Die tollste Erfindung seit der Entdeckung des Rades!!! Das Glas Die tollste Erfindung seit der Entdeckung des Rades!!!

Inhaltsverzeichnis Geschichte von Glas Glas im Alltag und seine Bedeutung → Demonstration 1 3. Was ist Glas? → Versuch 1 4. Herstellung in der Schule → Demo. 2 und 3 5. Eigenschaften von Glas → Versuch 2, 3, 4, 5, 6, 7 6. allgemeine Schulrelevanz 7. Zusammenfassung 8. Literatur

1. Geschichte von Glas

genauso alt wie die Erde Geschichte von Glas genauso alt wie die Erde entsteht bei hohen Temperaturen Meteoriteneinschlag Blitzschlag Eruption eines Vulkans auf dem Mond gibt es Glas → Besatzung der Apollo-14 brachte glashaltige Gesteine mit Obsidian: ein natürlich vorkommendes, vulkanisches Gesteinsglas (auch „Islandisches Agaat“)

Geschichte von Glas Benutzung in der Jungsteinzeit als Pfeil- und Speerspitze, und Schneidewerkzeug verschiedene Angaben über Zeitpunkt der Entdeckung nach Historiker Pliny (23-79 n. Chr.): Phönizische Händler „kochten“ um 5.000 v. Chr. an einem Strand, wobei durch die hohe Temperatur der Sand zu einem glasartigen „Stein“ schmolz.

bewusste Herstellung und Bearbeitung begann ca. 3.500 v. Chr. Geschichte von Glas bewusste Herstellung und Bearbeitung begann ca. 3.500 v. Chr. → nicht mehr ausschließlich Nutzgegenstand (Schmuck wie Glasperlen, Vasen, ...) bis 9. Jhd. v. Chr. Auflebung des Glasmachens in Mesopotamien

um das Jahr 0: Technik zum Blasen von Glas in Syrien Geschichte von Glas älteste Beschreibung zur Herstellung von Glas stammt aus der Bibliothek des Assyrischen Königs Ashurbanipal (669-626 v. Chr.). „Nimm 60 Teile Sand, 180 Teile Asche aus Meerespflanzen, 5 Teile Kreide – und du erhältst Glas.“ um das Jahr 0: Technik zum Blasen von Glas in Syrien Blasrohr hat sich kaum verändert

11. Jhd. n. Chr.: Technik zur Produktion von Glasplatten Geschichte von Glas 11. Jhd. n. Chr.: Technik zur Produktion von Glasplatten → große Bedeutung für Bequemlichkeit im Mittelalter (Luxus!!!) 17. Jhd. n. Chr.: Idee zur Verspiegelung von Glas unter König Ludwig (Louis) XIV in Frankreich 19. Jhd. n. Chr.: Industrialisierung der Glasherstellung (Friedrich Siemens)

2. Glas im Alltag und seine Bedeutung

Glas im Alltag und seine Bedeutung Bedeutung von Glas in der heutigen Gesellschaft: Man stelle sich vor, es gäbe kein Glas... keine Fenster an Gebäuden, Fahrzeugen, ... → dunkel und warm, oder hell und kalt keine Spiegel kein Geschirr und keine Behälter aus Glas kein Schmuck und keine Verzierungen aus Glas keine Brillen keine Kameras, Mikroskope, Lupen und nichts, was mit Linsen funktioniert keine Fernseher (Bildröhre) ...

Demonstration 1: verspiegelter Objektträger

Demonstration 1: Verspiegelung eines Objektträgers Reaktion wie „Silberspiegel“ seit 1856: nasschemische Glasversilberung (Justus von Liebig) vorher: Verreiben von Zinnamalgam auf Glasplatten (Handarbeit)

Demonstration 1: verspiegelter Objektträger für die Schule: Ergebnis ist sehr abhängig von der Sauberkeit der Durchführung! Dauer: ca. 40 Minuten (eine Schulstunde) Einsatz: Schülerversuch ab der Sek. II Themengebiete: Glas, Silber, Zucker, Aldehyde/Ketone, ...

3. Was ist Glas?

Was ist Glas? Glas ist amorph griech.: amorphos = gestaltlos amorphe Stoffe werden als fest empfunden, ihre Atome folgen jedoch keiner regelmäßigen Ordnung (keine Fernordnung, nur Nahordnung) ohne Kristallisation erstarrte Schmelze von Metallen, Polymermaterialien, Metalloxiden, etc.

Hauptbestandteil: SiO2(s) Nebenbestandteile: Was ist Glas? Hauptbestandteil: SiO2(s) Nebenbestandteile: B2O3(s) Al2O3(s) ... Na2O(s) K2O(s) CaO(s)

Hauptbestandteil: SiO2(s) Nebenbestandteile: Was ist Glas? Hauptbestandteil: SiO2(s) Nebenbestandteile: B2O3(s) Al2O3(s) ... Na2O(s) K2O(s) CaO(s) Netzwerkbildner Trennstellenbildner

Netzwerkbildner (Glasbildner): Was ist Glas? Netzwerkbildner (Glasbildner): saure Oxide bilden molekulare Grundstruktur (ungeordnetes, dreidimensionales Netzwerk) können ohne Zusätze ein Glas erzeugen (z. B. Quarzglas ist reines SiO2) Trennstellenbildner (Netzwerkwandler): basische Oxide können nur zusammen mit Netzwerk- bildnern Glas bilden verursachen „Lücken“ in der Struktur

Quarzgitter Quarzglas „Normalglas“ Was ist Glas? schmelzen und abkühlen (oft) + CaO/Na2O/... Quarzglas „Normalglas“

Versuch 1: Reduktion von „Glas“ mit Aluminium

Versuch 1: Reduktion von „Glas“ mit Aluminium Auswertung: Aluminium reduziert das Silicium in der Glasstruktur +4 +3 Silicium dabei wird das Aluminium oxidiert (Reduktionsmittel)

Versuch 1: Reduktion von „Glas“ durch Aluminium für die Schule: Ergebnis ist zuverlässig Dauer: ca. 10 Minuten Einsatz: Schülerversuch ab der Sek. I Themengebiete: Glas, Redox-Reaktionen, Metalle, ...

Was ist Glas? Glas ≠ Glas !!! Natron-Kalk-Gläser (Normalglas) 75,5 SiO2(s); 12,9 Na2O(s); 11,6 CaO(s) → gewöhnliches Gebrauchsglas, Fensterglas Kali-Kalk-Gläser (Böhmisches Kristallglas) 76 SiO2(s); 14,1 K2O(s); 6,7 CaO(s); 2,3 Na2O(s); 0,5 As2O5(s); 0,1 Al2O3(s); 0,3 SO3(s) → Gläser für feingeschliffene Gegenstände Bor-Tonerde-Gläser (Jenaer Glas oder Duran-Glas) 74,5 SiO2(s); 8,5 Al2O3(s); 4,6 B2O3(s); 7,7 Na2O(s); 3,9 BaO(s); 0,8 CaO(s); 0,1 MgO(s) → gegen Chemikalien und große Temp.-Differenzen beständig Kali-Blei-Gläser (Bleikristallglas) 56 SiO2(s); 32 PbO(s); 11,4 K2O(s); 0,1 Al2O3(s); 0,5 As2O5(s) → Gläser und Linsen mit starkem Lichtbrechungs- vermögen

Was ist Glas? Glas ≠ Glas !!! Natron-Kalk-Gläser (Normalglas) 75,5 SiO2(s); 12,9 Na2O(s); 11,6 CaO(s) → gewöhnliches Gebrauchsglas, Fensterglas Kali-Kalk-Gläser (Böhmisches Kristallglas) 76 SiO2(s); 14,1 K2O(s); 6,7 CaO(s); 2,3 Na2O(s); 0,5 As2O5(s); 0,1 Al2O3(s); 0,3 SO3(s) → Gläser für feingeschliffene Gegenstände Bor-Tonerde-Gläser (Jenaer Glas oder Duran-Glas) 74,5 SiO2(s); 8,5 Al2O3(s); 4,6 B2O3(s); 7,7 Na2O(s); 3,9 BaO(s); 0,8 CaO(s); 0,1 MgO(s) → gegen Chemikalien und große Temp.-Differenzen beständig Kali-Blei-Gläser (Bleikristallglas) 56 SiO2(s); 32 PbO(s); 11,4 K2O(s); 0,1 Al2O3(s); 0,5 As2O5(s) → Gläser und Linsen mit starkem Lichtbrechungs- vermögen

4. Herstellung in der Schule

Demonstration 2: selbst hergestelltes Glas

Simon-Müller-Ofen auf 1.000 °C vorheizen Demonstration 2: selbst hergestelltes Glas Simon-Müller-Ofen auf 1.000 °C vorheizen in einer Porzellanschale werden gemischt: 26,7 g H3BO3(s) (Borsäure) 8,2 g K2CO3(s) (Kaliumcarbonat) 4,5 g Na2CO3(s) (Natriumcarbonat) 4,2 g CaCO3(s) (Calciumcarbonat) 2,5 g Seesand (enthält SiO2(s)) 1 Spatelspitze MnO2(s) (Braunstein) Porzellanschale in den Simon- Müller-Ofen stellen und ca. 2 h lang bei 1.000 °C glühen

Demonstration 2: selbst hergestelltes Glas Das sieht dann so aus: Gemisch Simon-Müller-Ofen Schmelze

Demonstration 2: selbst hergestelltes Glas für die Schule: Ergebnis ist berechenbar, variabel, trotzdem zuverlässig Dauer: ca. 180 Minuten Einsatz: Schülerversuch ab der Sek. II Themengebiete: Glas, Schmelzen, ...

Demonstration 3: Borax- und Phosphorsalzperlen

Magnesiastäbchen + Borax + Cr2O3(s) Demonstration 3: Borax- und Phosphorsalzperlen Magnesiastäbchen + Borax + Cr2O3(s) → grüne Perle Magnesiastäbchen + Phosphorsalz + Co2O3(s) → blaue Perle Magnesiarinne + Phosphorsalz + Cr2O3(s) → grüne Glasfläche

Färben von Gläsern (eine Methode): Demonstration 3: Borax- und Phosphorsalzperlen Färben von Gläsern (eine Methode): Cobalt-Oxide: blau Eisen(III)-Oxide: braun Chrom(III)-Oxide: grün Mangan(II)-Oxide: weiß → Vorsicht: R-/S-Sätze und Gefahren- symbole/-hinweise beachten

Demonstration 3: Borax- und Phosphorsalzperlen für die Schule: Ergebnis ist abhängig von individuellen Geschick Dauer: sehr variabel Einsatz: Schülerversuch ab der Sek. I (II) Themengebiete: Glas, Pigmente, Metalloxide, ...

5. Eigenschaften von Glas

Eigenschaften von Glas mechanische Eigenschaften: zug- und druckfest „unbiegsam“ elektrische Eigenschaften → elektrisch hoch isolierend

Eigenschaften von Glas Tg:= Schmelzbereich statt Schmelzpunkt (auch Transformationstemperatur, Erweichungstemperatur oder Glaspunkt genannt) unterhalb von Tg: starr oberhalb von Tg: plastisch („verformbar“) allgemein gilt: Je mehr Trennstellen, desto niedriger Tg.

Versuch 2: Bearbeiten von Glas

Versuch 2: Bearbeiten von Glas Auswertung: Vorsicht: Heißes Glas sieht aus wie kaltes Glas! Glas kann als unterkühlte Schmelze betrachtet werden

Versuch 2: Bearbeiten von Glas mit Annäherung an den Schmelzbereich fällt die Viskosität

Versuch 2: Bearbeiten von Glas für die Schule: Ergebnis ist abhängig vom Geschick der Schüler/innen Dauer: sehr variabel Einsatz: Schülerversuch ab der Sek. I Themengebiete: Glas, „unterkühlte Schmelzen“

Eigenschaften von Glas Thermische Gespanntheit von Glas ist Bestandteil der heutigen Gesellschaft: Mehrschicht-Verbundglas besondere Verwendung Sicherheitsglas

Versuch 3: thermisch gespanntes Glas

Versuch 3: thermisch gespanntes Glas Auswertung: Spannung entsteht, weil zunächst die Wärme im äußeren Bereich der Träne vom Wasser abgeführt wird → schlechte Wärmeleitfähigkeit von Glas dadurch verringert sich außen das Volumen, innen nicht → Spannung entsteht durch Abkneifen des „Schwänzchens“ werden diese Spannungen freigesetzt

Versuch 3: thermisch gespanntes Glas für die Schule: Herstellung der Tränen sehr unsicher Dauer: ca. 5 Minuten (ohne Tränen-herstellung) Einsatz: Schülerversuch ab der Sek. I Themengebiete: Glas und in der Physik

Eigenschaften von Glas Glas ist ein schlechter Wärmeleiter: wirkt wärmeisolierend → keine (sehr geringe) Wärmeleitfähigkeit Infrarot-Strahlung wird „gespeichert“

Versuch 4: Absorption von IR-Strahlung

Versuch 4: Absorption von IR-Strahlung Auswertung: durch die schlechte Wärmeleitfähigkeit dauert es lange, bis die einzelnen „Schichten“ durchgewärmt sind aus dem gleichen Grund dauert es ebenfalls lange, bis die erwärmten „Schichten“ wieder abkühlen

Versuch 4: Absorption von IR-Strahlung für die Schule: Ergebnis abhängig von der Gleichheit der Thermometer und der Heizplatten Dauer: ca. 30 Minuten Einsatz: Schülerversuch ab der Sek. I Themengebiete: Glas, Leit- fähigkeiten (Elektrochemie), ...

Eigenschaften von Glas Chemische Resistenz von Glas: Säureangriff: Ionenaustausch: Metallionen gegen H+(aq) Bildung einer Kieselgelschicht zum Schutz vor weiteren Protonen auch Wasser wirkt so

Eigenschaften von Glas Basen-/Laugenangriff: Herauslösen von silikatischen Strukturelementen es entsteht keine schützende Schicht

Versuch 5: Ätzen von Glas

Chemi-kalie Summen-formel R-Sätze S-Sätze Gefahren-symbol Schule Versuch 5: Ätzen von Glas Chemi-kalie Summen-formel R-Sätze S-Sätze Gefahren-symbol Schule Calcium-fluorid (Fluss-spat) CaF2(s) keine alle Schwefel-säure (konz.) H2SO4(aq) 35 26-30-45 C: ätzend Sek. II Fluor-wasser-stoff-säure (Flusssre.) HF(aq) 26/27/28-35 1/2-7/9-26-36/37-45 T+: sehr giftig Lehrer Silicium-tetra-fluorid SiF4(g) 23-35 9-26-26-45 T: giftig

Versuch 5: Ätzen von Glas Auswertung: Abzug und Handschuhe! aus den zunächst „harmlosen“ Stoffen entsteht eine sehr giftige Verbindung → keine Redox-Reaktion Flusssäure greift die Oberfläche des Objektträgers an → Reaktion ist reversibel (SiO2(s) als Niederschlag am Objektträger)

Versuch 5: Ätzen von Glas für die Schule: Ergebnis ist zuverlässig und lässt sich spannend variieren Dauer: ca. 25 Minuten Einsatz: Lehrerversuch! Themengebiete: Glas, Oberflächen, Säuren-Base-Chemie, ...

Versuch 6: Wasserbeständigkeit

Versuch 6: Wasserbeständigkeit Chemikalien Chemi-kalie Summen-formel R-Sätze S-Sätze Gefahren-symbol Schule Phenolph-thalein C20H14O4(l) keine alle

Versuch 6: Wasserbeständigkeit Auswertung: Wasserangriff wie Säureangriff Metallionen im Glas werden durch Protonen des Wassers ausgetauscht

Versuch 6: Wasserbeständigkeit für die Schule: Ergebnis ist zuverlässig und lässt sich gut über die Feinheit des „Glasgrießes“ regulieren Dauer: ca. 30 Minuten Einsatz: Schülerversuch ab der Sek. I Themengebiete: Glas, Redox- Reaktionen, ...

Versuch 7: Oberfläche von Glas

Versuch 7: Oberfläche von Glas Auswertung: Gläser bilden an Phasengrenze zu Wasser Wasserstoffbrückenbindungen → keine Blasenbildung möglich Verunreinigungen (z. B. Fett) schirmen die Oberfläche ab → keine WBB möglich → Blasenbildung auch Kratzer oder andere Unregelmäßigkeiten haben diesen Effekt

Versuch 7: Oberfläche von Glas für die Schule: Ergebnis ist sehr schön und deutlich zu sehen Dauer: ca. 10 Minuten Einsatz: Schülerversuch ab der Sek. I Themengebiete: Glas, Wasser, Oberflächenchemie, WBB, ...

6. Allgemeine Schulrelevanz

Allgemeine Schulrelevanz Jahrgang 12, 2. Halbjahr → Werkstoffe → natürliche und synthetische Makromoleküle und Feststoffgitter → Glas (Geschichte, Herstellung, Struktur): keramische Werkstoffe keine Änderungen bei Umstellung auf G8 sehr alltagsbezogen fachübergreifender Unterricht mit den Fächern Physik, Kunst, ...

7. Zusammenfassung

Glas ist eine nicht-kristalline, „unterkühlte“ Schmelze Zusammenfassung Glas Luxus im Mittelalter, heute selbstverständlich mit hoher Bedeutung Glas ist eine nicht-kristalline, „unterkühlte“ Schmelze Glas leitet keinen Strom und ist wärmeisolierend besitzt einen Schmelzbereich (Tg) Glas wird merklich angegriffen von Flusssäure und starken Laugen Glas ist säure- und wasserbeständig Glas wird verformbar, wenn man es erwärmt (Viskosität fällt) und: Heißes Glas sieht aus wie kaltes Glas!

Danke für die Aufmerksamkeit!!!

8. Literatur [1] GESTIS-Stoffdatenbank [2] SOESTER Liste [3] www.chids.de (02.12.2008) [4] http://www.kultusministerium.hessen.de (01.12.2008 [5] http://vision2form.nl/glas_geschichte.html (30.11.2008) [6] http://benjamin.stangl-taller.at/REISEN/BAERNBACH96/BaernbachBlaeser.jpg (01.12.2008) [7] http://www.chemieunterricht.de (01.12.2008) [8] http://www.otterstedt.de/atm/silvering.html (01.12.2008) [9] http://www.solarserver.de/l8mimages/wacker_silizium.jpg (31.11.2008) [10] http://www.glaskunstwerkstatt.at/images/aetzung-detail.jpg (10.12.2008)