Verschiedene Erhitzerbeutel im Überblick

Zu b: Stelle für jede Füllung die Reaktionsgleichung auf, berechne Δ_rH_m⁰ aus den Standardbildungsenthalpien und teile durch die molare Masse der Füllung. Achte beim Aluminium darauf, auf wie viel Mol Aluminium sich deine Gleichung bezieht.

Zu c: Wie viel Wärme braucht das Essen, wenn du mit der Wärmekapazität von Wasser rechnest? Wie viel liefern 50 g Branntkalk höchstens? Und was könnte sonst noch im Kissen stecken, wenn es das Essen trotzdem heiß macht?

Zu d: In alkalischer Lösung gleichst du Ladungen mit Hydroxid-Ionen und Wasser-Molekülen aus. Aluminium wird zu Aluminat-Ionen [Al(OH)₄]⁻ oxidiert, aus Wasser-Molekülen entstehen Wasserstoff und Hydroxid-Ionen.

Zu a: Skizziere für beide Stoffe, welche Teilchen vorher und welche nachher vorliegen.

Zu b: Welche Teilchen müssen entstanden sein, wenn ein pH-Teststreifen eine stark alkalische Lösung anzeigt? Und welches Gas hat die Prüfstelle im Rundfunkbericht gefunden?

Zu c: Rechne wie in Aufgabe 2c: Wärme, die das Essen braucht, gegen Wärme, die 76 g Calciumchlorid beim Lösen höchstens liefern.

Zu d: Calciumcarbonat ist schwer löslich. Was passiert, wenn Calciumhydroxid und Natriumhydrogencarbonat zusammentreffen, und was bleibt gelöst zurück?

a) Übersicht

• Magnesium-Heizbeutel: Mg + 2 H₂O → Mg(OH)₂ + H₂. Redoxreaktion: Magnesium wird oxidiert, Wasser reduziert. Hemmung: Schicht aus Magnesiumhydroxid. Überwindung: Das eingemahlene Eisen macht jedes Korn zu einem Lokalelement, das Salzwasser schließt den Stromkreis, und in Salzlösung schützt die Schicht schlechter. Produkte: Wasserstoff (rechnerisch bis zu etwa 8 L pro Pad, gemessen im Mittel 4,4 L), Magnesiumhydroxid, deutlich schwächer alkalisch (gesättigt etwa pH 10). Wärme: etwa 14,5 kJ pro Gramm Magnesium.
• Aluminium-Heizbeutel: 2 Al + 2 OH⁻ + 6 H₂O → 2 [Al(OH)₄]⁻ + 3 H₂. Redoxreaktion: Aluminium wird oxidiert, Wasser reduziert. Hemmung: Schicht aus Aluminiumoxid und Aluminiumhydroxid. Überwindung: Hydroxid-Ionen lösen die Schicht als Aluminat-Ionen. Produkte: Wasserstoff (Menge unbekannt), stark alkalische Lösung mit Aluminat-Ionen, bei Laugenmangel Aluminiumhydroxid. Wärme: etwa 16,1 kJ pro Gramm Aluminium.
• Kalk-Heizkissen: CaO + H₂O → Ca(OH)₂. Säure-Base-Reaktion: Die Oxid-Ionen nehmen Protonen auf. Hemmung: keine Schutzschicht zu überwinden, die Reaktion setzt mit Wasser sofort ein. Produkte: kein Gas außer Wasserdampf, wenn die Kissen nur Branntkalk enthalten; Calciumhydroxid, stark alkalisch. Wärme: etwa 1,16 kJ pro Gramm Branntkalk.

Zum Vergleich: Das Lösen von Calciumchlorid liefert höchstens etwa 0,73 kJ pro Gramm, ohne Gas.

b) Wärme pro Gramm Füllung

Δ_rH_m⁰ = Σ Δ_fH_m⁰(Produkte) − Σ Δ_fH_m⁰(Edukte); geteilt durch die molare Masse ergibt sich die Wärme pro Gramm.

• Magnesium: Mg + 2 H₂O(l) → Mg(OH)₂ + H₂: Δ_rH_m⁰ = −924,7 − 2 · (−285,8) = −353,1 kJ/mol; 353,1 kJ/mol : 24,31 g/mol ≈ 14,5 kJ/g.
• Aluminium: 2 Al + 6 H₂O(l) → 2 Al(OH)₃ + 3 H₂: 2 · (−1293,1) − 6 · (−285,8) = −871,4 kJ für 2 mol Aluminium, also −435,7 kJ pro Mol; 435,7 kJ/mol : 26,98 g/mol ≈ 16,1 kJ/g.
• Branntkalk: CaO + H₂O(l) → Ca(OH)₂: −986,1 − (−635,1) − (−285,8) = −65,2 kJ/mol; 65,2 kJ/mol : 56,08 g/mol ≈ 1,16 kJ/g.
• Calciumchlorid lösen: CaCl₂(s) → Ca²⁺(aq) + 2 Cl⁻(aq): −543,0 + 2 · (−167,1) − (−795,8) = −81,4 kJ/mol; 81,4 kJ/mol : 110,98 g/mol ≈ 0,73 kJ/g.

Ergebnis: Magnesium und Aluminium liefern pro Gramm gut zehnmal so viel Wärme wie Branntkalk und rund zwanzigmal so viel wie das Lösen von Calciumchlorid. Für dieselbe Wärme braucht man also ein Vielfaches an Branntkalk oder Salz – oder ein Metall, das Wasserstoff bildet.

c) Reicht ein 50 g-Kalkkissen?

Benötigt: Q = m · c · ΔT = 400 g · 4,18 J/(g · K) · 70 K ≈ 117 kJ. Höchstens geliefert: 50 g · 1,16 kJ/g ≈ 58 kJ, also nur die Hälfte – und auch das nur, wenn keine Wärme an Behälter, Wasser und Umgebung verloren geht.

Deutung: Mit reinem Branntkalk ist eine Mahlzeit von 400 g nicht auf 90 °C zu bringen. Entweder wird weniger Essen weniger stark erwärmt, oder im Kissen steckt mehr als Branntkalk, etwa Aluminium wie in vielen Hotpot-Heizbeuteln. Dann entstünde Wasserstoff, und die Händlerangabe zum Dampf hätte einen wahren Kern. Prüfen ließe sich das, indem man das Gas auffängt und auf Wasserstoff untersucht.

d) Teilgleichungen für Aluminium in Lauge

Aluminium wird oxidiert (Oxidationszahl 0 → +III), Wasserstoff im Wasser wird reduziert (+I → 0). Damit die Elektronen aufgehen, wird die Oxidation mit 2, die Reduktion mit 3 multipliziert; sechs Hydroxid-Ionen kürzen sich heraus.

a) Lösen oder Reagieren?

• Calciumchlorid: Wasser-Moleküle lösen Calcium- und Chlorid-Ionen aus dem Gitter und umhüllen sie (Hydratation). Vorher und nachher liegen dieselben Ionen vor, einmal im Gitter, einmal hydratisiert.
• Calciumoxid: Jedes Oxid-Ion nimmt von einem Wasser-Molekül ein Proton auf; aus einem Oxid-Ion und einem Wasser-Molekül werden zwei Hydroxid-Ionen. Es entstehen neue Teilchen und ein neuer Stoff, das schwer lösliche Calciumhydroxid: eine chemische Reaktion, genauer ein Protonenübergang nach Brønsted.
• Der entscheidende Unterschied: Auch Calciumoxid ist eine Ionenverbindung. Ob man es „Salz“ nennt, ist nicht der Punkt. Entscheidend ist, ob sich Ionen nur lösen oder ob eine Reaktion neue Teilchen bildet.

b) Was der pH-Befund verrät

• Calcium-Ionen und Chlorid-Ionen reagieren kaum mit Wasser; eine Calciumchlorid-Lösung ist annähernd neutral.
• Die stark alkalische Lösung im Hotpot zeigt, dass Hydroxid-Ionen entstanden sind.
• Das passt zu Branntkalk: Die Oxid-Ionen nehmen Protonen auf, es entsteht Calciumhydroxid.
• Auf Aluminium weist erst der Wasserstoff hin, den die Prüfung im Rundfunkbericht im freigesetzten Gas nachgewiesen hat.
• Fazit: Der Hotpot heizt nicht durch das Lösen eines Salzes, sondern durch Reaktionen. Was genau im untersuchten Heizbeutel steckt, verrät die überwiegend chinesische Beschriftung nicht; Branntkalk, vermutlich zusammen mit Aluminium, passt zu allen Befunden.

c) Kann Lösungswärme den Hotpot heiß machen?

Benötigt: Q = 407 g · 4,18 J/(g · K) · 80 K ≈ 136 kJ. Höchstens geliefert: 76 g · 0,73 kJ/g ≈ 56 kJ – selbst ohne Verluste nur etwa 40 % des Bedarfs. Mit Branntkalk allein wären es 76 g · 1,16 kJ/g ≈ 88 kJ, ebenfalls zu wenig; erst Aluminium mit etwa 16 kJ pro Gramm macht die Rechnung möglich.

Fazit: Lösungswärme reicht für Getränkebecher und Kühlkissen, nicht für eine Mahlzeit.

d) Lauge aus dem Beutel

Mit dem Aktivierungswasser wird zuerst der Branntkalk gelöscht; das liefert schon Wärme. Schon das Calciumhydroxid allein bildet eine Lauge: Seine gesättigte Lösung hat einen pH-Wert um 12 und greift die Schutzschicht des Aluminiums ebenfalls an; ein Patent für solche Heizbeutel nennt genau diese Reaktion.⁸ Mit Natriumhydrogencarbonat entsteht zusätzlich gut lösliche Natronlauge: Das Calciumhydroxid reagiert zu schwer löslichem Calciumcarbonat, zurück bleibt Natronlauge. Sie löst die Schutzschicht des Aluminiums, und das Aluminium reagiert wie im Beutel B unter Bildung von Wasserstoff. Beide Antworten sind richtig.

Möglicher Vorteil: Der trockene Beutel enthält kein ätzendes, Feuchtigkeit ziehendes Natriumhydroxid; die Lauge entsteht erst beim Gebrauch. Der zivile Aluminium-Beutel B enthält das Natriumhydroxid dagegen schon trocken.

Denk auch an die Wärme pro Gramm aus Aufgabe 2 und an die Energiebilanz auf der Seite „Weitere Rechnungen rund um den Erhitzerbeutel“: Wie viel Wärme liefert eine Füllung, und wie viel davon kommt im Essen an?

Leg deine Notiz aus Aufgabe 1 neben deine Forumsantwort. Welches Kriterium hat deine erste Entscheidung bestimmt? Welche Information aus M1 oder M2 hat dich umgestimmt oder bestätigt? Und wo hast du eine Herstellerangabe übernommen, ohne sie zu prüfen?

Einsatzzwecke: mögliche Argumente

• Dafür: warme Mahlzeit ohne Flamme dort, wo Feuer verboten oder gefährlich ist; leicht, lange lagerfähig, ohne Strom und Brennstoff nutzbar – gerade für Soldatinnen und Soldaten im Einsatz und für Notfälle.
• Dagegen: Einweg und Müll; Gefahrgut beim Transport; Wasserstoff und alkalische Rückstände verlangen Umsicht; die Metalle müssen erst aufwendig aus ihren Verbindungen gewonnen werden und enden nach wenigen Minuten wieder als Hydroxid; für kurze Touren gibt es Alternativen ohne Erhitzer.

Beispiel für den allgemeinen Teil der Stellungnahme

Für Einsätze und die Notfallvorsorge halte ich Heizbeutel für sinnvoll, weil dort eine warme Mahlzeit ohne Flamme und Strom wichtiger ist als Müll und Aufwand. Für zwei Nächte auf einem Trekkingplatz sind sie verzichtbar: Kalte Küche oder eingeweichter Couscous reichen, und die Gruppe vermeidet Wasserstoff, Lauge und Müll. Wer trotzdem warm essen will, sollte die Beutel im Freien und nacheinander aktivieren.

Auch andere Positionen sind vertretbar, wenn sie begründet sind und die Unterschiede der Einsatzzwecke berücksichtigen.

Beispiel für eine Vergleichsmatrix

• Prinzip: Magnesium: Redox mit Lokalelement · Aluminium: Redox, Lauge löst die Schutzschicht · Branntkalk: Säure-Base.
• Wärme pro Gramm Füllung: 14,5 kJ/g Magnesium · 16,1 kJ/g Aluminium · 1,16 kJ/g Branntkalk; für dieselbe Wärme braucht man gut zehnmal so viel Branntkalk wie Metall.
• Zeit: höchstens 12 min (Prüfanforderung der Armee) · 10 bis 12 min (Etikett) · nicht angegeben; das Kissen heizt laut Naturpark mindestens 20 min, laut Händler bis zu 30 min.
• Wasserstoff: rechnerisch bis zu etwa 8 L, gemessen im Mittel 4,4 L pro Pad · ja, Menge unbekannt; pro Gramm Metall mehr als beim Magnesium (2 Al → 3 H₂: etwa 1,4 L statt 1,0 L pro Gramm), bei Hotpot-Heizbeuteln laut Prüfstelle etwa 40 L · keiner, wenn nur Branntkalk enthalten ist – das ist aber nicht belegt.
• Rückstände: Magnesiumhydroxid, deutlich schwächer alkalisch (etwa pH 10) · Lauge mit Aluminat-Ionen, stark alkalisch, laut Etikett haut- und augenreizend · Calciumhydroxid, stark alkalisch.
• Müll: Alle Füllungen sind Einweg und müssen wieder mitgenommen werden; beim Kalk-System lassen sich die Behälter wiederverwenden.
• Verlässlichkeit: Magnesium gut belegt (Patente, Bericht der US-Armee, Sicherheitsdatenblatt) · Aluminium: Etikett nennt Stoffe, aber keine Mengen · Kalk: kein Sicherheitsdatenblatt, ein Händler nennt „18 verschiedene Mineralien und Sande“ (übersetzt), Händler beschreiben den Dampf als Gemisch aus Wasserstoff und Sauerstoff. Sauerstoff entsteht in keiner der Reaktionen; vermutlich ist gemeint, dass Wasserdampf aus Wasserstoff- und Sauerstoff-Atomen besteht – das ist aber keine Mischung der Gase; Wasserstoff entstünde nur, wenn wie in vielen Hotpot-Heizbeuteln ein Metall wie Aluminium enthalten ist. Das ließe sich prüfen, indem man das Gas auffängt und auf Wasserstoff untersucht.
• Handhabung: Bei allen drei kochendes Wasser und Dampf, also Verbrühungsgefahr; bei den Metall-Beuteln zusätzlich brennbares Gas.

Beispiel für eine Forumsantwort an Waldläuferin

Hallo Waldläuferin, für eure Gruppe würde ich zum Magnesium-Heizbeutel greifen: Über seine Füllung ist am meisten bekannt, er liefert pro Gramm gut zehnmal so viel Wärme wie Branntkalk, und die Reste sind deutlich schwächer alkalisch als bei den anderen beiden. Wichtig: Jeder Beutel setzt rechnerisch bis zu etwa 8 L Wasserstoff frei. Aktiviert die Beutel deshalb draußen oder im offenen Vorzelt, nacheinander, nie im geschlossenen Zelt, und haltet Abstand zum Dampf. Aluminium-Beutel funktionieren ähnlich, bilden aber ebenfalls Wasserstoff, und die Reste sind eine Lauge, die Haut und Augen reizt. Das Kalk-Kochsystem bildet – falls die Kissen wirklich nur Branntkalk enthalten – keinen Wasserstoff, und die Behälter lassen sich wiederverwenden; dann liefert ein 50-g-Kissen aber höchstens etwa 58 kJ, zu wenig für eine große Portion; was genau in den Kissen steckt, sagen die Händler aber nicht. @Funkenflug: Ein Salz, das sich nur löst, steckt in keinem der drei Erhitzer; in allen drei Fällen reagiert die Füllung chemisch mit dem Wasser. Und dass der Dampf aus Wasserstoff und Sauerstoff besteht, wie ein Händler schreibt, lässt sich chemisch nicht halten: Sauerstoff entsteht bei keiner dieser Reaktionen – Wasserdampf besteht zwar aus Wasserstoff- und Sauerstoff-Atomen, ist aber kein Gemisch dieser Gase. Alle Reste nehmt ihr wieder mit, auf den Plätzen gibt es keine Mülleimer.

Woran sich eine Antwort messen lässt

• Andere Positionen sind möglich, etwa das Kalk-System, wenn Wasserstoff am schwersten wiegt, oder gar kein Erhitzer. Entscheidend ist die Begründung.
• Die Kriterien sind benannt, gewichtet und chemisch begründet (Prinzip, Wärme pro Gramm, Gas, Rückstand).
• Unsicherheiten wie unbekannte Rezepturen werden offen benannt, statt Herstellerangaben zu übernehmen.
• Ein Sicherheitsteil fehlt nicht; die Antwort beschreibt nicht, wie man selbst einen Heizbeutel baut.
• Funkenflugs Behauptung und die Händlerangabe werden fachlich korrigiert, ohne Spott.

Woran sich eine Reflexion messen lässt

• Sie nennt die erste Entscheidung aus Aufgabe 1 und das Kriterium, das sie bestimmt hat.
• Sie benennt, welche Information umgestimmt oder bestätigt hat, etwa die Wärme pro Gramm, Wasserstoff, Lauge, eine unbekannte Rezeptur oder Müll.
• Sie ordnet das eigene Vorgehen den Schritten des WAAGE(R)-Modells zu: Wahrnehmen (Aufgabe 1), Analysieren (Aufgaben 2 und 3), Argumentieren und Gewichten (Vergleichsmatrix), Entscheiden (Forumsantwort), Reflektieren (diese Aufgabe).
• Sie nennt mindestens eine Herstellerangabe, die ungeprüft übernommen wurde, und wie man sie prüfen könnte.
• Sie sagt, welche Information die Entscheidung noch verbessert hätte.

Beispiel: „Spontan hätte ich das Kalk-System empfohlen, weil der Naturpark es nennt. Nach der Übersicht wiegt für mich schwerer, dass niemand weiß, was in den Kissen steckt, und dass reiner Branntkalk pro Gramm kaum Wärme liefert. Den Dampf ‚aus Wasserstoff und Sauerstoff‘ hätte ich fast übernommen; prüfen ließe er sich mit einer Knallgasprobe am aufgefangenen Gas.“