Als Kind und Jugendlicher habe ich mir häufig einen eigenen Chemie-Baukasten gewünscht. Erste schmerzhafte Berührungen mit einem Bunsenbrenner während des Chemie-Unterrichtes in meiner Schule haben nicht dazu geführt, dass ich die elterliche Erlaubnis bekam, eigene Experimente zu Hause durchzuführen. Es dauerte dann noch einige Jahre bis zum meinem Chemiestudium an der Universität zu Köln. Dann konnte ich selber chemische Experimente durchführen. In meiner Jugend hätte ich es toll gefunden, einen eigenen Platz zum Experimentieren zu haben. Was damals nicht ging, möchte ich heute anderen Kindern und Jugendlichen ermöglichen.
Wo können Kinder und Jugendliche selber experimentieren? Es gibt eine Vielzahl von unterschiedlichen, teils kostenfreien, teils kommerziellen Angeboten. Dazu gehören die Aktivitäten, die ich als IchMachChemie anbiete.
Einer meiner ersten Chemie-Geburtstage.
Aber natürlich gibt es viel mehr Angebote, die auch schon wesentlich länger dabei sind. Ganz weit oben sehe ich die vielen Schülerforschungszentren in Deutschland. Es gibt aktuell mehr als 100 dieser Zentren, entstanden aus einer Initiative der Joachim Hertz Stiftung und Jugend forscht. Mehr Infos erhaltet ihr direkt bei dem Netzwerk Schülerforschungszentren.
Übersicht der Schülerforschungszentren in Deutschland
Auch viele Universitäten bieten Angebote für Jugendliche an, so zum Beispiel die Universität zu Köln mit ihrem Programm Kölner JugendUni. Dort werden regelmäßig Kurse im MINT-Bereich angeboten, z.B. Biologie, Chemie, Physik und Verschlüsselung, aber auch Kurse im Bereich Recht und Finanzen. Anschaulich und an praktischen Fragestellungen orientiert. Sehr zu empfehlen. Schaut dazu mal in dieses Video der Uni Köln an:
Auch in Wuppertal und in vielen anderen Städten gibt es solche Junior-Unis.
Ein weiteres, großes Netzwerk für Angebote im MINT-Bereich ist die Inititive „Zukunft durch Innovation“ (zdi) in NRW. Dort könnt ihr „alle Informationen und Aktionsmöglichkeiten für Kinder und Jugendliche aus NRW, die Lust auf MINT, also Mathe, Informatik, Naturwissenschaften und Technik haben“, finden. Das Netzwerk bietet nicht nur Angebote zum Mitmachen für Kinder und Jugendliche, sondern möchte alle Akteure (Behörden, Schulen, Industrie, außerschulische Lernorte) miteinander verknüpfen. Meine Partnerschaft mit dem Leverkusener Ableger cLEVer ist Teil davon.
Nach Ostern wird das erste Chemie-Labor, das ich konzipiert habe, in Solingen eingeweiht: Check! Dieses ist Teil der Aktivitäten der Wirtschaftsförderung Solingen. Ab 26. April startet ein 10-stündiger Chemie-Kurs, jeweils Freitags nachmittags für Kinder der 3. bis 6. Klasse.
Mir geht es in diesem Kurs darum, dass die Kinder mit viel Spaß und Motivation eigene Experimente durchführen können, dabei die Grundzüge der Arbeit in einem Labor verinnerlichen und auch einiges über Chemie und den Nutzen für die Gesellschaft lernen. Und natürlich ist es auch für mich sehr spannend und lehrreich, so ein Projekt zu gestalten und durchzuführen. Und wer weiß. Vielleicht bringt mich das meinem eigenen Traum etwas näher: Mein eigenes Labor!
Ihr kennt diesen Moment, oder? Wenn sich die erste Schicht des grauen Stabes an der Kerzenflamme rötlich auflöst, dann in ein weißhelles Britzeln übergeht um dann endlich aus eigener Kraft weiter zu brennen und Funken zu versprühen. Besonders das Knistern und der typische Geruch, lösen bei mir festliche Stimmung aus. Freude und auch ein Gedanke an die Chemie kommen in mir hoch.
Die Geschichte einer grauen Masse
Über den Ursprung der Wunderkerze ist wenig bekannt. Laut Wikipedia kann die Erfindung auf des Griechen Kallinikos von Heliopolis (ca. 670 n. Chr.) zurückgeführt werden. Dieser soll auch der Erfinder des griechischen Feuers sein, das als Kriegswaffe auf See eingesetzt wurde. Dass als Nebenprodukt der damaligen Rüstungsindustrie in Byzanz, dem heutigen Istanbul, auch kleine Wunderkerzen hergestellt wurden, erscheint mir zumindest plausibel, auch wenn ich keine Quellenangaben dazu finden konnte.
Griechisches Feuer im Einsatz (Darstellung aus dem 12. Jahrhundert), Quelle Wikipedia
Sicherlich haben die Wunderkerzen damals anders ausgesehen und auch aus anderen Materialien bestanden als heutzutage moderne Wunderkerzen. Und das liegt an den Zutaten selbst. Dazu benötigen wir jedoch einen Blick in die Chemie der Wunderkerze.
Die Chemie der Wunderkerze
Moderne Wunderkerzen bestehen aus vier unterschiedlichen Komponenten: Aluminiumpulver, Bariumnitrat, Eisenpulver, Stärke. Die Stärke war sicherlich schon im byzantinischen Reich bekannt, auch das Eisen steht schon seit ca. 4.000 – 5.000 Jahren in reiner Form zur Verfügung. Wenn euch die Herstellung von rohen Metallen aus Mineralien interessiert, schaut mal in meinen alten Blog-Beitrag über Minecraft:
Die Geschichte des Bariumnitrates ist wesentlich jünger und begann sicher erst durch die Arbeiten des italienischen Schumachers und Alchemisten Vincenzo Casciarolo. Die Byzantiner hatte sicherlich noch keine Wunderkerzen mit Bariumnitrat, sondern wahrscheinlicher mit Salpeter. Unter Salpeter werden unterschiedliche Nitrate gefasst, die je nach Herstellung oder Abbauort aus Chilesalpeter (Natriumnitrat), Begalensalpeter/Kalisalpeter (Kaliumnitrat) oder Kalksalpeter/Mauersalpeter (Calciumnitrat) bestand. Salpeter wurde unter anderem aus Guano und anderen Exkrementen von Vögeln und Tieren hergestellt und hat eine lange Historie als Einsatz in Schwarzpulver und in Düngemitteln.
Auch das Aluminiumpulver, in dem Aluminium als gediegenes, reines Metall vorliegt, ist nicht sehr alt. Verbindungen des Aluminiums wie z.B. Alumen (eine Verbindung aus Aluminium und Schwefel) wurden schon von Plinius dem Älteren (23-79 n. Chr.) beschrieben. Die Herstellung des reinen Metalles aus den Salzen gelang erst Sir Humphry Davy im Jahr 1809, bzw. Hans Christian Oersted im Jahr 1925.
Wunderkerzenbasteln in der Lernpraxis Burscheid, Photo: Pia Rodermond/Mondblende
Historische Wunderkerzen wie die des Kallinikos von Heliopolis bestanden also teilweise aus anderen Bausteinen als moderne Wunderkerzen. Doch waren sie sicher ebenso schön, faszinierend und gefährlich für die Menschen, wie sie es heute für mich sind. Denn das chemische Grundprinzip ist das Gleiche: Das Nitrat liefert Sauerstoff zur Verbrennung des Aluminiums und des Eisens.
Das ist eine sogenannte Redox-Reaktion, bei der ein Stoff (Aluminium oder Eisen) oxidiert wird, d.h. Sauerstoff aufnimmt und der andere Stoff (das Nitrat) den Sauerstoff zur Reaktion liefert. Diese chemische Reaktion wird so heiß, dass nicht verbranntes Eisenpulver zu glühen beginnt und ein Funkenflug entsteht. Auch sorgt die entstehende Hitze dafür, dass die Reaktion solange von alleine abläuft, bis die Masse der Wunderkerze aufgebraucht ist.
Die Herstellung der Wunderkerzen und Gesetzliches
Wunderkerzen und andere Feuerwerkskörper wie z.B. Knallerbsen, Knallbonbons, Tischfeuerwerk oder Party Knaller fallen unter die Kategorie I / Klasse I der EG-Pyro-technik Richtlinie 2007/23/EG, bzw. Kategorie F1 nach dem deutschen Sprengstoff-Gesetz. Die Klasse 1 oder auch Kleinstfeuerwerk bzw. Jugendfeuerwerk (früher Kinderfeuerwerk) darf von jeder Person, die älter als 12 Jahre ist, erworben und das ganze Jahr über verwendet werden. Die Herstellung von Wunderkerzen kann mit etwas Geschick und unter Anleitung einer erwachsenen Person auch zu Hause erfolgen. Dies habe ich selbst schon mit meinen Kinder und in meinem Kurs in der Lernpraxis Burscheid vor einigen Tagen durchgeführt.
Basteln von Wunderkerzen in Küche.
Dabei habe ich mich an die Anleitung von Peter Wich (https://experimentalchemie.de/versuch-029.htm) gehalten, der auf seiner Homepage viele tolle Experimente für Schule, Uni und zu Showzwecken zusammengestellt hat. Statt Bariumnitrat habe ich Kaliumnitrat aus dem Lebensmittelgroßhandel verwendet. Wichtig war ein langes Trocknen und ein nicht zu dickes Auftragen der Wunderkerzen-Masse.
Bedeutung der Wunderkerze und des Feuerwerks
Feuerwerk wird kontrovers diskutiert.
Es gibt viel Begeisterung für dieses von Menschen gemachte Himmelsspektakel, nicht nur bei denjenigen, die jährlich vor den Geschäften Schlange stehen, um noch die letzten Boxen und Pakete zu erhaschen. Auch dem Philosophen Theodor Adorno wird folgendes Zitat zugeschrieben: „Das Feuerwerk ist die perfekteste Form der Kunst, da sich das Bild im Moment seiner höchsten Vollendung dem Betrachter wieder entzieht.“ Letzteres ist nicht als Zitat gesichert, doch gibt es Verweise auf das Feuerwerk in seiner Schrift „Ästhetische Theorie“ (https://www.theomag.de/02/pb1.htm).
Es gibt viel Kritik an Feuerwerk. Insbesondere Tierbesitzer und Naturschützer kritisieren Feuerwerk als eine schädliche Lärm- und Feinstaubemission, die es durch Reduzierung, freiwilliges Nichtverwenden oder Verbote teilweise oder ganz zu vermeiden gilt. Auch erscheint es Menschen als zynisch, in Zeiten vieler bewaffneter Kriege weltweit auch noch freiwillig die Produkte zu verwenden und zu bewundern, die historisch als Nebenprodukt der Kriegsindustrie angefallen sind.
Mir war der chemische Blick auf das Feuerwerk und die Wunderkerzen besonders wichtig. In der Wunderkerze wird die Kraft einer chemischen Reaktion deutlich. Ich erkenne die Stoffumwandlung, mir wird die Umwandlung von Energien bewusst. Und mir wird wieder klar, wie sehr ein chemisches Produkt Ergebnis einer langen Entwicklung ist, sowohl im Hinblick auf die Historie der industriellen Entwicklung als auch die Entwicklung in der wissenschaftlichen Erkenntnistheorie. Heute wissen wir, wie und warum Dinge in der Natur und im Reaktionsglas passieren. Und das stimmt mich beim Britzeln einer Wunderkerze doch sehr optimistisch für das Neue Jahr.
Leuchtende Augen bei meinem Chemie-Edutainment, Photo: Pia Rodermond / Mondblende
In diesem Sinne wünsche ich euch allen einen guten Übergang und viel Freude an der Chemie im Jahr 2024.
Wo führe ich eigentlich mein Chemie-Edutainment durch? In der Schule oder auch außerhalb? Ein kleiner Exkurs in meine vergangenen und geplanten Aktivitäten…
Wo führe ich eigentlich mein Chemie-Edutainment durch? In der Schule oder auch außerhalb? Ein kleiner Exkurs in meine vergangenen und geplanten Aktivitäten…
Chemie in der Schule
Viele meiner Aktivitäten führe ich im Auftrag von Schulen durch. In den letzten zwei Jahren waren dies besonders häufig Projekttage in dem Offen Ganztag von Grundschulen in der Umgebung oder bei der MINT-Aktivierung in den Schulferien. Die Abkürzung MINT steht für Mathematik, Informatik, Naturwissenschaft und Technik. Da passt Chemie genau hinein.
Für die Schüler ist es ein besonderes Erlebnis, Experimente selber durchzuführen. Leider passiert das in den Schulen immer weniger, was zum einen an den immer vielfältigeren Aufgaben liegt, die eine Lehrperson neben dem eigentlichen Unterricht durchführen muss, und zum anderen wird mir von immer mehr Auflagen und Ängsten im Umgang mit Chemikalien selbst im Chemie-Unterricht berichtet, so dass dann eher ein Chemie-Film geschaut wird, anstatt die Experimente selbst durchzuführen.
MINTaktiv-Programm des Bildungsbüro Leverkusen. Photo Pia Rodermon
Im August habe ich sogar etwas Besonderes vor. Dann bin ich als Dozent des zdi Netzwerk cLEVer in Leverkusen tätig und unterstütze das Berufsorientierungsprojekt an der katholischen Hauptschule. Eine spannende Kooperation des Bildungsbüro Leverkusen und der Agentur für Arbeit in Leverkusen. Ziel ist, Begeisterung für das Fach Chemie zu wecken, einige Grundlagen zu vermitteln und auch etwas über die chemische Industrie und deren Ausbildungsmöglichkeiten zu erklären. Eine tolle Möglichkeit für mich, etwas für das Thema zu machen!
Chemie außerhalb der Schule
Nicht nur in der Schule entdecke ich immer wieder Möglichkeiten, andere Menschen an die Chemie heranzuführen:
Gerne erinnere ich mich an das Programm „Kunst und Chemie“, das ich zusammen mit der Witzheldener Künstlerin Lilo Krüger in 2022 durchgeführt habe.
Ein Highlight war auch meine Kooperation mit der Lernpraxis Burscheid von Antonia Quirl. An einem sehr warmen Sonntag-Nachmittag führte ich mit 14 Kindern von 6 bis 13 Jahren Experimente durch. Nach drei Stunden waren alle durchgeschwitzt und müde, aber auch happy. O-Ton einer acht-jährigen Teilnehmerin: “Das war toll, wir konnten ganz viel machen und ich habe auch etwas gelernt.“
„Explosion der Farben“ Eine Kooperation mit der Lernpraxis Burscheid. Photo Pia Rodermond
Und vergangene Woche war ich eingeladen, beim Ferienspass Solingen mitzuwirken. Die katholische Jugendagentur Wuppertal hat ein dickes Programmheft für Kinder und Jugendliche aus Solingen und Umgebung entwickelt. Neben Waldexkursion, Zoobesuch, Film- und Photoworkshops gab es an einem Tag zwei Chemie-Angebote. Die Resonanz war sehr gut, interessanterweise auch von der Betreuungsperson, die sicherlich jetzt einen anderen Blick auf die Chemie hat.
Fazit
Chemie-Edutainment kann also sowohl in der Schule, als auch außerhalb passieren. Die Neugierde und Begeisterung für das Selber-Experimentieren der Beteiligten war stets gleich hoch.
In den nächsten 1,5 Monaten werde ich nicht mehr so aktiv sein, denn mein Jahresurlaub steht auch an. Dort werde ich mich durch die Umgebung und ein paar Bücher inspirieren lassen. Und vielleicht kann ich danach das ein oder andere neue Konzept vorstellen. Ein besonderer Dank an dieser Stelle an Pia Rodermond, die schon seit einiger Zeit so tolle Photos für mich macht – unten gibt es einen Link für Interessierte.
Ich wünsche euch ebenso eine spannende und erholsame Ferienzeit, mit Chemie oder ohne – aber ganz ohne Chemie kann mensch ja gar nicht sein.
Mindesthaltbarkeit und Grenzwerte – nach einem Foodsaving-Erlebnis habe ich einige Gedanken dazu…
Vor einigen Tagen konnte ich wieder Lebensmittel retten. In dem kleinen Dorf, in dem ich lebe, organisiert eine engagierte Gruppe von Menschen die Verteilung von Lebensmitteln, die ansonsten vom Handel in den Abfall gebracht würden. Die Geschäfte sind Partner und stellen die Lebensmittel zur Verfügung. Ich finde das eine tolle Sache und freue mich, wenn ich dadurch zur Vermeidung vom Abfall beitrage und dazu noch gute und leckere Lebensmittel bekomme. Ok, bei einigen Lebensmitteln ist ab und zu das Mindesthaltbarkeitsdatum sehr nah oder auch schon überschritten. Aber damit kann ich umgehen. Es bringt mich sogar zu einer These, die ich in diesem Beitrag mit euch teile.
Das Mindesthaltbarkeitsdatum auf einem Tetrapack Milch.
Sind toxikologische Grenzwerte das gleiche wie Mindesthaltbarkeitsdaten auf Lebensmitteln? These: Es gibt eine Parallele, denn beide beschreiben eine Zeitpunkt oder eine Konzentration, also ein technischer Parameter, bis zu dessen Überschreitung kein oder nur ein sehr geringes Risiko besteht. Etwas genauer:
Das Mindesthaltbarkeitsdatum (MHD) ist nach der Verbraucherzentrale der „Zeitpunkt (…), bis zu dem der Hersteller garantiert, dass das ungeöffnete Lebensmittel bei durchgehend richtiger Lagerung seine spezifischen Eigenschaften, wie Geruch, Geschmack und Nährwert behält. (…) Hinzu kommt, dass manche Hersteller das MHD frühzeitig festlegen, um auf Nummer Sicher zu gehen.“ (1) In dem Kontext gibt es noch das Verbrauchsdatum, das den letzten Tag beschreibt, an dem das Lebensmittel noch verkauft und verzehrt werden darf.
Der (toxikologische) Grenzwert beschreibt eine Konzentration von Stoffen in Produkten, bis zu dieser kein Schadenseffekt beim Menschen beobachtet wird. Produkte können Lebensmittel oder andere Produkte des Alltages sein, wie zum Beispiel Waschmittel, Malkreide oder Plantschbecken. Diese Grenzwerte basieren auf zwei Dingen: 1. Toxikologischen Studien, die ermitteln, bis zur welcher Konzentration kein Effekt auftritt und ab welcher niedrigsten Dosis noch ein Effekt beobachtet wird und 2. Sicherheitsfaktoren von 100 oder 1000, um das Risiko für den Menschen noch mehr zu verringern.
NOAEL = No Observed Adverse Effect Level / Dosis ohne beobachtete schädliche Wirkung, LOAEL = Lowest Observed Adverse Effect Level / niedrigste Dosis mit beobachteter schädlicher Wirkung, DNEL = derived no-effect level / abgeleitete Expositionshöhe, unterhalb derer der Stoff zu keiner Beeinträchtigung der menschlichen Gesundheit führt, LD50 = Lethal Dose, Konzentration bei der 50% der Versuchstiere sterben. Bildquelle: (2)
Das Risiko ergibt sich aus der Gefährlichkeit eines Stoffes und der Möglichkeit, diesem Stoff ausgesetzt zu sein. Risiko = Gefahr x Exposition. Gute Info dazu bietet auch die Seite des Bundesamt für Risikobewertung BfR. (3)
Und warum sind diese beiden Regelungen vergleichbar?
Wegen dem Effekt auf die Gesellschaft.
Bei Lebensmittel, zum Beispiel Milch, schließt der Hersteller nicht aus, dass vor Überschreitung des Mindesthaltbarkeitsdatums irgendwelche Keime in der Milch drin sein können. Nach besten Wissensstand kann vor Erreichen des MHD trotzdem davon ausgegangen werden, dass es keine Beeinträchtigung des Lebensmittels oder der Gesundheit des Menschen gibt. Auch bei der Diskussion über Grenzwerte kann man sicherlich nicht ausschließen, dass gefährliche Stoffe enthalten sind. Aber es ist nicht von gefährlichen Effekte auszugehen, bevor man den Grenzwert erreicht hat.
Wie sieht es bei Überschreitung der Parameter aus? Nicht jede Überschreitung eines (toxikologischen) Grenzwertes führt dazu, dass sofort Effekte zu sehen sind. Man hat einen Puffer bei der Risikobewertung eingebaut und die Effekte betreffen nicht immer jeden Menschen, sondern die Wahrscheinlichkeit steigt nur, dass jemand betroffen sein kann. Trotzdem ist es natürlich Ziel jedes Menschen oder jeder Firma, der Umgang mit Chemikalien hat, eine Grenzwertüberschreitung zu verhindern. Und zu diesem Zweck gibt es sehr viele Regelungen und Überprüfungen in diesem Bereich.
Im Vergleich dazu ist es auch so, dass bei Überschreitung des MHDs nicht so ist, dass ein Lebensmittel direkt schlecht ist. In den allermeisten Fällen hat man überhaupt keinen Effekt, bzw. die Menge an Keimen ist nicht direkt so hoch, dass man krank davon werden würde.
Vergleichbar ist auch der Effekt den toxikologische Grenzwerte und das MHD in der öffentlichen Wahrnehmung spielen. So wirkt ein MHD psychologisch wie eine Grenze, die man nicht überschreiten sollte. Und auch toxikologische Grenzwerte wirken wie eine Grenze, die man auf keinen Fall überschreiten darf. Und viele Menschen haben ein ungutes Gefühl, in einer Umwelt zu leben, in der Grenzwerte überschritten werden oder auch Lebensmittel zu essen, deren MHD überschritten ist. Der psychologische Effekt, bzw der Effekt auf den Kunden oder Benutzer eines Produktes empfinde ich als sehr vergleichbar.
Was bedeutet das für mich?
Mir bedeutet das MHD etwas. Und mir bedeuten auch toxikologische Grenzwerte etwas. Da schaue ich genauer hin. Und überlege mir, wie ich damit umgehen kann. In manchen Fällen kann ich gut damit umgehen, weil ich das Wissen dazu habe. Ich habe Erfahrung im Verzehr von Milchprodukten und durch meine berufliche Tätigkeit habe ich auch Erfahrung mit toxikologischen Grenzwerten von bestimmten Substanzen, in meinem Fall sind es die Weichmacher. Wenn ich etwas nicht selbst bewerten kann, bin ich vorsichtig.
Ich bin entspannter geworden. An den abgelaufenen Lebensmitteln rieche ich, schaue sie mir an und probiere sie auch. Gehe also recht selbstbewusst und nicht ängstlich an die Sache. Bei Grenzwerten schaue ich immer häufiger darauf, was die Grenzwerte wirklich bedeuten, ob sie relevant für mich sind. Auch da hat sich meine Angst vor Chemie in Produkten stark abgebaut, weil ich mich mit den Regularien und Hintergründen beschäftigt habe und nicht immer nur die Überschriften lese.
Chemie-Edutainment Ostern 2023 in einer Grundschule in Leverkusen. Bild: Pia Leandra Rodermond
Was denkt ihr darüber?
Wie wirken sich MHD auf euren Konsum von Lebensmitteln aus und wie groß ist eure Sorge, wenn ihr erfahrt, dass in einem bestimmten Produkt eures Alltags gewisse Grenzwerte kurzzeitig überschritten werden? Schreibt mir eure Gedanken – ich bin gespannt.
Mit hoffentlich effektvollen Grüßen,
Hendrik Fischer
P.S. Die eigentliche Ursache meines Blogbeitrages soll nicht untergehen: Lebensmittelrettung! Wer Lust hat, sich mit unkonventioneller und nachhaltiger Lebensmittelrettung zu beschäftigen, kann gerne im Internet nach #Foodsharing oder #Foodsaving suchen. Es gibt einige lokale und auch überregionale Organisationen, die Informationen zur Verfügung stellen und das Retten von Lebensmitteln organisieren. Bestimmt auch in eurer Nähe.
Sie planen für Ihre Schule einen Projekttag oder ein besonderes Betreuungsangebot in der OGS während der Ferien? Chemie-Edutainement von IchMachChemie bietet sich an…
In 2022 hatte ich das Vergnügen, an vielen Schulen und im privaten Rahmen Chemie-Edutainment im Umkreis von Leichlingen durchzuführen. Das soll in diesem Jahr 2023 weiter und gerne noch häufiger stattfinden.
Begabtenförderung für den Rheinisch Bergischen Kreis in der Grundschule Witzhelden. Bild Pia Leandra Rodermond http://www.mondblende.de
Das Thema MINT-Förderung (MINT = Mathe, Informatik, Naturwissenschaft & Technik) ist ein sehr wichtiges Thema und gut verpackt haben Schüler*Innen und Schüler immer eine Menge Spaß und einen nachhaltigen Lerneffekt.
Ich komme gerne mit meinen Materialien, ausgewählten Chemikalien, einem Entsorgungskonzept und ganz viel Freude für einen Projekttag in eine Schulklasse oder in den Ferien in den Offenen Ganztag. Schon beim Aufbau schauen die Schüler*Innen und Schüler (und auch so manche Lehrer*Innen und Erzieher*Innen) ganz interessiert zu, lernen die Geräte kennen, lesen die Beschriftungen auf den Chemikalienbehältnissen. Nach der Frühstückspause geht es dann los. Experimente mit Säuren & Basen, Farbreaktionen und auch ein paar Explosionen und die Lavalampe werden begleitet durch Erzählungen über die Grundlagen der Chemie. In einfacher Sprache aber auch mit ausgewählten Fachbegriffen, um die Schüler*Innen und Schüler leicht in die Thematik einzuführen.
So könnte der Ablauf an eurer Schule aussehen. Bild Pia Leandra Rodermond, http://www.mondblende.de
Am Anfang bin ich immer etwas aufgeregt. Meine Frage, was denn Chemie sei, wird häufig mit Begriffen wie Gift, Gefährlich, Explosion beantwortet. An so einem Edutainment-Tag erfahren die Teilnehmer*Innen jedoch, wo überall Chemie drin ist, was Chemie eigentlich ist und wie sie kontrolliert werden kann. Nach so einer Experimente-Session mit vielen leuchtenden Kinder- und Erwachsenenaugen melden sich dann nicht wenige und wollen später Chemie studieren. Das geht dann natürlich runter wie Öl.
Sprechen Sie mich in den nächsten Wochen an, wenn Sie für ihre Schule einen Projekttag im MINT-Kontext planen. Es sind noch einige Tage in den Oster-, Sommer- und Herbstferien möglich.
Als ich gestern mit meinen Kindern auf einer GoKart – Bahn war, das Knattern des kleinen Motors hörte und die Beschleunigung hör- und spürbar wurde, kamen mir Gedanken über die Chemie, die ich gerade erfahre.
Aufstellung zum Go-Kart Rennen vor fast schon herbstlicher Eifel-Kulisse
Der Verbrennungsmotor ist fester Bestandteil unseres Alltag. Weil sehr viele ihn täglich im Auto nutzen, weil die Infrastrukturen stark auf das Auto und den Transport auf der Straße ausgerichtet sind, und weil die Transformation der Mobilität stark in gesellschaftlicher und politischer Diskussion ist. Kaum ein Tag vergeht, an dem nicht in Zeitungen und auf Social Media Positionen zum Verbrennungsmotor vertreten werden. Menschen haben eine Beziehung zum Auto, die einen eher eine positiv, die anderen eine negative. Ich gehe sogar soweit zu sagen, dass Menschen einen Beziehung zum Verbrenner haben, bringt es uns doch nah an ganz grundlegende Erfahrungen der Natur: Die Verbrennung und das Feuer.
Chemisch betrachtet passiert bei einem Lagerfeuer, einer Gasheizung und auch im Motor eines Autos sehr ähnliche Dinge: Kohlenstoffhaltige Verbindungen reagieren mit Sauerstoff unter starker Freisetzung von Energie und Kohlendioxid.
Bei einem Lagerfeuer, beim dort verwendeten Brennstoff Holz ist die Cellulose die kohlenstoffhaltige Verbindung. Cellulose ist ein natürlich vorkommendes Polymer aus zuckerartigen Bausteinen und wird aus diesem Grund aus Polysaccharid genannt. Cellulose ist Hauptbestandteil von pflanzlichen Zellwänden. Beim Pflanzenwachstum werden durch den Prozess der Photosynthese aus Kohlendioxid, Wasser und Sonnenenergie Zuckermoleküle und letztendlich auch Cellulose aufgebaut. Bei der Verbrennung wird dieser Prozess wieder umgekehrt, aus Zellulose entstehen Kohlendioxid und Wasser, Energie wird wieder freigesetzt in Form von Wärme und Licht.
Lagerfeuer in der Nacht zum 1. Mai 2022 auf Burg Satzvey
In einer Gasheizung wird üblicherweise Erdgas oder Biogas verbrannt. Chemisch ist das Methanmolekül des Erdgases und des Biogases identisch und besteht aus einem Kohlenstoffatom und vier Wasserstoffatomen.
Chemische Reaktionsgleichung der Verbrennung von Methan
Erdgas wird durch Förderung aus großen, internationalen Lagerstätten bereitgestellt, Biogas durch biochemische Prozesse, konkret wird Biomasse in der Regel lokal aus Abfällen oder auch aus nachwachsenden Rohstoffen vergoren. Technisch gleich ist der Unterschied der Gase also nur im Ursprung zu finden, es wird zwischen fossilen und nachwachsenden Rohstoffen unterschieden.
Im Verbrennungsmotor eines Autos, zum Beispiel eines VW Up mit Benzinmotor, wird zum Beispiel Super 95 verbrannt, eine bestimmte Kraftstoffqualität. So ein Kraftstoff ist ein komplexes Gemisch aus über 100 verschiedenen, überwiegend leichten Kohlenwasserstoff Verbindungen. Darüber hinaus werden diesem Gemisch zusätzlich Alkohole, wie Ethanol und Ether, wie MTBE hinzugefügt, um die Verbrennungsqualität zu verbessern und den Anteil von biobasierten Komponenten zu erhöhen. Letzteres ist gesetzlich gefordert, um die nationalen wie auch europäischen CO2-Einsparungsziele zu erfüllen. Chemisch passiert wieder ähnliches: Kohlenstoffhaltige Verbindungen werden mit Sauerstoff unter Bildung von Kohlendioxid und Wasser sowie Freisetzung von Energie zur Reaktion gebracht. Im Fall des Verbrennungsmotors wird die chemische Energie in Wärme- und Bewegungsenergie umgewandelt.
Mein „Blitz“ bei der Abholung im VW Werk Wolfsburg im Jahr 2015
Die Freisetzung von Kohlendioxid aus fossilen Quellen führt in dem industriellen Maßstab, den wir seit vielen Jahrzehnten gewohnt sind, zu massiven ökologischen Schäden. Und durch den Einfluss des Klimawandels auf unser Leben auch zu ökonomischen Problemen, deren Ausmaß uns immer mehr am eigenen Leib spürbar wird.
Als Chemiker bin immer wieder begeistert, wie die Dinge des Alltages durch die Chemie miteinander verbunden sind. Die Kraft und das Licht des Lagerfeuers, die Wärme der Gasheizung, die Freiheit durch individuelle Mobilität im Auto. Und doch muss aus dieser Ästhetik nicht unbedingt ein Weiter – So sondern kann eine Änderung entstehen, wenn die etwas aus der Balance gerät.
Verbrennung im Labor, Bild von Pia Leandra Rodermond
Überwindung des Verbrenners oder Weiterentwicklung der Mobilität? Technisch sind Lösungen da, sowohl im Bereich der Elektromobilität in der privaten PKW Nutzung, durch biobasierte Rohstoffe in der Heizung oder den Einsatz von eFuels für den internationalen Verkehr und Warentransport durch Flugzeuge und Schiffe. Die nächsten Jahrzehnte werden davon geprägt sein, wie viel chemische Innovation und Begeisterung für Naturwissenschaften bei uns allen vorhanden ist, um die Mobilitätstransformation auch im individuellen Alltag zu gestalten. Ob aus der Ästhetik der Verbrennung vielleicht sogar eine Ästhetik der Elektrizität entstehen wird?
Kunst und Chemie – geht das zusammen? Und ob, wie ein Kindergeburtstag in Witzhelden zeigt…
Als ich Ende 2021 zum ersten Mal von der Witzheldener Künstlerin und Kunsttherapeutin Lilo Krüger auf meine beginnenden Chemie-Edutainment Angebote angesprochen wurde, hätte ich nicht gedacht, dass ich schon knapp sieben Monate später mit ihr und sieben 10-12 jährigen Mädchen in einer Halle stehen und einen Kindergeburtstag zum Thema Kunst und Chemie gestalten würde.
Kindergeburtstag „Kunst und Chemie“ im Juni 2022. Bild: Pia Rodermond
Doch mir war klar, dass Kunst und Chemie super zusammen passen kann. In der Chemie gibt es viele Reaktionen und Methoden, bei denen Farbe eine Rolle spielen: Bei dem Verfahren der Chromatographie werden Substanzmischungen aufgetrennt und zum Teil farblich sichtbar gemacht. Sogenannte pH-Indikatoren zeigen durch einen Farbwechsel an, ob eine chemische Verbindung eine Säure oder eine Base ist, und wie stark diese ist. Metalle erzeugen spezifische Färbungen einer Flamme und können dadurch analytisch bestimmt werden.
Grüne Flammfärbung durch eine Kupferverbindung, Bild: Pia Rodermond
Die Farbe selbst ist schon sehr lange Teil der Erfahrungswelt des Menschen. Bereits vor 30.000 Jahren wurden Höhlenmalereien mit Hilfe einer Mischung aus Erde, farbgebenden Mineralien sowie Pflanzensäften oder Tierfetten hergestellt. Heute sind Farben zum überwiegenden Teil hochentwickelte industrielle Gemische, die aus organischen oder mineralischen Pigmenten und natürlichen oder synthetischen Trägermaterialien bestehen. Wasserfarben, Acrylfarben, Farben auf Silikonbasis oder Ölfarben… die Vielfalt von Grundbausteinen und Pigmenten ist sehr groß. Dabei machte die beginnende großchemische Produktion seit dem 18. Jahrhundert Farbe endlich stabiler und für viele Menschen erstmalig erschwinglich. Klar, dass ein Teil des Programm auch die Herstellung einer Farbe war.
Herstellung einer Farbe basierend auf Mehl und Lebensmittelfarbe. Bild: Pia Rodermond
Die Teilnehmerinnen waren von den unterschiedlichen chemischen Experimenten sofort begeistert. „Endlich mal etwas selber machen“ – das war mein Eindruck. Etwas Blubbern sehen, etwas bunt Verbrennen sehen und dann auch noch Farbe herstellen. In der letzten Stunde passierte jedoch etwas, was Lilo und ich nicht im Detail geplant hatten: Aus bestimmten chemischen Experimenten und der selbst hergestellten Farbe schufen die Teilnehmerinnen eigene kreative Kompositionen. Das war für mich neben der Begeisterung der Teilnehmerinnen für die Chemie das Schönste an dem Tag: Die Synergie von Kunst und Chemie!
Chromatographie trifft Mehlfarbe und wird Kunst. Bild: Pia Rodermond
Für mich wurde dadurch deutlich, dass das gemeinsam entwickelte Konzept und der Kindergeburtstag ein Erfolg und für alle Beteiligten ein inspirierendes Erlebnis war. Und dafür mache ich das doch. Chemie ist nicht nur wie Kochen, sondern manchmal auch wie Malen.
Bei Chemie immer noch: Bloß nicht den Löffel ablecken. Bild: Pia Rodermond
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Habt ihr beim Knabbern von Erdnüssen schon mal nachgedacht, woher das ganze Salz kommt? Ein kurzer Blick vom Küchenregal auf unsere salzige Geschichte…
Kurz vor dem alljährlichen Frühlingsfest war ich in einer Wuppertaler Kneipe. Neben dem Bier, über das ich auch hätte schreiben können, lag eine kleine Packung gesalzene Erdnüsse für ein Euro. Das Salz auf den Erdnüssen erregte meine Aufmerksamkeit und erste Ideen für einen neuen Blogbeitrag kamen mir in den Sinn. Auch das Eiersuchen und Eieressen in den vergangen Tagen nährte meinen Gedanken, mein Küchensalz aus einer chemischen Perspektive zu betrachten …
Das Salz
Das Salz ist seit Generationen dem Menschen bekannt. Schon die Sumerer nutzten Salze zur Konservierung von Lebensmitteln und in unseren Breiten gewann mensch Salz in großen Mengen aus dem Meerwasser. Heute wird Kochsalz durch Abbau in Salzbergwerken, durch Herauslösen aus Steinsalz, und durch Eindampfen von Meereswasser gewonnen. Das Gesamtvorkommen von Salz wird auf ca. 3,6 x 1016 Tonnen in den Ozeanen und ca. 1015 Tonnen unterirdisch geschätzt à insgesamt 37.000.000.000.000.000 oder 37 Millonen Millarden Tonnen. Es wird also für lange Zeit genug Salz auf Eiern und Erdnüssen geben.
Salzbergwerk Berchtesgarden, fotocommunity.de
Die Chemie des Salzes
Chemisch betrachtet besteht Salz aus zwei Elementen: Dem Natrium und dem Chlor. Beides sind höchst reaktive Elemente und kommen in der Natur nicht selbst vor, sondern gebunden in anderen Mineralien. Während Natrium ein recht weiches Metall ist, das sehr spektakulär mit Wasser reagiert, ist Chlor ein typisch riechendes, leicht grünliches Gas, das beim Einatmen giftig ist und zum Tode führen kann. Das Reaktionsprodukt aus Natrium mit Chlor ist Natriumchlorid, NaCl – die meisten kennen es unter dem Namen Kochsalz.
Kristallstruktur von NaCl, Kochsalz. Bildnachweis: istockphoto
Natriumchlorid ist eine Verbindung, die auch chemisch als Salz bezeichnet wird. Salze sind Verbindungen aus Metallen und Nichtmetallen. In festen Salzkristallen liegen Metall und Nichtmetall regelmäßig abwechselnd nebeneinander vor. Die Bindung entsteht durch gegenseitige Anziehung von positiv geladenen Metallatomen und negativ geladenen Nichtmetallatomen Na+ und Cl–.
Genug der Bindungstheorie
Ich finde es toll, dass bei der chemischen Bildung von Kochsalz mir wieder ein Grundprinzip der Chemie deutlich wird: Chemie ist die Reaktion von zwei Substanzen unter Bildung einer dritten, teils völlig anderen Substanz. Aus dem Natriummetall und dem Chlorgas wird festes Kochsalz – völlig anders im Sinn von physikalischen, chemischen oder auch biologischen Eigenschaften: Aus zwei gefährlichen Substanzen wird eine im toxikologischen Sinn risikoarme Substanz entsteht. Zwar kann mensch sich mit löffelweise verschlucktem Salz schädigen, aber zum Glück stopt der Geschmackssinn. Ähnlich ist es mit der Bildung von Ammoniumchlorid aus den gefährlichen Substanzen Ammoniak und Salzsäure. Warum schmecken Salmiak Pastillen so komisch? – Ich mach Chemie
Wie wichtig ist NaCl?
Kochsalz ist nicht nur für Erdnüsse und Frühlingseier wichtig. Sondern ist die Ausgangsverbindung für fast alle technisch und in großen Mengen verwendeten Natriumsalze, wie z.B. Soda Na2CO3 (Backpulver), Ätznatron NaOH (u.a. als Kloreiniger), oder Borax Na2B4O7 (für spezielle Gläser). Bei der Herstellung dieser wichtigen Produkte fällt auch eine Menge Chlor an, für das die chemische Industrie auch eine hervorragende Verwendung hat: PVC / Polyvinylchlorid. Dieser Kunststoff findet in vielen Bereichen Verwendung: Im Fußboden von Krankenhäusern und Sporthallen, als Dacheindeckung, als Feuchtigkeitssperre in Tunneln, als Material in Blutbeuteln und Kathetern, in Fenstern und Wasserrohren, um nur einige zu nennen. Deutlich wird für mich wieder, wie effizient das Molekülmanagement der chemischen Industrie ist: Alles hängt zusammen und aus allem wird noch etwas gemacht – ziemlich nachhaltig eigentlich.
Ich hoffe, ich habe euch eure nächste Suppe mit diesem Blogbeitrag nicht versalzen, sondern einen interessanten chemischen Blick auf die Natur gegeben. Schreibt mir ruhig, wenn euch bestimmte Themen besonders interessieren.
Was ist eine Baryt-Rose und welche Bedeutung hat sie?
Heute im Aquazoo in Düsseldorf eine richtig schöne Ausstellung über Mineralien.
Mir fiel ein besonderes Mineral auf: Barytrose, die Mischung von auskristallisiertem Bariumsulfat BaSO4 und Sand.
Die Barytrose ist ein Mineral der VI. Klasse. Diese Klassifizierung ist historisch und stoffbezogen, hat jedoch keine weitere „Bedeutung“. Bedeutung hat diese Baryt-Rose, weil manche Menschen kulturbedingt der Rose eine Bedeutung zuschreiben. Und auch ich kann mich, sozialisiert wie ich bin, nicht der Bedeutung der Rose entziehen.
Die Barytrose aus der Minerale-Sammlung des Aquazoo Düsseldorf
Rein chemisch betrachtet ist die Barytrose (Baryt =Bariumsulfat) eine bestimmte, regelmäßige Anordnung der Elemente Barium, Schwefel und Sauerstoff. Diese Regelmäßigkeit ist ein Grundprinzip von Feststoffen, wie Metalle und Salze: Ganz regelmäßig und stabil sind die Atome in einem Metall- oder Salzgitter angeordnet. In Flüssigkeiten und Gasen, also den beiden anderen, klassischen Aggregatzuständen, ist diese „Fernordnung“ aufgelöst, und Atome und Moleküle sind in Flüssigkeiten und Gasen nicht fest lokalisiert, sondern bewegen sich stark hin und her.
Die Rosenform des Bariumsulfat/Sand-Gemisches hat mich dazu gebracht, über „Bedeutung“ nachzudenken. Bedeutung ist kein naturwissenschaftlicher Begriff, sondern beschreibt die subjektive Wirkung der Betrachtung eines Objektes auf den Menschen im kulturellen Kontext. Interessanterweise benötige ich keine weitere Bedeutung des Baryts, als mich über die subjektive empfundene Schönheit des Minerals zu freuen und einen Anstoß zu haben, wieder etwas mehr über Minerale zu lernen.
+++Minerale sind ein einzelnes Element oder eine einzelne chemische Verbindung, die im Allgemeinen kristallin und durch geologische Prozesse gebildet wurde+++Alles was wir an nicht-organischen, unbelebten, festen Dingen in der Natur finden und eine einheitliche chemische Struktur hat, sind Minerale+++Minerale können toll aussehen oder auch nicht+++der Preis eines Minerals hängt manchmal von der Seltenheit der chemischen Struktur oder der emotionalen Verbundenheit (Diamant) ab+++Lapislazuli ist sowohl in Minecraft also auch in meiner Wahrnehmung der Natur ein schönes Mineral+++
Ich möchte anregen, dass ihr mal schaut, welche Minerale bei euch so rumschwirren. Geht mal in den Garten oder zum nächsten Fluß, brecht ein paar Steine mit nem Hammer auf und schaut, was sich an Vielfältigkeit in der unbelebten Natur vorfindet.
Mit einer Handvoll von miteinander kombinierten Elementen entsteht in der Natur eine unglaubliche Vielfalt unterschiedlicher chemischer Verbindungen in unterschiedlichen Farben, Formen und mit unterschiedlichen physikalisch-chemischen Eigenschaften. Ein paar von diesen habt ihr vielleicht in Keller, Garten, Küche oder Garage, z.B. das Gipsspat (Calciumsulfat Dihydrat = Gips) oder das Halit (Natriumchlorid = Salz).
Die Chemie muss wie die Physik oder auch wie andere Naturwissenschaften keine weitere Bedeutung haben, nicht schön oder symmetrisch sein. Wahrscheinlich ist es die Natur auch gar nicht, wie die moderne Physikerin Sabine Hossenfelder vor wenigen Jahren in ihrer Kritik an dem Zustand der Physik äußerte:
Aber bemerkenswert finde ich, dass die Chemie und die Physik und andere Naturwissenschaften nebem ihrem praktischen Wert für die Menschheit immer wieder Anregung zur Reflexion über den Aufbau der Welt geben. Und so vielfältig, dass jeder Mensch Schönheit in der Natur finden kann. Und sei es auch eine Mineralrose, die Gedanken an geliebte Menschen und Wissenschaften erzeugt.
Aber habt ihr euch schon mal Gedanken gemacht, was chemisch passiert, bevor ihr in einen saftig knusprigen Reibekuchen beißen könnt?
Es war letzten Sonntag, mein sehr netter Nachbar lud mich und meine Familie spontan zum Reibekuchen Essen ein. Und als ich dann in der Sonne stand und Reibekuchen auf einem Gasofen im Garten briet, dachte ich an die vielen chemischen Reaktionen, die dabei ablaufen. Und nicht nur chemische Reaktionen konnte ich beobachten, sondern auch einige Energieumwandlungen:
Da ist zunächst die Verbrennung des Gases. Propan reagiert mit dem Luftsauerstoff unter Bildung von Kohlendioxid und Wasser.
Die Stoffumwandlung, das heißt die chemische Reaktion ist einfach erklärt. Bindungen zwischen den Atomen werden aufgebrochen und neue Bindungen geknüpft. Aus zwei Gasen (Propan und Sauerstoff) entstehen ein Gas und eine Flüssigkeit, die letztere verdampft jedoch auch bei den hohen Temperaturen. Würde keine Energie frei werden, würde ich die Reaktion gar nicht bemerken. So aber sehe ich eine Flamme und spüre die Hitze. Licht und Wärme sind beides bestimmte Energieformen. Licht sind energiereiche Photonen oder Wellen, und Wärme ist die Bewegung von Teilchen. Die chemische Energie, die in den Ausgangsmaterialien als Bindungsenergie drin steckt, wandelt sich zum Teil in Energie in Form von Licht und Wärme um.
Propangasflamme, Quelle: Wictionary
Faszinierend finde ich, dass im anschließenden Schritt diese Energien wieder gewandelt werden. Und zwar beim Reibekuchenbraten.
Durch die Hitzezufuhr, d.h. in dem Energie in ein System gesteckt wird, findet eine chemische Reaktion im Reibekuchenteig statt. Wasser verdampft. Die Eiweise (auch Proteine genannt), die durch die zwei Eier im Teig vorliegen, beginnen irreversibel zu denaturieren. Bei diesem recht komplexen Vorgang werden Bindungen im Protein aufgebrochen und wieder neu geknüpft, das Protein faltet sich anders, wird weniger löslich, verklumpt. Mit dem gewünschten Effekt, dass der flüssige Teig immer fester wird, bis hin zum fertigen Reibekuchen.
Braten = Energiezufuhr, die eine chemische Reaktion auslöst
Es passieren auch weitere chemische Reaktionen, die mal mehr mal weniger gewollt sind: Beim Rösten von stärkehaltigen Produkten wie z.B. Reibekuchen oder Pommes Frites soll eine angenehme Bräunung und die Bildung von Röstaromen erreicht werden. Das Rösten ist eine Zersetzungsreaktion der Stärkemoleküle, die leider auch zur Bildung von Acrylamid führen kann. Ein Stoff, der von der europäischen Chemikalienbehörde ECHA als besonders besorgniserregend, krebserzeugend und erbgutverändernd eingestuft wird.
Strukturformeln von Acrylamid, Quelle: Wikimedia
Auf stofflicher Ebene passieren beim Braten des Reibekuchens also einige chemische Reaktionen (Zersetzung von Stärke, Denaturierung von Eiweis). Und Wärmeenergie wird zum Teil wieder in chemische Energie, d.h. Bindungsenergie umgewandelt.
Beim anschließenden Glas Wein dachte ich daran, dass die Gesamtheit von Masse (Materie) und Energie in einem geschlossenen System immer gleich bleibt. Materie kann in andere Materie und Energie umgewandelt werden. Energie kann sich von der einen in eine andere Form umwandeln und auch wieder in Materie transformieren. Dieser 2. Hauptsatz der Thermodynamik und die Relativitätstheorie bilden die Grundlage unseres naturwissenschaftlichen Verständnisses für die Phänomene der Natur.
Und ist es nicht beruhigend, dass es so ist und wir diese Grundlagen auch in den alltäglichsten und schönen Dingen unseres Lebens, wie beim Reibekuchenbraten erkennen können?
Euer Hendrik Fischer
Wein als Genussmittel, Gefahrstoff und Inspirationsquelle für Gedanken über Chemie
Ich mach Chemie 