu Nutze machen. Dazu braucht ihr:
Ein dicht verschliessbares Einmachglas, am besten mit Scharnier-Deckel
Eine Kerze, ggfs. mit Untersatz
Streichhölzer
Frische grüne Pflanzenteile bzw. -blätter
Sonnen- oder elektrisches Licht
Eine Zange, Wäscheklammer oder ähnliches
Durchführung Teil 1:
Zündet die Kerze an und platziert sie wie auf dem Bild im liegenden Einmachglas (Bei der Verbrennung entsteht Kohlenstoffdioxid (CO2), das schwerer als Luft ist und daher nach unten sinkt. Daher sollte die Flamme oben im Glas brennen, damit sie nicht vorzeitig erstickt).
Position der Kerze im Glas – Hier nach dem Verlöschen mit Blättern. So kann der Aufbau einige Stunden von der Sonne beschienen werden.
Verschliesst das Glas dicht und wartet, bis die Flamme erloschen ist. Nun ist im Glas kein Sauerstoff mehr vorhanden, sondern ein Gemisch aus Stickstoff (der Hauptbestandteil von Luft) und Kohlenstoffdioxid.
Sobald das Kerzenwachs erstarrt ist, stellt das Einmachglas aufrecht und öffnet es vorsichtig (da Kohlenstoffdioxid schwerer als Luft ist, dringt es nicht hinaus, und so lange es keine Verwirbelungen gibt, kommt so kein Sauerstoff hinein).
Entzündet ein Streichholz und lasst es mit der Zange/Klammer vorsichtig in das Glas hinab.
Das Streichholz wird verlöschen: Es ist wirklich kein Sauerstoff im Glas!
Durchführung Teil 2:
Platziert nun die Pflanzenteile hinten bzw. unten im Glas und platziert die brennende Kerze davor. Ich lasse dabei ein paar Tropfen Wasser im Glas (z.B. an nassen Pflanzenteilen), damit die Blätter nicht übermässig Wasser ausschwitzen.
Schliesst das Glas und wartet, bis der Sauerstoff darin verbraucht ist und die Flamme verlischt.
Stellt das Glas ungeöffnet für einige Stunden an die Sonne bzw. unter eine helle Lampe.
Anschliessend stellt das Einmachglas aufrecht und senkt wie oben beschrieben ein brennendes Streichholz hinein.
Das Streichholz brennt im Einmachglas: Hier ist Sauerstoff vorhanden!
Das Streichholz wird vollständig abbrennen: Da von aussen kein Sauerstoff ins Glas kommt, muss im Glas Sauerstoff entstanden bzw. freigesetzt worden sein!
Auch im Dunkeln wird gearbeitet: Von der Photosynthese zur Kartoffel
Die „Last“ der im Zuge der Lichtreaktion beladenen Elektronen- bzw. Energietransporter wird an ihrem Bestimmungsort innerhalb der Blätter verwendet, um die Kohlenstoff-Atome aus CO2-Molekülen zu Zucker-Molekülen zu verknüpfen. Wie in der Summengleichung für die Fotosynthese angegeben bilden 6 Kohlenstoffatome (samt Sauerstoff und Wasserstoff) dabei ein Molekül Glucose (C6H12O6). Damit diese noch recht kleinen Moleküle in „ihrer“ Zelle keine Unordnung schaffen, werden sie dort miteinander zu langen Ketten verknüpft: Zu Stärke-Molekülen.
Einfaches Stärkemolekül („Amylose“) – eine Kette aus Glucose-Molekülen, hier als Sechsringe dargestellt.
Aus diesem Zwischenlager kann die Glucose jederzeit – also auch im Dunkeln – wieder freigesetzt werden, zum Beispiel für die Zellatmung oder zum Umbau in andere Verbindungen. Dazu zählt zum Beispiel der „Fruchtzucker“ Fructose. Und ein Molekül Fructose lässt sich mit einem Molekül Glucose zu einem Paar verbinden – besser gesagt zu einem Molekül Saccharose, die wir alle als Haushaltszucker kennen. Die Saccharose kann nun durch das Leitungssystem einer Pflanze aus den Blättern zu anderen Orten transportiert, dort wieder in Stärke umgewandelt und eingelagert werden.
So können Pflanzen auch ihre Teile versorgen, die ständig im Dunkeln liegen, wie ihre Wurzeln. Manche Pflanzen können auf diese Weise enormen Mengen an Stärke in entsprechend voluminösen Wurzeln einlagern. Und da auch der menschliche Körper Stärke abbauen und verwerten kann, landen diese Wurzeln – zum Beispiel Kartoffeln – häufig auf unserem Teller.
Da der Abtransport der Zucker aus den Blättern auch im Dunkeln möglich ist, wird tagsüber ein Teil der mittels Photosynthese hergestellten Zucker in die Stärke-Zwischenspeicher in den Pflanzen-Blättern gefüllt, während ein anderer Teil in die Wurzeln abtransportiert wird. Nachts – ohne Licht – kommt die Photosynthese zum Erliegen, sodass nur noch Zucker abtransportiert werden und die Zwischenspeicher sich leeren.
Und den Füllstand dieser Zwischenspeicher könnt ihr sichtbar machen:
Versuch 2 : Sichtbare Stärke in Pflanzen-Blättern
Stärke wird deutlich sichtbar, wenn man sie mit (elementarem) Iod in Berührung bringt: In Wasser verdrillen sich die langen Stärkeketten zu Spiralen, ähnlich einem gekräuselten Geschenkband. In diese Kräusel passen Iod-Atome wunderbar hinein, sodass aus (in Lösung braunem) Iod und farbloser Stärke mit Iod gefüllte Spiralen entstehen, die sehr dunkelviolett oder sogar schwarz aussehen. Wenn sich Pflanzenteile in Iodlösung dunkel färben, enthalten sie also Stärke, was ihr als Nachweis nutzen könnt. Dazu braucht ihr:
Eine lebende Blattpflanze
einen schwarzen ( = lichtundurchlässigen ) Plastiksack (z.B. ein Abfallsack)
Schnur zum Zubinden des Sacks
Iod-Lösung:
entweder Iod-Kaliumiodid-Lösung („KI3„): 3g Iod und 10g Kaliumiodid auf 1l Wasser, oder auch fertig zu kaufen, z.B. als Testlösung für den Erntezeitpunkt von Obst oder in der Apotheke/Drogerie (da die dunkle Färbung mit dieser Variante deutlicher ausfällt als mit der zweiten, lohnt sich der Einkauf für das „Testen“ von Blättern)
oder Betaisodona-Lösung bzw. -salbe (Polyvidon-Iod, eine andere, wasserlösliche Einschluss-Verbindung mit Iod) aus der Apotheke): Aus der Salbe könnt ihr eine Lösung herstellen, indem ihr 2 bis 3 cm davon aus der Tube in ein Glasgefäss drückt und wenige Milliliter Wasser dazu gebt. Die Salbe löst sich in wenigen Minuten vollständig darin auf (ggfs. könnt ihr ein wenig umrühren), sodass eine kräftig braune Flüssigkeit übrig bleibt.
Sonnen- oder elektrisches Licht
eine Herdplatte oder vergleichbare Wärmequelle
evtl. Brennsprit/Spiritus, ein zusätzliches Glasgefäss und eine Grillzange oder ähnliches
eine Pinzette
Eine kleine Schale aus Glas (kein Kunststoff – der könnte vom Iod ebenfalls dunkel verfärbt werden!)
Durchführung:
Stülpt den Plastiksack über einen Zweig eurer Pflanze mit Blättern (nicht über die ganze Pflanze – einige Blätter sollen am Licht bleiben!).
Plastiksack über einem Zweig unseres chinesischen Ahorns (der mehr als genug Blätter zum Experimentieren hat).
Lasst die Pflanze mindestens 3 Tage lang am Licht (ggfs. giessen nicht vergessen!).
Pflückt ein Blatt von eurer Pflanze. Dann entfernt den Plastiksack und pflückt ein weiteres Blatt, welches zuvor im Sack gewesen ist.
Wenn ihr mit Kaliumtriiodid-Lösung arbeitet: Legt jedes Blatt einzeln in einen Kochtopf mit Wasser und lasst es auf dem Herd mindestens 15 Minuten kochen. Dabei werden die Blatt-Zellen so weit zerstört, dass Iod-Lösung einfach hineindringen kann.
Wenn ihr mit Betaisodona arbeitet: Legt jedes Blatt einzeln für wenige Minuten in kochendes Wasser (bis das Wasser sich grünlich zu färben beginnt). Dann fischt das jeweilige Blatt mit einer Pinzettte aus dem Wasser und legt es in ein Gefäss mit etwas Ethanol („Alkohol“: Brennsprit bzw. Spiritus). Erhitzt den Alkohol vorsichtig, indem ihr das Gefäss in das leicht kochende Wasser in eurem Kochtopf taucht.
Extraktion von Chlorophyll im Wasserbad: Im Becherglas sind Alkohol und das Blatt, im Topf ist Wasser. Die lange Grillzange erlaubt es mir, auf Abstand zu den Dämpfen zu bleiben.
Der Alkohol löst das verbliebene grüne Chlorophyll aus den beschädigten Blattzellen, sodass das Blatt ausgebleicht zurückbleibt. So ist die dunkle Farbe der Iodstärke später besser zu sehen.
Brennsprit bzw. Spiritus ist leicht entzündlich! Verwendet kein offenes Feuer zum Erhitzen, sondern einen Elektroherd! Alkohol-Dampf kann überdies benommen machen! Nicht einatmen! Haltet Abstand zum Topf und schaltet – wenn vorhanden – die Dunstabzugshaube ein! Verwendet überdies so wenig Alkohol wie möglich.
Legt die Blätter auf eine flache Glas- oder Porzellanschale. Verteilt Iodlösung auf den Blättern und lasst sie wenige Minuten einziehen.
Das Blatt, welches der Sonne ausgesetzt war, wird sich dunkel färben: Hier ist durch Fotosynthese Stärke entstanden und eingelagert worden. In den Blättern unter dem Plastiksack konnte keine Stärke entstehen. Aus diesen Blättern wurde die Stärke also nur abtransportiert, sodass keine/kaum Stärke übrig ist, die sich dunkel färben könnte!
Links: Ein belichtetes Blatt vom chinesischen Ahorn nach dem Erhitzen in Ethanol: Der Bereich um die grosse mittlere Blattader ist weitgehend gleichmässig hell. Rechts: Nach dem Beträufeln mit Polyvidon-Iod zeigen sich dunkle Strukturen – hier hat sich das Iod in Stärkemoleküle eingelagert!
Entsorgung von Iod-Lösungen
Iod ist sehr giftig für Wasserorganismen, weshalb es als Sonderabfall entsorgt werden muss!
Verwendet also möglichst wenig davon. Unbenutze Iod-Lösung könnt ihr in einer braunen Flasche im Dunkeln (Schrank) gut aufbewahren und für weitere Nachweise verwenden (z.B.: Welche Gemüse/welches Obst enthält Stärke?).
Ich habe übrigens meine abgelaufene Betaisodona-Salbe zur Herstellung von Polyvidon-Iod-Lösung verwendet und ihr so ein zweites Leben verschafft, anstatt sie zu entsorgen.
Wenn trotzdem Iod-Reste anfallen, bringt diese zur Entsorgung in die Apotheke (zurück) oder zu einer Sonderabfall-Entsorgungsstelle (Schweiz: An der Hauptsammelstelle der Gemeinde; Deutschland: Schadstoffmobil).
Entsorgung von Ethanol (Brennsprit bzw. Spiritus)
Brennsprit ist unbegrenzt mit Wasser mischbar: Sehr kleine Mengen (einige Milliliter) können mit viel Wasser in den Ausguss entsorgt werden. Grössere Mengen müssen wie andere Lösungsmittel in den Sonderabfall gegeben werden. Wer einen sicheren Spiritusbrenner hat, kann den Alkohol auch abbrennen (in brandsicherer Umgebung, Feuer nicht unbeaufsichtig lassen!).
Und wenn ihr nun Lust auf weitere Experimente zu Hause mit Pflanzen habt, findet ihr sie gleich hier in Keinsteins Kiste:
https://www.keinsteins-kiste.ch/wp-content/uploads/2017/06/Blogbild_Teil2_v5_2.png450810Kathi Keinsteinhttps://www.keinsteins-kiste.ch/wp-content/uploads/2018/03/Logo_rund.pngKathi Keinstein2017-06-15 14:18:502020-07-07 11:47:41Experimente: Das geheimnisvolle Leben der Pflanzen – Teil 2 : Photosynthese
Ostern rückt näher und es wird fleissig gebastelt, gekocht, gebacken und dekoriert. Doch auch für Naturforscher hat die Osterzeit einiges zu bieten – schliesslich dreht sich in diesen Tagen alles um ein kleines Wunder der Natur: Das Ei. Und ich verrate euch, was man mit einem Ei spannendes anstellen – und davon lernen kann.
Richtig gelesen: Die folgenden drei Experimente kannst du nacheinander mit einem einzigen rohen Ei durchführen! Lies dir die Anleitung daher vor dem Ausprobieren vollständig durch, damit du alles zum richtigen Zeitpunkt zur Hand hast. Die Inspiration dazu stammt übrigens aus dem englischsprachigen Raum, wo ebenfalls fleissig experimentiert wird.
Wusstest du, dass du ein rohes Ei schälen kannst, ohne dass sein Inneres beschädigt wird oder auseinander fliesst?
Du brauchst dazu
• ein rohes Hühnerei • Haushaltsessig (ca. 10% Essigsäure in Wasser) • ein abdeckbares Gefäss, in dem ein Ei gut Platz hat, zum Beispiel ein Honigglas • etwa 24 Stunden Zeit
Durchführung
Fülle das Gefäss etwa 5 bis 7 Zentimeter hoch mit Haushaltsessig und lasse das Ei vorsichtig hineingleiten. Decke die Öffnung ab, zum Beispiel mit einem passenden Schraubdeckel (nur auflegen, nicht fest zuschrauben!), und lasse das Gefäss einen Tag lang ruhig stehen.
Was du beobachten kannst
Sobald das Ei mit dem Essig in Berührung kommt, bilden sich an seiner Oberfläche kleine Bläschen und steigen langsam zur Wasseroberfläche auf. Da findet eine chemische Reaktion statt, bei welcher ein Gas entsteht!
Deshalb darfst du das Gefäss in keinem Fall fest verschliessen. Denn sonst ist das Gas darin gefangen, und es entsteht ein Überdruck, der die Reaktion zum Erliegen bringt (warum das so ist, erklärt Le Châtelier am Flughafen).
Wenn du das Ei nach einem Tag wieder aus dem Essig nimmst (die menschliche Haut ist mit einem Säureschutz ausgestattet: In 10%igen Haushaltsessig kannst du gefahrlos mit der blossen Hand greifen und das Ei herausfischen. Spüle danach Ei und Hand gründlich unter fliessendem Wasser ab!), ist die harte Schale verschwunden. Dafür schwimmen vielleicht schaumige Reste auf der Essigoberfläche, die, wenn du wie ich ein braunes Ei verwendest, braune Farbstoff-Schlieren enthält. All das ist harmlos und kann einfach mit abgespült werden.
Geblieben ist das Innere des rohen Eis, umgeben von einer dünnen, samtweichen Haut. Das Ei ist jetzt elastisch: Es lässt sich mit den Fingern (vorsichtig) eindrücken.
Und es ist durchscheinend: Du kannst durch die Aussenhaut den gelben Dotter sehen oder das Ei gegen das Licht halten, um ihn als dunklen Schatten sichtbar zu machen. Ausserdem – es ist dir vielleicht schon aufgefallen – ist das Ei grösser als vor seinem Bad im Essig!
Das ‚nackte‘ Ei rechts ist grösser als das Vergleichs-Ei mit Schale links!
Wie ist ein Ei aufgebaut?
Ein Hühnerei enthält in erster Linie Proteine, Fette und Wasser. Dazu kommen nahezu alle Vitamine(Link) (einzig Vitamin C wird erst beim Ausbrüten eines befruchteten Eis gebildet) und viele Mineralstoffe. Schliesslich ist das Ei dafür geschaffen, ein sich entwickelndes Küken zu ernähren.
Der Mittelpunkt eines Eis ist der Dotter, auch Eigelb genannt, die Hauptnahrungsquelle des jungen Hühnerembryos. Er besteht zu 16% aus Proteinen, 32% aus Fetten und zu 50% aus Wasser. Die restlichen 2% entfallen auf Mineralstoffe und Kohlenhydrate. Der Eidotter entsteht im Eierstock der Henne und wandert, von einer dünnen Membran umgeben (diese Membran hält das Eigelb auch auf einem Spiegelei zusammen!), nach dem Eisprung den Eileiter hinab.
Dabei wird der Dotter schrittweise von mehreren Schichten Eiklar umgeben: Zunächst von einer dickflüssigen Schicht, die in den Hagelschnüren ausläuft, welche den Dotter in der Mitte des Eis fixiert halten. Dann kommen zwei dünnflüssige Schichten, deren äussere von einer doppelten inneren Eischalenmembran umgeben ist (die Eischalenmembran ist die dünne Haut, die sich beim gekochten Ei oft einzeln ablösen lässt). Das Eiklar dient nicht nur als zweite Nahrungsquelle für das Küken, sondern auch als Stossdämpfer. Es besteht zu 87% aus Wasser und nur zu 11% aus Proteinen – die restlichen Inhaltsstoffe machen nicht mehr als 2% aus.
Zum Schutz der feinen Eischalenmembran ist das Ei aussen von einer harten Kalkschale umgeben. Etwa 10’000 Poren in der Schale ermöglichen den Austausch von sehr kleinen Molekülen, zum Beispiel Sauerstoff und Kohlenstoffdioxid, sodass das sich entwickelnde Küken „atmen“ kann. Eine hauchdünne Oberhaut auf der Schale (die Kutikula) wirkt, ebenso wie das Eiklar, keimabweisend, sodass intakte Eier nicht nur unter der Henne, sondern auch bei Raumtemperatur relativ lange haltbar sind.
Essig, unter Chemikern „Essigsäure“, ist eine schwache, aber wirksame Säure. Das bedeutet, Essig-Moleküle können H+-Ionen abgeben, die von einer „Base“ aufgenommen werden:
Eine stärkere Base als Wasser ist das Carbonat-Ion im Kalk (unter Chemikern Calciumcarbonat, CaCO3), sodass Essig um so leichter mit dem Kalk in der Eierschale reagiert:
Es entsteht Kohlensäure (H2CO3), die schnell in Kohlenstoffdioxid und Wasser zerfällt:
Das Kohlenstoffdioxid sammelt sich in Gasbläschen und steigt von der Eierschale zur Essig-Oberfläche auf. Übrig bleiben Calcium-(Ca2+) und Acetat-(H3C-COO–)-Ionen, die sich gemeinsam recht gut in Wasser lösen. Da die Eierschale zu 90% aus Kalk besteht, löst sie sich bei der Reaktion mit dem Essig vollständig auf. Die übrigen 10% – unter anderem die Farbe brauner Eier – sammeln sich dabei als mehr oder minder flüssiger Überrest an der Essigoberfläche.
2. Das Schrumpf-Ei
Wenn ein Ei ohne Schale grösser wird, kann es dann auch kleiner werden? Und wie kommt es dazu?
Zum Ausprobieren brauchst du
• das nackte Ei aus Versuch 1 • das gesäuberte Gefäss aus Versuch 1 • Glucosesirup oder einen stark zuckerhaltigen Süssgetränkesirup • etwa 12 bis 18 Stunden Zeit
Durchführung
Lege das nackte Ei in das leere Gefäss und fülle es bis nahezu zum Rand mit dem Sirup auf. Das Ei wird an der Oberfläche schwimmen.
Schliesse also den Deckel dieses Mal vollständig oder beschwere eine lose Abdeckung, sodass das Ei in die Flüssigkeit hinabgedrängt wird. Dann lasse das Ganze über Nacht ruhig stehen.
Was du beobachten kannst
Wenn du das Ei nach seinem nächtlichen Bad wieder aus dem Sirup fischst und abspülst, ist es spürbar weicher und nachgiebiger. So wird es jetzt schon durch sein eigenes Gewicht deutlich eingedrückt, wenn man es auf deine flache Oberfläche legt.
Ausserdem ist es auf seine ursprüngliche Grösse, vielleicht sogar noch weiter geschrumpft!
Das geschrumpfte Ei ist ein wenig kleiner als das Vergleichs-Ei mit Schale. Der Sirup hat es zudem dunkel gefärbt!
Da ich einen dunklen Getränkesirup verwendet habe, hat mein Ei ausserdem die braune Farbe des Sirups angenommen.
Warum schrumpft das Ei?
Alle Stoffe bestehen aus winzigen Teilchen, die (oberhalb des absoluten Nullpunkts) immerzu in Bewegung sind. In einem Feststoff sind diese Teilchen zwar in einem festen Gitter geordnet, schwingen an ihren Plätzen aber laufend hin und her. In einer Flüssigkeit oder einem Gas schwirren die Teilchen dagegen weitgehend frei umeinander, wie Menschen auf einem belebten Stadtplatz.
Bringt man also zwei Flüssigkeiten oder Gase zueinander, wuseln ihre Teilchen zwangsläufig durcheinander: Teilchen des einen Stoff dringen in den zweiten, die des zweiten Stoffes in den ersten. Diese unwillkürliche Bewegung ineinander nennen Chemiker (und Physiker) „Diffusion“.
Die Eischalenmembran ist nun eine „halbdurchlässige“ Haut: Sie enthält winzige Poren, durch die nur sehr kleine Moleküle, wie Wasser (H2O), Sauerstoff (O2), Stickstoff (N2), Kohlenstoffdioxid (CO2) hindurch gelangen können. Grössere Moleküle, wie zum Beispiel Zuckermoleküle (ein Molekül Haushaltszucker (Saccharose) besteht aus 45 Atomen, Traubenzucker (Glucose) aus 24 Atomen!) kommen da nicht durch. Wenn den wuselnden Teilchen zweier (oder mehrerer) Stoffe solch eine Membran in den Weg kommt, können nur solche Teilchen in den jeweils anderen Stoff wandern, die die Membran durchlässt.
Das Eiklar im Ei besteht aus Proteinen – sehr grossen Molekülen – und Wasser, während der Sirup hauptsächlich aus Zucker, also grösseren Molekülen, und Wasser besteht. So gelangen nur Wassermoleküle durch die Eischalenmembran: Aus dem Ei, wo es viele gibt (87% des normalen Eiklars bestehen aus Wasser, im nackten Ei sogar noch mehr!), wandern viele nach draussen. Dagegen wandern nur ganz wenige aus dem Sirup in das Ei, da es im Sirup nur wenige Wassermoleküle gibt. Dabei bleibt dem Ei immer weniger Wasser: Es schrumpft! Das Ganze funktioniert so lange, bis im Verhältnis zum Zucker bzw. Eiweiss draussen und drinnen gleich viel Wasser vorhanden ist – denn dann wandern stets gleich viele Wassermoleküle raus und rein.
Die Diffusion durch eine halbdurchlässige Membran in nur eine Richtung wird „Osmose“ genannt und von lebenden Zellen zum Stoffaustausch genutzt. Viele Zellmembranen haben nämlich viele Poren für Wasser, aber weniger für Salz(e ) bzw. Ionen. Nehmen wir sehr grosse Mengen Kochsalz zu uns(der penetrante Salzgeschmack bewahrt uns normalerweise davor) , sodass sich zwischen den Zellen unseres Körpers sehr viel Salz einfindet, wandert Wasser vornehmlich aus den Zellen hinaus, sodass diese einschrumpfen wie das Ei. Und das kann tödliche Folgen haben, wie der „Chemische Reporter“ zu berichten weiss.
Die Poren in der Eischalenmembran lassen im Übrigen auch für den braunen Farbstoff im Sirup durch: Da die Farbstoffmoleküle anfangs nur draussen im Sirup vorhanden waren, sind einige davon in das Ei hineingewandert, sodass es nach dem Bad im Sirup braun aussieht. Das zeigt, dass die Diffusion tatsächlich zeitgleich in beide bzw. alle Richtungen abläuft!
3. Der Eier-Springbrunnen
Kann das Ei auch wieder wachsen? Und wieviel grösser kann es werden?
Zum Ausprobieren brauchst du
• das nackte, geschrumpfte Ei aus Versuch 2 • das gesäuberte Gefäss aus Versuch 2 • Leitungswasser • eventuell Lebensmittelfarbe • 12 bis 18 Stunden Zeit • einen Eierbecher und ggfs. einen Teller zum Unterlegen • einen spitzen Zahnstocher oder eine Nadel
Durchführung
Fülle das Gefäss mit Leitungswasser, mindestens etwa 5 cm hoch. Wenn du in Versuch 2 einen farblosen Sirup verwendet hast, kannst du nun etwas Lebensmittelfarbe in das Wasser mischen, bis es kräftig gefärbt ist. Lege dann das geschrumpfte Ei hinein. Das Ei ist nun dichter als das Wasser und sinkt von selbst auf den Boden des Gefässes.
Lasse das Ei weitere 12 bis 18 Stunden im Wasser ruhen. Dann nimm es heraus, trockne es vorsichtig ein wenig ab und setze es auf den Eierbecher, mit der Spitze nach oben. Stich mit der Nadel oder dem Zahnstocher das Ei oben an der Spitze an – und beobachte den Springbrunnen!
Was du beobachten kannst
Während seines zwölfstündigen Bades in Leitungswasser wird das Ei mindestens so gross, wie es nach Versuch 1 war, aber nicht nennenswert grösser. Wenn du in Versuch 2 dunklen Sirup verwendet hast, wird das anfangs farblose Wasser dabei leicht eingefärbt.
Wenn du stattdessen farblosen Sirup und im letzten Schritt Lebensmittelfarbe verwendet hast, nimmt das Ei deren Farbe an (ein richtiges Osterei !). In jedem Fall fühlt es sich wieder prall an im Vergleich zum geschrumpften Zustand nach Versuch 2.
Das nackte Ei ist nun wieder deutlich grösser als das Vergleichs-Ei.
Wenn du das aufgerichtete Ei oben kräftig anstichst, tritt Flüssigkeit, hauptsächlich Wasser, in einer kleinen Fontaine aus. Lege daher, wenn dein Eierbecher keine Auffangrinne hat, einen Teller darunter!
Hast du keine Scheu vor Glibber, kannst du anschliessend die Überreste des Eis auseinander und näher in Augenschein nehmen. Mein Eidotter war nach den dreitägigen Wechselbädern wie hart gekocht: Etwas, das dabei ins Ei eingedrungen ist – Essigsäure, eine kleine Menge Alkohol aus dem Sirup oder viel Wasser – hat anscheinend die Proteine darin zum Gerinnen gebracht.
Entsorgung
Alle drei Versuche werden ausschliesslich mit Lebensmittelbestandteilen durchgeführt (Haushaltsessig ist auch nichts anderes als konzentrierter, sauberer Speiseessig). Alle Reste können daher in den Abfluss gespült werden. Die festen Überreste des Eis kannst du in den Bioabfalll geben. Wasche dir nach dem Umgang mit dem offenen rohen Ei in Versuch 3 gründlich die Hände!
Der osmotische Druck und seine Folgen
Legt man das geschrumpfte Ei in sauberes Wasser, wird die Richtung der Bewegung durch Osmose einfach umgekehrt: Im Verhältnis zu grösseren Molekülen ist ausserhalb des Eis sehr viel mehr Wasser als drinnen. So wandern jetzt mehr Wassermoleküle in das Ei hinein als hinaus: Das Ei wächst wieder (aus diesem Grund ist es auch beim Auflösen der harten Schale gewachsen: Wasser aus der Essiglösung ist hineingewandert).
Wenn das Wasser ausserdem Lebensmittelfarbe enthält, wandern Farbstoffmoleküle, für welche die Eischalenmembran ebenfalls durchlässig ist, wie das Wasser in das Ei hinein und „färben“ es.
Durch die stete Zuwanderung von Wassermolekülen wird es im Ei zunehmend eng: Es baut sich Druck auf – man spricht vom osmotischen Druck. Dieser Druck kann die weitere Zuwanderung von Molekülen bremsen (wenn es im Ei eng wird, kommt es an den Poren der Membran zu Stau), oder, wenn er überhand nimmt, die Membran zum Platzen bringen!
Die doppelte Eischalenmembran hält allerdings eine Menge aus, sodass der osmotische Druck die Einwanderung des Wassers ausbremst, bevor die Membran platzen kann. Spürbar ist dieser Druck dennoch: Er strafft die Membran, wie der Druck in einem gefüllten Luftballon die Ballonhaut. Wenn man das Ei dann gezielt ansticht, lässt der darin aufgebaute Druck das Wasser im hohen Bogen durch das Loch hinausschiessen.
Die Körperzellen von Menschen und Tieren sind da weniger robust: Bringt man zum Beispiel rote Blutzellen in reines Wasser, wandern viele Wassermoleküle durch die Zellmembran in sie hinein. In Folge des sich aufbauenden osmotischen Drucks blähen die Zellen sich auf – schlimmstenfalls, bis sie platzen. Und das ist dem Leben überaus abträglich. Deshalb enthält eine Infusion vom Arzt immer so viel Salz und grössere Moleküle wie normales Blutplasma (die Blutflüssigkeit) auch. Das Blutplasma ist nämlich gerade so geschaffen, dass weder übermässig viel Wasser in die Blutzellen hinein, noch aus ihnen hinaus wandern kann.
Pflanzenzellen kommen mit Verschiebungen des osmotischen Drucks übrigens besser klar: Sie haben eine feste Aussenwand, die sie am Platzen hindert und im Innern ein eigenes Reservoir für überschüssiges Wasser. So schrumpfen die Zellen innerhalb ihrer Zellwände, wenn die Pflanze durstet, sodass sie schlaff und welk aussieht, aber ihre Form nicht ganz verliert. Wenn man dann kräftig giesst, wandert Wasser in die Zellen und füllt auch das Reservoir (die Vakuole), sodass die Zellwände gestützt werden und die Pflanze binnen kürzester Zeit wieder straff und frisch aussieht.
Ich wünsche dir viel Spass beim Experimentieren mit dem „nackten“ Ei und seinen Osmose-Fähigkeiten – und schöne, kreative und lehrreiche Ostern!
Hast du die Experimente nachgemacht:
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Wenn etwas nicht oder nur teilweise funktioniert haben sollte, schreibt es in die Kommentare. Ich helfe gerne bei der Fehlersuche!
https://www.keinsteins-kiste.ch/wp-content/uploads/2017/04/Artikelbild_Teaser.jpg449810Kathi Keinsteinhttps://www.keinsteins-kiste.ch/wp-content/uploads/2018/03/Logo_rund.pngKathi Keinstein2017-04-10 09:14:062020-07-07 11:49:08Osmose mit Ei : 3 einfache Experimente zu Ostern
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, CO2. 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 CO2 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:
Der hiesige Haushaltsessig aus dem Supermarkt enthält nur 9,5% Essigsäure (und 80,5% Wasser), sodass sichdamit kaum genug Gas erzeugen lässt.
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.
Daraus kann mit der gleichen Menge Essigsäure die doppelte Menge CO2 freigesetzt werden . Unglücklicherweise bin ich dazu erst recht zu langsam…
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:
Die Reaktion setzt tatsächlich Gas frei – genug, um einen Ballon damit aufzublasen.
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.
Woher kommt das CO2?
Essigsäure ist ein Stoff, der H+-Ionen abgeben kann (d.h. eine Säure), während Carbonat-Ionen ihrerseits H+-Ionen aufnehmen können (d.h. das Carbonat-Ion ist eine Base). Das ermöglicht Essigsäure (CH3COOH) und Soda (Natriumcarbonat, Na2CO3, 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 CO2 freigesetzt. Da zuvor zwei H+-Ionen nötig sind, um ein Molekül Kohlensäure zu erzeugen, braucht es zwei Moleküle Essigsäure für jedes Molekül CO2 , das erzeugt und in den Ballon gefüllt werden soll.
Deshalb habe ich die Variante mit Natron versucht. Denn „Natron“ ist Natriumhydrogencarbonat, NaHCO3. Dieses Salz enthält schon halb fertige Kohlensäure, sogenannte Hydrogencarbonat-Ionen, HCO3–. Um daraus Kohlensäure zu machen, braucht es nur noch ein Molekül Essigsäure pro künftiges CO2 :
Das entstehende Gas lässt das Reaktionsgemisch wild aufschäumen, und wenn man es rasch einfängt, entsteht genügend Druck, um einen Ballon aufzublasen!
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.
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!
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!
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!
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 anderes um sein CO2 erleichtern: Durch thermische Zersetzung! Natriumcarbonat oder Natriumhydrogencarbonat setzen nämlich bei ausreichend hoher Temperatur und den richtigen Umständen ganz von allein CO2 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 (MnO2 „Braunstein“), blaues Kupfersulfat (CuSO4* 5 H2O) 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.
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.
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!
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.
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 CO2 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!
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!
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?
Hast du die Experimente nachgemacht:
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Wenn etwas nicht oder nur teilweise funktioniert haben sollte, schreibt es in die Kommentare. Ich helfe gerne bei der Fehlersuche!
https://www.keinsteins-kiste.ch/wp-content/uploads/2017/02/Blogbild_Fasnachtszauber.jpg450810Kathi Keinsteinhttps://www.keinsteins-kiste.ch/wp-content/uploads/2018/03/Logo_rund.pngKathi Keinstein2017-02-24 10:29:082020-07-07 11:50:453 mal Partyspass mit CO2 : Spektakuläre Experimente (nicht nur) zu Fasnacht und Karneval
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