Nanochemie Modul - Nano-Portal DGUVnano.dguv.de/fileadmin/user_upload/documents/textfiles/Grundlagen/... · Nanochemie Modul Experimentieranleitungen Dezember 2010 Stephan Knébel,

Nanochemie Modul

Experimentieranleitungen

Dezember 2010

Stephan Knbel, Marianne Dietiker, Christoph Meili

Modulsponsor:

Dieses Modul wurde mit freundlicher Untersttzung

der Metrohm Stiftung Herisau realisiert.

Bildungsplattform zur Mikro- und Nanotechnologie fr

Berufsfach- und Mittelschulen sowie Hhere Fachschulen

Nanochemie Modul

Swiss Nano-Cube/Dezember 2010 www.swissnanocube.ch Kontakt

Kontakt:

Die Innovationsgesellschaft St. Gallen

Lerchenfeldstrasse 5, 9014 St. Gallen

Tel. +41 (0) 71 274 72 66

Mail: [email protected]

www.swissnanocube.ch

Version Dezember 2010

Dieses Modul wurde von der Innovationsgesellschaft St. Gallen im Rahmen des Projektes

Swiss Nano-Cube realisiert. Autoren: Stephan Knbel, Marianne Dietiker, Christoph Meili.

Bild Titelseite: Swiss Nano-Cube

Dr. Christoph Meili

Dr. oec HSG / Dipl. Natw. ETH, ehem. Chemie- und Biologielehrer

CEO Innovationsgesellschaft

Telefon: +41 (0)71 274 74 18

E-Mail: [email protected]

Aufgabenbereich: Leitung Gesamtprojekt Swiss Nano-Cube

Marianne Dietiker

Dipl. Werkstoffing. ETH, Primar- und Realschullehrerin

Projektleitung Swiss Nano-Cube

Telefon: +41 (0)71 274 72 66


Aufgabenbereich: Didaktik, methodische Entwicklung

Stephan Knbel

M.Sc. Biol. ETH

Assistenz der Projektleitung

Telefon: +41 (0)71 274 74 18


Aufgabenbereich: Wissenschaftliche Aufarbeitung, Gestaltung, Layout

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Nanochemie Modul

Swiss Nano-Cube/Dezember 2010 www.swissnanocube.ch bersicht

Inhaltsbersicht

1. Pyrophores Eisen: Experimentieranleitung

2. Ferrofluid: Experimentieranleitung

3. Flssigkristalle: Experimentieranleitung

4. Goldrubinglas: Experimentieranleitung

5. Nanogold: Experimentieranleitung

Vernderung der optischen Eigenschaften bei nanoskaligem Gold.

Lslichkeit von Nanopartikeln aufgrund ihrer funktionalen Oberflche.

Anwendung von Goldkolloiden zum Beispiel in Schwangerschaftstests.

Optische Eigenschaften von nanoskaligem Gold.

Anwendung von Goldkolloiden beim Einfrben von Glasmaterialien.

Farbvernderungen von Materialien induziert durch die Vernderung der

kristallinen Struktur in der Nanodimension.

Flssigkristalle als Kombination von Flssigkeitseigenschaften mit

kristalliner, nanodimensionaler Ordnung.

Anwendung von Flssigkristallen in Temperatursensoren oder LCDs.

Vernderung der magnetischen Eigenschaften von nanoskaligen

Ferromagneten.

Superparamagnetische Nanopartikel.

Anwendung von Ferrofluiden zum Beispiel in der Tumorbekmpfung.

Vernderte Verbrennungseigenschaften von nanoskaligem Eisen.

Vernderte Reaktivitt von Nanopartikeln durch Oberflcheneffekt.

Nanochemie Modul

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Pyrophores Eisen

Experimentieranleitung

Dezember 2010


Modulsponsor:





Experimentieranleitung Pyrophores Eisen


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Swiss Nano-Cube/Dezember 2010 www.swissnanocube.ch 1/16

Inhalt

1. Nano-Kontext ........................................................................................................................ 2

2. Beschreibung des Experiments .......................................................................................... 2

3. Chemikalien/Substanzen ..................................................................................................... 3

4. Versuchsanordnung/Materialien ......................................................................................... 3

4.1. Bentigte Materialien Teil 1: Herstellung Eisenoxalat ..................................................... 3

4.2. Bentigte Materialien Teil 2: Verbrennungsreaktion ....................................................... 4

5. Versuchsdurchfhrung und Musterresultate .................................................................... 5

5.1. Teil 1: Herstellung Eisenoxalat ........................................................................................ 5

5.2. Teil 2: Verbrennungsreaktion .......................................................................................... 8

5.3. Entsorgung der Lsungen und Chemikalien ................................................................... 9

6. Theoretische Grundlagen .................................................................................................. 10

6.1. Chemische Grundlagen ................................................................................................. 10

6.2. Physikalische Grundlagen: Spezifische Oberflche ..................................................... 11

7. Anhang 1: Literaturnachweis ............................................................................................ 12

8. Anhang 2: Chemikalien/Sicherheit/Entsorgung .............................................................. 13

8.1. Allgemeine Hinweise ..................................................................................................... 13

8.2. Links Zu den Sicherheitsdatenblttern .......................................................................... 13

8.3. Rechtsgrundlagen/Haftung ............................................................................................ 13

8.4. Details zu den verwendeten Chemikalien ..................................................................... 14

Begleitvideo zur Experimentieranleitung

http://www.youtube.com/watch?v=uZL7Ejd9xlU



1. Nano-Kontext

Vernderte Verbrennungseigenschaften von nanoskaligem Eisen

Vernderte Reaktivitt von Nanopartikeln durch Oberflcheneffekt

2. Beschreibung des Experiments

Chemikalien werden als pyrophor bezeichnet, wenn sie sich in Kontakt mit Luftsauerstoff

spontan entznden.

Nanoskaliges Eisen reagiert heftig bei Kontakt mit Sauerstoff. Die bei diesem

Oxidationsprozess freiwerdende Energie ist so hoch, dass sich die Eisenpartikel spontan

entznden. Nanoskaliges Eisen hat pyrophore Eigenschaften und wird deshalb auch

pyrophores Eisen genannt.

Bei diesem Versuch wird Ammoniumeisen(II)-Oxalat durch Erhitzen in nanoskaliges

elementares Eisen umgewandelt [1].

Die entstehenden Nanopartikel aus elementarem Eisen besitzen eine extrem grosse

spezifische Oberflche. Dadurch wird die Reaktivitt mit Sauerstoff stark erhht [2].

Sobald nanoskaliges Eisen mit Sauerstoff in Kontakt kommt, verbrennt es unter

Funkenbildung.

Mit dem Versuch kann gezeigt werden, dass durch die gezielte Vergrsserung der

Oberflche die Aktivierungsenergie bestimmter Reaktionen entscheidend verringert werden

kann.



3. Chemikalien/Substanzen

Details sind im Anhang 2: Chemikalien/Sicherheit/Entsorgung zu finden.

Di-Ammoniumoxalat Monohydrat//(NH4)2C2O4H2O (Carl Roth GmbH)

Ammoniumeisen(II)-Sulfat Hexahydrat/(NH4)2Fe(SO4)26H2O (Carl Roth GmbH)

destilliertes Wasser

4. Versuchsanordnung/Materialien

Abbildung 1: Versuchsanordnung/Materialien. (Bild: Swiss Nano-Cube)

4.1. Bentigte Materialien Teil 1: Herstellung Eisenoxalat

Materialangaben fr jeweils 2 Schlerinnen und Schler (Zweierteam)

4.1.1. Schritt 1: Herstellung der Lsungen

1 Messzylinder 100 ml (Skalierung 1 ml)

1 Stabpipette 10 ml (Skalierung 0.1 ml) mit Pipettierhilfe

1 Thermometer (bis 100 C)

1 Stoppuhr

1 Heizplatte mit Magnetrhrfunktion

1 Rhrfisch

je 1 Becherglas 50 ml und 25 ml

1 Waage (Genauigkeit bis 0.01 g) und ausreichend Wge-Schalen fr die ganze Klasse

1 Spatel



4.1.2. Schritt 2: Mischen der Lsungen und Ausfllung des Oxalats

1 Thermometer (bis 100 C)

1 Stoppuhr

1 Heizplatte mit Magnetrhrfunktion

1 Rhrfisch

1 Becherglas 250 ml fr die Ammoniumeisen(II)-Sulfat-Lsung

1 Kunststoffspritze 20 ml (Skalierung 1 ml)

4.1.3. Schritt 3: Isolieren des Ammoniumeisen(II)-Oxalats durch Filtrierung

2 Glastrichter

1 Stativ mit Halterungen fr 2 Trichter

2 Filterpapiere (Macherey-Nagel MN 615, ca. 110 mm)

2 Uhrglser ( ca. 100 mm)

1 Abtropfschale (ca. 500 ml, siehe Abb. 1)

1 feuerfestes Reagenzglas ( mind. 10 mm, Lnge mind.150 mm)

4.2. Bentigte Materialien Teil 2: Verbrennungsreaktion

1 Bunsenbrenner (inkl. Feuerzeug)

1 Pinzette

1 feuerfestes Reagenzglas ( mind. 10 mm, Lnge mind.150 mm)

1 Metallklemme (Reagenzglashalterung)

Watte (eine Handvoll pro Reagenzglas)

1 feuerfeste Unterlage (evtl. zustzlich mit Alufolie abdecken)

1 starker Magnet/Haftkraft 2-3 kg (www.supermagnete.ch)

http://www.supermagnete.ch/S-12-06-N



5. Versuchsdurchfhrung und Musterresultate

Tipp fr die Lehrperson:

Die Verbrennungsreaktion (Teil 2) funktioniert nur, wenn das Di-Ammoniumeisen-Di-Oxalat

vllig trocken ist. Die Herstellung des Di-Ammoniumeisen-Di-Oxalat muss daher mindestens

einen Tag vor dessen Verbrennung durchgefhrt werden. Das Experiment wird aus diesem

Grund am besten auf zwei Lektionen an unterschiedlichen Tagen aufgeteilt (Teil 1 und Teil 2).

Fr beide Teile knnen die Schlerinnen und Schler in Zweierteams arbeiten. Fr Teil 1

knnen pro Zweierteam die Mengen und Materialien verwendet werden, welche in Tabelle 1 (fr

eine Verbrennung) angegeben sind.

Je nach verfgbarem Material und Zeit kann auch nur Teil 2 des Experiments mit der gesamten

Klasse durchgefhrt werden. In diesem Fall ist es empfehlenswert, dass die Lehrperson eine

bestimmte Menge Di-Ammoniumeisen-Di-Oxalat vorab (mindestens einen Tag im Voraus)

herstellt und dieses dann portionenweise den Schlerinnen und Schlern (in Gruppen) zur

Verfgung stellt. Die Herstellung von Di-Ammoniumeisen-Di-Oxalat fr eine ganze Klasse durch

die Lehrperson ist allerdings sehr aufwndig. Daher ist es ratsam, die Durchfhrung des

zweiten Teils in Gruppen von 3-4 Schler/innen durchzufhren. Sollte dies nicht mglich sein,

kann die Lehrperson auch das gesamte Experiment als Vorfhrexperiment der Klasse

prsentieren.

5.1. Teil 1: Herstellung Eisenoxalat

5.1.1. Berechnungen

Tabelle 1: Berechnungs-Schlssel zur Ermittlung der Chemikalienmengen

Herstellung Eisenoxalat fr: eine Verbrennung vier Verbrennungen

(Maximale empfohlene Menge pro Herstellungsdurchgang)

Lsung 1: Gesttigte Ammoniumoxalat Lsung

(NH4)2C2O4H2O 2.5 g 10 g

Dest. Wasser 25 ml 100 ml

Becherglas (Volumen) 50 ml 250 ml

Lsung 2: 50 mM Ammoniumeisen(II)-Sulfat Lsung

(NH4)2Fe(SO4)26H2O 2 g 8 g

Dest. Wasser 100 ml 400 ml

Becherglas (Volumen) 250 ml 500 ml

Lsung 1 + Lsung 2 20 ml + 100 ml 80 ml + 400 ml

Filterpapiere/Trichter (Anzahl) Je 2 Stck Je mind. 4 Stck

Plastikspritzen (Volumen/Anzahl)

20 ml/1Stck 100 ml/1 Stck

Durchfhrung 1x 1x

Verbrennungen (Teil 2) 1x (hchstens 2x) 4x (hchstens 8x)




Die maximale empfohlene Menge fr einen Herstellungsdurchgang reicht fr 4 Verbrennungen

im Teil 2 des Experiments. Wird das hergestellte Eisenoxalat auf mehr als 4 Verbrennungen

aufgeteilt, so lsst sich der Verbrennungsvorgang schlechter beobachten. Wird eine grssere

Menge bentigt, soll die Herstellung der maximalen empfohlenen Menge mehrmals

hintereinander durchgefhrt werden.

5.1.2. Experimentelle Durchfhrung Teil 1

Dauer ca. 35 min

Menge fr eine Verbrennung (mittlere Spalte Tab. 1)

Sicherheitshinweis: Schutzbrille, Handschuhe!

Wichtig: Fr jede Lsung einen neuen, sauberen Messzylinder verwenden oder den bereits

gebrauchten vorher gut auswaschen (Entsorgungshinweise fr Chemikalien in Anhang 2

beachten).

5.1.2.1. Schritt 1: Herstellung der Lsungen

Dauer ca. 15 min

Gesttigte Di-Ammoniumoxalat Lsung

1. 2.5 g Di-Ammoniumoxalat Monohydrat in ein 50 ml Becherglas mit Rhrfisch geben und 25

ml dest. Wasser dazu pipettieren. Dazu eine Stabpipette (10 ml/0.1 ml Skalierung)

verwenden.

2. Das Becherglas auf eine Heizplatte mit Magnetrhrfunktion stellen und bei angemessener

Geschwindigkeit zu rhren beginnen.

3. Die Heizplatte einschalten (Schalter bei ca. 150C) und auf ca. 50C erwrmen. Den

Temperaturanstieg der Lsung mit dem Thermometer verfolgen.

4. Bis 50C rhren, das Becherglas dann von der Heizplatte nehmen. Danach wird gewartet,

bis sich das nicht lsbare Ammoniumoxalat nach ca. 1 min am Boden des Becherglases

absetzt.

Herstellung der 50 mM Ammoniumeisen(II)-Sulfat Lsung

5. Whrend sich das Di-Ammoniumoxalat aus Schritt 4 absetzt, kann die Ammoniumeisen(II)-

Sulfat Lsung vorbereitet werden. Dazu 2 g Ammoniumeisen(II)-Sulfat Hexahydrat in ein

250 ml Becherglas geben und 100 ml dest. Wasser hinzufgen. Dazu einen Messzylinder

(100 ml Fassungsvermgen/1 ml Skalierung) verwenden.

6. Das Becherglas auf die Heizplatte mit Magnetrhrfunktion stellen und bei angemessener

Geschwindigkeit so lange rhren, bis das Ammoniumeisen(II)-Sulfat Hexahydrat

vollstndig gelst ist. Anschliessend weiterrhren.

5.1.2.2. Schritt 2: Mischen der Lsungen und Ausfllung des Oxalats

Dauer ca. 15 min

7. Die Di-Ammoniumoxalat Lsung mit der 20 ml Plastikspritze aufsaugen, ohne dass dabei

das nicht gelste Di-Ammoniumoxalat am Boden des Becherglases in die Spritze gelangt.

8. Anschliessend die 20 ml aus der Spritze unter hohem Druck und sehr rasch zu den 100 ml

Ammoniumeisen(II)-Sulfat Lsung im 250 ml Becherglas auf der Rhrplatte spritzen. Das

Gemisch sollte umgehend eine orange-gelbe Farbe annehmen (Abb. 2.b).



2.a 2.b 2.c

Abbildung 2: (a) 50 mM Ammoniumeisen(II)-Sulfat Lsung. (b) Ammoniumeisen(II)-Sulfat Lsung kurz nach

der Zugabe der Di-Ammoniumoxalat Lsung. (c) Ausfllung des Di-Ammoniumeisen-Di-Oxalats. (Bilder: Swiss

Nano-Cube)


Wird Di-Ammoniumeisen-Di-Oxalat fr mehr als eine Verbrennung hergestellt (rechte Spalte in

der Tabelle), so mssen statt 20 ml 80 ml der gesttigten Ammoniumoxalat Lsung zugespritzt

werden. Es ist wichtig, dass das Durchmischen der beiden Lsungen sehr rasch vollzogen wird.

Um ein optimales Resultat zu erreichen, knnen statt der in der Tabelle angegebenen 100 ml

Spritze auch zwei 50 ml Spritzen verwendet werden. Damit knnen gleichzeitig je 40 ml

Ammoniumoxalat Lsung zugegeben werden.

9. Anschliessend die Heizplatte einschalten (Schalter bei ca. 150 C) und auf ca. 50 C

erwrmen. Die Lsung sollte zum Schluss eine zitronengelbe (nicht transparente) Farbe

annehmen (Ausfllung des Di-Ammoniumeisen-Di-Oxalats; Abb. 2.c). Der ganze Vorgang

dauert ca. 10 min. Danach die Heizplatte ausschalten und weitere 5 min rhren.

Unterdessen kann die Filtriervorrichtung vorbereitet werden (Abb. 1).

5.1.2.3. Schritt 3: Isolieren des Ammoniumeisen(II)-Oxalats durch Filtrieren

Dauer ca. 5 min

10. Die gelbe Flssigkeit ber Filterpapier und Trichter abfiltrieren (wenn mglich 2

Vorrichtungen verwenden, damit das Pulver anschliessend schneller trocknen kann). Das

gelbe Eisenoxalat Pulver bleibt auf dem Filterpapier zurck. Der Aufbau der

Filtriervorrichtung ist in Abb. 1 dargestellt.

11. Nachdem die gesamte Flssigkeit abgetropft ist, knnen die Filterpapiere mit einer Pinzette

vorsichtig aus den Trichtern entfernt werden und zur Trocknung auf zwei Uhrglser gelegt

werden (sehe Abb. 3). Alternativ knnen auch grosse Petrischalen verwendet werden.



Abbildung 3: Ammoniumeisen(II)-Oxalat Pulver zur Trocknung auf

einem Uhrglas (Bild: Swiss Nano-Cube)

12. Das Di-Ammoniumeisen-Di-Oxalat Pulver sollte nun mindestens einen Tag getrocknet

werden, bevor es fr den zweiten Teil des Experimentes zur Verbrennung verwendet wird.

Nach dem Trocknen kann das Pulver mit einem Spatel abgekratzt werden und in ein (oder

mehrere) feuerfestes Reagenzglas transferiert werden.

5.2. Teil 2: Verbrennungsreaktion


Dauer ca. 10 min

Menge fr eine Verbrennung (mittlere Spalte Tab. 1)


Die Menge Eisenoxalat, welche mit den Angaben aus der mittleren Spalte der Tabelle 1

hergestellt wurde, reicht fr hchstens 2 Verbrennungen. Die Menge Eisenoxalat, welche mit

den Angaben in der rechten Spalte der Tabelle hergestellt wurde, reicht fr hchstens 8

Verbrennungen.


1. Das Di-Ammoniumeisen(II)-Di-Oxalat Pulver in ein feuerfestes Reagenzglas ( mind. 10

mm, Lnge mind. 150 mm) transferieren und die ffnung des Reagenzglases gut mit

Watte verschliessen.

2. Das Reagenzglas mit einer Klemme (wenn mglich aus Metall) ber die blaue Flamme des

Bunsenbrenners halten, bis das gelbe Pulver schwarzgrau wird und zu glhen beginnt.

Dabei ist es entscheidend, dass das Reagenzglas gut verschlossen ist und whrend dem

Erhitzen kein Sauerstoff in Kontakt mit dem glhenden Pulver kommt.

3. Anschliessend die Watte rasch entfernen und das glhende Pulver aus ca. 50 cm Hhe auf

eine mit Alufolie bedeckte feuerfeste Unterlage ausschtten. Dabei entsteht eine orange

leuchtende Funkengarbe (siehe Abb. 4). Die grauschwarzen Metallpartikel, welche danach

auf der Alufolie zu sehen sind, bestehen aus magnetischem Eisenoxid.



Abbildung 4: Spontane Verbrennung des

pyrophoren Eisens. (Bild: Swiss Nano-Cube)

5.3. Entsorgung der Lsungen und Chemikalien

Hinweise zur Entsorgung im Anhang 2 beachten! brig gebliebenes Di-Ammoniumeisen(II)-Di-

Oxalat sowie das durch die Verbrennung entstandene Eisenoxid mssen entweder aufbewahrt

oder bei den dafr vorgesehenen Giftsammelstellen entsorgt werden (Schwermetallabflle). Der

nach der Filtration brig bleibende wssrige Ammoniumsulfat-Abfall muss ebenfalls bei den

dafr vorgesehenen Giftsammelstellen entsorgt werden.



6. Theoretische Grundlagen

6.1. Chemische Grundlagen

Der Ausgangsstoff des pyrophoren Eisens ist Di-Ammoniumeisen(II)-Di-Oxalat [1]. Die

Herstellung von Di-Ammoniumeisen(II)-Di-Oxalat erfolgt durch Ausfllung in einer wssrigen

Lsung von Di-Ammoniumoxalat und Ammoniumeisen(II)-Sulfat [2]. Als Nebenprodukt entsteht

Ammoniumsulfat. Das gelbliche Di-Ammoniumeisen(II)-Di-Oxalat zersetzt sich anschliessend

durch Erhitzen in elementares Eisen, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und Ammoniak[1]. Das

entstehende elementare Eisen liegt in nanoskaliger Form vor und ist usserst fein verteilt [1].

Die Watte, welche whrend dem Erhitzen das Reagenzglas verschliesst, verhindert den Austritt

des Kohlenmonoxids und Kohlendioxids, welches das glhende Eisenpulver vorbergehend

berdeckt. Dadurch gert das entstehende pyrophore Eisen nicht sofort in Kontakt mit

Sauerstoff.

Erst wenn die Watte entfernt wird und das glhende Pulver aus dem Reagenzglas geschttet

wird, knnen die Kohlenstoffgase entweichen und das pyrophore Eisen kann mit Sauerstoff

reagieren. Bei dieser Verbrennung entsteht die zu beobachtende, grell-leuchtende

Funkengarbe.

Das brig bleibende, grauschwarze Metall besteht aus Eisen(III)-Oxid und kann mit einem

starken Magneten wieder eingesammelt werden [2].

Stchiometrie:

Herstellung des Di-Ammoniumeisen(II)-Di-Oxalats durch Ligandentausch und Ausfllung [1]

2 (NH4)2C2O4 + (NH4)2FeII(SO4)2 (NH4)2Fe

II(C2O4)2 + 2 (NH4)2SO4

Thermolytische Zersetzung [1]

(NH4)2FeII(C2O4)2

+ T Fe + CO + 3 CO2 + 2 NH3 + H2O

Verbrennung mit Sauerstoff: Pyrophore Reaktion [1]

4 Fe + 3 O2 2 FeIII

2O3

Thermische Zersetzung und Disproportionierung von reinem Eisen(II)-Oxalat

An Stelle von Ammoniumeisen(II)-Sulfat (auch Mohrsches Salz genannt) kann fr die

Fllungsreaktion auch Eisen(II)-Sulfat (FeIISO4) verwendet werden [4]. Die Verwendung des

Mohrschen Salzes hat jedoch den Vorteil, dass es gegenber dem Eisen(II)-Sulfat

oxidationsunempfindlicher ist [5]. Wenn an Stelle von Ammoniumeisen(II)-Sulfat Eisen(II)-Sulfat

(FeIISO4) verwendet wird, fllt nach dem Ligandentausch zuerst reines Eisen(II)-Oxalat

(FeII(C2O2))aus [4].

(NH4)2C2O4 + FeII(SO4) Fe

II(C2O4) + (NH4)2SO4

Bei der anschliessenden thermolytischen Zersetzung des Eisen(II)-Oxalats entsteht in einem

ersten Schritt FeIIO, welches unterhalb von 560 C instabil ist [6] und durch Disproportionierung

zu elementarem Eisen und FeII(Fe

III)2O4 umgewandelt wird.

4 FeII(C2O4) )

+ T Fe + Fe

II(Fe

III)2O4



6.2. Physikalische Grundlagen: Spezifische Oberflche

Die volumenbezogene spezifische Oberflche gibt an, welche Oberflche ein Kubikmeter eines

Materials besitzt. Ein Wrfel mit einer Kantenlnge von 1 cm besitzt ein Volumen von 1 cm3 und

eine Oberflche von 0.0006 m2. Wird dieser Wrfel nun in kleinere Wrfel mit einer Kantenlnge

von 1 nm zerlegt, so entstehen 1021

kleine Wrfel die alle zusammen immer noch ein Volumen

von 1 cm3 besitzen, jedoch eine Gesamtoberflche von 6000 m

2 aufweisen [3]!

Je grsser diese spezifische Oberflche ist, desto mehr Atome befinden sich in direktem

Kontakt mit der Umgebung und knnen daher direkt mit ihr wechselwirken. Im Gegensatz dazu

sind die Teilchen im Innern durch benachbarte Atome von der Umgebung abgeschirmt. In

metallischen Kristallgittern fhrt dies zudem dazu, dass die Atome an der Oberflche eine

weitaus geringere Bindungsenergie aufweisen und, dass die in Makropartikeln sonst eher

unbedeutenden Gitterfehler und freien Koordinationsstellen im Kristallgitter eine wichtige Rolle

zu spielen beginnen [1], [3].

In Bezug auf die Verbrennung von Eisen ussert sich dies wie folgt: Bei fein verteilten Eisen-

Nanopartikeln ist die spezifische Oberflche extrem gross. Ein Grossteil der Eisenatome,

welche zusammen ein Nanopartikel formen, befindet sich daher an der Oberflche des

Partikels. Diese Oberflchenatome werden zudem viel weniger stark vom Rest des Partikels

festgehalten als dies in makroskopischen Partikeln der Fall wre. So entstehen vernderte

chemische Eigenschaften des Eisens zum Beispiel hinsichtlich seiner Reaktivitt mit Sauerstoff.

Nanoskaliges Eisen kann daher bereits bei Raumtemperatur oxidiert bzw. verbrannt werden [2].

In makroskopischen Eisen-Kristallen dauert die Oxidation viel lnger und schreitet sogar bei

Temperaturen von ber 600 C nur sehr langsam voran [2]. Dies, weil sich die berwiegende

Mehrheit der Eisenatome im Innern des Partikels befindet und gar nicht mit dem Sauerstoff in

Kontakt kommt.



7. Anhang 1: Literaturnachweis

[1] Becht S., Ernst S., Bappert R. und Feldmann C., Do-it-yourself! Nanomaterialien zum

Anfassen, Chemie in unserer Zeit 44, 2010, 14-23

[2] Becht S., Ernst S., Bappert R. und Feldmann C., Do-it-yourself! Nanomaterialien zum

Anfassen, Chemie in unserer Zeit 44, 2010, s1-s7

[3] Goesmann H. und Feldmann C., Nanopartikulre Funktionsmaterialien, Angewandte

Chemie 122, 2010, 1402-1437

[4] http://www.chemieexperimente.de

[5] http://de.academic.ru

[6] http://www.chem-page.de

http://www.chemieexperimente.de/zauber/pyroeisen.htmlhttp://de.academic.ru/dic.nsf/dewiki/969222http://www.chem-page.de/index.php?option=com_content&view=article&id=2558:pyrophores-eisen&catid=167:experimente&Itemid=228



8. Anhang 2: Chemikalien/Sicherheit/Entsorgung

8.1. Allgemeine Hinweise

Vor der Verwendung der Chemikalien mssen in allen Fllen die Sicherheitsdatenbltter

studiert werden!

Diese werden vom Hersteller mit den Chemikalien mitgeliefert oder knnen auf den Webpages

der Hersteller kostenlos heruntergeladen werden. Die Links zu den Sicherheitsdatenblttern

sind im Abschnitt 7.2 zu finden.

Weitere Informationen zu den Chemikalien knnen auch in der GESTIS-Stoffdatenbank

abgerufen werden. Die gesuchten Chemikalien lassen sich in Datenbanken am besten finden,

wenn nach der CAS Nummer gesucht wird. Die jeweiligen Nummern sind in diesem Dokument

vermerkt.

Alle R- & S-Stze sind auf der Webpage des Bundesamtes fr Gesundheit BAG zu finden.

Weitere Hinweise zum Umgang mit Chemikalien finden Sie auf der Infowebpage des Bundes.

8.2. Links Zu den Sicherheitsdatenblttern

Di-Ammoniumoxalat Monohydrat (Carl Roth GmbH)

Ammoniumeisen(II)-Sulfat Hexahydrat (Carl Roth GmbH)

8.3. Rechtsgrundlagen/Haftung

Als verbindlich gelten ausschliesslich die Informationen aus den Sicherheitsdatenblttern der

Chemikalien-Hersteller.

Die Sicherheitsdaten fr die verwendeten Chemikalien sowie die Sicherheitshinweise zur

Durchfhrung der Experimente wurden sorgfltig recherchiert. Trotzdem wird keine Haftung fr

die Richtigkeit, Vollstndigkeit und Aktualitt der Informationen bernommen.

http://biade.itrust.de/biade/lpext.dll?f=templates&fn=main-hit-h.htm&2.0http://www.bag.admin.ch/themen/chemikalien/00249/00528/index.html?lang=dehttp://www.cheminfo.ch/de/umgang.php?navid=2#l13http://www.carlroth.ch/jsp/de-ch/sdpdf/P737.PDFhttp://www.carlroth.ch/jsp/de-ch/sdpdf/P728.PDF



8.4. Details zu den verwendeten Chemikalien

8.4.1. Di-Ammoniumoxalat Monohydrat/(NH4)2C2O43H2O/142.11 g*mol-1

Link zum Sicherheitsdatenblatt

Hersteller Carl Roth GmbH (Art.-Nr. P737.1)

CAS-Nummer 6009-70-7

Di-Ammoniumoxalat Monohydrat erscheint bei Raumtemperatur und Standarddruck in festem

Aggregatszustand und in Form von weissem, kristallinem, geruchlosen Pulver. Die Substanz

zersetzt sich ab einer Temperatur von 70 C.

Von der Substanz gehen akute oder chronische Gesundheitsgefahren aus!

Gefahrensymbole Gebotszeichen

Xn gesundheitsschdlich Schutzbrille tragen

Handschuhe tragen

R 21/22 Gesundheitsschdlich bei Berhrung mit der Haut und beim Verschlucken.

S 24/25 Berhrung mit den Augen und der Haut vermeiden.

Hinweise zur Entsorgung

Bei der Giftsammelstelle entsorgen. Nie im Ausguss, in der Toilette oder im Haushaltsabfall entsorgen! Hinweise im Sicherheitsdatenblatt des Herstellers beachten. Lokale Vorschriften beachten.

Quellen

Carl Roth GmbH

http://www.sigmaaldrich.com/catalog/DisplayMSDSContent.dohttp://www.carlroth.ch/catalogue/catalogue.do?lang=de-ch&act=showBookmark&favOid=00000000000017ef00020023http://www.carlroth.ch/jsp/de-ch/sdpdf/P737.PDFhttp://www.carlroth.ch/catalogue/catalogue.do?lang=de-ch&act=showBookmark&favOid=00000000000017ef00020023



8.4.2. Ammoniumeisen(II)-Sulfat Hexahydrat/(NH4)2Fe(SO4)26H2O/392.14 g*mol-1




Ammoniumeisen(II)-Sulfat-Hexahydrat erscheint bei Raumtemperatur und Standarddruck in festem Aggregatszustand und in Form von blaugrnem, kristallinem, geruchlosem Pulver. Der Schmelzpunkt liegt bei 100 C.

Gemss Hersteller gehen von der Substanz keine akuten Gesundheitsgefahren aus. Details zu allgemeinen Sicherheitshinweisen sind auf der Webpage der Carl Roth GmbH zu finden.

Gebotszeichen

Schutzbrille tragen

Handschuhe tragen


Bei der Giftsammelstelle entsorgen. Nie im Ausguss, in der Toilette oder im Haushaltsabfall

entsorgen! Hinweise im Sicherheitsdatenblatt des Herstellers beachten. Lokale Vorschriften

beachten.

Quellen

Carl Roth GmbH

http://www.carlroth.ch/jsp/de-ch/sdpdf/P728.PDFhttp://www.carlroth.ch/catalogue/catalogue.do;jsessionid=AD6FB120A820AC8741C746174AE0DD41?id=5629&favOid=000000000002abb500030023&act=showBookmark&lang=de-ch&catId=CHhttp://www.carlroth.ch/catalogue/catalogue.do;jsessionid=AD6FB120A820AC8741C746174AE0DD41?id=5629&favOid=000000000002abb500030023&act=showBookmark&lang=de-ch&catId=CHhttp://www.carlroth.ch/jsp/de-ch/sdpdf/P728.PDFhttp://www.carlroth.ch/catalogue/catalogue.do;jsessionid=AD6FB120A820AC8741C746174AE0DD41?id=5629&favOid=000000000002abb500030023&act=showBookmark&lang=de-ch&catId=CH

Ferrofluide


Dezember 2010


Modulsponsor:





Experimentieranleitung Ferrofluid


Kontakt:



Tel. +41 (0) 71 274 72 66










Inhalt

1. Nano-Kontext ....................................................................................................................... 2

2. Beschreibung des Experiments ......................................................................................... 2

3. Chemikalien/Substanzen .................................................................................................... 3

4. Versuchsanordnung/Materialien ........................................................................................ 3

4.1. Bentigte Materialien Teil 1: Herstellung der Lsungen ................................................ 3

4.2. Bentigte Materialien Teil 2: Herstellung des Ferrofluids .............................................. 4

5. Versuchsdurchfhrung und Musterresultate ................................................................... 5

5.1. Teil 1: Herstellung der Lsungen (Vorbereitung durch die Lehrperson) ....................... 5

5.2. Teil 2: Herstellung des Ferrofluids (Durchfhrung in der Klasse) .................................. 7

5.3. Entsorgung der Lsungen und Chemikalien ................................................................. 9

6. Theoretische Grundlagen zum Experiment .................................................................... 10

6.1. Chemische Grundlagen ............................................................................................... 10

6.2. Physikalische Grundlagen ........................................................................................... 11

7. Anhang 1: Literaturnachweis ........................................................................................... 13

8. Anhang 2: Chemikalien/Sicherheit/Entsorgung ............................................................. 14

8.1. Allgemeine Hinweise.................................................................................................... 14

8.2. Links zu den Sicherheitsdatenblttern ......................................................................... 14

8.3. Rechtsgrundlagen/Haftung .......................................................................................... 14

8.4. Details zu den verwendeten Chemikalien.................................................................... 15


http://www.swissnanocube.ch/http://www.youtube.com/watch?v=TlfJVK54v7Y



1. Nano-Kontext

Vernderung der magnetischen Eigenschaften von nanoskaligen Ferromagneten

Superparamagnetische Nanopartikel

Anwendung von Ferrofluiden zum Beispiel in der Tumorbekmpfung


Bei diesem Versuch werden superparamagnetische Magnetit-Nanopartikel aus Eisenchlorid

und wssriger Ammoniaklsung hergestellt.

Wird von aussen ein Magnetfeld angelegt, richten sich die Nanopartikel entlang der

Feldlinien des Magnetfeldes aus.

Superparamagnetische Partikel reagieren sehr empfindlich auf Magnetfelder, lassen sich

jedoch nicht dauerhaft magnetisieren [1], [2].

Die magnetischen Nanopartikel haben einen Durchmesser von ca. 10 nm und bilden eine

stabile kolloidale Suspension in einer Trgerflssigkeit, ein sogenanntes Ferrofluid [3].

Magnetit eignet sich besonders gut fr die Herstellung von Ferrofluiden, weil es besonders

einfach in der richtigen Partikelgrsse herstellbar ist [3].

Um zu verhindern, dass die Partikel agglomerieren, werden sie mit einer passenden

Oberflchenbehandlung versehen.

Ferrofluide knnen dank der flexibel whlbaren Oberflchenbehandlung sehr vielseitig

eingesetzt werden. Zu den Anwendungsbereichen gehren unter anderen [3], [4], [5]:

Krebsbekmpfung durch Hyperthermie-Therapie

Drug Targetting (gerichteter Wirkstoff-Transport) in der Medizin

Kontrastmittel bei der Magnetresonanztomographie

Dichtungsmittel

Oberflchenbeschichtungen von Tarnkappen Flugzeugen (Stealth-Technologie)

Ferrofluide wurden erstmals 1960 von der NASA entwickelt und getestet, um Flssigkeiten

im Weltraum kontrollierbar zu machen [6].






Eisen(II)-chlorid Tetrahydrat/FeCl24H2O (Sigma Aldrich)

Eisen(III)-chlorid Hexahydrat/FeCl36H2O (Carl Roth GmbH)

Salzsure 2 M in H2O/HCl (Carl Roth GmbH)

30%ige Ammoniak-Lsung in H2O/NH3 + 3H2O (Carl Roth GmbH)

25%ige Tetramethylammonium Hydroxid-Lsung in H2O/(CH3)4N(OH) (Sigma Aldrich)

destilliertes Wasser



4.1. Bentigte Materialien Teil 1: Herstellung der Lsungen

1 Messzylinder 200 ml (Skalierung mind. 10 ml)

1 Messzylinder 100 ml (Skalierung mind. 10 ml)

1 Stabpipette 10 ml (Skalierung mind. 0.1 ml) mit Pipettierhilfe

2 verschliessbare Glasflaschen mit 100 ml Fassungsvermgen

1 verschliessbare Glasflasche mit 1000 ml Fassungsvermgen

1 Waage (Genauigkeit bis 0.01 g)

2 Wge-Schalen

1 Eisenspatel




4.2. Bentigte Materialien Teil 2: Herstellung des Ferrofluids

Materialangaben fr jeweils 2 Schlerinnen und Schler (Zweierteam)

1 Magnetrhrer mit Rhrfisch (alternativ Rhrwerk mit Glasrhrstab)

4 graduierte Plastik-Pasteurpipetten (ca. 5 ml)

1 Rhrfisch-Entferner

2 Becherglser 100 ml

1 Abfallbehlter (ca. 0.5 l)

1 Wge-Schale

1 starker Magnet/Haftkraft 3-4 kg (www.supermagnete.ch)

1 Stoppuhr

http://www.swissnanocube.ch/http://www.supermagnete.ch/S-12-06-N





Wir schlagen vor, dass die Lehrperson die Lsungen fr alle Schler vorgngig herstellt. Die

Berechnung der Chemikalienkonzentrationen und -mengen knnte im Theorieteil der Lektion

behandelt werden. Die Lsungen knnen auch einige Tage vor dem Gebrauch hergestellt

werden. Die Schlerinnen und Schler sollten wenn mglich in Zweierteams arbeiten. Mit

Tabelle 1 lassen sich die bentigten Mengen einfach berechnen. Bei diesem Experiment ist es

wichtig, dass die Mengen mglichst genau berechnet werden. Die mit Hilfe der Tabelle

errechneten Werte sollen daher erst zum Schluss gerundet werden, je nach Genauigkeit der

verwendeten Waage.

5.1. Teil 1: Herstellung der Lsungen (Vorbereitung durch die

Lehrperson)

5.1.1. Berechnungen

Anzahl Schler = N (Bei einer ungeraden Anzahl Schler sollte N+1 als N genommen werden)

Anzahl Zweierteams = (N/2) = n

Reserve: Rot markiert


Pro Experiment Pro Klasse (Zweierteams) (inkl. Reserve) 24 Schler

2 M FeCl2 (2M HCl) 1 ml [(1 ml)*n]+(2 ml) 14 ml

FeCl24H2O 0.3976 g [(0.3976 g)*n]+(0.7952 g) 5.5664 g

2 M HCl 1 ml [(1 ml)*n]+(2 ml) 14 ml

1 M FeCl3 (2M HCl) 4 ml [(4 ml)*n]+(8 ml) 56 ml

FeCl33H2O 1.0813 g [(1.0813 g)*n]+(2.1624 g) 15.138 g

2 M HCl 4 ml [(4 ml)*n]+(8 ml) 56 ml

1 M NH3 (H2O) 50 ml [(50 ml)*n]+(25 ml) 625 ml

NH3 30% 3.3334 ml [(3.3334 ml)*n]+(1.6667 ml) 41.7 ml

Dest. Wasser 46.6666 ml [(46.6666 ml)*n]+(23.3333 ml) 583.3 ml


Dauer ca. 15 min

Menge fr 24 Schler/innen (vierte Spalte Tab. 1)


Wichtig: Jeweils fr jede Lsung einen neuen, sauberen Messzylinder verwenden oder den

gebrauchten vorher gut auswaschen (Entsorgungshinweise fr Chemikalien in Anhang 2

beachten).




5.1.2.1. Herstellung 2 M Eisen(II)-chlorid Lsung (2 M HCl)

Dauer ca. 5 min

Menge fr 24 Schler/innen (entspricht 14 ml)

Sicherheitshinweis: Vorsicht tzend!

1. Eine verschliessbare 100 ml Glasflasche beschriften (Chemikalien, Konzentration, Datum,

Sicherheitshinweis tzend) und diese mit 14 ml 2 M Salzsure auffllen. Dazu eine

Stabpipette (10 ml Fassungsvermgen/0.1 ml Skalierung) verwenden.

2. Anschliessend 5.6 g Eisen(II)-chlorid Tetrahydrat abwgen und vorsichtig zur Salzsure in

die Flasche geben. Die Flasche verschliessen und leicht schtteln, bis das Eisen(II)-chlorid

Tetrahydrat vollstndig gelst ist. Die Lsung sollte eine gelbliche Farbe annehmen (Abb. 2

links). Es ist darauf zu achten, dass die Flasche gut verschlossen bleibt, damit sich kein

unerwnschtes Eisenoxid bildet. Die Eisen(II)-Chlorid Lsung ist anfllig auf Oxidierung

und sollte daher sptestens eine Woche nach der Herstellung verwendet werden [6].

5.1.2.2. Herstellung 1 M Eisen(III)-chlorid Lsung (2 M HCl)

Dauer ca. 5 min

Menge: 24 Schler (entspricht 56ml)



Sicherheitshinweis tzend) und diese mit 50 ml 2 M Salzsure auffllen. Dazu einen

Messzylinder (100 ml Fassungsvermgen/10 ml Skalierung) verwenden. Die restlichen 6

ml sollen der Genauigkeit halber mit einer Stabpipette (10 ml Fassungsvermgen/1 ml

Skalierung) dazugegeben werden.

4. Anschliessend 15.1 g Eisen(III)-chlorid Hexahydrat abwgen und vorsichtig zur Salzsure

in die Flasche geben. Die Flasche verschliessen und leicht schtteln, bis das Eisen(III)-

chlorid Hexahydrat vollstndig gelst ist. Die Lsung sollte eine rostbraune Farbe

annehmen (Abb. 2 rechts). Es ist darauf zu achten, dass die Flasche gut verschlossen

bleibt, damit sich kein unerwnschtes Eisenoxid bildet.

Abbildung 2: (links) 2 M Eisen(II)-chlorid Lsung in 2 M HCl. (rechts) 1 M Eisen(III)-chlorid

Lsung in 2 M HCl. (Bilder: Swiss Nano-Cube)




5.1.2.3. Herstellung 1 M Ammoniak-Lsung

Dauer ca. 5 min

Menge: 24 Schler/innen (entspricht 625 ml)



Sicherheitshinweis tzend) und diese mit 580 ml dest. Wasser auffllen. Dazu einen

Messzylinder (200 ml Fassungsvermgen/10 ml Skalierung) verwenden. Die restlichen

3.3 ml sollen der Genauigkeit halber mit einer Stabpipette (10 ml /0.1 ml Skalierung)

dazugegeben werden.

6. Anschliessend 41.7 ml 30%ige Ammoniaklsung vorsichtig zum dest. Wasser in die

Flasche geben. Dazu einen Messzylinder (100 ml Fassungsvermgen/1 ml Skalierung)

sowie eine Stabpipette (10 ml Fassungsvermgen/0.1 ml Skalierung) verwenden. Die

Flasche verschliessen und leicht schtteln.

5.2. Teil 2: Herstellung des Ferrofluids (Durchfhrung in der Klasse)


Dauer ca. 25min


Wir schlagen vor, dass die Schlerinnen und Schler in Zweierteams arbeiten. Die 1M

Ammoniak-Lsung kann den Zweierteams in beschrifteten 100 ml Becherglsern

portionenweise (50 ml) bereitgestellt werden.


1. 1 ml 2 M Eisen(II)-chlorid Lsung mit einer sauberen Stabpipette (10 ml

Fassungsvermgen/0.1 ml Skalierung) in ein 100 ml Becherglas pipettieren und einen

Rhrfisch hinzugeben. Danach die Pipette subern.

2. 4 ml 1 M Eisen(III)-chlorid Lsung mit der sauberen Stabpipette (10 ml

Fassungsvermgen/1 ml Skalierung) zur Eisen(II)-chlorid Lsung im 100 ml Becherglas

hinzu pipettieren.

3. Das Becherglas auf einen Magnetrhrer stellen und bei angemessener Geschwindigkeit

rhren.

4. Whrend 5 min (Stoppuhr benutzen) 50 ml 1 M Ammoniak-Lsung mit einer Plastik

Pasteurpipette tropfenweise hinzufgen. Wichtig: Besonders zu Beginn muss die

Ammoniak-Lsung unbedingt tropfenweise zugegeben werden. Zudem ist entscheidend,

dass die vorgegebenen 5 min eingehalten werden. Falls am Schluss die Zeit knapp wird,

knnen die letzen Milliliter der Ammoniak-Lsung auch rascher zugegeben werden.

5. Nachdem die gesamten 50 ml 1 M Ammoniaklsung zugegeben wurden, den

Magnetrhrer ausschalten und den Rhrfisch so schnell wie mglich mit dem Rhrfisch-

Entferner (eingepackt in eine Plastikhlle) entfernen. Dabei unbedingt Handschuhe tragen.

Den Rhrfisch und den Rhrfisch-Entferner auf ein Papier-Taschentuch legen und spter

subern.




6. Anschliessend das Becherglas auf einem starken Magneten platzieren (Abb.3, Pfeil 1) und

solange warten, bis sich die entstandenen Magnetit-Teilchen am Boden des Becherglases

abgesetzt haben. Der berstand sollte nahezu klar sein (Abb. 3, Pfeil 2). Je nach Strke

des verwendeten Magneten dauert dieser Vorgang nur wenige Sekunden.

Abbildung 3: Magnetit Ausfllung. Pfeil 1: Starker Magnet,

Pfeil 2: Klarer berstand. (Bild: Swiss Nano-Cube)

7. Ohne den Magneten zu entfernen, den klaren berstand in ein Abfallbehltnis entleeren

(abdekantieren). Danach das Becherglas zu einem Drittel mit dest. Wasser fllen und

dieses gleichfalls abdekantieren. Dabei ist es wichtig, dass schnell gearbeitet wird, denn je

lnger die Magnetit-Teilchen mit dem Magneten zurckgehalten werden, desto eher

verklumpen sie und knnen nachher nur noch mhsam im Wasser aufgeschwemmt

werden.

8. Den Magneten entfernen, das Becherglas abermals zu einem Drittel mit dest. Wasser aus

fllen und die sich zuvor am Boden des Becherglases abgesetzten Magnetit-Teilchen mit

einer Plastik-Pasteurpipette im Wasser aufschwemmen, bis die schwarze Lsung leicht

zhflssig ist.

9. Die schwarze Flssigkeit anschliessend in eine (weisse) Wge-Schale berfhren, diese

vorsichtig auf dem Magneten platzieren und warten, bis sich die Magnetit-Teilchen

abermals am Boden abgesetzt haben.

10. Den klaren berstand ein weiteres Mal abdekantieren. Das Wasser sollte jedoch nicht

vollstndig entfernt werden. Auch hier muss schnell gearbeitet werden. Anschliessend mit

einer Plastik-Pasteurpipette ca. 1 ml 25%ige Tetramethylammonium Hydroxid-Lsung

dazu pipettieren. Danach gut mischen, indem der Magnet whrend ca. 2 min unter der

Wge-Schale, in der sich die Magnetit-Teilchen befinden, kreisfrmig bewegt wird.

11. Die restliche Flssigkeit sollte danach noch einmal abdekantiert werden. Das in der Wge-

Schale zurckbleibende, stark zhflssige Ferrofluid kann nun durch den Magneten

entlang der Feldlinien ausgerichtet werden (Abb. 4). Es bilden sich igelartige Strukturen.

2

1




Abbildung 4: Igelstrukturen im Ferrofluid: Rosensweig- oder Stachel-Instabilitt, 1966 entdeckt von dem Physiker

Ronald E. Rosensweig. Das Ferrofluid befindet sich in einem Gleichgewicht zwischen Magnetischer Kraft, der

Gravitation sowie der Oberflchenspannung der Flssigkeit. (Bilder: Swiss Nano-Cube)

5.3. Entsorgung der Lsungen und Chemikalien

Hinweise zur Entsorgung im Anhang 2 beachten! Die Eisenchlorid-Lsungen und das Ferrofluid

mssen bei den dafr vorgesehenen Giftsammelstellen entsorgt werden (Schwermetallabflle).

Der abdekantierte Ammoniumchlroid-Abfall muss ebenfalls bei den dafr vorgesehenen

Giftsammelstellen entsorgt werden. Die Ammoniak-Lsung muss neutralisiert werden und

anschliessend als Sure/Base-Abfall bei den dafr vorgesehenen Giftsammelstellen entsorgt

werden.




6. Theoretische Grundlagen zum Experiment

6.1. Chemische Grundlagen

6.1.1. Ausfllung der Magnetit Nanopartikel

Bei der Ausfllung der Magnetit Nanopartikel (FeII(Fe

III)2O4) werden Eisen(II)-Chlorid

Tetrahydrat, Eisen(III)-Chlrorid Hexahydrat und 1 M Ammoniak Lsung verwendet. Als

Nebenprodukt entsteht Ammoniumchlorid (NH4Cl). Die Verwendung von Salzsure als

Lsungsmittel fr die Eisen-Chlorid Lsungen verhindert die Bildung von unerwnschtem

Eisenhydroxid [6]. Nach der Ausfllung der Magnetit Nanopartikel wird das berschssige

Ammoniak und das Ammoniumchlorid durch Abdekantieren des klaren berstands und die

anschliessende Zugabe von Wasser entfernt. Die genaue Bezeichnung fr Magnetit lautet

FeII(Fe

III)2O4 [7].

Stchiometrie:

2FeCl3 + FeCl2 + 8 NH3 + 4 H2O Fe3O4 + 8 NH4Cl

6.1.2. Oberflchenfunktionalisierung

Die Trgerflssigkeit, in der sich das Ferrofluid befindet, ist Wasser. Damit die Nanopartikel

darin kolloidal suspendieren, muss deren Oberflche polar sein. Zur Oberflchenbehandlung

wird in diesem Experiment Tetramethylammonium-Hydroxid verwendet. Tetramethylammonium

Hydroxid besteht aus (CH4)4N+ und OH

-. Es ist damit eine polare, basische Verbindung.

5.a 5.b

Abbildung 5: (a) Stabile Magnetit-Dispersion mit sich gegenseitig abstossenden Nanopartikeln. (b) Magnetit-

Nanopartikel mit Tetramethylammonium-Hydroxid Nanosphre. Die Grssenverhltnisse sind willkrlich gewhlt

(Abbildung: Swiss Nano-Cube).

Auf der Partikeloberflche richten sich die positiv geladenen Tetramethylammonium Molekle

nach aussen hin aus, whrend die Hydroxid-Gruppen auf der Oberflche der Magnetit-Teilchen

binden. Die Oberflche aller Partikel ist somit nach der Behandlung positiv geladen (Abb. 5).

Die um das Partikel angeordneten Ionen bilden eine Nanosphre. Die sich abstossenden

Partikel knnen dank der Nanosphre keine Agglomerate bilden, wodurch eine stabile

Dispersion in Wasser entsteht, ein Ferrofluid [3], [6].




6.2. Physikalische Grundlagen

Die ausgefllten Magnetit-Nanopartikel sind ca. 10 nm gross [3] und besitzen spezielle

magnetische Eigenschaften. Sie knnen daher durch die Verwendung eines starken Magneten

einfach durch Abdekantieren von der wssrigen Ammoniumchlroid Lsung getrennt werden.

Durch die Verwendung eines starken Magneten lassen sich igelartige Strukturen bilden

(Abb. 4). Man spricht von Rosensweig Instabilitt: Das Ferrofluid befindet sich dabei in einem

Krftegleichgewicht zwischen Gravitation, magnetischer Kraft und der dagegenwirkenden

Oberflchenspannung in der Flssigkeit [3].

Im Vergleich zu ferromagnetischen, makroskopischen Partikeln sind die Magnetit-Nanopartikel

superparamagnetisch. Nur dank dieser speziellen Eigenschaft, lassen sich berhaupt

Ferrofluide herstellen. Die physikalischen Grundlagen dazu sind in den folgenden Abschnitten

erklrt.

6.2.1. Ferromagnetismus

Ferromagnetische Materialien sind zum Beispiel Nickel, Eisen, Zink, Kobalt oder Magnetit [2].

Atome ferromagnetischer Materialien besitzen in ihren Elektronenschalen ungepaarte

Elektronen. Dadurch ist der Gesamtspin der Atome ungleich null und sie besitzen ein

magnetisches Moment. Die Atome werden daher als Elementarmagneten bezeichnet. Bei

ferromagnetischen Materialien (anders als bei paramagnetischen, Abs. 6.2.1) entstehen hohe

Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Elementarmagneten (Austauschenergie) [2]. Da

diese Energie bei Raumtemperatur hher ist als die thermische Energie der einzelnen Atome,

richten sich die magnetischen Momente benachbarter Atome spontan innerhalb bestimmter

Bereiche (Weiss-Bezirke oder auch Weisssche Bezirke genannt) parallel aus [2]. Die Weiss-

Bezirke sind je nach Material unterschiedlich gross (0.01 m bis 1 m) [1]. Die Ausrichtung aller

Weiss-Bezirke des Materials ist vor dem erstmaligen Kontakt mit einem externen Magnetfeld

statistisch gleichverteilt und die magnetischen Momente heben sich im Bulkmaterial gegenseitig

auf. Die einzelnen Bezirke sind durch sogenannte Bloch-Wnde getrennt [2], welche der

spontanen gegenseitigen Ausrichtung der Weiss-Bezirke entgegenwirken. Wenn nun aber

ferromagnetische Materialien einem externen Magnetfeld ausgesetzt werden, reicht die Kraft

aus, um alle Weiss-Bezirke gleichermassen parallel entlang den Feldlinien des Magnetfeldes

auszurichten. Man spricht von Magnetisierung. Da bei Raumtemperatur die Austauschenergie

zwischen den einzelnen magnetischen Momenten hher ist, als die thermische Energie der

einzelnen Atome, lsst sich diese Ausrichtung der Weiss-Bezirke (Magnetisierung) nicht mehr

rckgngig machen [2]. Das ferromagnetische Material besitzt nach der Magnetisierung ein

intrinsisches, dauerhaftes und starkes magnetisches Moment, von welchem ein magnetisches

Feld ausgeht. Ferromagnetische Materialien sind demnach sogenannte Dauer- oder

Permanentmagnete und werden von magnetischen Feldern sehr stark angezogen. Nur durch

Erhitzen der magnetisierten Materialien ber die sogenannte Curie-Temperatur lsst sich die

Magnetisierung rckgngig machen. Die Materialien sind oberhalb der Curie-Temperatur

paramagnetisch [2] (siehe unten). Die Curie Temperatur entspricht der kritischen Temperatur,

bei der die thermische Energie der einzelnen Atome die Austauschenergie der

Elementarmagnete berschreitet und die gegenseitige Ausrichtung rckgngig gemacht wird.

Oberhalb der Curie-Temperatur findet keine spontane Ausrichtung der Elementarmagnete mehr

statt. Auch die Magnetisierung durch ein externes Magnetfeld ist viel schwcher. Die Curie-

Temperatur liegt bei allen bekannten Ferromagneten unter dem Schmelzpunkt [3]. Daher lsst

sich ein Ferrofluid nicht einfach durch Erhitzen ferromagnetischer Materialien herstellen. Der

Schlssel zur Herstellung von Ferrofluiden sind sogenannte Superparamagnete (Abs. 6.2.4).




6.2.2. Paramagnetismus

Bei paramagnetischen Materialien sind ebenfalls ungepaarte Elektronen in den

Elektronenschalen der Atome vorhanden, zum Beispiel beim Sauerstoff. Der Gesamtspin der

Atome ist ungleich null. Sie besitzen ein magnetisches Moment und lassen sich demnach in

einem Magnetfeld magnetisieren. Allerdings sind die Wechselwirkungen zwischen den

einzelnen Elementarmagneten in Paramagneten viel geringer als die thermische Energie bei

Raumtemperatur. Paramagnetische Materialen lassen sich daher nur sehr schwach und nicht

permanent magnetisieren. Sie werden nur schwach von magnetischen Feldern angezogen [2].

6.2.3. Diamagnetismus

Diamagnetische Materialien, wie zum Beispiel Wasser, besitzen in den Elektronenschalen ihrer

Atome keine ungepaarten Elektronen. Der Gesamtspin der Atome ist daher gleich null. Es ist

kein magnetisches Moment vorhanden. Diamagnete werden von Magnetfeldern sehr schwach

abgestossen [2].

6.2.4. Superparamagnetismus

Wenn ferromagnetische Materialien stark zerkleinert werden und die Partikelgrsse im Bereich

von weniger als 100 nm liegt, bestehen die Partikel aus nur noch einem einzigen Weiss-Bezirk

[1]. Diese Eindomnenpartikel besitzen ein hohes magnetisches Moment und reagieren sehr

empfindlich auf externe Magnetfelder [3]. Da die Partikel jedoch sehr klein sind, reicht nun eine

bedeutend geringere Energiemenge aus, um die parallele Ausrichtung der Elementarmagnete

(Magnetisierung) nach Entfernen des externen Magnetfeldes rckgngig zu machen. Je kleiner

die Partikel, desto weniger Elementarmagnete befinden sich innerhalb des Eindomnen-Weiss-

Bezirks und desto geringer ist die Energie, um die Magnetisierung wieder aufzuheben [1]. So

reicht bereits die thermische Energie bei Raumtemperatur aus, um die Magnetisierung

rckgngig zu machen. Superparamagnete werden daher zwar genau wie Ferromagnete sehr

stark von magnetischen Feldern angezogen und magnetisiert, ihre Magnetisierung ist jedoch

bei Raumtemperatur nicht permanent und verschwindet, sobald das externe Magnetfeld wieder

entfernt wird [1]. Superparamagnetische Nanopartikel sind daher die Grundlage fr die

Herstellung von Ferrofluiden.





[1] http://www.nanoportal-hessen.de

[2] http://www.supermagnete.de

[3] http://www.ferrofluide.de

[4] http://www.magforce.de

[5] Odenbach S., Magnetische Flssigkeiten kontrollieren. Ferrofluide ihre Grundlagen

und Anwendungen, Physik in unserer Zeit 32, 2001, 122-127

[6] Berger P., Adelman N., Beckman K.J., Campbell D.J., Ellis A.B. and Lisensky G.C.,

Preparation and Properties of an Acqueous Ferrofluid, Journal of Chemical Education

76, 1999, 943-948

[7] http://de.academic.ru

http://www.swissnanocube.ch/http://www.nanoportal-hessen.de/technologie/einfuehrungnt/superparamagnetismushttp://www.supermagnete.de/magnetism_terms.phphttp://www.ferrofluide.de/ferro_beginners_de.phphttp://www.magforce.de/german/produkte/nanotherm.htmlhttp://de.academic.ru/dic.nsf/dewiki/380814



8. Anhang 2: Chemikalien/Sicherheit/Entsorgung

8.1. Allgemeine Hinweise

Vor der Verwendung der Chemikalien mssen in allen Fllen die Sicherheitsdatenbltter

studiert werden!

Diese werden vom Hersteller mit den Chemikalien mitgeliefert oder knnen auf den Webpages

der Hersteller kostenlos heruntergeladen werden. Die Links zu den Sicherheitsdatenblttern

sind im Abschnitt 7.2 zu finden.

Weitere Informationen zu den Chemikalien knnen auch in der GESTIS-Stoffdatenbank

abgerufen werden. Die gesuchten Chemikalien lassen sich in Datenbanken am besten finden,

wenn nach der CAS Nummer gesucht wird. Die jeweiligen Nummern sind in diesem Dokument

vermerkt.

Alle R- & S-Stze sind auf der Webpage des Bundesamtes fr Gesundheit (BAG) zu finden.

Weitere Hinweise zum Umgang mit Chemikalien finden Sie auf der Infowebpage des Bundes.

8.2. Links zu den Sicherheitsdatenblttern

Eisen(II)-chlorid Tetrahydrat (Sigma Aldrich)

Eisen(III)-chlorid Hexahydrat (Carl Roth GmbH)

Salzsure 2 M in H2O/HCl (Carl Roth GmbH)

30%ige Ammoniak-Lsung (Carl Roth GmbH)

25%ige Tetramethylammonium Hydroxid-Lsung (Sigma Aldrich)

8.3. Rechtsgrundlagen/Haftung

Als verbindlich gelten ausschliesslich die Informationen aus den Sicherheitsdatenblttern der

Chemikalien-Hersteller.

Die Sicherheitsdaten fr die verwendeten Chemikalien sowie die Sicherheitshinweise zur

Durchfhrung der Experimente wurden sorgfltig recherchiert Trotzdem wird keine Haftung fr

die Richtigkeit, Vollstndigkeit und Aktualitt der Informationen bernommen.

http://www.swissnanocube.ch/http://biade.itrust.de/biade/lpext.dll?f=templates&fn=main-hit-h.htm&2.0http://www.bag.admin.ch/themen/chemikalien/00249/00528/index.html?lang=dehttp://www.cheminfo.ch/de/umgang.php?navid=2#l13http://www.sigmaaldrich.com/catalog/DisplayMSDSContent.dohttp://www.carl-roth.de/jsp/de-de/sdpdf/P742.PDFhttp://www.carlroth.ch/jsp/de-ch/sdpdf/T134.PDFhttp://www.carl-roth.de/jsp/de-de/sdpdf/CP17.PDFhttp://www.sigmaaldrich.com/catalog/DisplayMSDSContent.do



8.4. Details zu den verwendeten Chemikalien

8.4.1. Eisen(II)-chlorid Tetrahydrat/FeCl24H2O/198.81 g*mol-1


Hersteller Sigma Aldrich (Art.-Nr. 44939)


Eisen(II)-chlorid Tetrahydrat erscheint bei Raumtemperatur und Standarddruck in festem

Aggregatszustand und in Form von hellgrnem, kristallinem Pulver.




Handschuhe tragen

R 22 Gesundheitsschdlich beim Verschlucken.

R 38 Reizt die Haut.

R 41 Gefahr ernster Augenschden.

S 26 Bei Berhrung mit den Augen sofort grndlich mit Wasser absplen und Arzt

konsultieren.

S 39 Schutzbrille/Gesichtsschutz tragen.




beachten.

Quellen

Sigma Aldrich

http://www.swissnanocube.ch/http://www.sigmaaldrich.com/catalog/DisplayMSDSContent.dohttp://www.sigmaaldrich.com/catalog/Lookup.do?N5=All&N3=mode+matchpartialmax&N4=44939&D7=0&D10=44939&N1=S_ID&ST=RS&N25=0&F=PRhttp://www.sigmaaldrich.com/catalog/DisplayMSDSContent.dohttp://www.sigmaaldrich.com/catalog/Lookup.do?N5=All&N3=mode+matchpartialmax&N4=44939&D7=0&D10=44939&N1=S_ID&ST=RS&N25=0&F=PR



8.4.2. Eisen(III)-chlorid Hexahydrat/FeCl33H2O/270.3 g*mol-1




Eisen(III)-chlorid Hexahydrat erscheint bei Raumtemperatur und Standarddruck in festem

Aggregatszustand und in Form von gelbbraunem, grobkrnigem Pulver.




Handschuhe tragen

R 22 Gesundheitsschdlich beim Verschlucken.

R 38 Reizt die Haut.

R 41 Gefahr ernster Augenschden.


konsultieren.

S 39 Schutzbrille/Gesichtsschutz tragen.




beachten.

Quellen

Carl Roth GmbH

http://www.swissnanocube.ch/http://www.carl-roth.de/jsp/de-de/sdpdf/P742.PDFhttp://www.carl-roth.de/catalogue/catalogue.do?lang=de-de&act=showBookmark&favOid=000000010000071300020023http://www.carl-roth.de/jsp/de-de/sdpdf/P742.PDFhttp://www.carl-roth.de/catalogue/catalogue.do?lang=de-de&act=showBookmark&favOid=000000010000071300020023



8.4.3. Salzsure 2 M/HCl in H2O


Hersteller Carl Roth GmbH (Art.-Nr. T134.1)


2 M Salzsure erscheint bei Raumtemperatur und Standarddruck in farblosem, geruchlosem,

flssigem Aggregatszustand und ist vollstndig mit Wasser mischbar.


Gefahrensymbole Warnsymbole Gebotszeichen

C tzend Vorsicht tzend Schutzbrille tragen

Schutzhandschuhe tragen

R 34 Verursacht Vertzungen.

R 37 Reizt die Atmungsorgane.



entsorgen! Suren und Basen vor der Entsorgung neutralisieren. Hinweise im

Sicherheitsdatenblatt des Herstellers beachten. Lokale Vorschriften beachten.

Quellen

GESTIS-Stoffdatenbank

Carl Roth GmbH

http://www.swissnanocube.ch/http://www.carlroth.ch/jsp/de-ch/sdpdf/T134.PDFhttp://www.carlroth.ch/catalogue/catalogue.do;jsessionid=EB91443017A6B857483FEE5FCBDD6D0B?id=12639&favOid=0000000100003dec00020023&act=showBookmark&lang=de-ch&catId=CHhttp://www.carlroth.ch/jsp/de-ch/sdpdf/T134.PDFhttp://biade.itrust.de/biade/lpext.dll?f=templates&fn=main-hit-h.htm&2.0http://www.carlroth.ch/catalogue/catalogue.do;jsessionid=EB91443017A6B857483FEE5FCBDD6D0B?id=12639&favOid=0000000100003dec00020023&act=showBookmark&lang=de-ch&catId=CH



8.4.4. Ammoniak Lsung 30%/NH3 + 3H2O/17.03 g*mol-1


Hersteller Carl Roth GmbH (Art.-Nr. CP17.1)


Die farblose Ammoniak Lsung (30% in H2O) erscheint bei Raumtemperatur und Standarddruck

in flssigem Aggregatszustand. Der Siedepunkt liegt bei 30 C.

Die Substanz verursacht schwere Vertzungen der Haut und schwere Augenschden. Sie ist

sehr giftig fr Wasserorganismen. Die Substanz wird als gefhrlich eingestuft!


C tzend Vorsicht tzend Schutzbrille tragen

N umweltgefhrlich Schutzhandschuhe tragen


R 50 Sehr giftig fr Wasserorganismen.


konsultieren.

S 36/37/39 Bei der Arbeit geeignete Schutzkleidung, Schutzhandschuhe und

Schutzbrille/Gesichtsschutz tragen.

S 45 Bei Unfall oder Unwohlsein sofort Arzt hinzuziehen (wenn mglich, das Etikett

der Substanz vorzeigen).

S 61 Freisetzung in die Umwelt vermeiden. Besondere Anweisungen

einholen/Sicherheitsdatenblatt zu Rate ziehen.



entsorgen! Wenn mglich Suren und Basen vor der Entsorgung neutralisieren. Hinweise im

Sicherheitsdatenblatt des Herstellers beachten. Lokale Vorschriften beachten.

Quellen


Carl Roth GmbH

http://www.swissnanocube.ch/http://www.carl-roth.de/jsp/de-de/sdpdf/CP17.PDFhttp://www.carl-roth.de/catalogue/catalogue.do?lang=de-de&act=showBookmark&favOid=000000050002b10400020023http://www.carl-roth.de/jsp/de-de/sdpdf/CP17.PDFhttp://biade.itrust.de/biade/lpext.dll?f=templates&fn=main-hit-h.htm&2.0http://www.carl-roth.de/catalogue/catalogue.do?lang=de-de&act=showBookmark&favOid=000000050002b10400020023



8.4.5. Tetramethylammonium Hydroxid Lsung 25%ig in H2O (CH3)4N(OH)/

91.15 g*mol-1


Hersteller Sigma Aldrich (Art.-Nr. 331635)

CAS-Nummer 75-59-2

Tetramethylammonium Hydroxid erscheint bei Raumtemperatur und Standarddruck in festem

Aggregatszustand und in Form von weissem kristallinem Pulver.



T giftig Vorsicht giftig Schutzbrille tragen

C tzend Vorsicht tzend Schutzhandschuhe tragen

R 24/25 Giftig bei Berhrung mit der Haut und beim Verschlucken.


R35 Verursacht schwere Vertzungen.

R 52 Schdlich fr Wasserorganismen.


konsultieren.

S 36/37/39 Bei der Arbeit geeignete Schutzkleidung, Schutzhandschuhe und

Schutzbrille/Gesichtsschutz tragen.

S 45 Bei Unfall oder Unwohlsein sofort Arzt hinzuziehen (wenn mglich, das Etikett

der Substanz vorzeigen).




beachten.

Quellen


Sigma Aldrich

http://www.swissnanocube.ch/http://www.sigmaaldrich.com/catalog/DisplayMSDSContent.dohttp://www.sigmaaldrich.com/catalog/Lookup.do?N5=All&N3=mode+matchpartialmax&N4=331635&D7=0&D10=331635&N1=S_ID&ST=RS&N25=0&F=PRhttp://www.sigmaaldrich.com/catalog/DisplayMSDSContent.dohttp://biade.itrust.de/biade/lpext.dll?f=templates&fn=main-hit-h.htm&2.0http://www.sigmaaldrich.com/catalog/Lookup.do?N5=All&N3=mode+matchpartialmax&N4=331635&D7=0&D10=331635&N1=S_ID&ST=RS&N25=0&F=PR

Flssigkristalle


Dezember 2010


Modulsponsor:





Experimentieranleitung Flssigkristalle


Kontakt:



Tel. +41 (0) 71 274 72 66










Inhalt

1. Nano-Kontext ....................................................................................................................... 2

2. Beschreibung des Experiments ......................................................................................... 2

3. Chemikalien/Substanzen .................................................................................................... 3

4. Versuchsanordnung/Materialien ........................................................................................ 3

4.1. Bentigte Materialien Teil 1: Herstellung der Flssigkristall-Mischungen ..................... 3

4.2. Bentigte Materialien Teil 2: Herstellung eines Flssigkristall-Thermometers .............. 4

5. Versuchsdurchfhrung und Musterresultate ................................................................... 5

5.1. Teil 1: Herstellung der Flssigkristall-Mischungen ........................................................ 5

5.2. Teil 1: Herstellung eines Flssigkristall-Thermometers ................................................. 6

5.3. Entsorgung der Lsungen und Chemikalien: ................................................................ 8

6. Theoretische Grundlagen ................................................................................................... 9

7. Anhang 1: Literaturnachweis ........................................................................................... 11

8. Anhang 2: Chemikalien/Sicherheit/Entsorgung ............................................................. 12

8.1. Allgemeine Hinweise.................................................................................................... 12

8.2. Links zu den Sicherheitsdatenblttern ......................................................................... 12

8.3. Rechtsgrundlagen/Haftung .......................................................................................... 12

8.4. Details zu den verwendeten Chemikalien.................................................................... 13


http://www.youtube.com/watch?v=Y1lyGYuB9is



1. Nano-Kontext

Farbvernderungen von Materialien induziert durch die Vernderung der kristallinen

Struktur in der Nanodimension

Flssigkristalle als Kombination von Flssigkeitseigenschaften mit kristalliner,

nanodimensionaler Ordnung

Anwendung von Flssigkristallen zum Beispiel in Temperatursensoren oder LCDs.


Bei diesem Versuch wird ein Flssigkristall-Thermometer hergestellt.

Die molekularen Bausteine von Flssigkristallen werden Mesogene genannt.

Flssigkristalle stellen eine teilweise geordnete Phase dar mit Eigenschaften, die zwischen

denjenigen von Flssigkeiten und denjenigen von Feststoffen liegen [1]. Sie besitzen eine

einzigartige Kombination aus Mobilitt und Ordnung auf nanoskaliger Ebene [2].

Die optischen Eigenschaften von Flssigkristallen sind davon abhngig, wie die Molekle

angeordnet sind [1]. Im vorliegenden Experiment verndern die Flssigkristalle ihre Farbe je

nach Temperatur, der sie ausgesetzt sind.

Der Ordnungsgrad von Flssigkristallen ist stark temperaturabhngig [1].

Durch die gezielte Mischung verschiedener Flssigkristalle lsst sich der Temperaturbereich,

auf den die Mischung mit Farbvernderungen reagiert, einstellen.





Cholesteryl Benzoat/C34H50O2 (Alfa Aesar GmbH)

Cholesteryl Nonanoat (Cholesteryl Pelargonat)/C36H62O2 (Alfa Aesar GmbH)

Cholesteryl Oleyl Carbonat/C46H80O3 (Sigma Aldrich)

Leitungswasser



4.1. Bentigte Materialien Teil 1: Herstellung der Flssigkristall-

Mischungen

Materialangaben fr jeweils 2 Schlerinnen und Schuler (Zweierteam)

4 Schnappdeckelglser 25 ml

2 Trichter

1 Waage (Genauigkeit bis 0.01 g)

3 Kleine Wge-Schalen

1 Eisenspatel



4.2. Bentigte Materialien Teil 2: Herstellung eines Flssigkristall-

Thermometers

Materialangaben fr die ganze Klasse

4 Thermometer (bis 50C) inkl. Stativ und Halterung

5 Heizplatten

4 Becherglser (: ca. 140 mm, zur Hlfte mit Leitungswasser gefllt)

Optional (Falls zu wenige Heizplatten): Haartrockner oder Heissluftfhn

1-2 Rollen Klarsichtklebefolie aus dem Baumarkt

Materialangaben fr jeweils 2 Schlerinnen und Schuler (Zweierteam)

1 Schere

1 Holzklammer (Reagenzglashalterung)

4 Graduierte Plastik-Pasteurpipetten (ca. 5 ml)

1 Schwarzes A4-Papier




5.1. Teil 1: Herstellung der Flssigkristall-Mischungen

5.1.1. Berechnungen

Anzahl Schler = N (Bei einer ungeraden Anzahl Schler sollte N+1 als N genommen werden)

Anzahl Zweierteams = (N/2) = n

Reserve: Rot markiert


Flssigkristall-Mischungen (angezeigte Temperatur)

Cholesteryl Benzoat Cholesteryl Nonanoat Cholesteryl Oleyl

Carbonat

Typ 1 (17.0 C 23.0C) 0.10 g 0.25 g 0.65 g

Typ 2 (26.5 C 30.5C) 0.10 g 0.45 g 0.45 g

Typ 3 (32.0 C 35.0C) 0.10 g 0.50 g 0.40 g

Typ 4 (37.0 C 40.0C) 0.10 g 0.60 g 0.30 g

Total pro Zweierteam 0.40 g 1.80 g 1.80 g

Gesamtmenge fr n Zweierteams (inkl. Reserve)

[(0.40 g)*n]+[(0.10 g)*n] [(1.80 g)*n]+[(0.40 g)*n] [(1.80 g)*n]+[(0.40 g)*n]


Dauer ca. 15 min

Menge pro Zweierteam fr ein Experiment


Die Schlerinnen und Schler sollen wenn mglich in Zweierteams arbeiten. Falls nur wenige

Waagen zur Verfgung stehen, macht es Sinn, wenn jedes Zweierteam nur eine oder zwei der

vier mglichen Mischungen herstellt. Um Material zu sparen, knnen Wge-Schalen, Trichter

und Spatel wiederholt (ohne gesubert zu werden) von mehreren Zweierteams verwendet

werden, um damit die gleichen Chemikalie abzuwgen.


1. Vier Schnappdeckelglser mit den Typen der herzustellenden Flssigkristall-Mischungen

beschriften (Typ 1 bis 4, Datum).

2. Die in der Tabelle angegebenen Werte der Chemikalien abwgen und mit einem Trichter in

ein Schnappdeckelglas einfllen. Beispiel fr Typ 1: 0.1 g Cholesteryl Benzoat, 0.25 g

Cholesteryl Nonanoat und 0.65 g Cholesteryl Oleyl Carbonat. Dabei soll darauf geachtet

werden, dass die Chemikalien vollstndig aus dem Trichter und der Wge-Schale in das

Schnappdeckelglas gelangen.

3. Schritt 1 und 2 fr alle 4 Typen wiederholen.

4. Parallel dazu kann die Klarsichtklebefolie zugeschnitten werden (siehe Punkt 1 in Teil 2).



5.2. Teil 1: Herstellung eines Flssigkristall-Thermometers


Die Lehrperson kann die vier Wasserbder mit unterschiedlichen Temperaturen vorbereiten.

Idealerweise wird die Heizplatte mit einem Thermostat verbunden. Falls diese Ausrstung nicht

zur Verfgung steht, mssen die Wasserbder mit den herkmmlichen Thermometern kurz vor

Gebrauch auf den gewnschten Temperaturbereich aufgewrmt werden. Wird dieser

berschritten, kann durch Nachfllen von Leitungswasser gekhlt werden.


Dauer ca. 20 min

Menge pro Zweierteam fr ein Experiment

Sicherheitshinweis: Schutzbrille und Hitzeschutz-Handschuhe tragen!

1. Zuerst die Klarsichtklebefolien zuschneiden. Falls ein Zweierteam alle 4 Kristalltypen

herstellt, mssen 8 Quadrate (ca. 10 cm x 10 cm) zugeschnitten werden.

2. Nun mssen die 4 Mischungen verflssigt werden. Dazu die mit Pulver gefllten

Schnappdeckelglser verschliessen und auf eine Heizplatte stellen (Temperatur ca. 190

C). Alternativ kann man auch einen Haartrockner (oder Heissluftfhn) verwenden.


Die Zweierteams sollen jeweils jede der 4 Flssigkristall-Mischungen separat herstellen. Um

Engpsse bei den Wasserbdern zu verhindern, sollen die Zweierteams die Flssigkristalle in

unterschiedlichen Reihenfolgen herstellen.

3. Sobald sich die Mischung vollstndig verflssigt hat und keine weissen Partikel mehr im

Schnappdeckelglas zu erkennen sind, das Schnappdeckelglas ffnen und mit einer Plastik-

Pasteurpipette ca. 2-3 ml der zhflssigen Substanz in die Mitte auf die klebende Seite

eines der zuvor zugeschnittenen Folien-Stcke pipettieren. Falls der Flssigkristall zu

zhflssig sein sollte, kann zum Auftragen auch ein Spatel verwendet werden. Danach

sofort ein zweites Folien-Stck aufkleben und die Substanz in der Mitte mit dem Finger

vorsichtig mit etwas Druck verteilen. Sobald die Folien verklebt sind, werden sie mit einem

wasserfesten Stift mit der Nummer der jeweiligen Mischung versehen (Tabelle 1). Danach

knnen die verklebten Folien bei Bedarf noch auf gewnschte Grssen und Formen

zugeschnitten werden.


Es ist wichtig, dass bei Schritt 3 sehr rasch und sauber gearbeitet wird. Der Flssigkristall ist nur

kurze Zeit nach dem Erhitzen dnnflssig genug, um ihn ohne Mhe zwischen zwei Stcken

Klarsichtklebefolien zu platzieren. Um Zeit zu sparen, kann die Abziehfolie der zugeschnittenen

Klarsichtklebefolien schon kurz vor dem Ende des Erhitzens abgezogen werden. Ein

Schler/eine Schlerin pro Zweierteam kann dann (mit Schutzhandschuhen) die

Flssigkkristalle auf die Folien pipettieren, whrend die/der andere rasch die beiden Folien-

Stcke miteinander verklebt.

4. Der Flssigkristall kann nun fr 1 bis 2 Minuten in jenes Wasserbad getaucht werden,

welches der fr ihn vorgesehenen Temperatur entspricht (Tabelle 1). Dabei kann das

Folien-Stck mit einer Holzklammer festgehalten werden (Abb. 2).



Abbildung 2: Flssigkristall im Wasserbad. (Bild: Swiss Nano-Cube)

5. Danach den Flssigkristall aus dem Wasserbad herausnehmen und bei Bedarf kurz auf ein

Papiertuch legen. Der Farbumschlag beim Abkhlen ist besonders gut zu beobachten,

wenn die Folie vor ein Stck schwarzes Papier gehalten wird (Abb. 3).

Abbildung 3: (links) Typ 2 Flssigkristall bei 20 C. (rechts) Typ 2 Flssigkristall bei 28 C. (Bild: Swiss

Nano-Cube)

6. Werden alle 4 Folien-Stcke mit den Flssigkristallen nebeneinander gelegt, hat man ein

grobes Raum-Thermometer (siehe Abb. 4).

Abbildung 4: Flssigkristall Raum-Thermometer bei 20 C. (Bild: Swiss Nano-Cube)

20.0 C 28.0 C

20.0 C



5.3. Entsorgung der Lsungen und Chemikalien:

Hinweise zur Entsorgung im Anhang 2 beachten! Die Folien mit den Flssigkristallen sollen zu

Anschauungszwecken aufbewahrt werden. Um die Flssigkristall-Rckstnde vollstndig aus

den Schnappdeckelglsern zu entfernen, knnen diese abermals erhitzt werden. Das

berschssige Material wird in einem Schnappdeckelglas gesammelt und muss bei den dafr

vorgesehenen Giftsammelstellen entsorgt werden.



6. Theoretische Grundlagen

Flssigkristalle knnen sich in Lsungsmitteln bilden (lyotrop) oder beim Schmelzen von

Substanzen mit bestimmten molekularen Eigenschaften (thermotrop). Die in diesem Experiment

hergestellten Flssigkristalle sind sogenannte thermotrope Phasen. [1]. Thermotrope Phasen

sind bergangszustnde zwischen fester (kristalliner) und flssiger Phase und besitzen je nach

Temperatur einen unterschiedlich hohen Ordnungsgrad hinsichtlich der einzelnen Molekle [1].

Voraussetzung fr die Entstehung flssigkristalliner bergangszustnde sind spezielle

Eigenschaften der einzelnen Molekle, sogenannte mesogene Eigenschaften [2].

Entscheidend fr die optischen Eigenschaften des Flssigkristalls ist die gegenseitige

Orientierung der molekularen Lngsachsen der bereinander liegenden einzelnen Molekle [1],

[2]. Wenn diese Molekle bestimmte Symmetrieeigenschaften besitzen, lagern sie sich

Wendeltreppen-frmig bereinander an [1]. Man spricht von einer Helix. Wichtig sind dabei die

Ganghhe (egnl.pitch) und die Hndigkeit der Helix (Abb. 5).

5.a 5.b

Abbildung 5: (a) bereinander angeordnete Schichten von Moleklen in einem

Flssigkristall mit der Ausrichtung ihrer Lngsachsen (blaue Linien). Die

Lngsachsen der Molekle einer Ebene sind jeweils gleichgerichtet (b) Drehung

der Lngsachsen der Molekle (rote Pfeile) entlang der Helixachse. Pitch:

Ganghhe der Helix. (Abbildung: Swiss Nano-Cube).

Die Ganghhe (Pitch) gibt die Strecke auf der Helix-Lngsachse an, entlang welcher die

Wendeltreppenstruktur sich einmal um 360 windet. Diese Strecke ist je nach Temperatur

unterschiedlich lang. In thermotropen Flssigkristallen liegt sie zwischen 400 und 700 nm [1],

also im Bereich der Wellenlnge des Sichtbaren Lichts. Die Hndigkeit gibt an, in welche

Richtung sich die Lngsachsen der einzelnen Molekle entlang einer Helixlngsachse drehen

[3]. In Abbildung 5.b wre dies eine linksdrehende Helix.

Diese Helixstrukturen knnen mit denjenigen Anteilen des sichtbaren Lichts, deren Spektren

ebenfalls im Bereich von 400 bis 700 nm liegen, wechselwirken [3]. Der Anteil des sichtbaren

Lichts, dessen Wellenlnge der Helixganghhe entspricht und dessen zirkular polarisierte

Hndigkeit der Helixhndigkeit gleichgerichtet ist, kann mit dem Flssigkristall wechselwirken

und wird reflektiert. Der restliche Anteil wird transmittiert [3]. Dabei wirkt der Flssigkristall als

Zirkularpolarisator und durch die Reflexion der polarisierten Wellen entstehen



Interferenzmuster, welche als schillernde Farben erkennbar sind [3]. Wegen der

Temperaturabhngigkeit der Helixganghhe reflektieren Flssigkristalle je nach

Umgebungstemperatur unterschiedliche Wellenlngen des eingestrahlten sichtbaren Lichts [1].

Durch die Verwendung unterschiedlicher Mesogen-Gemische, wie dies in diesem Experiment

der Fall ist, kann eine unterschiedliche Temperaturabhngigkeit der Flssigkristallmischungen

erzeugt werden, so dass die Helixganghhe bei unterschiedlichen Temperaturen die gleiche

Lnge aufweist.




[1] htt

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Nanochemie Modul - Nano-Portal DGUVnano.dguv.de/fileadmin/user_upload/documents/textfiles/Grundlagen/... · Nanochemie Modul Experimentieranleitungen Dezember 2010 Stephan Knébel,