Das Geheimnis der warmen Hände - Mutter und Kind | Vogelbeer

Das Geheimnis der warmen Hände
Beim Spielen im Freien bei Winterwetter hast Du bestimmt schon mal kalte Hände gehabt und
Dich drüber gefreut, wenn sie Dir jemand gewärmt hat. Heute bekommst Du von uns einen
immer wieder verwendbaren Handwärmer geschenkt. Wenn Du das Metallplättchen in dem
Herz knickst, bis die Flüssigkeit zu kristallisieren beginnt und dabei langsam fest wird,
kannst Du für ca. 40Minuten eine wohltuende Wärme spüren, Deine kalten Hände daran
wärmen. Vor dem nächsten Einsatz musst (oder Deine Eltern) das Herz für ca. 10Minuten in
kochendes Wasser legen, bis der Inhalt wieder vollständig flüssig ist. Probier es gleich mal aus!
Du wirst erstaunt sein, wie gut das wärmt.
Aber warum funktioniert das überhaupt so?
Das Geheimnis liegt in einer einfach aufgebauten, leicht löslichen chemischen Verbindung:
einem Salz der Essigsäure. (Essig kennst Du ja bestimmt aus der Küche, sonst frage einfach
mal Deine Mama danach!) Dieses Natriumsalz der Essigsäure liegt in einer besonderen Form
(als Salzhydrat) vor: in das Kristallgitter sind zusätzlich Wasserteilchen (Moleküle)
eingebaut. Diese sorgen für das besondere Verhalten der Flüssigkeit: Normalerweise ist es ja so,
dass eine feste Substanz beim Erhitzen schmilzt, wie z.B. Butter in einer heißen Pfanne oder
Schokolade in der Hand. Dafür wird Wärme bzw. Energie benötigt – von der Kochplatte oder
der Hand. Wenn sich die Substanz wieder abkühlt, wird sie fest- normalerweise. Unsere nichtsie bleibt flüssig, obwohl sie eigentlich fest werden will. Wissenschaftler nennen diesen
Zustand „Metastabil“ oder unterkühlte Schmelze. Um fest zu werden, braucht sie einen
kleinen Tritt in den „Hintern“. Das kannst Du Dir so vorstellen: energetisch wäre es für einen
Ball auf einem Baum besser, wieder auf die Erde zu kommen, aber er hängt zwischen den
Ästen fest. Erst, wenn Du ihn schüttelst, kommt er herunter. In unserem Fall ist das Knicken
des Metallplättchen der Tritt in den Allerwertesten. Der Dämmerzustand der unterkühlten
Flüssigkeit wird gestört und das überschüssige Salz kristallisiert.Durch das Knicken des
Plättchens entstehen kleinste Unebenheiten im Metall, an denen heraus das ungehemmte und
lawinenartige Kristallwachstum schlagartig einsetzt und Wärme freigesetzt wird(das Herz
wird hart, verändert seine Farbe und wird schön warm). Diese Bildungswärme des Salzes ist
genau so groß wie die Energiemenge, die zum umgekehrten Vorgang, dem Schmelzen,
erforderlich ist.-Einen Vorgang, den Du immer wiederholen kannst, damit Du im Winter keine
kalten Hände bekommst.
Wenn Du jetzt nicht alles verstanden hast, ist das nicht schlimm kannst. Du es Dir im
Internet unter https://www.youtube.com/watch?v=knZWAcE9sjA nochmal genau anschauen.
Einen schönen Winter mit immer warmen Händen wünscht Dir
Deine Fachapothekerin
Antje Bertram
Und das Team der VOGELBEER-APOTHEKE
PS Wenn Du selbst einmal einen Kristallisationsprozess beobachten willst – also wie aus einer
Flüssigkeit Kristalle (also Feststoffe) entstehen -dann schau im Internet unter www.vogelbeerapotheke.de bei Aktuelles/Spieleecke vorbei!
Der im Beutel enthaltene Feststoff wird so lange in kochendes Wasser gelegt, bis sein
Inhalt geschmolzen ist. Nach dem Abkühlen ist der Akku für den winterlichen Einsatz
präpariert. Man startet die Wärmeproduktion, indem man das in der Flüssigkeit mit
eingeschweißte Stahlplättchen ("Knackfrosch") durchbiegt. Binnen Sekunden verfestigt
sich die Flüssigkeit, die Temperatur im Beutel steigt um etwa 35Grad Celsius; diese
Wärme hält bemerkenswert lange an.
Das Geheimnis liegt in einer simpel aufgebauten, leicht löslichen chemischen Verbindung
namens Natriumacetat-Trihydrat. Das Natriumsalz der Essigsäure liegt als so genanntes
Salzhydrat vor: In das Kristallgitter der Substanz sind neben Natrium- und Acetat-Ionen
pro Formeleinheit drei Wassermoleküle eingebaut.
Beim Erhitzen hat die Substanz ihr Kristallwasser abgegeben und sich in diesem gelöst.
Beim Abkühlen ist sie allerdings nicht kristallisiert, sondern hat eine unterkühlte Schmelze
gebildet. Behandelt man diese vorsichtig, passiert tagelang nichts. Diesen scheintoten
Zustand nennen Wissenschaftler "metastabil". Erst durch das knackende Metallplättchen
wird der Dämmerzustand gestört.
An den Stellen, wo im Blech durch eine Stanze der Druckpunkt ("Knackpunkt") gesetzt
wurde, bilden sich erste kristalline Strukturen, aus denen heraus das ungehemmte und
lawinenartige Kristallwachstum schlagartig einsetzt. Die im System gespeicherte Wärme
("latente Wärme") wird freigesetzt. Diese Bildungswärme des Salzhydrats,
Kristallisationswärme genannt, entspricht genau der Energiemenge, die zum umgekehrten
Vorgang, dem Schmelzen, erforderlich ist. Eine chemische Reaktion im Sinne einer
Stoffumwandlung findet nicht statt. Natriumacetat bleibt Natriumacetat.
Die Flüssigkeit ist eine Salzlösung aus wenig Wasser und viel Natriumacetat-Trihydrat
(etwa 10 Teile Salz auf 1 Teil Wasser). So viel Natriumacetat-Trihydrat lässt sich
eigentlich gar nicht in Wasser lösen. Wenn man das Wasser erhitzt, löst sich das Salz
jedoch komplett, da sich in heißem Wasser deutlich mehr Salz lösen lässt und außerdem
weiteres Wasser aus dem Salz freigesetzt wird. Beim Abkühlen der Flüssigkeit könnte man
nun erwarten, dass das überschüssige Salz ausfällt - also immer nur so viel Salz im Wasser
gelöst bleibt, wie man auf Grund der Löslichkeit erwarten könnte. Genau das geschieht
allerdings nicht. Wenn die Flüssigkeit abkühlt, ist mehr Salz in ihr gelöst als eigentlich
möglich ist. Solche Zustände nennt man metastabil: Erst bei Störungen fällt das
überschüssige Salz aus; es kristallisiert. Solch eine Störung erreicht man durch das
Knicken des Metallplättchens: Dabei entstehen kleinste Unebenheiten im Metall, an denen
die Kristallisation beginnt. Etwas Ähnliches ist Ihnen vielleicht schon mal mit einer
Flasche Sprudelwasser oder Sekt passiert: Wenn sie zu lange im Gefrierfach abkühlt, ist
der Sprudel zwar noch flüssig, wenn Sie ihn herausholen. Aber nach dem Öffnen sprudelt
Kohlenstoffdioxid (CO2) heraus und durch diese Störung beginnt die Flasche von oben
nach unten zu vereisen. Dabei steigt die Temperatur von beispielsweise -5°C im
unterkühlten Sprudel auf 0°C im Sprudel-Eis. Mit solch einer unterkühlten Flüssigkeit
haben wir es auch bei den Taschenwärmern zu tun. Und auch hier steigt die Temperatur
beim Kristallisieren an - und zwar um bis zu 35°C. Vereinfacht gesagt, handelt es sich bei
der abgegeben Wärme um die so genannte Kristallisationswärme (Erstarrungsenthalpie).
Wenn man z.B. 18 Gramm Eis schmelzen will, muss man ihm 6 Kilojoule Wärme
zugeben. Genau dieselbe Wärmemenge wird als Kristallisationswärme wieder frei, wenn
das Eis gefriert. Ähnlich ist es auch beim Taschenwärmer: Beim Auskristallisieren wird
Wärme frei.
Quelle: http://www.kopfball.de/frgevg.phtml?kbsec=frgevg&kbfrgevgsec=dtl4
Diese Erklärung ist jedoch nur auf den ersten Blick plausibel. Sie erklärt nicht, warum der
Taschenwärmer sich so stark erhitzt und so lange heiß bleibt. Was passiert beim Erhitzen
des Taschenwärmers genau? Das Natriumacetat-Trihydrat wird in der Hitze zersetzt: Dabei
wird das fest in das Kristallgitter eingebaute Kristallwasser abgegeben und es entsteht
zuerst wasserfreies Natriumacetat: Erhitzt man weiter, löst sich das entstandene
Natriumacetat in seinem eigenen Kristallwasser - jedoch nicht vollständig: Damit sich alles
lösen kann, ist in den Taschenwärmern noch zusätzliches Wasser enthalten. Während der
"Aufladevorgang" des Wärmekissens aus zwei getrennten Reaktionen besteht, verläuft die
Entladung - also die Wärme-Abgabe in einem Schritt: Dabei gibt es eine Besonderheit, die
für die Funktion des Taschenwärmers sehr wichtig ist: Die Kristallisationswärme erhitzt
das Kissen so stark, dass die Bildung des Natriumacetat-Trihydrats wieder verhindert wird.
Erst wenn sich das Kissen ein wenig abgekühlt hat, kann neues Natriumacetat-Trihydrat
entstehen und damit auch neue Wärme, die wiederum zu einer kurzen Pause in der
Wärmeabgabe führt. Durch dieses ständige Stop-and-go bleibt der Taschenwärmer
besonders lange warm.