Experimentalvortrag Anorganische Chemie
Catharina Schmitt1. Juli 2009
GLIEDERUNG
Eigenschaften von Oberflächen:• Einfluss der Größe• Katalytische Eigenschaften
Optimierung von Oberflächen:• Superhydrophobe Oberflächen• Schutzschichten• Eloxal-Verfahren
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VERSUCH 1EISENWOLLE
Reaktivität der Oberfläche
3
AUSWERTUNG
Verwendeter Stoff:• Eisenwolle (Fe(s))
• Elektrische Zündung der Eisenwolle durch Hitzeentwicklung beim Stromfluss
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3+ 2+ -(s) Fe 2 Fe + Fe + 8 eOxidation: 3
- 2-22 g O + e O( ) 2Reduktion: 2 8
±0 ±0 +2 -2 +3 -2
(s) 2(g) 2 3(s) FeO 3 Fe + 2 O Fe OGesamt:
WIRKUNG DER GROẞEN OBERFLÄCHE
• Durch größere Oberfläche besserer Luftzutritt zu den einzelnen Eisenfäden mehr Sauerstoff zur Verbrennung
Reaktivität nimmt mit größerer Oberfläche zu
5
Schüth, F. ChiuZ, 2006, 40, 94.
VERSUCH 2BÄRLAPPSPOREN
Veränderung der Reaktivität
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AUSWERTUNG
Verwendeter Stoff:• Bärlappsporen (Lycopodium)
Hoher Zerteilungsgrad: Große Oberfläche bei kleinem VolumenPartikel entzünden sich schlagartigZündung bereits durch Funken möglich
7
http://www.michls.de/img/0308109.jpg
WIRKUNG DER GROẞEN OBERFLÄCHE
• Lycopodium wurde bereits im Mittelalter zu pyrotechnischen Effekten verwendet
• 1979 Mehlstaubexplo-sion in der Bremer Rolandmühle (14 Tote)
Nochmals erhöhte Reaktivität durch feinverteilte Partikel
8http://mino-engineering.combite.info/Data/bilder/Staubexplosion_2.jpg.
VERSUCH 3AKTIVKOHLE
Größe der Oberfläche
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AUSWERTUNG
Verwendete Stoffe:• Aktivkohle (Cn(s))• Rotwein (Anthocyane)
Adsorption der Farbstoffe des WeinsAktivkohle ist mikrokristalliner, porenreicher
KohlenstoffGroße innere Oberfläche von bis zu 1000 m2/g
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http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/9/97/Aktivkohlerp.jpg.
VERWENDUNG
• Porenradien von 10 bis 50 Å• Kann bis zu 50% ihrer Masse an organischen
Substanzen aufnehmen
Verwendung: • Entfernen von Farbstoffen; Reinigen von Gasen • Kohletabletten in der Medizin• Bestandteil des Schwarzpulvers
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VERSUCH 4PLATIN ALS KATALYSATOR
Katalytische Eigenschaften
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AUSWERTUNG
Verwendete Stoffe:• Platinspirale (Pt(s))
• Methanol (H3COH(l))
Katalytische Oxidation:
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-2 ±0 ±0<Pt >
(g)3 (l) (g)C H OH H C HO + 2 H ±0 ±0 +1 -2
<Pt >(g) 22(g) (g)4 H + O 2 H O
-1RΔ H/kJ mol = - 156,3
AUSWERTUNG
Verbrennung:
14
-2 ±0 +4 -2 -2
455Pt
2(g) 2(g) (g)3 (g) 2C2 H C OH + 3 O 2 C O + 4 H O
Pt22(g) 2(g) (g)(g) CH C HO + O C O + H O
±0 ±0 +4 -2 -2
424
-1RΔ H/kJ mol = - 675,7
HETEROGENE KATALYSE
• Katalysator und Reaktanden liegen in unterschiedlichen Phasen vor
• Katalyse an der Oberfläche von Feststoffen• Selektive Beschleunigung von
Reaktionen• Döbereiner Feuerzeug 1823• Heute: 90% aller chemischen
Prozesse in der Industrie katalysiert
15Schüth, F. ChiuZ, 2006, 40, 92.
BESCHAFFENHEIT DER OBERFLÄCHE
• Katalysatoroberfläche nicht glatt, sondern mit Poren, Kanten und Vertiefungen versehen
• Je größer die spezifische Oberfläche, desto aktiver ist der Katalysator
• Häufig Beschichtungen von Oberflächen mit kleinsten Partikeln
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Aktive Stellen
AdsorptionaufTerrassen
Schüth, F. ChiuZ, 2006, 40, 94.
REAKTIONSSCHRITTE
1.Diffusion zum Katalysator
2.Adsorption auf Oberfläche (Terrasse)
3.Diffusion zur aktiven Stelle
4.Reaktion5.Desorption
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BESCHAFFENHEIT DER OBERFLÄCHE
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Nach 6 Minuten Nach 120 Minuten
Aktive Stellen: Spaltung von NO am Ruthenium-Katalysator
Ertl, G. Journ. Molec. Cat. A:Chemical ,182-183 ,2002 ,9 . Ertl, G. Journ. Molec. Cat. A:Chemical ,182-183 ,2002 ,9 .
DEMO 1LOTUS-EFFEKT
Optimieren einer Eigenschaft
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AUSWERTUNG
Verwendete Stoffe:• Beschichtetes Stofftuch• Wasser (H2O(l))
20http://fotos.piqs.de/9/d/c/1/7/095d347f038f93d08d82c9a2e0b5f768.jpg.
GESCHICHTE DES LOTUS-EFFEKTS
• Selbstreinigung des Lotus-Blattes bereits seit 2000 Jahren bekannt
• Erst ab den 1970er Jahren intensiver erforscht (Kapuzinerkresse)
• 1990 erstmalige technische Umsetzung des Effektes
• Darstellung einer optimierten Oberfläche• Heute: Große Bedeutung in der
Materialwissenschaft21
WORAUF BERUHT DER EFFEKT?• Geringe Benetzbarkeit der
Oberfläche• Lotus-Effekt: hydrophobe und
raue Oberfläche -> superhydrophob
• Lufteinschluss zwischen Oberfläche und Tropfen
• Einnahme der Kugelform (kleinste Oberfläche)
22Fröba, M. ChiUZ, 2004, 38, 169.
TROPFENFORM
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Kohäsionskraft: Anziehung zwischen Molekülen der FlüssigkeitAdhäsionskraft: Anziehung zwischen Flüssigkeit und OberflächeLotus-Effekt: Kontaktwinkel von bis zu 170°
Fröba, M. ChiUZ, 2004, 38, 167.
WARUM SELBSTREINIGEND?
• Glatte Oberfläche: Schmutz und Tropfen haften relativ gut
• Raue Oberfläche: Tropfen und Schmutz haften schlechter
• Tropfen kann Schmutzpartikel aufnehmen
24Fröba, M. ChiUZ, 2004, 38, 169.
EINSATZBEREICHE
• Bauindustrie (Fassadenfarbe, Dachziegel)• Badfliesen• selbstreinigende Gläser• Kunststofffolien• Beschichtungen von Outdoor-Kleidung• Pharmaindustrie• Kosmetik (Nagellack)
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VERSUCH 5NATRONWASSERGLAS
„Ausschalten“ einer Eigenschaft
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AUSWERTUNG
Verwendete Stoffe:• Natronwasserglas-Lösung (Na2SiO3(aq); w = 0,35)• Holz
Verbrennung Holz:
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-2
n(s) 2(g) 2(g)C + n O n C O±0 ±0 +4
AUSWERTUNG
28
http://www2.hu-berlin.de/agrar/boden/EinfBoku/pcboku10.agrar.hu-berlin.de/cocoon/boku/silicat_ketten.jpg.
Natronwasserglas-Lösung besteht aus Ketten-Silicaten [SiO3
2-]x
„Verbrennung“ mit Natronwasserglas-Lösung:• Silicatschicht erschwert Luftzutritt• Kristallwasser verdampft• Hitzebeständiger Wasserglasschaum entsteht
VERSUCH 6PHOSPHATIEREN EINES
EISENNAGELS
„Ausschalten“ einer Eigenschaft
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AUSWERTUNG
Verwendete Stoffe:• Zink-Pulver (Zn(s))
• Phosphorsäure (H3PO4(aq); w = 0,85)
• Eisennagel (Fe(s))
Hopeit30
( )
+1 ±0 +2 ±0
43 (s) 2(g)aq 2 4 2(aq)2 H PO + Zn Zn(H PO ) + H
( )- 2+ +
2 4 (aq) (aq) 2 (l) 3 4 2 2 (s) aq2 (H PO ) + 3 Zn + 4 H O Zn (PO ) 4 H O + 4H
AUSWERTUNG
Phosphophylit
• Erzeugung einer nichtmetallischen anorganischen Schutzschicht
• Hitzebeständig bis ca. 200°C
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( ) + 2+2(g)s (aq) (aq)2 Fe + 4 H 2 Fe + 2 H
±0 ±0
( )2+ 2+ - +
(aq) (aq) 2 4 (aq) 2 (l) 2 4 2 2 (s) aqFe + 2 Zn + 2 (H PO ) + 4 H O Zn Fe(PO ) 4 H O + 4 H
ANWENDUNG
• Korrosionsschutz für Werkstoffe wie z. B. Stahl• Kein dauerhafter Korrosionsschutz, aber v. a.
in der Autoindustrie zur Grundierung vor der Lackierung eingesetzt
Unerwünschte Eigenschaft „ausgeschaltet“
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https://www.fh-muenster.de/fb3/downloads/werkstofftechnik/Oberflaechentechnik/OT_4.1.1_Phosphatieren.pdf
NACHWEIS
Verwendete Stoffe:• Kaliumhexacyanoferrat(III) (K3[Fe(CN)6](aq);
w = 0,01)• Natriumchlorid (NaCl(aq); w = 0,006)
• Eisennagel (Fe(s))
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2+ +(aq) 3 6 (aq) 3 6 2(s) (aq)3 Fe + 2 K [Fe(CN) ] Fe [Fe(CN) ] + 6 K
Berliner Blau
DEMO 2ELOXAL-VERFAHREN
Schützen einer Oberfläche
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AUSWERTUNG
Verwendete Stoffe:• Aluminiumblech (Al(s))
• Natronlauge (NaOH(aq); w = 0,15)
• Salpetersäure (HNO3(aq); w = 0,2)
• Schwefelsäure (H2SO4 (aq); w = 0,15)
• Aluminiumkathode (Al(s))35
AUSWERTUNG
1) Beize
2) Säurebeize
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--3(s) (aq) 4 (aq)
Al(OH) + OH Al(OH)
±0 +1 +3 ±0
(s) 2 2(g)(l) 3(s)2 Al + 6 H O 2 Al(OH) + 3 H
- -3(aq) (aq) 2 (l) 3 (aq)HNO + OH H O + NO
ELOXAL-VERFAHREN
3) Elektrolytische Oxidation von Aluminium
(ca. 30 Minuten bei 0,5 A und 10 V)
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+1 ±0 +1
Kathode : + -3 2(g) 2(aq) (l)6 H O + 6 e 3 H + 6 H O
±0
Anode : 3+ -(s) (aq)2 Al 2 Al + 6 e
3+ +(aq) 2 (l) 3(s) (aq)2 Al + 6 H O 2 Al(OH) + 6 H
3(s) 2 3(s) 2 (l)2 Al(OH) Al O + 3 H O
MODELL DES ELOXAL-VERFAHRENS
38
I: Aluminium geht in Lösung; es bildet sich eine Al2O3-SchichtII: Unregelmäßigkeiten auf der OxidoberflächeIII: Poren bilden sich aus; Ausbildung der SperrschichtIV: Gleichmäßige Ausbildung der PorenV: Poren wachsen weiter an
Sperrschicht wandert immer tiefer in das AluminiumFröba, M. ChiUZ, 2004, 38, 166.
ERZEUGTE OBERFLÄCHE
39
Fröba, M. ChiUZ, 2004, 38, 166.
• Oxidschicht kann bis zu mehreren hundert µm dick werden• Poren wachsen senkrecht zur Aluminiumschicht• Parallele Ausrichtung• Zylindrische Form
VERSUCH 7FÄRBEN DES WERKSTÜCKS
Färben einer Oberfläche
40
AUSWERTUNG
Verwendete Stoffe:• Natriumacetat (CH3COONa(aq); w = 0,01)
• Eisessig (CH3COOH(l))• Eosin (w = 0,005)
pH-Wert der Lösung: pH 5,841
O
Br
O
BrBr
O
Br
OOC
Na
Na
AUSWERTUNG
42
a: Adsorptives Verfahren: Organische Farbstoffe lagern sich im Bereich der Porenöffnungen einb: Elektrochemisches Verfahren: Metallpigmente lagern sich im Poreninneren einc: Kombination aus a und b
Fröba, M. ChiUZ, 2004, 38, 167.
SCHULRELEVANZ
• Oxidbildung: Klasse 7 (V1)• Elektrolyse: Klasse 8, 10 und 12 (D2)• Redoxreaktionen: Klasse 10 (V1, V6, D2)• Metalle als Werkstoffe: Klasse 10 und 12 (V6, D2)• Katalyse: Klasse 12 (V4)• Zerteilungsgrad: Klasse 12 (V2)• Korrosionsschutz: Klasse 12 (V6)• Silicate: Klasse 12 (V5)
43
DEMO 3VERDICHTEN DES WERKSTÜCKS
Färben einer Oberfläche
44
AUSWERTUNG
Verwendete Stoffe:• Ammoniumacetat (CH3COONH4 (aq); w = 0,01)
• Eisessig (CH3COOH(l))
pH-Wert der Lösung: pH 6Werkstück für 30 Minuten in kochender Lösung
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AUSWERTUNG
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100°C2 3(s) 2 (l) 3(s)Al O + 3 H O 2 α - Al(OH)
100°C3(s) 2 (l) (s) 2 (l)α - Al(OH) + H O γ - AlO(OH) + 2 H O
Fröba, M. ChiUZ, 2004, 38, 166. Fröba, M. ChiUZ, 2004, 38, 166.
LITERATURBriehl, H., Chemie der Werkstoffe, B.G. Teubner, Stuttgart, 1995, 143-146.Hollemann, A. F., Wiberg, E. und N., Lehrbuch der Anorganischen Chemie, 102. Auflage, Walter de Gruyter,
Berlin, 2007.Mortimer, Ch. E., Müller, U., Chemie – Das Basiswissen der Chemie, 8. Auflage, Thieme, Stuttgart, 2003.Roesky, H. W., Möckel, K., Chemische Kabinettstücke, Wiley-VCH, Weinheim, 1994, S. 234-235.Battino, R., Letcher, Rivett, D. E. A., Krause, P. Journal of Chemical Education, 1993, 70, 1029-1030.Ertl, G. Journal of Molecular Catalysis. A: Chemical ,182-183 ,2002 ,5-16 .Fröba, M, Scheld, W., Gath, C., Hoffmann, F. Chemie in unserer Zeit, 2004, 38, 162-171.Gorst, I., Sieve, B., Pfeifer, P. Naturwissenschaften im Unterricht – Chemie, 2009, 109, 14-17.Schüth, F. Chemie in unserer Zeit, 2006, 40, 92-103.Sieve, B. Naturwissenschaften im Unterricht – Chemie, 2009, 109, 11-13.Sieve, B. Naturwissenschaften im Unterricht – Chemie, 2009, 109, 24-29.http://www.chemie.uni-erlangen.de/Zaubervorlesung/weisswein.html (letzter Zugriff: 04.05.2009, 19.31
Uhr).http://netexperimente.de/chemie/44.html (letzter Zugriff: 04.05.2009, 19.37 Uhr).http://www.chemie.uni-ulm.de/experiment/edm0798.html (letzter Zugriff: 04.05.2009, 19.48 Uhr).http://www.uni-siegen.de/fb8/chemiedidaktik/dokumente/wvmat/protokoll_ vom_25.05.2009_-
_gruppe_d.pdf?m=e (letzter Zugriff: 28.06.2009, 21.03 Uhr).https://lp.uni-goettingen.de/get/text/2570 (letzter Zugriff: 28.06.2009, 21.53 Uhr).http://www.seilnacht.com/versuche/katal2.html#4 (letzter Zugriff: 30.06.2009, 12.08 Uhr).
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