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Metalloxide Experimentalvortrag AC WS 2007/08 Angela Herrmann.

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Präsentation zum Thema: "Metalloxide Experimentalvortrag AC WS 2007/08 Angela Herrmann."—  Präsentation transkript:

1 Metalloxide Experimentalvortrag AC WS 2007/08 Angela Herrmann

2 2 Gliederung 1.Allgemeines 2.Darstellung 3.Verwendung 4.Schulrelevanz

3 1. Allgemeines

4 4

5 5 Natürliches Vorkommen: Magnetit (Fe 3 O 4 ), Roteisenstein (Fe 2 O 3 ) Pyrolusit (MnO 2 ), Hausmannit (Mn 3 O 4 ) Rutil (TiO 2 ) Massicotit (PbO) Cuprit (Cu 2 O) Tonerde (Al 2 O 3 ) Zinnstein (SnO 2 ) Roteisenstein Cuprit Saphir Pyrolusit

6 6 1. Allgemeines Eigenschaften : Sehr unterschiedlich Manche Metalloxide reagieren in wässriger Lösung basisch: CaO (s) + H 2 O Ca(OH) 2 (s) Ca 2+ (aq) + 2 OH - (aq) Metalle der Nebengruppen können verschiedene Oxide ausbilden, aufgrund der Oxidationsstufen Bsp.: CuO 2 und CuO

7 7 1. Allgemeines Versuch 1 Deutschlandfahne - chemisch

8 8 1. AllgemeinesVersuch1 Versuch 1: Deutschlandfahne - chemisch Blei(IV) wird durch das Erhitzen stufenweise reduziert: +4 +2/+4 Stufe I: 3 PbO 2 (s) Pb 3 O 4 (s) + O 2 (g) schwarz rot +2/+4 +2 Stufe II: 2 Pb 3 O 4 (s) 6 PbO (s) + O 2 (g) gelb

9 9 1. AllgemeinesVersuch 1 Bleioxide und ihre Verwendung Pb 3 O 4 (Mennige) Orangerot bis leuchtend rot Früher als Rostschutzmittel (Anstrich von Schiffen) verwendet Mennige

10 10 1. Allgemeines PbO (Bleiglätte): Gelb Für Bleigläser Früher auch als Farbe verwendet PbO 2 : Schwarzbraun Bleiakkumulator Früher in Streichholzzündköpfen Massicotit (PbO)

11 2. Darstellung

12 12 2. Darstellung Darstellungsarten: 1.Thermische Zersetzung von Carbonaten 2.Aus den Metallen mit Hilfe von Oxidationsmitteln 3.Aus Metallsalzen 4.Durch Reinigung natürlicher vorkommender Metalloxide 5.Aus den Metallen durch Verbrennung an der Luft 6.Durch Entwässern der Hydroxide

13 13 1. Allgemeines 1.Darstellung aus Carbonaten: Durch Erhitzen von Ca(CO 3 ) (Kalk) erhält man CaO (gebrannter Kalk): Ca(CO 3 ) (s) CaO (s) + CO 2 (s) Reaktion in Wasser zu Ca(OH) 2 (gelöschter Kalk): CaO (s) + H 2 O Ca(OH) 2 (s)

14 14 1. Allgemeines Gelöschter Kalk wird für Luftmörtel verwendet: Sand, Ca(OH) 2 und Wasser werden gemischt Ca(OH) 2 reagiert mit dem Luft-Kohlendioxid zum Carbonat: Ca(OH) 2 (aq) + CO 2 (g) Ca(CO 3 ) (s) + H 2 O

15 15 1. Allgemeines Demo 1 Luftmörtel

16 16 2. Darstellung 2. Darstellung aus Metallen mit Oxidationsmitteln: Versuch 2 Berger Mischung

17 17 2. DarstellungVersuch 2 Reaktionsgleichungen: Startreaktion: NH 4 Cl (s) + H 2 O NH 3 (g) + H 3 O + (aq) + Cl - (aq) Zn (s) + 2 H 3 O + (aq) Zn 2+ (aq + 2 H 2 O + H 2 (g) H << 0

18 18 2. DarstellungVersuch 2 Hauptreaktionen: 0 +2 Oxidation 1: Zn (s) Zn 2+ (aq) + 2 e Oxidation 2: 2 NH 4 + (aq) N 2 (g) + 8 H + (aq) + 6 e Reduktion: 2 NO 3 - (aq) + 10 e - N 2 (g) + 6 O 2- Gesamt: Zn (s) + NH 4 (NO 3 ) (aq) ZnO (s) + N 2 (g) + 4 H 2 O Kompro- portio- nierung

19 19 2. Darstellung Demo 2 Wunderkerzen

20 20 2. DarstellungDemo 2 Reaktionsgleichungen: Bariumnitrat dient als Oxidationsmittel/Sauerstofflieferant Ba(NO 3 ) 2 (s) 2 BaO (s) + 2 N 2 (g) + 5 O 2 (g) Die Metalle verbrennen mit Sauerstoff zu den entsprechenden Oxiden: Al (s) + 3 O 2 (g) 2 Al 2 O 3 (s) (Eisen analog) Mg (s) + O 2 (g) 2 MgO (s)

21 21 2. Darstellung 3. Aus Metallsalzen: Versuch 3 Chemischer Vulkan Kilauea-Ausbruch 1983

22 22 2. DarstellungVersuch 3 Reaktionsgleichungen: -3 0 Oxidation: 2 NH 4 + N H e Reduktion: Cr 2 O e - Cr 2 O O 2- Gesamt: (NH 4 ) 2 Cr 2 O 7 (s) Cr 2 O 3 (s) + N 2 (g) + 4 H 2 O

23 23 2. Darstellung Feuerwerk: Diese Darstellungen sind sehr exotherm Nutzt man für Feuerwerk aus Metalloxide werden dabei auch selbst als Oxidationsmittel verwendet (z.B. CuO; früher auch PbO 2 )

24 24 2. Darstellungsarten Geschichtliches zum Feuerwerk: Anfänge durch Entdeckung des Schießpulvers in China während der Hau-Dynastie (25 – 250 n. Chr.) In der Sung-Zeit (960 – 1279) gibt es die ersten Raketen Ende des 13. Jahrhunderts Überlieferung nach Europa Blütezeit des Feuerwerks in der Barock-Zeit 1838 erste Feuerwerksfirma in Deutschland

25 25 2. Darstellung 4. Darstellung von Titandioxid: Sulfat-Verfahren: Als Ausgangstoff dienen Ilmenit (FeTiO 3 ) oder Titan- schlacke Wird mit konz. Schwefelsäure aufgeschlossen Zugabe von Eisenschrott (Fe 2+ )

26 26 2. Darstellung Fortsetzung: Nach Abkühlen kristallisiert Eisensulfat aus (FeSO 4 7H 2 O) Rest: Eisenfreies Titanylsulfat (TiOSO 4 (aq) ) Durch Erhitzen erhält man Titandioxid-Hydrat und verdünnte Schwefelsäure Im Drehofen entsteht je nach Temperatur Anatas oder Rutil

27 27 2. Darstellung Chlorid-Verfahren: Ausgangsstoff: Titanschlacke (verunreinigtes Rutil) Umsetzung mit Koks und Chlor zu Titanchlorid (TiCl 4 ): TiO 2 (s) + 2 C (s) + Cl 2 (g) TiCl 4 (l) + 2 CO (g) Reinigung durch Destillation: TiCl 4 (l) TiCl 4 (g) Reaktion mit Wasserdampf oder Sauerstoff zu Rutil: TiCl 4 (g) + H 2 O (g) TiO 2 (s) + 4 HCl (g) TiCl 4 (g) + O 2 (g) TiO 2 (s) + 2 Cl 2 (g)

28 3. Verwendung

29 29 3. Verwendung Titandioxid – wo nutzt man es? Anstrichfarbe Zahnpasta Kunststoffe Papier Keramik Salami

30 30 3. Verwendung Versuch 4 Nachweis von Titandioxid

31 31 3. VerwendungVersuch 4 Reaktionsgleichungen: TiO 2 (s) + K 2 S 2 O 7 (s) TiOSO 4 (s) + K 2 SO 4 (s) TiOSO 4 (s) + 5 H 2 O [Ti(OH) 2 (H 2 O) 4 ] 2+ (aq) + SO 4 2- (aq) [Ti(OH) 2 (H 2 O) 4 ] 2+ (aq) + H 2 O 2 (aq) [Ti(O 2 )(OH)(H 2 O) 3 ] + (aq) + 2 H 2 O + H + (aq) orangegelb

32 32 3. VerwendungVersuch 4 Titanperoxokomplex: Ti OH 2 H2OH2O H2OH2O HO O O +

33 33 3. Verwendung Versuch 5 Aluminothermie

34 34 3. VerwendungVersuch 5 Aufbau: Filterpapier Fe 2 O 3 & Al-Grieß BaO 2 & Mg-Pulver Wunderkerze umwickelt mit Mg-Band

35 35 2. DarstellungVersuch 5 Reaktionsgleichungen: 0+3 Oxidation: Al (s) Al e Reduktion: Fe e - Fe (s) Gesamt: Al (s) + Fe 2 O 3 (s) Fe (s) + Al 2 O 3 (s) Die Mischung aus Bariumperoxid und Magnesium dient als Zündung: BaO 2 (s) + Mg (s) BaO (s) + MgO (s) H << 0

36 36 3. Verwendung Geschichtliches: Erfinder der Aluminothermie war Hans Goldschmidt ( ) Entwickelte das Verfahren weiter um Schienenstränge zu ver- schweißen (Thermitschweiß- verfahren) Hans Goldschmidt

37 37 3. Verwendung Bei der Patentanmeldung (1895): Patentbeamter: Sehen Sie, Herr Doktor, Sie zünden das Gemisch an und es brennt weiter, das ist doch keine Erfindung; wenn Sie eine Zigarre anzünden, brennt sie auch weiter. Goldschmidt: Nur kann man mit einer brennenden Zigarre keine Schienen schweißen.

38 38 3. Verwendung Industrielle Eisendarstellung Großtechnisch wird Eisen im Hochofenprozess aus Eisen(III)oxid dargestellt Dabei wird Eisen(III)oxid durch Kohlen- stoff reduziert Arbeiter vor flüssigem Eisen

39 39 Aufbauschema eines Hochofens

40 40 3. Verwendung Reaktionsgleichungen des Hochofenprozess: / °C: 3 Fe 2 O 3 (s) + CO (g) 2 Fe 3 O 4 (s) + CO 2 (g) +2/ °C: Fe 3 O 4 (s) + CO (g) FeO (s) + CO 2 (g) °C: C (s) + CO 2 (g) 2 CO (g) FeO (s) + CO (g) Fe (l) + CO 2 (g) °C: 2 C (s) + O 2 (g) 2 CO (g)

41 41 3. Verwendung Stromquellen: Primärelement: Strom durch Redoxreaktion der Elektrodensubstanzen – keine Aufladung möglich Sekundärelement: Strom durch Redoxreaktion der Elektrodensubstanzen – Aufladung möglich Brennstoffzelle: Der Brennstoff wird den Elektroden kontinuierlich zugeführt

42 42 3. Verwendung Geschichte der Batterie: Schon bei Ägyptern (ca v. Chr.) und Parthern (ca. 250 v. Chr.) vorhanden? 1800: Volta baut die Voltasche Säule Bagdad-Batterie Voltasche Säule

43 43 3. Verwendung 1802: Rittersche Säule – erster Akkumulator 1836: Daniell-Element – Nutzung für Telegrafen 1860: Entwickelt Leclanché die Zink-Braunstein-Zelle – wird später zur Trockenzelle weiterentwickelt Johann Wilhelm Ritter

44 44 3. Verwendung Ein Primärelement Versuch 6 Leclanché-Element Georges Leclanché

45 45 Aufbau eines Leclanché-Elements: Abdichtung Kohlestift Mangandioxid Zink Elektrolyt NH 4 Cl

46 46 3. VerwendungVersuch 6 Kathode (Graphitelektrode): MnO 2 (s) + 2 H 2 O + 2 e - 2 MnO(OH) (s) + 2 OH - Anode (Zinkblech): 0 +2 Zn (s) Zn 2+ (aq) + 2 e - Elektrolyt (NH 4 Cl): 2 NH 4 Cl (aq) + 2 OH - + Zn 2+ (aq) Zn(NH 3 ) 2 Cl 2 (s) + 2 H 2 O Gesamt: 2 MnO 2 (s) + Zn (s) + 2 NH 4 Cl (aq) 2 MnO(OH) (s) + Zn(NH 3 ) 2 Cl 2 (s)

47 47 3. Verwendung Sekundärelement – der Bleiakkumulator 1859 von Planté entwickelt Verwendung als Autobatterie Blei- und Bleidioxidelektrode Elektrolyt: 20 %-ige Schwefel- säure Ladungszustand kann durch Dichtemessung ermittelt werden

48 48 3. Verwendung Reaktionen des Bleiakkumulators: Negative Elektrode: 0 +2 Pb (s) + SO 4 - (aq) PbSO 4 (s) + 2 e - Positive Elektrode: PbO 2 (s) + SO 4 - (aq) 4 H 3 O + (aq) + 2 e - PbSO 4 (s) + 2 H 2 O Gesamt: Pb (s) + PbO 2 (s) + 2 H 2 SO 4 (aq) 2 PbSO 4 (s) + 2 H 2 O Entladung Ladung

49 49 3. Verwendung Glas : Hauptbestandteil: SiO 2 – bildet Netzwerk mit [SiO 4 ]- Tetraedern (Nahordnung) Basische Oxide (wie Na 2 O, K 2 O, CaO) bilden Trennstellen (Trennstellenbildner) Al 2 O 3, B 2 O 3 sind Netzwerkbildner Metalloxide der Nebengruppen sorgen für die Färbung von Glas

50 50 3. Verwendung Demo 3 Demo 3 Farbiges Glas Rosettenfenster in Carcassonne

51 51 3. VerwendungDemo 3 Oxidfärbung Beimischung MetalloxidFarbe FeOGrün CoOBlau MnO 2 Violett Fe 2 O 3 Gelbbraun CuOBlaugrün Cr 2 O 3 Smaragdgrün

52 52 3. VerwendungDemo 3 Anlauffärbung durch kolloidale Metalle (z.B. Rubinglas mit Gold) Milchglas durch Einlagerung kleiner fester Teilchen (z.B. SnO 2 ) Pokal aus Rubinglas Tasse aus Milchglas

53 4. Schulrelevanz

54 54 4. Schulrelevanz Lehrplan (Hessen G8): G7.2: –Reaktionen von Metallen (und Nichtmetallen) mit Luft (Sauerstoff) –Umkehrung der Oxidbildung – Metallgewinnung aus Erzen G8.1: –Oxidationszahlen G10.1: –Redoxreaktionen –Elektrochemische Spannungsquellen

55 55 Vielen Dank!


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