- Chemischer Garten - fast wie die Natur! - Hannelore Dittmar-Ilgen
Beim „chemischen Garten“ ist die Osmose der Hauptdarsteller. Dabei werden in eine wässrige Lösung aus Wasserglas verschiedene Schwermetallsalze gegeben. Im Laufe der Zeit „wachsen“ dann aus den Kristallkrümelchen teilweise skurrile und an einen Garten erinnernde Formen mit unterschiedlichen Strängen, Einschnürungen und Verästelungen.
Experiment: Ein eigenes „Gärtchen" anlegen
Zunächst kaufen Sie in einer gut sortierten Drogerie (oder im Internethandel) Natronwasserglas, eine ölige Flüssigkeit, die von früheren Generationen (und auch heute noch) zum Konservieren von Eiern genutzt wurde. So konnten frisch gelegte Eier für die Weihnachtsbäckerei aufgehoben werden, denn in dieser Zeit legten die Hühner keine oder nur sehr wenige Eier. Für ein kleines Glasgefäß genügen 100 ml davon. Füllen Sie das Wasserglas in den Glasbehälter, den Sie für Ihren chemischen Garten benutzen wollen, und vermischen Sie es mit 100 – 200 ml destilliertem(!) Wasser. Schütteln Sie gründlich durch. Nun müssen Sie das Glas unbedingt erschütterungsfrei aufstellen.
Werfen Sie nun – am besten mit einer Pinzette – kleine Kristalle von Schwermetallsalzen in die Flüssigkeit, genauere Hinweise folgen gleich. Schon nach wenigen Minuten wachsen aus den am Boden des Glases liegenden Kristallen moos-, algen-, tang- und pilzähnliche Gebilde in die Wasserglaslösung hinein. Im Laufe weniger Stunden können Sie zierliche Korallen, Gräser und Bäumchen mit zahlreichen Verästelungen bis zum Flüssigkeitsspiegel beobachten (Abb. 1). Alternativ können Sie auch einzelne Reagenzgläser oder andere dünne Gläser mit dem verdünnten Wasserglas befüllen und nur einen einzelnen Kristall hineingeben. Die Schwermetallsalze sollten Sie in kleinen Mengen im Chemiefachhandel besorgen (Abb. 2).
- Eisen(III)-Chlorid (FeCl3) – braune und dicke verzweigte Äste mit Einschnürungen
- Mangansulfat (MnSO4) – weiße Eiszapfen bzw. Tangfäden
- Kobaltchlorid (CoCl2) – dunkelblaue Bäumchen, langsames Wachstum; Achtung: giftig und krebserregend!
- Nickelchlorid (NiCl2) – grüne Bäumchen; ebenfalls giftig!
- Kupfersulfat (CuSO4) – sehr schöne türkise Gräser
- Zinkchlorid (ZnCl2) – weiße Pflänzchen, die rasch heranwachsen
Lassen Sie Ihr chemisches Gärtchen nicht über längere Zeit unbedeckt herumstehen, da die Flüssigkeit an der Oberfläche austrocknet und dann nicht mehr aus dem Glasgefäß entfernt werden kann. Auch um ein versehentliches Verkippen zu vermeiden, sollte man seinen Garten zuschrauben.
So funktioniert der chemische Garten
Die tatsächlich an natürliche Pflanzen erinnernde Formgebung rührt daher, dass sich um die Metallsalze feine Häutchen bzw. Niederschläge aus Metallhydroxiden und Kieselsäuregel bilden. Deren Oberfläche wirkt als halbdurchlässige Membran. Durch Osmose strömt (wenig) Wasser ein, in dem sich ein wenig von dem Metallsalz löst. Die Membran ist jedoch für die größeren Metallsalzmoleküle nicht durchlässig, sodass weitere Wassermoleküle nachströmen. Dadurch wird die Haut der Membran mehr und mehr gedehnt, schließlich reiß sie an einer Stelle ein. Es fließt etwas von der (farbigen) Salzlösung aus und es bildet sich sofort ein neues Häutchen. So erklärt sich auch das ruckartige Wachstum, das man immer wieder beobachten kann.
Übrigens: Erste künstliche Membranen stellte um 1860 Moritz Traube, ein Chemiker und Weinhändler, aus Blutlaugensalz (für Chemiker: Kaliumhexacyanoferrat) her, das in verdünnter Kupfersulfatlösung eine wasserdurchlässige Haut bildet.
Osmose ist allgegenwärtig
Die Osmose begegnet einem im Alltag auf Schritt und Tritt. Durch Osmose bleiben beispielsweise Schnittblumen in der Vase frisch. Solange die Konzentration gelöster Stoffe in den Zellen der Stängel, Blätter und Blüten größer ist als außerhalb, also im Vasenwasser, werden Wassermoleküle durch die Zellmembran ins Zelleninnere einwandern, für eine prall gefüllte Zelle und damit für frisches Aussehen der Blumen sorgen. Es sei denn, vertrocknete Stängelenden oder ein gut gewachsenes Algenpolster um die Schnittstelle verhindert dies. Grüner Salat wird in der Salatsauce matschig, weil die salzige Marinade den Blättern das Wasser entzieht. Zurück bleibt ein welker, zusammengefallener „Lappen“.
Ein erstaunliches Experiment gibt einen Hinweis auf den enormen Druck, den Pflanzenzellen durch Osmose entwickeln. Dazu gipsen Sie einige trockene Hülsenfrüchte in eine kleine Schachtel ein. Den erhärteten Block nehmen Sie heraus und setzen ihn in ein Wasserbad. Nach einiger Zeit wird der Druck in den Zellen der Früchte den Gips sprengen. Dieser Effekt ist auch sonst wohlbekannt: Am Straßenrand entdeckt man immer wieder Pflanzen, die sich mithilfe ihres osmotischen Druckes durch eine (nicht allzu dicke) Asphaltdecke „gedrückt“ haben. Natürlich benötigen sie für ihr Treiben Wasser aus dem Untergrund. Auch Felsspalten werden von Pflanzen so gesprengt, man nennt dies organische Erosion.
Beim Suppekochen kommt es darauf an, dass die Gemüseeinlage oder das Fleisch Flüssigkeit abgeben und dem Wasser damit Geschmack verleihen. Aus diesem Grund fügt man zu einer kochenden Suppe Salz hinzu. Bereitet man jedoch Siedefleisch (Tafelspitz beispielsweise) zu, das als Hauptgang serviert wird, sollen Saft und Geschmack natürlich im Fleisch bleiben. Deshalb wird Fleisch immer erst nach dem Garen gesalzen. Das Kochen verändert nämlich die Zellwände so, dass (fast) keine Osmose mehr stattfinden kann.
Der gesamte Wasser- und Stofftransport in Pflanzen, Bäumen und Zellen wird wesentlich von osmotischen Kräften getragen. So erfolgt der Austausch zwischen Zellen und Blutgefäßen osmotisch durch die Wände hindurch. Bäume können nur Dank der Osmose stattliche Höhen von mehr als 100 m erreichen. Der Transpirationssog des Blattwerks und die Kapillarkräfte allein genügen nämlich nicht zur Versorgung der obersten Blätter. Sie werden tatkräftig unterstützt durch einen durch Osmose in den Wurzeln erzeugten Wasserdruck.
Energie gewinnen mit Osmosekraftwerken
Die Idee, für die Energiegewinnung das Mischungsbestreben von Salz- und Süßwasser vor allem an Flussmündungen auszunutzen, ist schon einige Jahre alt; sie stammt aus den 1970er Jahren. Allerdings wurde erst 2009 von einem norwegischen Energieversorger eine Versuchsanlage errichtet. Eines der Probleme sind nämlich die durchlässigen Folien, die nicht nur großflächig und hauchdünn, sondern auch stabil und beständig sein müssen. Diesen Zweck erfüllen inzwischen spezielle Polymerfolien, die auf einen porösen Werkstoff aufgebracht werden. Ein kommerzielles Kraftwerk ist für 2015 geplant.
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Aufgeplatzte Tomaten - Osmose ist schuld!
Quellen und weiterführende Literatur:
- H. Römpp: Chemische Experimente mit einfachen Mitteln
- H. This-Benckhard: Rätsel der Kochkunst
- J. Trefil: 1001 Rätsel der Natur
- N. Campbell: Biologie
Bildnachweis: © Hannelore Dittmar-Ilgen; das Experiment führte Julian Ilgen durch.
Dr. Hannelore Dittmar-Ilgen - Physikerin, Wissenschaftsjournalistin, Buchautorin, Mathe-Erklärerin, Hobbybäckerin und... Physikhexe. Und so schreibe ich ...
