kolloid disperse Systeme Vom Gold zum Geld machen 17.06.2009 Experimentalvortrag von David Zindel

1 Gliederung 1 Gliederung 2 Definition kolloid disperser Systeme 3 Solid/Liquid - System 4 Gas/Solid - System 5 Liquid/Gas - System 6 Liquid/Solid - System 7 Einordnung in den Lehrplan 8 Literatur

2 Definition kolloid disperser Systeme Kolloide sind Partikel im Bereich zwischen 1 und 1000 nm. Diese Partikel können fest, flüssig oder gasförmig sein und werden auch als disperse Phase bezeichnet. Die Kolloide befinden sich gleichmäßig verteilt in einem Dispersionsmittel, dieses kann fest, flüssig oder gasförmig sein. Kolloide werden in drei Klassen unterteilt: Dispersionskolloide: Zerteilungsform der Materie Molekülkolloide: Makromoleküle (103 – 109 Atome) Assoziationskolloide (Micellkolloide): selbstorganisierte Systeme, Bsp: Seifen und andere Tenside

2 Definition kolloid disperser Systeme disperse Phase Dispersions-mittel Bezeichnung Beispiele flüssig gasförmig Flüssige Aerosole Nebel fest Feste Aerosole Rauch, Staub Schaum Seifenschaum Emulsion Milch, Kosmetika Sol (Gel) Farben, Lacke Fester Schaum Gasbeton Feste Emulsion Opal, Perlen Feste Sole Goldrubinglas

3 Solid/Liquid - System Versuch 1: Kolloidales Gold Ausgangsstoffe: - Tetrachlorgoldsäure HAuCl4 C - Natriumcarbonat Na2CO3 Xi - Natriumcitrat C6H8O7

3 Solid/Liquid - System Auswertung

3 Solid/Liquid - System Auswertung

3 Solid/Liquid - System Die Farbigkeit der Goldkolloide beruht darauf, dass bestimmte Wellenlängen des sichtbaren Lichts durch die Kolloide absorbiert werden. Abb.: Farbkreis, aus:http://www.rechtsklick.org/alt/online_lesen/Jahresarbeit_Komplett-img3.png

3 Solid/Liquid - System Einsatz in Kirchenfenstern Verwendung in Katalysatoren Abb. Kirchenfenster der Kathedrale von Sevilla , aus: http://www.geo-reisecommunity.de/bild/regular/140601/Sevilla-Kathedrale.jpg

3 Solid/Liquid - System Versuch 2: Kolloidales Kupfer Ausgangsstoffe: - Kupfer Cu - Natriumchlorid NaCl - ention. Wasser H2O

3 Solid/Liquid - System Auswertung Kupfer- Elektrode Kupfer- Elektrode Kathode Anode NaCl-Lösung

- Schematische Darstellung eines Kupferkolloids - 3 Solid/Liquid - System Auswertung - Schematische Darstellung eines Kupferkolloids - Das kolloidale Teilchen ist von einer stabilisierenden Doppelschicht aus Ionen umgeben.

3 Solid/Liquid - System Tyndall-Effekt Lichtstrahl Kolloidale Lösung Auge / Detektor

3 Solid/Liquid - System Versuch 3: Ladungssinn von Kolloiden Ausgangsstoffe: - Eisenhydroxidoxid-Kolloide FeO(OH) - Salzsäure HCl C

3 Solid/Liquid - System Auswertung Anode (Oxidation): Reduktion: Aufnahme von 2 Elektronen +1 -2 -1 0 +1 -2 0 Oxidation: Abgabe von 2 Elektronen Anode (Oxidation): Kathode (Reduktion):

- Schematische Darstellung eines Eisenhydroxidoxid-Kolloids - 3 Solid/Liquid - System Auswertung - Schematische Darstellung eines Eisenhydroxidoxid-Kolloids - + Pol Anode Pol Kathode

3 Solid/Liquid - System Demonstration 1: „Echte“ und kolloidale Lösungen Ausgangsstoffe: - Gelatine - Methylorange (w = 0,001) - Tinte (w = 0,005) - Methylenblau (w = 0,0005) - Fuchsin (w = 0,0005) - Kupfersulfat (w = 0,05) - kolloidales Berliner Blau (w ≈ 0,022 ) - Eisenhydroxidoxid-Kolloid (w ≈ 0,001) - verdünntes kolloidales Berliner Blau (w ≈ 0,001)

- Proben unmittelbar nach dem Überschichten - 3 Solid/Liquid - System Beobachtung - Proben unmittelbar nach dem Überschichten - Kolloidales Eisenhydroxidoxid Methylorange Methylenblau Kupfersulfat Kolloidale Tinte Fuchsin Kolloidales Berliner Blau Gering konzentriertes Berliner Blau

- Proben einen Tag nach dem Überschichten - 3 Solid/Liquid - System Beobachtung - Proben einen Tag nach dem Überschichten - Kolloidales Eisenhydroxidoxid Methylorange Methylenblau Kupfersulfat Kolloidale Tinte Fuchsin Kolloidales Berliner Blau Gering konzentriertes Berliner Blau

- Proben eine Woche nach dem Überschichten - 3 Solid/Liquid - System Beobachtung - Proben eine Woche nach dem Überschichten - Kolloidales Eisenhydroxidoxid Methylorange Methylenblau Kupfersulfat Kolloidale Tinte Fuchsin Kolloidales Berliner Blau Gering konzentriertes Berliner Blau

3 Solid/Liquid - System Auswertung „echte“ kolloidale Lösung Lösung (Berliner Blau) (Fuchsin) Gelatine

3 Solid/Liquid - System Versuch 4: Fällung von Kolloiden Ausgangsstoffe: - kolloidales Berliner Blau K[FeFe(CN)6] - Lösung - Silberiodid-Sol AgI - Lösung - Aluminiumsulfat-Lösung Al2(SO4)3 - Lösung

3 Solid/Liquid - System Auswertung = K+ = Cl-

3 Solid/Liquid - System Versuch 5: Berliner Blau: Vom Sol zum Gel zum Sol Ausgangsstoffe: - Kaliumhexacyanoferrat- Lösung K4[Fe(CN)6]-Lösung - Eisen(III)chlorid – Lösung FeCl3-Lösung Xn

3 Solid/Liquid - System Auswertung

3 Solid/Liquid - System Gelbildung Koagulation Peptisation Kolloid Gel

4 Gas/Solid - System Demonstration 2: Gasbeton Ausgangsstoffe: - Seesand (SiO2) - Portlandzement (Kalk-Ton-Zement): Xi CaO (58-66%), SiO2 (18-26%), Al2O3 (4-12%), Fe2O3 (2-5%), Ca3SiO5, Ca2SiO4, Ca3Al2O6, Ca2AlFeO5 - Aluminiumpulver Al F - Wasser H2O

Reduktion: Aufnahme von 6 Elektronen 4 Gas/Solid - System Auswertung Oxidation: Abgabe von 6 Elektronen Reduktion: Aufnahme von 6 Elektronen

4 Gas/Solid - System Reaktionen beim Aushärten des Zements: Calciumsilicate reagieren beim Aushärten des Zements zu „Tobermoritphasen“.

4 Gas/Solid - System Die Gaseinschlüsse erfolgen im nm – Maßstab rgasrgtartgartart Aufnahme: 300 kV Hochauflösung im Transmissions-Elektronenmikroskop

4 Gas/Solid - System Ytong® Steine ca. 1 Milliarde Euro Umsatz der Xella-Gruppe im Bereich Baustoffe (2008) Abb. Ytong-Stein, aus: http://www.bau-docu.at/5/pdcnewsitem/00/82/65/ytong.jpg

5 Liquid/Gas - System Versuch 6a: Nebel Ausgangsstoffe: - Trockeneis CO2 - heißes Wasser H2O Versuch 6b: Kunstnebel - Propylenglycol C3H8O2 - Wasser H2O

5 Liquid/Gas - System Auswertung Versuch 6a Abb.: Phasendiagramm des Wassers, aus: Hollemann, Wiberg, 2007

5 Liquid/Gas - System Auswertung Versuch 6b Vorteil gegenüber Trockeneis - Ausgangsstoffe sind lang lagerungsfähig - geringer Aufwand bei der Lagerung - geringe Kosten bei gleichzeitiger Flexibilität der Anwendung

6 Liquid/Solid - System Demonstration 3: Opal Der Opal ist ein amorphes Mineral der Zusammensetzung SiO2. n H2O. Opale entstehen durch Polykondensation von Kieselsäure. Dabei kommt es zur kolloidalen Einlagerung von Wasser.

7 Einordnung in den Lehrplan V1 - 10. Klasse Redoxreaktionen in wässriger Lösung V2 - 10. Klasse Elektrolyse V3 - 10. Klasse Elektrolyse, Redoxreaktionen Alternativ: Wahlthema im Bereich Angewandte Chemie, 12. Klasse D1 - 7. Klasse Diffusion im Teilchenmodell

7 Einordnung in den Lehrplan V4 - 12. Klasse Chemisches Gleichgewicht Fakultativ: im Bereich Abwasserreinigung, Fällungsreaktionen, 12. Klasse V5 - 12. Klasse Chemisches Gleichgewicht D2 - 10. Klasse Redoxreaktionen V6 - 7. Klasse Aggregatzustände und Übergänge D3 - 7. Klasse Erhitzen zur Stofftrennung, Stoffgemische Optional und optimal: Projektwoche

8 Literatur Atkins, P. W., de Paula, J., Kurzlehrbuch Physikalische Chemie, 4. Auflage, Wiley-VCH, Winheim 2008. Heinzerling, P., Nanochemie in der Schule: Eine historisch experimentelle Annäherung, in: PdN – ChiS (1/2006), S. 32 – 36. Hoffmann, T., Kolloide, in: ChiuZ (1/2004), S. 24 – 35 Holleman, A. F., Wiberg, N., Lehrbuch der Anorganischen Chemie, 102. Auflage, Walter de Gruyter, Berlin 2007. Jannasch, S., Duvinage, B., Eigenschaften von Kolloiden experimentell ermittelt, in: PdN – ChiS (7/2006), S. 25 – 28. Kouetz, J., Kolloidchemie – Von der Alchemie zur Nanotechnologie, in: PdN – ChiS (7/2006), S. 2 – 4. List, P. H., Arzneiformenlehre, Ein Lehrbuch für Pharmazeuten, 4. Auflage, Wissenschaftliche Verlagsgesellschaft, Stuttgart 1985. Mortimer, C. E., Müller, U., Chemie. Das Basiswissen der Chemie, 9. Auflage, Thieme, Stuttgart 2007. Pötter, M., Vom Stoffgemisch z den Kolloiden, in: PdN – ChiS (7/2006), S. 5 – 17. Tuckermann, R., Wipper, K., Cammenga, H. K., Demonstrationsversuche zur Herstellung und zu den Eigenschaften von Kolloiden, in: PdN – ChiS (7/2006), S. 18 – 24. Voigt, R., Pharmazeutische Technologie. Für Studium und Beruf, 7. Auflage, Ullstein Mosby, Berlin 1993.

8 Literatur http://images.google.de/imgres?imgurl=http://www.geo-reisecommunity.de/bild/regular/140601/Sevilla- Kathedrale.jpg&imgrefurl=http://www.geo-reisecommunity.de/bild/140601/Spanien-Sevilla- Kathedrale&usg=__ni3BPGht6x7SEPsxcRAa8phGgjA=&h=733&w=550&sz=105&hl=de&start=12&tbnid=_ KfXARIR_qTGEM:&tbnh=141&tbnw=106&prev=/images%3Fq%3Dsevilla%2Bkathedrale%26gbv%3D2%26h l%3Dde www.xella.de/downloads/deu/press/1_Xella_auf_Wachstumskurs_61.doc matsci.iw.uni-halle.de/Kressler/EDUCATION/lectures/VOScript6-PhysChemPharm.doc – http://books.google.de/books?id=t0t1g7CN0BMC&pg=PA59&lpg=PA59&dq=ausf%C3%A4llen+von+kolloi den&source=bl&ots=BZ-KYsosgL&sig=mmRMnV9xP7qml3rislNFrQqEp10&hl=de&ei=GUUuSovGPMKwsAa6- oC_CQ&sa=X&oi=book_result&ct=result&resnum=1 http://www.rechtsklick.org/alt/online_lesen/Jahresarbeit_Komplett-img3.png http://www.bau-docu.at/5/pdcnewsitem/00/82/65/ytong.jpg http://darwin.bth.rwth-aachen.de/opus3/volltexte/2006/1371/pdf/Noyong_Michael.pdf