Das Eisberg-Experiment

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Experiment Eis
Forschen und Experimentieren
Schlagworte Schmelzpunkt, Dichte, Eisberg, Meerwasser
Zeitaufwand 30 min Durchführung + 45 min Vorbereitung
Kosten < 5 €
Ausstattung Küchenexperiment
Zielgruppe ab 8. Jgst. (mit Anpassungen ab 6 Jahren)

...oder wieso schmilzt der Schnee auf dem Gehweg, wenn Salz darauf gestreut wird, und wieso schmilzt das Eis am Nordpol nicht, obwohl es dort doch im Salzwasser liegt?

Ab 0°C gefriert Wasser. Das heißt, es geht von seinem flüssigen Zustand in den festen Aggregatzustand über und es bildet sich Eis. Du hast bestimmt schon mitbekommen, dass im Winter, wenn der Schnee die Straßen bedeckt, Salz gestreut wird, um sie eisfrei halten. Das Salz löst sich im Wasser - man nennt das eine wässrige Salzlösung. Hierdurch kann der Gefrierpunkt von 0°C bis zu -21 °C abgesenkt werden. Somit bildet sich bis zu dieser Temperatur kein Eis mehr auf unseren Straßen [1].

Umgekehrt schmilzt das Eis, wenn die Umgebungstemperatur oberhalb des Gefrierpunkts liegt. Deshalb schmelzen auch die Eiswürfel in deinem Getränk.

Diese zwei Beispiele zeigen, dass sowohl die Umgebungstemperatur als auch der Salzgehalt der wässrigen Lösung einen Einfluss darauf hat, ob Wasser schmilzt oder gefriert.

Wie kann also Eis in Form von Eisbergen an den Polen im Meerwasser schwimmen, ohne zu schmelzen? Ja klar – dort ist es ja kalt… Allerdings schwimmen die Eisberge in Meerwasser, das chemisch eine wässrige Salzlösung darstellt. Diese sollte eigentlich durch die Erniedrigung des Gefrierpunkts ein Schmelzen des Eisbergs noch begünstigen. Darüber hinaus ist es keine Seltenheit, dass Eisberge über das offene Meer in wärmere Breiten treiben und damit Schiffen, wie zum Beispiel der Titanic, zum Verhängnis werden können.

Beispiel:
Route der Titanic und Ort des Untergangs, gekennzeichnet mit einem roten X.

Circa 500 m südöstlich von Neufundland [2] im Atlantischen Ozean kollidierte im April 1912 das Passagierschiff Titanic mit einem etwa 122 Meter langen Eisberg. Starke Winde hatten zu dieser Zeit viel mehr Eisberge als gewohnt in diese Regionen getrieben, die sich mindestens 2000 km südlich der grönländischen Vereisung befinden. Augenzeugen zu Folge ragte der Eisberg, mit dem die Titanic kollidierte, 15 bis 30 Meter über die Wasseroberfläche. Geowissenschaftler berechneten seine Masse auf zwei Millionen Tonnen Eis [3].


Warum schmelzen die Eisberge nicht schon auf dem Weg ab?

Um das herauszufinden, kannst du ein kleines einfaches Experiment machen. Wenn du ganz genau beobachtest, kannst du erkennen, warum Eis manchmal schmilzt und manchmal nicht und was die Ursache dafür ist.

Zunächst müssen wir die Rahmenbedingungen, d.h. die Temperatur sowie den Salzgehalt des Wassers klären: Die Temperatur des Atlantischen Ozeans beträgt an der Unglücksstelle der Titanic im Nordsommer etwa +12 °C. Selbst wenn die Temperatur im April etwas niedriger war, so ist sie doch weit oberhalb des Schmelzpunkts von Wasser. Zudem liegt der Salzgehalt des Meeres an dieser Stelle bei etwa 3,5 %, was 35 g Kochsalz pro 1 L Wasser entspricht [4].

Da wir diese Prozesse in der Natur nicht beobachten können müssen wir uns für das Experiment geeignete Vergleichsmaterialien überlegen. Für das Experiment brauchen wir daher einen „Eisberg“ und ein „Meerwasser“:

Den Eisberg können wir einfach mit einem Eiswürfel nachstellen. Um das Schmelzverhalten beobachten zu können, färben wir diesen mittels Lebensmittelfarbe ein.

Das Meerwasser können wir ebenfalls leicht herstellen: Hierfür musst du nur Kochsalz (chemisch NaCl) in der entsprechenden Menge in Leitungswasser auflösen.

Damit das Experiment möglichst realistisch (d.h. der natürlichen Bedingungen entsprechend) ist, stellen wir eine wässrige Salzlösung mit dem Salzgehalt des Meerwassers an der Kollisionsstelle der Titanic (3.5 %) her.

In einem Experiment ist es aber auch immer wichtig, ein oder mehrere Vergleichsexperimente durchzuführen, um den Einfluss der einzelnen Faktoren genauer beurteilen zu können. Daher experimentieren wir auch mit einer wässrigen Lösung mit einem deutlich höheren Salzgehalt von 29% (das entspricht dem Salzgehalt im Toten Meer). Als Referenz werden wir auch ein Experiment mit Süßwasser, d.h. mit Leitungswasser ohne Zugabe von Salz, durchführen.

Mit diesem Vorwissen kannst du dich ohne Probleme an das Experiment machen!

Experiment

Jedes Experiment muss erst vorbereitet werden. Zunächst musst du prüfen, ob du alle Dinge hast, die du für die Durchführung des Experiments brauchst.

Du benötigst:
  • 1-3 Bechergläser (auch ein durchsichtiges Trinkglas funktioniert)
  • Leitungswasser
  • bis zu 325 g Kochsalz
  • Waage (eine Küchenwaage mit digitaler Anzeige, die auf 1g genau misst, funktioniert auch)
  • 1-2 Thermometer (hier eignet sich ein Aquarium-Thermometer, da du hier mit dem Thermoelement an verschiedenen Positionen in deinem Glas messen kannst)
  • Eiswürfelform (z.B. aus Silikon) mit möglichst eckiger Form der Eiswürfel
  • Blaue Lebensmittelfarbe (andere Farben sind möglich, allerdings haben unsere Tests gezeigt, dass der Effekt bei blau am besten sichtbar ist)
  • 1 Zange
  • Optional: Weißer Hintergrund für Foto- oder Videoaufnahme


Vorbereitung

Beachte, dass du, bevor du das Experiment durchführen kannst, erst noch gefärbte Eiswürfel herstellen musst und diese auch Zeit brauchen, um einzufrieren. Das solltest du idealerweise daher schon mindestens einen Tag vorher machen.

In einem Gefäß färbst du Wasser mit einiger (blauer) Lebensmittelfarbe und rührst ordentlich um, sodass eine stark-blaue Lösung entsteht. Diese Flüssigkeit füllst du vorsichtig in die Eiswürfelform und frierst sie über Nacht ein. Je kleiner die Eiswürfel, desto schneller geht das Experiment. Ca. 2 cm große Eiswürfel brauchen bis zu 30 Minuten zum Schmelzen.

Achtung:
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Die Lebensmittelfarbe färbt auch Finger stark, deshalb solltest du sehr vorsichtig arbeiten und sofort Händewaschen oder einfach Einweghandschuhe verwenden.


Durchführung

1. Herstellung der wässrigen Lösungen mit unterschiedlichen Salzkonzentrationen:

Für die Salzwasserkonzentration des Atlantischen Ozeans mischst du 35 g Kochsalz mit 1 L Wasser an, für eine Konzentration des Toten Meeres 290 g Kochsalz mit 1 L Wasser. Du kannst sparsamer anmischen, wenn du bereits die Salz- und Wassermengen für die benötigte Füllhöhe deines Gefäßes umrechnest (z.B. Atlantischer Ozean: 7 g für 200 mL, Totes Meer: 58 g für 200 mL). Die beiden durchsichtigen Flüssigkeiten beschriftest du und wartest, bis sich alles Salz (vom Toten Meer das meiste Salz) gelöst hat (ca. 30 min). Nun kannst du die beiden Flüssigkeiten je in ein beschriftetes Becherglas füllen. Zusätzlich bereitest du ein Becherglas mit Leitungswasser vor und beschriftest es erneut dementsprechend.

2. Einrichten des Thermometers:

Für die Messung der Temperatur kannst du zwei Thermometer verwenden. Das erste Thermometer sollte am Boden des Becherglases messen. Im Video unten wurde hierfür ein Aquarium-Thermometer verwendet, welches am Becherrand festgeklebt wurde. Optional: Zusätzlich kannst du die Temperatur am oberen Wasserstand im Becherglas messen. Dafür kannst du jedes Thermometer verwenden, welches du nur mit der Spitze im Wasser lässt. Du kannst aber auch das Aquarium-Thermometer am Ende des Experiments in den oberen Bereich ziehen, sodass Du dort die Temperatur messen kannst.

3. Start und Durchführung des Experiments:

Das Wichtigste beim Experimentieren ist, dass du ganz genau beobachtest und auch auf Details achtest. Schau auf die Farbveränderung der Flüssigkeit und beachte die Temperaturänderung der Thermometer! Zusätzlich kannst du den Vorgang natürlich mit deinem Smartphone filmen. Es hilft, wenn du dir Notizen machst und die Temperaturen in bestimmten Zeitabständen (Vorschlag: 1 min) notierst. Das sind sehr viele Aufgaben gleichzeitig – wenn du dir Freunde zum Experimentieren dazu holst, könnt ihr die Aufgaben verteilen.

Sobald ihr parat seid, könnt ihr das Experiment starten: Starte mit der Salzkonzentration deiner Wahl. Gib vorsichtig mit einer Zange den gefärbten Eiswürfel in das Becherglas. Dazu musst du den Eiswürfel bis unter die Wasseroberfläche eintauchen.

Achtung:
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Wenn du den Eiswürfel fallen lässt, kommt es zu stärkeren Turbulenzen im Wasserglas, wodurch die Beobachtungen in deinem Experiment verfälscht werden!


Das Experiment ist beendet, wenn der Eiswürfel geschmolzen ist, beziehungsweise du keine Veränderung am oberen Rand der Flüssigkeit erkennst.

Jetzt kannst du deine Notizen mit unseren Beobachtungen vergleichen. Habt ihr die gleichen Beobachtungen gemacht und erkennt ihr Ähnlichkeiten zu eurem Experiment?

Beobachtung

Du hast keine Zeit oder Möglichkeit das Experiment selbst durchzuführen? Kein Problem – du kannst dir auch das Video unseres Experiments anschauen.

Achtung:
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Spoiler

Link zum Video (Youtube)

In unserem Video haben wir die Experimente mit den unterschiedlichen Salzkonzentrationen neben einander gestellt, sodass ihr die Unterschiede gut erkennen könnt:

V1 mit Leitungswasser (~ 0 g / 1 L)

V2 mit Meerwasser (35 g / 1 L)

V3 mit Wasser des Toten Meeres (290 g / 1 L).


Beobachtung 1: Der Eiswürfel schwimmt in allen drei Versuchen auf dem Wasser.


Beobachtung 2: Im Verlauf des Videos erkennst du, dass bei V1 und V2 das blau gefärbte Schmelzwasser des Eiswürfels absinkt. Bei V1 sieht man sogar einen dunkelblauen Strom zentral unterhalb des Eises. V3 zeigt dagegen keine Färbung des Salzwassers.


Beobachtung 3: Zusätzlich beobachtet man, dass sich direkt an der Wasseroberfläche, in der der Eiswürfel schwimmt, eine dunkelblaue Schicht bildet. Diese ist bei V3 dicker als bei V2. Bei V1 kann man dieses Band nicht erkennen.


Beobachtung 4: Die Dauer des Schmelzens ist unterschiedlich. Die in unserem Experiment gemessenen Zeiten sind:

V1: 9 Minuten 37 Sekunden

V2: 22 Minuten 11 Sekunden

V3: 32 Minuten 17 Sekunden


Beobachtung 5: Die Temperatur des (Salz-)Wassers im Glas ändert sich mit der Zeit:

V1: Anfangstemperatur 23,2 °C, Endtemperatur 12,6 °C, Unterschied von 10,6 °C

V2: Anfangstemperatur 22,0 °C, Endtemperatur 13,6 °C, Unterschied von 8,4 °C

V3: Anfangstemperatur 22,5 °C, Endtemperatur 14,0 °C, Unterschied von 8,5 °C


Die Temperaturen wurden - wie im Video anhand der Tauchsonde zu sehen - jeweils im unteren Drittel des Becherglases gemessen.


Erklärung

Dieses Experiment wird von uns gerade durchgeführt! Wir forschen an Erklärungen...

Referenzen

Autor:innen

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Dieser Artikel wurde geschrieben und gegengelesen von:
Daniel Schmid
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