Viskoelastizität

1. Experiment ist im WACKER-Schulversuchskoffer enthalten	ja
2. Versuchsvorschrift wurde modifiziert	ja, erweitert
3. Eigene Versuchsvorschrift wurde entwickelt	nein
4. Video-Clip verfügbar	ja (als wmv oder als mov)
5. Flash-Animation verfügbar	ja
6. Weitere Materialien: Folie DH7

Viskoelastizität

1 Materialien, Chemikalien, Zeitbedarf

Hammer
Hüpfender Kitt 40 aus dem WACKER-Schulversuchskoffer

Die Dauer des Versuchs hängt davon ab, welche Vorgänge man mit dem "Hüpfenden Kitt" durchführen möchte. Sie kann von wenigen Sekunden (Hammerschlag, Werfen der Kitt-Kugel gegen den Boden oder gegen die Wand) bis zu 30 Minuten (Zerfließen des Kitts) betragen.

2 Versuchsdurchführung und -beobachtung


	Zuerst wird der Kitt zu einem Ball geformt. Drückt man langsam mit dem Hammer auf den Ball, so verformt er sich zu einer Scheibe. Bei einem schnellen Schlag mit dem Hammer auf den Ball springt der Hammer jedoch ähnlich wie bei dem Schlag auf einen harten Gummiball zurück, der Kitt verändert dabei seine Form nicht.


Lässt man den Ball aus Kitt einfach auf der flachen Tischplatte liegen, so zerfließt er innerhalb 30 Minuten zu einer Scheibe. Wirft man den Ball aus Kitt auf den Boden oder gegen eine Wand, so springt er zurück wie ein Ball aus Gummi.

Reißt man an den Enden des zu einem Stab geformten Kitts ganz schnell in entgegengesetzte Richtungen, so reißt das Material durch. Versucht man jedoch, den Kitt langsam zu teilen, bildet sich ein langer zäher Faden, ähnlich wie bei normaler Knete. Nach Kontakt verschmelzen die Hälften wieder miteinander.
Aus welcher Form auch immer kann der Kitt durch langsames Kneten in eine beliebige andere Form überführt werden. Beim Kneten des Kitts stellt man fest, dass mit größerer Krafteinwirkung der Widerstand des Materials gegen Deformation (Verformung) höher wird.
Die genannten Eigenschaften des Hüpfender Kitts können durch Anklicken eines der beiden Videos aus dem Kopfblock zu diesem Versuch angeschaut werden.

3 Versuchsauswertung

Der "Hüpfende Kitt" ist aus einem so genannten viskoelastischen Material. Es verhält sich in einigen Fällen (bei langsamer Krafteinwirkung) wie eine hochviskose Flüssigkeit, in anderen (bei rascher Krafteinwirkung) wie ein elastischer Feststoff. Die Viskoelastizität beruht ist in diesem Fall auf zwischenmolekulare Kräfte im Material.
Beim untersuchten "Hüpfenden Kitt" handelt es sich um ein Silicon, bei dem ca. 0,5 Mol% der Silicium-Atome in der Siloxankette durch Boratome ausgetauscht sind. Jedes Bor-Atom ist Bestandteil der Hauptkette im Silicon-Molekül, trägt aber auch eine mehr oder weniger lange Seitenkette mit Siloxan-Gerüst. Diese Seitenketten sind ineinander verzahnt und erschweren das Vorbeigleiten eines Silicon-Moleküls an einem anderen Silicon-Molekül.
Das viskoelastische Verhalten kann folgendermaßen erklärt werden: Wenn eine Kraft nur kurz auf das Material einwirkt, verbiegen sich die verzahnten Seitenketten nur geringfügig und kommen gleich danach in die ursprüngliche Position zurück. Die Hauptketten zweier benachbarter Silicon-Moleküle verschieben sich dabei nicht zueinander. Das Material verhält sich elastisch. Wirkt die deformierende Kraft jedoch langanhaltend ein, so verschieben sich trotz der Verzahnung durch die Seitenketten ganze Silicon-Makromoleküle zueinander. Vereinfacht kann man sich vorstellen, dass die Seitenketten (die "Zähne") sich so weit verbiegen, bis das Vorbeigleiten der einen Hauptkette an der anderen möglich ist. Wenn ganze Silicon-Moleküle aneinander vorbei gleiten, fließt das Material. In diesem Fall verhält sich der "Hüpfende Kitt" wie sehr zäh fließender Honig, er ist hochviskos.
Die oben ausgeführten Erklärungen zum viskoelastischen Verhalten sind mithilfe von Formeln und Bildern ausführlich in der Flash-Animation dargestellt, die im Kopfblock zu diesem Versuch angegeben ist.

4 Tipps und Anmerkungen

Der Versuch ist gut geeignet das interessante Phänomen der Viskoelastizität zu demonstrieren. Der "Hüpfende Kitt" besitzt hohes Motivationspotenzial, weil das Verhalten dieses Materials so kurios ist.
Bei der Erklärung der Beobachtungen kann der Zusammenhang zwischen der molekularen Struktur eines Materials und seinen Stoffeigenschaften veranschaulicht werden.
Der Versuch ist einfach und schnell durchzuführen und eignet sich daher gut als Schülerversuch. Neben den beschriebenen Variationen können noch andere durch die Schüler vorgeschlagen und ausprobiert werden.

5 Ergänzende Sachinformationen

In Silicon-Molekülen, deren Gerüst aus Siloxan-Ketten besteht, ist die konformationelle Beweglichkeit der Molekülteile durch die freie Drehbarkeit um die Si-O Bindungen gewährleistet. Das gilt auch für die Siloxan-Seitenketten im "Hüpfenden Kitt", die an Bor-Atome gebunden sind und weiter oben (vgl. 3 Versuchsauswertung) als "Zähne" bezeichnet werden.

6 Literatur

W. Held et al., Begreifen und verstehen - Schulversuche mit WACKER-Produkten (Begleitheft zum WACKER-Schulversuchskoffer), Wacker Chemie AG, München, 2007