Herstellung und Analytik Glas

(1)

Glas

Herstellung und Analytik

AC-Experimentalvortrag von Sarah Magull am 06.06.2018

In Zusammenarbeit mit dem Institut für Glas- und Rohstoffforschung in Göttingen

Was ist Glas? / Glasherstellung / Glasfärbung / Analyse verschiedener Glassorten / Spezialglas

(2)

Was ist Glas?

Definition nach DIN 1259:

„Glas ist ein anorganisches Schmelzprodukt, das im Wesentlichen ohne Kristallisation erstarrt.“ ^[1]

Gustav Tammann (1861-1938):

„Der Glaszustand ist der eingefrorene Zustand einer unterkühlten Flüssigkeit, die ohne zu kristallisieren erstarrt ist.“ ^[1]

Was ist Glas? / Glasherstellung / Glasfärbung / Analyse verschiedener Glassorten / Spezialglas 2

(3)

Rohstoffe und ihre Funktion ^[2]

3

Rohstoff Wirksamer Bestandteil im Glas

Funktion

Quarz, SiO

₂

SiO

₂

Netzwerkbildner

Borsäure, H

₃

BO

₃

B

₂

O

₃

Salze der Phosphorsäure,

z.B. CaHPO

₄

*2 H

₂

O

P

₂

O

₅

Soda, Na

₂

CO

₃

Na

₂

O Netzwerkwandler

Kalk, CaCO

₃

CaO

Pottasche, K

₂

CO

₃

K

₂

O

Mennige, Pb

₃

O

₄

PbO Netzwerkbildner und

Netzwerkwandler

Zinkoxid, ZnO ZnO

Kalifeldspat, KAlSi

₃

O

₈

Al

₂

O

₃

Was ist Glas? / Glasherstellung / Glasfärbung / Analyse verschiedener Glassorten / Spezialglas

Rohstoff- mischung

=

Gemenge

Tab. 1: Wichtige Glasrohstoffe und ihre Funktion

(4)

Glasstrukturen – nach Zachariasen und Warren ^[3]

Quarzglas Alkali-Silikat-Glas

Was ist Glas? / Glasherstellung / Glasfärbung / Analyse verschiedener Glassorten / Spezialglas 4

Abb. 1:

a) Geordnete [SiO

₄

]-Tetraeder in kristalliner Kieselsäure

b) Ungeordnete Vernetzung von [SiO

₄

]- Bausteinen in Quarzglas

Abb. 2:

Mögliche Anordnung

in einem Natrium-Silikat-Glas

(5)

DV1: Entglasen

5

Erklärung:

^[4]

• Kristallisation durch längerfristiges Temperieren

Bildung von Kristallisationskeimen Kristallwachstum über Jahre

Was ist Glas? / Glasherstellung / Glasfärbung / Analyse verschiedener Glassorten / Spezialglas

Der kristalline Zustand ist energetisch günstiger!

Abb. 3: Entglastes Glas unter dem Mikroskop mit 15-facher Vergrößerung

Kristallisationskeime Vergleichsfläche

(6)

Industrielle Glasproduktion ^[5]

Was ist Glas? / Glasherstellung / Glasfärbung / Analyse verschiedener Glassorten / Spezialglas 6

Abb. 4: Industrielle Glasproduktion, Schulbuch-Darstellung

(7)

Glasherstellung in der Schule

a) DV2: niedrigschmelzendes Glas im Simon-Müller-Ofen herstellen

Durchführung:

^[6]

1. 2. 3.

Was ist Glas? / Glasherstellung / Glasfärbung / Analyse verschiedener Glassorten / Spezialglas 7 min.

800 °C

Gemenge

einfüllen Mit Deckel

30 min

> 10 min

abkühlen lassen!

Simon-Müller-Ofen vorgewärmter

Tiegel

Graphittiegel auf Ceranplatte

Abb. 5: Herstellung von niedrigschmelzendem Glas im Simon-Müller-Ofen

(8)

Glasherstellung in der Schule

a) DV2: niedrigschmelzendes Glas im Simon-Müller-Ofen herstellen

Vorteile Nachteile

Rohstoffe aus Glasindustrie Borsäure als

Hauptbestandteil statt Quarzsand

resistentes Glas Tiegelreinigung Produktionsschritte

erkennbar

langwierig,

unschöne Qualität

Abb. 6: niedrigschmelzendes Glas im Tiegel

Tab. 2: Beurteilung von DV2

(9)

Glasherstellung in der Schule

Durchführung:

^[7]

1. 2. 3.

b) V1: Natriumpolyphosphatglas

Tiegel halb gefüllt mit Natriumpolyphosphat

> 10 min warten!

Graphittiegel auf Ceranplatte

Abb. 7: Herstellung von Natriumpolyphosphatglas

(10)

Glasherstellung in der Schule

Auswertung:

^[7]

• Glasbildung durch:

1. Polyphosphat als Netzwerkbildner 2. Natriumoxid als Netzwerkwandler

3. Schmelzpunkt von Natriumpolyphosphat: 628 °C

• Hohe Kühlspannung! Splittergefahr!

• Glas ist wasserlöslich!

b) V1: Natriumpolyphosphatglas

Abb. 8:

Natriumpolyphosphatglas

(11)

Glasstruktur – Natriumpolyphosphatglas

3D-Netzstruktur

10 % ^[8]

lineare Polyphosphate

90 % ^[8]

cyclische +

Oligophosphate

∆

(12)

Glasfärbung

a) DV3: mit Metalloxiden ^[9]

• meist Nebengruppenelementsalze

• im Glas ähnliche Farbe wie in wässriger Lösung

• je nach Konzentration unterschiedlich intensive Farbe

Was ist Glas? / Glasherstellung / Glasfärbung/ Analyse verschiedener Glassorten / Spezialglas 12

Abb. 9: Kupferglas

hohe Kupferkonzentration niedrige Kupferkonzentration Abb. 10: Kobaltglas

Abb. 11: Mangan(II)glas

Abb. 12: Nickelglas

(13)

Glasfärbung

b) V2: mit Glastinten ^[10]

Durchführung:

1. 2. 3.

Aktivkohle

Wasserglaslösung Vermischen!

gereinigte Glasplatte

Abb. 13: Herstellung von Glastinte

(14)

Glasfärbung

b) V2: mit Glastinten

Auswertung:

+4 -2 +1 -2 +1 +1 +4 -2 +1 -2

[Si

₂

O

₇

]

^6-_(aq)

+ 8 Na

⁺_(aq)

+ 2 OH

^-_(aq)

2 Na

₄

SiO

_4(s)

+ H

₂

O farbloser Feststoff

• Aktivkohle wird in der Wasserglaslösung eingeschlossen

• Entfernbar durch heißes Wasser oder abschleifen

• ACHTUNG: Kontakt mit Haut, Kleidung oder Oberflächen vermeiden!

Abb. 14: Glasstück mit schwarzer Tinte

(15)

Glasfärbung

c) als Anlauffärbung: ^[11]

• Verwendung von Edelmetallsalzen

• Reduktion beim Schmelzvorgang

• Nachträgliches erwärmen kolloidal gelöste Nanokristalle

(16)

Analytik - Farbspektren

Abb. 15: Spektrometer Abb. 16: Innenkammer

(17)

Analytik - Farbspektren

Lichtquelle

Abb. 17: Aufbau eines Spektrometers

Prisma Küvette/Probe

(18)

Analytik – Farbspektren: Berechnung

Lambert-Beersches-Gesetz:

Transmission in %[13]: 𝑇 = 𝐼 𝐼

₀

Absorption in %

^[12]

: 𝐴 = 𝜀 ∗ 𝑑 ∗ 𝑐 Zusammenhang

^[13]

: 𝐴 = 1 − 𝑇

I: Intensität der Strahlung nach der Probe I

₀

: Anfangsintensität der Strahlung

T: Transmission bei einer Wellenlänge

A: Absorption bei einer Wellenlänge 𝜀: spezifische Stoffkonstante

d: Schichtdicke

c: Konzentration der absorbierende Substanz

(19)

Analytik – DV4: Farbspektren

Abb. 19: Transmissionsspektrum verschiedener Glassorten

0,0%

10,0%

20,0%

30,0%

40,0%

50,0%

60,0%

70,0%

80,0%

90,0%

100,0%

190 215 240 265 290 315 340 365 390 415 440 465 490 515 540 565 590 615 640 665 690 715 740 765 790 815 840 865 890 915 940 965 990 1015 1040 1065 1090

Transmission[%]

Wellenlänge [nm]

Transmissionsspektrum verschiedener Glassorten

Quarzglas

Kalk-Natron-Glas Boro-Silikat-Glas

(20)

Analytik – DV4: Farbspektren

Abb. 20: Transmissionsspektrum von Natriumpolyphosphat-Buntglas Abb. 21: Buntglas

0,0%

10,0%

20,0%

30,0%

40,0%

50,0%

60,0%

70,0%

80,0%

90,0%

100,0%

190 215 240 265 290 315 340 365 390 415 440 465 490 515 540 565 590 615 640 665 690 715 740 765 790 815 840 865 890 915 940 965 990 1015 1040 1065 1090

Transmission[%]

Transmissionsspektrum Buntglas

Nickelglas Kupferglas Weißglas Kobaltglas

Kupferglas hohe Cu(II)-Konz.

(21)

Analytik – DV4: Farbspektren

Abb. 23: Strukturformel von Dimethylphthalat

O O

CH₃

Abb. 22: Transmissionsspektrum von Glastinte auf Kalk-Natron-Glas

Abb. 24: Glasstücke mit Tinte

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

190 220 250 280 310 340 370 400 430 460 490 520 550 580 610 640 670 700 730 760 790 820 850 880 910 940 970 1000 1030 1060 1090

Transmission[%]

Transmissionsspektrum Glastinte

Vergleichsstück, DMP

Glastinte, schwarz,Luft

Glastinte, dick, weiß, Luft

Glastinte, dünn, weiß, Luft

Glastinte, schwarz, DMP

(22)

Analytik - Dichtebestimmung:

a) DV5: Sinkmethode

Küvette mit:

Tetrabromethan und

Bromnaphthalin

nicht schultauglich!

Was ist Glas? / Glasherstellung / Glasfärbung / Analyse verschiedener Glassorten / Spezialglas 22 BrBr

Br H H

Br _Br

Abb. 25: Dichteanlage für Sinkmethode

(23)

Analytik - Dichtebestimmung

b) V3: Pyknometer-Methode

Dichtebestimmung von Flüssigkeiten

• Durchführung:

mit Wasser gefüllt

1. Volumenbestimmung:

Leergewicht: m

_leer

= 57,827 g Masse mit Wasser: m

_mW

= 157,179 g Messtemperatur: T

_VMess

= 20 °C

Abb. 26: Pyknometer

(24)

Analytik - Dichtebestimmung

b) V3: Pyknometer-Methode

• Durchführung:

2. Bestimmung der Glasdichte

Masse Glasgrieß: m

_Glas

Masse mit Glasgrieß und Wasser: m

_Gesamt

Messtemperatur: T

_GMess

mit Wasser und Glasgrieß gefüllt

Abb. 26: Pyknometer

(25)

Analytik - Dichtebestimmung

b) V3: Pyknometer-Methode

Tab. 3: Dichte 𝜌

_W

(T) von Wasser in Abhängigkeit zur

Temperatur

^[14]

T in °C ρ in g/cm

³

18 0,999

19 0,998

20 0,998

21 0,998

22 0,998

23 0,998

24 0,997

1. Volumenbestimmung:

Leergewicht: m

_leer

= 57,827 g Masse mit Wasser: m

_mW

= 157,179 g Messtemperatur: T

_VMess

= 20 °C

2. Bestimmung der Glasdichte

Masse Glasgrieß: m

_Glas

Gesamtmasse: m

_Gesamt

Messtemperatur: T

_GMess

Auswertung über: 𝑉 = ^𝑚

𝜌

(26)

Analytik - Dichtebestimmung

Auswertung:

Glassorte Dichte mit Sinkmethode Dichte mit Pyknometer- Methode

Boro-Silikat-Glas 2,230 g/cm

³

2,230 g/cm

³

Kalk-Natron-Glas 2,501 g/cm

³

2,500 g/cm

³

Tab. 4: Vergleich der Methoden zur Dichtebestimmung

(27)

Analytik – V4: Bestimmung des Protolysegrads

Durchführung:

1. 2. 3. 4.

1. Blindprobe

2. Kalk-Natron-Glas 3. Boro-Silikat-Glas 4. Wasserglaslösung

Abb. 27: Aufbau zur Bestimmung des Protolysegrads

(28)

Analytik – V4: Bestimmung des Protolysegrads

Durchführung:

^[15]

1. 2.

Was ist Glas? / Glasherstellung / Glasfärbung / Analyse verschiedener Glassorten / Spezialglas 28 1. 2. 3. 4.

entmineralisiertes

1. 2. 3. 4.

Wasser 6 Tropfen

Universalindikator

Abb. 28: Durchführung der Bestimmung des Protolysegrads

(29)

Analytik – V4: Bestimmung des Protolysegrads

Beobachtung:

• Alkaliionen-haltige Gläser reagieren alkalisch

Abb. 30: Bestimmung des Protolysegrads

Abb. 29: Skala des Universalindikators

^[20]

(30)

Analytik – V4: Bestimmung des Protolysegrads

Auswertung:

Beispiel Wasserglas

+1 +4 -2 +1 -2 +1 +1 +1 +4 -2 -2 +1

Schulbuch

^[15]

: Na

₄

SiO

_4(s)

+ H

₂

O Na

⁺_(aq)

+ Na

₃

HSiO

_4(aq)

+ OH

^-_(aq)

+1 +4 -2 +1 -2 +4 -2 +1 -2 +1

Universität

^[11]

: 2 Na

₄

SiO

_4(s)

+ H

₂

O [Si

₂

O

₇

]

^6-_(aq)

+ 8 Na

⁺_(aq)

+ 2 OH

^-_(aq)

(31)

Ausblick - Spezialglas

• DV6: Milchglas ^[16]

• Trübungsmittel: Calciumphosphat (Ca ₃ (PO ₄ ) ₂ )

• Ursache: Bildung von unlöslichem Calciummetaphosphat (Ca(PO ₃ ) ₂ ) scheidet sich in Tröpfchen ab

verändert Lichtbrechung

• funktioniert nicht in Phosphatgläsern

Abb. 30: Produkt des Versuches

(32)

Ausblick - Spezialglas

• DV7: phototropes / solarisierbares Glas ^[17]

enthält Silberhalogenide selbsttönendes Glas

+1 -1 +1 -1 0 +2 -1

AgCl _(solv) + CuCl _(solv) Ag _(s) + CuCl _2(solv)

Abb. 31: Schmelze des phototropen Glases

Abb. 32: selbstgemachtes phototropes Glas

(33)

Schulrelevanz ^{[18], [19]}

33

Versuch Inhaltsfelder im Kerncurriculum

Glasherstellung: DV2, V1 „Der Mix macht‘s“ – Eigenschaften von Stoffgemischen (Sek. 1)

„Schatzkiste der Natur – Chemie in Alltag und Technik“ – Umgang mit Ressourcen (Sek. 1)

Glasfärbung: DV3, V2 Farbstoffe / Farbigkeit (Q4) Farbspektren: DV4 Spektroskopie (Q4)

Dichtebestimmung: DV5, V3 „Welt der Stoffe“ – Nachweis von Stoffeigenschaften (Sek. 1) Protolysegrad: V4 Protolysereaktionen (E)

solarisierbares Glas: DV7 Redoxreaktionen (E)

Tab. 5: Schulrelevanz des Themengebietes Glas

(34)

Gefahren in der Schule

• Schnittgefahr an Scherben

• Heißes Glas sieht aus wie kaltes Glas!

• Lackieren von Natriumpolyphosphatglas Konservierung

Einschließung der Schwermetallionen in Farbglas

• besondere Vorsicht beim Umgang mit Wasserglaslösung

34

Abb. 33: Erste-Hilfe-Kasten des

AC-Praktikums

(35)

Quellenverzeichnis

[1] URL: https://www.baunetzwissen.de/glas/fachwissen/materialeigenschaften/definition-von-glas-159077, abgerufen am 15.05.2018.

[2] Lange, 1980: Rohstoffe der Glasindustrie. 1. Auflage. Leipzig. S. 14 –16.

[3] Vogel W., 1992: Gals Chemie. 3. Auflage. Berlin Heidelberg. S. 51.

[4] Fröhler, A, 2005: Lexikon für Glas und Glasprodukte. Schorndorf. S. 363.

[5] Frühauf, D.; Tegen, H., 2007: Blickpunkt Chemie. Neubearbeitung. Braunschweig. S. 227.

[6] Lüthje, Gall, Reuber, 1975: Lehrbuch der Chemie, Sekundarstufe 1. 1. Auflage. Diesterweg Salle. S. 15.

[7] Wurm, D.; Woest, V., 2003: Einfache Experimente zum Thema Glas.CHEMKON/10.Jahrg./Nr. 3. Weinheim. S. 131 –134.

[8] Hollemann/Wiberg, 2007: Lehrbuch der anorganischen Chemie. 102.Auflage. Berlin. S. 782 –783.

[9] Vogel W., 1992: Gals Chemie. 3. Auflage. Berlin Heidelberg. S. 255 –304.

[10] Raat, H, 1990:Chemie des Alltags. Ein Lexikon der praktischen Chemie. 27. verbesserte Auflage. Freiburg im Breisgau. S. 243.

[11] Neumüller, B., 2016: Seminar zum AC1-Praktikum für Lehramtsstudierende. Eigene Mitschrift. Marburg. Erste Woche.

[12] Lange, 1980: Rohstoffe der Glasindustrie. 1. Auflage. Leipzig. S. 8.

[13] Atkins, P.; de Paula, J., 2013: Physikalische Chemie. 5. Auflage. Weinheim. S.514 –515.

[14] URL: https://www.internetchemie.info/chemie-lexikon/daten/w/wasser-dichtetabelle.php, abgerufen am 02.06.2018.

[15] Keune, H.; Boeck, H., 1998: Chemische Schulexperimente. 1. Auflage. Berlin. S. 112.

[18] Hessisches Kultusministerium, 2016: Bildungsstandards und Inhaltsfelder. Das neue Kerncurriculum für Hessen. Sekundarstufe I –Gymnasium. Chemie.Wiesbaden. S. 22 –27.

[19] Hessisches Kultusministerium, 2016: Kerncurriculum gymnasiale Oberstufe. Chemie.Wiesbaden. S. 25 –42.

[20] Rickelt, E.: AC-Praktikum.

35

(36)

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

Haben Sie noch Fragen oder Anmerkungen?

36

Herstellung und Analytik Glas

Glas