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Ketchup - Stärke - Sand
Stoffe   Ketchup in Flasche (Achtung: kein dünnflüssiger Ketchup kaufen!), Maisstärke, hüpfender Kitt, Bausand
Geräte  Stück Laborschlauch, Gummi oder Stahlfeder, Knete, Esslöffel, Gabel, kleine Schüssel ca. 12cm Durchmesser, Hammer, Latte-Macchiato-Glas, 2 Kochlöffel

Hinweise: Die hier beschriebenen Versuche mit Gelen haben zwar mit technisch hergestellten Nanomaterialien nicht direkt zu tun, sie können aber als Einführung dienen, welche merkwürdigen Phänomene Stoffsysteme verursachen. Gele sind Systeme, die in der Regel aus mindestens einer festen und einer flüssigen (oder gasförmigen) Komponente aufgebaut sind. Die Komponenten sind durch intermolekulare Kräfte miteinander verbunden und in einer bestimmten Struktur angeordnet. Durch Krafteinwirkung von außen werden der Zusammenhalt und die Struktur verändert. Insofern stellen die Experimente eine Möglichkeit dar, in die merkwürdige Welt von speziellen Stoffsystemen einzuführen. Wider Erwarten verstärkt oder vermindert eine Krafteinwirkung von außen den Zusammenhalt der Komponenten.
Gelegentlich wird behauptet, im Ketchup seien "Nano"stoffe zur Verbesserung der Fließfähigkeit enthalten, was aber grundsätzlich falsch ist. Um Verwirrungen zu vermeiden, sollte man beim Ketchup oder seinen Zusätzen nicht von "Nano" sprechen. Es geht hier lediglich um das Phänomen, was ein Gel verursachen kann.
 
 

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Flasche mit Ketchup: Was ist dazwischen passiert?  


Demonstration: Thixotropie beim Ketchup

Eine zu vier Fünfteln gefüllte Ketchup-Flasche aus Glas wird auf den Tisch gestellt. Dann öffnet man sie und dreht sie um. Trotz kleiner Bewegungen fließt der Ketchup nicht heraus. Im Anschluss kann man die Folie unten den Schülern zeigen. Wie bekommt man den Ketchup aus der Flasche? Was ist zwischen dem linken und dem rechten Bild passiert? Durch eine Diskussion und Experimente, die die Hypothesen bestätigen, kann vielleicht eine Theorie aufgestellt werden: Durch Bewegungen und Schütteln wird der Ketchup nicht nur aus der Flasche geschüttelt, sondern er wird kurzzeitig dünnflüssiger, so dass er leichter aus der Flasche fließt.

Der Begriff Thixotropie leitet sich von den griechischen Wörtern thigganein (berühren) und tropos (Richtung) ab, er bezeichnet das Phänomen, dass Gele beim Rühren oder Schütteln flüssiger werden und sich danach wieder verfestigen. Ketchup ist ein Gel, das aus Tomatenmark, Essig, Zucker und Würzzutaten besteht. Das Phänomen kennt auch der Maler, wenn er mit einem nicht tropfenden Lack arbeitet: Beim Streichen ist der Lack dünnflüssiger, im Ruhezustand ist die Zähflüssigkeit größer, so dass der Lack von der bestrichenen Fläche nicht abtropft. Diese Eigenschaft wird durch das Zugeben von Thixotropiermitteln erreicht. Hierfür eignen sich Bentonite (verunreinigte Tone), Kaoline (Tongesteine), Alginsäure (ein Mehrfachzucker) und quarzhaltige Schwebmittel. Ein thixotropes System ist ein Nichtnewtonsches Fluid. Diese Stoffsysteme zeichnen sich dadurch aus, dass sie ihre Fließfähigkeit verändern, wenn Kräfte von außen einwirken. Beim Ketchup und beim nicht tropfenden Lack führen Krafteinwirkungen von außen zu einer Erhöhung der Fließfähigkeit, die Viskosität (Zähflüssigkeit) nimmt ab.
 

Versuch 1: Experimente mit einem Stärke-Wasser-Gel
 
Informationen und Vorversuch

Ein gewöhnlicher Haushalts-Gummi ist elastisch, nach dem Auseinander- und Zusammenziehen erhält er wieder seine ursprüngliche Form zurück. Ein plastisch verformbarer Stoff wie Knete verformt sich dagegen dauerhaft, wenn man ihn bearbeitet hat. Es gibt aber auch Stoffe, die gleichzeitig beides können. An einem Laborschlauch oder einer Stahlfeder und an einem Stück Knete kann der Unterschied zwischen elastisch und plastisch verformbar aufgezeigt werden.

Hauptversuch

Zwei gehäufte Esslöffel Maisstärke werden in eine kleine Schüssel gegeben. Dann gibt man mehrere Esslöffel Wasser hinzu, bis ein "Stärkebrei" - oder exakt formuliert ein Stärke-Wasser-Gel - entsteht.

 


 
Wenn man mit der Gabel in das Gel sticht, bildet sich eine zähe Masse, die man nur mit Mühe herausbekommt. Liegt ein bearbeitetes Stück ruhig auf einer Gabel, wird es plötzlich dünnflüssig und fließt durch die Zinken der Gabel. Aus dem Gel lässt sich eine Kugel formen, die unter dem Druck der Hand zäh ist und nach dem Loslassen wie von Geisterhand zerfließt.

 



Den Schülern wird zunächst die Herstellungsvorschrift bekannt gegeben, dann probieren sie alle möglichen Varianten aus:
  • Versuche mit einer Gabel das Gel abzustechen.
  • Nimm mit der Gabel das Gel heraus. Fließt es durch die Gabel oder bleibt es darauf?
  • Wie schnell sinkt der Löffel oder die Gabel in das Gel ein: a) wenn man darauf schlägt, b) wenn sie darauf gelegt wird?
  • Stelle ein Gel her, das den Effekt optimal zeigt!
  • Tippe mit zwei Fingern auf die Oberfläche des Gels in der Schüssel, zuerst nur ganz langsam und vorsichtig, dann eher schnell mit mehr Energie. "Laufe" mit den Fingern über die Oberfläche!
  • Stelle ein Gel her, das sich zu einer Kugel formen lässt: Wie fühlt sich die Kugel in der Hand an?
  • Was passiert, wenn man sie heftig drückt oder wenn die Kugel auf die Tischplatte geworfen wird?
  • Schlage mit einem Hammer zunächst vorsichtig auf die Kugel! Wie kann man sie zerbrechen?
  • Mit dem hüpfenden Kitt können ähnliche Experimente durchgeführt werden. Entwickle dazu eigene Experimente und dokumentiere diese. Erstelle einen Fragekatalog und stelle eigene Hypothesen und Vermutungen auf, wie man die Phänomene erklären könnte!
 
Zusatzinformationen

Stärkekörner quellen bei der Zugabe von Wasser, sie können viel Wasser aufnehmen und bilden ein Gel. Bei Gelen sind die Poren eines Feststoffs mit einer Flüssigkeit gefüllt. Das Stärke-Wasser-Gel ist wie der Ketchup auch ein Nichtnewtonsches Fluid, nur dass es umgekehrt auf Krafteinwirkungen reagiert: Bei einer Krafteinwirkung von außen wird es zähflüssig, ohne diese Krafteinwirkung ist es wieder dünnflüssig.
 
 
Versuch 2: Flüssiger oder fester Sand?

Informationen: Sandkörner sind sehr porös und können Luft aufnehmen. Außerdem liegen zwischen den Sandkörnern Luftzwischenräume selbst wenn sie ganz nah aneinander gepresst werden. Beim gewöhnlichen Sand an einem Strand liegt daher immer ein Stoffsystem aus festen Sandkörnern und der gasförmigen Luft vor. Dies ist eine Hilfestellung für das Verstehen des nachfolgenden Experiments.

 


Wem gelingt der "Latte-Macchiato-Trick"?  
 

Durchführung

Der Boden eines hohen Latte-Macchiato-Glases wird mit einer 1cm dicken Sandschicht bedeckt. Dann stellt man einen Holz-Kochlöffel mit der Stielseite nach unten in das Glas. Das Glas wird rund um den Kochlöffel bis knapp unter den Glasrand mit feinem Sand gefüllt. Nun wird behauptet, dass man das Glas mit dem Kochlöffel unter Umständen hochziehen kann, ohne dass es herunterfällt. Wenn der Kochlöffel jetzt hochgehoben wird, gelingt es natürlich nicht. Was nun? Man kann man den Schülern die Aufgabe stellen, dass sie es herausfinden sollen. Wenn eine Gruppe den Trick gefunden hat, werden weitere Aufgaben gestellt:
  • Klopfe mit dem Stiel eines zweiten Kochlöffels zunächst etwas fester und dann ganz leicht von der Seite von oben nach unten an das Glas. Lässt sich der Stab herausziehen?
  • Kann man das Glas mit dem Stab anheben?
  • Finde heraus, wie man den Stab ohne Mühe wieder herausnehmen kann!
  • Spielt es eine Rolle, ob das Ende des Kochlöffels den Glasboden berührt?
  • Ergeben sich Unterschiede beim starken oder beim schwachen Klopfen?
  • Spielt es eine Rolle wo man klopft?
  • Gibt es Unterschiede, wenn man beim Klopfen das Glas mit einer Hand fest fixiert oder wenn es frei steht und beim Klopfen mitschwingen kann?
  • Wie lässt sich eine besonders starke Verfestigung des Sandes erreichen. Finde es durch Experimente heraus!
  • Untersuche durch weitere Experimente, wie sich der Sand im Glas verhält, wenn verschiedenartige Kräfte auf das System einwirken!
  • Vergleiche das System Sand-Luft mit dem System Stärke-Wasser.
 
Praktische Anwendung und Erläuterung

An Badestränden in Südeuropa kann man Sonnenschirme mieten, die in den Sand gesteckt werden. Anfänger machen oft den Fehler, dass sie den Stechstab des Schirmes mit einem Schuh hineinzuhauen versuchen. Warum gelingt das nicht oder nur unbefriedigend? Wenn man dem Strandschirmvermieter einmal zugesehen hat, dann weiß man wie es funktioniert: Der Stab sinkt durch kreisende Bewegungen leichter in den Sand. Auch das Hin- und Herbewegen des Stabes unterstützt das Vorhaben. Durch die Bewegungen werden die zusammenhaltenden Kräfte zwischen den Sandkörnern kurzzeitig gestört und die Fließfähigkeit nimmt zu. Wie kann man danach den Sonnenschirm stabilisieren, damit der Stab nicht mehr umfällt?

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