Vortrag zum Hauptseminar Modul AC V 10.07.2012 Julia Bauer Das Sturmglas Vortrag zum Hauptseminar Modul AC V 10.07.2012 Julia Bauer

Gliederung Das historische Sturmglas Kristallisation in Abhängigkeit von äußeren Einflüssen Keimbildung Kristallwachstum Stabiliät der Suspension Überprüfung der Funktionalität des Sturmglases Quellen

Das historische Sturmglas Entwicklung Mitte des 19. Jahrhunderts durch Admiral Fitzroy Instrument zur Wettervorhersage Verwendung in der Seefahrt und Webereien P.Kaempfe, K. Molt, M. Epple: Admiral Fitzroys legendäres Sturmglas, Chem. Unserer Zeit, 2012, 46, 26 – 31

Wettervorhersage A = kalt, stürmisch B = wärmer C = Frost D = Regen E = heiter, trocken P.Kaempfe, K. Molt, M. Epple: Admiral Fitzroys legendäres Sturmglas, Chem. Unserer Zeit, 2012, 46, 26 – 31

Meteorologische Wettervorhersage Heutige Parameter zu Vorhersage des Wetters Temperatur Luftdruck Windrichtung Windgeschwindigkeit Sonneneinstrahlung Anzeichen eines Sturms Schnell und stark fallender Luftdruck Vorheriger Durchzug einer Kaltfront http://www.meteoworld.de/indexregeln.htm (02.07.2012) http://www.nuernberg.de/internet/umweltanalytik/luft_wetter.html (02.07.2012)

Bestandteile (+) – Campher 14,5 g Ammoniumchlorid 4,0 g Kaliumnitrat 2,0 g Ethanol/Wasser – Gemisch (1:1) je 9,7 g Zugeschmolzene Glasampulle Druckunterschiede haben nur minimalen Einfluss P.Kaempfe, K. Molt, M. Epple: Admiral Fitzroys legendäres Sturmglas, Chem. Unserer Zeit, 2012, 46, 26 – 31

Campher sehr gut in Ethanol löslich (120 g/ 100 g Ethanol) sehr geringe Löslichkeit in Wasser (0,1 g/ 100 g Wasser) sublimiert bei Raumtemperatur http://www.toxcenter.de/stoff-infos/k/kampfer.pdf (07.07.2012)

Anorganische Salze gut in Wasser löslich 21,5 g/100 g Wasser (10°C) Kaliumnitrat gut in Wasser löslich 21,5 g/100 g Wasser (10°C) 45,5 g/100 g Wasser (30°C) Löslichkeit in Wasser ungewöhnlich stark temperaturabhängig Löslichkeit in Ethanol gering Ammoniumchlorid gut in Wasser löslich 29,7 g/100 g Wasser (0°C) 37,6 g/ 100 g Wasser (20°C) Löslichkeit in Ethanol gering http://wissen.science-and-fun.de/tabellen-zur-chemie/loslichkeit-anorganischer-verbindungen-2/

Kristallisation Bildung von Kristallen aus übersättigter Lösung Zweistufiger Prozess (nacheinander oder gleichzeitig): 1. Keimbildung 2. Kristallwachstum

Keimbildung beginnt erst bei höheren Konzentrationen als der Sättigungskonzentration (Übersättigung) Keimbildungsbarriere muss überwunden werden Voraussetzung: Erreichen der kritischen Keimgröße durch zufällige Ansammlung von Teilchen (thermische Fluktuation) Ordnung von bestimmter Teilchenanzahl nötig (temperaturabhängig) darunter instabil homogene vs. heterogene Keimbildung

Keimbildung Änderung der Gibb‘schen freien Enthalpie durch... ΔGK ... die Bildung des Keims ΔGV ... den Phasenübergang Energiegewinn durch die Ausbildung des Gitters (Gitterenergie) je höher Übersättigung, desto höher Triebkraft ΔGσ ... die Grenzflächen- energie

Keimbildung Homogene Keimbildung Heterogene Keimbildung spontane Bildung eines Kristallkeims bei drastischer Senkung der Temperatur Übersättigung hoch ΔGK* und rK* groß Bereitstellung eines Keims durch Fremdteilchen oder Gefäßwand aufzubringende Grenzflächenenergie wird verringert Übersättigung niedrig ΔGK* und rK* klein http://www.ifw-dresden.de/institutes/imw/lectures/pwe/pwe-default-page/c3-kristall.pdf

Kristallwachstum Flächenwachstum 1 Volumendiffusion 2 Adsorption 3 Oberflächendiffusion 4 Anlagerung 5 Transport zur „Halbkristalllage“ 6 letzte Desolvatation P. D. Kaempfe, Dissertation, Universität Duisburg-Essen, 2011

Kristallwachstum Dentritisches Wachstum dentritisch = baumartig, verzweigt Wachstum an Ecken und Kanten bevorzugt keine makroskopisch stabile Wachstumsfront zu hoher Materialzustrom Temperatur-/Konzentrationsgradient umgebende Lösung unterkühlt P. D. Kaempfe, Dissertation, Universität Duisburg-Essen, 2011

Dentritisches Wachstum kalt warm Diffusion entlang der Konzentrationsgradienten Wahrscheinlichkeit an der Spitze eines Dendriten zu „landen“ größer als im Innenbereich W.F.Kuhs, Vorlesung: System Erde 1: Kristallographie, WS 2009/10

Diffuse Doppelschicht 1. Adsorption und Dehydratisierung von Ionen an die Grenzfläche (innere Helmholtzschicht) 2. Anlagerung einer Schicht hydratisierter Gegenionen (äußere Helmholtzschicht) durch Hydrathülle der Ionen erhöhter Platzbedarf  keine vollständige Kompensation der Ladung Ausbildung einer diffusen Doppelschicht http://www.freieck.de/Chemie/Zeta.html F. Erler, Dissertation, TU Ilmenau, 2004

Diffuse Doppelschicht http://www.freieck.de/Chemie/Zeta.html (04.07.2012)

Stabilität der Suspension Niedrige Ladung, große Teilchengröße Hohe Ladung, geringe Teilchengröße  Überlappunspotential z.B. 40 mV max. Annäherung z.B. 1500 Å  Überlappuns- potential z.B. 40 mV max. Annäherung z.B. 15 Å kinetische Energie = Abstoßungsenergie keine weitere Annäherung Suspension stabil van-der-Waals-Kräfte überwiegen Abstoßung  Agglomeration Suspension instabil F. Erler, Dissertation, TU Ilmenau, 2004

Funktioniert das Sturmglas? bedingte Korrelation mit dem Luftdruck Durch das geschlossene System wird jedoch von einer Zufallserscheinung ausgegangen. Kristallhöhe abhängig von der Temperatur eher als Thermometer geeignet kleine sternförmige Kristalle nur im Winter sichtbar keine Grundlage zur Sturmvorhersage gefunden Das Sturmglas ist zur Wettervorhersage nicht geeignet, aber dennoch eine faszinierende Erfindung. P.Kaempfe, K. Molt, M. Epple: Admiral Fitzroys legendäres Sturmglas, Chem. Unserer Zeit, 2012, 46, 26 – 31

Quellen P.Kaempfe, K. Molt, M. Epple: Admiral Fitzroys legendäres Sturmglas, Chem. Unserer Zeit, 2012, 46, 26 – 31 F. Erler, Dissertation, TU Ilmenau, 2004 http://www.freieck.de/Chemie/Zeta.html (04.07.2012) W.F.Kuhs, Vorlesung: System Erde 1: Kristallographie, WS 2009/10 P. D. Kaempfe, Dissertation, Universität Duisburg-Essen, 2011 http://www.ifw-dresden.de/institutes/imw/lectures/pwe/pwe-default- page/c3-kristall.pdf (02.07.2012) http://wissen.science-and-fun.de/tabellen-zur-chemie/loslichkeit- anorganischer-verbindungen-2/ (07.07.2012)

Vielen Dank für die Aufmerksamkeit! Vortrag zum Hauptseminar Modul AC V 10.07.2012 Julia Bauer

Löslichkeit 2. Entropie 1. Enthalpie Aufbrechen des Gitters: Trennung von Ladungen  endotherm Solvatation: Zusammenführung von Ladungen  exotherm Lösungsenthalpie für Ammoniumchlorid und Kaliumnitrat endotherm  besseres Lösungsverhalten bei höherer Temperatur (Le Chatelier) 2. Entropie Aufbrechen des Gitters: Entropiezunahme Solvatation: System größerer Ordnung  Entropieabnahme Lösungsentropie für beide Salze negativ  Lösungsvorgang unterstützt durch hohe Temperaturen, da gilt:

Bildung der Kristallform Energie der Oberfläche hängt von kristallographischer Richtung der Fläche ab Flächen mit niedriger Energie (b) wachsen schnell werden von langsam wachsenden Flächen begrenzt verschwinden allmählich Kristallform bestimmt durch die langsam wachsenden Flächen (a)!

Zeta-Potential Potential an der Abscherschicht Abhängig von Ladung/Größe der Ionen, Ionenkonzentration http://www.freieck.de/Chemie/Zeta.html (04.07.2012)

Kristallwachstum Anlagerung kleinerer Bausteine an den Kristallkeim Struktur wird von Kristallkeim übernommen Morphologie abhängig von Wachstums- geschwindigkeiten der verschiedenen Flächen dicht gepackte Flächen wachsen langsam