KOLLOID DISPERSE SYSTEME

(1)

KOLLOID DISPERSE SYSTEME

Vom Gold

zum Geld machen

17.06.2009 Experimentalvortrag von David Zindel

(2)

1 GLIEDERUNG

2



1 Gliederung



2 Definition kolloid disperser Systeme



3 Solid/Liquid - System



4 Gas/Solid - System



5 Liquid/Gas - System



6 Liquid/Solid - System



7 Einordnung in den Lehrplan



8 Literatur

(3)

2 DEFINITION KOLLOID DISPERSER SYSTEME

3



Kolloide sind Partikel im Bereich zwischen 1 und 1000 nm.



Diese Partikel können fest, flüssig oder gasförmig sein und werden auch als disperse Phase bezeichnet.



Die Kolloide befinden sich gleichmäßig verteilt in einem Dispersionsmittel, dieses kann fest, flüssig oder

gasförmig sein.



Kolloide werden in drei Klassen unterteilt:

Dispersionskolloide: Zerteilungsform der Materie Molekülkolloide: Makromoleküle (10³– 10⁹ Atome)

Assoziationskolloide (Micellkolloide): selbstorganisierte Systeme, Bsp: Seifen und andere Tenside

(4)

2 DEFINITION KOLLOID DISPERSER SYSTEME

4

disperse

Phase Dispersions-

mittel Bezeichnun

g Beispiele

flüssig gasförmig Flüssige Aerosole

Nebel

fest gasförmig Feste

Aerosole Rauch, Staub

gasförmig flüssig Schaum Seifenschau

m

flüssig flüssig Emulsion Milch,

Kosmetika

fest flüssig Sol (Gel) Farben, Lacke

gasförmig fest Fester

Schaum

Gasbeton

flüssig fest Feste

Emulsion Opal, Perlen

fest fest Feste Sole Goldrubinglas

(5)

3 SOLID/LIQUID - SYSTEM

5



Versuch 1: Kolloidales Gold Ausgangsstoffe:

- Tetrachlorgoldsäure HAuCl

₄ ^C

- Natriumcarbonat Na

₂

CO

₃

^Xi

- Natriumcitrat C

₆

H

₈

O

₇

(6)

3 SOLID/LIQUID - SYSTEM

6



Auswertung

-OOC C COO-

O

H COO-

T -

OOC COO-

O

+

^CO²

[AuCl₄]^-

+3

+1 +2

+4

3 2

3

2 Au

+

+3

0

+

^{3 H}⁺

+

^{8 Cl}^-

3

-OOC COO-

O - CO₂

-OOC

CH₃ O

H₃O⁺

H₂O

H₃O⁺

Acetondicarboxylat ß-Keto-Butanoat

-2 - 2

+3 +3

+

+3 -2

+4

-3

C

CH₃

O O H O ⁺³

-2 -3

H₂O

+

ß-koto-Butansäure

(7)

3 SOLID/LIQUID - SYSTEM

7



Auswertung

- CO₂ O

Aceton +4

-3 -3

+3 -2 -3

C

CH₃

O O H O ⁺³

-2 -3

ß-koto-Butansäure

-2 -3

C

H₂ CH₃

O H

Enol

Keto-Enol-Tautomerie

++ Au + + ++++

+ + + Au ++

+ ++

+ +

-OOC COO-

O

H COO-

Citrate^3- Citrate^3- Citrate^3- Citrate^3-

+ + + + + +

4

(8)

3 SOLID/LIQUID - SYSTEM

8



Die Farbigkeit der Goldkolloide beruht darauf, dass bestimmte Wellenlängen des sichtbaren Lichts durch die Kolloide absorbiert werden.

Abb.: Farbkreis,

aus:http://www.rechtsklick.org /alt/online_lesen/Jahresarbeit _Komplett-img3.png

(9)

3 SOLID/LIQUID - SYSTEM

9



Einsatz in Kirchenfenstern



Verwendung in Katalysatoren

Abb. Kirchenfenster der Kathedrale von Sevilla , aus:

http://www.geo-reisecommunity.de/bild/regular/140601/Sevilla- Kathedrale.jpg

(10)

3 SOLID/LIQUID - SYSTEM

10



Versuch 2: Kolloidales Kupfer Ausgangsstoffe:

- Kupfer Cu

- Natriumchlorid NaCl

- ention. Wasser H

₂

O

(11)

3 SOLID/LIQUID - SYSTEM

11



Auswertung

 

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )

Hochspannungs

n s aq aq Wechselstrom n s aq aq

Cu  mNa

^

 mCl

^



^

  Cu   mCl

^

 mNa

^

Kupfer-

Elektrode Kupfer-

Elektrode

NaCl-Lösung Kathode

Anode

(12)

3 SOLID/LIQUID - SYSTEM

12



Auswertung

- Schematische Darstellung eines Kupferkolloids -

( )

Cu

n s

 

 

(aq)

Na

^

Cl

^

Das kolloidale Teilchen ist von einer stabilisierenden Doppelschicht aus Ionen

umgeben.

Na

₍^_aq₎

(aq)

Na

^

(aq)

Na

^

(aq)

Na

^

(aq)

Na

^

(aq)

Na

^

(aq)

Na

^

Cl

^

Cl

^

Cl

^

Cl

^

Cl

^

Cl

^

Cl

^

(13)

3 SOLID/LIQUID - SYSTEM

13



Tyndall-Effekt

Kolloidale Lösung

Lichtstrahl

Auge / Detektor

(14)

3 SOLID/LIQUID - SYSTEM

14



Versuch 3: Ladungssinn von Kolloiden Ausgangsstoffe:

- Eisenhydroxidoxid-Kolloide FeO(OH)

- Salzsäure HCl

C

(15)



Auswertung

Reduktion: Aufnahme von 2 Elektronen

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

Oxidation: Abgabe von 2 Elektronen

Anode (Oxidation):

Kathode (Reduktion):

3 SOLID/LIQUID - SYSTEM

15

3 ( ) ( ) 2 2 ( ) 2

2 2

Gleichstrom

2

aq aq Elektrolyse l

H O

^

 Cl

^



^

 H   H O  Cl 

1 0

( ) 2( )

2 Cl^^aq Cl g  2e^

1 0

3 ( ) 2( ) 2 ( )

2 H O^ ^_aq 2e^ H ^g 2 H O_l

(16)

3 SOLID/LIQUID - SYSTEM

16



Auswertung

- Schematische Darstellung eines Eisenhydroxidoxid-Kolloids -

(aq)

H^



- Pol

Kathode

+ Pol

Anode

(aq)

Cl^



(17)

3 SOLID/LIQUID - SYSTEM

17



Demonstration 1: „Echte“ und kolloidale Lösungen

Ausgangsstoffe:

- Gelatine - Methylorange (w = 0,001)

- Tinte (w = 0,005) - Methylenblau (w = 0,0005)

- Fuchsin (w = 0,0005) - Kupfersulfat (w = 0,05)

- kolloidales Berliner Blau (w ≈ 0,022 ) - Eisenhydroxidoxid-Kolloid (w ≈ 0,001)

- verdünntes kolloidales Berliner Blau (w ≈

0,001)

(18)

3 SOLID/LIQUID - SYSTEM

18



Beobachtung

-

Proben unmittelbar nach dem Überschichten -

Methylorange

Kolloidale Tinte

Methylenblau

Fuchsin

Kupfersulfat

Kolloidales Berliner Blau

Kolloidales Eisenhydroxidoxid

Gering konzentriertes

Berliner Blau

(19)

3 SOLID/LIQUID - SYSTEM

19



Beobachtung

- Proben einen Tag nach dem Überschichten -

Methylorange Methylenblau Kupfersulfat

Kolloidale Tinte

Fuchsin Kolloidales Berliner Blau

Berliner Blau

(20)

3 SOLID/LIQUID - SYSTEM

20



Beobachtung

- Proben eine Woche nach dem Überschichten ^-

Methylorange Methylenblau Kupfersulfat

Kolloidale Tinte

Fuchsin Kolloidales Berliner Blau

Berliner Blau

(21)

3 SOLID/LIQUID - SYSTEM

21



Auswertung

„echte“ kolloidale

Lösung Lösung (Berliner Blau) (Fuchsin)

Gelatine

(22)

3 SOLID/LIQUID - SYSTEM

22



Versuch 4: Fällung von Kolloiden Ausgangsstoffe:

- kolloidales Berliner Blau K[FeFe(CN)

₆

] - Lösung

- Silberiodid-Sol AgI - Lösung

- Aluminiumsulfat-Lösung Al

₂

(SO

₄

)

₃

-

Lösung

(23)

3 SOLID/LIQUID - SYSTEM

23

3 ( )

2n Al _aq^ 3n SO₄₍²^_aq₎

= K⁺

= Cl^-



Auswertung

(24)

3 SOLID/LIQUID - SYSTEM

24



Versuch 5: Berliner Blau: Vom Sol zum Gel zum Sol

Ausgangsstoffe:

- Kaliumhexacyanoferrat- Lösung K

₄

[Fe(CN)

₆

]-Lösung

- Eisen(III)chlorid – Lösung FeCl

₃

-Lösung

Xn

(25)

3 SOLID/LIQUID - SYSTEM

25



Auswertung

 

⁴

2 3

( ) 6 3( )

( )

3 2

6 ( )

( )

4 ( ) 3

aq aq

aq

aq aq

K Fe CN FeCl

K Fe Fe CN KCl

  



 

 

       

  

 

 

(26)

3 SOLID/LIQUID - SYSTEM

26



Gelbildung

Koagulation Peptisation

Kolloid Gel

(27)

4 GAS/SOLID - SYSTEM

27



Demonstration 2: Gasbeton Ausgangsstoffe:

- Seesand (SiO

2

)

- Portlandzement (Kalk-Ton-Zement):

^Xi

CaO (58-66%), SiO

₂

(18-26%), Al

₂

O

₃

(4-12%), Fe

2

O

3

(2-5%), Ca

3

SiO

5

, Ca

2

SiO

4

, Ca

3

Al

2

O

6

, Ca

2

AlFeO

5

- Aluminiumpulver Al

F

- Wasser H

2

O

(28)

Reduktion: Aufnahme von 6 Elektronen



Auswertung

Oxidation: Abgabe von 6 Elektronen

4 GAS/SOLID - SYSTEM

28

0 3 0

2

( ) 2 3( )

2 Al

^s

 6 H O   2 Al OH

^

( )

_s

 3 H 

 

3( ) (² ) ( ) (² )

 

4 ( )

2

_s _aq

2

_aq _aq

2 Al OH  Ca

^

 OH

^

  Ca

^

   Al OH  

^aq 2

( )_s 2 ( )_l (_aq)

2

(_aq)

CaO  H O   Ca

^

 OH

^

(29)

4 GAS/SOLID - SYSTEM

29



Reaktionen beim Aushärten des Zements:

Calciumsilicate reagieren beim Aushärten des Zements zu „Tobermoritphasen“.

2( ) 2( ) 3( ) 2 ( )

( )

_s _g _s _l

Ca OH  CO   CaCO  H O

(30)

4 GAS/SOLID - SYSTEM

30



Die Gaseinschlüsse erfolgen im nm – Maßstab

rgasrgtartgartart

Aufnahme: 300 kV Hochauflösung im Transmissions-Elektronenmikroskop

(31)

4 GAS/SOLID - SYSTEM

31



Ytong

^®

Steine

ca. 1 Milliarde Euro Umsatz der Xella-Gruppe im Bereich Baustoffe (2008)

Abb. Ytong-Stein, aus:

http://www.bau-

docu.at/5/pdcnewsitem/

00/82/65/ytong.jpg

(32)

5 LIQUID/GAS - SYSTEM

32



Versuch 6a: Nebel Ausgangsstoffe:

- Trockeneis CO

₂

- heißes Wasser H

₂

O



Versuch 6b: Kunstnebel - Propylenglycol C

₃

H

₈

O

₂

- Wasser H

₂

O

OH

(33)

5 LIQUID/GAS - SYSTEM

33



Auswertung Versuch 6a

2( ) 2( )

T

s g

CO 

^

CO 

2 ( ) 2 ( )

T

g T l

H O

^

H O







 

Abb.: Phasendiagramm des Wassers, aus:

Hollemann, Wiberg, 2007

(34)

5 LIQUID/GAS - SYSTEM

34



Auswertung Versuch 6b



Vorteil gegenüber Trockeneis

- Ausgangsstoffe sind lang lagerungsfähig - geringer Aufwand bei der Lagerung

- geringe Kosten bei gleichzeitiger Flexibilität der

Anwendung

3 8 2( ) 3 8 2( ) 3 8 2( )

T T

l g l

C H O 

^

C H O 

^

 C H O

2 ( ) 2 ( ) 2 ( )

T T

l g l

H O 

^

H O 

^

 H O

(35)

6 LIQUID/SOLID - SYSTEM

35



Demonstration 3: Opal

Der Opal ist ein amorphes Mineral der Zusammensetzung SiO

₂^.

n H

₂

O. Opale entstehen durch Polykondensation von Kieselsäure. Dabei kommt es zur

kolloidalen Einlagerung von Wasser.

(36)

7 EINORDNUNG IN DEN LEHRPLAN

36



V1 - 10. Klasse Redoxreaktionen in wässriger Lösung



V2 - 10. Klasse Elektrolyse



V3 - 10. Klasse Elektrolyse, Redoxreaktionen

Alternativ: Wahlthema im Bereich Angewandte Chemie, 12. Klasse



D1 - 7. Klasse Diffusion im Teilchenmodell

(37)

7 EINORDNUNG IN DEN LEHRPLAN

37



V4 - 12. Klasse Chemisches Gleichgewicht

Fakultativ: im Bereich Abwasserreinigung, Fällungsreaktionen, 12. Klasse



V5 - 12. Klasse Chemisches Gleichgewicht



D2 - 10. Klasse Redoxreaktionen



V6 - 7. Klasse Aggregatzustände und Übergänge



D3 - 7. Klasse Erhitzen zur Stofftrennung, Stoffgemische

Optional und optimal: Projektwoche

(38)

8 LITERATUR

38

 Atkins, P. W., de Paula, J., Kurzlehrbuch Physikalische Chemie, 4. Auflage, Wiley-VCH, Winheim 2008.

 Heinzerling, P., Nanochemie in der Schule: Eine historisch experimentelle Annäherung, in: PdN – ChiS (1/2006), S. 32 – 36.

 Hoffmann, T., Kolloide, in: ChiuZ (1/2004), S. 24 – 35

 Holleman, A. F., Wiberg, N., Lehrbuch der Anorganischen Chemie, 102. Auflage, Walter de Gruyter, Berlin 2007.

 Jannasch, S., Duvinage, B., Eigenschaften von Kolloiden experimentell ermittelt, in: PdN – ChiS (7/2006), S. 25 – 28.

 Kouetz, J., Kolloidchemie – Von der Alchemie zur Nanotechnologie, in: PdN – ChiS (7/2006), S. 2 – 4.

 List, P. H., Arzneiformenlehre, Ein Lehrbuch für Pharmazeuten, 4. Auflage, Wissenschaftliche Verlagsgesellschaft, Stuttgart 1985.

 Mortimer, C. E., Müller, U., Chemie. Das Basiswissen der Chemie, 9. Auflage, Thieme, Stuttgart 2007.

 Pötter, M., Vom Stoffgemisch z den Kolloiden, in: PdN – ChiS (7/2006), S. 5 – 17.

 Tuckermann, R., Wipper, K., Cammenga, H. K., Demonstrationsversuche zur Herstellung und zu den Eigenschaften von Kolloiden, in: PdN – ChiS (7/2006), S. 18 – 24.

 Voigt, R., Pharmazeutische Technologie. Für Studium und Beruf, 7. Auflage, Ullstein Mosby, Berlin 1993.

(39)

8 LITERATUR

39

 http://images.google.de/imgres?imgurl=http://www.geo- reisecommunity.de/bild/regular/140601/Sevilla-

Kathedrale.jpg&imgrefurl=http://www.geo-reisecommunity.de/bild/140601/Spanien- Sevilla-

Kathedrale&usg=__ni3BPGht6x7SEPsxcRAa8phGgjA=&h=733&w=550&sz=105&hl=de&

start=12&tbnid=_KfXARIR_qTGEM:&tbnh=141&tbnw=106&prev=/images%3Fq

%3Dsevilla%2Bkathedrale%26gbv%3D2%26hl%3Dde

 www.xella.de/downloads/deu/press/1_Xella_auf_Wachstumskurs_61.doc

 matsci.iw.uni-halle.de/Kressler/EDUCATION/lectures/VOScript6-PhysChemPharm.doc –

 http://books.google.de/books?id=t0t1g7CN0BMC&pg=PA59&lpg=PA59&dq=ausf%C3%A 4llen+von+kolloiden&source=bl&ots=BZ-KYsosgL&sig=mmRMnV9xP7qml3rislNFrQqEp 10&hl=de&ei=GUUuSovGPMKwsAa6-oC_CQ&sa=X&oi=book_result&ct=result&resnum=1

 http://www.rechtsklick.org/alt/online_lesen/Jahresarbeit_Komplett-img3.png

 http://www.bau-docu.at/5/pdcnewsitem/00/82/65/ytong.jpg

 http://darwin.bth.rwth-aachen.de/opus3/volltexte/2006/1371/pdf/Noyong_Michael.pdf