Beim Experimentieren den Allgemeinen Warnhinweis unbedingt beachten.

Bild 1: Endlich Feierabend! (Bild: Thomas Blume)

Jeder kennt den Maurertrick. Man reiche einem Kollegen freundlich eine Flasche mit Bier und stoße mit ihm an. Zur allgemeinen Erheiterung schießt dem armen Kollegen das Bier aus der Flasche und besudelt seine Hose. Die eigene Flasche jedoch bleibt ohne Schaumausfluss. Wie kommt das? Das fragte uns die Redaktion des WDR 5 (90,6 MHz) für ihre Sendung "Leonardo", die donnerstags um 16-17 Uhr ausgestrahlt wird.

Bild 2: Der Maurertrick (Foto: Daggi)

Wir haben das auch ausprobiert. Hier erst einmal der Versuch:

Versuch 1: Schaumbildung einer angestoßenen Flasche Von den Flaschen löst ihr mit kaltem Wasser (wenn es geht mit Eiswasser) die Etiketten ab, um die Vorgänge in den Flaschen genau zu beobachten. Dann öffnet ihr die beiden Flaschen. Stoßt die Flaschen so zusammen, dass ihr mit dem Boden der einen auf die Mündung der anderen klopft (Bild 2). Die Flaschen müsst ihr dabei in der Hand halten und nicht hinstellen. Beobachtung: Beim Anstoßen schießt das Bier aus der unteren Flasche heraus, aus der oberen aber nicht oder nur ganz wenig. Hinweis: Um zu vermeiden, dass das Bier auch aus der oberen Flasche ausschäumt, müsst ihr darauf achten, dass ihr wirklich gut gekühlte Flaschen nehmt. Wenn Ihr euch wie wir für Weizenbier entscheidet, weil das besonders gut schäumt, so denkt daran, dass dieses vor dem Versuch zusätzlich besonders ruhig gelagert und nicht etwa im Auto transportiert und durchgeschüttelt wurde. Vorsicht, Glasbruch vermeiden. Aber auch nicht zu sanft anstoßen, sonst passiert nichts. Dieser Versuch kann oftmals wiederholt werden. Ihr könnt auch die Flaschen tauschen. Dann ist es umgekehrt. Nun schauen wir einmal genau hin: Das wird dadurch erleichtert, dass wir die Etiketten entfernt haben. Um Glasbruch zu vermeiden, nehmen wir zum genaueren Studium der Vorgänge anstelle der zweiten Flasche zum Aufschlagen Hartholz, also z. B. einen Hammerstiel. Wir erkennen, dass beim Anstoßen aus dem "Nichts" heraus Blasen entstehen und regelrechte Wolken von Gasblasen nach oben wandern (Bild 3). Das passiert manchmal am Glasboden, aber auch mitten in der Flüssigkeit. Achtung: Das Bier, das sich in der unteren Flasche befand, dürft ihr wegen möglicher Splitterbildung auf keinen Fall mehr trinken!

Dem Ablauf liegt ein akustisches Phänomen zugrunde
Wie ist unser Versuchsergebnis zu erklären: Dass in der unteren Flasche Gas entsteht, in der oberen nicht?
Beim Anstoßen wandert eine sich vom Anstoßpunkt gleichmäßig ausbreitende Schallwelle durch die Flüssigkeiten in beiden Flaschen.
In der unteren Flasche trifft sie auf den Flaschenboden und wird reflektiert. Dadurch baut sich eine stehende Welle wie in einer Orgelpfeife auf (Longitudinalwelle; Bild 4). Das kennt ihr vielleicht aus dem Physikunterricht. Lasst euch mal das Kundtsche Rohr zeigen. Die Bäuche dieser stehenden Welle bedeuten Zonen mit Niederdruck, deren Knoten Zonen mit Hochdruck. Niederdruck hat (wie beim Flaschenöffnen) Gasfreisetzung zur Folge. Deshalb gibt es Zonen, in denen Gas entsteht. Das seht ihr sehr schön auf dem Bild 3. Um die stehenden Wellen nicht zu stören, darf die anzustoßende Flasche auch nicht aufgesetzt werden, sondern muss frei in der Hand gehalten werden.
Dagegen ist die obere Flasche am anderen, oberen Ende offen. Hier entsteht keine stehende Welle, das Ausschäumen bleibt also aus. Und wenn die obere Flasche bei besonders starkem Stoß doch etwas ausschäumt, liegt es nur daran, dass sich die Flasche am Flaschenhals verengt und es zu einer geringen Stehwellenbildung mit leichtem Ausschäumen kommen kann.

Bild 4: Modell der stehenden Welle (Kundtsches Rohr)

Und nun untersuchen wir, was passiert, wenn extreme Schallwellen durch das Bier rasen: Wir stellen die Bierflasche in ein Ultraschallbad mit einer tausendfach höheren Frequenz, als wir durch einen Schlag erzeugen können.

Versuch 2: Bierflasche im Ultraschallbad Öffne eine nicht zu kalte Bierflasche und stelle sie in ein Ultraschallbad.

Bild 5: Bierflasche im Ultraschallbad (Foto: Blume)

Das Bier schießt wie ein Geysir aus der Flasche. Das Entgasen von Flüssigkeiten lässt sich also besonders effektiv mit Ultraschall vornehmen. Das macht man z. B. bei Anwendungen wie der Vorbereitung von Lösemitteln in der HPLC-Technologie. Dem Vernehmen nach prüfen auf diese Weise die Getränkehersteller die Dichtigkeit ihrer Kronkorken-Verschlüsse.

Warum schäumt das Bier überhaupt?
Mit Mineralwasser klappt der Versuch nicht.
Was eigentlich ist Bier? Es ist ein CO₂-haltiges Getränk, das durch alkoholische Gärung eines mit Hopfen gekochten wässrigen Auszugs aus gekeimtem Getreide entsteht.
Einige Inhaltsstoffe des Biers haben Tensid-Charakter, sind also Schaumbildner. Es sind vor allem die leicht bitteren Hopfeninhaltsstoffe, das Humulon oder Lupulon. (Der wissenschaftliche Name für Hopfen ist Humulus lupulus.) Je mehr Hopfen in einem Bier ist, desto eindrucksvoller ist der Schaum. Deshalb gibt man zu normalem Bier 100 g Hopfen, zu Pils dagegen 300 g auf einen Hektoliter. Das Hopfen macht man übrigens erst seit Anfang des 16. Jahrhunderts (1516: Reinheitsgebot des Bieres). Erfunden haben es die Flamen, hinter denen deshalb die weinseligen Spanier des spanischen Herzogs Alba her waren.

Humulon

Der physikalisch-chemische Hintergrund
Was da Gasblasen bildet, ist CO₂, das im Bier gelöst ist. (Wie das Gas in wässriger Lösung „festgehalten“ wird, beschreiben wir hier.) Das Gas wartet darauf, freigesetzt zu werden, also als Gas aus der Lösung auszutreten. Dieses Gaslösungsgleichgewicht ist abhängig vom Druck. Je höher der Druck ist, desto mehr CO₂ löst sich im Bier. Das Umgekehrte kennen wir von der Beobachtung, wenn wir eine Flasche mit CO₂-haltigem Wasser öffnen: Dann sprudelt Gas heraus.

Das Gleichgewicht ist aber auch von der Temperatur abhängig. Der Vorgang der Gasfreisetzung ist endotherm. Das System kühlt folglich ab, wenn CO₂ rausgeht. Das bedeutet aber eine Verzögerung der Freisetzung des Gases. Hinzu kommt, dass bei endothermen Prozessen die Aktivierungsenergie besonders hoch ist, deshalb ist der Vorgang der Gasfreisetzung reaktionskinetisch gehemmt. Das ist auch die Grundlage des Degorgierens bei der Herstellung von Champagner. Insgesamt können wir sagen: das System befindet sich in einem metastabilen Zustand.
Alle Vorgänge weisen darauf hin, dass es sich beim Schlag auf die Flasche um die Störung dieses metastabilen Gleichgewichts handelt. Das heißt, dass das CO₂ eigentlich in übersättigter Lösung vorliegt, die auf den Anstoß zum Entgasen wartet. Wegen der Abkühlung des Systems gast nicht alles CO₂ aus.

Warum bildet sich Nebel, wenn man eine Flasche öffnet?
Beim Öffnen der Flaschen zu unserem Versuch haben wir beobachtet, dass sich beim Öffnen der Flaschen im oberen Gasraum unter Zischen kurzfristig ein Nebel bildet.

Versuch 3: Nebelbildung beim Öffnen einer Flasche mit CO2-haltigem Getränk Nehmt eine neue Sprudelflasche, die unter Kohlenstoffdioxiddruck steht. (Ihr könnt dazu natürlich auch eine Flasche des besten Champagners aus Papis Weinkeller auswählen...) Wenn ihr die mit einem Ruck aufdreht, beobachtet ihr Nebelbildung im Dampfraum über der Flüssigkeit.

Der Grund: Der Überdruck in der Flasche, der mehrere bar beträgt, wird auf den äußeren Luftdruck von einem bar entlastet. Das Flascheninnere kühlt sich ab und der bislang unsichtbare Wasserdampf kondensiert zu Nebel. Darüber haben wir schon im Tipp 08.99 berichtet. Der Nebel besteht aus Wasserdampf. Die Flaschen stehen unter einem hohen Druck, etwa wie ein Lkw-Reifen. Das betrifft auch deren kleinen Gasraum. Der enthält eine große Menge Wasserdampf. Beim Öffnen der Flasche entlastete man von fünf bar auf das eine bar des normalen Luftdrucks. Die Bildung von Unterdruck ist stets mit Abkühlung verbunden. (Das ist der gegenteilige Effekt wie beim Betreiben einer Fahrradpumpe, bei der es warm wird.) Durch das Abkühlen kondensiert der Wasserdampf zu Nebel. Denn kalte Luft kann weniger Wasserdampf speichern als warme. (Das wisst ihr von der Wolkenbildung.) Deshalb kondensiert der überschüssige Wasserdampf zu Nebel. Unterstützt wird das noch dadurch, dass im Moment der Flaschenöffnung aufgrund der Druckentlastung aus der Lösung auch CO₂ austritt und Wasserdampf mitreißt, der dann zusätzlich kondensiert.

Ein weiterer Trick: Die auslaufende Flasche
Als es früher (wie auch heute hier und da wieder) noch die Bierflaschen mit Bügelverschlüssen gab, war es beliebt, die Leute mit folgendem Scherz zu nerven:

Versuch 4: Die auslaufende Flasche In den Boden einer leeren Bierflasche mit Bügelverschluss schlägst du vorsichtig mit einem Stahlnagel oder Bohrer eine kleine Öffnung. Dann füllst du Wasser in die Flasche, wobei du das Löchlein zuhalten musst. Anschließend verschließt du den Bügel. Das Wasser bleibt drin, die Flasche ist für den Trick bereit. Nun machst du eine Wette wie: "Du kannst die Bierflasche nicht öffnen, wenn sie in deiner Hosentasche steckt". Der Gegenwetter wird die Flasche nehmen, in die Hosentasche stecken und versuchen, den Bügel zu öffnen. Es gelingt ihm natürlich. In diesem Moment läuft die Flasche aus.

Dahinter steckt natürlich auch Chemie oder Physik. Die Oberflächenspannung verhindert, dass die Flasche trotz des Lochs im Boden im geschlossenen Zustand ausläuft. Öffnest du sie, kann der Luftdruck sich von oben her ausgleichen, die Flasche läuft folglich aus. Übrigens geht der Versuch nicht mit Wasser, das Spülmittel enthält. Dann entfällt die Oberflächenspannung. Versuchs mal. Das wäre ein Thema für eine Facharbeit...

Rüdiger Blume

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