Spontane Oxidation von Eisen-Nanopartikeln Pyrophores Eisen Spontane Oxidation von Eisen-Nanopartikeln Modulsponsor: Dieses Modul wurde mit freundlicher Unterstützung der Metrohm Stiftung Herisau realisiert. September 2014

Spontane Verbrennung von Eisen-Nanopartikeln Quelle: Swiss Nano-Cube Pyrophore Eisen-Nanopartikel Detaillierte Informationen zum Thema sind in der Experimentieranleitung „Pyrophores Eisen“ zu finden.

Inhalt Einführung Experimentelle Durchführung Theoretische Grundlagen Materialien, Chemikalien, Vorgehen Sicherheitshinweise Theoretische Grundlagen Oberflächeneffekt Repetition: Oxidation/Verbrennung Herstellung Pyrophores Eisen Lernziele/Kontrollfragen Quelle: Swiss Nano-Cube

Einführung Auflösen von Zucker in Wasser Wie kann man das Auflösen eines Zuckerwürfels im Tee beschleunigen?

Einführung Auflösen von Zucker in Wasser: Pulver löst sich schneller als grosse Kristalle. Nach 1 min Nach 3 min Vergleich: Kandis-Zucker mit Kristall-Zucker

Experimentelle Durchführung Vorgehen bei der Herstellung von Pyrophorem Eisen Herstellung von Ammoniumeisenoxalat: Di-Ammoniumoxalat Ammoniumeisen(II)-Sulfat Destilliertes Wasser Quelle: Swiss Nano-Cube

Experimentelle Durchführung Video: Vorgehen bei der Herstellung von Pyrophorem Eisen Video Pyrophores Eisen www.swissnanocube.ch

Experimentelle Durchführung Sicherheitshinweise Schutzbrille, Labormantel, Handschuhe

Theoretische Grundlagen Oberflächeneffekt Spezifische Oberfläche = Oberfläche / Kubikmeter Kantenläng =1 cm Volumen = 1 cm3 Fläche = 1 cm2 Kantenlänge =0.5 cm Gesamtvolumen = 1 cm3 Gesamtfläche = 6 cm2 10.11.201810.11.2018

Theoretische Grundlagen Kleiner Exkurs in die Biologie: Warum sind alle einzelligen Lebewesen so winzig? Einzeller, Quelle: Wikipedia

Theoretische Grundlagen Kleiner Exkurs in die Biologie: Einzellige Organismen nehmen ihre Nahrung aus-schliesslich über ihre äussere Hülle (Zellmembran) auf. Je grösser das Volumen, desto geringer das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen: 1 cm3 = >1 cm2 Verhältnis: 1/1 8 cm3 = >4 cm2 Verhältnis: 1/2 64 cm3 = >16 cm2 Verhältnis: 1/4 Einzellige Organismen sind begrenzt in ihrer Grösse. Die einzige Schnittstelle zur Umgebung ist immer nur die Oberfläche!

Theoretische Grundlagen Oberflächeneffekt Grössere Oberfläche = Höhere Reaktivität Je kleiner ein Partikel, desto höher der relative Anteil der Atome/Moleküle, die sich direkt an der Oberfläche befinden. Zudem: Die Atome an der Oberfläche sind einer geringeren Bindungskraft aus dem Inneren des Partikels ausgesetzt. Nur die Atome/Moleküle an der Oberfläche können mit der Umgebung interagieren. Folglich: Stärkere Wechselwirkungen der Atome des Partikels mit der Umgebung des Partikels.

Theoretische Grundlagen Oberflächeneffekt bei Eisen-Nanopartikeln Grössere Oberfläche = Höhere Reaktivität Eisen-Nanopartikel reagieren viel stärker mit der Umgebung. Zum Beispiel: Eisen-Nanopartikel reagieren viel stärker mit Sauerstoff aus der Umgebung. Verbrennung bereits „spontan“ bei Raumtemperatur: Pyrophores Eisen. Pyrophor = leicht entzündlich Bei makroskopischem Eisen: Oxidation/Verbrennung auch bei Temperaturen von mehr als 600 °C nur sehr langsam.

Theoretische Grundlagen Repetition: Oxidation/Verbrennung Was ist der Unterschied zwischen einer Oxidation und einer Verbrennung?

Theoretische Grundlagen Repetition: Oxidation/Verbrennung Oxidation Ursprünglich: Elektronenübertragung auf Sauerstoff Heute: Gängiger Begriff für die Abgabe von Elektronen an das Oxidationsmittel (Elektronenakzeptor = Oxidationsmittel) Verbrennung: Merkmale Oxidation mit Sauerstoff als Oxidationsmittel Exotherme Redoxreaktion Abgabe von Energie (Wärme, Licht)

Theoretische Grundlagen Herstellung Pyrophores Eisen Herstellung Di-Ammoniumeisen(II)-Di-Oxalat 2 (NH4)2C2O4 + (NH4)2FeII(SO4)2 (NH4)2FeII(C2O4)2 + 2 (NH4)2SO4 Thermolytische Zersetzung: Herstellung der Eisen-Nanopartikel (NH4)2FeII(C2O4)2 Fe + CO + 3 CO2 + 2 NH3 + H2O Spontane Verbrennung der Eisen-Nanopartikel bei Raumtemperatur 4 Fe + 3 O2 2 FeIII2O3 + ΔT RT

Lernziele/Kontrollfragen Oberflächeneffekt beschreiben können. Wissen, was man unter der spezifischen Oberfläche versteht. Erklären können, warum die Reaktivität von Stoffen zunehmen kann, wenn sie als Nanopartikel vorliegen. Wissen, was „pyrophor“ bedeutet.