Experimentalvortrag Anorganische Chemie Catharina Schmitt 1. Juli 2009

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

Reaktivität der Oberfläche Versuch 1 Eisenwolle

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

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.

Versuch 2 Bärlappsporen Veränderung der Reaktivität Versuch 2 Bärlappsporen

Auswertung Verwendeter Stoff: Bärlappsporen (Lycopodium) Hoher Zerteilungsgrad: Große Oberfläche bei kleinem Volumen Partikel entzünden sich schlagartig Zündung bereits durch Funken möglich http://www.michls.de/img/0308109.jpg

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 http://mino-engineering.combite.info/Data/bilder/Staubexplosion_2.jpg.

Größe der Oberfläche Versuch 3 Aktivkohle

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 http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/9/97/Aktivkohlerp.jpg.

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

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

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

Auswertung Verbrennung:

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.

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

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

Beschaffenheit der Oberfläche Aktive Stellen: Spaltung von NO am Ruthenium-Katalysator Ertl, G. Journ. Molec. Cat. A:Chemical‏, 182-183, 2002, 9. Ertl, G. Journ. Molec. Cat. A:Chemical‏, 182-183, 2002, 9. Nach 6 Minuten Nach 120 Minuten

Optimieren einer Eigenschaft Demo 1 Lotus-Effekt

Auswertung Verwendete Stoffe: Beschichtetes Stofftuch Wasser (H2O(l)) http://fotos.piqs.de/9/d/c/1/7/095d347f038f93d08d82c9a2e0b5f768.jpg.

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

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.

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°

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.

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

Versuch 5 Natronwasserglas „Ausschalten“ einer Eigenschaft Versuch 5 Natronwasserglas

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

Auswertung „Verbrennung“ mit Natronwasserglas-Lösung: Silicatschicht erschwert Luftzutritt Kristallwasser verdampft Hitzebeständiger Wasserglasschaum entsteht http://www2.hu-berlin.de/agrar/boden/EinfBoku/pcboku10.agrar.hu-berlin.de/cocoon/boku/silicat_ketten.jpg. Natronwasserglas-Lösung besteht aus Ketten- Silicaten [SiO32-]x

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

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

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

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“ https://www.fh-muenster.de/fb3/downloads/werkstofftechnik/ Oberflaechentechnik/OT_4.1.1_Phosphatieren.pdf

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

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

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))

Auswertung Beize Säurebeize

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

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.

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.

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

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

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

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)

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

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

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

Literatur Briehl, H., Chemie der Werkstoffe, B.G. Teubner, Stuttgart, 1995, 143-146. Hollemann, A. F., Wiberg, E. und N., Lehrbuch der Anorganischen Chemie, 102. Auflage, Walter de Gruyter, Berlin, 2007. Mortimer, Ch. E., Müller, U., Chemie – Das Basiswissen der Chemie, 8. Auflage, Thieme, Stuttgart, 2003. Roesky, H. W., Möckel, K., Chemische Kabinettstücke, Wiley-VCH, Weinheim, 1994, S. 234-235. Battino, R., Letcher, Rivett, D. E. A., Krause, P. Journal of Chemical Education, 1993, 70, 1029-1030. Ertl, G. Journal of Molecular Catalysis. A: Chemical‏, 182-183, 2002, 5-16. Fröba, M, Scheld, W., Gath, C., Hoffmann, F. Chemie in unserer Zeit, 2004, 38, 162-171. Gorst, I., Sieve, B., Pfeifer, P. Naturwissenschaften im Unterricht – Chemie, 2009, 109, 14-17. Schüth, F. Chemie in unserer Zeit, 2006, 40, 92-103. Sieve, B. Naturwissenschaften im Unterricht – Chemie, 2009, 109, 11-13. Sieve, B. Naturwissenschaften im Unterricht – Chemie, 2009, 109, 24-29. http://www.chemie.uni-erlangen.de/Zaubervorlesung/weisswein.html (letzter Zugriff: 04.05.2009, 19.31 Uhr). http://netexperimente.de/chemie/44.html (letzter Zugriff: 04.05.2009, 19.37 Uhr). http://www.chemie.uni-ulm.de/experiment/edm0798.html (letzter Zugriff: 04.05.2009, 19.48 Uhr). http://www.uni-siegen.de/fb8/chemiedidaktik/dokumente/wvmat/protokoll_ vom_25.05.2009_-_gruppe_d.pdf?m=e (letzter Zugriff: 28.06.2009, 21.03 Uhr). https://lp.uni-goettingen.de/get/text/2570 (letzter Zugriff: 28.06.2009, 21.53 Uhr). http://www.seilnacht.com/versuche/katal2.html#4 (letzter Zugriff: 30.06.2009, 12.08 Uhr).