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Philipps Universität Marburg Fb 15: Chemie Seminar: Übungen im Experimentalvortrag Leitung: Prof. Dr. Neumüller, Dr. Reiß Referent: Jochen Pohl Datum:

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1 Philipps Universität Marburg Fb 15: Chemie Seminar: Übungen im Experimentalvortrag Leitung: Prof. Dr. Neumüller, Dr. Reiß Referent: Jochen Pohl Datum: [1] 1 [2]

2 1.Geschichte des Wolframs 2.Wichtiges zum Übergangsmetall 2.1 Vorkommen und Verwendung 2.2 Darstellung 2.3 Physikalische und chemische Eigenschaften 3.Versuche ausgehend vom elementaren Wolfram 3.1 Herstellung eines Schmiermittels 3.2 Herstellung des WIDIAmetalls (DEMO) 3.3 Die benebelte Glühbirne Gliederung 2

3 4.Wolfram(VI)-oxid erschließt neue Versuchsfelder 4.1 Wie reagiert Wolfram(VI)-oxid mit Zink und Magnesium? 4.2 Wolframblau, was ist das? 4.3 Künstlicher Scheelit im Vergleich mit Naturscheelit 4.4 Farbspiele des Wolframoxids (DEMO) 4.5 Von der Wolframsäure zurück zum Wolfram(VI)-oxid 5.Einordnung in den Lehrplan 6.Literaturverzeichnis Gliederung 3

4  Etymologie: G. Agricola (Mineraloge) bezeichnete das heutige Wolframit als lupi spuma (lat.)= Wolf-Schaum, Wolf- Rahm  Wolframit kommt in vielen Zinnerzen vor, erschwert durch Verschlackung das Schmelzen und „frisst“ zugleich das Zinnerz  Tungsten (CaWO 4 ) (schwed.)= schwerer Stein genannt; ist ebenso ein gebräuchlicher Name für Wolfram  Gebrüder d‘Elhuyar stellten 1783 erstmals elementares Wolfram dar (WO 3 mit Kohlenstoff reduziert) 1. Geschichte des Wolframs 4

5 2.1 Vorkommen und Verwendung  Kommt nur gebunden vor, besonders als Oxide oder Wolframate  Hauptfundstätten: China und Nordamerika; auch im Erzgebirge  Wichtigste Erze sind: Wolframit (Mn, Fe) WO 4, Scheelit (CaWO 4 ) und Stolzit (PbWO 4 )  Verwendung bei der Herstellung legierter Stähle (Ferrowolfram)  Reines Wolfram: 50 kT Jahresproduktion  Hoher Smp.: Glühdrähte, Anodenmaterial (Röntgenröhre), Heizleiter (Hochtemperaturöfen), Raketendüsen, Hitzeschilde 2. Wichtiges zum Übergangsmetall 5

6  Hohe Dichte: Trimmgewichte bei Schwungmassen in Armband- uhren  Hohe Härte: WIDIAmetall (Wolframcarbid mit 10% Cobalt) 2.2 Darstellung  Reines Wolfram wird über die Reduktion von WO 3 mit H 2 bei 800°C gewonnen. Es entsteht ein graues Pulver, das dann in feste Stücke gepresst wird Wichtiges zum Übergangsmetall

7 2.3 Physikalische und chemische Eigenschaften  Weißglänzend und hart mit großer Festigkeit (mechan.)  Dichte: 19,26 g/cm 3  Smp.: 3410 °C;Sdp.: ca °C  häufigste Oxidationsstufen: +4, +5, +6  An Luft durch Passivierung sehr beständig  Bei Rotglut reagiert es mit O 2 zu WO 3 ; ebenso reagiert es mit anderen Nichtmetallen (F, Cl, Br, C, N)  Löst sich gut in H 2 O 2 (es entsteht Wolframsäure)  Beim Schmelzen mit Alkalihydroxiden entstehen Wolframate 7 2. Wichtiges zum Übergangsmetall

8 3. Versuche ausgehend vom elementaren Wolfram 8

9 3.1 Herstellung eines Schmiermittels  Reaktionsgleichung:  Reaktionsprodukt: Wolfram(IV)-sulfid  Beim Erhitzen steigen S-Dämpfe auf  Es kann zur Bildung von SO 2(g) kommen, falls Sauerstoff an die Schmelze gelangt  Aktivkohle als Absorber 3. Versuche ausgehend vom elementaren Wolfram 9

10  WS 2 ist ein Schmiermittel und ähnelt dabei aufgrund seiner Schichtstruktur dem Graphit und dem MoS 2 :  W-Atom besetzt die trigonal-prismatischen Lücken  Van-der-Waal‘sche Wechselwirkungen zwischen Schwefel- schichten erlauben eine leichte Spalt- und Verschiebbarkeit 3. Versuche ausgehend vom elementaren Wolfram 10 [3]

11 3. Versuche ausgehend vom elementaren Wolfram 11

12 3.2 Herstellung des Widiametalls  Reaktionsgleichung:  Reaktionsprodukt: Wolframcarbid  Verwendung: Werkzeugindustrie, Kugelschreiberkugel  Härte von WC liegt zwischen 9 und 10 der Mohs‘schen Härteskala: 3. Versuche ausgehend vom elementaren Wolfram 12 WC [4]

13  WC mit 6-10 % Cobalt hat eine Struktur, die der des Diamant ähnelt (= WIDIA)  WC ist ein Einlagerungsmischkristall: C-Atome werden in Kristallgitterlücken eingelagert  Gitterverzerrung ist die Folge (Aufweitung des Gitters)  Aufnahme des Cobalt („Bindemit- tel“) 3. Versuche ausgehend vom elementaren Wolfram 13 /vorlesung/kap_5/kap5_3/grafik/kub_r.pnghttp://www.chemgapedia.de/vsengine/media/vsc/de/ch/11/aac /vorlesung/kap_5/kap5_3/grafik/kub_r.png [5] [6] Wolfram-Struktur Diamantstruktur

14 3. Versuche ausgehend vom elementaren Wolfram 14 [7] „Von jeder der 200 Glühbirnen, die nicht funktionierten, habe ich etwas gelernt, das ich für den nächsten Versuch verwenden konnte.“ Thomas Alva Edison (*1847 †1931)

15 3. Versuche ausgehend vom elementaren Wolfram 15 [7]

16 3.3 Die benebelte Glühbirne  Reaktionsgleichung (Redoxreaktion):  Reaktionsprodukte: Gelbes Wolfram(VI)-oxid (Hauptprodukt) Blaues Wolframoxid (WO 3-X )  Produkte schlagen sich durch Sublimation an der kalten Glaswandung nieder  Glas stülpt sich durch Inertgas nach außen  WO 3 ist das wichtigste Oxid des Wolframs 3. Versuche ausgehend vom elementaren Wolfram 16

17  Besitzt eine rhombische Kristallstruktur:  WO 6 - Oktaeder  Gelbpigment in der Keramik; kratzfeste Beschichtung von optischen Linsen 3. Versuche ausgehend von reinem Wolfram 17 [8]

18 4. Wolfram(VI)-oxid erschließt neue Versuchsfelder 18

19 4.1 Wie reagiert Wolfram(VI)-oxid mit Zink und Magnesium?  Reaktionsgleichung (Redoxreaktion):  Reaktionsprodukte: Zink(II)-oxid, Magnesium(II)-oxid, reines Wolfram  Reaktion mit Mg ist heftiger:  Höhere Affinität zum Sauerstoff und besseres Reduk- tionsmittel als Zink (Redoxpotentiale: Zn= -0,76 V; Mg= - 2,372 V) 4. Wolfram(VI)-oxid erschließt neue Versuchsfelder 19

20 4. Wolfram(VI)-oxid erschließt neue Versuchsfelder 20

21 4.2 Wolframblau, was ist das?  Reaktionsgleichung:  Wolframblau als Nachweis für die Wolframsäure  Die kolloidale Lösung besteht aus hydratisierten Mischoxiden des Wolframs  Charge-Transfer-Komplex zwischen Metall und Metall (e - werden zwischen sechs- und fünfwertigen Wolframionen verschoben) 4. Wolfram(VI)-oxid erschließt neue Versuchsfelder 21

22 4. Wolfram(VI)-oxid erschließt neue Versuchsfelder 22

23 4.3 Künstlicher Scheelit im Vergleich mit Naturscheelit  Reaktionsgleichung:  Calciumwolframat fällt aus  Scheelit  Es fluoresziert blau-gelb im UV-Licht  Scheelit benannt nach Carl Wilhelm Scheele (1742 – 1786), Apotheker, der Mineralien untersuchte u.a. Tungsten (CaWO 4 )  Wolframate gelten im Allgemeinen als Luminophore (Leucht- farben, Oszilloskope, Fluoreszenzschirme) 4. Wolfram(VI)-oxid erschließt neue Versuchsfelder 23

24  Struktur des Scheelits (tetragonales Kristallsystem)  Bipyramidale-pseudooktaedrische Kristalle (s. Mineralien) 4. Wolfram(VI)-oxid erschließt neue Versuchsfelder 24 [10]

25 4. Wolfram(VI)-oxid erschließt neue Versuchsfelder 25 H2H2 H 2 SO 4 Saures Natriumwolframat (im Schiffchen)

26 4. Wolfram(VI)-oxid erschließt neue Versuchsfelder 26

27 4.4 Farbspiele des Wolframoxids (DEMO)  4. Wolfram(VI)-oxid erschließt neue Versuchsfelder 27

28  4. Wolfram(VI)-oxid erschließt neue Versuchsfelder 28

29  Wolframbronzen liegen ein dreidimensionales Netzwerk aus allseitig eckenverknüpften WO 6 - Oktaedern zugrunde  Drei strukturelle Grundtypen:  Schwarzer Punkt: Natrium; Weißer Punkt: Wolfram; Sauerstoff liegt auf den Linien sowie ober- und unterhalb des Wolframs  stellt Schichtverknüpfung her 4. Wolfram(VI)-oxid erschließt neue Versuchsfelder 29 Holleman Wiberg, Lehrbuch der Anorganischen Chemie 102. Auflage, S [11]

30 4. Wolfram(VI)-oxid erschließt neue Versuchsfelder 30

31 4.4 Von der Wolframsäure zurück zum Wolfram(VI)-oxid  Reaktionsgleichung 1 (Fällung der Wolframsäure):  Reaktionsgleichung 2 (Kondensation):  H 2 WO 4 ist nicht analog zu H 2 SO 4 aufgebaut, sondern besitzt eine Schichtstruktur aus WO 6 - Oktaedern  WO 4 2– - Ionen sind analog zu SO Ionen tetraedrisch gebaut 4. Wolfram(VI)-oxid erschließt neue Versuchsfelder 31

32 Curriculum Chemie nach G8 in Hessen 1.7G.2 Stoffe werden verändert. Die chemische Reaktion, Umkehrung der Oxidbildung  Metallgewinnung aus Erzen, Herstellung von Gebrauchs- metallen aus Oxiden als Sauerstoffabgabe deuten  Fakultative Unterrichtsinhalte: Chemische Reaktion zwischen Metallen und Schwefel, Bildung von Sulfiden an Beispielen (Fe, Cu, Zn, etc.) 2.E1 1. Redoxreaktionen  Metalle als Werkstoffe (Vorschläge für Kontexte/Projekte)  Metalle und Metallbindung 5. Einordnung in den Lehrplan 32

33 [1] ( , 13:05) [2] ( , 13:10) [3] ( ; 18:13) [4] ( , 18:51) [5] ( , 19:30) [6] ( , 19:37) [7] ( , 20:17) [8] oxid.png&filetimestamp= ( , 20:22) [9] ( , 00:22) [10] ( , 00:26) [11] Holleman, Wiberg Lehrbuch der Anorganischen Chemie.102. Auflage. Berlin, New York: Walter de Gruyter. [12] Binnewies (et al.) Allgemeine und Anorganische Chemie. 1. Auflage. München: Spektrum. 6. Literaturverzeichnis 33

34 34 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!


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