1.1 Reinigung von Flüssigkeiten:

(1)

Seminar: Präparate 1

Seminar:

Präparate

(2)

1. Reinigung und Trennung von Verbindungen

1.1 Reinigung von Flüssigkeiten:

• Destillation

– Eine flüssige Stoffmischung wird verdampft

– Komponenten verflüchtigen sich in der Reihenfolge ihrer Siedepunkte

– Anschließende Kondensation

– Komponente mit dem niedrigeren Siedepunkt ist im Dampf

angereichert, diese Zusammensetzung der Gasphase bliebt im Kondensat erhalten

– Destilliert man das Kondensat erneut, wird eine weitere Auftrennung des Gemisches erreicht

 fraktionierte Destillation

(3)

(4)

– Zum schnellen Abdestillieren größerer Mengen an Lösemittel wird ein Rotationsverdampfer verwendet

– Der rotierende Destillationskolben verhindert zum einen Siedeverzug, zum anderen bildet sich ein dünner

Flüssigkeitsfilm, der rasch verdampft und sich ständig wieder erneuert

(5)

• Extaktion

– Herauslösen eines oder meherer Stoffe aus einem festen Gemisch oder einer Lösung – Gelöste Substanzen werden am einfachsten

durch Ausschütteln im Scheidetrichter extrahiert

– Dieser enthält die Lösung und ein damit nicht mischbares Extraktionsmittel.

– Die zu extrahierende Substanz verteilt sich beim Schütteln gemäß dem Nernstschen Verteilungsgesetz zwischen den beiden Phasen.

– Nach Trennen der Phasen und Trocknen wird das Extraktionsmittel verdampft

(6)

1.2 Reinigung von Feststoffen:

• Kristallisation

– die wichtigste Reinigungsmethode für Feststoffe

– die verunreinigte Substanz wird in der Wärme in einem geeigneten Lösemittel gelöst und heiß filtriert

– das Filtrat lässt man abkühlen, wobei die Substanz reiner auskristallisiert

– Das Lösemittel ist so zu wählen, dass

• es keine chemische Reaktion mit der Substanz eingeht

• möglichst leicht zu entfernen ist

• sein Siedepunkt 10-20°C unter dem Schmelzpunkt der Substanz liegt

(7)

• Sublimation

Feste Stoffe können manchmal durch Sublimation gereinigt werden.

Dabei geht die Substanz direkt vom festen in den gasförmigen

Zustand über und wird aus dem Dampf durch Abkühlen als Feststoff wieder abgeschieden.

(8)

2. Polymere

• Unterscheidung in

– Organische Polymere: Aufbau der Kette ausschließlich über Kohlenstoffatome

– Anorganische Polymere: Aufbau der Kette durch anorganische Elemente wie Aluminium, Bor, Silicium, Phosphor ...

Bsp.: Silicone

(9)

2.1. Organische Polymere Organische Polymere

• 2.1.1. Synthese:

• Polykondensation Definition:

Polykondensationen sind Reaktionen, bei denen Polykondensate entstehen. Sie verlaufen in Stufen und unter Abspaltung von

Nebenprodukten (normalerweise Wasser) Beispiel: (Poly)Esterbildung

(Reaktion einer Carbonsäure mit Alkohol)

(10)

• Polyaddition:

Definition:

Analoge Reaktion wie Polykondensation nur ohne Abspaltung eines Nebenprodukts, dafür Verschiebung von Atomen und

Elektronenpaaren Beispiel:

Polyurethane (Reaktion eines Dialkohols mit Diisocyanat)

(11)

• Radikalische Polymerisation:

(12)

• Kationische Polymerisation:

(13)

2.1.2. Struktur organischer Polymere

• Taktizität (griech. Taxis = Anordnung)

Aus der tetraedrischen Anordnung um das C-Atom ergibt sich eine gewinkelte Abfolge der Atome:

(14)

Aus dieser Zickzack-Anordnung ergeben sich drei Formen von Taktizität:

(15)

Folgen der Taktizität:

• Gleichmäßige Moleküle bilden leichter Kristalle

• Je kristalliner ein Kunststoff ist, desto härter und spröder ist er

Formbeständigkeit und Schmelzpunkt nehmen zu, da aufgrund der gleichmäßigeren Anordnung der Moleküle zwischenmolekulare

Kräfte besser wirken können.

(16)

• Copolymere

– Beeinflussung der Eigenschaften von Kunststoffen, indem man

verschiedene Kunststoffe mit unterschiedlichen Eigenschaften in einem einzigen Kunststoff vereint.

– Unterscheidung in:

(17)

• Vernetzung

Unvernetzte Kunststoffe werden schnell weich und schmelzen bei niedrigen Temperaturen.

Eine Vernetzung erhöht die Festigkeit der Bindungen der einzelnen Polymerstränge untereinander.

Vernetzung z.B durch

kovalente Bindungen

(18)

Einteilung von Kunststoffen in

• Thermoplasten,

– in der Regel kettenförmig und nur geringfügig vernetzt

– gehen in einem bestimmten Temperaturintervall von dem harten, festen, spröden Zustand in einen plastischen über

– sind daher mechanisch verformbar

• Elastomere

– weimaschig vernetzte Polymere

– Können bereits bei Raumtemperatur durch Einwirken einer äußeren Kraft stark gedehnt werden, gehen danach jedoch wieder in ihrer ursprüngliche Form zurück.

• Duroplasten

– sehr engmaschig verknüpft

– bei Raumtemperatur hart und spröde

– schmelzen auch bei erhöhter Temperatur nicht und sind somit nicht formbar, sondern zersetzen sich.

(19)

Kleine Auswahl von „bekannten“ Polymeren

• Polyethylen (PE)

aus Ethen

über radikalische Polymerisation Verwendung: Plastiküten, Eimer,

Gefrierbeutel, usw…

• Polystyrol

aus Styrol

über radikalische Polymerisation

C C

H H H

H

* C

C C

C

*

H H H H

H

H H H

n n

*

Ph

Ph Ph

Ph

*

n n

(20)

• Praktikumsversuch

Radikalische Polymerisation von Acrylsäure zu Polyacrylsäureester

C C

C OH O H

H H

Acrylsäure

H₂O₂ 2 HO

+

HO HO C

C C OH H O

H

H Start:

HO C

C C OH H O

H

C C

C OH O H

H H

HO C

C C

C OH

H H

HOOC H H H

H O Kettenaufbau

*

C C

H H

HOOC H

H H

HOOC

C H

H

C H

HOOC

*

H

n Polyacrysäure

(21)

• Neutralisation

• Teilvernetzung der Einzelstränge zu einem 3D-Netzwerk durch sog.

Crosslinker

C C

H H

HOOC H

H H

HOOC

C H

H

C H

HOOC

*

H

n Polyacrysäure

*

C C

H H

NaOOC H

H H

NaOOC

C H

H

C H

NaOOC

*

H

n Polyacrylat

NaOH

H₂C HC

C O

HN CH₂

HN C O

HC

CH₂

N,N-Methylenbisacrylamid (MBA)

(22)

• Verwendung von Polyacrylaten:

– Superabsorber

(23)

(24)

2.2. Anorganische Polymere

• 1. Polyphosphazene

– Enthalten das Strukturelement mit R = organische,

metallorganische oder anorganische Seitengruppe

– Dabei ist Wahl der Seitengruppe entscheidend für die chemische Funktion

– Synthese von Polyphosphazenen

PCl₅ + NH₃ oder NH₄Cl -HCl

N

P N

P N P Cl Cl

Cl Cl Cl

Cl

+

N

P

N P

N P N P Cl Cl

Cl Cl

+ (NPCl₂)₅ + höhere Oligomere

(25)

• Verwendung von Phosphazenen:

• Poly(fluoroalkoxy)phosphazene der allgemeinen Formel [NP(OCH₂CF₃) (OCH₂(CF₂)_mCF₂H)]_n sind lösungsmittelresistente Elastomere - Nutzung für Benzinleitungen, Dichtungsringe und andere gegen Kohlenwasserstoffe resistente Bauteile

• feuerfeste Polyphosphazene werden zur Imprägnierung von Textilfasern, für Hitze-, Strom- oder Schallisolatoren verwendet

• Hydrogele zur kontrollierten Freisetzung von Pharmaka

• Membranen

• Biomaterialien - Herzklappen, Blutgefäße, chirurgische Fäden, Kontaktlinsen

(26)

• Bornitrid

– α-BN ist isoelektronisch zu Graphit

– Die Strukturen ähnlich sich (hexagonal), jedoch liegen die Schichten beim BN direkt übereinander

– Im Gegensatz zum Graphit besitzt es gute isolatorische Eigenschaften, da es keine freien Elektronen besitzt

– Bei 1600 – 2000°C, 5-9 GPa wandelt es sich in das Kubische Bornitrid um.

Dieses kristalllierst im Diamantgitter und ist nach Diamant das härteste Material

(27)

• Synthese von Bornitrid

Erhitzen ortho-Borsäure mit Harnstoff (Quelle für NH₃) n B(OH)3 + n NH3 (BN)n + n H2O

• Verwendung von Bornitrid:

– Hexagonales Bornitrid wird als Festschmierstoff verwendet.

– Kubisches Bornitrid als Schneidewerkzeug und Schleifmittel

(28)

• Polysiloxane (Silicone)

– Enthalten das Strukturelement

mit R = organische Seitengruppen wie Methyl, Alkyl, Phenyl

– Synthese:

6 RCl + 3Si

RSiCl₃ + R₂SiCl₂ + R₃SiCl Rochow-

Synthese 300-400°C Cu-Kat

Hydrolyse

spontane Kondensation

R Si

O Si O R R R R

Si R

O O

RSi(OH)₃ + R₂Si(OH)₂ + R₃SiOH

(29)

Dabei dient

– das Silanol als Kettenendgruppe – das Silandiol als Kettenglied

– Das Silantriol als Verzweigungsstelle

• durch geeignete Mischung kann der Polymerisationsgrad eingestellt werden

• Je nach Mischungsverhältnis entstehen

– Siliconöle (flüssig): kettenförmige, nicht vernetzte Makromoleküle mit mäßiger Kettenlänge

– Siliconkautschuk (gummiartig): gering vernetzte Ketten – Siliconharze (fest, harzartig): stark vernetzte Siloxane

Si R R HO R

Si R R HO OH

Si OH R HO OH

(30)

• Anwendung von Silicon:

– Glas-/Keramikindustrie:Korrosionsschutz, Formentrennmittel, Hydrophobierungsmittel

– Textilindustrie: Faserhydrophobierung, Imprägnierung

– Papierindustrie: Trennmittel, Reduktion von elektrostatischer Aufladung – Bautenschutz: Verringerung der Benetzung, Frostschutz, Staub und

Schmutzabweisung

– Getränkeindustrie: Entschäumer, Glasvergütung – Gummindustrie: Formentrennmittel

– Landwirtschaft: kontrollierte Freisetzung von Chemikalien

– Elektroindustrie: elektrische Isolatoren, dielektrische Flüssigkeiten – Medizin: plastische Chirurgie (Prothesen,

Gesichtsrekonstruktionen),künstliche Organe, Röhren und Katheder, künstliche Haut,Kontaktlinsen

– Pharmazie: Bestandteil von Salbengrundlagen,

Hydrophobierungsmittel für Gläser, Arzneistoff, Arzneifreisetzungssysteme

(31)

3.Präparate

• 1. Silicate

– Salze der Kieselsäure, H4SiO4

– in Silicaten hat Silicium die CN=4 und ist tetraedrisch von Sauerstoff umgeben

– Die SiO4-Tetraeder sind nur über gemeinsame Ecken verknüpft, nicht über Kanten oder Flächen

– Die Einteilung der Silicate erfolgt nach der Anordnung der SiO4- Tetraeder:

• Inselsilicate:

– isolierte [SiO₄]^4- -Tetraeder, die durch Kationen miteinander verbunden sind

• Gruppensilicate:

– enthalten Doppeltetraeder [Si₂O₇]^6-

• Ringsilicate:

– Dreierringe [Si₃O₉]^6- ; – Viererringe [Si4O₁₂]^8- ; – Sechserringe [Si₆O₁₈]^12- ; – Achterringe [Si₈O₂₄]^16-

Si O O O O

(32)

• Kettensilicate:

– Tetraeder zu unendlichen Ketten oder Bänder verknüpft; Ketten ordnen sich paralell zueinander an

• Schichtsilicate:

– SiO₄-Tetraeder sind über drei Ecken mit den Nachbartetraedern verknüpft; es entstehen 2D unendliche Schichten

» Treten zwischen den Schichten nur Van-der-Waals-Kräfte auf, resultieren weiche Mineralien mit leicht gegeneinander verschiebbaren Schicht

(Talk)

» Werden die Schichten durch Kationen zusammengehalten, wächst die Härte, aber paralell zu den Schichten existiert gute Spaltbarkeit

(Glimmer)

• Gerüstsilicate:

– SiO₄-Tetraeder sind über alle Ecken verknüpft – Es entsteht ein dreidimensionales, lockeres Gerüst – Unterscheidung in

» Feldspate

» Zeoltihe

(33)

• Zeolithe

– kristalline, hydratisierte Alumosilicate Si⁴⁺ teilweise durch Al³⁺ ersetzt

– die überschüssige negative Ladung wird durch Alkali- und Erdalkalimetallionen ausgeglichen

– allg. Zusammensetzung von Zeolithe (Me⁺, Me²⁺0,5)x(AlO2)x(SiO2)y(H20)z

– in der Struktur existieren große Hohlräume, die durch kleinere Kanäle verbunden sind

– in den Hohlräumen befinden sich die Metallionen und H₂O-Moleküle – die Metallionen können leicht ausgetauscht werden, da sie nicht

festgebunden sind

– durch gezielte Synthese können Zeolithe mit unterschiedlich großen Hohlräumen und Kanälen hergestellt werden

(34)

• Struktur verschiedener Zeolithe

Struktur Durchmesser der Durchmesser der

Hohlräume Kanäle

Sodalith

660ppm 220ppm

Zeolith A

1140ppm 420ppm

Faujasit

1270ppm 720ppm

(35)

• Verwendung von Zeolith:

– Ionenaustauscher

z.B. Wasserenthärtung

In den Hohlräumen enthaltene Na⁺ - Ionen können durch Ca²⁺

ausgetauscht werden.

Na-Zeolith A erstetzt umweltschädliche Phosphate in Waschmitteln – Adsorption

da nur Moleküle adsorbiert werden können, die in die Kanäle passen, können Moleküle unterschiedlicher Größe getrennt werden

Molekularsiebe – Katalyse

auf der inneren Oberfläche können katalytisch aktive Zentren eingebaut werden (z.B. –COOH, Pd, Pt)

z. B Isomerisierung von n- zu iso-Paraffinen

(36)

• 2. Pigmente

– Pigmente sind feinteilige Farbträger, die in Löse- oder Bindemitteln praktisch unlöslich sind und somit als sehr kleine Kristalle vorliegen.

– Im Gegensatz zu den meist wasserlöslichen Farbstoffen sind Pigmente immer wasserunlöslich und liegen in Form von sehr kleinen Kristallen vor.

– Der Farbeindruck wird wesentlich durch Lichtstreuung an den

Pigmentteilchen beeinflusst. Je kleiner diese sind, um so höher ist die Farbstärke des Pigments. Die Farbstärke ist das Maß für die Fähigkeit eines Pigments, die Farbe eines anderen Stoffes zu verändern. Die optimale Kristallgröße liegt zwischen 0,5 und 2 Mikrometer.

– Beispiel:

Thenards Blau, Rinnmanns Grün

(37)

• 3. Gläser

– Gläser sind allgemein amorphe Festkörper, die aus einer Schmelz

durch Abkühlung ohne merkliche Kristallisation erstarren. Sie besitzen keine scharfen Erstarrungstemperaturen, sondern einen kontinuierlichen Transformationsbereich.

– Borsilicatglas ist ein Spezialglas der Zusammensetzung 70-80% SiO2

4- 8 % Na2O, K2O 7-13 % B2O3

2- 7 % Al2O3

– B2O3 bewirkt eine Erniedrigung des thermischen

Ausdehnungskoeffizienten, dadurch wird das Glas unempfindlicher gegenüber Temperaturdifferenzen.Außerdem erhöht chemische Resistenz gegen sauren Medien.

– Al2O3 verbessert Korrisionsverhalten und senkt die Sprödigkeit