2. Was ist Glas?

Hinweis

Bei dieser Datei handelt es sich um ein Protokoll, das einen Vortrag im Rahmen des Chemielehramtsstudiums an der Uni Marburg referiert. Zur besseren

Durchsuchbarkeit wurde zudem eine Texterkennung durchgeführt und hinter das eingescannte Bild gelegt, so dass Copy & Paste möglich ist – aber Vorsicht, die Texterkennung wurde nicht korrigiert und ist gerade bei schlecht leserlichen Dateien mit Fehlern behaftet.

Alle mehr als 700 Protokolle (Anfang 2007) können auf der Seite

http://www.chids.de/veranstaltungen/uebungen_experimentalvortrag.html eingesehen und heruntergeladen werden.

Zudem stehen auf der Seite www.chids.de weitere Versuche, Lernzirkel und Staatsexamensarbeiten bereit.

Dr. Ph. Reiß, im Juli 2007

Experimentalvortrag zum Thema

GLAS

ausgearbeitet von Sonja Bonczkowitz Sudetenstr: 2

35039 Marburg

Inhalt

1. Historisches

2.Was ist Glas?

- Definition

- Großtechnische Darstellung V1 Glasdarstellung

- Gefärbtes und getrübtes Glas

- Verschiedene Glassorten und ihre Verwendung V2 Hydrolyse

- Strukturmodelle a) Kristall

b) Glas

- Bedingungen der Glasbildung c) Alkalisilicatglas

1

3. Eigenschaften

a) Thermodynamisches Verhalten b) Die Schmelze

V3 Glasblasen

c) Chem ische Resistenz V4 Wirkung von HF

d) Mechanische Eigenschaften e) Optische Eigenschaften f) Elektrische Eigenschaften

V5 Leitender Isolator

4. Glas im Labor a) Glasgeräte

b) Analytik

V6 Boraxperle c) Glaselektrode

- Vorbereitung der Glaselektrode - Herstellung der NWE

V7a PotentialeinsteIlung V7b pH-Bestimmung

5. Glasrekorde

2 Chemie in der Schule: www.chids.de

1. Historisches

Glas- produktion

5000 1500 7.Jh Zeiten- 2.Jh 14./ 18.Jh 19.Jh 20.Jh v.Chr v.Chr v.Chr wende 15.Jh

Die Grafik soll den Anstieg der Produktion und somit der Bedeutung von Glas im Laufe der Geschichte verdeutlichen.

Durch archäologische Funde kann man belegen, daß der

Mensch eigentlich schon immer "Glas" benutzt hat, auch schon in der Steinzeit, damals handelte es sich allerdings um den natürlich entstandenen Obsidian und nicht um vom Menschen künstlich hergestelltes Glas.

Entdeckt wurde das Glas um ca. 5000 v. ehr. In Ägypten, wahrschenlich eher zufällig, beim Brennen von kalkhaltigen Sand. Diese Datierung wird durch Funde von Glasuren auf Specksteingefäßen aus dieser Zeit unterstützt.

Um 1500 v. Chr. Stellte man Glasgefäße mit der

Sandkerntechnik her. Dabei formte man aus nassem Sand einen Gegenstand und überzog diesen mit mehreren

Glasschichten, indem man ihn als negativkörper mehrmals in die Schmelze eintaucht. Nach dem Erstarren der Schmelze konnte dann der Sand aus dem Glasgefäß herausgekratzt werden.

Das älteste Glasrezept stammt aus dem 7. Jhdt v. Chr. , " Nimm 60 Teile Sand, 180 Teile Asche aus Meerespflanzen, 5 Teile Salpeter und 3 Teile Kreide und Du erhältst Glas". Man sieht, das auch in diesem Rezept schon weitgehend die gleichen Rohstoffe verwendet wurden wie heute, nämlich Sand, Kaliumcarbonat, Natrium- bzw. Kaliumnitrat und

Calciumcarbonat, wenn auch noch nicht in optimaler Zusammensetzung.

Die Glasmachenpfeife, die um die Zeitenwende herum erfunden wurde trieb die Glasproduktion voran, sie bildet auch die

Grundlage für unsere heutige Hohlglasproduktion. Die

Glasmacherpfeife ist eine 1,5 m lange eiserne Hohlröhre, mit einem Mundstück an der einen und einer Verdickung am

anderen Ende, mit der Verdickung entnimmt man der Schmelze Glasklumpen und bläßt diese unter ständigem Drehen zur

gewünschten Form aus.

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In Deutschland entstanden die ersten Glashütten im 2. Jhdt.

Im 14. Und 15. Jhdt kamen die ersten geschliffenen

Brillengläser auf den Markt, in dieser Zeit wird "Glasmachen"

zum Handwerk, vorher zählte es zu den Künsten.

Durch die industrielle Sodaherstellung im 18. Jhdt erfuhr die Glasindustrie einen Aufschwung. Joseph Frauenhofer

entwicjkelt Fernrohre und Mikroskope mit geschliffenem Glas.

Das Pressglasverfahren und das maschinelle

Hohlglasverfahern werden im 19. Jhdt entwickelt. Bei der Weltausstellung 1851 in London werden für den Kristallpalast

100.000 m²Glas verarbeitet.

5

2. Was ist Glas?

Definition

Glas ist ein amorpher, d.h. ohne Kristallisation erstarrter, metastabiler Festkörper, der beim Erwärmen nur allmählich erweicht und dessen Atome zwar eine Nahordnung, aber keine gerichtete Fernordnung besitzen.

Großtechnische Darstellung

Prozentualer Anteil der Edukte am Glassatz

08-12 % Kalk 13-15 % Soda 1!l71-74 % Sand

g] 1-8^% Sonstiges

In dieser Grafik sind die Edukte zur Glasdarstellung in der Industrie dargestellt. Den prozentual größten Anteil hat hierbei da Si02 , es wird in Form von Sand zugeführt. Soda und Kalk liegen mit 13-15 % bzw 8-12 % auf Platz zwei und drei. Es

Chemie in der Schule: www.chids.de e

werden auch noch andere Stoffe zugesetzt (bis 8 0!c», wie z.B.

Schwermetalloxide zur Färbung des Glases.

Die großtechnische Darstellung findet in Wannenöfen statt, die Mischung der Ausgangsstoffe, die in ihrer endgültigen Zusammensetzung .Glassatz" heißt, wird In diesen Wannenöfen bei 1200 - 1400°C geschmolzen.

Zur Weiterverarbeitung wird das flüssige Glas auf ein Bett von flüssigem Zinn geleitet. Die Temperatur des Zinns sinkt von 1000°C am Anfang des Bades bis auf 600°C ab, das Glas ist bei dieser Temperatur schon so fest, daß es durch Walzen aus dem Bad abgehoben werden kann. Anschließend transportiert man die Glasplatten durch einen Kühltunnel und dann zur Weiterverarbeitu ng.

7

W an nenofen:

Schema des Wannenofens:

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V.1 Glasdarstellung

10,06 9 Borsäure, 1,80 9 Soda, 1,00 9 Sand, 4,18 9 Lithiumcarbonat und 1,52 9 Kalkstein werden bei 1000°C im Simon-Müller-Ofen geschmolzen und die Schmelze anschließend aus 50 cm Höhe auf eine feuerfeste Platte gegossen, damit man schöne Perlen erhält.

Schmelze

I /

~Si-O-Si-

/ I

+

0 -

I

--Si-

\

2+ -0 <, .1..____

Ca SI

\

Gefärbtes und getrübtes Glas

Man unterscheidet bei der Färbung von Glas:

• Oxidfärbung,

Man erreicht die Färbung, indem man dem Glassatz Metalloxide bemengt z.8. CoO blau, Cr203 grün, CuO blau, Mn02 braun, hierbei entsteht eine echte Lösung.

• Anlauffärbung

Die Färbung erfolgt durch Aufdampfen von elementaren Metallen z.8. Au rot, Ag 'y !b, Se rosa, hier liegt eine kolloidale Lösung vor.

• Trübung

Die Trübung entsteht durch die Einlagerung von festen Partikeln z.8. Sn02 , man setzt die festen Partikel der Schmelze zu.

Chemie in der Schule: www.chids.de '\0

Verschiedene Glassorten und ihre Verwendung,

- Quarzglas

=> optische Geräte, Laborgeräte

- Natron-Kalk-Glas .Normalqlas"

=> Fensterglas, Flaschenglas

- Kali-Kalk-Glas

=> Gebrauchsgegenstände

- Natron-Kali-Kalk-Glas (z.B. Thüringer Glas)

=> Laborgeräte

- Bor-Tonerde-Glas (z.B. Duran-Glas)

=> Laborgeräte

- Kali-Blei-Glas .Bleikristallqlas"

=> Luxusgegenstände, opt.Gläser, Straß

V .2 "Hydrolyse"

Man gibt fein gepulvertes Glas in Reagenzgläser mit Wasser und Phenolphthalein als Indikator.

In das erste Reagenzglas wird gepulvertes Duran-Glas (Bor- Tonerde-Glas) gegeben, in das zweite Normal-Glas (Natron- Kalk-Glas).

Beobachtung:

Im ersten Reagenzglas läßt sich keine Verändreung feststellen.

Im zweiten Reagenzglas zeigt der Indikatorumschlag von farblos nach rosa das sich einstellende alkalische Millieu an.

Reaktionsgleichung:

+

I

-Si---OH

/

Na+(aq) + OH-

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Strukturmodelle

a) Quarzkristall b) Quarzglas

zu a) Kristall

Im Kristall liegen eckenverknüpfte [Si04]- Tetraeder vor. Diese bilden ein gleichmäßiges dreidimensionales Netzwerk, dadurch besitzt ein Kristall sowohl Nah- als auch Fernordnung.

zu b) Glas

Auch im Glas liegen eckenverknüpfte [Si04]-Teraeder vor. Sie bilden jedoch ein unregelmäßiges dreidimensionales Netzwerk, dadurch besitzt Glas zwar eine Nah- aber keine Fernordnung.

Beding!!!J..Qen der Glasbildung (nach Zachariasen und Warren)

Die Koordinationszahl des Kations ist kleiner als 6.

Jedes O-Atom ist mit max. 2 Kationen verknüpft.

Die [Si04]-Tetraeder sind eckenverknüpft.

Dreidimensionales Netzwerk, da mindestens 3 Ecken mit anderen Polyedern verknüpft sind.

Stoffe, die diese Voraussetzungen erfüllen, nennt man Netzwerkbildner. (z.8. Si02, 8203, ^AS20 3, P40 1O)

c) Alkalisilicatglas

• =

Man kann die gespaltenen Disiloxanbrücken ("Trennstellen") erkennen.

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Stoffe, die Trennstellenbildung bewirken nennt man Trennstellenbildner. (z.B. Na_{2 0 ,} K_{2 0 ,} CaO)

~

Die Trennstellen sind verantwortlich für die - niedrigere Schmelztempertatur des Glases - niedrigere Viskosität der Schmelze

- geringere chem. Beständigkeit - erhöhte elektr. Leitfähigkeit

Als Netzwerkwandler bezeichnet man Netzwerkbildner, die die negative Ladung des Netzwerks erhöhen (B )+3 oder erniedrigen (p) . Dies führt zur Erzeugung bzw. zum Verbrauch von Trennstellen.

1.5

3. Eigenschaften

a) Thermodynamisches Verhalten

i

e

...a -f.

1

T_g

r,

Temperatur ^--t Tg

=

Ts

=

Abkühlung einer Schmelze

Beim Abkühlen einer Schmelze kommt es zu einem

Volumensprung, die Moleküle ordnen sich in gleichmäßiger Kristallstruktur an.

H}

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Abkühlung einer glasbildenden Schmelze

Es erfolgt kein Volumensprung, d.h. die Volumenabnahme ist gleichmäßig. Bei der Temperatur Tg erfolgt der Glasübergang, anschließend der Glaszustand.

b) Die Schmelze

. ....

...

...

..

'"•..

..

•'",

'"

-

4 _P~Zlehen

·s

200 ..

· 400 .

~ . ^~ . . .'

..Temperatur in

oe

6 .. Blasen 12·

14 16

10

t »

":'e:

. -

t

-

17

v. 3 Glasblasen

Ein Reagenzglas wird in der Gebläsebrenner-Flamme erhitzt, bis es weich wird, anschließend bläßt man in das Glas und kann so am unteren Ende eine Kugel ausblasen.

c) Chemische Resistenz

Glas ist chemisch sehr resistent.

gegen Säuren und Wasser

Es erfolgt ein Ionenaustausch von Metallionen gegen H³0 ^+• Dadurch erfolgt sofort die Bildung einer Kieselgelschicht,die vor weiterem Protonenangriff schützt.

2 4 6

Säureangriff

B h

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gegen Laugen

Beim Einwirken von Laugen auf Glas kommt es zur Spaltung der Disiloxanbrücken, es wird keine schützende

Kieselgelschicht ausgebildet.

2 4 6

Laugenangriff

8 h

Glas wird jedoch nur von Flußsäure, starken Laugen und konz.

Phosphorsäure merklich angegriffen.

V.4 Wirkung von HF

In einem Bleitiegel wird Flußspat (CaF2 ) mit konz.

Schwefelsäure übergossen. Man dekt den Bleitiegel mit einem Glasplättchen (welches mit Wachs bestrichen ist, in den eine Zeichnung eingeritzt wurde) ab und startet die Reaktion durch Erwärmen des Tiegels, der sich in einem Sicherheits-Sandbad befindet.

Beobachtung:

An den freiliegenden Stellen wurde das Glas verätzt, die Zeichnung SiF⁴ wurde sichtbar.

Reaktionsgleichung:

Si02 + 4 HF

Hydrolyse

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d) Mechanische Eigenschaften

- ideal spröde

- zug- und drucktest

e) Optische Eigenschaften

- Lichtbrechung

- Lichtdurchlässigkeit, keine Wechselwirkung mit Licht im sichtbaren Bereich

- Quarzglas durchlässig im IR-Bereich

t) Elektrische Eigenschaften - elektrisch hoch isolierend

- Stromtransport in Alkalisilicatgläsern durch Ionenwanderung (temperaturabhänig)

21

V.5 Leitender Isolator

Aufbau:

cS.l0 mm .........^-.,~

Gasbrenner feuerfeste Unterlage

. Glasstab

(0 mind. 5 mm)

220 v:

In diesem Versuch soll die elektrische Leitfähigkeit von Glas in Abhängigkeit von dessen Temperatur gezeigt werden.

Ein Stück Glasstab ist an den Enden mit Kuperdraht umwickelt, dieser darf sich natürlich nicht berühren. Es wird eine Spannung angelegt und mit dem Amperemeter die Stromstärke gemessen.

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Beobachtung:

Ab einer bestimmten Temperatur leitet das Glas den Strom.

Auswertung:

Die isolierenden Eigenschaften von Glas werden kurz unter der Schmelztemperatur aufgehoben. In der Schmelze leitet Glas am besten. Die Ladungsträger (hier Na+) können sich in der Schmelze frei bewegen und so die Ladung transportieren und den Stromkreis schließen.

Der Graph zeigt die Abhängigkeit des spezifischen elektrischen Widerstands in Abhängigkeit zur Temperatur.

Unterhalb von T^g gilt (Gesetz von Rasch und Hinrichsen) log p

=

T

A, B = spez. Konstanten p = spez. elektr. Widerstand T = Temperatur

16

log P ¹⁴

in ^ü cm

Transformations- bereich

200 300 400 600 800

Temperatur in "C

2^{.1_ _}--4.._---'-_ _~_-...L_""-..I--..L....-'----.

1S . so 100 .

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4. Glas im Labor

a) Glasgeräte

- z.B. Bechergläser, Rohre, Pipetten, Kolben

b) Analytik - Boraxperle

V. 6 Boraxperle

Borax (Na2B407) wird an ein Magnesiastäbchen in Form einer Perle angeschmolzen. Anschließend bringt man Metalloxide an die Perle an und schmilzt erneut in der Brennerflamme durch.

Beobachtung:

Die Perle färbt sich, bei Kupferoxid hellblau und bei Cobaltoxid dunkelblau.

Reaktionsgleichung :

Schmelze

Na2B407 + CuO

NaB02 + _CU(B02)2

c) Glaselektrode

Man setz die Glaselektrode für die pH-Messung ein.

Es handelt sich um eine Einstabmesskette, d.h. Bezugs- und Meßelektrode liegen in "einem Stab vor".

.----t-

+---+- aktiver Glasbereich

4 - - f - - - - + - KCI-Lsg (c=1mol/I)

M - - - Meßetektrode

(Ag/AgCI- Elektrode)

Bezugselektrode

(Ag/AgCI- Elektrode)

Puffer - Lsg

Lsg A

(unbekannter pH)L..- ^-..J

Die Bezugselektrode und die Meßelektrode sind identisch (Ag/AgCI - Elektroden).

::::;> keine Potentialdifferenz

Das verwendete Glas besteht aus 72 0,la Si02, 22 0,la Na20 und 6 ^% CaO.

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Vorbereitung der Glaselektrode

Die Glaselektrode muß mindestes 24 h in KCI - Lsg (c = 1 mol/I) gestanden haben. In dieser Zeit bilden sich die Quellschichten an der Glasoberfläche durch Austausch von Na+

- Ionen gegen H₃₀₊-Ionen aus.

Puffer-Lsg

•

Glasmembranwand

austauschende Quellschichten

Puffer-Lsg

H 0 + •

I 3

I

Na"

= Na:

• =H 0J '

Die im Versuch eingesetzte Glaselektrode hat als

austauschende Schicht ein Acrylamid-Gel mit funktionellen Gruppen wie RCOO - oder (ROhPOO-. Die Bezugselekrtrode

27

(NWE) und dieMeßelektrode (Ag/AgCI-Elektrode) sind nicht identisch, man muß die Potentialdifferenz beachten.

Herstellung der NWE

Iman füllt einen Tonzylinder, der zuvor 15 min in Salzsäure (c=

1 mol/l) getränkt wurde, zu % mit Salzsäure (c= 1 mol/l) und verschließt ihn mit einem Korkstoopfen, in dem sich eine

platinierte Platinelektrode befindet. Nun elektrolysiert man 5 min in einem Becherglas, welches mit Salzsäure (c= 1 mol/l) gefüllt ist, gegen eine Graphitelektrode. Die Platinelektrode wird mit dem negativen Pol, die Graphitelektrode mit dem positiven Pol einer Gleichspannungsquelle verbundne, der Elektrolysestrom beträgt 300 mA. An der Graphitelektrode sollte eine

gleichmäßige Gasentwicklung erkennbar sein.

Der gesamte Tonzylinder kann nun als Wasserstoffelektrode eingesetzt werden.

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Tonzylinder- - - F

HCI

c

=

Pt- Elektrode----t::r-~

_ _ _ Graphit- Elektrode

Anodenreaktion: 2 CI- _~ Cb

t

e

Kathodenreaktion: 2 H₃₀₊ + 2 e- _~ H₂

t

.2.9

V. 7a PotentialeinsteIlung

Die NWE wird in ein Becherglas mit Kaliumchlorid-lösung (c

=

1 mol/l) gestellt, in diese lösung taucht die Glaselektrode ein.

Das Potential stellt sich sofort ein und ist für 5 min ausreichend stabil.

Aufbau

NWE Gtas-

elektrode

Polyamid-

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Berechnung des theoretischen Potentials:

~E¹

=

Bezugselektrode = NWE

Meßelektrode

=

E = Eo+ 0,059 V .log [Ag+]

[Ag+] . [Cr] = ^KL da [Cr] = 1 molll [Ag+] = ^KL

Eo^(Ag+/Ag) = 0,80 V }

KL(AgCI) = 10-10mol/l

unter

Standardbedingungen

=> _~E1 = 0,80 V + 0,059 V . log [10-10] = 0,21 V

experimentell:

I ^{0,266 V} I

.31

v. 7b pH-Bestimmung

Man taucht die Glaselektrode in eine Lösung mit unbekanntem pH-Wert und errechnet aus der Differenz zum vorher

bestimmten Potential den pH-Wert.

Aufbau

NWE

KCI- Lsg c

= ¹

Salzbrücke Glas-

elektrode

LsgA Polyamid- gei

Es erfolgt ein erneuter Austausch von Na+-Ionen gegen H_30+- Ionen. An der Innenseiteherrschen aber konstante Verhältnisse vor. Der Ladungstransport wird mit einer .Stoßwirkunq" durch die Na+-Ionen erklärt.

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Berechnung des unbekannten pH-Wertes:

E = E

o ^{+ 0,059 V. log [H3}0 ) Puffer-Lsg

n [H30 ksgA

E = Eo⁺ 0,059 V . (pH(Lsg A) - pH(Puffer-Lsg))

=> _~E2

=

I 0,249 V 1

I 0,266 V 1+

I ^{0,249 V} I ⁼ I ^{0,266 V} 1-

1

0,278 V

=

4,7 I ⁼

Die Lösung hatte einen pH-Wert von 4,5.

33

5. Glasrekorde

Die größte Weinflasche der Welt Durchmesser 80 cm, Höhe 2,80 m, Fassungsvermögen 1200 I

Die größte Sanduhr der Welt Durchmesser 1 m, Höhe 5 m

Das größte Glasstück der Welt 8-Meter-Spiegel

Das größte Marmeladenglas Höhe 1,54 m, 98 kg schwer, Fassungsvermögen 1054 kg

Chemie in der Schule: www.chids.de 34

Literaturliste:

http://www.schott.com/german/

http://www.zum.de/Zentrale für Unterrichtsmedien im Internet e.V.

Ullman's Encyclopedia of Industrial Chemistry

Römpp Lexikon Chemie

http://www.kopfball-online.de/experimente/exp_index.phtml

Experimentelle Schulchemie, Bd. 2, Anorganische Chemie 111, Aulis Verlag, Köln, 1976

Chemische Schulexperimente; Bd. 3, Volk und Wissen, Volkseigener Verlag Berlin, 1986

Ost-Rassow: Lehrbuch der chemischen Technologie, Bd. 1,27. Aufl., Johann Ambrosius Barth Verlag, Leipzig, 1965

HollemannlWiberg, Lehrbuch der anorganischen Chemie, 101. Aufl.

35