Elektrochemischen Vorgängen im Alltag auf der Spur

So lautete die Forschungsaufgabe, der die Schülerinnen und Schüler des Chemiekurses 12 in Kleingruppen nachgegangen sind. Konkret ging es darum, das Geheimnis einer Uhr, die mit Leitungswasser funktioniert und des Thermacare Wärmepflasters, welches ohne den Hautreizungen verursachenden Wirkstoff Capsaicin auskommt, zu lüften.

Sekundarstufe. In Modellversuchen zu einer galvanischen Zelle konnten die Forschungsgruppen feststellen, dass normales Leitungswasser sich schon als Elektrolyt (leitendes Medium) eignet, aber der gemessene Spannungswert definitiv nicht ausreicht, um eine digitale Uhranzeige anzutreiben.

Damit sagt der österreichische Hersteller, der diese ausgefallenen Uhren vertreibt, zwar nichts Falsches, doch wie so oft nicht die ganze Wahrheit. Das Wasser, das durch einen Baumwollfaden in das Innere der Trockenbatterie aufsteigt, hat eine doppelte Funktion – es wandelt sich durch Lösungsvorgänge im Inneren der Batterie in ein Elektrolyt um und es nimmt auch an der Redoxreaktion teil. Daher muss es alle paar Wochen nachgefüllt werden.

Das ganze Geheimnis entpuppt sich bei genauerem Nachforschen als eine ganz normale Alkali-Mangan-Batterie, die auch als Laclanché-Element bekannt ist. Wer möchte, kann sich die Uhr in H310 in der Pause anschauen oder bei solarspiel.com bestellen.

Wärmepflaster sind bei Sportlern beliebt, die über Muskelverspannungen klagen und in kürzester Zeit fit sein wollen oder müssen.  Die Handhabung ist simpel: Aus der Verpackung nehmen, die Folie abziehen, auf die verspannte Körperstelle legen und die Wärme spüren.

Doch wie funktionieren sie?

Die Antwort auf diese Frage könnte viele überraschen.

Es ist das Rosten, über das insbesondere Autofahrer schimpfen, das diese wohltuende Wärme erzeugt. Im Wärmepflaster-Kissen befindet sich ein Gemisch aus Eisenpulver, Aktivkohle, Kochsalz und etwas Wasser, das luftdicht verschlossen unbegrenzt haltbar ist.

Um diese exotherme (Wärme an die Umgebung abgebende) Reaktion zu starten, ist Sauerstoff nötig. Dies geschieht durch Abziehen der Folie. Es findet Sauerstoff-Korrosion statt, die beim Eisen eben Rosten heißt.

Aber wer hätte gedacht, dass beim Rosten so viel Energie freigesetzt wird?

Dazu müssen die Inhaltsstoffe im Pflaster in Pulverform und als homogene Mischung vorliegen, damit möglichst viele Eisen-Aktivkohle-Paare, sogenannte Lokalelemente entstehen können und auch gleichzeitig mit dem gasförmigen Sauerstoff reagieren können. Auf diese Weise wird in kürzester Zeit sehr viel Energie frei.

Was passiert nun genau? Eisen wird oxidiert, d. h. Eisenatome geben Elektronen ab, die durch die Aktivkohle an den Sauerstoff geleitet werden. Hier an der Kontaktfläche Aktivkohle – Sauerstoff und Wasser findet der zweite Teil der Reaktion statt, die Reduktion von Sauerstoff und Wasser zu Hydroxidionen oder kurz (lies: OH(-1)-Anionen). Das gelöste Kochsalz als Elektrolyt sorgt für den Ladungsausgleich und beschleunigt die Reaktion. Da das Rosten ein mehrstufiger Vorgang ist, dauert es mehrere Stunden, bis die Wirkung des Wärmepflasters nachlässt. Würde man am Ende in das Kissen reinschauen, sähe man einen rotbraunen Feststoff, Eisenoxid oder Rost.

Zusammenfassend kann man sagen, dass Rost auch positive Seiten hat und Chemie uns wie immer überrascht.

Nikolas Soric, Louis Friesen, Joanna Bieberstein