Experimentalvortrag Anorganische Chemie

(1)

Experimentalvortrag Anorganische Chemie

Catharina Schmit

1. Juli 2009

(2)

GLIEDERUNG

Eigenschaften von Oberflächen:

•

Einfluss der Größe

•

Katalytische Eigenschaften

Optimierung von Oberflächen:

•

Superhydrophobe Oberflächen

•

Schutzschichten

•

Eloxal-Verfahren

(3)

VERSUCH 1 EISENWOLLE

Reaktivität der Oberfläche

(4)

AUSWERTUNG

Verwendeter Stoff:

• Eisenwolle (Fe

_(s)

)

• Elektrische Zündung der Eisenwolle durch Hitzeentwicklung beim Stromfluss

 ³⁺ ²⁺ ^-

Fe

(s)

2 Fe + Fe + 8 e Oxidation: 3



- 2-

2 g 2

O

_{( )}

+ e

2

O Reduktion: 2 8

 

±0 ±0 +2 -2 +3 -2

(s) 2(g)

FeO

2 3(s)

3 Fe + 2 O Fe O

Gesamt:

(5)

WIRKUNG DER GROSSEN OBERFLÄCH

• Durch größere Oberfläche besserer Luftzutrit zu den einzelnen Eisenfäden

 mehr Sauerstoff zur Verbrennung

 Reaktivität nimmt mit größerer Oberfläche zu

Schüth, F. ChiuZ, 2006, 40, 94.

(6)

VERSUCH 2

BÄRLAPPSPOREN

Veränderung der Reaktivität

(7)

AUSWERTUNG

Verwendeter Stoff:

• Bärlappsporen (Lycopodium)

Hoher Zerteilungsgrad:

Große Oberfläche bei kleinem Volumen Partikel entzünden sich schlagartig

Zündung bereits durch Funken möglich

htp://www.michls.de/img/0308109.jpg

(8)

WIRKUNG DER GROSSEN OBERFLÄCH

•

Lycopodium wurde

bereits im Mitelalter zu pyrotechnischen

Effekten verwendet

•

1979 Mehlstaubexplo- sion in der Bremer

Rolandmühle (14 Tote)

Nochmals erhöhte

Reaktivität durch feinverteilte Partikel

htp://mino-engineering.combite.info/Data/bilder/Staubexplosion_2.jpg.

(9)

VERSUCH 3 AKTIVKOHLE

Größe der Oberfläche

(10)

AUSWERTUNG

Verwendete Stoffe:

• Aktivkohle (C

_n(s)

)

• Rotwein (Anthocyane)

Adsorption der Farbstoffe des Weins

Aktivkohle ist mikrokristalliner, porenreicher Kohlenstoff

Große innere Oberfläche von bis zu 1000 m

²

/g

htp://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/9/97/Aktivkohlerp.jpg.

(11)

VERWENDUNG

• Porenradien von 10 bis 50 Å

• Kann bis zu 50% ihrer Masse an organischen Substanzen aufnehmen

Verwendung:

• Entfernen von Farbstoffen; Reinigen von Gasen

• Kohletableten in der Medizin

• Bestandteil des Schwarzpulvers

(12)

VERSUCH 4

PLATIN ALS KATALYSATOR

Katalytische Eigenschaften

(13)

AUSWERTUNG

Verwendete Stoffe:

• Platinspirale (Pt

_(s)

)

• Methanol (H

₃

COH

_(l)

) Katalytische Oxidation:

-2 ±0 ±0

<Pt >

3 (l) (g) (g)

C H OH   H C HO  + 2 H

±0 ±0 +1 -2

<Pt >

(g) 2(g) 2 (g)

4 H + O   2 H O 

-1

Δ H/kJ mol = - 156,3R 

(14)

AUSWERTUNG

Verbrennung:

-2 ±0 +4 -2 -2

455

2(g) Pt 2(g) (g)

3 (g) C 2

2 H C O H + 3 O

_ 

2 C O



+ 4 H O



^Pt   ² 

2(g) 2(g) (g)

(g) C

H C HO + O C O + H O

±0 ±0 +4 -2 -2

424

 ^-1

Δ H/kJ mol = - 675,7R

(15)

HETEROGENE KATALYSE

• Katalysator und Reaktanden liegen in unterschiedlichen Phasen vor

• Katalyse an der Oberfläche von Feststoffen

• Selektive Beschleunigung von Reaktionen

• Döbereiner Feuerzeug 1823

• Heute: 90% aller chemischen

Prozesse in der Industrie katalysiert

(16)

BESCHAFFENHEIT DER OBERFLÄCHE

•

Katalysatoroberfläche nicht glat, sondern mit Poren, Kanten und

Vertiefungen versehen

•

Je größer die

spezifische Oberfläche, desto aktiver ist der

Katalysator

•

Häufig Beschichtungen von Oberflächen mit kleinsten Partikeln

Aktive Stellen

Adsorption auf

Terrassen

Schüth, F. ChiuZ, 2006, 40, 94.

(17)

REAKTIONSSCHRITTE

1.Diffusion zum Katalysator

2.Adsorption auf Oberfläche

(Terrasse)

3.Diffusion zur aktiven Stelle

4.Reaktion

5.Desorption

(18)

BESCHAFFENHEIT DER OBERFLÄCHE

Nach 6 Minuten Nach 120 Minuten

Aktive Stellen: Spaltung von NO am Ruthenium-Katalysator

Ertl, G. Journ. Molec. Cat. A:Chemical, 182-183, 2002, 9. Ertl, G. Journ. Molec. Cat. A:Chemical, 182-183, 2002, 9.

(19)

DEMO 1

LOTUS-EFFEKT

Optimieren einer Eigenschaft

(20)

AUSWERTUNG

Verwendete Stoffe:

• Beschichtetes Stofftuch

• Wasser (H

₂

O

_(l)

)

(21)

GESCHICHTE DES LOTUS-EFFEKTS

• Selbstreinigung des Lotus-Blates bereits seit 2000 Jahren bekannt

• Erst ab den 1970er Jahren intensiver erforscht (Kapuzinerkresse)

• 1990 erstmalige technische Umsetzung des Effektes

• Darstellung einer optimierten Oberfläche

• Heute: Große Bedeutung in der

Materialwissenschaft

(22)

WORAUF BERUHT DER EFFEKT?

•

Geringe Benetzbarkeit der Oberfläche

•

Lotus-Effekt: hydrophobe und raue Oberfläche

-> superhydrophob

•

Lufteinschluss zwischen Oberfläche und Tropfen

•

Einnahme der Kugelform

(kleinste Oberfläche)

(23)

TROPFENFORM

Kohäsionskraft: Anziehung zwischen Molekülen der Flüssigkeit

Adhäsionskraft: Anziehung zwischen Flüssigkeit und Oberfläche

Lotus-Effekt: Kontaktwinkel von bis zu 170°

Fröba, M. ChiUZ, 2004, 38, 167.

(24)

WARUM SELBSTREINIGEND?

• Glate Oberfläche:

Schmutz und Tropfen haften relativ gut

• Raue Oberfläche:

Tropfen und Schmutz haften schlechter

• Tropfen kann

Schmutzpartikel aufnehmen

Fröba, M. ChiUZ, 2004, 38, 169.

(25)

EINSATZBEREICHE

• Bauindustrie (Fassadenfarbe, Dachziegel)

• Badfliesen

• selbstreinigende Gläser

• Kunststofffolien

• Beschichtungen von Outdoor-Kleidung

• Pharmaindustrie

• Kosmetik (Nagellack)

(26)

VERSUCH 5

NATRONWASSERGLAS

„Ausschalten“ einer Eigenschaft

(27)

AUSWERTUNG

Verwendete Stoffe:

• Natronwasserglas-Lösung (Na

₂

SiO

_3(aq)

; w = 0,35)

• Holz

Verbrennung Holz:







^-2



n(s) 2(g) 2(g)

C + n O n C O

±0 ±0 +4

(28)

AUSWERTUNG

htp://www2.hu-berlin.de/agrar/boden/EinfBoku/pcboku10.agrar.hu-berlin.de/cocoon/boku/silicat_keten.jpg.

Natronwasserglas-Lösung besteht aus Keten- Silicaten [SiO

^2-

]

„Verbrennung“ mit Natronwasserglas-Lösung:

• Silicatschicht erschwert Luftzutrit

• Kristallwasser verdampft

• Hitzebeständiger Wasserglasschaum entsteht

(29)

VERSUCH 6

PHOSPHATIEREN EINES EISENNAGELS

„Ausschalten“ einer Eigenschaft

(30)

AUSWERTUNG

Verwendete Stoffe:

• Zink-Pulver (Zn

_(s)

)

• Phosphorsäure (H

₃

PO

_4(aq)

; w = 0,85)

• Eisennagel (Fe

_(s)

)

Hopeit

( )

+1 ±0 +2 ±0

3 4 aq (s) 2 4 2(aq) 2(g)

2 H PO + Zn  Zn(H PO ) + H 

( )

- 2+ +

2 4 (aq) (aq) 2 (l) 3 4 2 2 (s) aq

2 (H PO ) + 3 Zn + 4 H O    Zn (PO ) 4 H O  + 4H

(31)

AUSWERTUNG

Phosphophylit

• Erzeugung einer nichtmetallischen anorganischen Schutzschicht

• Hitzebeständig bis ca. 200°C

( )s ⁺(aq)  ²⁺(aq) 2(g) 

2 Fe + 4 H^±0 2 Fe + 2 H^±0

( )

2+ 2+ - +

(aq) (aq) 2 4 (aq) 2 (l) 2 4 2 2 (s) aq

Fe + 2 Zn + 2 (H PO ) + 4 H O    Zn Fe(PO ) 4 H O  + 4 H

(32)

ANWENDUNG

• Korrosionsschutz für Werkstoffe wie z. B. Stahl

• Kein dauerhafter Korrosionsschutz, aber v. a.

in der Autoindustrie zur Grundierung vor der Lackierung eingesetzt

 Unerwünschte Eigenschaft „ausgeschaltet“

htps://www.fh-muenster.de/fb3/downloads/werkstofftechnik/

(33)

NACHWEIS

Verwendete Stoffe:

• Kaliumhexacyanoferrat(III) (K

₃

[Fe(CN)

₆

]

_(aq)

; w = 0,01)

• Natriumchlorid (NaCl

_(aq)

; w = 0,006)

• Eisennagel (Fe

_(s)

)

2+ +

(aq) 3 6 (aq) 3 6 2(s) (aq)

3 Fe + 2 K [Fe(CN) ]  Fe [Fe(CN) ]  + 6 K

Berliner Blau

(34)

DEMO 2

ELOXAL-VERFAHREN

Schützen einer Oberfläche

(35)

AUSWERTUNG

Verwendete Stoffe:

• Aluminiumblech (Al

_(s)

)

• Natronlauge (NaOH

_(aq)

; w = 0,15)

• Salpetersäure (HNO

_3(aq)

; w = 0,2)

• Schwefelsäure (H

₂

SO

_{4 (aq)}

; w = 0,15)

• Aluminiumkathode (Al

_(s)

)

(36)

AUSWERTUNG

1) Beize

2) Säurebeize

 

^-

-

3(s) (aq) 4 (aq)

Al(OH) + OH



Al(OH)

±0 +1 +3 ±0

(s) 2 (l) 3(s) 2(g)

2 Al + 6 H O   2 Al(OH) + 3 H 

- -

3(aq) (aq) 2 (l) 3 (aq)

HNO + OH   H O + NO

(37)

ELOXAL-VERFAHREN

3) Elektrolytische Oxidation von Aluminium (ca. 30 Minuten bei 0,5 A und 10 V)

+1 ±0 +1

Kathode : 6 H O³ ⁺_(aq) + 6 e ^-  3 H^2(g)  + 6 H O² _(l)

±0

Anode : 2 Al^(s)  2 Al³⁺_(aq) + 6 e^-

3+ +

(aq) 2 (l) 3(s) (aq)

2 Al + 6 H O  2 Al(OH) + 6 H

3(s) 2 3(s) 2 (l)

2 Al(OH)  Al O + 3 H O

(38)

MODELL DES ELOXAL-VERFAHRENS

I: Aluminium geht in Lösung; es bildet sich eine Al₂O₃-Schicht

II: Unregelmäßigkeiten auf der Oxidoberfläche III: Poren bilden sich aus; Ausbildung der Sperrschicht

IV: Gleichmäßige Ausbildung der Poren V: Poren wachsen weiter an

Sperrschicht wandert immer tiefer in das Aluminium

Fröba, M. ChiUZ, 2004, 38, 166.

(39)

ERZEUGTE OBERFLÄCHE

Fröba, M. ChiUZ, 2004, 38, 166.

•

Oxidschicht kann bis zu mehreren hundert µm dick werden

•

Poren wachsen senkrecht zur

Aluminiumschicht

•

Parallele Ausrichtung

•

Zylindrische Form

(40)

VERSUCH 7

FÄRBEN DES WERKSTÜCKS

Färben einer Oberfläche

(41)

AUSWERTUNG

Verwendete Stoffe:

• Natriumacetat (CH

₃

COONa

_(aq)

; w = 0,01)

• Eisessig (CH

₃

COOH

_(l)

)

• Eosin (w = 0,005)

pH-Wert der Lösung: pH 5,8

O

Br O Br

Br O

Br

OOC Na

Na

(42)

AUSWERTUNG

a: Adsorptives Verfahren: Organische Farbstoffe lagern sich im Bereich der Porenöffnungen ein

b: Elektrochemisches Verfahren: Metallpigmente lagern sich im Poreninneren ein

c: Kombination aus a und b

Fröba, M. ChiUZ, 2004, 38, 167.

(43)

SCHULRELEVANZ

• Oxidbildung: Klasse 7 (V1)

• Elektrolyse: Klasse 8, 10 und 12 (D2)

• Redoxreaktionen: Klasse 10 (V1, V6, D2)

• Metalle als Werkstoffe: Klasse 10 und 12 (V6, D2)

• Katalyse: Klasse 12 (V4)

• Zerteilungsgrad: Klasse 12 (V2)

• Korrosionsschutz: Klasse 12 (V6)

• Silicate: Klasse 12 (V5)

(44)

DEMO 3

VERDICHTEN DES WERKSTÜCKS

Färben einer Oberfläche

(45)

AUSWERTUNG

Verwendete Stoffe:

• Ammoniumacetat (CH

₃

COONH

_{4 (aq)}

; w = 0,01)

• Eisessig (CH

₃

COOH

_(l)

)

pH-Wert der Lösung: pH 6

Werkstück für 30 Minuten in kochender Lösung

(46)

AUSWERTUNG

100°C

2 3(s) 2 (l) 3(s)

Al O + 3 H O  2 α - Al(OH) 

100°C

3(s) 2 (l) (s) 2 (l)

α - Al(OH) + H O  γ - AlO(OH)  + 2 H O

(47)

LITERATUR

Briehl, H., Chemie der Werkstoffe, B.G. Teubner, Stutgart, 1995, 143-146.

Hollemann, A. F., Wiberg, E. und N., Lehrbuch der Anorganischen Chemie, 102. Auflage, Walter de Gruyter, Berlin, 2007.

Mortimer, Ch. E., Müller, U., Chemie – Das Basiswissen der Chemie, 8. Auflage, Thieme, Stutgart, 2003.

Roesky, H. W., Möckel, K., Chemische Kabinettstücke, Wiley-VCH, Weinheim, 1994, S. 234-235.

Battino, R., Letcher, Rivet, D. E. A., Krause, P. Journal of Chemical Education, 1993, 70, 1029-1030.

Ertl, G. Journal of Molecular Catalysis. A: Chemical, 182-183, 2002, 5-16.

Fröba, M, Scheld, W., Gath, C., Hoffmann, F. Chemie in unserer Zeit, 2004, 38, 162-171.

Gorst, I., Sieve, B., Pfeifer, P. Naturwissenschaften im Unterricht – Chemie, 2009, 109, 14-17.

Schüth, F. Chemie in unserer Zeit, 2006, 40, 92-103.

Sieve, B. Naturwissenschaften im Unterricht – Chemie, 2009, 109, 11-13.

Sieve, B. Naturwissenschaften im Unterricht – Chemie, 2009, 109, 24-29.

htp://www.chemie.uni-erlangen.de/Zaubervorlesung/weisswein.html (letzter Zugriff: 04.05.2009, 19.31 Uhr).

htp://netexperimente.de/chemie/44.html (letzter Zugriff: 04.05.2009, 19.37 Uhr).

htp://www.chemie.uni-ulm.de/experiment/edm0798.html (letzter Zugriff: 04.05.2009, 19.48 Uhr).

htp://www.uni-siegen.de/fb8/chemiedidaktik/dokumente/wvmat/protokoll_ vom_25.05.2009_- _gruppe_d.pdf?m=e (letzter Zugriff: 28.06.2009, 21.03 Uhr).

htps://lp.uni-goettingen.de/get/text/2570 (letzter Zugriff: 28.06.2009, 21.53 Uhr).