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Jugend forscht in der Technik

Fachgebiete Chemie/Physik

Beispiele zu diesem Thema
Stand:

Im Fachgebiet Chemie kann man organische und anorganische Reaktionen mit einfachen Versuchen untersuchen und chemische Abläufe nachstellen. Im Fachgebiet Physik gibt es eine Fülle an Möglichkeiten Abläufe zu untersuchen. Die Mechanik, Optik oder Akustik bieten dafür einigen Platz!

Teilgebiete des Themas Chemie/Physik sind beispielsweise:
analytische und organische Chemie, Biochemie, Mechanik, Akustik, Optik, Magnetismus, Teilchenphysik, Relativitätstheorie

 
Beispielprojekte zum Thema Chemie/Physik:
Warum ist Zähneputzen so wichtig? Wie schützen wir unsere Zähne am besten?
Fachgebiet: Chemie
 
Zähneputzen gehört zum Alltag. Insbesondere Säuren greifen die Schutzhülle unserer Zähne – den Zahnschmelz – an. Was passiert bei einem "Säureangriff“ auf unsere Zähne?
 
Dazu machen wir folgenden Versuch:
Als Modell und Zahnersatz verwenden wir eine Eierschale. Hier kann man genau beobachten, was passiert, wenn Säure auf den Zahnschmelz trifft.
 
Wir füllen 1 Glas halbvoll mit Leitungswasser und geben 2 bis 3 Teelöffel Zitronensaft dazu.
 
Dann nehmen wir ein Ei und bestreichen eine markierte Fläche mit Fluoridgel. Das darin enthaltene Fluorid, welches auch in vielen Zahnpasten ist, soll unsere Zähne schützen. Wir geben das Ei in die Zitronen-Wasser-Lösung. Was kann beobachtet werden?
 
Experiment
© WKT
 
An den unbehandelten Stellen der Eierschale bilden sich kleine Gasbläschen, die im Glas aufsteigen. Die Bildung der Gasbläschen zeigt an, dass es eine Reaktion zwischen der Säure mit Stoffen aus der Eierschale gibt. 
 
An der Stelle der Eierschale, wo Fluoridgel aufgetragen wurde, kommt es erst viel später und nur vereinzelt zur Bläschenbildung. Je länger das Ei in der säurehaltigen Lösung bleibt, desto mehr zersetzt sich die Schale. 

Nachdem wir das Ei mindestens 10 Minuten in der Säure-Wasser-Lösung eingelegt haben, nehmen wir es mit einem Löffel heraus und trocknen es behutsam ab. Wenn wir nun mit der Zahnbürste über die Schale fahren können wir sehen, dass die Borstenspitzen von der braunen Eierschale etwas eingefärbt sind. Die Säure hat die Schale angegriffen und die Zahnbürste hat die äußerste Schicht der Schale abgerieben.
Nach einigen Stunden im Säurebad hat sich die Schale ganz aufgelöst.
 
 Säuren, welche in Lebensmitteln und Getränken (etwa in Obst, Fruchtsäften oder Cola) vorkommen, greifen den Zahnschmelz an. Dieser umhüllt unseren Zahn, um ihn zu schützen und ist das härteste Material, welches unser Körper produziert. Wenn der Zahnschmelz aber wiederholt mit Säuren angegriffen wird, kann es sein, dass dieser immer dünner und weniger widerstandsfähig wird. Fluor hilft, die Gefahren eines Säureangriffs auf unsere Zähne zu mindern. Das Fluorid aus der Zahnpasta geht mit einem Teil des Calciums eine Verbindung ein und bildet eine schützende Schicht aus Calciumfluorid. 
 
Raketenversuch: Kann man eine Rakete selber bauen?
Fachgebiet: Chemie
 
Wir basteln uns selber eine Backpulver-Essig-Rakete. Dazu nehmen wir eine Brausetablettendose und verschönern sie mit einer Raketenspitze aus Karton und zwei Flügeln. Die Raketenspitze befestigen wir auf dem Boden der Brausentablettendose. Weil unsere Rakete mehrere Meter hoch fliegen kann, machen wir unseren Versuch im Freien. 
 
Wir füllen nun ein bis zwei Teelöffel Backpulver in unsere Dose und gießen 3 bis 4 Esslöffel Essig dazu. Während es zu schäumen beginnt, verschließen wir die Dose, schütteln sie einmal kurz und stellen unsere Rakete mit dem Deckel nach unten und der Spitze nach oben auf den Boden. Es kann bis zu drei Minuten dauern, bis die Rakete "startet“. 

 

 
Grund für den Raketenstart ist eine chemische Reaktion. Backpulver enthält den Stoff Natron, der in Verbindung mit Säure (dem Essig) chemisch reagiert. Diesen chemischen Prozess kann man auch am Schäumen beobachten. Bei dieser Reaktion bildet sich das Gas Kohlenstoffdioxid. Das Gas braucht aber mehr Platz und kann nicht entweichen, da die Dose verschlossen ist. Der Druck im Inneren der Brausetablettendose steigt, bis der Deckel dem Druck nicht mehr standhalten kann. Durch das sogenannte Rückstoßprinzip fliegt die Rakete dann nach oben weg!

Durch die Entwicklung des Gases Kohlenstoffdioxid entsteht großer Druck. Ein solcher Druck wird auch bei Raketen verwendet, wobei dieser in der Regel durch das Verbrennen von Treibstoff erzeugt wird.
 
Vulkanversuch: Was passiert beim Cola-Mentos-Experiment?
Fachgebiet: Chemie/Physik
 
Für den Vulkanversuch benötigen wir eine große Flasche Cola-Light und einige Mentos. Nachdem wir die geöffnete Flasche auf festen Untergrund stellen und Mentos Dragees in ein Röhrchen geben, das wir an der Unterseite mit einem Zahnstocher oder Lineal verschließen, geben wir das gefüllte Röhrchen auf die Cola-Light Flasche. Der Zahnstocher bzw. das Lineal müssen schnell weggezogen werden und der "Vulkan speit“!

Experiment
© WKT

Hintergrund ist keine chemische sondern eine physikalische Reaktion:
Cola-Light enthält sehr viel gelöstes Kohlendioxid – fügt man die Mentos in die Flasche, sinken diese auf den Flaschenboden und treffen dabei auf das gelöste Kohlendioxid. Die rauhe Oberfläche der Mentos gibt dem Kohlendioxid sehr viel Platz, um sich dort in Bläschen abzulagern. Es bilden sich also unzählige Bläschen, die sich auch gleich wieder lösen und in der Flasche aufsteigen. Durch die zunehmende Aufwärtsbewegung löst sich fast das ganze restliche Kohlendioxid in Sekundenbruchteilen und will raus aus der Flasche. Der Druck und der Sog dabei sind so groß, dass auch die Flüssigkeit mitgerissen wird. Dadurch schießt das Cola wie eine Fontäne aus der Flasche.

 

>>Hier kannst du dir das Video zu diesem Experiment anschauen!


Wie entsteht Abendrot? 
Fachgebiet: Physik

An schönen Sommerabenden ist dieses Phänomen oft zu beobachten. Nach einem tollen Sonnenuntergang leuchtet der Abendhimmel rot hinter den Bergen hervor. Doch was steckt dahinter?
 
Dazu machen wir folgenden Versuch:
Mitten in einem dunklen Raum stellen wir ein Glas mit Wasser. Wenn man mit der Taschenlampe durch das Glas mit Wasser leuchtet scheint das Licht weiß.
Nun geben wir einen Schuss Milch ins Wasser, damit es etwas getrübt wird. Wir rühren das Gemisch um, damit die Milchwolke sich gleichmäßig im Gefäß verteilt. Jetzt kommt wieder die Taschenlampe zum Einsatz.
Wir können beobachten, dass das Licht rot durch das Glas scheint – die Farbe erinnert an die, einer untergehenden Sonne.
 
Experiment
© WKT
 
 
 Weißes Licht besteht aus allen Farben: rot, gelb, grün und blau. Das milchige Wasser lässt vor allem die rote Farbe durchkommen und hält die anderen Farben zurück. Weißes Licht scheint hinein und rotes heraus. Besonders gut ist das zu sehen, wenn man durch das Glas in die Taschenlampe schaut. Die Milch im Wasser wirkt wie ein Filter, das das rote Licht durchlässt und die anderen Farben schluckt.
Ähnlich ist es beim Sonnenaufgang und Sonnenuntergang – die Luftschicht der Erde lässt vor allem das rote Licht der Sonne durch. Der Grund für die satte Rotfärbung ist die Erdatmosphäre. Steht die Sonne besonders niedrig, scheint das Sonnenlicht weiter durch die Erdatmosphäre, als wenn die Sonne hoch oben am Himmel steht. Das Sonnenlicht wird an den Luftmolekülen der Erdatmosphäre gestreut und von seiner Richtung abgelenkt. Von dem ursprünglich weißen Sonnenlicht kommt auf der Erde hauptsächlich der Rotanteil an.
 
Nichtnewtonsche Flüssigkeit: Kann man auf einem flüssigen Stoff laufen?
Fachgebiet: Physik
 
Als Nichtnewtonsche Flüssigkeit bezeichnet man eine Suspension aus einem heterogenem Gemisch, welches aus einer Flüssigkeit und einem Feststoff besteht. Diese Stoffe lassen sich nicht oder kaum ineinander lösen oder chemisch verbinden. Wir mischen dazu Wasser und Maisstärke im Verhältnis 2:3.
 
Schlägt oder tippt man mit einem Löffel kräftig auf den Brei, sinkt der Löffel nicht ein, sondern prallt auf der Oberfläche ab. Man kann natürlich auch mit der Faust probieren auf die Flüssigkeit zu schlagen. Taucht man jedoch mit den Händen oder dem Löffel langsam in das Gefäß ein, kann man mühelos durch die Flüssigkeit fahren und gleiten.
 
Nichtnewtonsche Flüssigkeiten (dazu zählen auch Ketchup und Pudding) haben keine konstante Viskosität, sondern verhalten sich je nachdem welche Kräfte auf welche Art auf sie einwirken, wie ein Feststoff oder eine Flüssigkeit. Die Stärkekörner der Maisstärke sind von Wasser umgeben, was welches als "Schmiermittel“ fungiert, wenn man langsam durch die Flüssigkeit gleitet. Wird allerdings Druck auf die Masse ausgeübt, weicht das Wasser zwischen den Stärkekörnern und diese "verhaken“ sich, sodass eine feste Oberfläche entsteht. Aus diesem Grund kann man auch in einem Becken, gefüllt mit diesem Maisstärke-Wasser-Gemisch laufen ohne einzusinken!