Schaumvulkan

Was das Kind lernt

• Dass beim Mischen einer Säure (Essig) mit einer Base (Natron) ein neuer Stoff entsteht: ein Gas, Kohlendioxid.
• Dass das Gas viel mehr Platz braucht als das Pulver und die Flüssigkeit, aus denen es entsteht: 10 g Natron ergeben etwa 3 Liter Gas.
• Dass das Spülmittel das Gas in Bläschen einfängt und aus dem Blubbern einen Schaum macht, der aufsteigt und überläuft.
• Dass die Reaktion aufhört, wenn eine der Zutaten aufgebraucht ist (limitierender Reaktant), und dass sie wieder losgeht, wenn man mehr davon zugibt.
• Mengen abzumessen (Löffel, Milliliter) und einen Versuch zu wiederholen, bei dem man nur eine einzige Sache ändert.

Vorher vorbereiten

• Drucke den Kegel auf A3 in 100 % (oder zeichne die zwei Hälften mit einer 266 mm langen Schnur, die an einen Bleistift gebunden ist) und Trichter und Lineal auf A4.
• Spül die Flasche aus und entferne das Etikett. Heb den Deckel auf: Damit verschließt du die Öffnung, während du das Pappmaché aufträgst.
• Reiß das Zeitungspapier vorher in Streifen von 3 × 15 cm (etwa 80 Stück).
• Bereite den Kleister zu: 60 g Mehl in 250 ml kaltes Wasser, klümpchenfrei verrühren und bei mittlerer Hitze 3–5 Minuten unter Rühren erhitzen, bis er dick wie Joghurt ist. 15 Minuten abkühlen lassen.
• Am Tag des Ausbruchs: Geh nach draußen oder nimm ein großes Blech; halte einen Lappen, einen Eimer Wasser und für jedes Kind eine Schutzbrille bereit.

Materialien und Werkzeuge

• Kunststoffflasche 330 ml — 1
  Wasserflasche, etwa Ø 60 × 200 mm, Öffnung innen Ø 21 mm, ohne Deckel für den Ausbruch
• Fotokarton oder dünner Karton — 2 A3-Bögen (oder eine große aufgeklappte Müslischachtel)
  250–350 g/m², für die zwei Kegelhälften
• Wellpappe — 1 Bogen 30 × 30 cm
  Grundplatte des Vulkans
• Zeitungspapier — 4–5 Blätter
  in Streifen von 3 × 15 cm gerissen
• Weizenmehl (Kleister) — 60 g (½ Tasse)
  mit 250 ml Wasser
• Natron — 2 gestrichene Esslöffel (≈ 20 g) für je 2 Ausbrüche
  Speisenatron (NaHCO₃)
• Heller Essig — 150 ml pro Ausbruch (300 ml insgesamt)
  Branntweinessig oder Weißweinessig, 5–6 % Säure
• Flüssiges Spülmittel — 1 Teelöffel (5 ml) pro Ausbruch
  jedes Handspülmittel
• Temperafarbe oder Lebensmittelfarbe — 1 Teelöffel rote Temperafarbe (oder 10 Tropfen Lebensmittelfarbe) pro Ausbruch
  Rot und etwas Gelb für einen Orangeton
• Temperafarben Braun, Grün und Schwarz — nach Belieben
  zum Bemalen des Vulkans
• Bastelkleber (Weißleim) — 50 ml
  mit 50 ml Wasser verdünnt, als Schutzlack
• Knete — 1 Kugel à 30 g
  um die Flasche auf der Grundplatte zu halten, ohne sie festzukleben
• Malerkrepp — 1 Rolle
  zum Schließen des Kegels und Befestigen auf der Grundplatte

Werkzeuge

• Schere — Kegel und Trichter ausschneiden
• Cuttermesser und Lineal — die Grundplatte aus Pappe schneiden Erwachsene
• Kochtopf und Holzlöffel — den Kleister kochen Erwachsene
• Esslöffel und Teelöffel — Natron und Spülmittel abmessen
• Messbecher oder Glas mit 150-ml-Markierung — den Essig abmessen und auf einmal hineingießen
• Schutzbrille (oder Schwimmbrille) — die Augen vor Essigspritzern schützen
• Großes Backblech oder Wanne — den Schaum auffangen
• Stoppuhr (Handy) — messen, wie lange der Ausbruch dauert
• Kleines Glas — lauwarmes Wasser, Spülmittel und Temperafarbe mischen, bevor sie in die Flasche kommen

Teile und Vorlagen

• A · Kegelhälfte ×2 — Fotokarton 250–350 g
• B · Grundplatte ×1 — Wellpappe 3–4 mm
• C · Papiertrichter ×1 — Papier oder dünner Fotokarton
• D · Schaum-Lineal ×1 — Fotokarton

Schritt für Schritt

1. Bereite die Grundplatte vor Erwachsene

   Schneide die Grundplatte B mit 30 × 30 cm zu und zeichne von ihrer Mitte aus einen Kreis mit Ø 180 mm (Vulkanrand) und einen mit Ø 60 mm (Flasche). Wenn möglich, stell sie in ein Backblech.

2. Schneide die Kegelhälften aus

   Schneide die zwei Hälften A aus dickem Fotokarton aus, entlang dem äußeren Bogen (r 266 mm), dem inneren Bogen (r 59 mm) und den zwei geraden Kanten. Jede Hälfte hat 3° extra zum Überlappen: etwa 14 mm unten und 3 mm oben.

3. Forme den Kegel

   Verbinde die zwei Hälften mit Malerkrepp, indem du ihre geraden Kanten überlappen lässt (14 mm unten, 3 mm oben), innen und außen. Du erhältst einen Kegel ohne Spitze, 195 mm hoch, mit einem Loch von Ø 40 mm oben.

   Prüfe: Der untere Rand passt genau auf den Kreis mit Ø 180 mm auf der Grundplatte.

4. Befestige die Flasche

   Leg die Knetkugel auf den Kreis mit Ø 60 mm und drück die leere Flasche gerade darauf. Schraub ihren Deckel zu, damit weder Papier noch Kleister hineinkommt.

   Prüfe: Schau die Flasche von vorn und von der Seite an: Sie steht senkrecht.

5. Setz den Kegel auf

   Stülp den Kegel über die Flasche, bis er auf seinem Kreis auf der Grundplatte aufliegt. Der Hals muss 5–10 mm aus dem Krater ragen (die Flasche ist 200 mm hoch, der Kegel 195 mm, und die Knete hebt sie noch etwas an). Klebe den unteren Rand mit 6 Stück Klebeband an der Grundplatte fest und schließ die Lücke zwischen Krater und Hals mit 2 Lagen Klebeband.

   Prüfe: Der Kegel liegt mit dem ganzen Rand auf der Grundplatte auf, berührt die Flasche nur am Hals, und der Hals ragt 5–10 mm aus dem Krater.

6. Trag das Pappmaché auf

   Tauch jeden Zeitungsstreifen in den Kleister, streif den Überschuss zwischen zwei Fingern ab und klebe ihn von unten nach oben auf den Kegel, mit 1 cm Überlappung. Mach 3 Schichten und wechsle dabei die Richtung der Streifen. Leg zerknüllte Papierkugeln unter die letzte Schicht, damit Felsen entstehen.

   Tipp: Führe das Papier nicht über den Rand des Halses: Wenn du die Öffnung zudeckst, fließt die Lava nicht sauber heraus.

7. Lass ihn trocknen

   Lass den Vulkan 24 Stunden an einem luftigen Ort trocknen (oder 4–6 Stunden in der Nähe einer Heizung, nie darauf). Nimm den Deckel von der Flasche, wenn er trocken ist.

   Prüfe: Klopfst du mit dem Fingerknöchel darauf, klingt er hohl und hart, ohne weiche oder kühle Stellen.

8. Bemale den Vulkan

   Mal alles mit Temperafarbe braun an, setz unten grüne und am Krater schwarze Flecken und rote und orange Rinnsale, die den Hang hinunterlaufen. Lass es 1 Stunde trocknen.

9. Schütze ihn mit Kleber

   Misch 50 ml Bastelkleber mit 50 ml Wasser und streich den ganzen Vulkan mit dem Pinsel einmal ein. Nach dem Trocknen (1–2 Stunden) glänzt er und hält mehrere Ausbrüche aus, ohne sich aufzulösen.

10. Füll den Vulkan

    Gib mit dem Trichter C 1 gestrichenen Esslöffel Natron (≈ 10 g) in die Flasche. Misch getrennt in einem Glas 50 ml lauwarmes Wasser, 1 Teelöffel Spülmittel und 1 Teelöffel rote Temperafarbe mit dem Teelöffel. Gieß die Mischung durch den Trichter: Beim Auftreffen auf das Pulver verrührt sie es von selbst, du musst den Vulkan nicht bewegen.

    Prüfe: Darin ist eine trübe rote Flüssigkeit, etwa 2 cm hoch, mit etwas weißem Pulver am Boden.

11. Bereite den Essig vor

    Miss 150 ml Essig in einem Glas mit Ausguss ab. Setz die Schutzbrille auf und stell den Vulkan auf das Blech, mit dem Lineal D aufrecht daneben, wenn du messen willst.

12. Ausbruch!

    Gieß die 150 ml Essig in einem schnellen, gleichmäßigen Strahl in etwa 3–5 Sekunden in den Krater und zieh die Hand zurück. Der rote Schaum steigt sofort auf und läuft den Hang hinunter; wenn er schon herauskommt, bevor du fertig bist, gieß den Rest trotzdem nach: Was überläuft, landet auf dem Blech. Stopp die Zeit vom Eingießen bis kein Schaum mehr kommt.

    Prüfe: 10–20 Sekunden lang kommt Schaum heraus und läuft den Hang hinunter bis zur Grundplatte.

13. Zweiter Ausbruch

    Wenn er aufhört, gib mit dem Trichter noch 1 Esslöffel Natron hinein und weitere 150 ml Essig. Vergleiche Höhe und Dauer mit dem ersten.

14. Mach sauber

    Die Flasche bleibt fest im Vulkan und wird nicht herausgenommen. Trag den Vulkan mit dem Blech zur Spüle, dreh ihn um, damit sich die Flasche leert, und lass viel Wasser laufen; füll sie durch den Krater mit Leitungswasser und kipp sie noch einmal aus, um sie auszuspülen. Tupf den Schaum am Vulkan mit Küchenpapier ab. Die Reste (Wasser, Natriumacetat, Seife und Temperafarbe) dürfen in den Ausguss.

Funktioniert es? Der Test

Miss mit 10 g Natron, 5 ml Spülmittel, 50 ml lauwarmem Wasser und 150 ml auf einmal eingegossenem Essig mit dem Lineal die Höhe des Schaums über dem Krater und stopp die Dauer des Ausbruchs.

Was passieren soll: Der Schaum erscheint nach 1–2 Sekunden im Krater, steigt 2–4 cm darüber, läuft über und 10–20 Sekunden lang den Hang hinunter bis zur Grundplatte. Ohne Spülmittel blubbert die Flüssigkeit nur und kommt kaum aus der Flasche.

Wenn etwas nicht klappt

• Es blubbert drinnen, aber nichts kommt heraus — Spülmittel fehlt oder zu wenig Natron. Lösung: Gib 1 Teelöffel Spülmittel dazu und nimm mindestens 1 Esslöffel Natron. Gieß den Essig auf einmal hinein, nicht nach und nach.
• Der Ausbruch dauert eine Sekunde und hört auf — Der Essig ist verbraucht: Es ist mehr Natron da, als reagieren kann. Lösung: Gieß weitere 100–150 ml Essig nach: Es kommt wieder Schaum.
• Das Natron bleibt am Hals kleben — Die Flasche war nass, als das Pulver hineinkam. Lösung: Nimm den Trichter bei trockener Flasche, oder löse das Natron zuerst in den 50 ml Wasser in einem Glas auf und gieß es hinein.
• Der Vulkan weicht auf — Pappmaché nicht trocken genug oder ohne Kleberschicht. Lösung: Lass ihn weitere 24 h trocknen und streich ihn vor dem nächsten Ausbruch mit verdünntem Kleber ein.
• Der Kegel passt nicht drüber oder sitzt schief — Dickere Flasche oder Kegel mit zu viel Überlappung geschlossen. Lösung: Öffne den Kegel, indem du das Klebeband löst, und lass ihn weniger überlappen; oder nimm die angegebene 330-ml-Flasche.
• Der Schaum ist blassrosa — Zu wenig Temperafarbe, oder der Schaum verdünnt sie. Lösung: Nimm 2 Teelöffel Temperafarbe oder Lebensmittelfarbe als Gel, und einen Hauch Gelb für Orange.

Sicherheit

• Trag eine Schutzbrille: Essig, der in die Augen spritzt, brennt. Wenn etwas hineinkommt, 10 Minuten mit viel Wasser ausspülen.
• Verschließ die Flasche nie mit dem Deckel, nachdem du den Essig hineingegossen hast: Das Gas erhöht den Druck, und der Deckel kann wegspringen.
• Der Kleister wird auf dem Herd gekocht: Das macht ein Erwachsener, und er muss abkühlen, bevor die Kinder ihn anfassen.
• Misch keine anderen Reinigungsmittel dazu (Bleiche, Ammoniak): nur die aus diesem Rezept.
• Die Mischung wird weder getrunken noch probiert, auch wenn es Küchenzutaten sind.
• Ein Boden mit Schaum ist rutschig: Arbeite auf einem Blech und wisch sofort auf.

Die Wissenschaft dahinter

Für die Kinder

Essig ist ein bisschen sauer (deshalb kribbelt er auf der Zunge), und Natron ist das Gegenteil. Wenn sie sich treffen, verwandeln sie sich in neue Dinge, und eines davon ist ein unsichtbares Gas, dasselbe wie in den Bläschen von Sprudelgetränken. Dieses Gas braucht viel, viel mehr Platz als das Pulver und drückt deshalb nach oben. Die Seife fängt das Gas in Millionen Bläschen ein, wie wenn du in ein Glas mit Seifenwasser pustest, und darum kommt ein Schaum heraus, der wie Lava überläuft.

Für Erwachsene

Es ist eine Säure-Base-Reaktion mit Gasentwicklung: NaHCO₃ + CH₃COOH → CH₃COONa + H₂O + CO₂. 5-prozentiger Essig enthält ≈ 0,83 mol/L Essigsäure; 150 ml liefern ≈ 0,125 mol, die mit ≈ 10,5 g Natron (M = 84 g/mol) reagieren und ≈ 0,125 mol CO₂ freisetzen, etwa 3 L bei Raumtemperatur. Da pro Ausbruch 10 g Natron verwendet werden, stehen die beiden Reaktanten fast im richtigen Verhältnis; ist Natron im Überschuss, ist Essig der limitierende Reaktant, und es genügt, mehr Essig zuzugeben, um die Reaktion wieder anzustoßen. Das Tensid im Spülmittel senkt die Oberflächenspannung und stabilisiert die Bläschen, sodass das Gas einen Schaum mit großem Volumen bildet, der durch den engen Hals aufsteigt (der den Fluss beschleunigt) und überläuft. Lauwarmes Wasser beschleunigt das Lösen und die Reaktionsgeschwindigkeit. Die Reaktion ist leicht endotherm: Die Flasche fühlt sich etwas kühler an. Die Produkte (Natriumacetat in wässriger Lösung) sind unbedenklich und können mit Wasser in den Ausguss gegossen werden.

• chemische Reaktion: Veränderung, bei der sich Stoffe in andere, neue Stoffe verwandeln.
• Säure: Stoff mit saurem Geschmack, wie Essig oder Zitrone.
• Base: Stoff, der Säuren neutralisiert, wie Natron.
• Kohlendioxid: unsichtbares Gas, das bei dieser Reaktion entsteht und in den Bläschen von Sprudelgetränken steckt.
• Sprudeln: Aufsteigen von Gasbläschen aus einer Flüssigkeit.

Nach Alter

• 5–7 Jahre: Der Erwachsene schneidet den Kegel zu und kocht den Kleister; das Kind klebt Zeitungsstreifen, malt und macht den Ausbruch, wobei es mit Löffeln abmisst. Konzentriere dich auf „Sie mischen sich, und ein Gas entsteht“.
• 8–10 Jahre: Sie bauen den ganzen Vulkan selbst. Lass sie die Tabelle ausfüllen und jeweils nur eine Größe verändern.
• 11–12 Jahre: Lass sie die chemische Reaktion aufschreiben, ausrechnen, wie viel Essig für 10 g Natron nötig ist, und das überprüfen, indem sie das Verhältnis suchen, bei dem kein weißes Pulver am Flaschenboden bleibt.

In der Gruppe oder in der Klasse

Gruppen zu 4, ein Vulkan pro Gruppe. Einheit 1 (60 min): vom Erwachsenen vorgeschnittene Kegel, Flasche, Pappmaché; bis zum nächsten Tag im Klassenzimmer trocknen lassen. Einheit 2 (45 min): am Anfang Bemalen und Lackieren, am Ende Ausbrüche auf dem Schulhof oder auf Blechen. Pro Gruppe: 2 Esslöffel Natron, 300 ml Essig, 10 ml Spülmittel, Temperafarbe, Schutzbrillen für alle. Ein Ausbruchstisch mit Wassereimer, Lappen und Wischtuch.

Challenges

• Schaff es, dass der Schaum bis zum Rand der Grundplatte kommt (etwa 20 cm Hang und 6 cm Grundplatte).
• Sorg dafür, dass der Ausbruch länger als 30 Sekunden dauert (Tipp: den Essig in zwei Portionen zugeben).
• Entwirf einen Vulkan mit zwei Kratern aus einer Flasche mit zwei Strohhalmen.
• Finde das genaue Verhältnis von Natron und Essig, bei dem kein Pulver am Boden bleibt.
• Mach einen „langsamen“ Ausbruch, der eine Minute dauert, mit Backpulver statt Natron.

Weitere kostenlose Projekte

• Ballonrakete an der Schnur
• Röhren-Taschenlampe mit Schalter
• Hebel-Katapult
• Dunkelkammer, die Bilder projiziert
• Scheibe mit zwei Seiten, die verschmelzen

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