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Das Sturmglas Vortrag zum Hauptseminar Modul AC V 10.07.2012 Julia Bauer.

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Präsentation zum Thema: "Das Sturmglas Vortrag zum Hauptseminar Modul AC V 10.07.2012 Julia Bauer."—  Präsentation transkript:

1 Das Sturmglas Vortrag zum Hauptseminar Modul AC V Julia Bauer

2 Gliederung 1.Das historische Sturmglas 2.Kristallisation in Abhängigkeit von äußeren Einflüssen a.Keimbildung b.Kristallwachstum 3.Stabiliät der Suspension 4.Überprüfung der Funktionalität des Sturmglases 5.Quellen

3 Das historische Sturmglas Entwicklung Mitte des 19. Jahrhunderts durch Admiral Fitzroy Instrument zur Wettervorhersage Verwendung in der Seefahrt und Webereien P.Kaempfe, K. Molt, M. Epple: Admiral Fitzroys legendäres Sturmglas, Chem. Unserer Zeit, 2012, 46, 26 – 31

4 Wettervorhersage A = kalt, stürmisch B = wärmer C = Frost D = Regen E = heiter, trocken P.Kaempfe, K. Molt, M. Epple: Admiral Fitzroys legendäres Sturmglas, Chem. Unserer Zeit, 2012, 46, 26 – 31

5 Meteorologische Wettervorhersage Heutige Parameter zu Vorhersage des Wetters Temperatur Luftdruck Windrichtung Windgeschwindigkeit Sonneneinstrahlung Anzeichen eines Sturms Schnell und stark fallender Luftdruck Vorheriger Durchzug einer Kaltfront ( ) ( )

6 Bestandteile (+) – Campher14,5 g Ammoniumchlorid4,0 g Kaliumnitrat2,0 g Ethanol/Wasser – Gemisch (1:1)je 9,7 g Zugeschmolzene Glasampulle Druckunterschiede haben nur minimalen Einfluss P.Kaempfe, K. Molt, M. Epple: Admiral Fitzroys legendäres Sturmglas, Chem. Unserer Zeit, 2012, 46, 26 – 31

7 Campher sehr gut in Ethanol löslich (120 g/ 100 g Ethanol) sehr geringe Löslichkeit in Wasser (0,1 g/ 100 g Wasser) sublimiert bei Raumtemperatur ( )

8 Anorganische Salze Ammoniumchlorid Kaliumnitrat gut in Wasser löslich 29,7 g/100 g Wasser (0°C) 37,6 g/ 100 g Wasser (20°C) Löslichkeit in Ethanol gering gut in Wasser löslich 21,5 g/100 g Wasser (10°C) 45,5 g/100 g Wasser (30°C) Löslichkeit in Wasser ungewöhnlich stark temperaturabhängig Löslichkeit in Ethanol gering

9 Kristallisation Bildung von Kristallen aus übersättigter Lösung Zweistufiger Prozess (nacheinander oder gleichzeitig): 1. Keimbildung 2. Kristallwachstum

10 Keimbildung beginnt erst bei höheren Konzentrationen als der Sättigungskonzentration (Übersättigung) Keimbildungsbarriere muss überwunden werden Voraussetzung: Erreichen der kritischen Keimgröße durch zufällige Ansammlung von Teilchen (thermische Fluktuation) Ordnung von bestimmter Teilchenanzahl nötig (temperaturabhängig) darunter instabil homogene vs. heterogene Keimbildung

11 Keimbildung Änderung der Gibbschen freien Enthalpie durch... ΔG K... die Bildung des Keims ΔG V... den Phasenübergang Energiegewinn durch die Ausbildung des Gitters (Gitterenergie) je höher Übersättigung, desto höher Triebkraft ΔG σ... die Grenzflächen- energie

12 Keimbildung Homogene KeimbildungHeterogene Keimbildung spontane Bildung eines Kristallkeims bei drastischer Senkung der Temperatur Übersättigung hoch ΔG K * und r K * groß Bereitstellung eines Keims durch Fremdteilchen oder Gefäßwand aufzubringende Grenzflächenenergie wird verringert Übersättigung niedrig ΔG K * und r K * klein

13 Kristallwachstum Flächenwachstum 1Volumendiffusion 2 Adsorption 3 Oberflächendiffusion 4 Anlagerung 5 Transport zurHalbkristalllage 6 letzte Desolvatation P. D. Kaempfe, Dissertation, Universität Duisburg-Essen, 2011

14 Kristallwachstum Dentritisches Wachstum dentritisch = baumartig, verzweigt Wachstum an Ecken und Kanten bevorzugt keine makroskopisch stabile Wachstumsfront zu hoher Materialzustrom Temperatur-/Konzentrationsgradient umgebende Lösung unterkühlt P. D. Kaempfe, Dissertation, Universität Duisburg-Essen, 2011

15 Dentritisches Wachstum Diffusion entlang der Konzentrationsgradienten Wahrscheinlichkeit an der Spitze eines Dendriten zu landen größer als im Innenbereich W.F.Kuhs, Vorlesung: System Erde 1: Kristallographie, WS 2009/10 kalt warm

16 Diffuse Doppelschicht 1. Adsorption und Dehydratisierung von Ionen an die Grenzfläche (innere Helmholtzschicht) 2. Anlagerung einer Schicht hydratisierter Gegenionen (äußere Helmholtzschicht) durch Hydrathülle der Ionen erhöhter Platzbedarf keine vollständige Kompensation der Ladung Ausbildung einer diffusen Doppelschicht F. Erler, Dissertation, TU Ilmenau, 2004

17 Diffuse Doppelschicht ( )

18 Stabilität der Suspension Niedrige Ladung, große Teilchengröße Hohe Ladung, geringe Teilchengröße Überlappunspotential z.B. 40 mV max. Annäherung z.B Å Überlappuns- potential z.B. 40 mV max. Annäherung z.B. 15 Å kinetische Energie = Abstoßungsenergie keine weitere Annäherung Suspension stabil van-der-Waals-Kräfte überwiegen Abstoßung Agglomeration Suspension instabil F. Erler, Dissertation, TU Ilmenau, 2004

19 Funktioniert das Sturmglas? bedingte Korrelation mit dem Luftdruck Durch das geschlossene System wird jedoch von einer Zufallserscheinung ausgegangen. Kristallhöhe abhängig von der Temperatur eher als Thermometer geeignet kleine sternförmige Kristalle nur im Winter sichtbar keine Grundlage zur Sturmvorhersage gefunden Das Sturmglas ist zur Wettervorhersage nicht geeignet, aber dennoch eine faszinierende Erfindung. P.Kaempfe, K. Molt, M. Epple: Admiral Fitzroys legendäres Sturmglas, Chem. Unserer Zeit, 2012, 46, 26 – 31

20 Quellen P.Kaempfe, K. Molt, M. Epple: Admiral Fitzroys legendäres Sturmglas, Chem. Unserer Zeit, 2012, 46, 26 – 31 F. Erler, Dissertation, TU Ilmenau, ( ) W.F.Kuhs, Vorlesung: System Erde 1: Kristallographie, WS 2009/10 P. D. Kaempfe, Dissertation, Universität Duisburg-Essen, page/c3-kristall.pdf ( ) anorganischer-verbindungen-2/ ( )

21 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit! Vortrag zum Hauptseminar Modul AC V Julia Bauer

22 Löslichkeit 1. Enthalpie Aufbrechen des Gitters: Trennung von Ladungen endotherm Solvatation: Zusammenführung von Ladungen exotherm Lösungsenthalpie für Ammoniumchlorid und Kaliumnitrat endotherm besseres Lösungsverhalten bei höherer Temperatur (Le Chatelier) 2. Entropie Aufbrechen des Gitters: Entropiezunahme Solvatation: System größerer Ordnung Entropieabnahme Lösungsentropie für beide Salze negativ Lösungsvorgang unterstützt durch hohe Temperaturen, da gilt:

23 Bildung der Kristallform Energie der Oberfläche hängt von kristallographischer Richtung der Fläche ab Flächen mit niedriger Energie (b) wachsen schnell werden von langsam wachsenden Flächen begrenzt verschwinden allmählich Kristallform bestimmt durch die langsam wachsenden Flächen (a)!

24 Zeta-Potential ( ) Potential an der Abscherschicht Abhängig von Ladung/Größe der Ionen, Ionenkonzentration

25

26 Kristallwachstum Anlagerung kleinerer Bausteine an den Kristallkeim Struktur wird von Kristallkeim übernommen Morphologie abhängig von Wachstums- geschwindigkeiten der verschiedenen Flächen dicht gepackte Flächen wachsen langsam


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