Warmes Essen ohne Feuer

Worum es geht

Die Seite eröffnet in der Reihe „Korrosion“ eine Sequenz zu verschiedenen selbst erhitzenden Beuteln. Die zuvor erlernten Inhalte und Fachbegriffe rund um Passivierung, Lokalelement und Opferanode erklären dabei nun gemeinsam ein einziges Phänomen – und Korrosion ist hier interessanterweise kein Schaden, sondern das bewusst herbei geführte Produktmerkmal.

Inhaltlich folgt die Seite in einer rundum aktualisierten Version unserer Lernaufgabe „Heater Meals“ vom Science-on-Stage Festival in London: eine Anfrage, ein zentraler Auftrag, Material zum Recherchieren und ein Experiment.¹

Vorwissen und erwartete Vorstellung

Die Lernenden kennen Redoxpotentiale, Sauerstoff- und Säurekorrosion, das Lokalelement, Passivierung und Opferanode sowie aus der Elektrolyse die Überspannung. Mit diesem Material lässt sich anwendend prüfen, ob die Erwartung: „Magnesium ist so unedel, dass es mit Wasser heftig reagieren muss.“ bereits begründet ausgeräumt ist. „Je unedler, desto schneller.“ stimmt hier offensichtlich nicht. Die Redoxpotentiale sagen nur, ob eine Reaktion ablaufen kann, nicht, wie schnell. Die Nutzung aller bereits erlernten Fachbegriffe zusammen liefert aber eine Erklärung für alle Fragen und Beobachtungen.

Der Weg durch die Seite

„Ihr Auftrag“ (Aufgaben 1 bis 3) steht vorn; wer will arbeitet von dort aus selbstständig mit V1 und M2. Die Aufgaben 4 bis 6 führen ansonsten schrittweise zu den Bausteinen der Antwort. Der Vergleich von reinem Magnesiumpulver mit dem Pulver führt zwangsläufig auf die Ebene des einzelnen Korns. Dieses liefert das Patent in M2; hier darf die Lehrkraft als Expertin ggf. unterstützen. Das Lernprodukt ist die Antwort im Forum; in der Verhandlung lohnt der Blick darauf, ob eine Antwort zur Bauanleitung geworden ist.

Modellgrenzen

• Passivierung von Magnesium: In Kochsalzlösung ist die äußere Magnesiumhydroxidschicht nanoporös und verliert ihre Schutzwirkung. Die Seite spricht deshalb von einer hemmenden, nicht von einer dichten Schicht.
  Cl^–-Ionen dringen dabei bevorzugt an Schwachstellen der Mg(OH)₂-Schicht ein und greifen gezielt die Grenzfläche zum Mg-Substrat an – ohne die Schicht allerdings vollständig aufzulösen.²
• Ort der Wasserstoffbildung: Im Modell entsteht der Wasserstoff am Eisen; tatsächlich entsteht auch am korrodierenden Magnesium selbst Wasserstoff.³
• Eisen als Kathode: Dass Eisenteilchen im Magnesium als Hauptkathoden wirken, ist aus der Werkstoffforschung bekannt.⁴ Die Lösung zu Aufgabe 6c nutzt die Überspannung nur qualitativ (am Eisen entsteht Wasserstoff leichter als am Magnesium); M2 nennt sie nicht, sie gehört zum ausgewiesenen Vorwissen aus der Elektrolyse.
• „Legierung“: Das Eisen wird mechanisch eingemahlen; die Patente nennen etwa 5 bis 10 Atomprozent Eisen, nicht „95 % Magnesium und 5 % Eisen“.⁵

Die Begriffe Passivierung, Lokalelement und Opferanode lassen sich sich am Heizbeutel in einem unerwarteten Zusammenhang anwendend erklären.

Vernetzung

• Baut auf: „Der Zahn der Zeit nagt an allem“, „Lokalelementen auf der Spur“, „Korrosionsschutz“; Elektrolyse (Überspannung).
• Bereitet vor: die Folgeseiten der Sequenz, die aber fakultativ bleiben, unter anderem die Gefahr durch den Wasserstoff und später auch die Energiebilanz des Heizbeutels mit dem Satz von Hess.
• Querbezug: „Warum wird ein Hotpot heiß?“ (Sek I): Dort liefert ein Lösevorgang die Wärme, hier eine Redoxreaktion.

Achtung: Für jeden Versuch ist eine eigene Gefährdungsbeurteilung nötig. Prüfen: Manches Heizpulver enthält bereits Kochsalz, anderes nicht.

• Demonstration (Lehrkraft, Abzug): Ein Heizpad ohne Mahlzeit im hohen Becherglas mit etwa 30 mL Wasser aktivieren. Nach etwa 30 Sekunden setzt eine immer heftigere Reaktion ein, nach etwa einer Minute steigt Dampf auf, an der Öffnung werden etwa 100 °C gemessen.¹ Im Abzug abreagieren lassen.
• Gemisch statt eingemahlenem Pulver: Magnesium- und Eisenpulver gemischt wie in V1 einsetzen; das Gemisch reagiert kaum stärker als Magnesium allein. Im Patent (gleiche Massen Magnesium und Eisen, Meerwasser bei 68 °C) reagierte das Gemisch etwa doppelt so schnell wie Magnesium allein, eingemahlenes Eisen etwa 50-mal schneller als das Gemisch.⁶ Damit lässt sich die Vorstellung „Mischen ist Kontakt“ experimentell prüfen.
• Magnet: Ein in einen Beutel gewickelter Magnet zieht Heizpulver an, Magnesiumpulver nicht.
• Nagel und Magnesiumband: Eisennagel, Magnesiumband und einen fest mit Magnesiumband umwickelten Nagel in Salzwasser mit Phenolphthalein legen. Der umwickelte Nagel reagiert deutlich stärker, die Lösung färbt sich entlang des Nagels pink.
• Strommessung: Nagel und Magnesiumband getrennt über ein Strommessgerät verbinden; Abstand und Salzgehalt variieren.
• Viergeteilte Petrischale: Aufbau wie V2 in „Lokalelementen auf der Spur“ (Indikator-Gelatine), mit Magnesiumband statt Zink-Granalie, als Schüler- oder Projektionsversuch; mindestens 15 Minuten beobachten.
• Magnesium in Kupfersulfat-Lösung: Kupfer scheidet sich ab, die Wasserstoffbildung nimmt deutlich zu.