Sommerzeit, Eis-Zeit, Zeit für Eis-Experimente und Eis-Rezepte (2014)

Juchhu, es ist Sommer! Viel Licht und Sonne, draußen frühstücken, Eis schlecken, Wasserspass, laue Sommerabende geniessen. Da sind doch Eis-Experimente und Eis-Rezepte genau das Richtige. Wenn Du Lust dazu hast, lohnt es sich weiter zu lesen. Du bekommst Anregungen zum Experimentieren mit Eis - Eisberge im Glas, Eis-Ausdehnung, Deformation und Sprengkraft durch Eis, mit einer selbst hergestellten "Eismaschine" ein einfaches Joghurt-Eis herstellen - und erfährst von meinen beiden Lieblingsrezepten, nach denen ich Eis selbst zubereite.

Zusätzlich kannst du etwas über die besonderen Eigenschaften des Wassers, die sogenannte Anomalie des Wassers, und deren Bedeutung für das Leben und den Alltag erfahren. Wasser, Grundlage des Lebens, ist Lebensraum vieler Organismen und ohne Wasser und seine besonderen Eigenschaften ist Leben so nicht möglich. Wasser bedeckt drei Viertel der Erdoberfläche und kommt in drei Zustandsformen, Aggregatzuständen, vor: Als Eis (fest), Wasser (flüssig) und Wasserdampf (gasförmig). In allen drei Formen begegnet es uns im Alltag, ist es bedeutsam für das Leben auf der Erde und bietet es so viele interessante Freizeitmöglichkeiten. Laut "Gletscher-Info: Während sich in Grundwasser, Seen, Flüssen, im Boden und in der Luft nur 30 Prozent der Süßwasserreserven finden, sind etwa 70 Prozent des Süßwassers, das heißt 24 Millionen m³, als Eis und Schnee im Inlandeis der Pole und in den Gletschern gebunden."

Experimente

1. "Eisberge im Glas"

• Was brauchst du? Ein Glas, wenige Eiswürfel und Wasser.
• Was musst du tun? Gib ca. 5 Eiswürfel in das Glas, fülle es dann mit Wasser bis zum Rand auf und beobachte!
• Was erwartest du? Glaubst du, dass das Glas überläuft, wenn das Eis schmilzt?
• Was kannst du beobachten? Die Eisstückchen schwimmen auf dem Wasser und ragen zu einem kleinen Teil aus dem Wasser heraus. Mit der Zeit werden die Eisstückchen immer kleiner bis sie nach ca. 1 Stunde, je nach der Umgebungstemperatur, ganz geschmolzen sind. Das Glas läuft nicht über.
• Wie kannst du das erklären? Wenn Wasser gefriert, dehnt es sich aus (siehe dazu auch das nächste Experiment). Es verändert dabei nicht sein Gewicht sondern nur sein Volumen. Da sich das gleiche Gewicht jetzt auf ein größeres Volumen verteilt, hat Eis eine geringere Dichte als Wasser und somit schwimmt Eis auf dem Wasser. So ergeben 10 Liter Wasser z.B. 11 Liter Eis. Da die 11 Liter Eis genau so schwer sind wie 10 Liter Wasser, verdrängen sie deshalb auch 10 Liter, wenn sie schwimmen und nehmen nach dem Schmelzen den Platz ein, den sie vorher verdrängt haben. (s. Kinderbrockhaus Experimente, S. 11). Naturwissenschaftler_innen sprechen auch von der "Anomalie des Wassers", weil dieses Verhalten im Gegensatz zu fast allen anderen Stoffen steht, die beim Abkühlen oder Gefrieren ihr Volumen verringern. Siehe dazu auch die Experimente 2. "Eis-Ausdehnung" und 3. "Deformation durch Eis". Wenn du dich genauer dafür interessierst, bietet das youtube-Video anschauliche "Erklärungen zur Anomalie des Wassers" auf der anspruchsvolleren molekularen Ebene. Hier werden die Bedeutung des Dipols und der Wasserstoffbrücken für dieses Phänomen modellhaft gezeigt und die Ursache für die Anomalie meines Erachtens sehr schön und verständlich dargestellt, s. unten.
  
• Bedeutung für den Alltag: Aufgrund dieser Anomalie des Wassers schwimmen Eisberge auf dem Wasser, gefrieren Gewässer von oben zu und ermöglichen ein Leben unter dem Eis im Wasser, kann gefrorenes Wasser Boden und Gestein sprengen. Genauer kannst du Einiges zur Anomalie  des Wassers und dessen Bedeutung für den Alltag z.B. bei "klasseWasser", im "Schülerlexikon" und bei "chemie-master" nachlesen.
• Zu den Gefahren der Eisberge für die Schifffahrt aufgrund der Tatsache, dass der größte Teil sich unter Wasser befindet, oft in horizontaler Form ausgebreitet, mit anschaulichen Fotos, kannst du auf der wikipediaSeite "Eisberg" nachlesen. Im Kinderbrockhaus, S.11, steht dazu, dass die Eisberge höchstens zu einem Fünftel aus dem Wasser ragen und somit ihre Größe, genaue Lage und Form deshalb oft schwer einzuschätzen ist. "So sank am 15. April 1912 das damals größte Schiff der Welt, die "Titanic", auf seiner Jungfernfahrt von Southampton nach New York in den USA. Es war auf einen Eisberg gelaufen, der nicht rechtzeitig gesehen wurde. 1503 Menschen kamen ums Leben, nur 703 konnten gerettet werden."

2. "Eis-Ausdehnung"

• Was brauchst du? Ein Glas mit Deckel, ein Gefrierfach
• Was musst du tun? Fülle das Glas bis zum Rand mit Wasser und stelle es in das Gefrierfach. Lege den Deckel nun auf das Glas ohne das Glas zuzuschrauben.
• Was kannst du beobachten? Wenn du am nächsten Tag nachschaust, kannst du sehen, dass das Wasser gefroren ist, das Eis sich bis über den Rand des Glases ausgedehnt und den Deckel angehoben hat.
• Wie kannst du das erklären? Eis hat ein größeres Voumen als die gleiche Menge Wasser. Die Erklärung liegt also in den besonderen Eigenschaften des Wassers, in seiner Dichteanomalie, die in dem obigen Video anschaulich dargestellt wird.
• Rätsel mit Anwendung im Alltag: Was meinst du passiert, wenn du eine Glasflasche, die mit Wasser, Limonade, Bier oder einem anderen Getränk gefüllt ist, zum Abkühlen in die Tiefkühltruhe legst oder sie im Winter, bei Frost, draußen stehen lässt? Warum muss man im Winter bei Wasserleitungen, die dem Frost ausgesetzt sind, das Wasser ablassen?
• Des Rätsels Lösung liegt wieder in der Anomalie des Wassers: Da Eis, wie du oben lesen konntest, mehr Volumen einnimmt als Wasser, kann es die Glasflasche, in der Wasser oder wasserhaltige Getränke sind, sprengen. Uns ist das leider mit einer vergessenen Flasche, die wir im Sommer schnell mal abkühlen wollten, passiert. Aus dem gleichen Grund können Wasserleitungen durch Frost platzen.

3. "Deformation durch Eis"

• Was brauchst du? Eine verschließbare Plastikflasche (PET-Flasche) und kleine Eisstücke
• Was musst du tun? Du zerkleinerst das Eis so, dass es durch die Öffnung der Flasche passt. Ich habe die Eiswürfel dazu auf ein Brett gelegt und mit einem Hammer klein geschlagen. Verschliesse die mit Eisstückchen gefüllte Flasche, schüttel sie kräftig, lege sie dann hin und beobachte. Besonders deutlich wird der zu beobachtende Effekt, wenn du die leere, genauer nur mit Luft gefüllte, Plastikflasche erst in die warme Sonne legst und dann möglichst schnell die Eisstückchen einfüllst und die Flasche verschliesst.
• Was kannst du beobachten? Schon nach wenigen Sekunden hörst du ein Knistern der Plastikflasche und die ersten Dellen/Verformungen sind deutlich zu erkennen.
• Wie kannst du das erklären? Die meisten Stoffe dehnen sich beim Erwärmen aus und ziehen sich beim Abkühlen zusammen. Die abgekühlte Luft nimmt also weniger Volumen ein als warme oder sogar heiße Luft. Dadurch entsteht in der verschlossenen Flasche ein Unterdruck und die Dellen entstehen. Dieses Phänomen kannst du auch beobachten, wenn du die Tiefkühltruhe öffnest, wieder schliesst und nach wenigen Sekunden erneut öffnen willst. Die Tiefkühltruhe lässt sich dann merklich schwerer öffnen, da die beim Öffnen eingeströmte warme Luft sich durch die Abkühlung in der Truhe zusammenzieht und dadurch einen Unterdruck erzeugt, s.o.!
  Weitere Vertiefungen, Veranschaulichungen, Erklärungen, Experimente und Übungen zu den Aggregatzuständen und ihren Übergängen findest du z.B. hier: "Aggregatzustände im Teilchenmodell"
• Rate mal! Kannst du dir jetzt vorstellen, was passiert, wenn du über die durch die Eisstücke verbeulte, verschlossene Flasche heißes Wasser laufen lässt und was, wenn du die Flasche anschließend in die Tiefkühltruhe legst?
• Des Rätsels Lösung: Wenn du heißes Wasser über die verschlossene Plastikflasche gießt, hörst du sofort wieder ein Knacken und die Dellen verschwinden zum Teil wieder, da die Luft sich in der Flasche beim Erwärmen wieder ausdehnt. Legst du die Plastikflasche dann in die Tiefkühltruhe entstehen wieder unter Knistern die Dellen, da die abgekühlte Luft sich wieder zusammenzieht. Das kannst du beliebig oft wiederholen.

Experiment: Eis herstellen mit einer selbst gemachten Eismaschine

• Was brauchst du? Eiswürfel, ca. 20 Stück, 4 Eßlöffel Salz, Joghurt, Früchte, eventuell Honig oder Zucker oder Fruchtmarmelade deiner Wahl (Du kannst natürlich auch einfach einen Fruchtjoghurt nehmen; das finde ich aber nicht so kreativ), eine kleine Metallschüssel, eine größere Schüssel und einen Rührlöffel.
• Was musst du tun? Stelle dir, wenn du magst, zuerst einen Fruchtjoghurt her. Ich habe dazu meine selbst gemachte Erdbeermarmelade mit Naturjoghurt verrührt. Dann empfiehlt die Kindermax-Seite: "Zerkleinere die Eiswürfel und gib sie in die grosse Schüssel. Vermische das Eis mit etwa 4 Esslöffel Salz. Drück die kleine Schüssel tief in die Eismischung, aber achte darauf, dass keine Eissplitter hineinfallen. Fülle vorsichtig etwas Fruchtjoghurt in die kleine Schüssel. Jetzt immer wieder gut rühren – und nach 15 bis 20 Minuten hast du leckeres Eis."
• Wie kannst du das erklären? Zum bzw. beim Schmelzen des Eises und Lösen des Salzes wird der Umgebung Wärme entzogen. Deshalb sinkt die Temperatur der Salz-Eis-Mischung und zwar mehr als die einer Salz-Wasser-Mischung. Ausführlichere und genauere Erklärungen und Informationen findest du auf der Seite von Prof. Blume zur Kältemischung. Bei wikipedia kannst du neben genaueren Informationen zur Kältemischung erfahren, dass bei der Mischung aus 100g Eis mit 23g Kochsalz (Natriumchlorid: NaCl) Temperaturen bis -21Grad erreicht werden können.