Experimentalvortrag Anorganische Chemie

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1 Experimentalvortrag Anorganische Chemie
Catharina Schmitt 1. Juli 2009

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

3 Reaktivität der Oberfläche
Versuch 1 Eisenwolle

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

5 Wirkung der großen Oberfläche
Durch größere Oberfläche besserer Luftzutritt zu den einzelnen Eisenfäden  mehr Sauerstoff zur Verbrennung  Reaktivität nimmt mit größerer Oberfläche zu Schüth, F. ChiuZ, 2006, 40, 94.

6 Versuch 2 Bärlappsporen
Veränderung der Reaktivität Versuch 2 Bärlappsporen

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

8 Wirkung der Großen Oberfläche
Lycopodium wurde bereits im Mittelalter zu pyrotechnischen Effekten verwendet 1979 Mehlstaubexplo-sion in der Bremer Rolandmühle (14 Tote) Nochmals erhöhte Reaktivität durch feinverteilte Partikel

9 Größe der Oberfläche Versuch 3 Aktivkohle

10 Auswertung Verwendete Stoffe: Aktivkohle (Cn(s)) Rotwein (Anthocyane)
Adsorption der Farbstoffe des Weins Aktivkohle ist mikrokristalliner, porenreicher Kohlenstoff Große innere Oberfläche von bis zu 1000 m2/g

11 Verwendung 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

12 Versuch 4 Platin als Katalysator
Katalytische Eigenschaften Versuch 4 Platin als Katalysator

13 Auswertung Verwendete Stoffe: Platinspirale (Pt(s))
Methanol (H3COH(l)) Katalytische Oxidation:

14 Auswertung Verbrennung:

15 Heterogene Katalyse 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 Schüth, F. ChiuZ, 2006, 40, 92.

16 Beschaffenheit der Oberfläche
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 Schüth, F. ChiuZ, 2006, 40, 94. Aktive Stellen Adsorption auf Terrassen

17 Reaktionsschritte Diffusion zum Katalysator
Adsorption auf Oberfläche (Terrasse)‏ Diffusion zur aktiven Stelle Reaktion Desorption

18 Beschaffenheit der Oberfläche
Aktive Stellen: Spaltung von NO am Ruthenium-Katalysator Ertl, G. Journ. Molec. Cat. A:Chemical‏, , 2002, 9. Ertl, G. Journ. Molec. Cat. A:Chemical‏, , 2002, 9. Nach 6 Minuten Nach 120 Minuten

19 Optimieren einer Eigenschaft
Demo 1 Lotus-Effekt

20 Auswertung Verwendete Stoffe: Beschichtetes Stofftuch Wasser (H2O(l))

21 Geschichte des Lotus-Effekts
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

22 Worauf beruht der Effekt?
Geringe Benetzbarkeit der Oberfläche Lotus-Effekt: hydrophobe und raue Oberfläche -> superhydrophob Lufteinschluss zwischen Oberfläche und Tropfen Einnahme der Kugelform (kleinste Oberfläche) Fröba, M. ChiUZ, 2004, 38, 169.

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

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

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

26 Versuch 5 Natronwasserglas
„Ausschalten“ einer Eigenschaft Versuch 5 Natronwasserglas

27 Auswertung Verwendete Stoffe:
Natronwasserglas-Lösung (Na2SiO3(aq); w = 0,35) Holz Verbrennung Holz:

28 Auswertung „Verbrennung“ mit Natronwasserglas-Lösung:
Silicatschicht erschwert Luftzutritt Kristallwasser verdampft Hitzebeständiger Wasserglasschaum entsteht Natronwasserglas-Lösung besteht aus Ketten- Silicaten [SiO32-]x

29 Versuch 6 Phosphatieren eines Eisennagels
„Ausschalten“ einer Eigenschaft Versuch 6 Phosphatieren eines Eisennagels

30 Auswertung Verwendete Stoffe: Zink-Pulver (Zn(s))
Phosphorsäure (H3PO4(aq); w = 0,85) Eisennagel (Fe(s)) Hopeit

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

32 Anwendung 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“ Oberflaechentechnik/OT_4.1.1_Phosphatieren.pdf

33 Nachweis Verwendete Stoffe:
Kaliumhexacyanoferrat(III) (K3[Fe(CN)6](aq); w = 0,01) Natriumchlorid (NaCl(aq); w = 0,006) Eisennagel (Fe(s)) Berliner Blau

34 Demo 2 Eloxal-verfahren
Schützen einer Oberfläche Demo 2 Eloxal-verfahren

35 Auswertung Verwendete Stoffe: Aluminiumblech (Al(s))
Natronlauge (NaOH(aq); w = 0,15) Salpetersäure (HNO3(aq); w = 0,2) Schwefelsäure (H2SO4 (aq); w = 0,15) Aluminiumkathode (Al(s))

36 Auswertung Beize Säurebeize

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

38 Modell des Eloxal-Verfahrens
I: Aluminium geht in Lösung; es bildet sich eine Al2O3-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 Erzeugte Oberfläche Oxidschicht kann bis zu mehreren hundert µm dick werden Poren wachsen senkrecht zur Aluminiumschicht Parallele Ausrichtung Zylindrische Form Fröba, M. ChiUZ, 2004, 38, 166.

40 Versuch 7 Färben des Werkstücks
Färben einer Oberfläche Versuch 7 Färben des Werkstücks

41 Auswertung Verwendete Stoffe: Natriumacetat (CH3COONa(aq); w = 0,01)
Eisessig (CH3COOH(l)) Eosin (w = 0,005) pH-Wert der Lösung: pH 5,8

42 Auswertung Fröba, M. ChiUZ, 2004, 38, 167. 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

43 Schulrelevanz 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)

44 Demo 3 Verdichten des Werkstücks
Färben einer Oberfläche Demo 3 Verdichten des Werkstücks

45 Auswertung Verwendete Stoffe:
Ammoniumacetat (CH3COONH4 (aq); w = 0,01) Eisessig (CH3COOH(l)) pH-Wert der Lösung: pH 6 Werkstück für 30 Minuten in kochender Lösung

46 Auswertung Fröba, M. ChiUZ, 2004, 38, 166.

47 Literatur 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). (letzter Zugriff: , Uhr). (letzter Zugriff: , Uhr).