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Chemische Unterhaltungen: Kristalle für warme Hände

Wenn Sie an frostigen Tagen Ihre Hände mit einem Taschenwärmer aufheizen, sprießen zwischen Ihren Fingern unzählige winzige Kristallbäumchen. In einem Experiment können Sie den faszinierenden Vorgang mit eigenen Augen unter dem Mikroskop bestaunen.
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An frostigen Wintertagen reichen selbst die dicksten Handschuhe oft nicht aus, die Hände warm zu halten. Manche greifen dann zu einem so genannten wiederverwendbaren Taschenwärmer, um die eisigen Fingerspitzen kurzfristig wieder aufzutauen. Üblicherweise handelt es sich dabei um einen flexiblen, stabilen Kunststoffbeutel, der mit einem Gemisch aus Wasser und einem hydratisierten Salz gefüllt ist, meist Natriumactetat-Trihydrat (NaCH3COO x 3 H2O). Dessen Löslichkeit hängt stark von der Temperatur ab. Bei Raumtemperatur ist sie gering. Wird der Beutel dagegen in einem Wasserbad erhitzt, so löst sich das Salz vollständig im Wasser auf. Wenn er danach wieder abkühlt, geschieht etwas Unerwartetes: Das Natriumacetat bleibt trotz der Temperaturerniedrigung gelöst und kristallisiert nicht aus.

Wir haben es hier mit einer so genannten unterkühlten (und übersättigten) Salzlösung zu tun. Dieses Phänomen tritt auf, wenn keine Kristallisationskeime (etwa Partikel, die selbst eine kristalline Struktur aufweisen) in der Lösung vorhanden sind, an denen sich erste Kristalle bilden können und so die »Kettenreaktion« einer Kristallisation auslösen.

Knickt man allerdings das in dem Beutel befindliche Metallblättchen, breitet sich in der Lösung eine Schallwelle aus. Diese führt auf der Ebene der kleinsten Teilchen (Ionen) zu Verdichtungen, welche das gelöste Salz schlagartig kristallisieren lassen. Dabei wird die Gitterenergie des sich bildenden Kristalls freigesetzt und als Wärme an die Umgebung abgegeben. Um den Taschenwärmer wiederzuverwenden, muss man ihn lediglich im Wasserbad so lange erhitzen, bis sich das kristallisierte Salz vollständig gelöst hat. Schon ist er wieder einsatzbereit.

Die sekundenschnelle Kristallisation von manchen übersättigten Salzlösungen lässt sich eindrucksvoll beobachten, wenn sie im Mikrometermaßstab auf einem Objektträger abläuft …

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  • Quellen

Chernov, A. A.: Modern Crystallography III: Crystal Growth. Springer, 1984

Höltkemeier, D., Oetken, M.: Diffusionsgesteuerte Wachstumsprozesse - Didaktische und methodische Überlegungen zur Implementierung diffusionsgesteuerter Wachstumsphänome in den Chemieunterricht. CHEMKON 10, 2003

Witten, T. A., Sander, L. M.: Diffusion-limited aggregation, a kinetic critical phenomenon. Physical Review Letters 47, 1981

Witten, T. A., Sander, L. M.: Diffusion-limited aggregation. Physical Review B 27, 1983