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Ludwigshafen

Hintergrundinformationen zu den Versuchen

Kinder sind meist sehr schnell für Experimente im Sachkundeunterricht zu begeistern - viele Lehrkräfte fühlen sich jedoch nicht entsprechend dafür ausgebildet und vorbereitet. Daher haben wir zusätzlich den Versuchsanleitungen, die Sie in der Fortbildung erhalten haben, vertiefende Hintergrundinformationen für Sie geordnet nach Themenblöcken zusammgengestellt.

Kläranlagen reinigen in Deutschland etwa 90 Prozent des anfallenden Abwassers. Sie bestehen in der Regel aus einer mechanischen und einer biologischen Reinigungsstufe.

Die Kläranlage der BASF ist eine der größten in Europa und die größte Kläranlage am Rhein: Sie reinigt eine Abwassermenge, die etwa drei Millionen Menschen in Privathaushalten verursachen würden. Weitere Informationen zur BASF Kläranlage finden Sie hier.

Wasser, das die Kläranlage verlässt, hat noch keine Trinkwasserqualität. Diese erhält es erst in sogenannten Trinkwasseraufbereitungsanlagen. Auch das „gereinigte“ Wasser aus dem Versuch „Schmutzwasser reinigen“ darf nicht getrunken werden.

Ein interaktives Experiment für Kinder zum Thema Schmutzwasserreinigung finden Sie im Virtual Lab.

Zusatzinformationen im Handbuch „NaWi – geht das? Wasser Luft und Lebensmittel“, B. Drechsler-Köhler, S. Brandt-Rentschler, E. Nitsche, 2005, S. 64–67

Aktivkohle wird z.B. aus Pflanzen, Tierknochen, Stein- oder Braunkohle hergestellt. Sie besteht aus Kohlenstoff und hat eine poröse, schwammartige Struktur. Ihre Oberfläche ist im Verhältnis zum Volumen riesig: 4 Gramm Aktivkohle (ca. 16 Kohle-Tabletten) besitzen eine Oberfläche ungefähr so groß wie ein Fußballfeld.

Viele Stoffe bleiben an dieser Oberfläche haften (Adsorption) und können so aus Lösungen oder Gasen entfernt werden. Aktivkohle wird deshalb zur Beseitigung unerwünschter Farb-, Geschmacks- und Geruchsstoffe aus Gasen, Dämpfen und Flüssigkeiten eingesetzt.

Etwa 5000 Tonnen pro Jahr dienen in Filtern von Autoklimaanlagen dazu, schädliche Gase aus Autoinnenräumen fernzuhalten. Aktivkohle adsorbiert außerdem Benzindämpfe aus der Abluft von Tankanlagen, Schweißgeruch aus Schuhen oder Farbstoffe aus Abwässern von Färbereien – so wie sie die Tinte im Versuch „Schmutzwasser reinigen“ entfernt. Auch Kaffee, Tee oder Cola lassen sich mit Aktivkohle entfärben.

In einem interaktives Experiment im Virtual Lab für Kinder wird die Funktionsweise von Aktivkohle anschaulich erklärt.

Tinte färbt nicht jedes Leitungswasser gleich: Sehr kalkhaltiges Wasser wird durch Tinte nur schwach blau; es entfärbt sich oft nach wenigen Minuten wieder.

Um dies zu verstehen, brauchen wir mehr Informationen über die Tinte: Es gibt verschiedene blaue Tintenfarbstoffe. In den handelsüblichen Marken sind das in der Regel Triphenylmethan-Farbstoffe. An diese Farbstoffmoleküle können sich negativ geladene Teilchen (Anionen) binden und sie so entfärben. Dabei bildet sich die ungefärbte Form des Farbstoffs. Anionen sind in kalkhaltigem Wasser, in Tintenkillern und in Natronlösung enthalten.

In Gegenwart von Säure (z. B. Zitronensaft oder Essig) sind Anionen nicht stabil. Zudem lässt sich mit Säure das entfärbende Anion sogar wieder vom Farbstoffmolekül abspalten, so dass sich der Farbstoff in seine blaue Form zurück verwandelt.

So wird verständlich, dass das Wasser mit ein wenig Zitronensaft angesäuert wird, damit der Versuch mit jeder Sorte Leitungswasser funktioniert.

Einige Schulen werden von ihrer örtlichen Apotheke mit Experimentiermaterial und auch mit Fachberatung unterstützt. Internetapotheken bieten Kohletabletten in günstigen Großpackungen an. Dort können auch weitere Verbrauchsmittel wie Iod-Salbe (Betaisodona Salbe) und Natron-Tabletten eingekauft werden.

Die einfachsten Zuckerarten bestehen aus einem Gerüst aus 5 oder 6 Kohlenstoffatomen, die ein ringförmiges Molekül bilden können (Einfachzucker oder Monosaccharide). Beispiele für Einfachzucker sind Traubenzucker (Glukose) oder Fruchtzucker (Fruktose).

Diese Einfachzucker können sich miteinander zu kurzen oder langen Ketten verbinden. Ketten aus zwei Zuckerbausteinen werden Zweifachzucker (Disaccharide) genannt. Dabei verbinden sich gleiche oder unterschiedliche Einfachzucker. Beispiele für Zweifachzucker sind Rohrzucker (Saccharose), der aus einem Glukose- und einem Fruktosebaustein zusammengesetzt ist, und Malzzucker (Maltose), der aus zwei Glukosebausteinen besteht.

Rohrzucker wird als Haushaltszucker, Streuzucker, Kristallzucker, Weißzucker, Rübenzucker oder Raffinade angeboten. Er steckt außerdem in Puderzucker, Würfelzucker, Kandiszucker und braunem Zucker.

Traubenzucker, Fruchtzucker und Milchzucker unterscheiden sich von Rohrzucker in ihrer chemischen Struktur und in ihren Eigenschaften wie Geschmack, Löslichkeit und Süßkraft.

Wenn sich sehr viele Glukosebausteine verbinden, entsteht Stärke. Wenn Stärke – beispielweise beim Kauen oder im Verdauungstrakt – in ihre Bausteine gespalten wird, werden wieder einzelne Glukosebausteine frei. Darum schmeckt Brot nach langem Kauen süß. Ein hierzu passendes online-Experiment für Schüler finden Sie im Virtual Lab.

Zusatzinformationen im Handbuch „NaWi – geht das? Wasser Luft und Lebensmittel“, B. Drechsler-Köhler, S. Brandt-Rentschler, E. Nitsche, 2005, S. 116–119

Mit Perlen kann die Struktur unterschiedlicher Zucker- und Stärkearten anschaulich dargestellt werden. Das Modell kann das eigene Verständnis der behandelten Stoffe und Prozesse unterstützen und besonders interessierten Kindern eine leicht verständliche Darstellung bieten.

Dazu werden beispielsweise rote Perlen einheitlicher Größe als Modelle für den Einfachzucker Traubenzucker (Glukose) verwendet. Andersfarbige, beispielsweise grüne Perlen, stellen den Einfachzucker Fruchtzucker (Fruktose) dar. Wird eine rote mit einer grünen Perle verbunden, stehen sie zusammen für den Zweifachzucker Rohrzucker (Saccharose). Entsprechend stellen zwei verbundene rote Perlen Malzzucker (Maltose) dar.

Eine Kette aus sehr vielen roten Perlen veranschaulicht eine Stärkekette. Wird diese Kette spiralförmig angeordnet, entspricht das der Spiralstruktur der sogenannten Amylose-Form von Stärke (vgl. Frage "Was ist Stärke?"). Viele mittellange, zu einer buschartigen Struktur verknüpfte Perlenketten veranschaulichen die verzweigte Amylopektin-Form der Stärke.

Traubenzucker (Glukose) spielt im menschlichen Stoffwechsel als Energielieferant und Baustein für andere Verbindungen eine zentrale Rolle. Die durch die Nahrung aufgenommenen Kohlehydrate werden beim Verdauen in Einfachzucker gespalten (siehe Versuch Süßes Brot). Diese gelangen durch die Darmwand ins Blut und damit weiter in die Körperzellen, wo sie entweder zur Energiegewinnung (Zellatmung) oder als Baustoff für andere Verbindungen verwendet werden. Das bei der Zellatmung frei werdende Kohlenstoffdioxid gelangt beim Ausatmen in die Atmosphäre und kann dann wieder von Pflanzen aufgenommen und durch Photosynthese zu Glukose verarbeitet werden (Kohlenstoff-Kreislauf).

Pro Kopf werden in Deutschland ungefähr 35 kg Zucker pro Jahr (ca. 20 Teelöffel pro Tag) konsumiert. Zur Veranschaulichung der in Nahrungsmitteln enthaltenen Zuckermengen eignet sich ein "Zuckerquiz". Hierbei ordnen die Kinder unterschiedlichen Nahrungsmitteln die enthaltene Zuckermenge in Form von Zuckerwürfen zu. Informationen über den Zuckergehalt finden sich in der Regel in der Nährwerttabelle. So enthalten beispielsweise 10 Gummibärchen ungefähr 5 Zuckerwürfel, eine Dose koffeinhaltige Limonade ca. 14 Zuckerwürfel, ein Portionstütchen Tomatenketchup (20g) ca. zwei Zuckerwürfel und ein Becher Fruchtjoghurt ca. 9 Zuckerwürfel. In diesem Beispiel wird von einem Gewicht von 2,5 g Gramm pro Zuckerwürfel ausgegangen.

Aus: Carolin Fuchs, Lisa Sauer & Prof. Dr. Björn Risch – AG Chemiedidaktik - Universität Koblenz-Landau: Süßungsmitteln auf der Spur – SGS Abschlusstagung. Ludwigshafen, 7. Mai 2013, S. 19 und 24

Zusatzinformationen im Handbuch „NaWi – geht das? Wasser Luft und Lebensmittel“, B. Drechsler-Köhler, S. Brandt-Rentschler, E. Nitsche, 2005, S. 119)

Die im Apfelsaft enthaltenen Zuckermoleküle bestehen aus Kohlenstoff-, Wasserstoff- und Sauerstoffatomen. Sie zersetzen sich ab einer Temperatur von ca. 150 °C. Der Zucker karamellisiert, zunächst entstehen eine hellbraune Färbung und ein unverwechselbarer Geruch. Erhitzt man weiter, entsteht letztlich schwarzer Kohlenstoff. Diesen Vorgang erkunden die Kinder in Dr. Blubbers Forscherauftrag B, bei dem sie einige Zuckerkristalle auf einem Löffel über der Flamme erhitzen.

Anhand dieses Versuchs lässt sich anschaulich erklären, warum Zucker auch als „Kohlen“-hydrate bezeichnet werden.

Zusatzinformationen im Handbuch „NaWi – geht das? Wasser Luft und Lebensmittel“, B. Drechsler-Köhler, S. Brandt-Rentschler, E. Nitsche, 2005, S. 122 f.)

Zitronensaft und Essig eignen sich ebenfalls als Geheimtinten. Die in diesen Flüssigkeiten enthaltenen Säuren greifen die Zellulose des Papiers an. Dieser Vorgang wird durch das Erhitzen beschleunigt. Die dunkle Färbung stammt letztendlich vom in der Zellulose enthaltenen Kohlenstoff, denn auch Zellulose besteht aus Zuckerbausteinen.

Auch Milch und Buttermilch eignen sich als Geheimtinten. Hier wird das Milcheiweis braun, so wie wenn Milch anbrennt.

Stärkemoleküle sind Ketten (Polysaccharide) aus Zuckerbausteinen (Glukose bzw. Traubenzucker). Diese Ketten sind lang und spiralförmig (Amylose) oder in viele Seitenäste buschförmig verzweigt (Amylopektin). Amylose in Kartoffeln ist aus Tausenden von Zuckerbausteinen zusammengesetzt, Amylopektin besteht sogar aus Hunderttausenden dieser Bausteine.

Die beiden Stärkearten besitzen unterschiedliche Eigenschaften. So ist Amylose schwach wasserlöslich und färbt sich mit Iod-Lösung tiefblau, während das nicht lösliche Amylopektin rotviolett gefärbt wird. Amylose löst sich beim Erhitzen vollständig in Wasser und bildet ein Gel, welches sich nach dem Abkühlen mit der Zeit in winzige Stärkekristalle zurückverwandelt. Amylopektin verkleistert beim Erhitzen in Wasser, d.h., es quillt auf und lagert Wasser an. Der prozentuale Anteil der beiden Stärkearten ist in verschiedenen Pflanzen unterschiedlich. Die Stärke mehlig kochender Kartoffeln besteht beispielsweise aus etwa 20 Prozent Amylose und 80 Prozent Amylopektin.

Pflanzen bauen die Stärkeketten aus dem Einfachzucker Glukose. Glukose wird in den grünen Blättern aus Wasser aus dem Boden und Kohlenstoffdioxid aus der Luft „hergestellt“ (Photosynthese). Bei diesem Prozess wird Kohlenstoffdioxid verbraucht und Sauerstoff frei. Die notwenige Energie für die Zuckerherstellung erhalten Pflanzen aus dem Sonnenlicht. Die Photosynthese entspricht im Prinzip dem umgekehrten Prozess der Zellatmung, bei der die im Zucker enthaltene Energie zurückgewonnen wird.

In rohen Kartoffeln enthalten die Zellen mit Stärke gefüllte Körnchen (Amyloplasten), die von Membranen umhüllt sind. Drückt man die frische Schnittseite einer Kartoffel auf schwarzes Papier oder an eine Fensterscheibe, sind diese Körnchen dort mit einer Lupe und sogar mit dem bloßen Auge gut sichtbar und können auch ertastet werden.

In Salatkartoffeln sind zwischen 10 und 12 Prozent und in mehlig kochenden Kartoffeln zwischen 12 und 18 Prozent Stärke enthalten. Kartoffelstärke ist für Menschen erst nach dem Kochen zu 90 Prozent verdaulich.

Es dauert einige Minuten, bis sich die ersten weißen Stärkekörnchen am flachen Boden des Glases sichtbar absetzten. Am besten kann man diese erkennen, wenn man das Glas von unten betrachtet. Viel schneller wird die Stärke sichtbar, wenn ein spitz zulaufendes Glas, beispielweise ein Sektglas, verwendet wird. Die Wartezeit lässt sich z.B. mit Dr. Blubbers Forscherfrage A – Untersuchen von Stärkebrei – überbrücken. Hierbei stellen die Kinder einen faszinierenden Brei aus Speisestärke mit seltsamen Eigenschaften her.

Im Stärkebrei befinden sich Stärkekörnchen, die mit einer Wasserschicht umgeben sind. Solange niemand auf den Brei drückt, können sie leicht umeinander herum schwimmen und gleiten, der Brei verhält sich fast wie eine Flüssigkeit. Drückt man auf den Brei oder schlägt sogar darauf, wird der Wasserfilm zwischen den Körnchen beiseitegeschoben. Die Körnchen berühren sich direkt und verhaken sich ineinander. Dann verhält sich der Stärkebrei wie ein Feststoff – er wird formbar und reißt sogar wenn man ihn schnell bewegt. Das gleiche Phänomen kann man bei Treibsand beobachten.

Viele Lebensmittel enthalten Stärke, beispielsweise alle Getreidesorten und die aus ihnen hergestellten Produkte wie Brot, Müsli, Popcorn und vieles mehr. Auch Speicherknollen (Kartoffeln), Speicherwurzeln (Möhren) und Früchte wie Äpfel und Bananen enthalten Stärke.

Außerdem gibt es technische Produkte aus Stärke. So werden biologisch abbaubare Verpackungschips aus Maisstärke hergestellt; vielen Papiersorten verleiht Stärke Glanz und Festigkeit. Deshalb kann Stärke im Rahmen eines Zusatzexperiments in unterschiedlichen Papiersorten und Verpackungsflips nachgewiesen werden.

Bestimmte Iod-Teilchen lagern sich an Stärkemoleküle an. Bei der spiralförmigen Amylose-Form der Stärke wandern Iod-Teilchen in die Mitte der Spirale und bilden den blauen Iod-Stärke-Komplex. Im Modell kann dies durch eine spiralig geformte Perlenkette dargestellt werden – die Perlen dazu auf biegsamen Draht auffädeln – mit in der Mitte der Spirale gelagerten Perlen als Iod-Teilchen. Die buschartig verzweigten Stärkeketten von Amylopektin ändern ihre Farbe durch die angelagerten Iod-Teilchen nach rotviolett.

Der Iod-Test kommt beispielsweise als Reifetest von Äpfeln zum Einsatz: Während des Wachstums befindet sich viel Stärke in Äpfeln. Erst beim Reifen werden die Stärkeketten in ihre Zuckerbausteine zerlegt, der Apfel schmeckt dann süß. Färbt sich die Schnittstelle an einem Apfel durch Iod-Lösung stark blau, ist die Frucht noch unreif und nicht zum Verzehr geeignet.  

In rohen Kartoffeln enthalten die Zellen mit Stärke gefüllte Körnchen (Amyloplasten), die von Membranen umhüllt sind. Drückt man die frische Schnittseite einer Kartoffel auf schwarzes Papier oder an eine Fensterscheibe, sind diese Körnchen dort mit einer Lupe und sogar mit dem bloßen Auge gut sichtbar und können auch ertastet werden.

Iod kann diese „verpackte“ Form der Stärke nur schwach anfärben, weil es dazu die Membran durchdringen muss. Beim Erhitzen – wenn beispielweise eine dünne Kartoffelscheibe eine Weile über eine Flamme gehalten wird – platzen die Zellen und Stärkekörnchen auf. Die Iod-Teilchen gelangen nun leichter zur Stärke und rufen eine intensiv blaue Färbung hervor.

Eine stärkere Färbung entsteht auch, wenn die Iod-Salbe unverdünnt auf die Schnittstelle der rohen Kartoffel aufgetragen wird.

Der Versuch funktioniert nur mit Kartoffelstärke bzw. Kartoffelmehl. Maisstärke enthält in der Regel nicht genügend der Amylose-Form der Stärke, so dass sich das Stärkewasser durch Zugabe von Iod-Lösung nicht blau, sondern rosa färbt. Der Versuch muss mit kaltem Wasser angesetzt werden. Die angegeben Mengenverhältnisse sollten so genau wie möglich eingehalten werden.

Insbesondere das Abmessen von „2 gestrichenen Teelöffeln Kartoffelstärke“ ist für Kinder schwierig, weshalb oft zu viel Stärke in das Wasser gelangt. Es ist sinnvoll, den Kindern die Menge „gestrichener Teelöffel“ zu zeigen oder auf das Foto hinzuweisen. Auch bei der Iod-Salbe sollte nur ein „erbsengroßes Stück“ auf 4 Teelöffel Wasser verwendet werden. Die Salbe muss durch Rühren vollständig aufgelöst werden. Nach dem Zugeben der Iod-Lösung soll sich das Stärkewasser blau verfärbt haben. Ist die Färbung nur schwach, kann vorsichtig weitere Iod-Lösung zugegeben werden.

Es ist wichtig, das Stärkewasser vor dem Umfüllen auf zwei Gläser kräftig zu rühren, damit kein Bodensatz aus Stärke in einem der Gläser verbleibt und das Versuchsergebnis beeinflusst. Um zu vermeiden, dass versehentlich Speichel und damit die enthaltenen Enzyme von einem Glas ins andere verschleppt werden, soll der Teelöffel ab jetzt nicht mehr zum Rühren verwendet werden. Die Farbveränderung nach Zugabe des Speichels tritt erst nach ein bis zwei Minuten ein.

Speichel enthält nicht immer gleich viel Amylase, weshalb es kann nötig sein kann, ein zweites Mal in das mit „S“ gekennzeichnete Glas zu spucken. In weiterführenden Versuchen können die Kinder testen, wessen Speichel am schnellsten eine Farbänderung hervorruft, also zu diesem Zeitpunkt die meiste Amylase enthält.

Stärkemoleküle sind aus sehr vielen Zuckerbausteinen (Glukose bzw. Traubenzucker) zusammengesetzt. Stärkeabbauende Enzyme im Speichel „zerschneiden“ die langen Stärkeketten. Dabei entstehen kurze Zuckerketten (Mehrfachzucker) und einzelne Zuckerbausteine (Einfachzucker). Im Gegensatz zur Stärke schmecken diese süß.

Enzyme sind spezialisierte Eiweiße, die bereits in geringster Konzentration andere Stoffe verändern können. Im Speichel ist das Enzym Amylase enthalten, welches wie eine „chemische Schere“ für Stärkeketten wirkt.

Bei der Verdauung im Darm werden dann alle restlichen Stärkeketten und Mehrfachzucker in einzelne Zuckerbausteine aufgespalten. Diese werden über die Darmwand ins Blut aufgenommen und beispielsweise zu den Muskeln oder dem Gehirn, transportiert. Dort werden sie mit Sauerstoff "verbrannt" (Zellatmung), wobei Energie frei wird, die für die Muskelarbeit und zum Denken benötigt wird. Außerdem wird bei der Zellatmung Kohlenstoffdioxid frei.

Der Körper baut aus den Zuckerbausteinen auch Stoffe wie Fette und Eiweiße, Zucker sind also die Basis vieler Stoffwechselprozesse.

Im vorgestellten Perlenmodell entspricht das Enzym Amylase einer Schere, die die Stärkeketten in kleinere Stücke zerschneidet. Dieser Vorgang dauert einige Zeit. Nach ein paar Sekunden Amylase-Aktivität sind erst wenige kurze Ketten (Mehrfachzucker) und Einzelperlen (Glukose) vorhanden, wogegen nach einigen Minuten schon sehr viele kurze Ketten und Einzelperlen entstanden sind. Lässt man der Amylase genügend Zeit, „zerschneidet“ sie die Stärkeketten fast vollständig in Einfachzucker. Die „Schere“ bleibt dabei unverändert.

Stärke ist neben Fett und Zucker ein Energiespeicherstoff. Menschen und Tiere gewinnen ungefähr die Hälfte der zum Leben notwendigen Energie aus Kohlenhydraten. Sie nutzen deshalb die Speicherorgane der Pflanzen – z.B. Samenkörner, Speicherknollen und Früchte – als Nahrung.  

Stärke besteht aus langen Molekülketten, die aus vielen Zuckerbausteinen zusammengesetzt sind. Kartoffelstärke enthält ungefähr 20 Prozent Stärke mit unverzweigter Spiralstruktur (Amylose) und ca. 80 Prozent Stärke mit stark verzweigter Struktur (Amylopektin).

Erwärmt man eine Mischung aus Wasser und Stärke, beginnen die Stärkekörnchen ab ca. 50 °C aufzubrechen. Hierdurch wird die wasserlösliche Amylose aus der Mitte der Körnchen frei; das Gesamtvolumen vergrößert sich stark durch angelagerte Wasserteilchen.

Erhöht man die Temperatur weiter, lagern sich noch mehr Wasserteilchen an die "aufgefächerten" Stärkemoleküle des Amylopektins an. Durch dieses „Quellen“ entsteht ein zähflüssiger Kleister.

Diese Vorgänge können im vorgestellten Perlenmodell mit vielen kleinen, beispielweise blauen Perlen als Wasserteilchen dargestellt werden. Diese lagern sich sowohl in als auch um die Amylosespiralen sowie zwischen die Zweige des Amylopektins, wodurch diese Moleküle aufgeweitet und aufgefächert werden.

Die Amylose gibt beim Abkühlen mit der Zeit alle Wasserteilchen frei und verwandelt sich in einen Feststoff zurück, während das Amylopektin klebrig bleibt. Stärkekleber enthält viel Wasser. Seine volle Klebkraft erreicht er erst nach dem Trocknen, wobei die Stärkemoleküle miteinander und mit den entsprechenden Kontaktflächen verkleben. Werkstoffe, die das Verdunsten des Wassers verhindern (Kunststoffe, Metalle etc.), können mit Stärkekleber nicht verbunden werden.

Übrigens: Verkleisterte Stärke bildet auch die Struktur von Gebäck wie Kuchen und Brot.

Stärkekleister wird beispielsweise bei der Herstellung von Pappen und Wellpappe verwendet. Stärke ist ein nachwachsender und biologisch abbaubarer Rohstoff. 

Meistens sind starke Luftbewegungen verantwortlich, wenn der Versuch nicht gelingt. Je tiefer das Versuchsgefäß ist, umso weniger beeinflussen Luftwirbel die Kohlenstoffdioxidschicht. Eine große Glasvase ist deshalb eine gute Alternative zu den vorgegebenen Gefäßen.

Wenn Natron-Tabletten mit Essig nur schwach schäumend reagieren, kann der Versuch mit einer größeren Anzahl Tabletten neu gestartet werden.

In Natron-Tabletten ist Natriumhydrogencarbonat (NaHCO3) enthalten. Bringt man dieses mit Säuren, zum Beispiel mit Essig zusammen, reagiert es zu Wasser (H2O), Kohlenstoffdioxid (CO2) und dem Salz Natriumacetat (CH3COONa). Während Wasser und Natriumacetat in Lösung bleiben, wird das gasförmige Kohlenstoffdioxid sprudelnd frei.

Natriumacetat wird unter der Lebensmittelzusatzstoffbezeichnung E262a als Säureregulator und Konservierungsmittel verwendet. Es ist die Substanz, die in Wärmekissen bzw. Wärmepads beim Auskristallisieren Wärme abgibt und so Hände und Füße wärmt.

Kohlenstoffdioxid entsteht auch bei der Verbrennung von kohlenstoffhaltigen Stoffen (Kohle, Benzin, Gas, Holz…), es wird bei Vulkantätigkeit und bei der Atmung frei. In der Industrie fällt Kohlenstoffdioxid bei der Kohlevergasung und der Verarbeitung von Erdgas an. Hier wird es in verschiedenen Prozessen weiter verarbeitet.

Kohlenstoffdioxid ist eine chemische Verbindung aus einem Kohlenstoffatom und zwei Sauerstoffatomen (Summenformel CO2). Es ist bei Zimmertemperatur und normalem Druck gasförmig und gefriert bei -78 °C (Trockeneis). Kohlenstoffdioxid ist geschmack- und geruchlos, nicht brennbar und schwerer als Luft. Es löst sich in Wasser, wobei es Kohlensäure bildet. Es ist mit anderen Gasen am Treibhauseffekt beteiligt, indem es einen Teil der Bodenwärme der Erde, die in den Weltraum abstrahlen würde, in der Atmosphäre hält.

In Handfeuerlöschern befinden sich in der Regel ein Löschmittel und ein Treibgas zum Austreiben des Löschmittels aus der Flasche. Je nachdem, welche Art von Brand gelöscht werden soll (Brandklasse), eignen sich unterschiedliche Löschmittel.

Die meisten Handfeuerlöscher enthalten das Löschmittel „ABC-Pulver“, welches aus feinem Ammoniumphosphat und Ammoniumsulfat besteht. Es ist zum Löschen der meisten Feststoffe, Flüssigkeiten und Gase geeignet.

Zum Löschen von Lösungsmitteln, Kunststoffen und Stoffen, die beim Brennen flüssig werden, wird – wie im Versuch „Pfiffiger Feuerlöscher“ – Kohlenstoffdioxid verwendet. Dieses verdrängt den zur Verbrennung notwendigen Sauerstoff und löscht so die Flammen.

Kohlenstoffdioxid (CO2) ist schwerer als Luft. Ein Kubikmeter Luft wiegt ca. 1,3 kg, ein Kubikmeter Kohlenstoffdioxidgas dagegen fast 2 kg. Wenn es freigesetzt wird, bildet es zunächst eine unsichtbare Schicht, die man sich als "Pfütze" oder "See" im unteren Teil des Versuchsgefäßes bzw. in Räumen oder sogar im Freien (z.B. Vulkankrater) vorstellen kann. Diese Kohlenstoffdioxid-"Pfützen" können durch die Wirkungen des Gases sichtbar gemacht werden: Taucht man eine Flamme hinein, erlischt sie, weil der Sauerstoff zur Verbrennung fehlt. Mit der Flamme lässt sich so die obere Grenze der Kohlenstoffdioxidschicht recht genau feststellen.

Landet eine luftgefüllte Seifenblase auf einem Kohlenstoffdioxidsee, „schwimmt“ sie darauf, weil sie „leichter“ ist. Korrekt formuliert hat die luftgefüllte Seifenblase eine geringere Dichte als Kohlenstoffdioxidgas. Mit der Zeit nimmt die Seifenblase Kohlenstoffdioxid auf und „versinkt“ oder platzt (siehe Vorführversuch in den Lehrermaterialien). Schwenkt man das Gefäß mit der schwebenden Seifenblase vorsichtig, kann man beobachten, dass die Kohlenstoffdioxidoberfläche wie eine Flüssigkeit „schwankt“. Mit der Zeit verteilt sich das Kohlenstoffdioxid aus den „Seen“ und "Pfützen“ gleichmäßig in der umgebenden Luft.

Ein Modell für das Verhalten von Kohlenstoffdioxid in Luft kann mit gefärbter Salzlösung in Wasser erzeugt werden. Gelingt es, die dichtere Salzlösung unter das Wasser zu schichten, verhält sie sich wie Kohlenstoffdioxid: Sie bildet zunächst eine stabile Schicht, die das Versinken von Objekten verhindert, die schwerer als Wasser und leichter als Salzwasser sind (z.B. Kartoffelstückchen). Mit der Zeit vermischt sich das Salzwasser aber mit dem Wasser und verteilt sich gleichmäßig im gesamten Gefäß.

Viele Getränke enthalten Kohlenstoffdioxid. Es entsteht entweder bei der Herstellung durch Gärprozesse (Sekt, Bier) oder wird unter Druck darin gelöst. In einigen Mineralwässern ist Kohlenstoffdioxid auch natürlicherweise enthalten. Löst sich Kohlenstoffdioxid in Wasser entsteht Kohlensäure, aus der bei sinkendem Druck wieder Kohlenstoffdioxidbläschen entstehen. Im Trinkwassersprudler zu Hause wird Kohlenstoffdioxid aus einem Metallzylinder, ebenfalls unter Druck, in Wasser gelöst.

Außerdem verwendet man Kohlenstoffdioxid als Kältemittel in Klimaanlagen, in Feuerlöschern und bei der Gewinnung von Harnstoff, welcher beispielsweise als Rohstoff für die kosmetische Industrie eingesetzt wird. Festes Kohlenstoffdioxid (Trockeneis) wird außer zur Kühlung auch als Granulat oder Pulver zur wasserfreien Druckreinigung von Oberflächen und Maschinen verwendet (Trockeneisstrahlen).

Einige Schulen werden von ihrer örtlichen Apotheke mit Experimentiermaterial und Fachberatung unterstützt. Internetapotheken bieten Natron-Tabletten ab 1,50 Euro pro 100-Stück-Packung an. Es empfiehlt sich, auch weitere benötigte Verbrauchsmittel wie Iod-Salbe (Betaisodona Salbe) und Kohletabletten mit einzukaufen.

Allgemein bezeichnet „Verbrennung“ die chemische Reaktion eines brennbaren Materials mit Sauerstoff (Oxidation). Unter Flammenbildung wird dabei Energie in Form von Wärme und Licht frei. Eine Verbrennung hält sich – einmal angestoßen – von alleine in Gang, solange genügend Brennstoff und Sauerstoff zur Verfügung stehen.

Die Flamme erwärmt das Wachs, wodurch dieses flüssig wird. Aufgrund der Kapillarwirkung steigt es im Docht nach oben. Dort wird es so stark erhitzt, dass es verdampft. Ein Teil des Wachsdampfs verbrennt im durchsichtigen, untersten Bereich der Flamme mit Luftsauerstoff bei ca. 600 bis 800°C.

Aufgrund der Strömungsverhältnisse innerhalb und außerhalb der Flamme kann in ihren mittleren Bereich kein Luftsauerstoff gelangen. Hier entstehen in einem schmalen, blau leuchtenden Band Rußpartikel aus den nicht verbrannten Bestandteilen des Wachsdampfs. Diese werden durch die Strömung in der Flamme nach oben gerissen. Die Temperatur beträgt dabei etwa 1000°C.

Das gelbe Licht der darüber liegenden „Glühzone“ entsteht durch glühende Rußpartikel. Dieser Bereich hat eine Temperatur von 1200°C und ist für das helle Leuchten der Flamme verantwortlich. An der Flammenoberfläche, der mit bis zu 1400°C heißesten Zone der Kerze, steht den brennbaren Bestandteilen aus dem Wachs genügend Sauerstoff für die vollständige Verbrennung zu Verfügung. Hier ist die Flamme fast durchsichtig.

Wird die Kerze ausgeblasen, steigt noch eine Weile Wachsdampf auf. Man kann diesen entzünden und die Kerze so wieder zum Brennen bringen (Rauchdurchzündung).

Kerzen bestehen aus einem Brennstoff (Wachs, Paraffin, Stearin, Talg oder Pech) und einem Docht aus Baumwolle oder anderen Materialien. Bei der Herstellung von Kerzen, wird entweder ein Docht immer wieder durch den flüssigen Brennstoff gezogen, der dann beim Abkühlen fest wird und den Kerzenkörper bildet, oder der Brennstoff wird um den Docht herum gepresst. Als zu diesem Versuch passende Aktivität können Kerzen im Werkunterricht selbst hergestellt und dabei unterschiedliche Herstellungsmethoden erprobt werden.

Luft ist ein Gemisch aus verschiedenen Gasen. Sie besteht aus ca. 78 Prozent Stickstoff, 21 Prozent Sauerstoff, 1 Prozent Edelgasen und 0,04 Prozent Kohlenstoffdioxid. Bestandteile der Luft sind außerdem unterschiedliche Mengen Wasserdampf und Spuren anderer Gase wie Ozon. Ein Kubikmeter Luft wiegt ungefähr 1,3 Kilogramm.

Zusatzinformationen im Handbuch „NaWi – geht das? Wasser Luft und Lebensmittel“, B. Drechsler-Köhler, S. Brandt-Rentschler, E. Nitsche, 2005, S. 78–79.

Die Luft in der Flasche besteht – wie alle Gase – aus Teilchen, die einen großen Abstand zueinander haben und sich frei bewegen können. Die Teilchen kollidieren dabei miteinander und prallen an die Wände der Flasche, ungefähr wie Tischtennisbälle, die in einem Raum herumfliegen. Ganz allgemein bewegen sich warme Teilchen schneller als kalte Teilchen. Warme Teilchen stoßen dann häufiger aneinander und gegen umgebende Wände. Die Häufigkeit, mit der die Luftteilchen von innen an die Flaschenwand und an den Luftballon stoßen, nennt man den Luftdruck in der Flasche. Auch die Teilchen der Luft um die Flasche herum bewegen sich – wenn sie die gleiche Temperatur haben – genau wie die Teilchen in ihrem Inneren. Sie stoßen genauso oft von außen an die Wände wie die Luftteilchen im Inneren. Man sagt: der Luftdruck innerhalb und außerhalb der Flasche ist gleich groß. Werden die Teilchen in der Flasche wärmer, bewegen sie sich schneller, sie kollidieren öfter miteinander und mit den Wänden. Jetzt ist der Druck innen höher als außen und die Teilchen in der Flasche drücken den elastischen Luftballon nach außen.

Folgendes Erklärungsmodell eignet sich für Kinder: Luft besteht aus vielen winzigen Teilchen. Warme Luftteilchen bewegen sich schneller als kalte. Sie benötigen deshalb mehr Platz für ihre Bewegungen und der Raum, in dem sie sich bewegen, wird größer, genau wie bei ruhigen und bei tanzenden Kindern.

Zusatzinformationen im Handbuch „NaWi – geht das? Wasser Luft und Lebensmittel“, B. Drechsler-Köhler, S. Brandt-Rentschler, E. Nitsche, 2005, S. 86

Bei beiden Versuchen ist das Ergebnis ein gefüllter Ballon. Insbesondere wenn beim themendifferenzierten Experimentieren beide Versuche in der Expertenrunde vorgeführt werden, kann die Frage, ob in beiden Luftballons das Gleiche enthalten ist, Erkenntnisprozesse anstoßen.

Bei „Erwärmte Luft“ befindet sich im Ballon ausschließlich Luft, die beim Erwärmen zwar ihr Volumen vergrößert hat, die jedoch immer noch die gleiche Substanz ist (physikalischer Prozess). Bei „Voller Ballon“ entsteht aus der chemischen Reaktion von zwei Substanzen etwas Neues – das Kohlenstoffdioxid. Es handelt sich um einen chemischen Prozess, bei dem Ausgangssubstanzen miteinander reagieren und dabei verändert werden. Diesen Unterschied können Grundschulkinder im Gespräch leicht herausarbeiten, die Zuordnung „chemisch“ und „physikalisch“ ist hierbei nicht bedeutend.

Heißer Rauch steigt nach oben, weil er eine geringere Dichte hat. Umgangssprachlich sagt man: Er ist leichter als kalte Luft. Das gleiche gilt für den Heißluftballon. Die Luft in seinem Inneren ist so viel leichter als die Umgebungsluft, dass sie sogar die Ballonhülle mitsamt dem Korb nach oben tragen kann.

In thermischen Luftströmungen steigt warme, leichte Luft über den sonnenbeschienen Landoberflächen nach oben. Greifvögel und Segelflugzeuge nutzen diese „Thermiken“ und lassen sich von der warmen Luft nach oben tragen.

Übrigens dehnen sich fast alle Stoffe beim Erwärmen aus. Das gilt für Feststoffe, Flüssigkeiten und für Gase. Allerdings ist der Effekt bei Feststoffen und Flüssigkeiten viel geringer als bei Gasen und lässt sich deshalb nicht so leicht beobachten.

PET steht für Polyethylenterephthalat (PET), einen farblosen und lichtdurchlässigen Kunststoff aus der Gruppe der Polyester. Erhitztes PET lässt sich leicht verformen – es ist thermoplastisch – und wird vor allem zur Herstellung von Folien, Getränkeflaschen und Textilfasern verwendet. Aus recycelten PET-Flaschen werden u.a. Textilien wie Fleece und Funktionsgewebe für Sportkleidung hergestellt.

Da sich bereits vor Versuchsbeginn Luft in der Flasche befindet, mischt sich das neu entstehende Kohlenstoffdioxid mit dieser. Da Kohlenstoffdioxid schwerer ist als Luft (korrekt: eine höhere Dichte hat), sammelt es sich vor allem im unteren Teil der Flasche, direkt über der sprudelnden Flüssigkeit. In den Luftballon wird zunächst Luft und dann ein Luft/Kohlenstoffdioxid-Gemisch gedrückt. Mit der Zeit verteilt sich das Kohlenstoffdioxid gleichmäßig in gesamten Gasvolumen der Flasche und des Ballons. Dann befinden sich ungefähr 50 Prozent Kohlenstoffdioxid im Luft/Kohlenstoffdioxid-Gemisch im Ballon.

Luft, die wir einatmen, besteht aus 78 Prozent Stickstoff, 21 Prozent Sauerstoff, 1 Prozent Edelgasen und 0,04 Prozent Kohlenstoffdioxid. Luft, die wir ausatmen, enthält nur noch ungefähr 16 Prozent Sauerstoff, dafür aber 4 Prozent Kohlenstoffdioxid.

Im einfachsten Fall sind Säuren chemische Verbindungen, die in wässriger Lösung Protonen (positiv geladene Wasserstoffionen, H+) an einen Reaktionspartner übertragen können. Basen bzw. Laugen sind Stoffe, die Hydroxid-Ionen (negativ geladene Hydroxidionen, OH−) bilden können.

Säuren reagieren sauer; Basen oder Laugen sind basisch oder alkalisch. Ist ein Stoff weder das Eine noch das Andere, bezeichnet man ihn als neutral.

Gibt man eine Säure zu einer Lauge, reagieren sie miteinander. Sie neutralisieren sich gegenseitig. Bei dieser Reaktion entsteht Wasser und ein Salz – wobei die Art des Salzes von den eingesetzten Säuren und Basen bestimmt wird. Die chemische Messgröße „pH-Wert“ gibt an, wie sauer bzw. basisch ein Stoff ist. Zum Messen des pH-Werts werden elektrische Geräte verwendet, aber auch sogenannte „Indikatoren“, d.h. „Zeigerstoffe“, die ihre Farbe mit dem pH-Wert ändern.

Für Kinder können Säuren und Basen über ihre Wirkungen beschrieben werden. Säuren schmecken in der Regel sauer. Achtung! Viele Säuren sind ätzend und giftig und sollten deshalb nicht per Geschmackstest identifiziert werden!

Basische Stoffe schmecken eher bitter und fühlen sich seifig an – wobei auch diese nicht einfach in den Mund genommen oder mit den Fingern untersucht werden dürfen, weil Basen ebenfalls giftig oder ätzend wirken können.

Achtung! Anders als im Alltag ist in der Chemie das Gegenteil von sauer nicht süß sondern basisch oder alkalisch.

Alltagsbeispiele für Säuren sind Essig, Zitronensäure, Salzsäure (Magensaft) und Schwefelsäure in Batterien. Seifenwasser ist ein gutes Beispiel für eine Base; die im Versuch verwendeten Natron-Tabletten sind ebenfalls basisch.

Wenn man ohne Geschmackstest herausbekommen möchte, ob ein Stoff eine Säure oder eine Lauge ist, kann man einen „Zeigerstoff“ verwenden, einen Indikator, der seine Farbe ändert, je nachdem, ob er mit einer Säure oder einer Base in Berührung kommt. Blaukraut-Blätter enthalten einen solchen Indikator.

Der Farbstoff aus den Blaukraut-Blättern, das Cyanidin, gehört zu der Farbstoffgruppe der Anthocyanidine. Diese Farbstoffgruppe kommt in vielen Pflanzen vor, beispielsweise in Heidelbeeren, Kirschen, Pflaumen, Erdbeeren, Rosen und anderen Blüten. Die Cyanidin-Moleküle ändern ihre Struktur mit dem pH-Wert ihrer Umgebung. Jede Cyanidin-Struktur hat eine andere Farbe. Die Struktur, die sich in stark saurer Lösung bildet, ist rot. In neutraler Lösung ist der Farbstoff blau und im stark basischen Bereich gelb. Dazwischen bilden sich Mischfarben. Anhand dieser Farbänderungen lässt sich feststellen, wie sauer oder basisch eine Substanz ist.

Ein Beispiel hierfür sind die Blüten von Hortensien. Wachsen die Pflanzen in saurem Boden, sind die Blüten rosa. In basischen Böden werden die Blüten dagegen violett oder blau. Gärtner nutzen diesen Effekt, indem sie den Pflanzen sauer oder basisch wirkenden Dünger geben, um so die Blütenfarben zu verändern.

Strukturformeln der verschieden Cyanidin-Strukturen finden Sie zum Beispiel hier.

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Letzte Aktualisierung 26. November 2019