Experimentalvortrag Anorganische Chemie

Catharina Schmitt1. Juli 2009

GLIEDERUNG

Eigenschaften von Oberflächen:• Einfluss der Größe• Katalytische Eigenschaften

Optimierung von Oberflächen:• Superhydrophobe Oberflächen• Schutzschichten• Eloxal-Verfahren

2

VERSUCH 1EISENWOLLE

Reaktivität der Oberfläche

3

AUSWERTUNG

Verwendeter Stoff:• Eisenwolle (Fe(s))

• Elektrische Zündung der Eisenwolle durch Hitzeentwicklung beim Stromfluss

4

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

6

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

9

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

10

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

11

VERSUCH 4PLATIN ALS KATALYSATOR

Katalytische Eigenschaften

12

AUSWERTUNG

Verwendete Stoffe:• Platinspirale (Pt(s))

• Methanol (H3COH(l))

Katalytische Oxidation:

13

-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

16

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

17

BESCHAFFENHEIT DER OBERFLÄCHE

18

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

19

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

23

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)

25

VERSUCH 5NATRONWASSERGLAS

„Ausschalten“ einer Eigenschaft

26

AUSWERTUNG

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

Verbrennung Holz:

27

-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

29

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

31

( ) + 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“

32

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))

33

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

34

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

36

--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)

37

+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

45

AUSWERTUNG

46

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).

47