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Experimentalvortrag Anorganische Chemie Catharina Schmitt 1. Juli 2009.

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1 Experimentalvortrag Anorganische Chemie Catharina Schmitt 1. Juli 2009

2 G LIEDERUNG Eigenschaften von Oberflächen: Einfluss der Größe Katalytische Eigenschaften Optimierung von Oberflächen: Superhydrophobe Oberflächen Schutzschichten Eloxal-Verfahren 2

3 V ERSUCH 1 E ISENWOLLE Reaktivität der Oberfläche 3

4 A USWERTUNG Verwendeter Stoff: Eisenwolle (Fe (s) ) Elektrische Zündung der Eisenwolle durch Hitzeentwicklung beim Stromfluss 4

5 W IRKUNG DER GROßEN O BERFLÄCHE Durch größere Oberfläche besserer Luftzutritt zu den einzelnen Eisenfäden mehr Sauerstoff zur Verbrennung Reaktivität nimmt mit größerer Oberfläche zu 5 Schüth, F. ChiuZ, 2006, 40, 94.

6 V ERSUCH 2 B ÄRLAPPSPOREN Veränderung der Reaktivität 6

7 A USWERTUNG Verwendeter Stoff: Bärlappsporen (Lycopodium) Hoher Zerteilungsgrad: Große Oberfläche bei kleinem Volumen Partikel entzünden sich schlagartig Zündung bereits durch Funken möglich 7

8 W IRKUNG DER G ROßEN O BERFLÄCHE Lycopodium wurde bereits im Mittelalter zu pyrotechnischen Effekten verwendet 1979 Mehlstaubexplo- sion in der Bremer Rolandmühle (14 Tote) Nochmals erhöhte Reaktivität durch feinverteilte Partikel 8

9 V ERSUCH 3 A KTIVKOHLE Größe der Oberfläche 9

10 A USWERTUNG Verwendete Stoffe: Aktivkohle (C n(s) ) Rotwein (Anthocyane) Adsorption der Farbstoffe des Weins Aktivkohle ist mikrokristalliner, porenreicher Kohlenstoff Große innere Oberfläche von bis zu 1000 m 2 /g 10

11 V ERWENDUNG Porenradien von 10 bis 50 Å Kann bis zu 50% ihrer Masse an organischen Substanzen aufnehmen Verwendung: Entfernen von Farbstoffen; Reinigen von Gasen Kohletabletten in der Medizin Bestandteil des Schwarzpulvers 11

12 V ERSUCH 4 P LATIN ALS K ATALYSATOR Katalytische Eigenschaften 12

13 A USWERTUNG Verwendete Stoffe: Platinspirale (Pt (s) ) Methanol (H 3 COH (l) ) Katalytische Oxidation: 13

14 A USWERTUNG Verbrennung: 14

15 H ETEROGENE K ATALYSE Katalysator und Reaktanden liegen in unterschiedlichen Phasen vor Katalyse an der Oberfläche von Feststoffen Selektive Beschleunigung von Reaktionen Döbereiner Feuerzeug 1823 Heute: 90% aller chemischen Prozesse in der Industrie katalysiert 15 Schüth, F. ChiuZ, 2006, 40, 92.

16 B ESCHAFFENHEIT DER O BERFLÄCHE Katalysatoroberfläche nicht glatt, sondern mit Poren, Kanten und Vertiefungen versehen Je größer die spezifische Oberfläche, desto aktiver ist der Katalysator Häufig Beschichtungen von Oberflächen mit kleinsten Partikeln 16 Aktive Stellen Adsorption auf Terrassen Schüth, F. ChiuZ, 2006, 40, 94.

17 R EAKTIONSSCHRITTE 1.Diffusion zum Katalysator 2.Adsorption auf Oberfläche (Terrasse) 3.Diffusion zur aktiven Stelle 4.Reaktion 5.Desorption 17

18 B ESCHAFFENHEIT DER O BERFLÄCHE 18 Nach 6 Minuten Nach 120 Minuten Aktive Stellen: Spaltung von NO am Ruthenium-Katalysator Ertl, G. Journ. Molec. Cat. A:Chemical, , 2002, 9.

19 D EMO 1 L OTUS -E FFEKT Optimieren einer Eigenschaft 19

20 A USWERTUNG Verwendete Stoffe: Beschichtetes Stofftuch Wasser (H 2 O (l) ) 20

21 G ESCHICHTE DES L OTUS -E FFEKTS Selbstreinigung des Lotus-Blattes bereits seit 2000 Jahren bekannt Erst ab den 1970er Jahren intensiver erforscht (Kapuzinerkresse) 1990 erstmalige technische Umsetzung des Effektes Darstellung einer optimierten Oberfläche Heute: Große Bedeutung in der Materialwissenschaft 21

22 W ORAUF BERUHT DER E FFEKT ? Geringe Benetzbarkeit der Oberfläche Lotus-Effekt: hydrophobe und raue Oberfläche -> superhydrophob Lufteinschluss zwischen Oberfläche und Tropfen Einnahme der Kugelform (kleinste Oberfläche) 22 Fröba, M. ChiUZ, 2004, 38, 169.

23 T ROPFENFORM 23 Kohäsionskraft: Anziehung zwischen Molekülen der Flüssigkeit Adhäsionskraft: Anziehung zwischen Flüssigkeit und Oberfläche Lotus-Effekt: Kontaktwinkel von bis zu 170° Fröba, M. ChiUZ, 2004, 38, 167.

24 W ARUM SELBSTREINIGEND ? Glatte Oberfläche: Schmutz und Tropfen haften relativ gut Raue Oberfläche: Tropfen und Schmutz haften schlechter Tropfen kann Schmutzpartikel aufnehmen 24 Fröba, M. ChiUZ, 2004, 38, 169.

25 E INSATZBEREICHE Bauindustrie (Fassadenfarbe, Dachziegel) Badfliesen selbstreinigende Gläser Kunststofffolien Beschichtungen von Outdoor-Kleidung Pharmaindustrie Kosmetik (Nagellack) 25

26 V ERSUCH 5 N ATRONWASSERGLAS Ausschalten einer Eigenschaft 26

27 A USWERTUNG Verwendete Stoffe: Natronwasserglas-Lösung (Na 2 SiO 3(aq) ; w = 0,35) Holz Verbrennung Holz: 27

28 A USWERTUNG 28 Natronwasserglas-Lösung besteht aus Ketten- Silicaten [SiO 3 2- ] x Verbrennung mit Natronwasserglas-Lösung: Silicatschicht erschwert Luftzutritt Kristallwasser verdampft Hitzebeständiger Wasserglasschaum entsteht

29 V ERSUCH 6 P HOSPHATIEREN EINES E ISENNAGELS Ausschalten einer Eigenschaft 29

30 A USWERTUNG Verwendete Stoffe: Zink-Pulver (Zn (s) ) Phosphorsäure (H 3 PO 4(aq) ; w = 0,85) Eisennagel (Fe (s) ) Hopeit 30

31 A USWERTUNG Phosphophylit Erzeugung einer nichtmetallischen anorganischen Schutzschicht Hitzebeständig bis ca. 200°C 31

32 A NWENDUNG Korrosionsschutz für Werkstoffe wie z. B. Stahl Kein dauerhafter Korrosionsschutz, aber v. a. in der Autoindustrie zur Grundierung vor der Lackierung eingesetzt Unerwünschte Eigenschaft ausgeschaltet 32 https://www.fh-muenster.de/fb3/downloads/werkstofftechnik/ Oberflaechentechnik/OT_4.1.1_Phosphatieren.pdf

33 N ACHWEIS Verwendete Stoffe: Kaliumhexacyanoferrat(III) (K 3 [Fe(CN) 6 ] (aq) ; w = 0,01) Natriumchlorid (NaCl (aq) ; w = 0,006) Eisennagel (Fe (s) ) 33 Berliner Blau

34 D EMO 2 E LOXAL - VERFAHREN Schützen einer Oberfläche 34

35 A USWERTUNG Verwendete Stoffe: Aluminiumblech (Al (s) ) Natronlauge (NaOH (aq) ; w = 0,15) Salpetersäure (HNO 3(aq) ; w = 0,2) Schwefelsäure (H 2 SO 4 (aq) ; w = 0,15) Aluminiumkathode (Al (s) ) 35

36 A USWERTUNG 1)Beize 2)Säurebeize 36

37 E LOXAL -V ERFAHREN 3) Elektrolytische Oxidation von Aluminium (ca. 30 Minuten bei 0,5 A und 10 V) 37

38 M ODELL DES E LOXAL -V ERFAHRENS 38 I: Aluminium geht in Lösung; es bildet sich eine Al 2 O 3 -Schicht II: Unregelmäßigkeiten auf der Oxidoberfläche III: Poren bilden sich aus; Ausbildung der Sperrschicht IV: Gleichmäßige Ausbildung der Poren V: Poren wachsen weiter an Sperrschicht wandert immer tiefer in das Aluminium Fröba, M. ChiUZ, 2004, 38, 166.

39 E RZEUGTE O BERFLÄCHE 39 Fröba, M. ChiUZ, 2004, 38, 166. Oxidschicht kann bis zu mehreren hundert µm dick werden Poren wachsen senkrecht zur Aluminiumschicht Parallele Ausrichtung Zylindrische Form

40 V ERSUCH 7 F ÄRBEN DES W ERKSTÜCKS Färben einer Oberfläche 40

41 A USWERTUNG Verwendete Stoffe: Natriumacetat (CH 3 COONa (aq) ; w = 0,01) Eisessig (CH 3 COOH (l) ) Eosin (w = 0,005) pH-Wert der Lösung: pH 5,8 41

42 A USWERTUNG 42 a: Adsorptives Verfahren: Organische Farbstoffe lagern sich im Bereich der Porenöffnungen ein b: Elektrochemisches Verfahren: Metallpigmente lagern sich im Poreninneren ein c: Kombination aus a und b Fröba, M. ChiUZ, 2004, 38, 167.

43 S CHULRELEVANZ Oxidbildung: Klasse 7 (V1) Elektrolyse: Klasse 8, 10 und 12 (D2) Redoxreaktionen: Klasse 10 (V1, V6, D2) Metalle als Werkstoffe: Klasse 10 und 12 (V6, D2) Katalyse: Klasse 12 (V4) Zerteilungsgrad: Klasse 12 (V2) Korrosionsschutz: Klasse 12 (V6) Silicate: Klasse 12 (V5) 43

44 D EMO 3 V ERDICHTEN DES W ERKSTÜCKS Färben einer Oberfläche 44

45 A USWERTUNG Verwendete Stoffe: Ammoniumacetat (CH 3 COONH 4 (aq) ; w = 0,01) Eisessig (CH 3 COOH (l) ) pH-Wert der Lösung: pH 6 Werkstück für 30 Minuten in kochender Lösung 45

46 A USWERTUNG 46 Fröba, M. ChiUZ, 2004, 38, 166.

47 L ITERATUR Briehl, H., Chemie der Werkstoffe, B.G. Teubner, Stuttgart, 1995, Hollemann, A. F., Wiberg, E. und N., Lehrbuch der Anorganischen Chemie, 102. Auflage, Walter de Gruyter, Berlin, Mortimer, Ch. E., Müller, U., Chemie – Das Basiswissen der Chemie, 8. Auflage, Thieme, Stuttgart, Roesky, H. W., Möckel, K., Chemische Kabinettstücke, Wiley-VCH, Weinheim, 1994, S Battino, R., Letcher, Rivett, D. E. A., Krause, P. Journal of Chemical Education, 1993, 70, Ertl, G. Journal of Molecular Catalysis. A: Chemical, , 2002, Fröba, M, Scheld, W., Gath, C., Hoffmann, F. Chemie in unserer Zeit, 2004, 38, Gorst, I., Sieve, B., Pfeifer, P. Naturwissenschaften im Unterricht – Chemie, 2009, 109, Schüth, F. Chemie in unserer Zeit, 2006, 40, Sieve, B. Naturwissenschaften im Unterricht – Chemie, 2009, 109, Sieve, B. Naturwissenschaften im Unterricht – Chemie, 2009, 109, (letzter Zugriff: , Uhr). (letzter Zugriff: , Uhr). (letzter Zugriff: , Uhr). vom_ _- _gruppe_d.pdf?m=e (letzter Zugriff: , Uhr). https://lp.uni-goettingen.de/get/text/2570 (letzter Zugriff: , Uhr). (letzter Zugriff: , Uhr). 47


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