Experimentalvortrag AC WS 2007/08 Angela Herrmann Metalloxide Experimentalvortrag AC WS 2007/08 Angela Herrmann

Gliederung Allgemeines Darstellung Verwendung Schulrelevanz

1. Allgemeines

Natürliches Vorkommen: 1. Allgemeines Natürliches Vorkommen: Magnetit (Fe3O4), Roteisenstein (Fe2O3) Pyrolusit (MnO2), Hausmannit (Mn3O4) Rutil (TiO2) Massicotit (PbO) Cuprit (Cu2O) Tonerde (Al2O3) Zinnstein (SnO2) Roteisenstein Pyrolusit Cuprit Saphir

Eigenschaften: Sehr unterschiedlich 1. Allgemeines Eigenschaften: Sehr unterschiedlich Manche Metalloxide reagieren in wässriger Lösung basisch: CaO (s) + H2O Ca(OH)2 (s) Ca2+(aq) + 2 OH-(aq) Metalle der Nebengruppen können verschiedene Oxide ausbilden, aufgrund der Oxidationsstufen +1 +2 Bsp.: CuO2 und CuO

Deutschlandfahne - chemisch 1. Allgemeines Versuch 1 Deutschlandfahne - chemisch

Versuch 1: Deutschlandfahne - chemisch 1. Allgemeines Versuch1 Versuch 1: Deutschlandfahne - chemisch Blei(IV) wird durch das Erhitzen stufenweise reduziert: +4 +2/+4 Stufe I: 3 PbO2 (s) Pb3O4 (s) + O2 (g) ↑ schwarz rot +2/+4 +2 Stufe II: 2 Pb3O4 (s) 6 PbO (s) + O2 (g) ↑ gelb

Bleioxide und ihre Verwendung 1. Allgemeines Versuch 1 Bleioxide und ihre Verwendung Pb3O4 (Mennige) Orangerot bis leuchtend rot Früher als Rostschutzmittel (Anstrich von Schiffen) verwendet Mennige

Früher auch als Farbe verwendet PbO2: Schwarzbraun Bleiakkumulator 1. Allgemeines PbO (Bleiglätte): Gelb Für Bleigläser Früher auch als Farbe verwendet PbO2: Schwarzbraun Bleiakkumulator Früher in Streichholzzündköpfen Massicotit (PbO)

2. Darstellung

Darstellungsarten: Thermische Zersetzung von Carbonaten Aus den Metallen mit Hilfe von Oxidationsmitteln Aus Metallsalzen Durch Reinigung natürlicher vorkommender Metalloxide Aus den Metallen durch Verbrennung an der Luft Durch Entwässern der Hydroxide

Darstellung aus Carbonaten: 1. Allgemeines Darstellung aus Carbonaten: Durch Erhitzen von Ca(CO3) (Kalk) erhält man CaO (gebrannter Kalk): Ca(CO3) (s) CaO (s) + CO2 (s) Reaktion in Wasser zu Ca(OH)2 (gelöschter Kalk): CaO (s) + H2O Ca(OH)2 (s)

Ca(OH)2 reagiert mit dem Luft-Kohlendioxid zum Carbonat: 1. Allgemeines Gelöschter Kalk wird für Luftmörtel verwendet: Sand, Ca(OH)2 und Wasser werden gemischt Ca(OH)2 reagiert mit dem Luft-Kohlendioxid zum Carbonat: Ca(OH)2 (aq) + CO2 (g) Ca(CO3) (s) + H2O

1. Allgemeines Demo 1 Luftmörtel

Versuch 2 Berger Mischung 2. Darstellung 2. Darstellung aus Metallen mit Oxidationsmitteln: Versuch 2 Berger Mischung

Reaktionsgleichungen: 2. Darstellung Versuch 2 Reaktionsgleichungen: Startreaktion: NH4Cl (s) + H2O NH3 (g) + H3O+(aq) + Cl-(aq) 0 +1 +2 +1 0 Zn (s) + 2 H3O+ (aq) Zn2+(aq + 2 H2O + H2 (g) ↑ ∆H << 0

Oxidation 1: Zn (s) Zn2+(aq) + 2 e- 2. Darstellung Versuch 2 Hauptreaktionen: 0 +2 Oxidation 1: Zn (s) Zn2+(aq) + 2 e- -3 0 Oxidation 2: 2 NH4+(aq) N2 (g) + 8 H+(aq) + 6 e- +5 0 Reduktion: 2 NO3-(aq) + 10 e- N2 (g) + 6 O2- Gesamt: Zn (s) + NH4(NO3) (aq) ZnO (s) + N2 (g) + 4 H2O Kompro- portio- nierung

2. Darstellung Demo 2 Wunderkerzen

Reaktionsgleichungen: 2. Darstellung Demo 2 Reaktionsgleichungen: Bariumnitrat dient als Oxidationsmittel/Sauerstofflieferant +5 -2 0 0 2 Ba(NO3)2 (s) 2 BaO (s) + 2 N2 (g) + 5 O2 (g) Die Metalle verbrennen mit Sauerstoff zu den entsprechenden Oxiden: 0 0 +3 -2 4 Al (s) + 3 O2 (g) 2 Al2O3 (s) (Eisen analog) 0 0 +2 -2 2 Mg (s) + O2 (g) 2 MgO (s)

Versuch 3 Chemischer Vulkan 2. Darstellung 3. Aus Metallsalzen: Versuch 3 Chemischer Vulkan Kilauea-Ausbruch 1983

Reaktionsgleichungen: 2. Darstellung Versuch 3 Reaktionsgleichungen: -3 0 Oxidation: 2 NH4+ N2 + 8 H+ + 6 e- +6 +3 Reduktion: Cr2O72- + 6 e- Cr2O3 + 4 O2- Gesamt: (NH4)2Cr2O7 (s) Cr2O3 (s) + N2 (g) + 4 H2O

Feuerwerk: Diese Darstellungen sind sehr exotherm Nutzt man für Feuerwerk aus Metalloxide werden dabei auch selbst als Oxidationsmittel verwendet (z.B. CuO; früher auch PbO2)

Geschichtliches zum Feuerwerk: 2. Darstellungsarten Geschichtliches zum Feuerwerk: Anfänge durch Entdeckung des Schießpulvers in China während der Hau-Dynastie (25 – 250 n. Chr.) In der Sung-Zeit (960 – 1279) gibt es die ersten Raketen Ende des 13. Jahrhunderts Überlieferung nach Europa Blütezeit des Feuerwerks in der Barock-Zeit 1838 erste Feuerwerksfirma in Deutschland

4. Darstellung von Titandioxid: Sulfat-Verfahren: Als Ausgangstoff dienen Ilmenit (FeTiO3) oder Titan-schlacke Wird mit konz. Schwefelsäure aufgeschlossen Zugabe von Eisenschrott (Fe2+)

Nach Abkühlen kristallisiert Eisensulfat aus (FeSO4∙7H2O) 2. Darstellung Fortsetzung: Nach Abkühlen kristallisiert Eisensulfat aus (FeSO4∙7H2O) Rest: Eisenfreies Titanylsulfat (TiOSO4 (aq)) Durch Erhitzen erhält man Titandioxid-Hydrat und verdünnte Schwefelsäure Im Drehofen entsteht je nach Temperatur Anatas oder Rutil

Chlorid-Verfahren: Ausgangsstoff: Titanschlacke (verunreinigtes Rutil) 2. Darstellung Chlorid-Verfahren: Ausgangsstoff: Titanschlacke (verunreinigtes Rutil) Umsetzung mit Koks und Chlor zu Titanchlorid (TiCl4): TiO2 (s) + 2 C(s) + Cl2 (g) TiCl4 (l) + 2 CO (g) Reinigung durch Destillation: TiCl4 (l) TiCl4 (g) Reaktion mit Wasserdampf oder Sauerstoff zu Rutil: TiCl4 (g) + H2O (g) TiO2 (s) + 4 HCl (g) TiCl4 (g) + O2 (g) TiO2 (s) + 2 Cl2 (g)

3. Verwendung

Titandioxid – wo nutzt man es? Anstrichfarbe Zahnpasta Kunststoffe 3. Verwendung Titandioxid – wo nutzt man es? Anstrichfarbe Zahnpasta Kunststoffe Papier Keramik Salami

Nachweis von Titandioxid 3. Verwendung Versuch 4 Nachweis von Titandioxid

Reaktionsgleichungen: 3. Verwendung Versuch 4 Reaktionsgleichungen: TiO2 (s) + K2S2O7 (s) TiOSO4 (s) + K2SO4 (s) TiOSO4 (s) + 5 H2O [Ti(OH)2(H2O)4]2+(aq) + SO42-(aq) [Ti(OH)2(H2O)4]2+(aq) + H2O2 (aq) [Ti(O2)(OH)(H2O)3]+(aq) + 2 H2O + H+ (aq) orangegelb ∆

3. Verwendung Versuch 4 Titanperoxokomplex: + O HO O Ti H2O OH2 H2O

3. Verwendung Versuch 5 Aluminothermie

Aufbau: Wunderkerze umwickelt mit Mg-Band BaO2 & Mg-Pulver 3. Verwendung Versuch 5 Aufbau: Wunderkerze umwickelt mit Mg-Band BaO2 & Mg-Pulver Fe2O3 & Al-Grieß Filterpapier

Reaktionsgleichungen: 2. Darstellung Versuch 5 Reaktionsgleichungen: 0 +3 Oxidation: Al (s) Al3+ + 3 e- +3 0 Reduktion: Fe3+ + 3 e- Fe (s) Gesamt: Al (s) + Fe2O3 (s) Fe (s) + Al2O3 (s) Die Mischung aus Bariumperoxid und Magnesium dient als Zündung: -1 0 -2 +2 -2 BaO2 (s) + Mg (s) BaO (s) + MgO (s) ∆H << 0

Geschichtliches: Erfinder der Aluminothermie 3. Verwendung Geschichtliches: Erfinder der Aluminothermie war Hans Goldschmidt (1861-1923) Entwickelte das Verfahren weiter um Schienenstränge zu ver- schweißen (Thermitschweiß- verfahren) Hans Goldschmidt

Bei der Patentanmeldung (1895): 3. Verwendung Bei der Patentanmeldung (1895): Patentbeamter: „Sehen Sie, Herr Doktor, Sie zünden das Gemisch an und es brennt weiter, das ist doch keine Erfindung; wenn Sie eine Zigarre anzünden, brennt sie auch weiter.“ Goldschmidt: „Nur kann man mit einer brennenden Zigarre keine Schienen schweißen.“

Industrielle Eisendarstellung 3. Verwendung Industrielle Eisendarstellung Großtechnisch wird Eisen im Hochofenprozess aus Eisen(III)oxid dargestellt Dabei wird Eisen(III)oxid durch Kohlen- stoff reduziert Arbeiter vor flüssigem Eisen

Aufbauschema eines Hochofens

Reaktionsgleichungen des Hochofenprozess: 3. Verwendung Reaktionsgleichungen des Hochofenprozess: +3 +2 +2/+3 +4 400 °C: 3 Fe2O3 (s) + CO (g) 2 Fe3O4 (s) + CO2 (g) +2/+3 +2 +2 +4 700 °C: Fe3O4 (s) + CO (g) FeO (s) + CO2 (g) 0 +4 +2 1200 °C: C (s) + CO2 (g) 2 CO (g) +2 +2 0 +4 FeO (s) + CO (g) Fe (l) + CO2 (g) 0 0 +2 -2 1600-2300 °C: 2 C (s) + O2 (g) 2 CO (g)

3. Verwendung Stromquellen: Primärelement: Strom durch Redoxreaktion der Elektrodensubstanzen – keine Aufladung möglich Sekundärelement: Strom durch Redoxreaktion der Elektrodensubstanzen – Aufladung möglich Brennstoffzelle: Der Brennstoff wird den Elektroden kontinuierlich zugeführt

Geschichte der Batterie: 3. Verwendung Geschichte der Batterie: Schon bei Ägyptern (ca. 2300 v. Chr.) und Parthern (ca. 250 v. Chr.) vorhanden? 1800: Volta baut die „Voltasche Säule“ „Bagdad-Batterie“ Voltasche Säule

1836: Daniell-Element – Nutzung für Telegrafen 3. Verwendung 1802: „Rittersche Säule“ – erster Akkumulator 1836: Daniell-Element – Nutzung für Telegrafen 1860: Entwickelt Leclanché die Zink-Braunstein-Zelle – wird später zur Trockenzelle weiterentwickelt Johann Wilhelm Ritter

Versuch 6 Leclanché-Element Ein Primärelement 3. Verwendung Georges Leclanché

Aufbau eines Leclanché-Elements: Abdichtung Kohlestift Mangandioxid Zink Elektrolyt NH4Cl

Kathode (Graphitelektrode): 3. Verwendung Versuch 6 Kathode (Graphitelektrode): +4 +3 2 MnO2 (s) + 2 H2O + 2 e- 2 MnO(OH) (s) + 2 OH- Anode (Zinkblech): 0 +2 Zn (s) Zn2+(aq) + 2 e- Elektrolyt (NH4Cl): 2 NH4Cl (aq) + 2 OH- + Zn2+(aq) Zn(NH3)2Cl2 (s) + 2 H2O Gesamt: 2 MnO2 (s) + Zn (s) + 2 NH4Cl (aq) 2 MnO(OH) (s) + Zn(NH3)2Cl2 (s)

Sekundärelement – der Bleiakkumulator 3. Verwendung Sekundärelement – der Bleiakkumulator 1859 von Planté entwickelt Verwendung als Autobatterie Blei- und Bleidioxidelektrode Elektrolyt: 20 %-ige Schwefel- säure Ladungszustand kann durch Dichtemessung ermittelt werden

Reaktionen des Bleiakkumulators: 3. Verwendung Reaktionen des Bleiakkumulators: Negative Elektrode: 0 +2 Pb (s) + SO4-(aq) PbSO4 (s) + 2 e- Positive Elektrode: +4 +2 PbO2 (s) + SO4-(aq) 4 H3O+(aq) + 2 e- PbSO4 (s) + 2 H2O Gesamt: Pb (s) + PbO2 (s) + 2 H2SO4 (aq) 2 PbSO4 (s) + 2 H2O Entladung Ladung

3. Verwendung Glas: Hauptbestandteil: SiO2 – bildet Netzwerk mit [SiO4]-Tetraedern (Nahordnung) Basische Oxide (wie Na2O, K2O, CaO) bilden Trennstellen (Trennstellenbildner) Al2O3, B2O3 sind Netzwerkbildner Metalloxide der Nebengruppen sorgen für die Färbung von Glas

Demo 3 Farbiges Glas 3. Verwendung Demo 3 Rosettenfenster in Carcassonne

Oxidfärbung Beimischung Metalloxid Farbe FeO Grün CoO Blau MnO2 3. Verwendung Demo 3 Oxidfärbung Beimischung Metalloxid Farbe FeO Grün CoO Blau MnO2 Violett Fe2O3 Gelbbraun CuO Blaugrün Cr2O3 Smaragdgrün

Anlauffärbung durch kolloidale Metalle (z.B. Rubinglas mit Gold) 3. Verwendung Demo 3 Anlauffärbung durch kolloidale Metalle (z.B. Rubinglas mit Gold) Milchglas durch Einlagerung kleiner fester Teilchen (z.B. SnO2) Pokal aus Rubinglas Tasse aus Milchglas

4. Schulrelevanz

Lehrplan (Hessen G8): G7.2: 4. Schulrelevanz Lehrplan (Hessen G8): G7.2: Reaktionen von Metallen (und Nichtmetallen) mit Luft (Sauerstoff) Umkehrung der Oxidbildung – Metallgewinnung aus Erzen G8.1: Oxidationszahlen G10.1: Redoxreaktionen Elektrochemische Spannungsquellen

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