Läuft da wirklich ein Korrosionsvorgang in den Beuteln ab? – Kocherlos
Könnte man sich das Pulver nicht einfach selbst zusammenmischen? – Funkenflug
Ist wirklich jedes einzelne Pulverkorn ein kleines Lokalelement? – Waldläuferin
Im Wald lässt sich das kaum klären, im Labor schon. Wir haben Versuche und Befunde dazu zusammengestellt. Schau sie dir an: Welcher Befund beantwortet welche Frage – und wie überzeugend?
Ihr Auftrag: Was belegen die Befunde?
M1 und M2 enthalten sechs Befunde zum Heizpulver: vier Versuche aus dem Schullabor, Messkurven aus einer Patentschrift und eine Aufnahme aus einem Forschungslabor. Sehen Sie sich die Versuche und die Beobachtungen dazu genau an.
- Werten Sie jeden Befund fachsprachlich aus: Was wurde beobachtet, und wie lässt es sich auf der Teilchenebene und, wo möglich, mit Teilgleichungen deuten?
- Ordnen Sie die Befunde, wo möglich, den drei Fragen aus dem Forum zu und beurteilen Sie, wie stark jeder Befund eine Antwort stützt (stark, teilweise, kaum). Halten Sie alles in einer Belegmatrix fest.
- Formulieren Sie für Kocherlos, Funkenflug und Waldläuferin je eine kurze Antwort, die sich auf die stärksten Befunde stützt.
Anregungen und Lösungen
Nutze die Fachbegriffe, die du kennst: Passivierung, Lokalelement mit seinen drei Bedingungen, Opferanode, Anode und Kathode, Elektronen- und Ionenstrom. Trenne dabei die Beobachtung (Stoffebene) von der Deutung (Teilchenebene). Zu jedem Befund gibt es nach M2 eigene Anregungen und Lösungsbausteine.
Deine Belegmatrix kann diese Spalten haben: Befund – Beobachtung – Deutung – Frage – Antwort – Stützung mit Begründung. Ein Befund kann mehrere Fragen betreffen und für jede verschieden stark sein.
Wie stark stützt ein Befund eine Antwort?
- stark: Er zeigt genau das, was die Antwort behauptet, am selben Stoff und möglichst mit einem Vergleich.
- teilweise: Er passt, aber unter anderen Bedingungen, mit anderen Stoffen oder mit einer zweiten möglichen Deutung.
- kaum: Er veranschaulicht nur oder gehört eigentlich zu einer anderen Frage.
Frag dich jedes Mal: Wer hat den Befund erhoben, unter welchen Bedingungen, und hat ihn jemand anderes geprüft?
Satzanfänge, die helfen können:
- „Am stärksten spricht dafür, dass …, weil Befund …“
- „Befund … zeigt allerdings nur …“
- „Sicher sagen lässt sich das nicht, weil …“
Eine Musterantwort gibt es hier bewusst nicht. Woran sich Ihre Antworten messen lassen:
- Jede Antwort stützt sich auf mindestens zwei Befunde und nennt sie.
- Die Fachbegriffe stehen korrekt, Stoff- und Teilchenebene sind getrennt.
- Die Antwort unterscheidet zwischen „belegt“ und „veranschaulicht“.
- Funkenflugs Zweifel wird ernst genommen und nicht belehrt.
- Für Waldläuferin wird gesagt, was die Befunde zeigen und was offen bleibt.
Versuche aus dem Schullabor
Zwei Nachweise
Phenolphthalein färbt sich in alkalischer Lösung pink; es zeigt also Hydroxid-Ionen an. Die Lösung von Kaliumhexacyanoferrat(III), auch rotes Blutlaugensalz genannt, bildet mit Eisen(II)-Ionen einen blauen Niederschlag.
Befund A: Nagel und Magnesiumband
Eisennagel, Magnesiumband und ein mit Magnesiumband umwickelter Eisennagel in Salzwasser mit Phenolphthalein; im Video ist der Lösung zusätzlich Kaliumhexacyanoferrat(III) zugesetzt.6
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Video des Versuchs: die drei Ansätze nebeneinander in einer Schale.7
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Standbild aus dem Video nach etwa 3 Minuten 20 Sekunden: die drei Ansätze getrennt nebeneinander.7
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Was gemacht wurde: Salzwasser mit etwas Phenolphthalein- und Kaliumhexacyanoferrat(III)-Lösung vorgelegt. Darin liegen ein blank geschmirgelter Eisennagel, ein Stück Magnesiumband und ein Eisennagel, der fest mit Magnesiumband umwickelt ist. Die Zeichnung zeigt den Aufbau in drei Schalen; im Video liegen die drei Ansätze nebeneinander in einer Schale. Gegen Ende des Videos wird das lose Magnesiumband an den einzelnen Eisennagel gelegt.
Was beobachtet wurde: Das Video zeigt den Verlauf über gut sechs Minuten; das Standbild zeigt die drei Ansätze nach etwa 3 Minuten 20 Sekunden.
Woher der Befund stammt: Eigener Versuch im Schullabor, gefilmt von Gregor von Borstel; mit Material aus der Sammlung nachstellbar.
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Eisennagel und Magnesiumband liegen getrennt in Salzwasser und sind über ein Strommessgerät leitend verbunden.6
Befund B: Strom zwischen den Metallen
Was gemacht wurde: Ein Eisennagel und ein Magnesiumband liegen getrennt voneinander in einer Schale und sind über Kabel mit einem Strommessgerät verbunden. Gemessen wurde in Salzwasser und in Leitungswasser bei zwei Abständen; zum Schluss berührten sich Nagel und Band direkt.
Was beobachtet wurde:
- Salzwasser, Abstand etwa 5 cm: 1,5 mA
- Salzwasser, Abstand etwa 1 cm: 6 mA
- Leitungswasser, Abstand etwa 5 cm: 0,15 mA
- Leitungswasser, Abstand etwa 1 cm: 0,6 mA
- Nagel und Band berühren sich direkt: 0 mA
- An der Klemme am Magnesiumband kommt es zu einer Gasentwicklung
Woher der Befund stammt: Eigene Messungen im Schullabor, Andreas Böhm;8 die Abstände sind geschätzt.
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Beispielhafter Aufbau mit Magnesium- und Eisenpulver.6
Befund C: Pulver im Reagenzglas
Was gemacht wurde: In vier Reagenzgläsern wurde je eine Spatelspitze Pulver mit Salzwasser übergossen, dem etwas Phenolphthalein-Lösung zugesetzt war; gemessen wurde die Temperatur. Verwendet wurden Magnesiumpulver, Eisenpulver, ein Gemisch aus beiden und Heizpulver aus einem Heizbeutel mit Heizpads ohne Salz.
Was beobachtet wurde:
- Magnesiumpulver: wenige Gasbläschen, schwache Pinkfärbung, Temperaturanstieg um nur etwa 1 °C
- Eisenpulver: keine sichtbare Reaktion
- Gemisch aus Magnesium- und Eisenpulver: kaum anders als Magnesiumpulver allein
- Heizpulver: heftige Gasentwicklung, kräftige Pinkfärbung, Temperaturanstieg von 21 °C auf 40 °C in 3 Minuten
Woher der Befund stammt: Eigene Messungen im Schullabor, Andreas Böhm.8 Das Mischungsverhältnis des Gemischs, die Wassermenge und die Messdauer sind nicht dokumentiert. Der Versuch wurde auch mit Salzwasser und Wasser im Vergleich durchgeführt.
Befund D: Nachweise in der Petrischale
Was gemacht wurde: In die vier Kammern einer Petrischale mit gesättigter Kochsalzlösung werden gegeben
- Kammer 1 (oben links): Heizpulver, mit Phenolphthalein
- Kammer 2 (unten links): Magnesiumpulver, mit Phenolphthalein
- Kammer 3 (oben rechts): Heizpulver, mit Kaliumhexacyanoferrat(III)
- Kammer 4 (unten rechts): Eisenpulver, mit Kaliumhexacyanoferrat(III)
Was beobachtet wurde: Die Fotoserie zeigt die Schale zu drei Zeitpunkten.
Woher der Befund stammt: Eigener Versuch, fotografiert von Gregor von Borstel. Angelehnt an V2 aus „Lokalelementen auf der Spur“, aber mit Pulvern in Kochsalzlösung statt in Gelatine.
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Die Petrischale vor der Zugabe der Pulver, kurz danach und einige Minuten später.9
Befunde aus einem Patent und einem Forschungslabor
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Diese Befunde lassen sich im Schullabor kaum oder gar nicht nachstellen. Sie stammen aus Veröffentlichungen anderer.
Befund E: Messkurven der Erfinder
Volumen des insgesamt entwickelten Wasserstoffs (in mL) bei der Reaktion verschiedener Magnesiumproben mit Seewasser bei 68 °C über 40 Stunden.10
Legende übersetzt:
- A = ironized products: Magnesium mit eingemahlenem Eisen
- B = simple mixture of iron and magnesium: einfache Mischung aus Eisen- und Magnesiumpulver
- C = magnesium only (no iron): nur Magnesium
- Quadrate (turnings): Magnesiumspäne; Kreise (coarse powder): grobes Magnesiumpulver; Dreiecke (very fine powder): sehr feines Magnesiumpulver
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Was gemacht wurde: Für ein Patent, das sie 1974 anmeldeten, untersuchten zwei Forscher der US Navy, wie schnell Magnesium mit Seewasser Wasserstoff bildet.
So entstanden die Proben aus grobem Pulver:
- Probe C: 0,5 g Magnesium allein.
- Probe B: 0,5 g Magnesium, mit gleich viel Eisenpulver einfach gemischt.
- Probe A: Magnesium und Eisenpulver im Verhältnis 1 : 1 wurden 16 Stunden in einer Kugelmühle gemahlen; danach wurde das lose Eisen abgesiebt. Von Probe A wurden 0,5 g eingesetzt; sie enthielten fast nur noch eingemahlenes Eisen.5
Außerdem pressten die Erfinder je 1 g Magnesiumpulver mit 500 mg, mit 50 mg oder ganz ohne Eisenpulver zu Tabletten.
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Was die Erfinder beobachteten und folgerten:
„Merely mixing finely divided magnesium samples with iron powder caused them to react with seawater twice as rapidly.“11
„The ironized magnesium reacted with seawater 50 times or so more rapidly than the simple mixture of iron and magnesium.“12
„Hydrogen was produced most rapidly by the pellets containing the greatest amount of iron.“13
„Intimate galvanic contact between the iron and magnesium was apparently achieved by the compressing process.“14
Woher der Befund stammt: Patentschrift US 3,942,511 der US Navy, angemeldet 1974, erteilt 1976. Gemessen wurde in Seewasser bei 68 °C, nicht in Kochsalzlösung bei Zimmertemperatur. Ein Patentamt prüft vor allem, ob eine Erfindung neu ist; die Messdaten begutachten keine anderen Fachleute wie bei einem Fachartikel. Die Erfinder berichten selbst, dass eine zweite Charge des eingemahlenen Pulvers fast 20-mal schneller reagierte als die erste.
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Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme von Pulverkörnern einer Magnesium-Aluminium-Legierung mit eingemahlenen Eisenkörnchen, im Original 250-fach vergrößert. Es handelt sich um eine indische Entwicklung, nicht um das Pulver des US-Heizbeutels. Bildzitat nach § 51 UrhG, nicht unter CC BY-SA 4.0.15
Befund F: Blick ins Pulverkorn
Was gemacht wurde: Ein Rasterelektronenmikroskop (REM) tastet die Probe mit einem Elektronenstrahl Punkt für Punkt ab. Der Detektor (im Bild: RBSD) misst die Elektronen, die von der Probe zurückgestreut werden. Je größer die mittlere Ordnungszahl der Atome an einer Stelle, desto mehr Elektronen werden zurückgestreut und desto heller erscheint sie im Bild.16
Was beobachtet wurde: Die Aufnahme war im Original 250-fach vergrößert; der Balken unten links entspricht 100 µm. Die Pfeile und die Beschriftungen „Fe“ und „Mg/Al“ stammen aus der Originalaufnahme.
Woher der Befund stammt: Vortragsfolie von A. K. Shah aus dem Naval Materials Research Laboratory (NMRL) in Ambernath, das zur indischen Verteidigungsforschung (DRDO) gehört und Werkstoffe für die indische Marine entwickelt;17 PDF-Fassung von 2007, heute nicht mehr abrufbar, ohne Peer Review.15 Eine Elementanalyse ist nicht angegeben.
Anregungen und Lösungsbausteine zu den Befunden
Was zeigt die Pinkfärbung an, was eine Blaufärbung? Wo entstehen Gasbläschen und Farben am stärksten – am Magnesium oder am Eisen? Prüfe beim umwickelten und beim einzelnen Nagel die drei Bedingungen für ein Lokalelement. Was ändert sich am Ende des Videos, als das lose Band den einzelnen Nagel berührt?
Wo fließen Elektronen, wo Ionen? Welcher Weg wird kürzer, wenn du den Abstand verkleinerst? Welchen Weg nehmen die Elektronen, wenn sich Nagel und Band berühren – und was misst das Gerät dann?
Warum reagiert Magnesiumpulver trotz seines sehr negativen Redoxpotentials so langsam? Welche der drei Bedingungen für ein Lokalelement ist im Gemisch kaum erfüllt, welche im Heizpulver überall?
Vergleiche immer zwei Kammern mit demselben Nachweismittel: 1 mit 2 und 3 mit 4. Warum bleibt Kammer 3 ohne Blaufärbung, obwohl auch dort Eisen ist?
Vergleiche bei den Kreisen (grobes Pulver) die Kurven der Proben A, B und C. Welche Probe enthält mehr Eisen, A oder B? Was unterscheidet Mischen, Pressen und Mahlen beim Kontakt der Körner? Und was bedeutet es, dass bei 68 °C in Seewasser gemessen wurde und eine zweite Charge viel schneller reagierte?
Miss den Maßstabsbalken mit einem Lineal am Bildschirm und schätze damit die Größe des großen Korns in der Bildmitte und der hellen Körnchen. Schau für die Helligkeit ins Periodensystem. Was genau zeigt die Aufnahme – und von welchem Pulver?
Umwickelter Nagel: Magnesium ist die Anode und wird oxidiert; die Elektronen fließen ins Eisen. An dessen Oberfläche wird Wasser reduziert, dort entstehen Wasserstoff und Hydroxid-Ionen – daher die Pinkfärbung am Nagel. Eine Blaufärbung bleibt am umwickelten Nagel aus: Das Eisen wird nicht oxidiert. Ein Teil des Wasserstoffs entsteht auch am Magnesium selbst.
Die 0 mA: Der Stromkreis besteht aus Elektronen im Kabel und Ionen in der Lösung. Berühren sich Nagel und Band, fließen die Elektronen direkt vom Magnesium ins Eisen und nicht mehr durch das Messgerät. Es ist überbrückt und zeigt 0 mA, obwohl die Reaktion jetzt am schnellsten abläuft. Getrennte Metalle mit Messgerät sind ein Modell des Lokalelements, das den Strom messbar macht.
Gemisch und Heizpulver: Im Gemisch berühren sich Magnesium- und Eisenkörner nur zufällig an wenigen Punkten; der elektrische Kontakt als Bedingung für ein Lokalelement ist kaum erfüllt. Im Heizpulver sitzt das Eisen fest im Magnesiumkorn, die Bedingungen für ein Lokalelement sind überall erfüllt.
Kammer 3 und Kammer 4: In Kammer 4 wird Eisen zu Eisen(II)-Ionen oxidiert, daher die Blaufärbung. In Kammer 3 liegt ebenfalls Eisen, aber im Heizpulver mit Magnesium verbunden. Das Magnesium liefert die Elektronen, das Eisen wird nicht oxidiert.
Weniger Eisen und trotzdem schneller: Die Erfinder geben in Tabelle 1 der Patentschrift an, wann ein Viertel bzw. die Hälfte des Magnesiums umgesetzt war:5
- Probe C (Magnesium allein): nach 39 h bzw. 114 h
- Probe B (Mischung): nach 18 h bzw. 52 h
- Probe A (eingemahlen): nach ½ h bzw. 4 h
Die Mischung reagiert also etwa doppelt so schnell wie Magnesium allein, die eingemahlene Probe 13- bis 36-mal schneller als die Mischung. Dabei enthält Probe A weniger Eisen als Probe B, weil das lose Eisen abgesiebt wurde. Es kommt also nicht auf die Menge Eisen an, sondern auf den Kontakt.
Die Erfinder fassen zusammen, eingemahlenes Magnesium reagiere „50 times or so“ schneller als die Mischung; das gilt über alle Korngrößen. Für das grobe Pulver ergeben ihre eigenen Tabellenwerte das 13- bis 36-Fache.
Helligkeit und Größe: Eisen hat die Ordnungszahl 26, Magnesium 12 und Aluminium 13. Eisenatome streuen deshalb mehr Elektronen zurück, die Eisenkörnchen erscheinen heller. Das große Korn misst rund 0,6 mm, die hellen Körnchen meist 30 bis 60 µm. Die Werte sind am Bild geschätzt; Abweichungen von einigen 10 µm sind normal.
Weitergedacht
- Legt man Magnesiumband in Kupfersulfat-Lösung, scheidet sich auf dem Magnesium Kupfer ab, und nach kurzer Zeit entsteht deutlich mehr Wasserstoff als in reinem Wasser. Erklären Sie diese Beobachtung.
- In Befund E liefert das sehr feine Pulver (Dreiecke) zunächst am schnellsten Wasserstoff, nach 40 Stunden aber weniger als das grobe Pulver. Laut Patentschrift enthielt das feine Pulver nur etwa 66 % freies Magnesium.5 Stellen Sie begründete Vermutungen auf, warum gerade feines Pulver weniger freies Magnesium enthält.
Anregungen und Lösungen
Kupfer und Magnesium berühren sich nach der Abscheidung direkt. Woran erinnert dich das?
Denk an die Oberfläche feiner Pulver – und daran, was an einer großen Metalloberfläche an der Luft passiert, lange bevor das Pulver ins Wasser kommt.
Magnesium reduziert Kupfer(II)-Ionen; auf dem Magnesium scheidet sich Kupfer ab. Kupfer und Magnesium berühren sich direkt, es entsteht ein Lokalelement: Magnesium wird oxidiert, am Kupfer wird Wasser reduziert, und es entsteht mehr Wasserstoff. Hinzu kommt: Kupfersulfat-Lösung ist schwach sauer; auch das beschleunigt die Wasserstoffbildung.
Feines Pulver hat eine sehr große Oberfläche. Vermutlich hat schon vor dem Versuch ein großer Teil davon an der Luft mit Sauerstoff und Luftfeuchtigkeit zu Magnesiumoxid bzw. Magnesiumhydroxid reagiert; dieser Anteil liefert keinen Wasserstoff mehr. Dieselbe große Oberfläche erklärt, warum das restliche Magnesium anfangs so schnell reagiert. Die Erfinder schlossen auf die 66 % aus einem Versuch mit verdünnter Salzsäure: Aus 0,5 g feinem Pulver entstanden nur 330 mL statt rechnerisch 501 mL Wasserstoff.5 Die Ursache nennt die Patentschrift nicht.
Noch einmal Weitergedacht
Die Blaufärbung in Kammer 4 beweist gar nichts. Das rote Blutlaugensalz greift das Eisen doch selbst an! – Funkenflug
Weiteres
Überprüfen Sie diesen Einwand mithilfe der Redoxpotentiale [Fe(CN)6]3−/[Fe(CN)6]4− (E° = +0,36 V) und Fe2+/Fe (E° = −0,44 V).
Beurteilen Sie, ob er die Deutung von Befund D entkräftet.
Anregungen und Lösungen
Kann Hexacyanoferrat(III) Eisen oxidieren? Und was zeigt dir in diesem Zusammenhang Kammer 3, die dasselbe Nachweismittel enthält?
Der Einwand ist teilweise berechtigt: Hexacyanoferrat(III)-Ionen sind ein Oxidationsmittel mit deutlich höherem Potential als Fe2+/Fe und können Eisen auch ohne Sauerstoff oxidieren. Die Blaufärbung in Kammer 4 zeigt also nicht allein die Korrosion durch Sauerstoff und Wasser. Die Deutung von Befund D entkräftet er aber nicht: Kammer 3 enthält dasselbe Nachweismittel und mit dem Heizpulver ebenfalls Eisen – trotzdem entsteht kein Blau. Das Eisen wird dort nicht oxidiert, weil das Magnesium die Elektronen liefert. Gerade der Vergleich mit demselben Oxidationsmittel macht die Opferanode sichtbar.