Synthese von Opalen - GKS Müllheim · Einleitung Seite 7 – 46 Synthese von Opalen Stefan Müller, Otto Schäfer Seite 47 – 78 Berechnung von Modellen der 32 Kristallklassen und

Abschließende Projektberichte des Sokrates-Comenius-Projekts

Synthese von Opalen

an der Georg-Kerschensteiner Schule, Müllheim/Baden

Stefan MüllerЖ, Otto SchäferШ

Ж: Albert-Ludwigs Universität, Freiburg, Ш: Georg-Kerschensteiner Schule, Müllheim

2005-2007

Müllheim im August 2007

Aus urheberrechtlichen Gründen gekürzte Ausgabe 2008

© 2007-2008 Stefan Müller und Otto Schäfer

Alle Rechte vorbehalten.

Einleitung Seite 7 – 46

Synthese von Opalen Stefan Müller, Otto Schäfer

Seite 47 – 78

Berechnung von Modellen der 32 Kristallklassen und Entwurf von BastelvorlagenStefan Müller (Ed.), Otto Schäfer

Seite 79 – 176 (aus Urheberrechtsgründen in diesem Dokument nicht enthalten)

Berechnung von Modellen verschiedener Quarz-, Orthoklas- und Calcitkristallen Stefan Müller (Ed.), Otto Schäfer


3D-Visualisierung von Silikatstrukturen Stefan Müller (Ed.), Otto Schäfer


Züchtung von Seignettesalzeinkristallen Pascale Baumann, Thekla Bergemann, Astrid Jurischka, Johannes Bernauer, Matthias Geiger, Stefan Müller (Ed.), Otto Schäfer

Seite 297 – 338 (Teile aus Urheberrechtsgründen in diesem Dokument nicht enthalten)

Züchtung von Alauneinkristallen und Untersuchung von Habitusänderungen an Alaunkristallen Fabian Ambil, Sebastian Grether, Tobias Jerabek, Jens Tietjen, Stefan Müller (Ed.),

Otto Schäfer


Der Kugelwachstumsversuch an Alaun-und Seignettesalzeinkristallen – in-silico Berechnung der Ergebnisse Ramona Heitz, Helge Höck, Yannick Linke, Stefan Müller (Ed.), Otto Schäfer

Seite 411 – 452

Züchtung von Triglycinsulfateinkristallen – Arbeiten zum Bau eines IR-Detektors Karim Aly, Cornelius Dorner, Stefan Meier, Arthur Wiens, Stefan Müller (Ed.), Otto Schäfer


Züchtung von Einkristallen des α-D-Glucose-Natriumchlorid-Wasser (2/1/1) Komplexes Florian Fuchs, Tilo Sichler, Hakan Bilgic, Stefan Müller (Ed.), Otto Schäfer


Züchtung von Calciumtartrateinkristallen im Kieselgel Tobias Elsässer, Daniel Grozinger, Bernd Henrich, Marc Lais, Stefan Müller (Ed.), Otto Schäfer

Seite 505 – 522

Entwicklung von Bausätzen für die technikbezogene Didaktik

Detektorradio mit Pyritgleichrichter Stefan Müller (Ed.), Otto Schäfer

Seite 523 – 542


Apparatur zur Demonstration des Piezoeffekts Stefan Müller (Ed.), Otto Schäfer

Seite 543 – 560

Abschließender Projektbericht des Sokrates-Comenius-Projekts

Synthese von Opalen

an der Georg-Kerschensteiner Schule, Müllheim/Baden

Stefan MüllerЖ (Ed.), Otto SchäferШ


2005-2007


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2 Vorwort

Vorwort Diese Abhandlung präsentiert kurz – etwas untertrieben für ca. 500 Seiten – die Ergebnisse unser Projektarbeit an der Georg-Kerschensteiner Schule in Müllheim, die im Rahmen eines Sokrates-Comenius-Projekts1 in den Jahren 2005-2007 erarbeitet wurden. Das Hauptziel besagten Projektes bestand in der Realisierung einer synthetischen Herstellung von Opalen mit all den damit verbundenen Forschungen.2

Um diese Aufgabe zu Schultern arbeiteten drei Schulen aus drei Ländern der Europäischen Union mit insgesamt 54 Schülern an diesem Projekt mit. Die einzelnen Schulen waren das Lycée d'enseignement général et technologique Louis Armand3, Mulhouse/Frankreich, das Berzsenyi Dániel Gimnázium4, Budapest/Ungarn und die Georg-Kerschensteiner Schule5, Müllheim/Deutschland.

1 Sokrates: gemeinschaftliches Aktionsprogramm im Bereich der allgemeinen Bildung (2000-2006) der

Europäischen Union; Comenius: Europäische Zusammenarbeit auf dem Gebiet der Schulbildung. 2 http://copal ms-dev.de/ 3 http://www.louis-armand.uha.fr/ 4 http://www.berzsenyi hu/ 5 http://www.gks.fr.bw.schule.de/

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Inhaltsverzeichnis 3

Inhaltsverzeichnis

Vorwort............................................................................................................................ 2

Inhaltsverzeichnis ........................................................................................................... 3

Abbildungsverzeichnis.................................................................................................... 4

Abkürzungsverzeichnis .................................................................................................. 5

1 Einleitung ............................................................................................................. 6

2 Zeitlicher Ablauf.................................................................................................. 7 2.1 Erstes Projekttreffen .............................................................................................. 7

2.2 Erste Erfolge in der Opalsynthese ......................................................................... 9

2.3 Zweites Projekttreffen ......................................................................................... 10

2.4 Synthese des ersten Opals ................................................................................... 11

2.5 Verarbeitung der synthetischen Opale zu Schmuck............................................ 13

2.6 Drittes Projekttreffen ........................................................................................... 14

2.7 Abschlusstreffen .................................................................................................. 16

3 Die Projektberichte der Georg-Kerschensteiner Schule, Müllheim............. 18

4 Der Betreuerstab ............................................................................................... 21

5 Die Schüler ......................................................................................................... 23

6 Die Unterstützer................................................................................................. 26

7 Literaturverzeichnis .......................................................................................... 27

8 Anhang................................................................................................................ 28

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4 Abbildungsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis Abbildung 1: Schülerinnen und Schüler beim Bau einer Apparatur zur

Demonstration des Piezoeffekts............................................................................ 7 Abbildung 2: Untersuchung einer der ersten Sedimentproben mit dem

Rasterelektronenmikroskop am Kristallographischen Institut der Universität Freiburg................................................................................................................. 8

Abbildung 3: Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme einer der Proben. Gut zu erkennen sind die Silikatnanokugeln mit homogener Durchmesserverteilung..... 8

Abbildung 4: Besuch des Lycée d'enseignement général et technologique Louis Armand in Mulhouse. ........................................................................................... 9

Abbildung 5: Opaleszierendes Sediment in einem Reagenzglas. ................................... 9 Abbildung 6: Hochgeordnete Struktur der Silikatnanokugeln in einem

opaleszierenden Sediment................................................................................... 10 Abbildung 7: Interview im ungarischen Parlament....................................................... 11 Abbildung 8: Erster synthetischer Opal. ....................................................................... 11 Abbildung 9: Astrid Jurischka (Müllheim) an unserem Trocknungsautoklaven für

die Trocknung der opaleszierenden Sedimente. ................................................. 12 Abbildung 10: Hoch geordnete Struktur eines verfestigten Sediments. Gut zu

erkennen ist die Füllung der Lücken zwischen den Silikatnanokugeln. ............. 12 Abbildung 11: Synthetischer Opal. (Abb. 10 zeigt dessen strukturellen Aufbau) ........ 13 Abbildung 12: Schmuckanhänger mit einem synthetischen Opal................................. 13 Abbildung 13: Projektteilnehmer/innen bei der Laborarbeit......................................... 14 Abbildung 14: Arbeiten am Rasterelektronenmikroskop am Centre National de la

Recherche Scientifique in Mulhouse................................................................... 15 Abbildung 15: Die Projektteilnehmer beim Besuch des Europaparlaments in

Straßburg............................................................................................................. 15 Abbildung 16: Projektteilnehmerinnen mit Projekt-T-Shirt bei der

Projektpräsentation.............................................................................................. 16 Abbildung 17: Projektpräsentation vor geladenen Gästen. ........................................... 16

Die rasterelektronenmikroskopischen Aufnahmen wurden von Herrn Dr. J. Bibus oder Frau K. Wilker angefertigt.

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Abkürzungsverzeichnis 5

Abkürzungsverzeichnis TGS Triglycinsulfat

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6 1 Einleitung

1 Einleitung Die Schüler an der Georg-Kerschensteiner Schule sollten mit dem Arbeiten in einem internationalen und gemeinschaftlichem Umfeld, sowie naturwissenschaftlichen Denk- und Arbeitsweisen vertraut gemacht werden. Die Organisation sah vor, dass die Schüler in kleinen Gruppen (bis zu 5 Mitgliedern) an einem kleinen wissenschaftlichen Projekt neben dem Hauptprojekt über zwei Jahre arbeiten sollten. Es wurden sechs solcher Projektgruppen gebildet, denen unterschiedliche Aufgaben übertragen wurden:

- Alaun: Züchtung von Alauneinkristallen und Untersuchung von Habitusänderungen an Alaunkristallen.

- Seignettesalz: Synthese von Seignettesalz aus Weinstein und Züchtung von Seignettesalzeinkristallen, Untersuchungen zur Habitusänderung an Seignettesalzkristallen, sowie dem Bau von Apparaturen zur Demonstration des Piezoeffekts.

- TGS: Synthese von Triglycinsulfat (TGS) und Züchtung von TGS-Einkristallen, sowie dem Bau eines pyroelektrischen Konverters.

- Natriumchlorid: Züchtung von Natriumclorid-Glucose-Kristallen und deren Analyse.

- Calciumtartrat: Züchtung von Kalziumtartrateinkristallen in einer Kieselgelmatrix.

- Kugelwachstumsversuch: Durchführung und in-silico-Simulation des Kugelwachstumsversuchs.

Diese Abhandlung besteht aus 13 unabhängigen Berichten zu obigen Projektarbeiten sowie anderen Arbeitsgebieten.

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2 Zeitlicher Ablauf 7

2 Zeitlicher Ablauf Eine detailliertere Version des zeitlichen Ablaufs unseres Projekts kann auf http://copal.ms-dev.de nachgelesen werden.

Im September 2005 - mit dem Beginn des Schuljahres - startete unser Sokrates-Comenius-Projekt. Mit den Vorbereitungen zum ersten Projekttreffen in Müllheim.

2.1 Erstes Projekttreffen

Das erste Projekttreffen der beteiligten Betreuer und Projektbotschaftern aus den Reihen der Schüler fand vom 17.10. bis zum 21.10.2005 an der Georg-Kerschensteiner Schule in Müllheim statt.

Abbildung 1: Schülerinnen und Schüler beim Bau einer Apparatur zur Demonstration des Piezoeffekts.

Höhepunkte dieses Treffens waren u. a. der Bau einer Apparatur zur Demonstration des Piezoeffekts (Abb. 1) und eines Detektorradios (beide Bauanleitungen sind in dieser Abhandlung enthalten) durch alle beteiligten Schüler.

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8 2 Zeitlicher Ablauf

Außerdem begannen die experimentellen Arbeiten zur Opalsynthese und die Untersuchung der ersten Proben am Rasterelektronenmikroskop am Kristallographischen Institut der Universität Freiburg (Abb. 2 und 3), sowie der ein Besuch des Lycée d'enseignement général et technologique Louis Armand in Mulhouse (Abb. 4).

Abbildung 2: Untersuchung einer der ersten Sedimentproben mit dem Rasterelektronenmikroskop am Kristallographischen Institut der Universität Freiburg.

Abbildung 3: Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme einer der Proben. Gut zu erkennen sind die Silikatnanokugeln mit homogener Durchmesserverteilung

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Abbildung 4: Besuch des Lycée d'enseignement général et technologique Louis Armand in Mulhouse.

2.2 Erste Erfolge in der Opalsynthese

Im März 2006 ernteten wir die ersten Früchte der Forschungen zur Opalsynthese. Es gelang opaleszierende Sedimente zu erhalten (Abb. 5), und eine hoch geordnete Anordnung der Silikatnanokugeln in diesen Sedimenten nachzuweisen.

Abbildung 5: Opaleszierendes Sediment in einem Reagenzglas.

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Abbildung 6: Hochgeordnete Struktur der Silikatnanokugeln in einem opaleszierenden Sediment.

2.3 Zweites Projekttreffen

Das zweite Projekttreffen fand zwischen dem 02.04. und 07.04.2006 in Budapest am Berzsenyi Dániel Gimnázium statt. Dieses Treffen war zweifellos für alle Beteiligten ein unvergessliches Erlebnis. Höhepunkte dieses Treffens waren neben Projektpräsentationen zur bisherigen Arbeit auch zweifelsohne der Besuch des ungarischen Parlaments (Abb. 7) und des Balatons. Über dieses Treffen wurde sogar im ungarischen Fernsehen berichtet.

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Abbildung 7: Interview im ungarischen Parlament.

Dieses Treffen dokumentierte, dass unsere Projektarbeit auf einem guten Weg war und man, die gesteckten Ziele erreichen kann.

2.4 Synthese des ersten Opals

Im Juni 2006 erreichten wir mit der Synthese eines Opals (Abb. 8) unser Ziel, und hatten nun noch ein Jahr der Optimierung der Synthese vor uns.

Abbildung 8: Erster synthetischer Opal.

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Abbildung 9: Astrid Jurischka (Müllheim) an unserem Trocknungsautoklaven für die Trocknung der opaleszierenden Sedimente.

Es gelang die erhaltenen opaleszierenden Sedimente zu trocknen (Abb. 9), bis zur Schleifbarkeit zu verfestigen (Abb. 10) und weitere Opale zu synthetisieren.

Abbildung 10: Hoch geordnete Struktur eines verfestigten Sediments. Gut zu erkennen ist die Füllung der Lücken zwischen den Silikatnanokugeln.

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Abbildung 11: Synthetischer Opal. (Abb. 10 zeigt dessen strukturellen Aufbau)

2.5 Verarbeitung der synthetischen Opale zu Schmuck

Die während der Projektarbeit erhaltenen synthetischen Opale wiesen im Oktober 2006 eine derart hohe Qualität auf, dass man sie zu Schmuck verarbeiten konnte (Abb. 12).

Abbildung 12: Schmuckanhänger mit einem synthetischen Opal.

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2.6 Drittes Projekttreffen

Das dritte Projekttreffen fand zwischen 16.10. und 20.10.2006 in Mulhouse am Lycée d'enseignement général et technologique Louis Armand statt. Dieses Treffen stand ganz im Zeichen der Analytik unserer synthetischen Opale, sowie der Optimierung der Synthesevorschriften (Abb. 13).

Abbildung 13: Projektteilnehmer/innen bei der Laborarbeit.

Einer der Höhepunkte dieses Treffens war der Besuch des Centre National de la Recherche Scientifique in Mulhouse, an dem unsere Opale analysiert wurden (Abb. 14) und des Europaparlaments in Straßburg. Dieses Treffen war ebenso wie das zweite Treffen bestens organisiert und ein voller Erfolg. Es bereitete den Weg zum Abschlusstreffen in Müllheim.

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Abbildung 14: Arbeiten am Rasterelektronenmikroskop am Centre National de la Recherche Scientifique in Mulhouse.

Abbildung 15: Die Projektteilnehmer beim Besuch des Europaparlaments in Straßburg.

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2.7 Abschlusstreffen

Das Abschlusstreffen fand zwischen dem 12.03. und dem 16.03.2007 an der Georg-Kerschensteiner Schule in Müllheim statt.

Abbildung 16: Projektteilnehmerinnen mit Projekt-T-Shirt bei der Projektpräsentation.

Während dieses Treffens wurden die Ergebnisse des Projekts vor geladenen Gästen aus der Politik, der Schulverwaltung und der Presse vorgestellt.

Abbildung 17: Projektpräsentation vor geladenen Gästen.

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Weitere Höhepunkte waren der Besuch der Firma SICK in Waldkirch und des Museums-Bergwerks Schauinsland. Dieses Treffen vermittelte sehr gut den Umfang der geleisteten Arbeit, der schier überwältigend war.

Allen Beteiligten Unterstützerinnen/Unterstützern und Sponsoren kann an dieser Stelle nicht genug gedankt werden.

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18 3 Die Projektberichte der Georg-Kerschensteiner Schule, Müllheim

3 Die Projektberichte der Georg-Kerschensteiner Schule, Müllheim

Wie bereits erwähnt wurden an der Georg-Kerschensteiner Schule in Müllheim sechs Projektgruppen gebildet, in denen die Schüler neben der Arbeit zur Opalsynthese an einem kleinen Forschungsprojekt arbeiten sollten. Diese Gruppen waren:







Die Arbeitsanweisungen für diese Gruppen sind im Anhang zu finden.

Die Ergebnisse dieser Projektarbeit, die Ergebnisse zur Opalsynthese und einige weitere Projektberichte sind in dieser Abhandlung zusammengefasst. Die einzelnen Berichte sind:

Synthese von Opalen Stefan Müller, Otto Schäfer

Seite 47 – 78

Berechnung von Modellen der 32 Kristallklassen und Entwurf von Bastelvorlagen Stefan Müller (Ed.), Otto Schäfer

Seite 79 – 176

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3 Die Projektberichte der Georg-Kerschensteiner Schule, Müllheim 19

Berechnung von Modellen verschiedener Quarz-, Orthoklas- und Calcitkristallen Stefan Müller (Ed.), Otto Schäfer

Seite 177 – 276

3D-Visualisierung von Silikatstrukturen Stefan Müller (Ed.), Otto Schäfer

Seite 277 – 296

Züchtung von Seignettesalzeinkristallen Pascale Baumann, Thekla Bergemann, Astrid Jurischka, Johannes Bernauer, Matthias Geiger, Stefan Müller (Ed.), Otto Schäfer

Seite 297 – 338

Züchtung von Alauneinkristallen und Untersuchung von Habitusänderungen an Alaunkristallen Fabian Ambil, Sebastian Grether, Tobias Jerabek, Jens Tietjen, Stefan Müller (Ed.),

Otto Schäfer

Seite 339 – 310

Der Kugelwachstumsversuch an Alaun-und Seignettesalzeinkristallen – in-silico Berechnung der Ergebnisse Ramona Heitz, Helge Höck, Yannick Linke, Stefan Müller (Ed.), Otto Schäfer

Seite 411 – 452

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20 3 Die Projektberichte der Georg-Kerschensteiner Schule, Müllheim

Züchtung von Triglycinsulfateinkristallen – Arbeiten zum Bau eines IR-Detektors Karim Aly, Cornelius Dorner, Stefan Meier, Arthur Wiens, Stefan Müller (Ed.), Otto Schäfer

Seite 453 – 478

Züchtung von Einkristallen des α-D-Glucose-Natriumchlorid-Wasser (2/1/1) Komplexes Florian Fuchs, Tilo Sichler, Hakan Bilgic, Stefan Müller (Ed.), Otto Schäfer

Seite 479 – 504

Züchtung von Calciumtartrateinkristallen im Kieselgel Tobias Elsässer, Daniel Grozinger, Bernd Henrich, Marc Lais, Stefan Müller (Ed.), Otto Schäfer

Seite 505 – 522


Detektorradio mit Pyritgleichrichter Stefan Müller (Ed.), Otto Schäfer

Seite 523 – 542


Apparatur zur Demonstration des Piezoeffekts Stefan Müller (Ed.), Otto Schäfer

Seite 543 – 560

In diesen Abhandlung sind nur die wichtigsten Ergebnisse kurz zusammengefasst. Viele Dinge konnten nicht in diese Berichtsammlung aufgenommen werden, da dies jeden vernünftigen Rahmen gesprengt hätte.

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4 Der Betreuerstab 21

4 Der Betreuerstab Organisation und Koordination

Reinhold Berger stellvertretender Schulleiter der Georg-Kerschensteiner Schule, Müllheim, Deutschland

Fachliche Betreuung

Dr. Joachim D. H. Bibus VITA Zahnfabrik Bad Säckingen, Deutschland

Dibusz Anikó Deutsch Berzsenyi Dániel Gimnázium, Budapest, Ungarn

Anne Dupuis Mathematik Lycée d'enseignement général et technologique Louis Armand, Mulhouse, Frankreich

Iványiné Batta Beáta Chemie Berzsenyi Dániel Gimnázium, Budapest, Ungarn

Evelyne Marin Deutsch Lycée d'enseignement général et technologique Louis Armand, Mulhouse, Frankreich

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22 4 Der Betreuerstab

Jean-Pierre Marquigny Chemie/Physik Lycée d'enseignement général et technologique Louis Armand, Mulhouse, Frankreich

Dipl. Chem. Stefan Müller Chemie/Informatik Institut für Organische Chemie und Biochemie Albert-Ludwigs Universität, Freiburg, Deutschland

OStR Otto Schäfer Chemie Georg-Kerschensteiner Schule, Müllheim, Deutschland

Elisabeth Schillinger Deutsch Lycée d'enseignement général et technologique Louis Armand, Mulhouse, Frankreich

Brigitte Weitz Französisch Georg-Kerschensteiner Schule, Müllheim, Deutschland

Karin Wilker Kristallographisches Institut Albert-Ludwigs Universität, Freiburg, Deutschland

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5 Die Schüler 23

5 Die Schüler Georg-Kerschensteiner Schule, Müllheim, Deutschland

Fabian Ambil

Karim Aly

Pascale Baumann

Thekla Bergemann

Johannes Bernauer

Hakan Bilgic

Cornelius Dorner

Tobias Elsässer

Florian Fuchs

Matthias Geiger

Sebastian Greter

Daniel Grozinger

Ramona Heitz

Bernd Henrich

Helge Höck

Tobias Jerabek

Astrid Jurischka

Marc Lais

Yannick Linke

Stefan Meier

Tilo Sichler

Jens Titjen

Arthur Wiens

Florian Wunderlin

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24 5 Die Schüler

Lycée d'enseignement général et technologique Louis Armand, Mulhouse, Frankreich

Eve Baldeck

Antoine Bourderont

Marc Burkard

Audrey Camillieri

Olivier Duverger

Débora Galloni

Christophe Marcot

Allison Roch

Gulay Sengonul

Mikaël Souiki

Michel Tang

Anthireya Yoganathan

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5 Die Schüler 25

Berzsenyi Dániel Gimnázium, Budapest, Ungarn

Alföldi Boldizsár

Boglári Dániel

Borsos Dóra

Burger Mátyás

Dobos Blanka

Echeff Alexis

Fitter Alexandra

Kátai Péter

Kiss Csaba

Kiss Orsolya

Molnár Szilvia

Németh Hanna

Pap Réka

Pothorszky Szilárd

Puszta András

Rimóczi Balázs

Tóth Zsófia

Mitropulosz Vaszilisz

Nagygyörgy Viola

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26 6 Die Unterstützer

6 Die Unterstützer Förderverein der Georg-Kerschensteiner Schule

Fonds der chem. Industrie

Freudenberg Gruppe, Weinheim

Sick AG, Waldkirch

Weiter wurde dieses Projekt unterstützt von:

Dr. J. Bibus, Vita Zahnfabrik, Bad Säckingen

Juwelier Lüdtke, Münstertal

Fritz Schmidlin, Hach

K. Wilker, Kristallographisches Institut, Freiburg

Allen, die zum Gelingen unserer Arbeit beigetragen haben, sei an dieser Stelle nochmals herzlich gedankt.

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7 Literaturverzeichnis 27

7 Literaturverzeichnis [1] Sokrates: gemeinschaftliches Aktionsprogramm im Bereich der allgemeinen

Bildung (2000-2006) der Europäischen Union; Comenius: Europäische Zusammenarbeit auf dem Gebiet der Schulbildung.

[2] http://copal.ms-dev.de/ [3] http://www.louis-armand.uha.fr/ [4] http://www.berzsenyi.hu/

[5] http://www.gks.fr.bw.schule.de/

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28 8 Anhang

8 Anhang An dieser Stelle sind die einzelnen Arbeitsaufträge der Projektgruppen an der Georg-Kerschensteiner Schule abgedruckt.

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6

Arbeitsauftrag A I Gruppenmitglieder_________________________________________________ Gruppe: Alaun - Formen, Trachten, Habitus Datum:________ 1. Züchtung von Impfkristallen 2. Befestigungsmethoden an einem Perlonfaden oder an einem Glasstäbchen. 3. Vorzüchtung bis der Impfling fest angewachsen ist 4. Hauptzüchtung bis auf eine etwa 1 cm Kantenlänge. Diese Kristalle dienen als

Ausgangsmaterial für die Weiterzüchtung in mit Lösungsgenossen versetzten Züchtungslösungen. Es sollen etwa 50 Stück hergestellt werden.

5. A.) Weiterzüchtung in gallussäurehaltiger Alaunlösung

B.) Weiterzüchtung in tensidhaltigen Lösungen. Dazu auch wie 6. C.) Weiterzüchtung in Lösungen die Azofarbstoffe enthalten wie z.B. Azorubin oder Amaranth u.ä. Dazu auch wie 6.

6. Für Ausstellungszwecke macht sich die spontane Bildung von Kristallen auf geeigneten

Steinen sehr gut.

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Arbeitsauftrag A 2 Gruppenmitglieder_________________________________________________

1. Synthetisiere etwa 1kg Eisenkaliumalaun - aus Kaliumhydroxid, Schwefelsäure und Eisen(II)-sulfat

aus Kaliumcarbonat, Schwefelsäure und Eisen(II)-sulfat 2. Züchte analog der Alaun und Chromalaunzüchtungsmethode möglichst große Eisenalaun-

kristalle. 3. Untersuche die gezüchteten Eisenalaunkristalle auf ihre Fähigkeit hin, mit den bisher als positiv ermittelten Tensiden Würfel zu bilden. 1. Drehe aus einem großen Eisenalaunkristall eine Kugel. Lasse diese kurz weiterwachsen und erstelle dann eine stereografische Projektion. 2. Untersuche das Wachstum eines möglichst gut ausgebildeten oktaedrischen Kristalls

(Masse – Zeit – Funktion) nach der Übersättigungsmethode. Die Vedunstung ist dabei so gut als möglich auszuschließen. Die Massebestimmung erfolgt mit einer empfindlichen Federwaage unter Berücksichtigung der Auftriebskraft.

3. Zeichne den Graphen der m = f(t) Funktion 4. Leite die Funktion grafisch ab um die Geschwindigkeit – Zeit Funktion zu erhalten.

v = f(t) 5. Die Division der Wachstumsgeschwindigkeit (bei konstanter Übersättigung) durch die

Kristalloberfläche führt zur spezifischen Wachstumsgeschwindigkeit der (111)-Flächen 6. Untersuche die Abhängigkeit der spezifischen Wachstumsgeschwindigkeit von der

Übersättigung. 7. Leite eine Funktion der Masse eines idealen Alaunoktaeders in Abhängigkeit von seiner

Oberfläche ab. m = f(AO ) 8. Stelle eine Differentialgleichung v = dm/dt = f(Ao) auf und löse das daraus abgeleitete

Integral. Es wird eine Funktion erhalten, mit deren Hilfe sehr elegant die spezifische Wachstumsgeschwindigkeit der (111)-Flächen ermittelt werden kann. Division der spezifischen Wachstumsgeschwindigkeit durch die Kristalldichte liefert die lineare – oder Verschiebegeschwindigkeit der (111)-Flächen. Die Kenntnis der Verschiebegeschwindigkeit erlaubt Vorhersagen über den Habitus von Kristallen.

12. Synthetisiere das Tuttonsche Salz KFe(SO4)2 * 6 H2O , züchte davon Einkristalle bestimme die Kristallsymmetrie und daraus die Klassenzugehörigkeit.

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3

Arbeitsauftrag S I Gruppenmitglieder:_________________________________________________ Gruppe: Seignettesalz Datum:____________ 1. Synthetisiere etwa 1 kg Seignettesalz aus Weinstein. (Vorschrift aus Schüex 2005). 2. Bestimme für drei Temperaturen die Löslichkeit. Die Messpunkte sollen jeweils 10 –15 Grad

Celsius auseinander liegen.

3. Züchte Impfkristalle in einer Petrischale durch Verdunstung. 4. Züchte größere Kristalle durch die Übersättigungsmethode. 5. Züchte wenigstens einen großen Kristall mit Hilfe der Abkühlungsmethode. 6. Züchte Kristalle aus dotierten Lösungen um die Tracht zu verändern. Siehe Jufo 1978 7. Ordne den Seignettesalzkristall einer Kristallklasse zu. 8. Vermesse den Kristall mit Hilfe eines einkreisigen Reflexionsgoniometers sowie eines

Anlegegoniometers.

9. Erstelle aus den Winkelmessungen eine stereografische Projektion. 10. Entwickle eine Vorrichtung mit deren Hilfe der piezoelektrische Effekt nachgewiesen werden kann.

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4

Arbeitsauftrag T I Gruppenmitglieder_________________________________________________ Gruppe: Triglycinsulfat (TGS) Datum:________ 1. Synthetisiere etwa 800g Triglycinsulfat aus der Aminosäure Glycin und Schwefelsäure. 2. Bestimme bei drei unterschiedlichen Temperaturen die Löslichkeit. 3. Präpariere einen Impfkristall. 4. Bereite die Züchtung in der Abkühlungsapparatur vor. 5. Bestimme den Sättigungspunkt der Züchtungslösung möglichst exakt und hänge den Impfkristall

ein. 6. Beobachte täglich den Verlauf der Züchtung und führe darüber genau Buch. 7. Die Züchtung dauert im günstigen Fall ca. 6 Wochen. Die Temperatur wird dabei täglich um 0,1 Grad abgesenkt. 8. Entnehme den Kristall (hört sich einfach an, ist aber sehr subtil). 9. Bereite den Kristall für eine Winkelmessung mit Hilfe eines zweikreisigen Reflexions- goniometers vor. 10. Bestimme die Kristallklassenzugehörigkeit. 11. Spalte den Kristall in Platten. 12. Belege die Spaltflächen mit Blattgold. 13. Verbinde die Goldauflagen mit einer Glimmlampe. 14. Demonstriere den pyroelektrischen Effekt. Synthesevorschrift: Triglycinsulfat In ein 2L-Becherglas werden 750 ml demin. Wasser vorgelegt. Unter Rühren 500g Glycin (p.A. Merck) eingetragen. Das Glycin löst sich vollständig. In einem 1L-Erlenmeyerkolben werden 200 ml demin. Wasser vorgelegt. Unter Kühlung werden langsam und vorsichtig 250 ml 96%-ige Schwefelsäure zugegeben. Die abgekühlte Schwefelsäure wird dann zu der Glycinlösung gegeben, wobei die Temperatur 45°C nicht überschreiten soll. Die Mischung wird zuerst im Wasserbad auf ca. 30 Grad abgekühlt und dann läßt man sie 2 Tage im Kühlschrank stehen. Bei 10 Grad werden die TGS Kristalle abgesaugt. An der Luft getrocknet ergibt sich eine Ausbeute von 480 – 550g.

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5

Arbeitsauftrag K I Gruppenmitglieder_________________________________________________ Gruppe: Kalziumtartrat Datum:________ 1. Untersuche die Geliergeschwindigkeit einer Natronwasserglaslösung in Abhängigkeit vom pH-Wert. 2. Untersuche die Steifigkeit des Gels bei einem bestimmten pH-Wert in Abhängigkeit von der

Ausgangskonzentration der Natronwasserglaslösung. 3. Untersuche die Diffusionsgeschwindigkeit von OH--Ionen

- von der Gelsteifigkeit - von der Dicke der Gelschicht

4. Untersuche die Bildung von Kalziumtartrateinkristallen im Kieselgel. Im Gel werden Tartrationen deponiert und Kalziumionen diffundieren in das Gel. Untersuche folgende Varianten - Weinsäure (Tartrationen) im Gel - Kalziumchlorid diffundiert ein - Weinsäure (Tartrationen) im Gel - Kalziumazetat diffundiert ein - Weinsäure (Tartrationen) im Gel - Kalziumformiat diffundiert ein 5. Bestimme an schön ausgebildeten Einkristallen die Zugehörigkeit zu einer bestimmten

Kristallklasse. 6. Untersuche die Einfärbbarkeit der Kristalle durch Fremdionen wie Fe2+, Cr3+, Ni2+, Cu2+

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1

Arbeitsauftrag N I

Gruppenmitglieder:_________________________________________________ Gruppe: Natriumchlorid Datum:___________ 1. Mische chemisch reines Natriumchlorid mit chemisch reiner Glucose in folgenden

Stoffmengenverhältnissen

Mol NaCl 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 Mol Glucose 0,05 0,1 0,2 0,3 0,4 Verhältnis 4:1 2:1 1:1 1:1,5 1:2

2. Stelle von allen Mischungen eine bei Raumtemperatur gesättigte Lösung her. Gebe dazu das Substanzgemisch in ein 250 ml Becherglas mit Magnetrührstäbchen. Gebe dann unter Rühren langsam aus der Spritzflasche demin. Wasser zu. Beachte die Temperatur beim Lösungsprozess. Arbeite nicht zu schnell, den ungefähren Sättigungspunkt zu finden ist nicht leicht und erfordert Geduld. 3. Filtriere die Lösung und gebe das Filtrat in eine Petrischale. Lasse das Wasser an einem kühlen

Ort von möglichst konstanter Temperatur z.B ein Kellerraum langsam und erschütterungsfrei verdunsten, bis Kristalle erscheinen.

4. Beobachte die Kristallform und dokumentiere die Ergebnisse. 5. Isoliere die Kristalle mit der, für Kochsalz ungewöhnlichen Kristallform. 6. Bestimme maßanalytisch sowohl den Kochsalz als auch den Glucosegehalt. Die Vorschriften für

die maßanalytische Bestimmung liegen als Anlage bei. 7. Werte die Ergebnisse in der Weise aus, dass die %-Anteile der einzelnen Elemente aufgeführt werden. z.B.

Element % - Gehalt Kohlenstoff Wasserstoff Sauerstoff Natrium Chlor

Berechne daraus die Formel der Verbindung. 8. Wenn die Elementsumme nicht 100% beträgt (außer geringfügigen Abweichungen) überlege, was

außerdem im Kristall enthalten sein könnte ? 9. Wie könnte man die Vermutung experimentell überprüfen ? 10. Wenn die Summenformel ermittelt ist, synthetisiere etwa 1 kg dieser Verbindung. 11. Bestimme die Löslichkeit der Verbindung bei drei unterschiedlichen Temperaturen, die jeweils

ca. 15 – 20 Grad auseinander liegen.

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2

12. Nähere die Löslichkeitskurve durch einen Parabelabschnitt im gegebenen Temperaturbereich an. 13. Züchte einen möglichst großen Kristall, dies ist auch im Kühlschrank möglich. 14. Ordne den Kristall aufgrund seiner Symmetrie einer Kristallklasse zu. Vermesse den Kristall mit

einem einfachen einkreisigen Reflexionsgoniometer und einem Anlegegoniometer und erstelle eine stereografische Projektion.

15. Versuche Kochsalzkristalle aus glyzerin- und glykolhaltigen Lösungen zu erhalten. Parallel dazu

versuche Kochsalzkristalle aus hochkonzentrierter Kalziumchloridlösung zu gewinnen. 16. Versuche Kochsalzkristalle aus harnstoffhaltigen Lösungen zu erhalten.

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1

Arbeitsauftrag N 2

Gruppe : Datum: 24.4.06 1. Löse 5 g Kochsalz (NaCl) in unterschiedlich starken Harnstofflösungen.

Vorschlag: 5 % ige, 10 %ige, 20 % ige , 30 % ige und 40 % ige Harnstofflösung. Lasse die Lösungen langsam eindunsten und ermittle von den ausgefallenen Kristallen den Habitus.

2. Von den Kristallen, die sich im Habitus total vom rein würfelförmigen Habitus

unterscheiden, wird eine Analyse durchgeführt. Quantitative NaCl Bestimmung über Argentometrie sowie eine gravimetrische Bestimmung über die Verbrennung von Harnstoff.

3. Quantitative Stickstoff Bestimmung nach Kjeldahl

4. Bestimme aus den Analysendaten die Summenformel.

Falls die Analysendaten nicht zu 100 % führen muss, noch der Kristallwassergehalt ermittelt werden.

Synthetisiere größere Mengen dieses Doppelsalzes und bestimme die Löslichkeitskurve.

5. Züchte mehrere Einkristalle, vermesse sie und erstelle die stereografische Projektion.

6. Lasse am Institut für Kristallographie in Freiburg eine Röntgenstrukturanalyse durchführen.

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Kugelwachstumsversuch Es sollen Alauneinkristalle gezüchtet werden, die anschließend mit einer Spezialdrehmaschine zu Kugeln gedreht werden. Die Kugeln sollen manuell völlig rund geschliffen und poliert werden. Eine der Alaunkugeln wird in eine übersättigte Alaunlösung eingehängt. Die Kugel wird, durch das sich abscheidende Alaun, rau werden. Einige Stellen auf der Kugel werden kleine ebenen Flächen aufweisen. Die Koordinaten dieser Punkte werden mittels einem Goniometer vermessen. Ziel wird es sein ein Modell für dieses Phänomen zu entwickeln und mittels Simulation dieses Modell an der Realität (den Koordinaten der oben genannten Punkte) zu testen. Erster Abschnitt: Wulffsches Netz Zielsetzung: Es soll das Wulffsche Netz (Abb. 1) mittels computergestützter Vektorrechnung berechnet und in einem vektorbasierten und modifizierbaren Format abgespeichert werden. Diese Daten sind die Grundlage für die eigene darstellende Verwendung des Netzes als auch für die Bereitstellung für die Allgemeinheit. In dieses Netz werden die vermessenen Punkte der Alaunkugeln eingetragen, womit man eine Stereographische Projektion von Alaunkristallen erhält.

Abb. 1: Wulffsches Netz

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Vorgehensweise:

- Analyse der Eigenschaften des Wulffschen Netzes - Konstruktionsbasis des Netzes - Vektorieller Konstruktionsansatz - Computergestützte Berechnung benötigter Punkte mit der Scriptsprache

Python - Ausgabe im SVG-Format [Scalable Vector Graphic; basierend auf XML

(Extendable Markup Language)] - Import in CorelDraw® als Vektorgrafik - Ausgabe im PDF-Format mit dem pyPDF-Modul von Stefan Müller

Zeitplanung: Dieser Arbeitsabschnitt soll bis Februar 2006 abgeschlossen sein. Wichtige Resourcen:

- Python Homepage: http://www.python.org/

- Python Dokumentation:

http://www.python.org/doc/ - Informationen zum SVG.Format:

http://www.w3.org/2002/Talks/www2002-svgtut-ih/hwtut.pdf - Informationen zu Vektoren:

http://de.wikipedia.org/wiki/Vektor - Informationen zu Kugelkoordinaten:

http://de.wikipedia.org/wiki/Kugelkoordinaten - Informationen zum Wulffschen Netz:

http://e-collection.ethbib.ethz.ch/ecol-pool/lehr/lehr_77_4.pdf

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Zweiter Abschnitt: Simulation des Kugelwachstumsversuchs am Computer Zielsetzung: Unter Zuhilfenahme von OpenGL®, Python, Vektorrechnung und eines Modells für den Kristall soll der Kugelwachstumsversuch simuliert werden und die Ergebnisse mit dem realen Experiment verglichen werden. Zeitplanung: Dieser Arbeitsabschnitt soll bis Juni/Juli 2006 abgeschlossen sein.

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Synthese von Opalen

Stefan MüllerЖ, Otto SchäferШ

Ж: Albert-Ludwigs Universität, Freiburg; Ш: Georg-Kerschensteiner Schule, Müllheim

Projektbericht des gleichnamigen Sokrates-Comenius-Projekts

an der

Georg-Kerschensteiner Schule, Müllheim/Baden

2005-2007


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2 Vorwort

Vorwort Diese Abhandlung präsentiert kurz die Ergebnisse unserer Arbeit an der Georg-Kerschensteiner Schule in Müllheim, die im Rahmen eines Sokrates-Comenius-Projekts1 in den Jahren 2005-2007 erarbeitet wurden. Das Hauptziel besagten Projektes bestand in der Realisierung einer synthetischen Herstellung von Opalen mit all den damit verbundenen Forschungen.2




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Kurzfassung 3

Kurzfassung Es werden unsere Ergebnisse auf dem Gebiet der Opalsynthese vorgestellt. Uns gelang die Synthese von qualitativ hochwertigen Opalen aus Tetraethoxysilan.

Schlagwörter: Opal, Synthese, Stöber-Verfahren, Silikatnanokugeln, Sedimentation

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4 Inhaltsverzeichnis

Inhaltsverzeichnis

Vorwort............................................................................................................................ 2

Kurzfassung..................................................................................................................... 3



Tabellenverzeichnis ........................................................................................................ 6


1 Aufgabenstellung ................................................................................................. 8

2 Theoretischer Teil................................................................................................ 9 2.1 Opale...................................................................................................................... 9

2.2 Literaturbekannte Opalsynthesen ........................................................................ 10

2.3 Kieselsäuren ........................................................................................................ 12

2.4 Bildung von Kieselsäuren aus Natronwasserglas................................................ 16

2.5 Bildung von Kieselsäuren aus Tetraethoxysilan (TEOS).................................... 17

2.6 Bildung von Kieselsäuren aus Tetramethoxysilan (TMOS) ............................... 17

2.7 Unsere Strategie für eine Opalsynthese............................................................... 18

3 Experimenteller Teil.......................................................................................... 19 3.1 Die Stöber-Synthese zur Erzeugung von Silikatnanokugeln............................... 19

3.2 Sedimentation der Silikatnanokugeln zu geordneten kugelpackungen ............... 21

3.3 Die Trocknung der opaleszierenden Sedimente .................................................. 21

3.4 Verfestigung der getrockneten Sedimente durch Verkieselung der Zwischenräume.................................................................................................... 24

3.5 Schliff, Politur, Schmuckstücke .......................................................................... 27

4 Danksagung........................................................................................................ 29


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Abbildungsverzeichnis 5

Abbildungsverzeichnis Abbildung 1: Natürlicher Opal mit eindrucksvoller Opaleszenz. ................................... 9 Abbildung 2: Elekronenmikroskopische Aufnahme eines Opals. Gut zu erkennen

ist die regelmäßige Schichtung der Silikatnanokugeln (eigene Aufnahme eines Opals)......................................................................................................... 10

Abbildung 3: Hydrolyse von Verbindungen des Typs SiX4. ........................................ 12 Abbildung 4: Geliergeschwindigkeit von Kieselsäurelösungen in Abhängigkeit

vom pH-Wert. ..................................................................................................... 12 Abbildung 5: Kondensation von Orthokieselsäure zur Dikieselsäure........................... 13 Abbildung 6: Struktur der Polykieselsäure (Metakieselsäure). ..................................... 13 Abbildung 7: Kristallstruktur von Quarz, in dem nur noch miteinender verbundene

SiO4-Tetraeder vorkommen, die ein Raumnetz bilden. ...................................... 15 Abbildung 8: Quarzkristall. ........................................................................................... 16 Abbildung 9: Alkalische Reaktion von Orthosilikatanionen......................................... 16 Abbildung 10: Hydrolyse von Tetraethoxysilan zu Kieselsäure. .................................. 17 Abbildung 11: Experimenteller Aufbau für die Stöber-Synthese. ................................ 19 Abbildung 12: Bildung von Silikatnanopartikeln mit der Stöber-Synthese. links:

direkt nach der Zugabe von TEOS; rechts: nach einigen Minuten. .................... 20 Abbildung 13: Silikatnanokugeln unter dem Rasterelektronenmikroskop. .................. 20 Abbildung 14: Opaleszierendes Sediment in einem Reagenzglas. ............................... 22 Abbildung 15: Vom Reagenzglas gelöste Sedimente, bereit für die Trocknung. ........ 22 Abbildung 16: Unser Autoklavensystem für das überkritische Trocknen. ................... 23 Abbildung 17: Trocknungsverlauf mit unserer Apparatur. ........................................... 24 Abbildung 18: Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines Sediments mit

sehr schöner grüner Opaleszenz.......................................................................... 25 Abbildung 19: Vergrößerung von Abb. 18.................................................................... 26 Abbildung 20: Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines verfestigten

Sediments. Zu erkennen ist die Füllung der Lücken zwischen den Silikatnanokugeln................................................................................................ 26

Abbildung 21: Herr Schmidlin beim Schliff unserer synthetischen Opale. .................. 27 Abbildung 22: Schmuckanhänger aus Silber und unseren synthetischen Opalen......... 27 Abbildung 23: Synthetischer Opal in Gold und Platin gefasst...................................... 28

Die rasterelektronenmikroskopischen Aufnahmen wurden von Herrn Dr. J. Bibus oder Frau K. Wilker angefertigt.

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6

Tabellenverzeichnis Tabelle 1: Eine Kleine Auswahl von Silikaten und ihrer Strukturen. Gut zu

erkennen sind die SiO4-Tetraeder. ...................................................................... 14

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Abkürzungsverzeichnis Et Ethyl

Me Methyl

pH-Wert negativer dekadischer Logarithmus der Hydroniumionenkonzentration

TEOS Tetraethoxysilan, Tetraethylorthosilikat

TGS Triglycinsulfat

TMOS Tetramethoxysilan, Tetramethylorthosilikat

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8 1 Aufgabenstellung

1 Aufgabenstellung Wir hatten uns die Aufgabe gestellt, Opale synthetisch herzustellen und die damit verbundenen Forschungsarbeiten gemeinsam mit unseren europäischen Partnern zu schultern.

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2 Theoretischer Teil 9

2 Theoretischer Teil

2.1 Opale

Wir hatten die Absicht Opale selbst zu synthetisieren. Aber was ist Opal chemisch gesehen?

Abbildung 1: Natürlicher Opal mit eindrucksvoller Opaleszenz.

Detaillierte Untersuchungen über die Struktur des Opals erfolgten in den frühen sechziger Jahren des letzten Jahrhunderts in Australien. Möglich wurde dies erst durch den Einsatz des in den dreißiger Jahren entwickelten Rasterelektronenmikroskops, da die Strukturen im Opal unterhalb der für Lichtmikroskope geltenden Grenzen liegen. Anfänglich musste von der Opaloberfläche ein dünner Film erzeugt werden, der dann durchstrahlt werden konnte.

1964 wurden so erstmals Details sichtbar, die entscheidende Einblicke in die Besonderheiten der Opalstruktur erlaubten.

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10 2 Theoretischer Teil

1.0 µm

Abbildung 2: Elekronenmikroskopische Aufnahme eines Opals. Gut zu erkennen ist die regelmäßige Schichtung der Silikatnanokugeln (eigene Aufnahme eines Opals).

Der Edelopal ist aus Silikatkügelchen (Abb. 2) mit einem Durchmesser von 150 –300 nm Durchmesser aufgebaut. Diese Kügelchen bilden Bereiche hoher Ordnung aus wie man sie von dichtest gepackten Kugelpackungen her kennt. Man spricht von hexagonal- oder kubisch dichtesten Kugelpackungen. Da der Abstand der Kugelschichten innerhalb eines solchen regelmäßig aufgebauten Bereichs im Bereich der Wellenlänge des Lichts liegt, kommt es zur Reflexion der Lichtwellen an diesen geordneten Schichten und dann zur Überlagerung der reflektierten Lichtwellen. Dadurch werden Teile des Sonnenspektrums entfernt, dieser Bereich erscheint dann farbig.

2.2 Literaturbekannte Opalsynthesen

Im Jahr 1964 erhielten zwei Australier A.J. Gaskin und P.I.Darragh ein Patent über die Bildung von Opal. Eine Lösung von wässrigem Natronwasserglas wird durch Zusatz von Ionenaustauscherharz entionisiert. Die Mischung wird zwischen 30 und 300 Stunden auf 100°C gehalten. Dieser Prozess führt zu einem koloidalen Niederschlag aus Silikatkugeln, welche sich zu opalähnlichen Strukturen verdichten. Die auf diese Weise hergestellten hydratisierten Silikatkügelchen enthalten jedoch zu viel Wasser. Durch Erhitzen lassen sie sich teilweise dehydratisieren. Das Problem der Verfestigung wurde durch Einbettung dieser Kugeln in Gießharz gelöst.

Es liegt auf der Hand, dass die oben genannte Synthese unbefriedigend ist.

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Etwa um die gleiche Zeit synthetisierten G.W. Sears und R.K. Iler Silikatkügelchen von 100 nm Durchmesser.

Sie beobachteten prächtige Farben in einer dünnen Schicht zwischen einer dicken weißen Bodenschicht und der überstehenden Lösung, wenn Salzsäure zugesetzt wurde. Das Farbenspektrum reichte von rot, orange, gelb, grün und blau bis violett. Dies war wahrscheinlich der erste Bericht über im Labor erzeugte Farben in Verbindung mit der Opalsynthese.

Das Sediment wurde bei 900°C getrocknet um es zu verfestigen. Im resultierenden Material waren jedoch Farben nur zu erkennen, wenn es mit Wasser oder Butanol imprägniert wurde.

Einen entscheidenden Fortschritt für die Synthese von Opalen ergab die 1968 veröffentlichte Stöber-Synthese6 zur Erzeugung von Silikat-Kügelchen. Die Erzeugung von Nanokügelchen gestaltet sich auf diese Weise relativ einfach. Eine Mischung aus Tetraethoxysilan, Wasser, Ethanol und Ammoniak wird bei Raumtemperatur gerührt. Nach kurzer Zeit bildet sich aus der farblosen Lösung eine milchähnliche Suspension.

Die winzigen Silikatkügelchen sedimentieren im Laufe von Wochen zu einem mehr oder weniger gut opaleszierenden Sediment. Das Problem bestand wieder darin, die Kügelchen zu einer festen Matrix zu verfestigen. Die Verwendung von Organischen Polymeren führte natürlich nicht zu einem naturidentischen Produkt.

Es wird berichtet, dass nur 5 – 6 % des für die Opalsynthese eingesetzten Materials wirklich zu brauchbaren Opalen führen.

Ein weiteres Problem, die Rissbildung beim Trockenvorgang konnte gelöst werden. Das im Ethanol vorliegende opaleszierende Sediment wird im Autoklaven überkritisch getrocknet. Auf diese Weise wird die Oberflächenspannung der Flüssigkeit ausgeschaltet, wodurch man eine einwandfreie Trocknung auch größerer Sedimente erreicht.

Anschließend müssen die Hohlräume zwischen den Kügelchen mit Kieselsäure gefüllt werden. Dies ist der schwierigste Teil der Synthese und ist ein gut gehütetes Geheimnis derjenigen, die heute synthetische Opale auf den Markt bringen.7

6 Werner Stöber, Arthur Fink and Ernst Bohn, Journal of Colloid and Interface Science 1968, 26, 62-69. 7 S. V. Filin, A. I. Puzynin, V. N. Samoilov, “Some Aspects of Precious Opal Synthesis”,

http://www.austgem.gil.com.au/opalsynth.html .

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Seit 1973 bringt die französische Firma Gilson Opale von außergewöhnlicher Qualität auf den Markt. Besonders die begehrten Schwarzopale sind von unübertroffener Qualität.8, 9, 10

2.3 Kieselsäuren11

Zersetzt man Siliciumverbindungen des Typs SiX4 ( z.B. X = OEt, OMe, Cl) hydrolytisch, so bildet sich primär die Orthokieselsäure H4SiO4 (Abb. 3).

SiX4 4H2O 4HXSi(OH)4+ +

OrthokieselsäureX: OMe, OEt, Cl

Abbildung 3: Hydrolyse von Verbindungen des Typs SiX4.

Aus Wasserglaslösungen12 erhält man im sauren pH-Bereich ebenfalls primär die Orthokieselsäure.

Orthokieselsäure ist jedoch nur bei einem pH-Wert von 4 einige Zeit beständig (Abb. 4).

Zeit

in m

in

0

50

100

150

200

250

0 2 4 6 8 10 12pH-Wert

Abbildung 4: Geliergeschwindigkeit von Kieselsäurelösungen in Abhängigkeit vom pH-Wert.

8 Christel Tennyson, „Struktur und Farbenspiel des Edelopals“, Lapis 1979, 4, 12, 13-15. 9 Josef Lieberts, Marianne Falter, Lapis 1979, 4, 12, 16-17, 10 E. Ralph Segnit, Lapis 1975, 4, 12, 10-12. 11 A. F. Hollemann, E. Wiberg, Lehrbuch der Anorganischen Chemie, 101 Aufl. 1995, 918-930, Walter de

Gruyter Verlag, Berlin. 12 stark alkalische Silikatlösung, in der vornehmlich das Silikattetraanion vorliegt.

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Bei größeren pH-Werten spaltet sie Wasser ab. Im Gegensatz zur Orthokohlensäure bei der die Wasserabspaltung intramolekular erfolgt, spaltet Orthokieselsäure intermolekular d.h. zwischen verschiedenen Molekülen das Wasser ab (Abb. 5 und 6).

Si

OH

HO OH

OH

Si

OH

HO O

OH

Si

OH

OH

OH

-H2O

Abbildung 5: Kondensation von Orthokieselsäure zur Dikieselsäure.

Weitere Kondensation unter Wasseraustritt führt zu Polykieselsäuren der Bruttozusammensetzung (H2SiO3 )n

Si

OH

OH

OH

Si

OH

HO O

OH

Si

OH

O

OHn

Abbildung 6: Struktur der Polykieselsäure (Metakieselsäure). Aus der obigen Schreibweise könnte man vermuten, dass es sich sowohl bei der Orthokieselsäure als auch bei den daraus entstehenden Metakieselsäuren um planare Gebilde handelt. Dies ist jedoch nicht der Fall. Das zentrale Siliziumatom ist tetraedrisch von OH-Gruppen umgeben. Man konnte die Struktur der Anionen dieser Kieselsäuren in verschiedenen Silikaten mittels Röntgenstrukturanalyse bestätigen (Tab. 1).13

13 Barry L. Hensch, John West, Chem. Rev. 1990, 90, 33-72.

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Dinickel(II)silikat14

Ni2(SiO4)

Monomere SiO44--Anionen

Ytterbium(II)disilikat15

Yb2(Si2O7)

(Disilikat)

Beryll16

Be2.58Li0.39Al2.15Si5.88O18.55Cs0.09K0 05Na0.21Ca0.02

Mg0.02Fe0.01H0.32

(SiO3)612--Anionen

Glimmer17

Rb0.99Fe4.07Si2.96O12H2

Schichten von polykondensierten SiO4-Tetraedern

Tabelle 1: Eine Kleine Auswahl von Silikaten und ihrer Strukturen. Gut zu erkennen sind die SiO4-Tetraeder.

14 A. della Giusta, G. Ottonello, L. Secco, Acta Crystallographica B, 1990, 46, 160-165. 15 O. V. Yakubovich, M. A. Simonov, A. V. Voloshin, Ya. A. Pakhomovskii, Doklady Akademii Nauk

SSSR, 1986, 291, 863-867. 16 G. E. Brown, B. A. Mills, American Mineralogist 1986, 71, 547-556. 17 P. Comodi, M. Drabek, M. Montagnoli, M. Rieder, Z. Weiss, P. F. Zanazzi, Physics and Chemistry of

Minerals 2003, 30, 198-205.

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Da die Polykondensation ungeordnet statt findet, und Ketten untereinander kondensieren, bildet sich zunächst ein wasserhaltiges Raumnetz aus, das zwar seine Form behält und nicht mehr flüssig ist, aber noch sehr viel Wasser und auch noch viele freie SiOH-Gruppen enthält. An diesem Punkt spricht man von einem Kieselgel.

Bei vollständiger Polykondensation bleibt nur ein Gerüst aus Siliziumatomen die über Sauerstoffatome miteinander verbunden sind übrig mit der Bruttoformel SiO2.

Als Bergkristall ist SiO2 jedem bekannt (Abb. 7 und 8).

Abbildung 7: Kristallstruktur von Quarz18, in dem nur noch miteinender verbundene SiO4-Tetraeder vorkommen, die ein Raumnetz bilden.

18 L. Levien, C. T. Prewitt, D. J. Weidner, American Mineralogist 1980, 65, 920-930.

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Abbildung 8: Quarzkristall.

2.4 Bildung von Kieselsäuren aus Natronwasserglas

Natronwasserglas ist eine hochviskose Lösung von Natriumsilikat in Wasser. Sie entsteht, wenn reiner Quarz in Natronlauge gelöst wird11. Die Lösung reagiert extrem alkalisch. Da Kieselsäure eine extrem schwache Säure ist, handelt es sich bei deren Anion um eine sehr starke Base (Abb. 9).

SiO44 4H2O 4HOSi(OH)4+ +

Abbildung 9: Alkalische Reaktion von Orthosilikatanionen.

Die Reaktion dieses Anions mit Wasser führt in einer Gleichgewichtsreaktion zur Bildung von Hydroxidionen, die Lösung reagiert alkalisch.

Durch Zugabe von Hydroniumionen H3O+ werden die Hydroxidionen aus dem Gleichgewicht entfernt, das Gleichgewicht verschiebt sich in Richtung Orthokieselsäure. Abhängig vom pH-Wert erfolgt die bereits oben besprochene Kondensation und Polykondensation. In der Nähe des Neutralpunkts erfolgt die Gelierung zu Hydrogel schlagartig. Es handelt sich dabei um eine dreidimensional vernetzte noch stark wasserhaltige puddingartige Silikatstruktur.

Will man die Gelierung im sauren Bereich durchführen, muss der Neutralbereich sehr schnell durchlaufen werden. Dies gelingt, indem die stark alkalische Natronwasserglaslösung langsam und unter Rühren in überschüssige Säure eingebracht wird. In stark saurem Milieu erfolgt keine Gelbildung. Erst ab einem pH-Wert zwischen 3 und 4 kommt es innerhalb von Stunden oder Tagen zur Gelierung.

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2.5 Bildung von Kieselsäuren aus Tetraethoxysilan (TEOS)

Tetraethoxysilan (TEOS)19 hydrolisiert in Gegenwart von Wasser nur langsam zu Kieselsäure (Abb. 10), was auf den sterischen Anspruch der Ethoxygruppen als auch auf die geringe Mischbarkeit mit Wasser zurück geführt werden kann.

4H2O 4EtOHSi(OH)4+ +Si(OEt)4 Abbildung 10: Hydrolyse von Tetraethoxysilan zu Kieselsäure.

Diese Hydrolyse kann je nach Bedingungen partiell oder vollständig sein. Im Anschluss an die Hydrolyse erfolgt abhängig vom pH-Wert die Kondensation und Polykondensation zu einem Kieselgel.

Die Art der Polykondensation ist vom pH-Wert abhängig. Im Sauren bildet sich ein homogenes Kieselgel und im Basischen bilden sich Silikatnanokügelschen. Diese Tatsache eröffnet einen verblüffend einfachen Zugang zu Silikatnanokugeln. Dies beruht vermutlich auf der negativen Ladung der Oligomeren im Basischen, durch die gleichnamigen Ladungen – die sich ja abstoßen – erfolgt keine Vernetzung im Makroskopischen und es entstehen kleine Silikatkugeln.

2.6 Bildung von Kieselsäuren aus Tetramethoxysilan (TMOS)

Im Gegensatz zu TEOS zersetzt sich Tetramethylorthosilicat (TMOS) 20 in Gegenwart von Wasser und einer Spur Salzsäure extrem schnell. Da sich TMOS in Wasser praktisch nicht löst, muss entweder gut geschüttelt werden, oder man gibt Methanol als Lösungsvermittler zu. Die Mischung erwärmt sich sehr schnell bis zum Siedepunkt des Methanols (d.h. 65°C - 70°C). Das Hydrolysat ist erstaunlich lange stabil bis die Gelierung einsetzt. Nachteilig für die weitere Verarbeitung ist der Gehalt an Chlorwasserstoff. Günstiger ist die Umsetzung mit Wasser in methanolischer Lösung. Die Hydrolyse verläuft langsamer. Nach und nach lässt sich das Methanol im Wasserstrahlvakuum abziehen. Man gelangt auch so zu einer hochkonzentrierten flüssigen Kieselsäure, die über Nacht geliert.

19 C8H20O4Si, M=208,33 g mol-1, Sdp. 168°C, ρ20°C = 0.94 g/cm³, >98%, Bezugsquelle: Merck oder

Aldrich. 20 C4H12O4Si, M = 152,22 gmol-1, Sdp. 120-122°C, ρ20°C = 1.032 g/cm³.

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2.7 Unsere Strategie für eine Opalsynthese

Unsere Strategie eigene Opale zu Synthetisieren basierte im Wesentlichen auf folgenden Punkten:

- Synthese von Silikatnanokugeln nach dem Stöberverfahren

- Sedimentation der Nanokugeln in Reagenzgläsern über längere Zeiträume

- Trocknung und Verfestigung der opaleszierenden Sedimente mit unterschiedlichen Methoden

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3 Experimenteller Teil 19

3 Experimenteller Teil

3.1 Die Stöber-Synthese zur Erzeugung von Silikatnanokugeln

Bei der Stöber Synthese reagieren Alkylsilikate in wässrig- alkoholischer Lösung in Gegenwart von Ammoniak zu kugelförmigen Silikatpartikeln mit Durchmessern zwischen 50 nm und 2000 nm. Für unsere Versuche wurde ausschließlich das Tetraethylorthosilikat (TEOS) verwendet. In zahlreichen Versuchen wurde eine optimale Vorschrift zur Erzeugung der, für die Opalsynthese erforderlichen, Kügelchen erarbeitet. Die dazu erforderlichen rasterelektronenmikroskopischen Aufnahmen wurden zuerst von Herrn Dr. Bibus und dann von Frau Wilker am Kristallografischen Institut der Universität Freiburg durchgeführt.

Folgende Vorschrift hat sich bewährt.

100 ml Ethanol absolut Hedinger dest.

27 ml demin. Wasser

2,5 ml 25%iges Ammoniakwasser

20 ml Tetraethoxysilan

Abbildung 11: Experimenteller Aufbau für die Stöber-Synthese.

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20 3 Experimenteller Teil

Abbildung 12: Bildung von Silikatnanopartikeln mit der Stöber-Synthese. links: direkt nach der Zugabe von TEOS; rechts: nach einigen Minuten.

Ethanol, Wasser und Ammoniak werden in einem 250 ml Weithalsbecherglas vorgelegt. Die Mischung wird mit einem Magnetrührer gerührt und steht dabei in einer Petrischale mit Wasser von Raumtemperatur. Das TEOS wird aus einem kleinen Bechergläschen auf einen Schuss zugesetzt.

Abbildung 13: Silikatnanokugeln unter dem Rasterelektronenmikroskop.

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Nach zwei Stunden wird die milchige Suspension auf zwei große Reagenzgläser verteilt. Die Gläser werden mit einem Korkstopfen verschlossen. An einem ruhigen Ort erfolgt die Sedimentation in 8 – 10 Wochen.

Aus dem Sediment entstehen rot, grün opaleszierende Sedimente und undurchsichtige Opale. Bei Verwendung von Ethanol abs. denaturiert der Firma Hedinger, entstehen Schwarzopale. Der Grund liegt im Gehalt an Dinatoniumbenzoat (BITREXTM) welches zuerst absorbiert wird und dann oberhalb von 400°C verkohlt. Solche Schwarzopale zeigen eine sehr schöne grüne Opaleszenz.

3.2 Sedimentation der Silikatnanokugeln zu geordneten kugelpackungen

Die Abtrennung der Silikatkügelchen vom Reaktionsgemisch gelingt am schnellsten durch Zentrifugieren. Diese Methode führt jedoch zu nicht opaleszierenden Sedimenten, da die Kügelchen ungeordnet im Sediment vorliegen. Die einzig Erfolg versprechende Methode besteht in der langsamen Sedimentation, die sich über mehrere Wochen bis Monate erstreckt. Nach dieser Zeit wird das überstehende Reaktionsgemisch mit Hilfe einer Pipette abgesaugt. Das Sediment wird in wasserfreiem Ethanol aufgewirbelt und erneut zur Sedimentation ruhig stehen gelassen. Falls eine überkritische Trocknung vorgesehen ist, wird dieser Vorgang drei Mal wiederholt um möglichst alles Wasser aus dem Sediment zu entfernen. Diese Behandlung zieht sich über mehrere Monate hin.

3.3 Die Trocknung der opaleszierenden Sedimente

Zwei Methoden sind in der Literatur beschrieben und diese wurden auch von uns durchgeführt.

- Trocknung an der Luft

- Überkritische Trocknung im Autoklaven

Die Trocknung an der Luft muss extrem langsam erfolgen da es sonst zur Rißbildung innerhalb des Sediments kommt. Bewährt hat sich ein locker aufgesetzter Korkstopfen auf das Trocknungsgefäß, in unserem Fall große Reagenzgläser.

Die Oberfläche dieser Sedimente opaleszierten sehr gut.

Es wurde versucht, das Reagenzglas zu kürzen um den unteren Teil mit dem Sediment besser in einen Ofen bringen zu können. Dazu sollte der obere Teil des Glases abgesprengt werden. Mit dem Glasschneider wurde eine Kerbe ins Glas geritzt, dabei löste sich das trockene Sediment vom Glas ohne zu brechen.

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Abbildung 14: Opaleszierendes Sediment in einem Reagenzglas.

Abbildung 15: Vom Reagenzglas gelöste Sedimente, bereit für die Trocknung.

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Die überkritische Trocknung in absolutem Alkohol verlangt einen erheblichen apparativen Aufwand. Erfreulicherweise liegen die kritischen Daten für Ethanol noch im Bereich des, auch für eine Schule, Machbaren. Durch Unterstützung der Firmen Freudenberg Neuenburg, Sick Waldkirch, dem Fonds der chem. Industrie, sowie Fördergeldern von Comenius und dem Förderverein der Georg-Kerschensteiner Schule Müllheim konnte die erforderliche Apparatur gekauft werden.

Abbildung 16: Unser Autoklavensystem für das überkritische Trocknen.

Zur Durchführung der überkritischen Trocknung wird der Autoklav luftblasenfrei mit den zu trocknenden Sedimenten und absolutem Ethanol gefüllt. Dabei darf sich keine noch so kleine Luftblase mehr im Autoklav befinden. Wird nun der verschlossene Autoklav in warmes Wasser getaucht, muss der Druck kurz darauf erheblich ansteigen. Ist das Wasserbad heiß genug , erreicht man problemlos den Arbeitsdruck von 110 bar. Da der Trocknungsprozess eine Zeit von 12 – 14 Stunden in Anspruch nimmt, ist es günstig die gesamte Apparatur am Abend zuvor betriebsbereit herzurichten. In diesem Fall empfiehlt es sich, den Autoklav nach dem oben beschriebenen Verfahren im Eisbad abzukühlen. Wegen der Wärmeausdehnumg zieht sich der Akohol zusammen. Über ein geöffnetes, vertikal stehendes Ventil wird laufend Alkohol nachgefüllt. Nachdem der Autoklav wieder verschlossen wurde, erwärmt er sich auf Raumtemperatur, wobei der Druck steigt. Wenn er am nächsten Tag immer noch unter Druck steht, ist man sicher, dass alles in Ordnung ist und die Trocknung begonnen werden kann.

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Abbildung 17: Trocknungsverlauf mit unserer Apparatur.

3.4 Verfestigung der getrockneten Sedimente durch Verkieselung der Zwischenräume

Die Verfestigung der opaleszierenden Sedimente zu einem schleifbaren Opal stellt das eigentliche Problem der Opalsynthese dar. In der Literatur findet man nur nichtssagende Phrasen. Nach langen Versuchsreihen hat sich folgende Methode bewährt.

Da die Kügelchen anfangs sehr locker beieinander liegen, werden acht – zehn Tropfen TEOS ins Zentrum getropft. Die Flüssigkeit soll noch nicht den Glasrand erreichen. Andernfalls besteht die Gefahr, dass die Kügelchen auseinander fallen. Man verschließt das Glas mit einem feuchten Papierstopfen und dann mit einem Kork. Die Verwendung von TMOS anstelle von TEOS ergab wesentlich schlechtere Resultate. Man läßt das Glas bei Raumtemperatur stehen. In der feuchten Luft zersetzt sich das TEOS. Alle zwei Tage wiederholt man den Vorgang.

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Nachdem man den Vorgang 10 mal wiederholt hat, wird das Sediment innerhalb von 6 Stunden auf 400°C erhitzt. Nach dem Abkühlen wird wieder TEOS zugegeben, von jetzt ab aber so viel, dass das gesamte Sediment mit TEOS getränkt ist. Wieder wird das Glas mit feuchtem Papier und Korkstopfen verschlossen. Man wartet so lange, bis das Sediment wieder trocken vorliegt. Diesen Vorgang wiederholt man mindestens fünf mal. Anschließend wird das Glas innerhalb von 6 Stunden auf 600°C erwärmt.

Nach dem Abkühlen sollte der hoffentlich unzerbrochene Rohopal leicht aus dem Glas fallen.

Von nun ab wird er in einer Porzellanschale mit TEOS getränkt und in einem Exsikkator über Wasser aufbewahrt. Diesen Vorgang wiederholt man so lange wie der Opal noch porös ist. Man erkennt die Porösität sehr gut an der fehlenden oder schlechten Opaleszens der trockenen Opale. Beim Anfeuchten mit TEOS zeigt sich jedoch eine sehr gute Opaleszens.

Abbildung 18: Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines Sediments mit sehr schöner grüner Opaleszenz.

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Abbildung 19: Vergrößerung von Abb. 18.

Abbildung 20: Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines verfestigten Sediments. Zu erkennen ist die Füllung der Lücken zwischen den Silikatnanokugeln.

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3.5 Schliff, Politur, Schmuckstücke

Unsere Rohopale wurden von Herrn Schmidlin in 79424 Auggen/Hach geschliffen und poliert (Abb. 21).

Abbildung 21: Herr Schmidlin beim Schliff unserer synthetischen Opale.

Vom Juwelier Herrn Lüdtke 79244 Münstertal wurde ein Schmuckdesign entworfen und die Schmuckherstellung von ihm ausgeführt (Abb. 22 und 23).

Abbildung 22: Schmuckanhänger aus Silber und unseren synthetischen Opalen.

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Abbildung 23: Synthetischer Opal in Gold und Platin gefasst.

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4 Danksagung 29

4 Danksagung Unser Dank gilt der Schulleitung der Georg-Kerschensteiner Schule, Müllheim. Unsern Betreuern Herrn Otto Schäfer und Herrn Dipl. chem. Stefan Müller. Herrn Dr. Bibus, VITA Zahnfabrik, Bad Säckingen und Frau Wilker, Kristallographisches Institut der Universität Freiburg danken wir für die fachliche Unterstützung. Für die finanzielle Unterstützung durch die Firmen Freudenberg Neuenburg und Sick AG Waldkirch, dem Fonds der chem. Industrie und dem Förderverein der Georg-Kerschensteiner Schule Müllheim bedanken wir uns.

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30 5 Literaturverzeichnis



[2] http://copal.ms-dev.de/

[3] http://www.louis-armand.uha.fr/

[4] http://www.berzsenyi.hu/


[6] Werner Stöber, Arthur Fink and Ernst Bohn, Journal of Colloid and Interface Science 1968, 26, 62-69.

[7] S. V. Filin, A. I. Puzynin, V. N. Samoilov, “Some Aspects of Precious Opal Synthesis”, http://www.austgem.gil.com.au/opalsynth.html .

[8] Christel Tennyson, „Struktur und Farbenspiel des Edelopals“, Lapis 1979, 4, 12, 13-15.

[9] Josef Lieberts, Marianne Falter, Lapis 1979, 4, 12, 16-17,

[10] E. Ralph Segnit, Lapis 1975, 4, 12, 10-12.

[11] A. F. Hollemann, E. Wiberg, Lehrbuch der Anorganischen Chemie, 101 Aufl. 1995, 918-930, Walter de Gruyter Verlag, Berlin.

[12] stark alkalische Silikatlösung, in der vornehmlich das Silikattetraanion vorliegt.

[13] Barry L. Hensch, John West, Chem. Rev. 1990, 90, 33-72.

[14] A. della Giusta, G. Ottonello, L. Secco, Acta Crystallographica B, 1990, 46, 160-165.

[15] O. V. Yakubovich, M. A. Simonov, A. V. Voloshin, Ya. A. Pakhomovskii, Doklady Akademii Nauk SSSR, 1986, 291, 863-867.

[16] G. E. Brown, B. A. Mills, American Mineralogist 1986, 71, 547-556.

[17] P. Comodi, M. Drabek, M. Montagnoli, M. Rieder, Z. Weiss, P. F. Zanazzi, Physics and Chemistry of Minerals 2003, 30, 198-205.

[18] L. Levien, C. T. Prewitt, D. J. Weidner, American Mineralogist 1980, 65, 920-930.

[19] C8H20O4Si, M=208,33 g mol-1, Sdp. 168°C, ρ20 C = 0.94 g/cm³, >98%, Bezugsquelle: Merck oder Aldrich.

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[20] C4H12O4Si, M = 152,22 gmol-1, Sdp. 120-122°C, ρ20 C = 1.032 g/cm³.

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Züchtung von Seignettesalzeinkristallen

Pascale Baumann, Thekla Bergemann, Astrid Jurischka, Johannes Bernauer, Matthias Geiger, Stefan MüllerЖ (Ed.), Otto SchäferШ


Projektbericht im Rahmen des Sokrates-Comenius-Projekts

Synthese von Opalen

an der


2005-2007


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2 Vorwort

Vorwort Diese Abhandlung präsentiert kurz die Ergebnisse der Projektgruppe „Seignettesalz“, die an der Georg-Kerschensteiner Schule in Müllheim im Rahmen eines Sokrates-Comenius-Projekts1 in den Jahren 2005-2007 erarbeitet wurden. Das Hauptziel besagten Projektes bestand in der Realisierung einer synthetischen Herstellung von Opalen mit all den damit verbundenen Forschungen.2


Die Schüler an der Georg-Kerschensteiner Schule sollten mit dem Arbeiten in einem internationalen und gemeinschaftlichem Umfeld, sowie naturwissenschaftlichen Denk- und Arbeitsweisen vertraut gemacht werden. Die Organisation sah vor, dass die Schüler in kleinen Gruppen (bis 5 Mitgliedern) an einem kleinen wissenschaftlichen Projekt neben dem Hauptprojekt über zwei Jahre arbeiten sollten. Es wurden sechs solcher Projektgruppen gebildet, denen unterschiedliche Aufgaben übertragen wurden:





- Kalziumtartrat: Züchtung von Kalziumtartrateinkristallen in einer Kieselgelmatrix.


Wie oben schon erwähnt ist diese Abhandlung nun die Zusammenfassung der Ergebnisse der Projektgruppe „Seignettesalz“.



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Kurzfassung 3

Kurzfassung Es werden Ergebnisse unserer Projektarbeit zur Züchtung von Seignettesalzeinkristallen und deren Habitusänderung bei der Zugabe von Übergangsmetallsalzen vorgestellt. Weiter sollte eine Apparatur zur Demonstration des Piezoeffekts geplant und gebaut werden.

Schlagwörter: Kaliunatriumtartrat, Seignettesalz, Habitusänderung, Piezoeffekt, Weinstein

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Inhaltsverzeichnis

Vorwort............................................................................................................................ 2

Kurzfassung..................................................................................................................... 3






2 Eigenschaften von Seignettesalz......................................................................... 9 2.1 Eigenschaften von Seignettesalz ........................................................................... 9

2.2 Kristalldaten von Seignettesalz ........................................................................... 10

2.3 Löslichkeitskurve von Seignettesalz ................................................................... 11

3 Züchtung von Seignettesalzeinkristallen......................................................... 13 3.1.1 Synthese von Seignettesalz aus Weinstein .......................................................... 13 3.1.2 Züchtung nach der Abkühlmethode .................................................................... 15

4 Untersuchung von Habitusänderungen von Seignettesalzeinkristallen ....... 17 4.1 Grundlagen von Habitusänderungen ................................................................... 17

4.2 Habitusänderungen von Seignettesalzeinkristallen ............................................. 19 4.2.1 Zusatz von Kupfer(II)-ionen................................................................................ 19 4.2.2 Zusatz von Nickel(II)-ionen ................................................................................ 20 4.2.3 Zusatz von Mangan(II)-ionen.............................................................................. 22 4.2.4 Zusatz von Cobalt(II)-ionen ................................................................................ 24

5 Erstellung von Papiermodellen von verschiedenen Seignettesalzkristallen....................................................................................... 25

6 Entwicklung einer Apparatur zur Demonstration des Piezoeffekts............. 27

7 Der Kugelwachstumsversuch mit Seignettesalz ............................................. 29

8 Zusammenfassung ............................................................................................. 34

9 Danksagung........................................................................................................ 35


11 Anhang................................................................................................................ 37

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Abbildungsverzeichnis Abbildung 1: Struktur von Seignettesalz......................................................................... 9 Abbildung 2: Diestereoisomere von Weinsäure.............................................................. 9 Abbildung 3: Elementarzelle von Seignettesalz (Erstellt mit der Software

Diamond®; Zellecken: K+-Ionen, grüne Kugeln: Na+-Ionen, verbundene Atome: Tatrationen, rote Kugeln: einzelne Sauerstoff-Atome des Kristallwassers).7................................................................................................. 11

Abbildung 4: Löslichkeitskurve von Seignettesalz in Wasser. ..................................... 12 Abbildung 5: Synthese von Seignettesalz aus Weinstein mit

Natriumhydrogencarbonat. ................................................................................. 13 Abbildung 6: Ein Teil unserer Gruppe bei der Synthese von Seignettesalz aus

Weinstein (Pascale Baumann, Matthias Geiger und Astrid Jurischka; v. l.). ..... 14 Abbildung 7: Aus Weinstein synthetisiertes Seignettesalz. .......................................... 14 Abbildung 8: Professionelle Züchtungsapparaturen unserer Schule für die

Züchtung von Kristallen nach dem Abkühlverfahren......................................... 15 Abbildung 9: Großer Seignettesalzeinkristall in einer Züchtungsapparatur. ................ 16 Abbildung 10: Großer Seignettesalzeinkristall hoher Qualität (Höhe: ca. 7 cm).......... 16 Abbildung 11: links: oktaedrischer Habitus; rechts: würfelförmiger Habitus; beide

aber mit der selben Tracht (Oktaederflächen und Würfelflächen). .................... 17 Abbildung 12: Abhängigkeit des Habitus eines Kristalls von der relativen

Wachstumsgeschwindigkeiten der Oktaederfläche (vO) und der Würfelfläche (vW). .............................................................................................. 18

Abbildung 13: Habitus eines Seignettesalzeinkristalls ohne Habitusveränderung. Die sichtbaren Flächen sind {0 0 1}, {0 1 0}, {1 1 0}, {1 2 0}.......................... 18

Abbildung 14: Züchtung von Seignettesalzeinkristallen nach der Verdunstungsmethode unter Zusatz verschiedener Übergangsmetallsalzen. ..... 19

Abbildung 15: Habitus eines Seignettesalzeinkristalls unter Zusatz von Kupfer(II)ionen. Die sichtbaren Flächen sind {0 0 1}, {2 1 0}.......................... 20

Abbildung 16: Berechneter Habitus eines Seignettesalzeinkristalls mit den Flächen {0 0 1}, {2 1 0}. .................................................................................................. 20

Abbildung 17: Habitus eines Seignettesalzeinkristalls unter Zusatz von Nickel(II)ionen. Die sichtbaren Flächen sind {0 0 1}, {1 1 0}, {1 0 0}, {0 1 0}......................................................................................................................... 21

Abbildung 18: Berechneter Habitus eines Seignettesalzeinkristalls mit den Flächen {0 0 1}, {1 1 0}, {1 0 0}, {0 1 0}. ...................................................................... 21

Abbildung 19: Habitus eines Seignettesalzeinkristalls unter Zusatz von Mangan(II)ionen. Die sichtbaren Flächen sind {0 0 1}, {1 1 0}, {1 0 0}, {0 1 0}, {1 0 1}, {2 1 0}, {1 1 1}. Der Kristall wurde geschwärzt um innere Reflexionen zu unterbinden. ............................................................................... 22

Abbildung 20: Berechneter Habitus eines Seignettesalzeinkristalls mit den Flächen {0 0 1}, {1 1 0}, {1 0 0}, {0 1 0}, {1 0 1}, {2 1 0}, {1 1 1}.............................. 22

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6 Tabellenverzeichnis

Abbildung 21: Habitus eines Seignettesalzeinkristalls unter Zusatz von Mangan(II)ionen (doppelte Konzentration). Die sichtbaren Flächen sind {0 0 1}, {1 1 0}, {1 0 0}, {0 1 0}, {1 0 1}, {2 1 0}, {1 1 1}................................... 23

Abbildung 22: Berechneter Habitus eines Seignettesalzeinkristalls mit den Flächen {0 0 1}, {1 1 0}, {1 0 0}, {0 1 0}, {1 0 1}, {2 1 0}, {1 1 1}.............................. 23

Abbildung 23: Habitus eines Seignettesalzeinkristalls unter Zusatz von Cobalt(II)ionen. Die sichtbaren Flächen sind {0 0 1}, {1 1 0}, {1 0 0}, {0 1 0}, {1 0 1}, {2 1 0}, {1 1 1}. .............................................................................. 24

Abbildung 24: Erklärung des Piezoeffekts; Wird ein piezoelektrischer Kristall deformiert werden die Ladungsschwerpunkte der positiven und der negativen Ladung getrennt, und eine Spannung ist an der Oberfläche des Kristalls messbar. ................................................................................................ 27

Abbildung 25: Die von uns angefertigte Apparatur zur Demonstration des Piezoeffekts. ........................................................................................................ 28

Abbildung 26: Matthias Geiger, Johannes Bernauer, Thekla Bergemann, Karl-Heinz Hanser, Astrid Jurischka, Pascale Baumann. ........................................... 28

Abbildung 27: Matthias Geiger, Pascale Baumann, Astrid Jurischka (v.l.) mit einem Seignettesalzkristall, der zu einer Kugel gedreht wurde. ......................... 29

Abbildung 28: Thekla Bergemann und Astrid Jurischka (v.l.) an der Kristalldrehmaschine. ......................................................................................... 30

Abbildung 29: Die von uns verwendete Spezialdrehmaschine mit eingespanntem Seignettesalzeinkristall........................................................................................ 30

Abbildung 30: Thekla Bergemann mit einer rohen Seignettesalzkugel. ....................... 31 Abbildung 31: Seignettesalzkugel nach der Durchführung des

Kugelwachstumsvesuchs. ................................................................................... 31 Abbildung 32: Der Ort der Kristallflächen auf der Kugel konnten mittels

Modellrechnung einzelnen Miller-Indizes zugewiesen werden.......................... 32

Tabellenverzeichnis Tabelle 1: Vorlagen für Papiermodelle von verschiedenen

Seignettesalzeinkristallen.................................................................................... 25 Fortsetzung Tabelle 1: Vorlagen für Papiermodelle von verschiedenen

Seignettesalzeinkristallen.................................................................................... 26 Tabelle 2: Winkelpaare auf der Kugel (Azimut- und Polwinkel) zu jedem Miller-

Index.................................................................................................................... 32

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1 Aufgabenstellung Unsere Projektgruppe hatte die Aufgabe aus Weinstein (Kaliumhydrogentartrat) kristallines Seignettesalz (Kaliumnatriumtartrat) zu synthetisieren und daraus möglichst große Seignettesalzeinkristalle zu züchten. Ein weiteres Aufgabenfeld bestand in der Untersuchung von Habitusänderungen von Seignettesalzkristallen unter Zusatz von Übergangsmetallsalzen.

Seignettesalzkristalle sind piezoelektrisch und bieten sich von daher an, diesen physikalischen Effekt zu demonstrieren. So wollten wir eine Apparatur zur Demonstration des Piezoeffekts planen und konstruieren.

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2 Eigenschaften von Seignettesalz 9

2 Eigenschaften von Seignettesalz

2.1 Eigenschaften von Seignettesalz

Seignettesalz ist das Kalium-Natrium-Salz der Weinsäure, welches auch als Kaliumnatriumtartrat bezeichnet wird. Es wurde in der ersten Hälfte des 17. Jahrhunderts vom französischen Apotheker Seignette in La Rochelle aus Weinstein (Kaliumhydrogentartrat) synthetisiert. Der Umstand, dass es in La Rochelle zum ersten Mal dargestellt wurde, ist der Grund dafür, dass Seignettesalz im angloamerikanischen Sprachraum als Rochelle-Salz bezeichnet wird. Seignettesalz wird als Lebensmittelzusatz (E337) und Reduktionsmittel verwendet. Seignettesalzkristalle zeigen den physikalischen Effekt der Piezoelektrizität, bei welchem die Kristallflächen bei Deformation elektrisch aufgeladen werden oder bei anlegen einer Spannung der Kristall sich verformt.6

HHO

COO

H OH

COO Na

K Abbildung 1: Struktur von Seignettesalz.

Weinsäuremoleküle sind chiral und können in drei Diastereoisomere vorkommen. Die natürlich vorkommende Weinsäure ist die L-(+)-Weinsäure (Abb. 2).

HHO

COOH

L-(+)-Weinsäure

H OH

COOH

OHH

COOH

D-(-)-Weinsäure

HO H

COOH COOH

OHH

OHH

COOH

meso-Weinsäureoptisch inaktiv

COOH

HHO

HHO

COOH

Abbildung 2: Diestereoisomere von Weinsäure.

6 Jürgen Falbe (Hrsg.), Römpp-Chemie-Lexikon, Thime Verlag, Stuttgart, 9. Aufl., 1990, 2132.

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10 2 Eigenschaften von Seignettesalz

2.2 Kristalldaten von Seignettesalz

Seignettesalz kristallisiert in der Raumgruppe P21212 (Nr. 18) und gehört somit dem orthorhombischen Kristallsystem an. Kristalldaten7 Formula sum C4 H12 K Na O10 Formula weight 282.23 Crystal system orthorhombic Space group P 21 21 2 (no. 18) Unit cell dimensions a = 11.880(3) Å b = 14.298(3) Å c = 6.216(2) Å Cell volume 1055.85(50) Å3 Z 4 Density, calculated 1.775 g/cm3 Density, measured 1.775 g/cm3 Pearson code oP66 Formula type A2B3C8X20 Wyckoff sequence c16a Atomkoordinaten Atom Ox. Wyck. x y z K1 +1 2a 0 0 0.04410 K2 +1 2b 0.50000 0 0.16000 Na1 +1 4c 0.23220 -0.00680 0.51850 O1 -2 4c 0.12010 0.10880 0.34880 O2 -2 4c 0.21150 0.20360 0.11780 O3 -2 4c 0.23050 0.40680 0.81710 O4 -2 4c 0.05020 0.36020 0.84630 O5 -2 4c 0.16460 0.35780 0.32410 O6 -2 4c 0.29610 0.24870 0.63130 O7 -2 4c 0.39610 0.08330 0.48460 O8 -2 4c 0.23990 0.04140 0.88210 O9 -2 4c 0.44020 0.30590 1.03310 O10 -2 4c 0.42270 0.39410 0.42750 C1 +4 4c 0.15490 0.18800 0.28370 C2 +4 4c 0.12500 0.27360 0.42300 C3 +4 4c 0.17790 0.26360 0.64670 C4 +4 4c 0.15030 0.35080 0.78280

In jeder Elementarzelle befinden sich vier Formeleinheiten von Seignettesalz (Abb. 3).

7 X. Solans, C. Gonzales-Silgo, C. Ruiz-Perez, Journal of Solid State Chemistry 1997, 131, 350 – 357.

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2 Eigenschaften von Seignettesalz 11

Abbildung 3: Elementarzelle von Seignettesalz (Erstellt mit der Software Diamond®; Zellecken: K+-Ionen, grüne Kugeln: Na+-Ionen, verbundene Atome: Tatrationen, rote Kugeln: einzelne Sauerstoff-Atome des Kristallwassers).7

2.3 Löslichkeitskurve von Seignettesalz

Seignettesalz weist eine mit steigender Temperatur ansteigende Löslichkeit in Wasser auf (Abb. 4).

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12 2 Eigenschaften von Seignettesalz

5 10 15 θ / °C20020

25

30

35

40

45

Lösl

ichk

eit i

n G

ew-%

Abbildung 4: Löslichkeitskurve von Seignettesalz in Wasser.8

Dieses Löslichkeitsverhalten prädestiniert Seignettesalz geradezu für eine Züchtung von dessen Einkristallen nach dem Abkühlverfahren aber auch nach dem Verdunstungsverfahren oder nach dem Übersättigungsverfahren.

8 D’Ans, Lax, Taschenbuch für Chemiker und Physiker, 3. Aufl. 1967, 1-1132, Springer Verlag, Berlin,

Heidelberg, New York; [Datenpunkte: (0°C, 24.53 Gew.-%), (10°C, 31.51 Gew.-%), (20°C/40.48 Gew.-%)].

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3 Züchtung von Seignettesalzeinkristallen 13

3 Züchtung von Seignettesalzeinkristallen

3.1.1 Synthese von Seignettesalz aus Weinstein

Weinstein ist chemisch gesehen Kaliumhydrogentartrat (KHC4H4O6), welches sich während der Reifung von Wein an Innenwänden von Weinfässern abscheidet. Wir benutzten den billig verfügbaren Weinstein um daraus Seignettesalz zu synthetisieren (Abb. 5).

HHO

COO

Kaliumnatriumtartrat(Seignettesalz)

H OH

COO Na

K

HHO

COO

Kaliumhydrogentartrat(Weinstein)

H OH

COOH

K

+ NaHCO3,

-CO2, -H2O

Abbildung 5: Synthese von Seignettesalz aus Weinstein mit Natriumhydrogencarbonat.

Als Base zur Seignettesalzsynthese erwies sich Natriumhydrogencarbonat im Vergleich mit Natriumcarbonat oder Natronlauge als am besten geeignet, da die Kristallisation des Seignettesalz’ bei der Verwendung des Hydrogencarbonats besser gelang.9

9 Synthese von Seignettesalz aus Weinstein: Zu einer Mischung von 94 g gepulvertem Weinstein in 150

ml demin. Wasser wurde bei Raumtemp. löffelweise Natriumhydrogencarbonat zugegeben (die Verwendung von Anti-Schaum-Reagenzien wird empfohlen). Es wurde langsam auf 40°C erwärmt und ein Esslöffel Aktivkohle zugegeben und gut vermengt. Es wurde abgesaugt und das Filtrat in Petrischalen gegossen. Nach 2 Tagen waren farblose Kristalle von Seignettesalz auskristallisiert.

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14 3 Züchtung von Seignettesalzeinkristallen

Abbildung 6: Ein Teil unserer Gruppe bei der Synthese von Seignettesalz aus Weinstein (Pascale Baumann, Matthias Geiger und Astrid Jurischka; v. l.).

Abbildung 7: Aus Weinstein synthetisiertes Seignettesalz.

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3 Züchtung von Seignettesalzeinkristallen 15

3.1.2 Züchtung nach der Abkühlmethode

Es gibt verschiedene Methoden um Seignettesalzeinkristalle zu züchten. Wie oben schon erwähnt eignet sich Seignettesalz gut für eine Züchtung nach dem Abkühlverfahren, aber auch für eine Züchtung nach dem Verdunstungsverfahren oder dem Überättigungsverfahren. Erstere Methode liefert die beste Kristallqualität, da das Kristallwachstum unter gut kontrollierbaren Bedingungen abläuft.

Uns gelang, mit den professionellen Züchtungsapparaturen (Abb. 8) unserer Schule, die Züchtung von Seignettesalzeinkristallen mit hoher Qualität nach dem Abkühlverfahren.10

Abbildung 8: Professionelle Züchtungsapparaturen unserer Schule für die Züchtung von Kristallen nach dem Abkühlverfahren.

10 Alan Holden, Phylis Singer, Die Welt der Kristalle – Gestaltende Kräfte der Natur 1960, 107-108, Kurt

Desch Verlag München.

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16 3 Züchtung von Seignettesalzeinkristallen

Abbildung 9: Großer Seignettesalzeinkristall in einer Züchtungsapparatur.

Abbildung 10: Großer Seignettesalzeinkristall hoher Qualität (Höhe: ca. 7 cm).

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4 Untersuchung von Habitusänderungen von Seignettesalzeinkristallen 17

4 Untersuchung von Habitusänderungen von Seignettesalzeinkristallen

4.1 Grundlagen von Habitusänderungen

Die äußere Erscheinung eines Kristalls hängt von den Wachstumsgeschwindigkeiten der verschiedenen möglichen Flächen ab. Theoretisch kann ein kristalliner Körper von beliebig vielen Flächenarten begrenzt werden. In der Realität treten nur einige wenige Flächenarten auf, die einen Kristall begrenzen.

Alle Flächen die einen Kristall begrenzen nennt man seine Tracht. Die dominierende Flächenart nennt man seinen Habitus (Abb. 11).

Abbildung 11: links: oktaedrischer Habitus; rechts: würfelförmiger Habitus; beide aber mit der selben Tracht (Oktaederflächen und Würfelflächen).

Prinzipiell gilt, dass die Flächenart an einem Kristall am größten ausgeprägt ist, die die langsamste Wachstumsgeschwindigkeit aufweist. Kaliumaluminiumalauneinkristalle zum Beispiel wachsen in der Regel in der Oktaederform mit kleinen Würfelflächen, d. h. die Oktaederfläche wächst am langsamsten und die Würfelfläche noch langsam genug um sichtbar zu sein. Alle anderen denkbaren Flächen wachsen viel schneller und sind nicht mehr sichtbar (Abb. 12).

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18 4 Untersuchung von Habitusänderungen von Seignettesalzeinkristallen

Abbildung 12: Abhängigkeit des Habitus eines Kristalls von der relativen Wachstumsgeschwindigkeiten der Oktaederfläche (vO) und der Würfelfläche (vW).

Durch bestimmte Zusätze zur Züchtungslösung kann die Wachstumsgeschwindigkeit, vor allem der Würfelfläche, verlangsamt werden. Als Resultat erhält man, je nach Geschwindigkeitsverhältnis, mehr oder weniger gut ausgebildete würfelförmige Alaunkristalle. Man erhält also eine Habitusänderung.

Abbildung 13: Habitus eines Seignettesalzeinkristalls ohne Habitusveränderung. Die sichtbaren Flächen sind {0 0 1}, {0 1 0}, {1 1 0}, {1 2 0}.

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Seignettesalzeinkristalle wachsen in der Regel in der Form von Säulen (Abb. 13 und 10). Dieser Habitus kann durch Zusatz von Übergangsmetallsalzen verändert werden.

4.2 Habitusänderungen von Seignettesalzeinkristallen

Wir untersuchten die Habitusänderung von Seignettesalzeinkristallen durch Züchtung nach der Verdunstungsmethode unter Zusatz von Übergangsmetallsalzen.10 Dazu bedienten wir uns trichterförmigen Züchtungsgefäßen (Abb. 14), da bei diesen das Oberflächen/Volumenverhältnis günstiger für die Züchtung ist. Bei einer Temperaturerhöhung erreicht man nicht so schnell den untersättigten Bereich.

Abbildung 14: Züchtung von Seignettesalzeinkristallen nach der Verdunstungsmethode unter Zusatz verschiedener Übergangsmetallsalzen.

Wir untersuchten Habitusänderungen an Seignettesalzeinkristallen, jeweils unter Zusatz von Kupfer(II)sulfat, Nickel(II)sulfat, Mangan(II)sulfat oder Cobalt(II)sulfat.11

4.2.1 Zusatz von Kupfer(II)-ionen

Unter Zusatz von Kupfer(II)ionen wurden die Flächen mit den Miller-Indizes {0 0 1} und {2 1 0}, so weit in ihrem Wachstum abgebremst, so dass nur diese Flächen zurück blieben (Abb. 15).

11 Habitusänderungen an Seignettesalzeinkristallen unter Zusatz von Übergangsmetallionen:

549.3 g Seignettesalz wurden in 465.7 g demin. Wasser gelöst (gesätt. Lösung bei 20°C) und die Lösung in vier Teile aufgeteilt. Zu jedem Teil wurden je 6 g CuSO4•5H2O, NiSO4•6H2O, MnSO4•H2O oder CoSO4•6H2O zugesetzt. In einem trichterförmigen Züchtungsgefäß wurden Seignettesalzkristalle eingehängt, und bei 20°C weiter unter Habitusänderung gezüchtet.

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Abbildung 15: Habitus eines Seignettesalzeinkristalls unter Zusatz von Kupfer(II)ionen. Die sichtbaren Flächen sind {0 0 1}, {2 1 0}.

Die Flächenindices konnten durch Vergleich mit einem berechneten Modell zugeordnet werden.

Abbildung 16: Berechneter Habitus eines Seignettesalzeinkristalls mit den Flächen {0 0 1}, {2 1 0}.

4.2.2 Zusatz von Nickel(II)-ionen

Unter Zusatz von Nickel(II)ionen wurden die Flächen mit den Miller-Indizes {0 0 1}, {1 1 0}, {1 0 0} und {0 1 0}, so weit in ihrem Wachstum abgebremst, so dass nur diese Flächen zurück blieben (Abb. 17).

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Abbildung 17: Habitus eines Seignettesalzeinkristalls unter Zusatz von Nickel(II)ionen. Die sichtbaren Flächen sind {0 0 1}, {1 1 0}, {1 0 0}, {0 1 0}.

Mit einer Modellrechnung konnten die Miller-Indizes der Flächen zugewiesen werden (Abb. 18).

Abbildung 18: Berechneter Habitus eines Seignettesalzeinkristalls mit den Flächen {0 0 1}, {1 1 0}, {1 0 0}, {0 1 0}.

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4.2.3 Zusatz von Mangan(II)-ionen

Unter Zusatz von Nickel(II)ionen wurden die Flächen mit den Miller-Indizes {0 0 1}, {1 1 0}, {1 0 0}, {0 1 0}, {1 0 1}, {2 1 0} und {1 1 1}, so weit in ihrem Wachstum abgebremst, so dass nur diese Flächen zurück blieben (Abb. 19).

Abbildung 19: Habitus eines Seignettesalzeinkristalls unter Zusatz von Mangan(II)ionen. Die sichtbaren Flächen sind {0 0 1}, {1 1 0}, {1 0 0}, {0 1 0}, {1 0 1}, {2 1 0}, {1 1 1}. Der Kristall wurde geschwärzt um innere Reflexionen zu unterbinden.

Modellrechnungen lieferten uns auch in diesem Fall gute Dienste um die Miller-Indizes der ausgeprägten Flächen zu bestimmen (Abb. 19).

Abbildung 20: Berechneter Habitus eines Seignettesalzeinkristalls mit den Flächen {0 0 1}, {1 1 0}, {1 0 0}, {0 1 0}, {1 0 1}, {2 1 0}, {1 1 1}.

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Abbildung 21: Habitus eines Seignettesalzeinkristalls unter Zusatz von Mangan(II)ionen (doppelte Konzentration). Die sichtbaren Flächen sind {0 0 1}, {1 1 0}, {1 0 0}, {0 1 0}, {1 0 1}, {2 1 0}, {1 1 1}.

Abbildung 22: Berechneter Habitus eines Seignettesalzeinkristalls mit den Flächen {0 0 1}, {1 1 0}, {1 0 0}, {0 1 0}, {1 0 1}, {2 1 0}, {1 1 1}.

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4.2.4 Zusatz von Cobalt(II)-ionen

Cobalt(II)ionen verändern den Habitus von Seignettesalzkristallen auf die selbe Weise wie Mangan(II)ionen.

Abbildung 23: Habitus eines Seignettesalzeinkristalls unter Zusatz von Cobalt(II)ionen. Die sichtbaren Flächen sind {0 0 1}, {1 1 0}, {1 0 0}, {0 1 0}, {1 0 1}, {2 1 0}, {1 1 1}.

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5 Erstellung von Papiermodellen von verschiedenen Seignettesalzkristallen 25

5 Erstellung von Papiermodellen von verschiedenen Seignettesalzkristallen

Modell eines Seignettesalzkristalls, der ohne Zusätze gezüchtet wurde.

Modell eines Seignettesalzkristalls, der unter Zusatz von Kupfer(II)-Ionen gezüchtet wurde.

Tabelle 1: Vorlagen für Papiermodelle von verschiedenen Seignettesalzeinkristallen.

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26 5 Erstellung von Papiermodellen von verschiedenen Seignettesalzkristallen

Modell eines Seignettesalzkristalls, der unter Zusatz von Mangan(II)-Ionen (hohe Konzentration) gezüchtet wurde.

Modell eines Seignettesalzkristalls, der unter Zusatz von Mangan(II)-Ionen (niedrige Konzentration) oder Cobalt(II)-Ionen gezüchtet wurde.

Modell eines Seignettesalzkristalls, der unter Zusatz von Nickel(II)-Ionen gezüchtet wurde.

Fortsetzung Tabelle 1: Vorlagen für Papiermodelle von verschiedenen Seignettesalzeinkristallen.

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6 Entwicklung einer Apparatur zur Demonstration des Piezoeffekts 27

6 Entwicklung einer Apparatur zur Demonstration des Piezoeffekts

Wie oben erwähnt, besitzen Seignettesalzeinkristalle die Eigenschaft der Piezoelektrizität. Deformiert man einen Kristall, so wird an der Kristalloberfläche eine Spannung messbar. (Abb. 24)

Kraft

Kraft

Ladungsschwerpunkte an unterschiedlichen Positionen

Ladungsschwerpunkte an derse ben Positionen

Abbildung 24: Erklärung des Piezoeffekts; Wird ein piezoelektrischer Kristall deformiert werden die Ladungsschwerpunkte der positiven und der negativen Ladung getrennt, und eine Spannung ist an der Oberfläche des Kristalls messbar.

Wir wollten eine Apparatur bauen, mit der der Piezoeffekt besonders eindrucksvoll demonstriert werden kann.

Zum Bau einer solchen Apparatur sind folgende Überlegungen angebracht:

- Auf welche Weise wird der Kristall kurzzeitig deformiert?

Hier hat es sich bewährt einen Hammer oder ein fallendes Massestück zu benutzen.

- Wie kann man eine Beschädigung des Kristalls verhindern?

Um den Kristall zu schützen, verwendet man am besten Gummistücke, die den Kristall an den gefährdeten Stellen der Oberfläche ummanteln.

- Wie macht man die kurzzeitig anliegende Spannung am Kristall sichtbar?

Die Spannung kann flächig mit Aluminiumfolie abgegriffen werden und mit einer Glimmlampe detektiert werden.

Auf der Grundlage dieser Fragen und Erfahrungswerte bauten wir in den Werkstätten unserer Schule eine solche Apparatur (Abb. 25).

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28 6 Entwicklung einer Apparatur zur Demonstration des Piezoeffekts

Herr Hanser von der Georg-Kerschensteiner Schule, Müllheim war uns sehr behilflich bei der Anfertigung.

Abbildung 25: Die von uns angefertigte Apparatur zur Demonstration des Piezoeffekts.

Abbildung 26: Matthias Geiger, Johannes Bernauer, Thekla Bergemann, Karl-Heinz Hanser, Astrid Jurischka, Pascale Baumann.

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7 Der Kugelwachstumsversuch mit Seignettesalz 29

7 Der Kugelwachstumsversuch mit Seignettesalz

Der Kugelwachstumsversuch ist eine Methode um viele Flächen bei einem Kristall sichtbar zu machen die normalerweise herauswachsen.

Beim Kugelwachstumsversuch wird eine polierte Kristallkugel in eine leicht übersättigte Lösung des Kristallmaterials gehängt, die Kugel fängt an zu wachsen und wird ganz rau, nur an den Stellen an denen Flächen wachsen ist dies nicht der Fall und es treten plane kleine Flächen auf. Will man diesen Versuch ausführen benötigt man eine Kristallkugel aus Seignettesalz. Zum Herstellen einer solchen Kristallkugel benutzten wir eine spezielle Drehbank mit der es uns gelang mehrere Kristallkugeln zu fertigen.

Abbildung 27: Matthias Geiger, Pascale Baumann, Astrid Jurischka (v.l.) mit einem Seignettesalzkristall, der zu einer Kugel gedreht wurde.

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30 7 Der Kugelwachstumsversuch mit Seignettesalz

Abbildung 28: Thekla Bergemann und Astrid Jurischka (v.l.) an der Kristalldrehmaschine.

Abbildung 29: Die von uns verwendete Spezialdrehmaschine mit eingespanntem Seignettesalzeinkristall.

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Abbildung 30: Thekla Bergemann mit einer rohen Seignettesalzkugel.

Abbildung 31: Seignettesalzkugel nach der Durchführung des Kugelwachstumsvesuchs.

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32 7 Der Kugelwachstumsversuch mit Seignettesalz

Abbildung 32: Der Ort der Kristallflächen auf der Kugel konnten mittels Modellrechnung einzelnen Miller-Indizes zugewiesen werden. Miller-Index Azimutwinkel Polwinkel Miller-Index Azimutwinkel Polwinkel (1 0 0) 0.00 90.00 (1 0 0) 180.00 90.00 (0 1 0) 90.00 90.00 (0 1 0) 270.00 90.00 (0 0 1) 0.00 0.00 (0 0 1) 0.00 180.00 (1 1 1) 39.83 34.23 (1 1 1) 219.83 34.23 (1 1 1) 140.17 145.77 (1 1 1) 320.17 145.77 (1 2 1) 59.06 45.46 (1 2 1) 239.06 45.46 (1 2 1) 120.94 134.54 (1 2 1) 300.94 134.54 (2 2 1) 39.83 53.69 (2 2 1) 219.83 53.69 (2 2 1) 140.17 126.31 (2 2 1) 320.17 126.31 (1 0 1) 0.00 27.59 (1 0 1) 180.00 27.59 (1 0 1) 180.00 152.41 (1 0 1) 0.00 152.41 (0 1 1) 90.00 23.54 (0 1 1) 270.00 23.54 (0 1 1) 90.00 156.46 (0 1 1) 270.00 156.46

(-1 1 1) 140.17 34.23 (-1 1 1) 320.17 34.23 (-1 1 1) 39.83 145.77 (-1 1 1) 219.83 145.77 (1 -2 1) 300.94 45.46 (1 -2 1) 120.94 45.46 (1 -2 1) 239.06 134.54 (1 -2 1) 59.06 134.54 (-2 2 1) 140.17 53.69 (-2 2 1) 320.17 53.69 (-2 2 1) 39.83 126.31 (-2 2 1) 219.83 126.31 (0 2 1) 90.00 41.07 (0 2 1) 270.00 41.07 (0 2 1) 90.00 138.93 (0 2 1) 270.00 138.93 (2 0 1) 0.00 46.26 (2 0 1) 180.00 46.26 (2 0 1) 180.00 133.74 (2 0 1) 0.00 133.74 (1 2 2) 59.06 26.93 (1 2 2) 239.06 26.93 (1 2 2) 120.94 153.07 (1 2 2) 300.94 153.07 (1 -2 2) 300.94 26.93 (1 -2 2) 120.94 26.93 (1 -2 2) 239.06 153.07 (1 -2 2) 59.06 153.07

Tabelle 2: Winkelpaare auf der Kugel (Azimut- und Polwinkel) zu jedem Miller-Index.

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Durch Modellrechnungen konnten die jeweiligen Miller-Indizes den Kristallflächen auf der Kugel zugewiesen werden (Abb. 32 und Tabelle 2). Details zu diesem Teil unserer Arbeit können im Projektbericht zum Kugelwachstumsversuch nachgelesen werden.

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34 8 Zusammenfassung

8 Zusammenfassung Unserer Projektgruppe gelang es Seignettesalz aus Weinstein zu synthetisieren und daraus Einkristalle mit hoher Qualität zu züchten. Wir konnten verschiedene Habitusänderungen bei Seignettesalzeinkristallen mit dem Zusatz von Übergangsmetallsalzen zur Züchtungslösung beobachten. Zum Abschluss unserer Arbeit an diesem Projekt gelang die Fertigstellung einer Apparatur zur Demonstration des Piezoeffekts und die Herstellung von mehreren Seignettesalzkugeln, die zur Durchführung des Kugelwachstumsversuchs dienten.

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9 Danksagung 35

9 Danksagung Unser Dank gilt der Schulleitung der Georg-Kerschensteiner Schule, Müllheim. Unsern Betreuern Herrn Otto Schäfer und Herrn Dipl. chem. Stefan Müller und Herrn Karl-Heinz Hanser.

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10 Literaturverzeichnis [1] Sokrates: gemeinschaftliches Aktionsprogramm im Bereich der allgemeinen Bildung

(2000-2006) der Europäischen Union; Comenius: Europäische Zusammenarbeit auf dem Gebiet der Schulbildung.



[6] Jürgen Falbe (Hrsg.), Römpp-Chemie-Lexikon, Thime Verlag, Stuttgart, 9. Aufl., 1990, 2132.

[7] X. Solans, C. Gonzales-Silgo, C. Ruiz-Perez, Journal of Solid State Chemistry 1997, 131, 350 – 357.

[8] D’Ans, Lax, Taschenbuch für Chemiker und Physiker, 3. Aufl. 1967, 1-1132, Springer Verlag, Berlin, Heidelberg, New York; [Datenpunkte: (0°C, 24.53 Gew.-%), (10°C, 31.51 Gew.-%), (20°C/40.48 Gew.-%)].

[9] Synthese von Seignettesalz aus Weinstein: Zu einer Mischung von 94 g gepulvertem Weinstein in 150 ml demin. Wasser wurde bei Raumtemp. löffelweise Natriumhydrogencarbonat zugegeben (die Verwendung von Anti-Schaum-Reagenzien wird empfohlen). Es wurde langsam auf 40°C erwärmt und ein Esslöffel Aktivkohle zugegeben und gut vermengt. Es wurde abgesaugt und das Filtrat in Petrischalen gegossen. Nach 2 Tagen waren farblose Kristalle von Seignettesalz auskristallisiert.

[10] Alan Holden, Phylis Singer, Die Welt der Kristalle – Gestaltende Kräfte der Natur 1960, 107-108, Kurt Desch Verlag München.

[11] Habitusänderungen an Seignettesalzeinkristallen unter Zusatz von Übergangsmetallionen: 549.3 g Seignettesalz wurden in 465.7 g demin. Wasser gelöst (gesätt. Lösung bei 20°C) und die Lösung in vier Teile aufgeteilt. Zu jedem Teil wurden je 6 g CuSO4•5H2O, NiSO4•6H2O, MnSO4•H2O oder CoSO4•6H2O zugesetzt. In einem trichterförmigen Züchtungsgefäß wurden Seignettesalzkristalle eingehängt, und bei 20°C weiter unter Habitusänderung gezüchtet.

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11 Anhang 37

11 Anhang An dieser Stelle sind Materialien zusammengestellt, die während unserer Projektarbeit erstellt wurden.

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Züchtung von Alauneinkristallen und Untersuchung von Habitusänderungen

an Alaunkristallen

Fabian Ambil, Sebastian Grether, Tobias Jerabek, Jens Tietjen, Stefan MüllerЖ (Ed.), Otto SchäferШ



Synthese von Opalen

an der


2005-2007


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2 Vorwort

Vorwort Diese Abhandlung präsentiert kurz die Ergebnisse der Projektgruppe „Alaun“, die an der Georg-Kerschensteiner Schule in Müllheim im Rahmen eines Sokrates-Comenius-Projekts1 in den Jahren 2005-2007 erarbeitet wurden. Das Hauptziel besagten Projektes bestand in der Realisierung einer synthetischen Herstellung von Opalen mit all den damit verbundenen Forschungen.2


Die Schüler an der Georg-Kerschensteiner Schule sollten mit dem Arbeiten in einem internationalen und gemeinschaftlichem Umfeld, sowie naturwissenschaftlichen Denk- und Arbeitsweisen vertraut gemacht werden. Die Organisation sah vor, dass die Schüler in kleinen Gruppen (bis zu 5 Mitgliedern) an einem kleinen wissenschaftlichen Projekt neben dem Hauptprojekt über zwei Jahre arbeiten sollten. Es wurden sechs solcher Projektgruppen gebildet, denen unterschiedliche Aufgaben übertragen wurden:







Wie oben schon erwähnt ist diese Abhandlung nun die Zusammenfassung der Ergebnisse der Projektgruppe „Alaun“.



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Kurzfassung 3

Kurzfassung Es werden Ergebnisse der Projektarbeit zur Züchtung von Kaliumaluminiumalaun-Einkristallen und deren Habitusänderung bei der Zugabe von Tensiden vorgestellt. Weiter wurden auch Einkristalle anderer Derivate des Alauns gezüchtet.

Schlagwörter: Kaliumaluminiumalaun, Alaun, Habitusänderung, Tenside

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Inhaltsverzeichnis

Vorwort............................................................................................................................ 2

Kurzfassung..................................................................................................................... 3






2 Züchtung von Alauneinkristallen ...................................................................... 8 2.1 Alaune.................................................................................................................... 8

2.2 Kristalldaten von Alaun......................................................................................... 8

2.3 Löslichkeitskurve von Alaun............................................................................... 10

2.4 Züchtung von Alauneinkristallen ........................................................................ 11 2.4.1 Kristallzüchtungsmethoden ................................................................................. 11 2.4.2 Züchtung von Impfkristallen ............................................................................... 11

2.5 Züchtung von Alauneinkristallen nach dem Abkühlverfahren ........................... 13

3 Habitusänderungen von Alauneinkristallen ................................................... 16 3.1 Habitusänderungen an Alaun durch Zusatz von Tensiden .................................. 17


5 Danksagung........................................................................................................ 22


7 Anhang................................................................................................................ 24

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Abbildungsverzeichnis Abbildung 1: Elementarzelle von Alaun (Erstellt mit der Software Diamond®;

Oktaeder: Al(OH2)6-Einheiten, Tetraeder: SO42--Ionen, Kugeln auf den

Mitten der Kanten und in der Zellmitte: K+-Ionen, rote Kugeln: Sauerstoffatome-Atome des Kristallwassers).8..................................................... 9

Abbildung 2: Löslichkeitskurve von Kaliumaluminiumalaun in Wasser. .................... 10 Abbildung 3: Impfkristalle von Kaliumaluminiumalaun. ............................................. 12 Abbildung 4: Impfkristalle von Kaliumaluminiumalaun schon mit Nylonfaden

versehen. ............................................................................................................. 12 Abbildung 5: Züchtungsapparaturen für Kristallzüchtungen nach dem

Abkühlverfahren. ................................................................................................ 13 Abbildung 6: Einfache Züchtungsapparatur zum Züchten von Kristallen nach dem

Abkühl-oder Verdunstungsverfahren.................................................................. 14 Abbildung 7: hervorragender Alauneinkristall in der Züchtungsapparatur. ................. 14 Abbildung 8: Chromalauneinkristall. ............................................................................ 15 Abbildung 9: links: oktaedrischer Habitus; rechts: würfelförmiger Habitus; beide

aber mit derselben Tracht (Oktaederflächen und Würfelflächen). ..................... 16 Abbildung 10: Abhängigkeit des Habitus eines Kristalls von den relativen

Wachstumsgeschwindigkeiten der Oktaederfläche (vO) und der Würfelfläche (vW). .............................................................................................. 16

Abbildung 11: trichterförmige Züchtungsgefäße für die Kristallzüchtung nach der Verdunstungsmethode......................................................................................... 17

Abbildung 12: Alaunwürfel, gezüchtet nach der Verdunstungsmethode unter Zusatz von 0.1 Gew-% Dodecan-1-sulfonsäure. ................................................ 19

Abbildung 13: Tiefblauer “Chromalaunoktaeder” in einem farblosen “Alaunwürfel”, gezüchtet unter Zusatz von Amaranth®..................................... 20

Tabellenverzeichnis Tabelle 1: Auswahl der untersuchte Tenside bezüglich ihrer Habitusändernden

Eigenschaften ...................................................................................................... 18

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6 Abkürzungsverzeichnis


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1 Aufgabenstellung 7

1 Aufgabenstellung Unsere Projektarbeit sollte weitgehend aus der Züchtung von Kaliumaluminiumalaun-Einkristallen und die Untersuchung von Habitusänderungen durch Zusatz von Tensiden zur Züchtungslösung bestehen.

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8 2 Züchtung von Alauneinkristallen

2 Züchtung von Alauneinkristallen

2.1 Alaune

Unter Alaunen versteht man eine Reihe von Doppelsalzen der allgemeinen Formel MIMIIISO4•12H2O, wobei MI für ein einwertiges und MIII für ein dreiwertiges Kation steht (MI z.B. Na, K, NH4, Tl und MIII z.B. Al, Cr, Fe, Mn, Ti, V). Nicht verwechseln darf man diese Bezeichnung mit „Alaun“, welcher sich als Name für das Alaun schlechthin, nämlich Kaliumaluminiumalaun etabliert hat.6,7

Alaun (Kaliumaluminiumalaun, KAlSO4•12H2O) findet schon seit dem Altertum wegen seiner adstringierenden - Eiweiß-fällende - Wirkung als Rasierstein und in der Gerberei Verwendung. 7

2.2 Kristalldaten von Alaun

Alaun kristallisiert in der Raumgruppe Pa-3 (Nr. 205) und gehört somit dem kubischen Kristallsystem an. Kristalldaten8 Formula sum Al K S2 O20 H24 Formula weight 474.39 Crystal system cubic Space group P a -3 (no. 205) Unit cell dimensions a = 12.157(2) Å Cell volume 1796.72(51) Å3 Z 4 Density, calculated 1.754 g/cm3 Density, measured 1.757 g/cm3 Pearson code cP96 Formula type ABC2X20 Wyckoff sequence d3c2ba

6 M. J. Buerger, F. Laves, G. Menzer, I. N. Stranski, „Kristallographie der Alaune 1“, Zeitschrift für Kristallographie 1961, 116, 371-405. 7 Jürgen Falbe, Manfred Regitz (Hrsg.), Römpp Chemielexikon, 8. Aufl. 1989, Thieme Verlag, Stuttgart,

New York. 8 H. Lipson, C. A. Beevers, Proceedings of the Royal Society of London, Series A 1934, 148, 664 – 680.

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2 Züchtung von Alauneinkristallen 9

Atomkoordinaten Atom Ox. Wyck. Occ. x y z Al 1 +3 4a 0 0 0 K 1 +1 4b 0.50000 0.50000 0.50000 S 1 +6 8c 0.31000 0.31000 0.31000 O 1 -2 8c 0.24000 0.24000 0.24000 O 2 -2 24d 0.30000 0.27000 0.43000 O 3 -2 24d 0.02000 0.02000 0.16000 O 4 -2 24d 0.04000 0.13000 0.30000 H 1 +1 24D 4 ?

Alaun ist ein Doppelsalz in dessen Kristallstruktur Aluminium oktaedrisch von sechs Wassermolekülen koordiniert ist (Abb. 1).

Abbildung 1: Elementarzelle von Alaun (Erstellt mit der Software Diamond®; Oktaeder: Al(OH2)6-Einheiten, Tetraeder: SO4

2--Ionen, Kugeln auf den Mitten der Kanten und in der Zellmitte: K+-Ionen, rote Kugeln: Sauerstoffatome-Atome des Kristallwassers).8

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2.3 Löslichkeitskurve von Alaun

Alaun weist eine mit steigender Temperatur ansteigende Löslichkeit in Wasser auf (Abb. 2).

10 20 30θ / °C

4000

10

20

30

40

50

Lösl

ichk

eit i

n G

ew-%

50 60 8070 90 100

60

80

Abbildung 2: Löslichkeitskurve von Kaliumaluminiumalaun in Wasser.9

Dieses Löslichkeitsverhalten prädestiniert Alaun geradezu für eine Züchtung von dessen Einkristallen nach dem Abkühlverfahren.

9 D’Ans, Lax, Taschenbuch für Chemiker und Physiker, 3. Aufl. 1967, 1-1101, Springer Verlag, Berlin,

Heidelberg, New York; [Datenpunkte: (0°C, 3.0 Gew.-%), (10°C, 4.0 Gew.-%), (20°C, 5.5 Gew.-%), (40°C, 10.2 Gew.-%), (60°C, 19.5 Gew.-%), (80°C, 33.5 Gew.-%), (100°C, 60.8 Gew.-%)].

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2.4 Züchtung von Alauneinkristallen

2.4.1 Kristallzüchtungsmethoden

Für Alaun können im wesentlichen zwei Kristallzüchtungsmethoden angewendet werden zum einen die Verdunstungsmethode und zum anderen die Abkühlungsmethode.

Beide Verfahren beruhen darauf, die absolut gelöste Stoffmenge an Alaun mit der Zeit langsam zu verringern und so das Wachstum eines Impfkristalls zu ermöglichen.

Beim Verdunstungsverfahren wird dies durch ein langsames Verdampfen des Lösungsmittels (Wassers) bei konstanter Temperatur erreicht, beim Abkühlverfahren durch langsames Abkühlen einer wässr. Alaunlösung ohne Verdampfen des Wassers.

Das Abkühlverfahren ist dem Verdunstungsverfahren in der Qualität der erhaltbaren Einkristallen überlegen, aufgrund der besseren Kontrollierbarkeit der Züchtungsbedingungen (Verfügbarkeit guter Thermostaten).

Unserer Projektgruppe züchtete Einkristalle nach beiden Methoden. Qualitativ exzellente Alauneinkristalle nach der Abkühlungsmethode und bei der Untersuchungen von Habitusänderungen an Alauneinkristallen durch Tensidzusatz bei konstanter Temperatur mit der Verdunstungsmethode.

2.4.2 Züchtung von Impfkristallen

Um aus wässr. Lösungen Einkristalle züchten zu können benötigten wir qualitativ hochwertige Impfkristalle, die dann in den Züchtungsapparaturen weiter wachsen sollten. Um diese Impfkristalle zu erhalten benötigten wir zunächst eine bei Raumtemp. fast gesättigte Lösung von Alaun. Diese Lösung wurden einfach in eine große Petrischale gegossen und mit einem Filterpapier abgedeckt. Nach ein bis zwei Tagen kristallisierten aus der Lösung die Impfkristalle aus (Abb. 3 und 4).10

10 Herstellung der Alaunlösung: 20 g KAlSO4•12H2O wurden bei Raumtemp. in 100 ml demin. Wasser

gelöst, nach Alan Holden, Phylis Singer, Die Welt der Kristalle 1960, 105-106, Verlag Kurt Desch, München, Wien, Basel.

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Abbildung 3: Impfkristalle von Kaliumaluminiumalaun.

Abbildung 4: Impfkristalle von Kaliumaluminiumalaun schon mit Nylonfaden versehen.

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2.5 Züchtung von Alauneinkristallen nach dem Abkühlverfahren

Die Georg-Kerschensteiner Schule in Müllheim verfügt seit geraumer Zeit über professionelle Züchtungsapparaturen zur Züchtung von Einkristallen nach dem Abkühlverfahren (Abb. 5).

Abbildung 5: Züchtungsapparaturen für Kristallzüchtungen nach dem Abkühlverfahren.

Wir haben bei unseren Kristallzüchtungsexperimenten uns aber auch einer einfacheren Apparatur bedient, die wie Abb. 6 zeigt aus einem Kunststoffaquarium gefertigt wurde.

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Abbildung 6: Einfache Züchtungsapparatur zum Züchten von Kristallen nach dem Abkühl-oder Verdunstungsverfahren.

Mit diesen Apparaturen war es uns möglich mehrere Alauneinkristalle mit einer hohen Qualität zu züchten (Abb. 7).

Abbildung 7: hervorragender Alauneinkristall in der Züchtungsapparatur.

Das einzige Problem mit der man bei dieser Methode konfrontiert ist, ist die hohe Empfindlichkeit gegenüber Kristallkeimen, die, wenn sie entstehen (z.B. spontan oder durch Verdunstung an der Oberfläche der Lösung), schneller wachsen als der eingehängte Impfkristall und so die maximal erreichbare Größe des Einkristalls rapide senken.

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Abbildung 8: Chromalauneinkristall.

Auf analoge Weise gelang es uns auch Chromalaun-Einkristalle mit hoher Qualität zu erhalten (Abb. 8).11

11 Chromalaun: KCrSO4•12H2O.

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16 3 Habitusänderungen von Alauneinkristallen

3 Habitusänderungen von Alauneinkristallen Die äußere Erscheinung eines Kristalls hängt von den Wachstumsgeschwindigkeiten der verschiedenen möglichen Flächen ab. Theoretisch kann ein kristalliner Körper von beliebig vielen Flächenarten begrenzt werden. In der Realität aber treten nur einige wenige Flächenarten auf die einen Kristall begrenzen.

Alle Flächen die einen Kristall begrenzen nennt man seine Tracht. Die dominierende Flächenart nennt man seinen Habitus (Abb. 9).

Abbildung 9: links: oktaedrischer Habitus; rechts: würfelförmiger Habitus; beide aber mit derselben Tracht (Oktaederflächen und Würfelflächen).

Prinzipiell gilt, dass die Flächenart an einem Kristall am größten ausgeprägt ist, die die langsamste Wachstumsgeschwindigkeit aufweist. Kaliumaluminiumalaun-Einkristalle wachsen in der Regel in der Oktaederform mit kleinen Würfelflächen, d. h. die Oktaederfläche wächst am langsamsten und die Würfelfläche noch langsam genug um sichtbar zu sein. Alle anderen denkbaren Flächen wachsen viel schneller und sind nicht mehr sichtbar (Abb. 10).

Abbildung 10: Abhängigkeit des Habitus eines Kristalls von den relativen Wachstumsgeschwindigkeiten der Oktaederfläche (vO) und der Würfelfläche (vW).

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3 Habitusänderungen von Alauneinkristallen 17

Durch bestimmte Zusätze zur Züchtungslösung kann die Wachstumsgeschwindigkeit, vor allem der Würfelfläche, verlangsamt werden. Als Resultat erhält man, je nach Geschwindigkeitsverhältnis, mehr oder weniger gut ausgebildete würfelförmige Alaunkristalle. Dieser Vorgang wird als eine Habitusänderung bezeichnet.

3.1 Habitusänderungen an Alaun durch Zusatz von Tensiden

Durch den Zusatz von Tensiden zu einer Züchtungslösung von Alaun kann der Habitus des wachsenden Kristalls hin zur Würfelform verändert werden, was wie oben erwähnt auf einer Verlangsamung der relativen Wachstumsgeschwindigkeit der Würfelfläche im Vergleich zur Oktaederfläche beruht.

Unsere Projektgruppe hatte die Aufgabe verschiedene Tenside auf ihre Aktivität bezüglich einer solchen Habitusänderung zu untersuchen.

Als Züchtungsverfahren bot sich die Verdunstungsmethode an, da sie es ermöglicht bei konstanter Temperatur zu züchten und noch wichtige Reihenuntersuchungen mit einer großen Anzahl von Züchtungslösungen durchzuführen. Um die Übersättigung während der Züchtung über einen längeren Zeitraum konstant zu halten wurden von uns trichterförmige Züchtungsgefäße benutzt. Die Züchtung in einem trichterförmigen Gefäß ist gegen Temperaturschwankungen günstiger. Man gelangt bei geringer Temperaturerhöhung nicht so schnell in den untersättigten Bereich (Abb. 11).

Abbildung 11: trichterförmige Züchtungsgefäße für die Kristallzüchtung nach der Verdunstungsmethode.

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Tensidquelle Mischungsverhältnis Ergebnisse

Pril Ultra® Waschmittel

730 mg

700 ml gesätt. Alaunlsg. Kristall beginnt Würfelfläche zu bilden, gelingt aber nicht ganz, Bodenkristalle zeigen relativ große Würfelflächen.

Pril Ultra®

Waschmittel 770 mg

700 ml gesätt. Alaunlsg.

Wächst sehr schnell zum Würfel. In Richtung der Koordinatenachsen relativ klar, in Richtung der Würfelraumdiagonalen trübe.

Glaskeramik-Reiniger

720 mg


Würfelflächen wachsen erheblich, aber nicht ausreichend.

Bei 4-5facher Konz. Rhombododekaederflächen in geringer Anzahl gebildet.

Adsitt Ultra® 840 mg

700 ml gesätt. Alaunlsg. Keine Formänderung erkennbar

Klarspüler 770 mg


Keine Formänderung erkennbar.

Lenor Sommerbrise®

800 mg



Kristall milchig.

Caribic® Körperpflege

700 mg

700 ml gesätt. Alaunlsg. Sehr geringe Würfelflächenbildung an 4-5 Ecken. Bodensatz zeigt keine Würfelflächenbildung.

Pril Apple® 400 mg Mittel

400 ml gesätt. Alaunlsg. Versuch im Trichterglas. Zeigt eine deutliche Würfelflächenbildung. Bodensatz annähernd Würfel.

Garnier Fructis® 154 mg Mittel



Pool Duschgel® 150 mg Mittel



Kernseife 70 mg Mittel



Arylsulfonat (50%) 71 mg Mittel

700 ml gesätt. Alaunlsg. Habitus ist oktaedrisch, Tracht jedoch oktaedrisch und kubisch

Pril sensitiv Aloe Vera®

40 mg Mittel



Palmolive Ultra Original®

65 mg Mittel

600 ml gesätt. Alaunlsg. Kristall kubischer Habitus, ebenso Bodensatz.

Frosch Zitronen-Scheuermilch®

82 mg Mittel



Tabelle 1: Auswahl der untersuchte Tenside bezüglich ihrer Habitusändernden Eigenschaften

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3 Habitusänderungen von Alauneinkristallen 19

Unsere Gruppe hat umfangreiche Untersuchungen zur Habitusänderung an Alauneinkristallen mit kommerziell erhältlichen Tensiden durchgeführt. Die unterschiedlichen Tenside und ihren Einfluss auf das Kristallwachstum von Alaunoktaedern mittels Verdunstungsmethode bei Raumtemp. sind in Tab. 1 wiedergegeben.

Obwohl einige der von uns untersuchten Produkte und Tenside eine Habitusänderung der Alaunkristalle hin zum Würfel bewirkten, erwies sich Dodekan-1-sulfonsäure (0.1 Gew.-%) als optimal für die Züchtung von Alaunkristallen mit würfelförmigem Habitus (Abb. 12).

Abbildung 12: Alaunwürfel, gezüchtet nach der Verdunstungsmethode unter Zusatz von 0.1 Gew.-% Dodecan-1-sulfonsäure.

Da Chromalaun (KCrSO4•12H2O) und Aluminiumalaun (KAlSO4•12H2O) vollständige Mischkristalle bilden, kann man einen tiefblauen Chromalauneinkristall in einer Aluminiumalaunlösung einfach weiterwachsen lassen, wobei der Kristall nun farblos weiter wächst. Kombiniert man diese Vorgehensweise mit einer Habitusänderung gelingt es einen tiefblauen Chromalauneinkristall mit oktaedrischem Habitus in einen farblosen Alaunkristall einwachsen zu lassen, der dann einen würfelförmigen Habitus besitzt (Abb. 13). Wir erreichten dies durch Züchtung nach dem Abkühlverfahren unter Zusatz des Azofarbstoffs Amaranth®, welcher ebenfalls in der Lage ist den Habitus von Alaunkristallen in Richtung Würfelform zu verändern.

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Abbildung 13: Tiefblauer “Chromalaunoktaeder” in einem farblosen “Alaunwürfel”, gezüchtet unter Zusatz von Amaranth®.

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4 Zusammenfassung 21

4 Zusammenfassung Unserer Projektgruppe gelang es Alaunkristalle mit hoher Qualität zu züchten und Habitusänderungen hin zur Würfelform an Alauneinkristallen durch Zusatz von Tensiden zu beobachten. In unseren Untersuchungen zur Habitusänderung haben wir zahlreiche Tensidquellen getestet und neue Daten zu dieser Thematik erarbeitet.

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22 5 Danksagung

5 Danksagung Unser Dank gilt der Schulleitung der Georg-Kerschensteiner Schule, Müllheim. Unsern Betreuern Herrn Otto Schäfer und Herrn Dipl. chem. Stefan Müller.

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[5] http://www.gks.fr.bw.schule.de/ [6] M. J. Buerger, F. Laves, G. Menzer, I. N. Stranski, „Kristallographie der Alaune

1“, Zeitschrift für Kristallographie 1961, 116, 371-405. [7] Jürgen Falbe, Manfred Regitz (Hrsg.), Römpp Chemielexikon, 8. Aufl. 1989,

Thieme Verlag, Stuttgart, New York.

[8] H. Lipson, C. A. Beevers, Proceedings of the Royal Society of London, Series A 1934, 148, 664 – 680.

[9] D’Ans, Lax, Taschenbuch für Chemiker und Physiker, 3. Aufl. 1967, 1-1101, Springer Verlag, Berlin, Heidelberg, New York.

[10] Herstellung der Alaunlösung: 20 g KAlSO4•12H2O wurden bei Raumtemp. in 100 ml demin. Wasser gelöst, nach Alan Holden, Phylis Singer, Die Welt der Kristalle 1960, 105-106, Verlag Kurt Desch, München, Wien, Basel.

[11] Chromalaun: KCrSO4•12H2O.

[12] © 2007 by Stefan Müller, Heitersheim, Germany, http://www.ms-dev.de; alle Rechte vorbehalten.

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24 7 Anhang

7 Anhang In diesem Anhang sind 48 Vorlagen für Papiermodelle von Alaunkristallen abgedruckt, die von Stefan Müller erzeugt wurden.12

12 © 2007 by Stefan Müller, Heitersheim, Germany, http://www ms-dev.de; alle Rechte vorbehalten.

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Der Kugelwachstumsversuch an Alaun-und Seignettesalzeinkristallen – in-silico

Berechnung der Ergebnisse

Ramona Heitz, Helge Höck, Yannick Linke, Stefan MüllerЖ (Ed.), Otto SchäferШ



Synthese von Opalen

an der


2005-2007


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2 Vorwort

Vorwort Diese Abhandlung präsentiert kurz die Ergebnisse der Projektgruppe „Kugelwachstumsversuch“, die an der Georg-Kerschensteiner Schule in Müllheim im Rahmen eines Sokrates-Comenius-Projekts1 in den Jahren 2005-2007 erarbeitet wurden. Das Hauptziel besagten Projektes bestand in der Realisierung einer synthetischen Herstellung von Opalen mit all den damit verbundenen Forschungen.2









Wie oben schon erwähnt ist diese Abhandlung nun die Zusammenfassung der Ergebnisse der Projektgruppe „Kugelwachstumsversuch“.



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Kurzfassung 3

Kurzfassung Der Kugelwachstumsversuch, bei dem eine Kristallkugel in einer leicht übersättigten Lösung weiter wächst, ist eine Methode um Flächen des Kristalls zu detektieren, die sonst nicht auftreten würden. Wir haben Einkristallkugeln aus Alaun- und Seignettesalz hergestellt, und mit ihnen den Kugelwachtumsversuch durchgeführt. Die erhaltenen Ergebnisse – die Winkelkoordinaten der auftretenden Kristallflächen – konnten wir auf Grundlage der jeweiligen Kristalldaten berechnen und die Flächen entsprechend indizieren.

Schlagwörter: Kugelwachstumsversuch, Alaun, Seignettesalz, Python

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Inhaltsverzeichnis

Vorwort............................................................................................................................ 2

Kurzfassung..................................................................................................................... 3






2 Theoretische Grundlagen ................................................................................... 9 2.1 Die sieben Kristallsysteme .................................................................................... 9

2.2 Die 32 Kristallklassen.......................................................................................... 10

2.3 Die 230 Raumgruppen......................................................................................... 15

2.4 Kristalldaten von Alaun....................................................................................... 17

2.5 Kristalldaten von Seignettesalz ........................................................................... 18

2.6 Miller-Indizes ...................................................................................................... 19

2.7 Der reziproke Raum ............................................................................................ 20

2.8 Die stereographische Projektion.......................................................................... 22

3 Der Kugelwachstumsversuch ........................................................................... 26 3.1 Durchführung ...................................................................................................... 26

3.2 Herstellung von Kristallkugeln............................................................................ 29

3.3 Vermessung der Kristallflächen auf der Kugel ................................................... 29

4 Berechnung der Ergebnisse des Kugelwachstumsversuchs .......................... 32 4.1 Vorgehensweise zur Berechnung ........................................................................ 32

4.2 Ergebnisse............................................................................................................ 33


6 Danksagung........................................................................................................ 40


Seite 414 von 560


Abbildungsverzeichnis Abbildung 1: Die sieben Kristallsysteme. ....................................................................... 9 Abbildung 2: Schematische Darstellung der Symmetrieelemente in der

Elementarzelle der Raumgruppe 205.................................................................. 16 Abbildung 3: Elementarzelle von Alaun (Erstellt mit der Software Diamond®;

Oktaeder: Al(OH2)6-Einheiten, Tetraeder: SO42--Ionen, Kugeln auf den

Mitten der Kanten und in der Zellmitte: K+-Ionen, rote Kugeln: Sauerstoffatome-Atome des Kristallwassers).7................................................... 18

Abbildung 4: Elementarzelle von Seignettesalz (Erstellt mit der Software Diamond®; Zellecken: K+-Ionen, grüne Kugeln: Na+-Ionen, verbundene Atome: Tatrationen, rote Kugeln: einzelne Sauerstoff-Atome des Kristallwassers).8................................................................................................. 19

Abbildung 5: Herleitung des Miller-Index einer Fläche. .............................................. 20 Abbildung 6: Anwendung des reziproken Gitters. ........................................................ 22 Abbildung 7: Konstruktion der stereografischen Projektion am Beispiel von fünf

Punkten auf der Kugeloberfläche........................................................................ 23 Abbildung 8: Alauneinkristallkugel in einer leicht übersättigten Alaunlösung kurz

nach dem Einhängen. .......................................................................................... 26 Abbildung 9: Alauneinkristallkugel in einer leicht übersättigten Alaunlösung

einige Minuten nach dem Einhängen. Gut zu erkennen ist die aufgewachsene Schicht von Alaun an an der verminderten Transparenz........... 27

Abbildung 10: Alauneinkristallkugeln. Die in der Mitte nach dem Durchführen des Kugelwachstumsversuchs. Gut zu erkennen sind die reflektierenden Punkte auf der Kugel die kleine Kristallflächen sind...................................................... 27

Abbildung 11: Abhängigkeit des Habitus eines Kristalls von den relativen Wachstumsgeschwindigkeiten der Oktaederfläche (vO) und der Würfelfläche (vW). .............................................................................................. 28

Abbildung 12: Seignettesalzkugel nach der Durchführung des Kugelwachstumsversuchs. .................................................................................. 28

Abbildung 13: Kristallkugeldrehbank, die wir zur Herstellung von Einkristallkugeln benutzten................................................................................. 29

Abbildung 14: Definition der Kugelkoordinaten r, φ, θ. ............................................... 30 Abbildung 15: Unsere Projektgruppe beim Vermessen einer Alaunkugel. .................. 31 Abbildung 16: Das Wulffsche Netz, berechnet mit unserer Software. ......................... 33 Abbildung 17: Simulation der Ergebnisse des Kugelwachstumsversuchs an Alaun. ... 34 Abbildung 18: Simulation der Ergebnisse des Kugelwachstumsversuchs an

Seignettesalz........................................................................................................ 35

Seite 415 von 560

6

Tabellenverzeichnis Tabelle 1: Die allgemeinen Formen der kubischen Kristallklassen............................... 10 Tabelle 2: Die allgemeinen Formen der tetragonalen Kristallklassen. .......................... 11 Tabelle 3: Die allgemeinen Formen der hexagonalen Kristallklassen........................... 12 Tabelle 4: Die allgemeinen Formen der trigonalen Kristallklassen............................... 13 Tabelle 5: Die allgemeinen Formen der rhombischen Kristallklassen. ......................... 14 Tabelle 6: Die allgemeinen Formen der monoklinen Kristallklassen............................ 14 Tabelle 7: Die allgemeinen Formen der triklinen Kristallklassen. ................................ 14 Tabelle 8: Unterschiedlichen Kristallklassenangehörigkeit von Alaun und

Seignettesalz........................................................................................................ 15 Tabelle 9: Konstruktion der stereographischen Projektion an einem Kristall mit

drei Flächenarten. Die Durchstoßpunkte der Flächennormalen durch die Kugel werden in die Papierebene projiziert (zu lesen von links nach rechts und von oben nach unten). .................................................................................. 25

Tabelle 10: Vergleich der experimentell erhaltenen Winkelpaaren mit den berechneten Paaren für bestimmte Miller-Indizes für Alaun.............................. 36

Tabelle 11: Vergleich der experimentell erhaltenen Winkelpaaren mit den berechneten Paaren für bestimmte Miller-Indizes für Seignettesalz. ................. 38

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Abkürzungsverzeichnis 3D dreidimensional

API Application Programming Interface

SVG Scalable Vector Graphic

TGS Triglycinsulfat

XML Extended Markup Language

Seite 417 von 560


1 Aufgabenstellung Wir hatten uns die Aufgabe gestellt, den Kugelwachstumsversuch mit Alaun- und Seignettesalzeinkristallkugeln durchzuführen und die erhaltenen Ergebnisse mittels selbst programmierter Software zu berechnen. Ziel war es, die Mathematik der Vektorrechnung anwendungsbezogen und in einem Software-Kontext einzusetzen.

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2 Theoretische Grundlagen 9

2 Theoretische Grundlagen

2.1 Die sieben Kristallsysteme

Ein Kristall ist ein dreidimensional hoch geordnetes Gebilde, der durch die Angabe einer Elementarzelle vollständig beschrieben werden kann. Einen Kristall kann man sich so vorstellen, als dass er, durch Aneinanderreihen der Elementarzelle in allen drei Raumrichtungen, erzeugt wurde. Die Atomkoordinaten in der der Atome in der Elementarzelle beschreiben die Lage aller Atome im Kristall. Die Zellparameter (Aussehen der Elementarzelle) können für alle Kristalle auf nur sieben (mathematisch nur sechs) Möglichkeiten, die so genannten Kristallsysteme (Abb. 1), eingegrenzt werden. Dies ist die auf die Tatsache zurückzuführen, dass der Raum nicht mit beliebig geformten Elementarzellen lückenlos gefüllt werden kann.

a

b

c

αγ

β

a

b

c

αγ

β

a

b

c

αγ

β

a

b

c

αγ

β

a

b

c

αγ

β

a

c

bγβ α

b acγ

βα

kubisch tetragonal rhombisch

hexagonal rhomboedrisch triklinmonoklin

a=b=c= = =90°α β γ

a=b=c= = =90°α β γ

a=b=c= = =90°α β γ

a=b=c= =120°=90°

α βγ

a=b=c= = =90°α β γ

a=b=c= = =90°α β γ

a=b=c= =90°=90°

α βγ

Abbildung 1: Die sieben Kristallsysteme.

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10 2 Theoretische Grundlagen

2.2 Die 32 Kristallklassen

Kristalle können unterschiedliches Aussehen besitzen, dieses hängt im wesentlichen von der Zugehörigkeit zu einem bestimmten Kristallsystem ab, aber auch von den Flächen die den Kristall begrenzen. Idealisiert man die äußere Erscheinung eines Kristalls (die Größe der Flächen ist unerheblich, man betrachtet nur die Anwesenheit der Fläche selbst), so muss der Kristall einer von 32 möglichen Symmetrieklassen angehören. Dieser Umstand ist darauf zurückführbar, dass die makroskopische Symmetrie eines Kristalls von der Symmetrie der Elementarzelle abhängt. In den Tabellen 1 bis 7 sind die verschiedenen allgemeinen Formen der 32 Kristallklassen wiedergegeben.

hexakistetraedrische

Kristallklasse

m-3m

disdodekaedrische

Kristallklasse

m-3

pentagonikosi-tetraedrische

Kristallklasse

432

hexakistetraedrische

Kristallklasse

-43m

tetraedrisch-pentagon-

dodekaedrische

Kristallklasse

23

Tabelle 1: Die allgemeinen Formen der kubischen Kristallklassen.

Seite 420 von 560


ditetragonale

dipyralidale

Kristallklasse

4/mmm

tetragonal

trapezoedrische

Kristallklasse

422

tetragonal

dipyramidale

Kristallklasse

4/m

tetragonale

skalenoedrische

Kristallklasse

-42m

tetragonale

disphenoidische

Kristallklasse

-4

tetragonal

pyramidale

Kristallklasse

4mm

tetragonal

pyramidale

Kristallklasse

4

Tabelle 2: Die allgemeinen Formen der tetragonalen Kristallklassen.

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dihexagonal

dipyramidale

Kristallklasse

6/mmm

hexagonal

trapezoedrische

Kristallklasse

622

hexagonal

dipyramidale

Kristallklasse

6/m

ditrigonal

dipyramidale

Kristallklasse

-6m2

trigonal

dipyramidale

Kristallklasse

-6

dihexagonal

pyramidale

Kristallklasse

6mm

hexagonal

pyramidale

Kristallklasse

6

Tabelle 3: Die allgemeinen Formen der hexagonalen Kristallklassen.

Seite 422 von 560


ditrigonal

skalenoedrische

Kristallklasse

-3m

trigonal

trapezoedrische

Kristallklasse

32

trigonal

rhomboedrische

Kristallklasse

-3

trigonal

pyramidale

Kristallklasse

3m

trigonal

pyramidale

Kristallklasse

3

Tabelle 4: Die allgemeinen Formen der trigonalen Kristallklassen.

Seite 423 von 560


rhombisch

dipyramidale

Kristallklasse

mmm

rhombisch

disphenoidische

Kristallklasse

222

rhombisch

pyramidal

Kristallklasse

mm2

Tabelle 5: Die allgemeinen Formen der rhombischen Kristallklassen.

monoklin

prismatische

Kristallklasse

2/m

monoklin

domatische

Kristallklasse

m

monoklin

sphenoidische

Kristallklasse

2

Tabelle 6: Die allgemeinen Formen der monoklinen Kristallklassen.

triklin

pinakoidale

Kristallklasse

-1

triklin

pediale

Kristallklasse

1

Tabelle 7: Die allgemeinen Formen der triklinen Kristallklassen.

Seite 424 von 560


Einkristalle von Alaun (Kaliumaluminiumsulfat Dodekahydrat) und Seignettesalz (Kaliumnatriumtartrat Tetrahydrat) gehören der Kristallklasse m-3 und 222 an (Tab. 8).

Alaun

Kristallklasse: m-3

Kristalle besitzen eine Spiegelebene (m) und eine dreizählige Drehinversionsachse -3

Seignettesalz

Kristallklasse: 222

Kristalle besitzen drei senkrecht zueinander stehende zweizählige Achsen

Tabelle 8: Unterschiedlichen Kristallklassenangehörigkeit von Alaun und Seignettesalz.

2.3 Die 230 Raumgruppen

Es gibt mathematisch 230 Möglichkeiten den Raum mit einem bestimmten Muster translatorisch zu füllen. Diese sind in der Kristallographie als die 230 Raumgruppen bekannt, die die 230 Möglichkeiten darstellen, mit denen der Raum auf atomarer Ebene gefüllt werden kann. In Abb. 1 ist als Beispiel die Raumgruppe 205 und die Symmetrieelemente in der Elementarzelle abgebildet (Dies ist die Raumgruppe in der Alaun kristallisiert.).

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Gleitspiegelebene in Richtung a mit der Länge 0.5 bei 0.25 und 0.75c c

Gleitspiegelebene in der angegebenen Richtung mit der Länge 0.5 senkrecht zur Projektionsebene

Gleitspiegelebene in der angegebenen Richtung mit der Länge 0.5 senkrecht zur Projektionsebene und der Länge 0.5 in der Ebene

Spiegelebene

Inversionszentrum

zweizählige Schraubenachse bei 0.5c

zweizählige Schraubenachse bei 0.25c

dreizählige Drehinversionsachse parallel zur Raumdiagonalen

dreizählige Schraubenachse (3 )parallel zur Raumdiagonalen1

dreizählige Schraubenachse (3 )parallel zur Raumdiagonalen2

zweizählige Schraubenachse (2 )1

Richtung des Basisvektors a

Abbildung 2: Schematische Darstellung der Symmetrieelemente in der Elementarzelle der Raumgruppe 205.6

6 Theo Hahn (Ed.), International Tables for Chrystallography, 5th Ed. 2002, Kluwer Verlag, Dordrecht,

Niederlande.

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2.4 Kristalldaten von Alaun

Alaun kristallisiert in der Raumgruppe Pa-3 (Nr. 205) und gehört somit dem kubischen Kristallsystem an. Kristalldaten7 Formula sum Al K S2 O20 H24 Formula weight 474.39 Crystal system cubic Space group P a -3 (no. 205) Unit cell dimensions a = 12.157(2) Å Cell volume 1796.72(51) Å3 Z 4 Density, calculated 1.754 g/cm3 Density, measured 1.757 g/cm3 Pearson code cP96 Formula type ABC2X20 Wyckoff sequence d3c2ba Atomkoordinaten Atom Ox. Wyck. Occ. x y z Al 1 +3 4a 0 0 0 K 1 +1 4b 0.50000 0.50000 0.50000 S 1 +6 8c 0.31000 0.31000 0.31000 O 1 -2 8c 0.24000 0.24000 0.24000 O 2 -2 24d 0.30000 0.27000 0.43000 O 3 -2 24d 0.02000 0.02000 0.16000 O 4 -2 24d 0.04000 0.13000 0.30000 H 1 +1 24D 4 ? ? ?

Alaun ist ein Doppelsalz in dessen Kristallstruktur Aluminium oktaedrisch von sechs Wassermolekülen koordiniert ist (Abb. 3).

7 H. Lipson, C. A. Beevers, Proceedings of the Royal Society of London, Series A 1934, 148, 664 – 680.

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Abbildung 3: Elementarzelle von Alaun (Erstellt mit der Software Diamond®; Oktaeder: Al(OH2)6-Einheiten, Tetraeder: SO4

2--Ionen, Kugeln auf den Mitten der Kanten und in der Zellmitte: K+-Ionen, rote Kugeln: Sauerstoffatome-Atome des Kristallwassers).7

2.5 Kristalldaten von Seignettesalz

Seignettesalz kristallisiert in der Raumgruppe P21212 (Nr. 18) und gehört somit dem orthorhombischen Kristallsystem an. Kristalldaten8 Formula sum C4 H12 K Na O10 Formula weight 282.23 Crystal system orthorhombic Space group P 21 21 2 (no. 18) Unit cell dimensions a = 11.880(3) Å b = 14.298(3) Å c = 6.216(2) Å Cell volume 1055.85(50) Å3 Z 4 Density, calculated 1.775 g/cm3 Density, measured 1.775 g/cm3 Pearson code oP66 Formula type A2B3C8X20 Wyckoff sequence c16a

8 X. Solans, C. Gonzales-Silgo, C. Ruiz-Perez, Journal of Solid State Chemistry 1997, 131, 350 – 357.

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Atomkoordinaten Atom Ox. Wyck. x y z K1 +1 2a 0 0 0.04410 K2 +1 2b 0.50000 0 0.16000 Na1 +1 4c 0.23220 -0.00680 0.51850 O1 -2 4c 0.12010 0.10880 0.34880 O2 -2 4c 0.21150 0.20360 0.11780 O3 -2 4c 0.23050 0.40680 0.81710 O4 -2 4c 0.05020 0.36020 0.84630 O5 -2 4c 0.16460 0.35780 0.32410 O6 -2 4c 0.29610 0.24870 0.63130 O7 -2 4c 0.39610 0.08330 0.48460 O8 -2 4c 0.23990 0.04140 0.88210 O9 -2 4c 0.44020 0.30590 1.03310 O10 -2 4c 0.42270 0.39410 0.42750 C1 +4 4c 0.15490 0.18800 0.28370 C2 +4 4c 0.12500 0.27360 0.42300 C3 +4 4c 0.17790 0.26360 0.64670 C4 +4 4c 0.15030 0.35080 0.78280

In jeder Elementarzelle befinden sich vier Formeleinheiten von Seignettesalz (Abb. 4).

Abbildung 4: Elementarzelle von Seignettesalz (Erstellt mit der Software Diamond®; Zellecken: K+-Ionen, grüne Kugeln: Na+-Ionen, verbundene Atome: Tatrationen, rote Kugeln: einzelne Sauerstoff-Atome des Kristallwassers).8

2.6 Miller-Indizes

Jede Fläche eines Kristalls kann durch den so genannten Miller-Index (hkl) charakterisiert werden. Um den Miller-Index zu erhalten, wird der Schnittpunkt einer Ebene (eine Kristallfläche ist nur ein kleiner Ausschnitt einer Ebene) mit den Koordinatenachsen bestimmt, und die Schnittpunktskoordinaten als fraktionale Koordinaten (Division der Schnittpunktskoordinate durch die Länge der Elementarzelle

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in der betrachteten Raumrichtung) angegeben. Nun wird lediglich noch der Kehrwert der einzelnen Koordinaten gebildet und der kleinste Wert der nicht Null ist auf 1 gesetzt, und erhält den Miller-Index. Abb. 5 erläutert dieses Vorgehen detaillierter.

a

c

Abbildung 5: Herleitung des Miller-Index einer Fläche. Die rote Fläche schneidet die x-Achse (a-Richtung) bei den fraktionalen Koordinaten 4; die y-Achse (b-Richtung) bei ∞ und die z-Achse (c-Richtung) bei 4. Man erhält das Tupel (4 ∞ 4), nimmt man den Kehrwert der einzelnen Koordinaten, so erhält man das Tupel (0.25 0 0.25). Wird abschließend der kleinste nicht-Null-Wert auf 1 gesetzt erhält man (1 0 1). Die runden Klammern gehören in der Nomenklatur der Miller-Indizes dazu, benutzt man geschwungene Klammern z. B. {1 0 1} so sind alle Flächen des Kristalls gemeint, die symmetriegleich mit dem angegebenen Miller-Index sind.9

2.7 Der reziproke Raum

Der Miller-Index einer Fläche ist direkt mit ihrer Flächennormalen korreliert, und zwar über das reziproke Gitter. Jedem Koordinatensystem - also auch den Kristallsystemen - kann ein reziprokes Koordinatensystem zugeordnet werden. In einem Kristallsystem kann ein Raumgitter aufgespannt werden, dem auch ein reziprokes Gitter zugeordnet werden kann.

Den Basisvektoren a1, a2, a3 eines Gitters im kartesischen Vektorraum und die dazugehörigen Basisvektoren des reziproken Gitters g1, g2, g3, sind wie folgt definiert.

9 E. Nickel, Grundwissen in Mineralogie, Teil 2: Aufbaukurs – Kristallographie, 2. Aufl. 1984, 73-82, Ott

Verlag, Thun, Schweiz.

Seite 430 von 560


2 31

1 2 3

3 12

1 2 3

1 23

1 2 3

2( )

2( )

2( )

a aga a a

a aga a a

a aga a a

π

π

π

×=

×

×=

××

=×

Beispiel:

1 2 3

1 2 3

1 1 00 2 0 0 0 1

2 0 02 2 2g = 1 g = 1 g = 0 2 2 2

0 0 2

a a a

π π π

⎛ ⎞ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟= = =⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠

⎛ ⎞ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟−⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠

Bestimmung der Richtungsvektoren b1 und b2 einer Ebene mit dem Miller-Index (123):

1 1 2 1 1 3

1 32 2 3 0

0 1b a a b a a

⎛ ⎞ ⎛ ⎞⎜ ⎟ ⎜ ⎟= − = − = − =⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟−⎝ ⎠ ⎝ ⎠

Berechnung der Normalen G der Ebene (123):

1 2 31 2 32

2 12

6

G g g g

G π

= + +

⎛ ⎞⎜ ⎟= ⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠

Die Normale muss zu beiden Ebenenrichtungsvektoren b1 und b2 orthogonal sein und somit die jeweiligen Skalarprodukte Null sein.

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1 2

2 1 2 31 2 0 1 0 06 0 6 1

Gb Gb⎛ ⎞⎛ ⎞ ⎛ ⎞⎛ ⎞⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎜ ⎟= − = = =⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎜ ⎟−⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎝ ⎠

Dieses Beispiel macht anschaulich, dass mit den reziproken Gittervektoren Ebenennormalen direkt aus den Miller-Indizes zugänglich sind. In Abb. 6 ist nochmals ein anderes Beispiel wiedergegeben.

b

a

(11)

G11

b

aG11

Abbildung 6: Anwendung des reziproken Gitters. links: Gitter mit den Basisvektoren a und b, einer Gerade mit dem Miller-Index (11) und der Normalen auf diese Gerade G11; rechts: das entsprechende reziproke Gitter mit der Normalen G11 erhalten durch die Gleichung 1*a+1*b. Es wird deutlich, dass im reziproken Gitter die Normalen direkt aus den Miller-Indizes berechnet werden können.10

2.8 Die stereographische Projektion

Eine stereographische Projektion erlaubt es, die Punkte auf einer Kugel winkeltreu auf eine zweidimensionale Ebene zu projizieren. In Abb. 7 ist die Vorgehensweise zur Erstellung einer solchen Projektion dargestellt.

10 adaptiert nach Prof. Dr. Helmut Föll und Dr. J. Carstensen, Christian-Albrechts-Universität Kiel,

http://www.tf.uni-kiel.de/matwis/amat/mw2_ge/kap_3/backbone/r3_3_1.html .

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a) b)

c) d)

e) f)

g)

Abbildung 7: Konstruktion der stereografischen Projektion am Beispiel von fünf Punkten auf der Kugeloberfläche: a) fünf Punkte auf der Kugeloberfläche einer am Pol und vier auf dem Äquator; b) mit Verbindungslinien von den Punkten zum unteren Augpunkt; c) mit gezeichneter Äquatorebene; d) Einzeichnen des Durchstoßpunktes der Verbindungslinie durch die Äquatorebene; e) Äquatorebene mit Projektionspunkten in der Kugel; f) Äquatorebene mit Projektionspunkten alleine; g) Äquatorebene mit Projektionspunkten gedreht.

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Tabelle 9: Konstruktion der stereographischen Projektion an einem Kristall mit drei Flächenarten. Die Durchstoßpunkte der Flächennormalen durch die Kugel werden in die Papierebene projiziert (zu lesen von links nach rechts und von oben nach unten).

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26 3 Der Kugelwachstumsversuch

3 Der Kugelwachstumsversuch

3.1 Durchführung

Der Kugelwachstumsversuch ist in der Durchführung denkbar einfach. Eine Kristallkugel (aus einem einkristallinen Material) wird in eine leicht übersättigte wässr. Lösung des Kristallmaterials gehängt. Nach wenigen Minuten ist die anfangs polierte Kugeloberfläche rau geworden. Nur an bestimmten Stellen auf der Kugel sind kleine Kristallflächen zu sehen, die in einer regelmäßigen Struktur auf der Kugel verteilt sind (Abb. 8, 9 und 10).

Abbildung 8: Alauneinkristallkugel in einer leicht übersättigten Alaunlösung kurz nach dem Einhängen.

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3 Der Kugelwachstumsversuch 27

Abbildung 9: Alauneinkristallkugel in einer leicht übersättigten Alaunlösung einige Minuten nach dem Einhängen. Gut zu erkennen ist die aufgewachsene Schicht von Alaun an an der verminderten Transparenz.

Abbildung 10: Alauneinkristallkugeln. Die in der Mitte nach dem Durchführen des Kugelwachstumsversuchs. Gut zu erkennen sind die reflektierenden Punkte auf der Kugel die kleine Kristallflächen sind.

Der Vorteil dieser Methode ist es, Kristallflächen, die normalerweise an einem makroskopischen Kristall nicht zu sehen währen, nachzuweisen. In der Regel wachsen viele der beobachten Kristallflächen bei einem gezüchteten Kristall heraus.

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Es gilt nur die am langsamsten wachsenden Flächen begrenzen am Ende der Züchtung den Kristall. (Abb. 11)

Abbildung 11: Abhängigkeit des Habitus eines Kristalls von den relativen Wachstumsgeschwindigkeiten der Oktaederfläche (vO) und der Würfelfläche (vW).

Abbildung 12: Seignettesalzkugel nach der Durchführung des Kugelwachstumsversuchs.

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3.2 Herstellung von Kristallkugeln

Unserer betreuender Lehrer verfügte über eine kleine Drehbank, mit der es möglich war sehr gute Kristallkugeln zu drehen (Abb. 13). Die Einkristalle die wir benötigten wurden von anderen Projektteilnehmern gezüchtet.

MeißelträgerGestell Drehbankbett

ReitstockSpindelstock

Abbildung 13: Kristallkugeldrehbank, die wir zur Herstellung von Einkristallkugeln benutzten.

3.3 Vermessung der Kristallflächen auf der Kugel

Um die Ergebnisse des Kugelwachstumsversuchs in Zahlen ausdrücken zu können musste die Lage der kleinen Kristallflächen auf der Kugel bestimmt werden. Als geeignetes Koordinatensystem benutzten wir das Kugelkoordinatensystem, da auf einer Kugel der Radius konstant ist und so nur zwei Winkelwerte die Lage jeden Punktes auf einer Kugel beschreiben (Abb. 14).

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y

z

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

12

34

56

7

98

10

x

φ

θ

r

Abbildung 14: Definition der Kugelkoordinaten r, φ, θ.

Wir vermaßen die Punktlagen der kleinen Kristallflächen auf Alaun- und Seignettesalzkugeln (Abb. 15).

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Abbildung 15: Unsere Projektgruppe beim Vermessen einer Alaunkugel.

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32 4 Berechnung der Ergebnisse des Kugelwachstumsversuchs

4 Berechnung der Ergebnisse des Kugelwachstumsversuchs

Wir wollten die Ergebnisse des Kugelwachstumsversuches für Alaun und Seignettesalz aus den Kristallstrukturdaten berechnen. Wir benötigten für eine solche Berechnung von geeignete Software, die wir selbst programmieren mussten.

Wir benötigten eine Programmiersprache in der wir unser Projekt gut realisieren konnten. Wir entschieden uns für Python11, da Python eine extrem mächtige Sprache ist und zugleich damit effizient und schnell programmiert werden kann. Aber der größte Vorteil liegt in der guten Wartbarkeit der Quelltexte, was eine Entwicklung über längere Zeiträume vereinfacht.

Zur Umsetzung unseres Projekts benötigten wir mehrere Implementationen in Python:

- Vektoren und Vektorrechnung

- Kristallsysteme

- Kristallklassen

- Kristallebenen

- 3D-Ausgabe

Es gelang funktionsfähige Programmodule zu obigen Punkten zu schreiben, und sie, wie gewünscht zum Einsatz zu bringen.

4.1 Vorgehensweise zur Berechnung

Unser Vorgehen beruhte auf folgenden Schritten:

- Vorschlag von Miller-Indizes für die verschiedenen Flächen auf der Kugel.

- Berechnung der Flächennormalen für die verschiedenen Miller-Indizes mittels des reziproken Gitters des jeweiligen Kristallsystems.

- Berechnung der Winkelkoordinaten der Flächennormalen, diese sollten dann mit den experimentellen Werten übereinstimmen.

11 http://www.python.org/

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4 Berechnung der Ergebnisse des Kugelwachstumsversuchs 33

4.2 Ergebnisse

Uns gelang die Berechnung einer Vorlage für eine stereographische Projektion auf der Basis der Erstellungsvorschrift (s. o.). Diese Vorlage ist auch unter dem Namen Wulffsches Netz bekannt und wird in der Kristallographie gerne eingesetzt um Flächen in einer Projektion darstellen zu können (Abb. 16).

90°

120°

30°

60°

150°

180°

210°

240°

270°

300°

330°

0°

Abbildung 16: Das Wulffsche Netz, berechnet mit unserer Software.

Wir bedienten uns dem, auf XML (Extended Markup Language) basierenden, SVG-Formats12 (SVG: Scalable Vector Graphic) um die berechneten Linien des Wulffschen Netzes in zweidimensionalen in Grafikprogramme importieren zu können. Dort kann das Netz beliebig verändert und ausgegeben werden.

12 David Duce, Ivan Herman, Bob Hopgood, „SVG Tutorial“,

http://www.w3.org/2002/Talks/www2002-svgtut-ih/hwtut.pdf

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Anschließend berechneten wir die aus den Kristalldaten (maßgeblich den Elementarzellenparametern und der Raumgruppe, die die Kristallklasse des Kristalls bestimmt) die Punktlagen der Kristallflächen für Alaun und Seignettesalz. Zur grafischen Ausgabe benutzten wir die Software PyMOL13, welche eine gute API (Application Programming Interface) besitzt um 3D-Darstellungen ausgeben zu lassen (Abb. 17 und 18).

Abbildung 17: Simulation der Ergebnisse des Kugelwachstumsversuchs an Alaun.

13 http://www.pymol.org/ .

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Abbildung 18: Simulation der Ergebnisse des Kugelwachstumsversuchs an Seignettesalz.

Diese 3D-Darstellungen waren frei dreh- und manipulierbar.

Wir errechneten auch die Winkelkoordinaten der Kristallflächen auf der Kugel und verglichen sie mit den experimentell erhaltenen Werten (Tab. 10 und 11).

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Tabelle 10: Vergleich der experimentell erhaltenen Winkelpaaren mit den berechneten Paaren für bestimmte Miller-Indizes für Alaun.

Miller-Index berechnete Werte von (φ,θ) für den entsprechnden Miller-Index*,**

Messwerte von (φ,θ) und entsprechende Zuordnung zu einem Miller-Index**

[1 0 0] (0.00, 90.00) (0, 90) [-1 0 0] (180.00, 90.00) (180, 0) [0 1 0] (90.00, 90.00) (90, 90) [0 -1 0] (270.00, 90.00) (270, 90) [0 0 1] (0.00, 0.00) (0, 0) [0 0 -1] (0.00, 180.00) (0, 180) [1 1 1] (45.00, 54.74) (45, 55) [-1 -1 -1] (225.00, 125.26) (225, 128) [-1 -1 1] (225.00, 54.74) (225, 55) [1 1 -1] (45.00, 125.26) (45, 128) [1 -1 -1] (315.00, 125.26) (315, 128) [-1 1 1] (135.00, 54.74) (135, 55) [-1 1 -1] (135.00, 125.26) (135, 127) [1 -1 1] (315.00, 54.74) (315, 55) [1 1 0] (45.00, 90.00) (45, 90) [-1 -1 0] (225.00, 90.00) (225, 91) [0 1 1] (90.00, 45.00) (90, 45) [0 -1 -1] (270.00, 135.00) (270, 135) [1 0 1] (0.00, 45.00) (0, 45) [-1 0 -1] (180.00, 135.00) (180, 135) [-1 1 0] (135.00, 90.00) (135, 90) [1 -1 0] (315.00, 90.00) (315, 90) [0 -1 1] (270.00, 45.00) (270, 45) [0 1 -1] (90.00, 135.00) (90, 135) [1 0 -1] (0.00, 135.00) (0, 135) [-1 0 1] (180.00, 45.00) (180, 45) [2 1 0] (26.57, 90.00) (27, 90) [-2 -1 0] (206.57, 90.00) (207, 90) [0 2 1] (90.00, 63.43) (90, 63) [0 -2 -1] (270.00, 116.57) (270, 117) [1 0 2] (0.00, 26.57) (0, 27) [-1 0 -2] (180.00, 153.43) (180, 153) [-2 1 0] (153.43, 90.00) nicht detektiert [2 -1 0] (333.43, 90.00) nicht detektiert [0 -2 1] (270.00, 63.43) (270, 63) [0 2 -1] (90.00, 116.57) (90, 117) [1 0 -2] (0.00, 153.43) (0, 153) [-1 0 2] (180.00, 26.57) (180, 27) [2 1 1] (26.57, 65.91) nicht detektiert [-2 -1 -1] (206.57, 114.09) nicht detektiert [1 2 1] (63.43, 65.91) nicht detektiert [-1 -2 -1] (243.43, 114.09) nicht detektiert [1 1 2] (45.00, 35.26) (45, 36) [-1 -1 -2] (225.00, 144.74) nicht detektiert [-2 -1 1] (206.57, 65.91) nicht detektiert [2 1 -1] (26.57, 114.09) nicht detektiert [1 -2 -1] (296.57, 114.09) nicht detektiert [-1 2 1] (116.57, 65.91) nicht detektiert [-1 1 -2] (135.00, 144.74) (135, 146) [1 -1 2] (315.00, 35.26) (315, 36) [-2 1 -1] (153.43, 114.09) nicht detektiert [2 -1 1] (333.43, 65.91) nicht detektiert [-1 -2 1] (243.43, 65.91) nicht detektiert [1 2 -1] (63.43, 114.09) nicht detektiert [1 -1 -2] (315.00, 144.74) (315, 146) [-1 1 2] (135.00, 35.26) (135, 36) [2 -1 -1] (333.43, 114.09) nicht detektiert [-2 1 1] (153.43, 65.91) nicht detektiert

Seite 446 von 560


[-1 2 -1] (116.57, 114.09) nicht detektiert [1 -2 1] (296.57, 65.91) nicht detektiert [-1 -1 2] (225.00, 35.26) (225, 36) [1 1 -2] (45.00, 144.74) (45, 146) [2 2 1] (45.00, 70.53) (45, 72) [-2 -2 -1] (225.00, 109.47) (225, 110) [1 2 2] (63.43, 48.19) nicht detektiert [-1 -2 -2] (243.43, 131.81) nicht detektiert [2 1 2] (26.57, 48.19) nicht detektiert [-2 -1 -2] (206.57, 131.81) nicht detektiert [-2 -2 1] (225.00, 70.53) (225, 72) [2 2 -1] (45.00, 109.47) (45, 110) [1 -2 -2] (296.57, 131.81) nicht detektiert [-1 2 2] (116.57, 48.19) nicht detektiert [-2 1 -2] (153.43, 131.81) nicht detektiert [2 -1 2] (333.43, 48.19) nicht detektiert [-2 2 -1] (135.00, 109.47) (135, 110) [2 -2 1] (315.00, 70.53) (315, 72) [-1 -2 2] (243.43, 48.19) nicht detektiert [1 2 -2] (63.43, 131.81) nicht detektiert [2 -1 -2] (333.43, 131.81) nicht detektiert [-2 1 2] (153.43, 48.19) nicht detektiert [2 -2 -1] (315.00, 109.47) (315, 110) [-2 2 1] (135.00, 70.53) (135, 72) [-1 2 -2] (116.57, 131.81) nicht detektiert [1 -2 2] (296.57, 48.19) nicht detektiert [-2 -1 2] (206.57, 48.19) nicht detektiert [2 1 -2] (26.57, 131.81) nicht detektiert

*: Berechnung anhand folgender Parameter: a = 12.157 Å, b = 12.157 Å, c = 12.157 Å, α = β = γ = 90°, Kristal klasse: m-3;7 **: alle Werte in Grad.

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Tabelle 11: Vergleich der experimentell erhaltenen Winkelpaaren mit den berechneten Paaren für bestimmte Miller-Indizes für Seignettesalz.

Miller-Index berechnete Werte von (φ,θ) für den entsprechnden Miller-Index*,**

Messwerte von (φ,θ) und entsprechende Zuordnung zu einem Miller-Index**

[0 0 1] (0.00, 0.00) (0, 0) [0 0 -1] (0.00, 180.00) (0, 180) [1 0 1] (0.00, 27.59) (0, 28) [-1 0 1] (180.00, 27.59) (180, 28) [-1 0 -1] (180.00, 152.41) (180, 152) [1 0 -1] (0.00, 152.41) (0, 152) [2 0 1] (0.00, 46.26) (0, 47) [-2 0 1] (180.00, 46.26) (180, 47) [-2 0 -1] (180.00, 133.74) (180, 133) [2 0 -1] (0.00, 133.74) (0, 133) [0 1 1] (90.00, 23.54) (90, 24) [0 -1 1] (270.00, 23.54) (270, 24) [0 1 -1] (90.00, 156.46) (90, 156) [0 -1 -1] (270.00, 156.46) (270, 156) [0 2 1] (90.00, 41.07) (90, 40) [0 -2 1] (270.00, 41.07) (270, 40) [0 2 -1] (90.00, 138.93) (90, 140) [0 -2 -1] (270.00, 138.93) (270, 140) [1 1 1] (39.83, 34.23) (40, 33) [-1 -1 1] (219.83, 34.23) (220, 33) [-1 1 -1] (140.17, 145.77) (140, 147) [1 -1 -1] (320.17, 145.77) (320, 147) [2 2 1] (39.83, 53.69) nicht detektiert [-2 -2 1] (219.83, 53.69) nicht detektiert [-2 2 -1] (140.17, 126.31) nicht detektiert [2 -2 -1] (320.17, 126.31) nicht detektiert [1 2 2] (59.06, 26.93) (60, 28) [-1 -2 2] (239.06, 26.93) (240, 28) [-1 2 -2] (120.94, 153.07) (120, 152) [1 -2 -2] (300.94, 153.07) (300, 152) [1 2 1] (59.06, 45.46) (60, 45) [-1 -2 1] (239.06, 45.46) (240, 45) [-1 2 -1] (120.94, 134.54) (120, 135) [1 -2 -1] (300.94, 134.54) (300, 135)

*: Berechnung anhand folgender Parameter: a = 11.924 Å, b = 14.298 Å, c = 6.230 Å, α = β = γ = 90°, Kristal klasse: 222;8 **: alle Werte in Grad.

Die experimentellen Werte stimmten mit hoher Genauigkeit mit den berechneten Werten überein.

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5 Zusammenfassung Es gelang mittels selbst programmierter Software die Ergebnisse des Kugelwachstumsversuchs an Alaun- und Seignettesalzkugeln zu berechnen und dreidimensional darzustellen.

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40 6 Danksagung


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[6] Theo Hahn (Ed.), International Tables for Chrystallography, 5th Ed. 2002, Kluwer Verlag, Dordrecht, Niederlande.

[7] H. Lipson, C. A. Beevers, Proceedings of the Royal Society of London, Series A 1934, 148, 664 – 680.

[8] X. Solans, C. Gonzales-Silgo, C. Ruiz-Perez, Journal of Solid State Chemistry 1997, 131, 350 – 357.

[9] E. Nickel, Grundwissen in Mineralogie, Teil 2: Aufbaukurs – Kristallographie, 2. Aufl. 1984, 73-82, Ott Verlag, Thun, Schweiz.

[10] adaptiert nach Prof. Dr. Helmut Föll und Dr. J. Carstensen, Christian-Albrechts-Universität Kiel, http://www.tf.uni-kiel.de/natwis/amat/mw2_ge/kap_3/backbone/r3_3_1.html

[11] http://www.python.org/

[12] David Duce, Ivan Herman, Bob Hopgood, „SVG Tutorial“, http://www.w3.org/2002/Talks/www2002-svgtut-ih/hwtut.pdf

[13] http://www.pymol.org/ .

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Züchtung von Triglycinsulfateinkristallen – Arbeiten

zum Bau eines IR-Detektors

Karim Aly, Cornelius Dorner, Stefan Meier, Arthur Wiens, Stefan MüllerЖ (Ed.), Otto SchäferШ



Synthese von Opalen

an der


2005-2007


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2 Vorwort

Vorwort Diese Abhandlung präsentiert kurz die Ergebnisse der Projektgruppe „TGS“, die an der Georg-Kerschensteiner Schule in Müllheim im Rahmen eines Sokrates-Comenius-Projekts1 in den Jahren 2005-2007 erarbeitet wurden. Das Hauptziel besagten Projektes bestand in der Realisierung einer synthetischen Herstellung von Opalen mit all den damit verbundenen Forschungen.2









Wie oben schon erwähnt ist diese Abhandlung nun die Zusammenfassung der Ergebnisse der Projektgruppe „TGS“.



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Kurzfassung 3

Kurzfassung Es werden Ergebnisse der Projektarbeit zur Züchtung von Triglycinsulfateinkristallen vorgestellt, die die Grundlage waren, um am Bau eines IR-Detektors zu arbeiten.

Schlagwörter: Triglycinsulfat (TGS), Kristallzüchtung, IR-Detektoren

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Inhaltsverzeichnis

Vorwort............................................................................................................................ 2

Kurzfassung..................................................................................................................... 3





2 Züchtung von Triglycinsulfateinkristallen........................................................ 8 2.1 Triglycinsulfat (TGS) ............................................................................................ 8

2.2 Kristalldaten von Triglycinsulfat........................................................................... 8

2.3 Löslichkeitskurve von TGS................................................................................. 10

2.4 Züchtung von TGS-Einkristallen ........................................................................ 10 2.4.1 Kristallzüchtungsmethoden ................................................................................. 10 2.4.2 Züchtung von Impfkristallen ............................................................................... 11 2.4.3 Züchtung nach dem Abkühlverfahren ................................................................. 11

3 Arbeiten zum Bau eines pyroelektrischen Konverters .................................. 14


5 Danksagung........................................................................................................ 19


7 Anhang................................................................................................................ 21

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Abbildungsverzeichnis Abbildung 1: Elementarzelle von TGS (Erstellt mit der Software Diamond®;

schwarz: Kohlenstoffatome, rot: Sauerstoffatome, blau: Stickstoffatome. .......... 9 Abbildung 2: Löslichkeitskurve von Triglycinsulfat in Wasser.................................... 10 Abbildung 3: Züchtungsapparatur für Kristallzüchtungen nach dem

Abkühlverfahren. ................................................................................................ 12 Abbildung 4: Hervorragender TGS-Einkristall in einer Züchtungsapparatur. Am

Boden befindet sich eine kleine Glasglocke zum Einschließen störender Bodenkristalle. .................................................................................................... 12

Abbildung 5: TGS-Einkristalle mit hoher Qualität. ...................................................... 13 Abbildung 6: Veranschaulichung des Piezoeffekts. ...................................................... 14 Abbildung 7: Spaltebene an einem TGS-Einkristall. Die Spaltebenen verlaufen

orthogonal zur [0 1 0]-Richtung.......................................................................... 15 Abbildung 8: Stefan Meier und Karim Aly (v. l.) bei der Herstellung von TGS-

Spaltplatten.......................................................................................................... 15 Abbildung 9: Planschleifen der Kristallplatten mit Schleifpapier................................. 15 Abbildung 10: Kontaktieren der TGS-Kristallspaltplatten mit Blattgold ..................... 16 Abbildung 11: Hysteresekurve bei der Verwendung der TGS-Spaltplatten in einem

Schwingkreis....................................................................................................... 16

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Abkürzungsverzeichnis IR Infrarot

TGS Triglycinsulfat

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1 Aufgabenstellung Unserer Gruppe hatte die Aufgabe Triglycinsulfat (TGS) zu synthetisieren und daraus TGS-Einkristalle zu züchten und sie als Rohmaterial zu benutzen um einen IR-Detektor zu bauen.

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8 2 Züchtung von Triglycinsulfateinkristallen

2 Züchtung von Triglycinsulfateinkristallen

2.1 Triglycinsulfat (TGS)

Triglycinsulfat (H3N+CH2COO-)3•(H2SO4) ist ein farbloser Feststoff, der sich aus wässr. Lösungen kristallisieren lässt. Lösungen dieses Salzes sind sauer, was man bei der entsprechenden Handhabung berücksichtigen muss.

TGS-Einkristalle sind piezo- und pyroelektrisch, d. h. an verschiedenen Kristallflächen ist bei mechanischer Deformation oder bei Einstrahlung von IR-Licht eine Spannung messbar. Diese Effekte finden in Piezoelementen und IR-Detektoren Verwendung.

2.2 Kristalldaten von Triglycinsulfat

TGS kristallisiert in der Raumgruppe P21/m (Nr. 11) und gehört somit dem monoklinen Kristallsystem an. Kristalldaten6 Formula sum C6H15O10S Crystal system monoclinic Space group P 21/m (no. 11) Unit cell dimensions a = 9.41 Å b = 12.64 Å c = 5.73 Å Atomkoordinaten Atom x y z S1 1.199500 0.800000 0.375000 O1 1.058300 0.794700 0.155100 O2 1.166900 0.793700 0.607200 O3 1.292000 0.706500 0.373400 O4 1.276900 0.896900 0.344100 O5 0.806400 0.789300 1.224600 O6 0.693500 0.821800 0.816800 C1 0.690500 0.797200 1.022700 C2 0.534800 0.786100 1.054900 N1 0.559500 0.761000 1.313900 O7 0.421800 1.047500 0.914600 O8 0.659600 1.089700 0.948800 C3 0.515300 1.083100 0.829700 C4 0.467500 1.123400 0.557000 N2 0.293900 1.130000 0.456300 O9 0.982400 1.043100 0.372900 O10 0.745400 1.032500 0.381700 C5 0.893700 1.024900 0.478100 C6 0.944000 0.982000 0.740600 N3 1.106800 0.983100 0.855900

6 S. Hoshino, Y. Okaya, R. Pepinsky, Physical Review 1959, 115, 2, 323-330.

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2 Züchtung von Triglycinsulfateinkristallen 9

Abbildung 1: Elementarzelle von TGS (Erstellt mit der Software Diamond®; schwarz: Kohlenstoffatome, rot: Sauerstoffatome, blau: Stickstoffatome.

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2.3 Löslichkeitskurve von TGS

TGS weist eine mit steigender Temperatur ansteigende Löslichkeit in Wasser auf (Abb. 2).

25 30 35 θ / °C4020300

Lösl

ichk

eit i

n g/

L

45

350

400

450

500

550

Abbildung 2: Löslichkeitskurve von Triglycinsulfat in Wasser.7

Dieses Löslichkeitsverhalten prädestiniert TGS geradezu für eine Züchtung von dessen Einkristallen nach dem Abkühlverfahren.

2.4 Züchtung von TGS-Einkristallen

2.4.1 Kristallzüchtungsmethoden

Für TGS können im wesentlichen zwei Kristallzüchtungsmethoden angewendet werden zum einen die Verdunstungsmethode und zum anderen die Abkühlungsmethode.

Beide Verfahren beruhen darauf, die absolut gelöste Stoffmenge an TGS mit der Zeit langsam zu verringern und so das Wachstum eines Impfkristalls zu ermöglichen.

7 Datenpunkte: (25.0°C, 330.9 g/L), (30.3°C, 379.1 g/L), (35.1°C, 420.5 g/L), (40.2°C, 471.0 g/L),

(45.3°C, 524.9 g/L).

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Beim Verdunstungsverfahren wird dies durch ein langsames Verdampfen des Lösungsmittels (Wassers) bei konstanter Temperatur erreicht, beim Abkühlverfahren durch langsames Abkühlen einer wässr. TGS-Lösung ohne Verdampfen des Wassers.

Das Abkühlverfahren ist dem Verdunstungsverfahren in der Qualität der erhaltbaren Einkristallen überlegen, aufgrund der besseren Kontrollierbarkeit der Züchtungsbedingungen (Verfügbarkeit guter Thermostaten).

Unserer Projektgruppe züchtete TGS-Einkristalle nur nach der Abkühlmethode, da nur mit ihr optimale Züchtungsbedingungen über eine lange Zeit (mehrere Wochen) aufrecht erhalten werden konnten.

2.4.2 Züchtung von Impfkristallen

Um aus wässr. Lösungen Einkristalle züchten zu können benötigten wir qualitativ hochwertige Impfkristalle, die dann in den Züchtungsapparaturen weiter wachsen sollten. Um diese Impfkristalle zu erhalten benötigten wir zunächst eine bei Raumtemp. fast gesättigte Lösung von TGS. Diese Lösung einfach in eine große Petrischale gegossen und mit einem Filterpapier abgedeckt. Nach ein bis zwei Tagen kristallisierten aus der Lösung die Impfkristalle aus.

2.4.3 Züchtung nach dem Abkühlverfahren

Die Georg-Kerschensteiner Schule in Müllheim verfügt seit geraumer Zeit über professionelle Züchtungsapparaturen zur Züchtung von Einkristallen nach dem Abkühlverfahren (Abb. 3).

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Abbildung 3: Züchtungsapparatur für Kristallzüchtungen nach dem Abkühlverfahren.

Mit diesen Apparaturen war es uns möglich TGS-Einkristalle mit einer hohen Qualität zu züchten (Abb. 4).

Abbildung 4: Hervorragender TGS-Einkristall in einer Züchtungsapparatur. Am Boden befindet sich eine kleine Glasglocke zum Einschließen störender Bodenkristalle.

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Abbildung 5: TGS-Einkristalle mit hoher Qualität.

Es gelang mehrere sehr gute TGS-Einkristalle auf diese Weise zu züchten (Abb. 5). Das einzige Problem mit der man bei dieser Methode konfrontiert ist, ist die hohe Empfindlichkeit gegenüber Kristallkeimen, die, wenn sie entstehen (z.B. spontan oder durch Verdunstung an der Oberfläche der Lösung), schneller wachsen als der eingehängte Impfkristall und so die maximal erreichbare Größe des Einkristalls rapide senken. Wir benutzten einen Kunstgriff um dieses Problem zu minimieren, wir schlossen entstandene Sekundärkristalle am Boden des Züchtungsgefaßes einfach mit einer kleinen Glasglocke ein, und unterbanden ein weiteres Wachstum von störenden Bodenkristallen (Abb. 4).

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14 3 Arbeiten zum Bau eines pyroelektrischen Konverters

3 Arbeiten zum Bau eines pyroelektrischen Konverters

TGS zeigt zwei interessante Eigenschaften, zum einen den Piezoeffekt und zum anderen den pyroelektrischen Effekt.

Kraft

Kraft



Abbildung 6: Veranschaulichung des Piezoeffekts.

Beim Piezoeffekt liegt an den Kristallflächen eine Spannung an, wenn der Kristall deformiert wird und umgekehrt (Abb. 6). Beim pyroelektrischen Effekt liegt an den Kristallflächen eine Spannung an, wenn eine Temperaturänderung eintritt (z. B. bei der Bestrahlung mit IR-Licht).

Die Pyroelektrizität kann wollten wir dazu benutzen um einen IR-Sensor zu bauen. Der erste Schritt den wir machen mussten, war die Herstellung von TGS-Kristallspaltplatten.

(0 0 1)

(0 2 1)(1 1 1)

(0 1 0)

(1 1 0)(1 0 0)

(1 0 1)

(1 2 1)

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3 Arbeiten zum Bau eines pyroelektrischen Konverters 15

Abbildung 7: Spaltebene an einem TGS-Einkristall. Die Spaltebenen verlaufen orthogonal zur [0 1 0]-Richtung.

Abbildung 8: Stefan Meier und Karim Aly (v. l.) bei der Herstellung von TGS-Spaltplatten.

Abbildung 9: Planschleifen der Kristallplatten mit Schleifpapier.

Nach dem Spalten und Schleifen der Platten (Abb. 8 und 9) waren die Grundlagen für den Nächsten Schritt gelegt, das Kontaktieren der Platten mit Blattgold (Abb. 10).

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16 3 Arbeiten zum Bau eines pyroelektrischen Konverters

Abbildung 10: Kontaktieren der TGS-Kristallspaltplatten mit Blattgold

Abbildung 11: Hysteresekurve bei der Verwendung der TGS-Spaltplatten in einem Schwingkreis.

Der nächste Schritt bestand im Nachweis der ferroelektrischen Eigenschaften unserer TGS-Spaltplatten, was mittels Einbau in einen elektrischen Schwingkreis und das Verfolgen der elektrischen Polarisation mittels Oszilloskop gelang (Abb. 11).

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3 Arbeiten zum Bau eines pyroelektrischen Konverters 17

An dieser Stelle mussten unserer Arbeiten zum Bau eines IR-Detektors aus Zeitgründen leider beendet werden.

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4 Zusammenfassung Unserer Projektgruppe gelang es TGS-Einkristalle in allerhöchster Qualität nach dem Abkühlverfahren und einer neuen Technik zur Vermeidung von Bodenkristallen zu züchten. Weiter gelangen uns große Beiträge zum Bau eines IR-Detektors.

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5 Danksagung 19


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[6] S. Hoshino, Y. Okaya, R. Pepinsky, Physical Review 1959, 115, 2, 323-330.

[7] Datenpunkte: (25.0°C, 330.9 g/L), (30.3°C, 379.1 g/L), (35.1°C, 420.5 g/L), (40.2°C, 471.0 g/L), (45.3°C, 524.9 g/L).

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7 Anhang 21

7 Anhang An dieser Stelle sind noch Vorlagen für Papiermodelle von TGS-Kristallen abgedruckt.

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Züchtung von Einkristallen des α-D-Glucose-Natriumchlorid-Wasser (2/1/1)

Komplexes

Florian Fuchs, Tilo Sichler, Hakan Bilgic, Stefan MüllerЖ (Ed.), Otto SchäferШ



Synthese von Opalen

an der


2005-2007


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2 Vorwort

Vorwort Diese Abhandlung präsentiert kurz die Ergebnisse der Projektgruppe „Natriumchlorid“, die an der Georg-Kerschensteiner Schule in Müllheim im Rahmen eines Sokrates-Comenius-Projekts1 in den Jahren 2005-2007 erarbeitet wurden. Das Hauptziel besagten Projektes bestand in der Realisierung einer synthetischen Herstellung von Opalen mit all den damit verbundenen Forschungen.2









Wie oben schon erwähnt ist diese Abhandlung nun die Zusammenfassung der Ergebnisse der Projektgruppe „Natriumchlorid“.



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Kurzfassung 3

Kurzfassung Es werden Ergebnisse der Projektarbeit zur Züchtung von Einkristallen des α-D-Glucose-Natriumchlorid-Wasser (2/1/1) Komplexes vorgestellt. Neben der Züchtung der Einkristalle hat sich unserer Projektgruppe eingehend mit den verschiedenen Analysemethoden für diesen Komplex befasst.

Schlagwörter: α-D-Glucose-Natriumchlorid-Wasser (2/1/1) Komplexe, Analysemethoden, Kristallzüchtung

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Inhaltsverzeichnis

Vorwort............................................................................................................................ 2

Kurzfassung..................................................................................................................... 3






2 Züchtung von Einkristallen des α-D-Glucose-Natriumchlorid-Wasser (2/1/1) Komplexes ................................................................................................ 8

2.1 α-D-Glucose-Natriumchlorid-Wasser (2/1/1) Komplexe...................................... 8

2.2 Kristalldaten des α-D-Glucose-Natriumchlorid-Wasser (2/1/1) Komplexes........ 8

2.3 Löslichkeitskurve von des α-D-Glucose-Natriumchlorid-Wasser (2/1/1) Komplex .............................................................................................................. 10

2.4 Kristallzüchtungsmethoden ................................................................................. 11

2.5 Indizierung der Kristallflächen............................................................................ 14

3 Chemische Analyse der erhaltenen Kristalle .................................................. 15 3.1 Gravimetrische Analyse ...................................................................................... 15

3.2 Maßanalyse.......................................................................................................... 15 3.2.1 Argentometrie...................................................................................................... 15 3.2.2 Säure-Base-Titration............................................................................................ 16

3.3 Ergebnisse unserer Analysen............................................................................... 17


5 Danksagung........................................................................................................ 19


7 Anhang................................................................................................................ 21

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Abbildungsverzeichnis Abbildung 1: Elementarzelle des α-D-Glucose-Natriumchlorid-Wasser (2/1/1)

Komplex (Erstellt mit der Software Diamond®; schwarz: Kohlenstoffatome, rot: Sauerstoffatome, grün: Chloratome, grau: Natriumatome. .......................... 10

Abbildung 2: Löslichkeitskurve des α-D-Glucose-Natriumchlorid-Wasser (2/1/1) Komplex in Wasser............................................................................................. 11

Abbildung 3: Züchtungsapparatur für Kristallzüchtungen nach dem Abkühlverfahren. ................................................................................................ 12

Abbildung 4: Einkristall des α-D-Glucose-Natriumchlorid-Wasser (2/1/1) Komplexes, gezüchtet nach der Abkühlungsmethode (Der Kristall wurde mit Permanentmarker geschwärzt, um innere Reflexionen zu unterbinden). ..... 12

Abbildung 5: Einkristall des α-D-Glucose-Natriumchlorid-Wasser (2/1/1) Komplexes, gezüchtet nach der Verdunstungsverfahren (Der Kristall wurde mit Permanentmarker geschwärzt, um innere Reflexionen zu unterbinden). ..... 13

Abbildung 6: Einkristall des α-D-Glucose-Natriumchlorid-Wasser (2/1/1) Komplexes (Der Kristall wurde mit Permanentmarker geschwärzt, um innere Reflexionen zu unterbinden).................................................................... 13

Abbildung 7: Indizierung der Kristallflächen nach Miller. ........................................... 14 Abbildung 8: Unserer Projektgruppe bei der Maßanalyse. ........................................... 16

Tabellenverzeichnis Tabelle 1: Erstellte Vorlagen für Kristallmodelle.......................................................... 14 Tabelle 2: Gravimetrisch erhaltenen Analysenwerte. .................................................... 15 Tabelle 3: Argentometrisch erhaltenen Analysenwerte. ................................................ 16 Tabelle 4: Analysenwerte erhalten aus Säure-Base-Titrationen. ................................... 17

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1 Aufgabenstellung Unserer Gruppe hatte die Aufgabe Einkristalle des α-D-Glucose-Natriumchlorid-Wasser (2/1/1) Komplexes zu züchten und die chemische Zusammensetzung der Kristalle mit verschiedenen Analyseverfahren zu bestätigen.

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8 2 Züchtung von Einkristallen des α-D-Glucose-Natriumchlorid-Wasser (2/1/1) Komplexes

2 Züchtung von Einkristallen des α-D-Glucose-Natriumchlorid-Wasser (2/1/1) Komplexes

2.1 α-D-Glucose-Natriumchlorid-Wasser (2/1/1) Komplexe Der α-D-Glucose-Natriumchlorid-Wasser (2/1/1) Komplex kristallisiert aus wässr. Lösungen von Glucose/Natriumchlorid im Stöchiometrischen Verhältnis von etwa 2:1 aus.

2.2 Kristalldaten des α-D-Glucose-Natriumchlorid-Wasser (2/1/1) Komplexes

Der α-D-Glucose-Natriumchlorid-Wasser (2/1/1) Komplex kristallisiert in der Raumgruppe P31 (Nr. 144) und gehört somit dem hexagonalen (trigonalen) Kristallsystem an. Kristalldaten6 Formula sum C12H26O13NaCl Crystal system hexagonal Space group P 31 (no. 144) Unit cell dimensions a = 16.836 Å b = 16.836 Å c = 17.013 Å α = 90° β = 90° γ = 120° Atomkoordinaten Atom x y z Na1 0.317800 0.609400 0.500000 Na2 0.469800 0.271000 0.830800 Na3 0.805500 0.765000 1.167700 O1 0.384000 0.553300 0.014700 Cl2 0.402800 0.742200 -0.004600 Cl3 0.514100 0.403200 0.333200 O4 0.347300 0.213500 0.315900 Cl5 0.674800 0.682300 0.671800 O6 0.861000 0.700200 0.651700 O11 0.407400 0.588200 0.405100 O12 0.382900 0.733200 0.395900 O13 0.305800 0.707400 0.242600 O14 0.295200 0.549300 0.162000 O15 0.494300 0.625600 0.291400 O16 0.511400 0.587000 0.125700 O21 0.409600 0.731600 -0.411600 6G. Ferguson, B. Kaiter, Acta Cryst. 1991, B47, 479-484.

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2 Züchtung von Einkristallen des α-D-Glucose-Natriumchlorid-Wasser (2/1/1) Komplexes 9

Atom x y z O22 0.384200 0.560700 -0.397200 O23 0.313500 0.519400 -0.237500 O24 0.302700 0.666600 -0.166800 O25 0.500300 0.782100 -0.299100 O26 0.530500 0.840400 -0.138000 O31 0.496400 0.389700 0.741000 O32 0.356200 0.220100 0.726500 O33 0.385400 0.179400 0.566200 O34 0.540800 0.328300 0.495700 O35 0.456200 0.440700 0.628400 O36 0.482700 0.499500 0.466800 O41 0.356400 0.245700 -0.076600 O42 0.525700 0.395400 -0.066000 O43 0.577600 0.370700 0.087900 O44 0.433000 0.210100 0.167700 O45 0.306100 0.282700 0.038500 O46 0.248200 0.241700 0.203200 O51 0.686800 0.676900 1.078200 O52 0.854900 0.697000 1.064200 O53 0.898200 0.768600 0.903600 O54 0.753200 0.783900 0.833000 O55 0.634400 0.586200 0.965200 O56 0.573300 0.556700 0.805900 O61 0.825800 0.671700 0.259800 O62 0.684900 0.701400 0.271300 O63 0.710900 0.777900 0.423000 O64 0.867400 0.785800 0.504100 O65 0.787400 0.585700 0.375300 O66 0.826200 0.568300 0.541500 C11 0.466000 0.657700 0.357700 C12 0.416900 0.708100 0.328800 C13 0.340100 0.648600 0.272100 C14 0.371400 0.611200 0.207700 C15 0.419900 0.562900 0.243100 C16 0.457200 0.524400 0.183000 C21 0.469400 0.718700 -0.363100 C22 0.420900 0.621300 -0.332600 C23 0.344500 0.604000 -0.276100 C24 0.378600 0.678600 -0.212200 C25 0.427500 0.772800 -0.249800 C26 0.470800 0.851200 -0.190700 C31 0.424100 0.376700 0.692600 C32 0.377600 0.279600 0.661500 C33 0.437400 0.263700 0.604500 C34 0.478100 0.338900 0.541700 C35 0.521400 0.432400 0.578700 C36 0.554000 0.511200 0.519600 C41 0.366400 0.316000 -0.027000 C42 0.463800 0.368300 0.000700 C43 0.485300 0.309900 0.058100 C44 0.415000 0.272100 0.121800 C45 0.318900 0.219800 0.087300 C46 0.242700 0.180000 0.145900 C51 0.696800 0.615000 1.026900 C52 0.791800 0.660900 0.999600 C53 0.812900 0.738200 0.941500 C45 0.738300 0.704900 0.878800 C55 0.643300 0.658600 0.915200 C56 0.566600 0.618600 0.856800

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Atom x y z C61 0.755200 0.614300 0.309100 C62 0.706900 0.665600 0.337600 C63 0.766200 0.742300 0.394200 C64 0.805100 0.709900 0.458800 C65 0.850900 0.660300 0.422200 C66 0.889900 0.620900 0.482400 C5 0.893700 1.024900 0.478100 C6 0.944000 0.982000 0.740600 N3 1.106800 0.983100 0.855900

Abbildung 1: Elementarzelle des α-D-Glucose-Natriumchlorid-Wasser (2/1/1) Komplex (Erstellt mit der Software Diamond®; schwarz: Kohlenstoffatome, rot: Sauerstoffatome, grün: Chloratome, grau: Natriumatome.

2.3 Löslichkeitskurve von des α-D-Glucose-Natriumchlorid-Wasser (2/1/1) Komplex

Der α-D-Glucose-Natriumchlorid-Wasser (2/1/1) Komplex weist eine mit steigender Temperatur ansteigende Löslichkeit in Wasser auf (Abb. 2).

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15 20 25 θ / °C301045

50

55

60

65

70

Lösl

ichk

eit i

n G

ew-%

35 40 Abbildung 2: Löslichkeitskurve des α-D-Glucose-Natriumchlorid-Wasser (2/1/1) Komplex in Wasser.

Dieses Löslichkeitsverhalten prädestiniert diesen Komplex geradezu für eine Züchtung von dessen Einkristallen nach dem Abkühlverfahren oder Verdunstungsverfahren (s. u.).

2.4 Kristallzüchtungsmethoden

Für diesen Komplex können im wesentlichen zwei Kristallzüchtungsmethoden angewendet werden zum einen die Verdunstungsmethode und zum anderen die Abkühlungsmethode.

Beide Verfahren beruhen darauf, die absolut gelöste Stoffmenge mit der Zeit langsam zu verringern und so das Wachstum eines Impfkristalls zu ermöglichen.

Beim Verdunstungsverfahren wird dies durch ein langsames Verdampfen des Lösungsmittels (Wassers) bei konstanter Temperatur erreicht, beim Abkühlverfahren durch langsames Abkühlen einer wässr. Lösung ohne Verdampfen des Wassers.

Das Abkühlverfahren ist dem Verdunstungsverfahren in der Qualität der erhaltbaren Einkristallen überlegen, aufgrund der besseren Kontrollierbarkeit der Züchtungsbedingungen (Verfügbarkeit guter Thermostaten) (Abb. 3).

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Abbildung 3: Züchtungsapparatur für Kristallzüchtungen nach dem Abkühlverfahren.

Unserer Projektgruppe züchtete Einkristalle des α-D-Glucose-Natriumchlorid-Wasser (2/1/1) Komplexes mit beiden Kristallzüchtungsverfahren.

Abbildung 4: Einkristall des α-D-Glucose-Natriumchlorid-Wasser (2/1/1) Komplexes, gezüchtet nach der Abkühlungsmethode (Der Kristall wurde mit Permanentmarker geschwärzt, um innere Reflexionen zu unterbinden).

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Abbildung 5: Einkristall des α-D-Glucose-Natriumchlorid-Wasser (2/1/1) Komplexes, gezüchtet nach der Verdunstungsverfahren (Der Kristall wurde mit Permanentmarker geschwärzt, um innere Reflexionen zu unterbinden).

Abbildung 6: Einkristall des α-D-Glucose-Natriumchlorid-Wasser (2/1/1) Komplexes (Der Kristall wurde mit Permanentmarker geschwärzt, um innere Reflexionen zu unterbinden).

Uns gelang es mit beiden Züchtungsverfahren Einkristalle hoher Qualität zu züchten (Abb. 3, 5 und 6).

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2.5 Indizierung der Kristallflächen

Durch Winkelmessungen gelang die Indizierung nach Miller der einzelnen Kristallflächen. Im wesentlichen haben wir zwei unterschiedliche Typen von Kristallen erhalten (Abb. 7).

{0 2 1}{1 0 0} {1 1 0}

{2 0 1}

{2 0 1}

Abbildung 7: Indizierung der Kristallflächen nach Miller.

Zusätzlich haben wir auch Vorlagen für Papiermodelle erstellt um ein besseres räumliches Vorstellungsvermögen zu bekommen (Tab. 1 und Anhang).

Tabelle 1: Erstellte Vorlagen für Kristallmodelle.

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3 Chemische Analyse der erhaltenen Kristalle 15

3 Chemische Analyse der erhaltenen Kristalle Wir wollten das stöchiometrische Verhältnis von Glucose, Natriumchlorid und Wasser in den erhaltenen Einkristallen des α-D-Glucose-Natriumchlorid-Wasser (2/1/1) Komplexes mit chemischen Analysemethoden bestätigen. Wir beschäftigten uns dabei mit einem breiten Repertoire von Analysemethoden.

3.1 Gravimetrische Analyse

Mit der Gravimetrie lässt sich beim α-D-Glucose-Natriumchlorid-Wasser (2/1/1) Komplex die stöchiometrischen Verhältnisse aller Komponenten bestimmen. Wir erhitzten zunächst eine gepulverte Kristallprobe bis zur Gewichtskonstanz auf 100°C und konnten so den Wassergehalt der Probe bestimmen. Analog lässt sich danach der Glucoseanteil durch erhitzen bis zur Gewichtskonstanz auf 800°C erhalten.

Wasser-Anteil

(in Gew.-%)

Glucose-Anteil

(in Gew.-%)

Natriumchlorid-Anteil

(in Gew.-%)

gravimetrisch

bestimmt 4.1 82.2 13.6

theoretisch

berechnet 4.1 82.4 13.4

Tabelle 2: Gravimetrisch erhaltenen Analysenwerte.

Die erhaltenen Analysewerte stimmen gut mit den berechneten Werten überein (Tab. 2).

3.2 Maßanalyse

3.2.1 Argentometrie

Mit der Argentometrie lässt sich der Anteil von Chloridionen bestimmen. Titriert man eine Lösung des Komplexes mit Silbernitratlösung mit Kaliumdichromat als Indikator, kann man auf die Stoffmenge an Chlorid und damit auch die von Natriumchlorid errechnen.

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16 3 Chemische Analyse der erhaltenen Kristalle

Wasser-Anteil

(in Gew.-%)

Glucose-Anteil

(in Gew.-%)


(in Gew.-%)

gravimetrisch

bestimmt - - 13.8

theoretisch

berechnet - - 13.4

Tabelle 3: Argentometrisch erhaltenen Analysenwerte.

Auch bei dieser Methode stimmt der bestimmte Wert mit dem erwarteten Wert nahezu überein (Tab. 3).

Abbildung 8: Unserer Projektgruppe bei der Maßanalyse.

3.2.2 Säure-Base-Titration

Da die Kristalle nicht sauer oder basisch in Wasser reagieren, kann man mit einer Säure-Base-Titration keine Aussagen über die Zusammensetzung der Kristalle machen. Bedient man sich aber eines Kunstgriffs, indem man eine Lösung des Komplexes über eine Kationenaustauschersäule laufen lässt, so werden die Natriumionen gegen Protonen ausgetauscht. Mittels Säure-Base-Titration kann so der Anteil an Natriumchlorid in der ursprünglichen Probe bestimmt werden.

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3 Chemische Analyse der erhaltenen Kristalle 17

Wasser-Anteil

(in Gew.-%)

Glucose-Anteil

(in Gew.-%)


(in Gew.-%)

gravimetrisch

bestimmt - - 13.4

theoretisch

berechnet - - 13.4

Tabelle 4: Analysenwerte erhalten aus Säure-Base-Titrationen.

Mit dieser Methode erhielten wir die besten Werte für den Massenanteil an Natriumchlorid in den Einkristallen (Tab. 4).

3.3 Ergebnisse unserer Analysen

Mit diesen analytischen Daten konnten wir die in der Literatur6 angegebene Zusammensetzung bestätigen. Die Summenformel lautet: C12H26O13NaCl (2 Glucose, NaCl, H2O).

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4 Zusammenfassung Unserer Projektgruppe gelang es Einkristalle des α-D-Glucose-Natriumchlorid-Wasser (2/1/1) Komplexes mit guter Qualität nach dem Abkühlverfahren und dem Verdunstungsverfahren zu züchten. Eine eingehende analytische Untersuchung der Kristalle bestätigte die in der Literatur angegebene Zusammensetzung.

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5 Danksagung 19


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[2] http://copal.ms-dev.de/ [3] http://www.louis-armand.uha.fr/ [4] http://www.berzsenyi.hu/ [5] http://www.gks.fr.bw.schule.de/

[6] G. Ferguson, B. Kaiter, Acta Cryst. 1991, B47, 479-484.

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7 Anhang 21

7 Anhang An dieser Stelle sind noch Vorlagen für Papiermodelle von Einkristallen des α-D-Glucose-Natriumchlorid-Wasser (2/1/1) Komplexes abgedruckt.

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Züchtung von Calciumtartrateinkristallen im Kieselgel

Tobias Elsässer, Daniel Grozinger, Bernd Henrich, Marc Lais, Stefan MüllerЖ (Ed.), Otto SchäferШ



Synthese von Opalen

an der


2005-2007


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2 Vorwort

Vorwort Diese Abhandlung präsentiert kurz die Ergebnisse der Projektgruppe „Calciumchlorid“, die an der Georg-Kerschensteiner Schule in Müllheim im Rahmen eines Sokrates-Comenius-Projekts1 in den Jahren 2005-2007 erarbeitet wurden. Das Hauptziel besagten Projektes bestand in der Realisierung einer synthetischen Herstellung von Opalen mit all den damit verbundenen Forschungen.2







- Calciumtartrat: Züchtung von Calciumtartrateinkristallen in einer Kieselgelmatrix.


Wie oben schon erwähnt ist diese Abhandlung nun die Zusammenfassung der Ergebnisse der Projektgruppe „Calciumchlorid“.



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Kurzfassung 3

Kurzfassung Es werden Ergebnisse der Projektarbeit zur Züchtung von Calciumtartrateinkristallen im Kieselgel vorgestellt. Neben der Züchtung der Einkristalle hat sich unserer Projektgruppe eingehend mit der Optimierung der Kristallqualität durch systematische Variation der Züchtungsbedingungen befasst.

Schlagwörter: Calciumtartrat, Kristallzüchtung, Kieselgel

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Inhaltsverzeichnis

Vorwort............................................................................................................................ 2

Kurzfassung..................................................................................................................... 3





2 Züchtung von Calciumtartrateinkristallen im Kieselgel ................................. 8 2.1 Calciumtartart ........................................................................................................ 8

2.2 Kristallzüchtung in Gelen...................................................................................... 9 2.2.1 Präparation eines Kieselgels................................................................................ 10 2.2.2 Bestimmung der Diffusionsgeschwindigkeiten von Calciumsalzen im

Kieselgel .............................................................................................................. 11 2.2.3 Züchtung von Einkristallen im Gel ..................................................................... 12


4 Danksagung........................................................................................................ 16


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Abbildungsverzeichnis Abbildung 1: Struktur von Calciumtartrat....................................................................... 8 Abbildung 2: Diestereoisomere von Weinsäure.............................................................. 8 Abbildung 3: Erklärung des Piezoeffekts; Wird ein piezoelektrischer Kristall

deformiert werden die Ladungsschwerpunkte der positiven und der negativen Ladung getrennt, und eine Spannung ist an der Oberfläche des Kristalls messbar. .................................................................................................. 9

Abbildung 4: Doppelte Umsetzung von Natriumtartrat mit Calciumchlorid zu Calciumtartrat und Natriumchlorid. In einem Gel läuft diese Reaktion diffusionsbedingt sehr langsam ab........................................................................ 9

Abbildung 5: Abhängigkeit der Gelierzeit einer wässr. Natronwasserglaslösung vom pH-Wert (10 ml Natronwasserglas in 90 ml Wasser und mit Salzsäure oder Salzsäure/Natronlauge auf den gewünschten pH-Wert eingestellt; zum Erreichen der sauren Hälfte wurden schnell 15 ml 15% Salzsäure zugegeben; Salzsäure: 15%ig; Natronlauge: 40%ig).......................................... 10

Abbildung 6: Diffusionsstrecke in das Gel von Calciumsalzen (Calciumacetat und Calciumchlorid) in Abhängigkeit von der Zeit. Detektiert anhand der Kristallausfällung von Calciumtartrat im Gel..................................................... 12

Abbildung 7: Dendritisches Kristallwachstum von Calciumtartrat im Kieselgel bei der Verwendung von Calciumacetat- oder Calciumchloridlösung als Überschichtungslösung. ...................................................................................... 12

Abbildung 8: Calciumtartrateinkristalle hoher Qualität im Kieselgel, gezüchtet mit einer Calciumformiatlösung in verd. Ameisensäure........................................... 13

Abbildung 9: Calciumtartrateinkristalle hoher Qualität im Kieselgel, gezüchtet mit einer Calciumformiatlösung in verd. Ameisensäure........................................... 13

Abbildung 10: Calciumtartrateinkristalle hoher Qualität nach dem Entfernen des Gels. .................................................................................................................... 14

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Abkürzungsverzeichnis pH negativer Logarithmus der Hydroniumionenkonzentration

TGS Triglycinsulfat

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1 Aufgabenstellung Unserer Gruppe hatte die Aufgabe Calciumtartrateinkristalle im Kieselgel zu züchten, und die Züchtungsparameter systematisch zu optimieren.

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8 2 Züchtung von Calciumtartrateinkristallen im Kieselgel

2 Züchtung von Calciumtartrateinkristallen im Kieselgel

2.1 Calciumtartart Calciumtartrat ist das Calciumsalz der Weinsäure. Es weist eine geringe Löslichkeit in Wasser auf.6

HHO

COO

Calciumtartrat

H OH

COO

Ca2

Abbildung 1: Struktur von Calciumtartrat.

Weinsäuremoleküle sind chiral und können in drei Diastereoisomeren vorkommen. Die natürlich vorkommende Weinsäure ist die L-(+)-Weinsäure (Abb. 2).

HHO

COOH

L-(+)-Weinsäure

H OH

COOH

OHH

COOH

D-(-)-Weinsäure

HO H

COOH COOH

OHH

OHH

COOH

meso-Weinsäureoptisch inaktiv

COOH

HHO

HHO

COOH

Abbildung 2: Diestereoisomere von Weinsäure.

Calciumtartratkristalle zeigen das Phänomen der Piezoelektrizität. Deformiert man einen Kristall, so wird an der Kristalloberfläche eine Spannung messbar (Abb. 3). Dieser Effekt wird unter anderem in der Sensortechnik, Hochfrequenzschallgeneratoren, Zeitgebern und Mikroaktoren benutzt.

6 0.0266 g/100 mL bei 0°C und 0.0689 g/100 mL bei 37.5°C; R. C. Weast, CRC Handbook of Chemistry

and Physics, 60th Ed. 1980, B-67, CRC Press, Raton/Florida.

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2 Züchtung von Calciumtartrateinkristallen im Kieselgel 9

Kraft

Kraft




2.2 Kristallzüchtung in Gelen

Für die Züchtung von Calciumtartrateinkristallen eignen sich nicht die herkömmlichen Züchtungsverfahren aus wässr. Lösungen, sprich das Abkühlverfahren und das Verdunstungsverfahren, da Calciumtartrat eine zu geringe Löslichkeit in Wasser aufweist.

Eine Methode trotz der geringen Löslichkeit Calciumtartratkristalle aus wässr. Lösungen züchten zu können besteht in der Züchtung in Gelen. Hierbei wird das Kalziumtartrat nicht von vorneherein gelöst, sondern chemisch über eine Doppelte Umsetzung langsam erzeugt (Abb. 4).

HHO

COO

lösliches Weinsäuresalz

H OH

COO Na

Na

HHO

COO

H OH

COO

Ca2CaCl2+

lösliches Calciumsalz

schwerlöslichesCalciumtartrat

2NaCl+

lösliches Salz

Abbildung 4: Doppelte Umsetzung von Natriumtartrat mit Calciumchlorid zu Calciumtartrat und Natriumchlorid. In einem Gel läuft diese Reaktion diffusionsbedingt sehr langsam ab.

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Bei der Gelzüchtung wird in ein Gel z. B. ein leicht lösliches Weinsäuresalz deponiert und von der Oberfläche des Gels langsam ein leicht lösliches Calciumsalz eindiffundieren lassen. Unter diesen Bedingungen wachsen langsam und spontan Calciumtartrateinkristalle. Es können verschiedene Gele (z. B. Agar-Gel, Gelatinegele, Poly-Acrylamidgele und Kieselgele) verwendet werden. Für unsere Zwecke stellte sich ein Kieselgel als gut geeignet heraus (auch unter dem Licht, dass Acrylamid cancerogen ist).

2.2.1 Präparation eines Kieselgels

Kieselgele können auf unterschiedliche Weise hergestellt werden z. B. aus Tetraalkoxysilanen oder aus Natronwasserglas (alkalische Lösung von niedermolekularen Silikatsalzen, die sich in beliebigen Mengen Wasser mischen lässt). Aus Gründen der Einfachheit haben wir uns für eine Herstellung aus Natronwasserglas entschieden.

Die Gelbildung aus Natronwasserglas ist pH-Abhängig. Die Gelierzeit einer wässr. Natronwasserglaslösung ist um einen pH-Wert um 7 am kürzesten, bei niedrigen (<3) und hohen (>11) ist die Lösung fast unbegrenzt stabil, ohne zu gelieren (Abb. 5).

Zeit

in m

in

0

50

100

150

200

250

0 2 4 6 8 10 12pH-Wert

Abbildung 5: Abhängigkeit der Gelierzeit einer wässr. Natronwasserglaslösung vom pH-Wert (10 ml Natronwasserglas in 90 ml Wasser und mit Salzsäure oder Salzsäure/Natronlauge auf den gewünschten pH-Wert eingestellt; zum Erreichen der sauren Hälfte wurden schnell 15 ml 15% Salzsäure zugegeben; Salzsäure: 15%ig; Natronlauge: 40%ig).

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Wir haben unser Gel7 durch Zutropfen einer Natronwasserglaslösung zu einer Weinsäure-Lösung hergestellt, der End-pH-Wert von etwa 4 wurde durch entsprechende Zugabe von Natronlauge eingestellt. Der End-pH-Wert bei der Gelherstellung ist nicht beliebig variierbar, da sonst die Gelierzeit stark ansteigt (gegen saurere pH-Werte) oder das Gel binnen Sekunden gebildet wird, bevor es abgefüllt werden kann (gegen alkalischer pH-Werte) (Abb. 5). Der pH-Wert während der Züchtung kann durch die zweite Lösung der doppelten Umsetzung (hier eine Calciumsalzlösung) variiert werden.

2.2.2 Bestimmung der Diffusionsgeschwindigkeiten von Calciumsalzen im Kieselgel

Wir überschichteten die Kieselgele in den Reagenzgläsern mit unterschiedlichen Calciumsalzlösungen, um die verschiedenen Diffusionsgeschwindigkeiten der Calciumionen in das Gel zu ermitteln (sehr gut zu verfolgen durch die Bildung der schwerlöslichen Calciumtartratkristalle). Calciumacetat und Calciumchlorid zeigen ein ähnliches Diffusionsverhalten, das nicht sehr stark von der Konzentration abhängt (Abb. 6).

5 10 15

Zeit in Tagen

0

2

4

Weg

in c

m (1

00 m

l Rea

genz

glas

)

0

7 Vorschrift für die Herstellung eines Kieselgels: 20 g Weinsäure wurden in 300 ml demin. Wasser

gelöst und eine Lösung von 54 ml Natronwasserglas in 300 ml unter pH-Kontrolle zugetropft, bis der pH-Wert 3.5 betrugt. Die Lösung wurde auf 100 ml Reagenzgläser verteilt (Füllung ca. 70%). Nach etwa einem Tag war die Lösung geliert.

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Abbildung 6: Diffusionsstrecke in das Gel von Calciumsalzen (Calciumacetat und Calciumchlorid) in Abhängigkeit von der Zeit. Detektiert anhand der Kristallausfällung von Calciumtartrat im Gel.

2.2.3 Züchtung von Einkristallen im Gel

Wir überschichteten unsere Gele mit verschiedenen Calciumsalzlösungen um zu die Kristallqualität zu untersuchen. Bei der Verwendung von Calciumacetat und Calciumchlorid war die Kristallqualität sehr schlecht (Abb. 7).

Abbildung 7: Dendritisches Kristallwachstum von Calciumtartrat im Kieselgel bei der Verwendung von Calciumacetat- oder Calciumchloridlösung als Überschichtungslösung.

Es bildeten sich nur Dendriten mit schlechter Qualität, aber keine Einkristalle. Ein weiteres Problem stellt die Bildung von Schimmel im Gel dar, weiter blieb bei der Verwendung von Calciumchlorid der pH-Wert während des Kristallwachstums nicht konstant (keine Pufferwirkung von Chloridionen), was zur partiellen Auflösung schon gebildeter Kristalle führte.

Die besten Resultate erzielten wir bei der Verwendung von Calciumformiat in wässriger Ameisensäure als Überschichtungslösung (Abb. 8, 9 und 10).8 Ein weiterer Vorteil ist, dass Pilze nicht in Anwesenheit von Ameisensäure wachsen können.

8 Zusammensetzung der Überschichtungslösung: 10 ml einer Calciumformiatlösung (1 mol/L) wurde

mit 5 ml Wasser verdünnt und mit Ameisensäure auf den pH-Wert 2 eingestellt. Die Gele in den Reagenzgläsern wurden mit dieser Lösung uberschichtet. Nach etwa zwei Wochen hatten sich Calciumtartrateinkristalle mit guter Qualität gebildet.

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Abbildung 8: Calciumtartrateinkristalle hoher Qualität im Kieselgel, gezüchtet mit einer Calciumformiatlösung in verd. Ameisensäure.

Abbildung 9: Calciumtartrateinkristalle hoher Qualität im Kieselgel, gezüchtet mit einer Calciumformiatlösung in verd. Ameisensäure.

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Abbildung 10: Calciumtartrateinkristalle hoher Qualität nach dem Entfernen des Gels.

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3 Zusammenfassung Unserer Projektgruppe gelang es Calciumtartrateinkristalle guter Qualität im Kieselgel zu züchten. Wir untersuchten die Gelbildungsparameter und verschiedene Calciumsalze, wobei sich Calciumformiat als bestes Calciumsalz herausstellte.

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16 4 Danksagung


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[6] 0.0266 g/100 mL bei 0°C und 0.0689 g/100 mL bei 37.5°C; R. C. Weast, CRC Handbook of Chemistry and Physics, 60th Ed. 1980, B-67, CRC Press, Raton/Florida.

[7] Vorschrift für die Herstellung eines Kieselgels: 20 g Weinsäure wurden in 300 ml demin. Wasser gelöst und eine Lösung von 54 ml Natronwasserglas in 300 ml unter pH-Kontrolle zugetropft, bis der pH-Wert 3.5 betrugt. Die Lösung wurde auf 100 ml Reagenzgläser verteilt (Füllung ca. 70%). Nach etwa einem Tag war die Lösung geliert.

[8] Zusammensetzung der Überschichtungslösung: 10 ml einer Calciumformiatlösung (1 mol/L) wurde mit 5 ml Wasser verdünnt und mit Ameisensäure auf den pH-Wert 2 eingestellt. Die Gele in den Reagenzgläsern wurden mit dieser Lösung uberschichtet. Nach etwa zwei Wochen hatten sich Calciumtartrateinkristalle mit guter Qualität gebildet.

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Detektorradio mit Pyritgleichrichter




Synthese von Opalen

an der


2005-2007


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2 Vorwort

Vorwort Im Jahr 2005 startete an der Georg-Kerschensteiner Schule in Müllheim ein auf zwei Jahre angelegtes Sokrates-Comenius-Projekt1. Das Hauptziel besagten Projektes bestand in der Realisierung einer synthetischen Herstellung von Opalen mit all den damit verbundenen Forschungen.2 An diesem waren drei Schulen aus drei europäischen Ländern mit insgesamt 54 Schülern beteiligt, namentlich das Lycée d'enseignement général et technologique Louis Armand3, Mulhouse/Frankreich, das Berzsenyi Dániel Gimnázium4, Budapest/Ungarn und die Georg-Kerschensteiner Schule5, Müllheim/Deutschland.

Ein wesentlicher Bestandteil dieses Projekts war die Erarbeitung neuer didaktischer Materialien. Da die Arbeiten an der Georg-Kerschensteiner Schule stets stark von der Kristallchemie geprägt waren, war es nahe liegend auf diesem Gebiet diese Materialien zu erstellen.



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Kurzfassung 3

Kurzfassung Halbleitende Materialien wie Zinkblende oder Pyrit können mit ihren Halbleitereigenschaften in Detektorradios eingesetzt werden. Wir haben ein solches Detektorradio konzeptioniert. Wir haben einen Bausatz erstellt mit dem Schüler einfach und schnell ein eigenes Detektorradio für den amplitudenmodulierten Mittelwellenempfang bauen können.

Schlagwörter: Detektorradio, Pyrit, Halbleiter, Gleichrichter

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Inhaltsverzeichnis

Vorwort............................................................................................................................ 2

Kurzfassung..................................................................................................................... 3




2 Konzeption eines Detektorradiobausatzes ........................................................ 7 2.1 Prinzipieller Aufbau von Detekorradios................................................................ 7

2.2 Konzeption eines Bausatzes für ein Detektorradio ............................................... 8 2.2.1 Platine .................................................................................................................... 8 2.2.2 Bauteileliste ........................................................................................................... 9 2.2.3 Ergebnisse............................................................................................................ 10 2.2.4 Didaktischer Rahmen .......................................................................................... 13



5 Anhang................................................................................................................ 16

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Abbildungsverzeichnis Abbildung 1: Schaltplan eines Detektorradios. Besonders gekennzeichnet ist der

elektromagnetische Schwingkreis......................................................................... 7 Abbildung 2: Platinenlayout unseres Detektorradiobausatzes. links: Angabe der

verschiedenen Bohrlochdurchmesser, rechts: eigentliche Platine in schwarz/weiß......................................................................................................... 8

Abbildung 3: Belichtete Platine im Entwicklerbad. ...................................................... 10 Abbildung 4: Belichtete und entwickelte Platine im Ätzbad. ....................................... 11 Abbildung 5: Fertig geätzte Platine............................................................................... 11 Abbildung 6: Fertig gewickelte Spulen in großer Zahl ................................................. 12 Abbildung 7: Fertig gebautes Radio.............................................................................. 12

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1 Aufgabenstellung Wir hatten die Absicht umfangreiches didaktisches Material zu erstellen. Neben Material zur Symmetrielehre wollten wir auch Material mit Technikbezug erarbeiten. Im Rahmen des ersten Projettreffens im Oktober 2005 in Müllheim wollten wir zwei Bausätze vorstellen. Der eine sollte ein Bausatz für ein Detektorradio mit Pyritgleichrichter und der andere eine einfache Apparatur zur Demonstration des Piezoeffekts sein.

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2 Konzeption eines Detektorradiobausatzes 7

2 Konzeption eines Detektorradiobausatzes

2.1 Prinzipieller Aufbau von Detekorradios

Ein Detektorradio benötigt keine externe Energieversorgung (z. B. Batterien), da die Energie des empfangenen elektromagnetischen Welle ausreicht um das Radio zu betreiben. Dies hat aber zur Konsequenz, das die Klangwiedergabe nicht viel Leistung aufnehmen darf.

D

R

CS

L

ANT

GND Abbildung 1: Schaltplan eines Detektorradios. Besonders gekennzeichnet ist der elektromagnetische Schwingkreis.

Ein Detekorradio besteht im wesentlichen aus einem elektromagnetischen Schwingkreis, wie in Abb. 1 wiedergegeben. Dieser Schwingkreis besteht aus einer Spule (S) und einem Drehkondensator (C). Ist die Eigenfrequenz des Schwingkreises resonant mit der Frequenz eines eingehenden elektromagnetischen Signals auf der Antenne (ANT), so wird der Schwingkreis bildlich mit elektromagnetischer Energie gefüllt. Ist das eingehende Signal amplitudenmoduliert, so wird auch der Schwingkreis, bedingt durch die Dämpfung im Takt der Amplitudenmodulation oszillieren.

Durch die Diode wird die Wechselspannung am Schwingkreis gleichgerichtet und über den Lautsprecher (Ohrhörer mit niedriger Leistungsaufnahme) in Schall umgesetzt. Die Trägerfrequenz liegt im Bereich von mehreren hundert Megahertz und die aufgeprägte Amplitudenmodulation oszilliert mit dem Frequenzbereich der menschlichen Sprache oder Musik, also zwischen 20 und 20000 Hz. Der Lautsprecher kann nur mit der Frequenz des aufmodulierten Signals schwingen, da die Frequenz des Trägersignals für den Lautsprecher viel zu hoch ist.

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8 2 Konzeption eines Detektorradiobausatzes

2.2 Konzeption eines Bausatzes für ein Detektorradio

Unserer Konzeption eines Bausatzes sollte mehrer Punkte erfüllen:

- Das Radio sollte wahlweise mit einer Diode als auch einem Halbleiterkristall (in unserem Fall Pyrit) betrieben werden können.

- Als Lautsprecher sollte ein Ohrhörer mit niedriger Leistungsaufnahme dienen, aber es sollte auch ein Aktivlautsprecher zu Demonstrationszwecken angeschlossen werden können.

2.2.1 Platine

Auf der Platine sollte ein Drehkondensator, eine Klinkenbuchse für den Anschluss des Orhörers oder eines Aktivlautsprechers, ein Widerstand, zwei Codierbrücken für das Umschalten zwischen den Beschaltungen des Kondensators und des Gleichrichters und mehrere Anschlüsse für die Antenne, die Erdung, die Spule und eines Pyritgleichrichters Platz finden.

Wir entwarfen ein Platinenlayout (Abb. 2) zum Belichten einer Platine mit lichtempfindlichem Schutzfilm, der nach dem Entwickeln geätzt werden sollte.

C1

GRND

D2

J2

J1 A

NT

S1 S1

D2

R1D1

B1

2 mm Ø 1.5 mm Ø

1 mm Ø

C1

GRND

D2

J2

J1 A

NT

S1 S1

D2

R1D1

B1

Abbildung 2: Platinenlayout unseres Detektorradiobausatzes. links: Angabe der verschiedenen Bohrlochdurchmesser, rechts: eigentliche Platine in schwarz/weiß.

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2.2.2 Bauteileliste

Die verwendeten Bauteile sind im Elektronikfachhandel erhältlich. Alle Quellen und Bauteile sind im Folgenden hier aufgeführt. Fotobeschichtete Platine (positiv): 35 µm einseitige Kupferauflage, Epoxidharz, 100x160x1 mm Conrad: 53 62 02-55 Spule 76 Windungen, Länge: 43 mm, Æ 33 mm, Kupferdraht lackiert Æ 0.5 mm berechnete Induktivität: 155.28 µH Drehkondensator CBM-223P, maximal 20pF http://ntfs.ebigchina.com/ Exporteur: http://jcmelectronics.com/ Hersteller: Fu shan Electronic Factory Nantong, VR China Diode AA132 Conrad: 15 00 61-55 Fragment eines handelsüblichen Pyritkristalls 0,6 Watt Metallschicht-Widerstand 1% 220 kW Conrad: 41 85 36-55 2 Codier- und Adressierungsbrücken-Set für Raster 2,5 und 2,54 mm Conrad: 74 29 02-55 2 Stiftleiste RM 2,54, gerade, vergoldet Polzahl 3 Conrad: 74 39 92-55 6 Lötstifte 1,3 mm Conrad: 52 61 91-55 6 Steckschuhe 1,3 mm Conrad: 52 62 90-55 4 Distanzrollen5/3 Conrad: 52 63 55-55 Klinkbuchse 3,5 mm ohne Schaltkontakt, Stereoausführung Conrad: 73 28 93-55 Orhörer S-83 K Conrad: 38 75 76-55 Schaltdraht gelb 3 m (Erdungsdraht) Conrad: 60 60 90-55 2 Schaltdrähte gelb 10 cm (Zuleitungen zum Pyritkristall) Conrad: 60 60 90-55 Schaltdraht rot 15 m (Antennendraht) Conrad: 60 60 65-55 4 Holzschrauben, 2 mm Æ, Länge: 20 mm Sperrholzplatte: 70 × 140 × 12 mm

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U-Profilholz: 45 mm breit, 20 mm hoch, Vertiefungsdurchmesser 37 mm 2 Reißzwecken Knopf mit Spannzangenbefestigung (schwarz), Serie 15, Æ 15 mm, Achs-Æ 6 mm, Höhe 14 mm (Conrad: 18 35 15-55) Abdeckkappen (rot), Serie 11,5 Conrad: 71 88 66-55 Internet-Adressen: Fu shan Electronic Factory Nantong, VR China http://ntfs.ebigchina.com/ Exporteur: http://jcmelectronics.com/ Conrad Elektronik http://www.conrad.com/

2.2.3 Ergebnisse

Wir verfassten eine Bauanleitung mit der es Schülern möglich war dieses Radio zu bauen.

Abbildung 3: Belichtete Platine im Entwicklerbad.

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Abbildung 4: Belichtete und entwickelte Platine im Ätzbad.

Abbildung 5: Fertig geätzte Platine.

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Abbildung 6: Fertig gewickelte Spulen in großer Zahl

Abbildung 7: Fertig gebautes Radio.

Das Detektorradio bewies mehrfach seine Zuverlässigkeit. Aus 40 hergestellten Bausätzen funktionierten alle ohne Probleme.

Alle weiteren Details sind dem Anhang zu entnehmen.

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2.2.4 Didaktischer Rahmen

Das von uns entwickelte Detektorradio kann in der Lehre mit folgenden Punkten in Verbindung gebracht werden:

- elektromagnetische Wellen

- elektromagnetische Schwingkreise, Resonanz, Antennen

- Informationstransfer mit elektromagnetischen Wellen (Amplitudenmodulation, Frequenzmodulation, frequency hopping, Drahtlosnetzwerke, Mobilfunknetze)

- Halbleitermaterialien (Gleichrichter)

- Lautsprecher

- elektrische Schaltungen (Bauteile, Spannung und Strom, elektrische Energie und Leistung)

- Redoxchemie (Ätzen der Platinen)

- Belichtungsprozesse in der Elektronik (Platinen und Mikrochips)

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3 Zusammenfassung Wir konzeptionierten einen Bausatz für ein sehr variables Detektorradio für den Schulgebrauch. Alle gebauten Exemplare funktionierten zuverlässig und reproduzierbar.

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16 5 Anhang

5 Anhang An dieser Stelle ist eine Kurzanleitung zu unserem Detektorradiobausatz abgedruckt.

Seite 538 von 560

Bauanleitung für einDetektorradio

im Rahmen des

Sokrates-Comenius Projekts

Synthese von Opalen

an der Georg-Kerschensteiner-Schule, Müllheim

Otto Schäfer Georg-Kerschensteiner-Schule, Müllheim

Stefan MüllerInstitut für Organische-Chemie und Biochemie

der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg

"Sollen sich auch alle schämen, die gedankenlos sich der Wunder der Wissenschaft und Technik bedienen und nicht mehr davon geistig erfaßt haben als die Kuh von der Botanik der Pflanzen, die sie mit Wohlbehagen frißt."

Ausschnitt aus Albert Einsteins Rede anläßlich der Eröffnung der 7. Deutschen Funkausstellung und Phonoschau in Berlin, am 22. August 1930

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W

S

N

O

C1

GRND

D2

J2

J1 A

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1

D2

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B1

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D2

J2

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S1 S

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D2

R1D1

B1

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J1 A

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S1 S

1

D2

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B1

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D2

J2

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S1 S

1

D2

R1D1

B1

C1

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D2

J2

J1 A

NT

S1 S

1

D2

R1D1

B1

C1

GRND

D2

J2

J1 A

NT

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B1

Platine für acht DetektorradiosBenutzungshinweise:• Drucken Sie dieses Blatt auf eine Overheadfolie ( ).• Je nach verwendetem Drucker (Laserdrucker empfohlen) sollte das Platinenlayout mit einem wasserfestem, schwarzem Permanentmarker nachgezeichnet werden.• Legen Sie eine fotobeschichtete Platine (100´160´1mm) auf die Vorderseite der Folie auf das obige Platinenlayout.

• Belichten Sie die Platine unter festem Anpressen von der Unterseite mit einer starken Lichtquelle (ca. 3 5 min).• Lösen sie den belichteten Fotolack mit einer wässrigen Lösung von NaOH (7g/l) bei Raumtemperatur (ca. 5 10 min) ab.• Das nun freigelegte Kupfer wird bei 60°C mit einer wässrigen Lösung von (NH ) S O (Konzentration je nach Bedarf) abgelöst (15 30 min).4 2 2 8

• Der verbliebene Fotolack auf den Leiterbahnen wird mit Aceton entfernt und die acht Einzelplatinen (40´50 mm) ausgesägt.

• Die entsprechenden Löcher werden gebohrt (siehe untenstehende Abbildung) und die vorgesehenen Bauteile festgelötet.• Die Platine wird mittels Distanzrollen und Schrauben auf einer Holzplatte (70 × 140 × 12 mm) und die Spule mit zwei Reißzwecken auf einem aufgeleimten U Profilholz befestigt.• Der Antennendraht (ca. 15 m) und der Erdungsdraht (ca. 3 m) werden mittels Steckschuhen an den vorgesehenen Lötstiften angeschlossen. Der Drehknopf wird am Kondensator befestigt, um mit ihm die Resonanzfrequenz des Schwingkreises variieren zu können. • Der Antennendraht wird freihängend befestigt (z. B. aus dem Fenster hängen) und der Erdungsdraht mit einem geerdeten Objekt leitend verbunden. Radiosender können mit einem Orhörer oder mit einer Aktivbox (Anschluss mit 3.5 mm Klinkenbuchse) gehört werden.• Durch Umstecken der Adressierungsbrücke auf J1 kann der Kapazitätsbereich des Kondensators verändert werden, und damit auch den Bereich der Resonanzfrequenz. Durch entsprechendes Umstecken an J2 kann zwischen dem Betrieb mit einer Diode oder einem Pyritkristallfragments als Gleichrichterelement umgeschaltet werden. Dabei werden zwei Drähte an den Pyritkristall gehalten, der eine halbleitende Verbindung ermöglicht.

ACHTUNG: Blatt beim Ausdruck nicht skalieren!

© copyright 2005 by Otto Schäfer und Stefan Müller, Georg-Kerschensteiner Schule, Müllheim/Baden

C1

GRND

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J2

J1 A

NT

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1

D2

R1D1

B1

2 mm Ø 1.5 mm Ø

1 mm Ø

Bohrplan:Erläuterungen:Platine: 35 µm einseitige Kupferauflage, Epoxidharz, 100×160×1 mm (Conrad: 53 62 02 55)GRND: Erdung (Lötstift 1,3 mm Æ, Conrad: 52 61 91 55; Erdungskabel mit einem Steckschuh Conrad: 52 62 90 55 befestigen)

ANT: Antenne (Lötstift 1,3 mm Æ, Conrad: 52 61 91 55; Antennenkabel mit einem Steckschuh Conrad: 52 62 90 55 befestigen)D1: Diode AA132 (Germanium, Conrad: 15 00 61 55; kann in beide Richtungen eingebaut werden)D2: Leitung zu Pyritkristall (Lötstift 1,3 mm Æ, Conrad: 52 61 91 55)

R1: 0,6 W Metallschicht Widerstand 1% 220 kW (Conrad: 41 85 36 55)C1: Drehkondensator CBM 223P maximal 20pF (Fu shan Electronic Factory Nantong, VR China)J1/J2: Stiftleiste RM 2,54, gerade, vergoldet (3 polig, für Raster 2.5 und 2.54 mm, Conrad: 74 29 02 55)J1: Veränderung der Kapazität durch Umstecken einer Adressierungsbrücke (Conrad: 74 29 02 55)J2: Umschalten zwischen Betrieb mittels Diode oder Pyritkristallfragment als Gleichrichter durch Umstecken einer Adressierungsbrücke (Conrad: 74 29 02 55)S1: Anschluss für Spule mit 76 Windungen, 43 mm lang, 33 mm Æ, 0.5 mm Æ Kupferdrat (Lötstift 1,3 mm Æ,

Conrad: 52 61 91 55) mit Steckschuhen (1,3 mm Æ, Conrad: 52 62 90 55)B1: Klinkenbuchse 3.5 mm (Conrad: 73 28 93 55), zum Anschluss eines Orhörers (S 83 K, Conrad: 38 75 76 55) oder einer Aktivbox.

Internet-Adressen: http://www.conrad.com/ Fu shan Electronic Factory Nantong, VR China http://ntfs.ebigchina.com/ Exporteur: http://jcmelectronics.com/

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Materialliste

Fotobeschichtete Platine (positiv):35 µm einseitige Kupferauflage, Epoxidharz,100x160x1 mm Conrad: 53 62 02-55

Spule 76 Windungen, Länge: 43 mm, Æ 33 mm, Kupferdraht lackiert Æ 0.5 mm berechnete Induktivität: 155.28 µH

Drehkondensator CBM-223P, maximal 20pFhttp://ntfs.ebigchina.com/ Exporteur: http://jcmelectronics.com/ Hersteller: Fu shan Electronic Factory Nantong, VR China

Diode AA132Conrad: 15 00 61-55

Fragment eines handelsüblichen Pyritkristalls

0,6 Watt Metallschicht-Widerstand 1% 220 kWConrad: 41 85 36-55

2 Codier- und Adressierungsbrücken-Set für Raster 2,5 und 2,54 mmConrad: 74 29 02-55

2 Stiftleiste RM 2,54, gerade, vergoldetPolzahl 3Conrad: 74 39 92-55

6 Lötstifte 1,3 mmConrad: 52 61 91-55

6 Steckschuhe 1,3 mmConrad: 52 62 90-55

4 Distanzrollen5/3Conrad: 52 63 55-55

Klinkbuchse 3,5 mm ohne Schaltkontakt, StereoausführungConrad: 73 28 93-55

Orhörer S-83 KConrad: 38 75 76-55

Schaltdraht gelb 3 m (Erdungsdraht)Conrad: 60 60 90-55

2 Schaltdrähte gelb 10 cm (Zuleitungen zum Pyritkristall)Conrad: 60 60 90-55

Schaltdraht rot 15 m (Antennendraht)Conrad: 60 60 65-55

4 Holzschrauben, 2 mm Æ, Länge: 20 mm

Sperrholzplatte: 70 × 140 × 12 mm

U-Profilholz: 45 mm breit, 20 mm hoch, Vertiefungsdurchmesser 37 mm

2 Reißzwecken

Knopf mit Spannzangenbefestigung (schwarz), Serie 15, Æ 15 mm, Achs-Æ 6 mm, Höhe 14 mm(Conrad: 18 35 15-55)

Abdeckkappen (rot), Serie 11,5Conrad: 71 88 66-55

Internet-Adressen:Fu shan Electronic Factory Nantong, VR China http://ntfs.ebigchina.com/ Exporteur: http://jcmelectronics.com/Conrad Elektronik http://www.conrad.com/

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Abbildung des Aufbaus

1: Spule2: Drehkondensator3: Erdungsanschluß4: Zuleitungen zum Pyritkristall5: Codierbrücke zum Ändern der Kapazität6: Germaniumdiode7: Codierbrücke zum Umschalten zwischen Diode oder Pyritkristall als Gleichrichter8: Fragment eines Pyritkristalls9: Wiederstand10: Klinkenbuchse11: U-Profilholz12: Platine wurde mit Hilfe von vier Distanzrollen und vier Schrauben auf der Grundplatte befestigt 13: Antennenanschluß

2

4

8

10

7

5

9

6

1

3

1312

11

AA

13

22

20

kW

20

pF

15

5 m

H

Schaltplan

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Apparatur zur Demonstration des Piezoeffekts




Synthese von Opalen

an der


2005-2007


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2 Vorwort

Vorwort Im Jahr 2005 startete an der Georg-Kerschensteiner Schule in Müllheim ein auf zwei Jahre angelegtes Sokrates-Comenius-Projekt1. Das Hauptziel besagten Projektes bestand in der Realisierung einer synthetischen Herstellung von Opalen mit all den damit verbundenen Forschungen.2 An diesem waren drei Schulen aus drei europäischen Ländern mit insgesamt 54 Schülern beteiligt, namentlich das Lycée d'enseignement général et technologique Louis Armand3, Mulhouse/Frankreich, das Berzsenyi Dániel Gimnázium4, Budapest/Ungarn und die Georg-Kerschensteiner Schule5, Müllheim/Deutschland.

Ein wesentlicher Bestandteil dieses Projekts war die Erarbeitung neuer didaktischer Materialien. Da die Arbeiten an der Georg-Kerschensteiner Schule stets stark von der Kristallchemie geprägt waren, war es nahe liegend auf diesem Gebiet diese Materialien zu erstellen.



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Kurzfassung 3

Kurzfassung Der Piezoeffekt ist ein wichtiger physikalischer Effekt in der Kristallographie mit zahlreichen technischen Anwendungen. Wir haben eine einfache und leicht zu bauende Apparatur zur Demosntration dieses Effekts konzipiert.

Schlagwörter: Piezoeffekt, Demonstrationsapparatur

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Inhaltsverzeichnis

Vorwort............................................................................................................................ 2

Kurzfassung..................................................................................................................... 3




2 Konzeption einer einfachen Apparatur zur Demonstration des Piezoeffekts........................................................................................................... 7

2.1 Der Piezoeffekt...................................................................................................... 7

2.2 Anforderungen an den Aufbau der Apparatur....................................................... 7

2.3 Der Bausatz ........................................................................................................... 8 2.3.1 Der Piezokristall .................................................................................................... 8 2.3.2 Das „Fallbeil“ ........................................................................................................ 9



5 Anhang................................................................................................................ 13

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Abbildungsverzeichnis Abbildung 1: Erklärung des Piezoeffekts; Wird ein piezoelektrischer Kristall

deformiert werden die Ladungsschwerpunkte der positiven und der negativen Ladung getrennt, und eine Spannung ist an der Oberfläche des Kristalls messbar. .................................................................................................. 7

Abbildung 2: Kontaktierung eines Seignettesalzkristalls mit Aluminiumfolie. Hier ist nur eine Seite gezeigt, die Kontaktierung muß auch auf der gegenüberliegenden Seite des Kristalls durchgeführt werden. ............................. 9

Abbildung 3: Unser „Fallbeil“ mit dem eingebauten Kristall. Zum Schutz des Kristalles wurden Gummistücke und Hartplastikstücke verwendet. .................. 10

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1 Aufgabenstellung Wir hatten die Absicht umfangreiches didaktisches Material zu erstellen. Neben Material zur Symmetrielehre wollten wir auch Material mit Technikbezug erarbeiten. Im Rahmen des ersten Projettreffens im Oktober 2005 in Müllheim wollten wir zwei Bausätze vorstellen. Der eine sollte ein Bausatz für ein Detektorradio mit Pyritgleichrichter und der andere eine einfache Apparatur zur Demonstration des Piezoeffekts sein.

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2 Konzeption einer einfachen Apparatur zur Demonstration des Piezoeffekts 7

2 Konzeption einer einfachen Apparatur zur Demonstration des Piezoeffekts

2.1 Der Piezoeffekt

Deformiert man einen piezoelektrischen Kristall, so wird an der Kristalloberfläche eine Spannung messbar. (Abb. 1)

Kraft

Kraft




Der Piezoeffekt hat zahlreiche technische Anwendungen z. B. in der Sensortechnik, Hochfrequenzschallgeneratoren, Mikroaktoren, Schwingungselementen, aktiven Dämpfungstechnik.

2.2 Anforderungen an den Aufbau der Apparatur

Wir stellten folgende Anforderung an einen Apparatur zur Demonstration des Piezoeffekts:

- sie sollte einfach zu bauen sein

- die Baumaterialien sollten einfach herzustellen sein

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8 2 Konzeption einer einfachen Apparatur zur Demonstration des Piezoeffekts

2.3 Der Bausatz

2.3.1 Der Piezokristall

Das Kernstück unserer Apparatur sollte ein piezoelektrischer Kristall sein, den man selbst mit einfachen Mitteln züchten kann. Wir entschieden uns für Seignettesalz (Kaliumnatriumtartrat Tetrahydrat), da dieses einfach erhältlich (es kann auch aus Weinstein Synthetisiert werden, s. Projektbericht zu Seignettesalz), ungiftig ist und einen großen piezoelektrischen Effekt zeigt.

Seignettesalzeinkristalle können einfach aus wässr. Lösungen nach dem Übersättigungsverfahren gezüchtet werden.6,7

Der erhaltene Kristall muss anschließend noch kontaktiert werden, um die entstehende Spannung abzugreifen. Dazu wurde handelsübliche Aluminiumfolie verwendet (Abb. 2).

6 Vorschrift zur Züchtung von Seignettesalzeinkristallen nach dem Übersättigungsverfahren: 500 g

Seignettesalz (Kaliumnatriumtartrat Tetrahydrat) wurden in 375 ml demin. Wasser unter Erwärmen gelöst. Man erhielt eine bei Raumtemp. übersättigte Lösung. Ein Teil dieser Lösung wurde in eine Petrischale gegossen und mit einem Filterpapier abgedeckt. Binnen eines Tages wuchsen kleine Impfkristalle, die entnommen und mit einem Papierhandtuch von der Lösung befreit wurden.

SchifferknotenAbbildung entliehen aus: Alan Holden, Phylis Singer,

, Verlag Kurt Desch München .Die Welt der Kristalle 1960 Die Impfkristalle wurden mit einem Schifferknoten an einem Nylonfaden befestigt und kurz in eine

leicht untersättigte Lösung von Seignettesalz gehängt. Am Kristall müssen Schlieren auftreten die nach unten sinken, dann löst sich der Kristall etwas an. Der angelöste Kristall wurde in die übersättigte Seignettesalzösung eingehängt und bei möglichst konstanter Temperatur gezüchtet. Dieser Vorgang kann mehrmals wiederholt werden bis die gewünschte Kristallgröße (ca. 5 cm Höhe) erreicht ist.

7 Alan Holden, Phylis Singer, Die Welt der Kristalle – Gestaltende Kräfte der Natur 1960, 107-108, Kurt

Desch Verlag München.

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2 Konzeption einer einfachen Apparatur zur Demonstration des Piezoeffekts 9

Abbildung 2: Kontaktierung eines Seignettesalzkristalls mit Aluminiumfolie. Hier ist nur eine Seite gezeigt, die Kontaktierung muß auch auf der gegenüberliegenden Seite des Kristalls durchgeführt werden.8

Zur Sichtbarmachung der Spannung haben wir eine handelsübliche Glimmlampe verwendet. An die Kontaktdrähte der Glimmlampe wurde ein kleines Stück Kupferblech angelötet. Die Beiden Kupferbleche wurden in Kontakt mit den beiden Folien gebracht (einfach zwischen die Folie am Kristall und der heraus gebogenen Lasche stecken). Zum Fixieren wurde der Kristall mit Parafilm® umwickelt.

2.3.2 Das „Fallbeil“

Da der Piezoeffekt bei Seignettesalz nur auftritt, wenn die Deformation des Kristalls schräg zur Raumdiagonalen erfolgt, muß die deformierende Kraft auch schräg wirken. Wir erdachten uns eine Holzapparatur, die dies konnte (Abb. 3).

8 Alan Holden, Phylis Singer, Die Welt der Kristalle – Gestaltende Kräfte der Natur 1960, 221,

Kurt Desch Verlag München.

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10 2 Konzeption einer einfachen Apparatur zur Demonstration des Piezoeffekts

Abbildung 3: Unser „Fallbeil“ mit dem eingebauten Kristall. Zum Schutz des Kristalles wurden Gummistücke und Hartplastikstücke verwendet.

Diese Apparatur funktionierte zuverlässig, und man konnte sehr gut das Glimmen der Glimmlampe sehen, wenn man den oberen Teil der Apparatur hob und fallen ließ.

Details zur Apparatur können dem Anhang entnommen werden.

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3 Zusammenfassung Wir konzeptionierten einen Bausatz für eine sehr einfache Apparatur zur Demonstration des Piezoeffekts. Diese Apparatur ließ sich mit einfachen Mitteln herstellen und leicht bauen.

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4 Literaturverzeichnis [1] Sokrates: gemeinschaftliches Aktionsprogramm im Bereich der allgemeinen Bildung (2000-2006) der Europäischen Union; Comenius: Europäische Zusammenarbeit auf dem Gebiet der Schulbildung.





[6] Vorschrift zur Züchtung von Seignettesalzeinkristallen nach dem Übersättigungsverfahren: 500 g Seignettesalz (Kaliumnatriumtartrat Tetrahydrat) wurden in 375 ml demin. Wasser unter Erwärmen gelöst. Man erhielt eine bei Raumtemp. übersättigte Lösung. Ein Teil dieser Lösung wurde in eine Petrischale gegossen und mit einem Filterpapier abgedeckt. Binnen eines Tages wuchsen kleine Impfkristalle, die entnommen und mit einem Papierhandtuch von der Lösung befreit wurden.

SchifferknotenAbbildung entliehen aus: Alan Holden, Phylis Singer,

, Verlag Kurt Desch München .Die Welt der Kristalle 1960

Die Impfkristalle wurden mit einem Schifferknoten an einem Nylonfaden befestigt und kurz in eine leicht untersättigte Lösung von Seignettesalz gehängt. Am Kristall müssen Schlieren auftreten die nach unten sinken, dann löst sich der Kristall etwas an. Der angelöste Kristall wurde in die übersättigte Seignettesalzösung eingehängt und bei möglichst konstanter Temperatur gezüchtet. Dieser Vorgang kann mehrmals wiederholt werden bis die gewünschte Kristallgröße (ca. 5 cm Höhe) erreicht ist.

[7] Alan Holden, Phylis Singer, Die Welt der Kristalle – Gestaltende Kräfte der Natur 1960, 107-108, Kurt Desch Verlag München.

[8] Alan Holden, Phylis Singer, Die Welt der Kristalle – Gestaltende Kräfte der Natur 1960, 221, Kurt Desch Verlag München.

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5 Anhang 13

5 Anhang An dieser Stelle ist eine Kurzanleitung zu unserer Demonstrationsapparatur abgeruckt.

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Bauanleitung für eineApparatur zur Demonstration

des Piezoeffekts

Otto Schäfer Georg-Kerschensteiner-Schule, Müllheim



im Rahmen des

Sokrates-Comenius Projekts

Synthese von Opalen

an der Georg-Kerschensteiner-Schule, Müllheim

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Züchtung von Seignettesalzeinkristallen

© copyright 2005 by Otto Schäfer und Stefan Müller, Georg-Kerschensteiner Schule, Müllheim/Baden

Abbildung entliehen aus: Alan Holden, Phylis Singer, Die Welt der Kristalle, Verlag Kurt Desch München 1960.

Präparation eines Seignettesalzkristalls

Die Elektroden bestehen aus handelsüblicher Aluminiumfolie die, wie in nebenstehender Abbildung gezeigt, an der den beiden wenig gewölbten, gegenüberliegenden Seiten des Seignettesalzkristalls angelegt werden.

In die gefalteten Laschen der Elektroden wird jeweils ein Kontakt einer Glimmlampe (ca. 65 V Zündspannung) gelegt. Die Kontakte der Glimmlampe wurden für diesen Zweck durch Anlöten von jeweils einem Kupferblech (20×3×0,25 mm; Vergoldung empfohlen) verlängert.

Zum Befestigen der Elektroden wird um den Kristall entlang der ®Seitenflächen Parafilm gewickelt. (Klebeband kann auch verwendet

werden, es weist aber eine geringe Leitfähigkeit auf und vermindert den Effekt.)

An den beiden flachen Stirnflächen des Kristalls werden mit Doppelklebeband zuerst ein zugeschnittenes Stück Gummi (ca. 1 mm dick) und ein ebenfalls zugeschnittenes Stück Kunststoff (ca. 7 mm dick) aufgeklebt.

SchifferknotenAbbildung entliehen aus: Alan Holden, Phylis Singer, Die Welt der Kristalle, Verlag Kurt Desch München 1960.

Züchtung der Impfkristalle

Seignettesalz (Kaliumnatriumtartrat) wurde bei Raumtemperatur in Wasser bis zur Sättigung gelöst. Diese Lösung wurde bei Raumtemp. in einer Petrischale Eindunsten gelassen. Die entstandenen Kristalle wurden entnommen und mit einem

®Schifferknoten an einem dünnen Perlon -Faden ( 0,2 mm) befestigt.

Æ

Züchtung der Kristalle

Voraussetzung: Raum mit möglichst konstanter Temperatur (maximal 1°/24h Temperaturschwankung).

Es wurde eine bei Raumtemperatur gesättigte wässrige Lösung von Seignettesalz hergestellt (bei 22°C 52,5 Massen.-%). Dieser Vorgang kann mehrere Tage dauern.In dieser Lösung wurden 2 Gew.-% Seignettesalz in der Wärme (ca. 30°C, nicht über 35°C) bis zum völligem Verschwinden der Kristalle gelöst.In diese, nun übersättigte Lösung wurde ein Impfkristall gehängt und das Gefäß gut verschlossen.Der Impfkristall muß zu diesem Zweck zuvor entkeimt werden, dazu wird er in eine halbgesättigte Seignettesalzlösung getaucht.

Innerhalb der nächsten Tage wächst der Impfkristall. Ist keine Größenzunahme mehr erkennbar, kann obiger Vorgang wiederholt werden, bis die gewünschte Größe erreicht ist.

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Plan der Apparatur

29

40

46

560155 17 20

Ober- und UnterteilMaterial: Buchenholz Maßstab: 1:1 Maße in mm

Bemerkung:Das Oberteil läuft mit seiner Schienenführung auf einem Kantholz (280×14×5,5 mm, Buche),daß in der Schienenführung des Unterteils verleimt ist.

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Materialliste

Seignettesalzkristall (30 × 30 × 20 mm)

Glimmlampe (Zündspannung ca. 65 V, Conrad: 72 52 00-55)

Kupferblech (20 × 3 × 0,25 mm; vergoldetes Kupferblech empfohlen)

Alufolie

Plastikklötzchen, z. B. PVC, 7 mm Dicke

Gummi 1 mm Dicke

Doppeklebeband

® TMParafilm "M" Laboratory Film, American National Can , Chicago IL.(alternativ: Klebeband)

Kantholz 280 × 14 × 5,5 mm

Holzblock 80 × 75 × 40 mm (Bearbeitung siehe Vorne)

Internet-Adressen:Conrad Elektronik http://www.conrad.com/

Abbildung des Aufbaus

2

4

5

1

3

1: Führungsstab2: Oberteil (läuft in Führungsschiene)3: Unterteil4: präparierter Seignettesalzkristall5: Glimmlampe

Die Glimmlampe leuchtet kurz wenn man das Oberteil auf den präparierten Kristall fallen läßt.

Unter Umständen ist es nötig die externe Beleuchtung zu verringern.

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Apparatur zur Demonstration des Piezoeffektsanlässlich des Besuchs der Delegationen des Lycée d'enseignement général et technologique Louis Armand Mulhouse und desBerzsenyi Dániel Gimnázium Budapest

am 17. bis 21.10.2005an der Georg-Kerschensteiner-Schule Müllheim

© 2005 by Otto Schäfer und Stefan Müller

Chemie der Werkstoffe/Struktur und Eigenschaften/Piezoeffekt

Otto Schäfer Georg-Kerschensteiner-Schule Müllheim



1: Führungsstab2: Oberteil (läuft in Führungsschiene)3: Unterteil4: präparierter Seignettesalzkristall5: Glimmlampe

Abbildung entliehen aus: Alan Holden, Phylis Singer, Die Welt der Kristalle, Verlag Kurt Desch München 1960.

Die Elektroden bestehen aus handelsüblicher Aluminiumfolie die, wie in nebenstehender Abbildung gezeigt, an der den beiden wenig gewölbten, gegenüberliegenden Seiten des Seignettesalzkristalls angelegt werden.

In die gefalteten Laschen der Elektroden wird jeweils ein Kontakt einer Glimmlampe (ca. 65 V Zündspannung) gelegt. Die Kontakte der Glimmlampe wurden für diesen Zweck durch Anlöten von jeweils einem Kupferblech (20×3×0,25 mm; Vergoldung empfohlen) verlängert.

®Zum Befestigen der Elektroden wird um den Kristall entlang der Seitenflächen Parafilm gewickelt. (Klebeband kann auch verwendet werden, es weist aber eine geringe Leitfähigkeit auf und vermindert den Effekt.)

An den beiden flachen Stirnflächen des Kristalls werden mit Doppelklebeband zuerst ein zugeschnittenes Stück Gummi (ca. 1 mm dick) und ein ebenfalls zugeschnittenes Stück Kunststoff (ca. 7 mm dick) aufgeklebt.

Bauanleitung

2

4

5

1

3

Die Glimmlampe leuchtet kurz wenn man das Oberteil auf den präpariertenKristall fallen läßt.

Unter Umständen ist es nötig die externe Beleuchtung zu verringern.

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Documents

Synthese von Opalen - GKS Müllheim · Einleitung Seite 7 – 46 Synthese von Opalen Stefan Müller, Otto Schäfer Seite 47 – 78 Berechnung von Modellen der 32 Kristallklassen und