KOLLOID DISPERSE SYSTEME

Vom Goldzum Geld machen

17.06.2009 Experimentalvortrag von David Zindel

2

1 GLIEDERUNG

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

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2 DEFINITION KOLLOID DISPERSER SYSTEME

Kolloide sind Partikel im Bereich zwischen 1 und 1000 nm.

Diese Partikel können fest, flüssig oder gasförmig sein und werden auch als disperse Phase bezeichnet.

Die Kolloide befinden sich gleichmäßig verteilt in einem Dispersionsmittel, dieses kann fest, flüssig oder gasförmig sein.

Kolloide werden in drei Klassen unterteilt:

Dispersionskolloide: Zerteilungsform der Materie

Molekülkolloide: Makromoleküle (103 – 109 Atome)

Assoziationskolloide (Micellkolloide): selbstorganisierte Systeme,

Bsp: Seifen und andere Tenside

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2 DEFINITION KOLLOID DISPERSER SYSTEME

disperse Phase

Dispersions-mittel

Bezeichnung

Beispiele

flüssig gasförmig Flüssige Aerosole

Nebel

fest gasförmig Feste Aerosole

Rauch, Staub

gasförmig flüssig Schaum Seifenschaum

flüssig flüssig Emulsion Milch, Kosmetika

fest flüssig Sol (Gel) Farben, Lacke

gasförmig fest Fester Schaum

Gasbeton

flüssig fest Feste Emulsion

Opal, Perlen

fest fest Feste Sole Goldrubinglas

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3 SOLID/LIQUID - SYSTEM

Versuch 1: Kolloidales GoldAusgangsstoffe:- Tetrachlorgoldsäure HAuCl4 C

- Natriumcarbonat Na2CO3 Xi

- Natriumcitrat C6H8O7

6

3 SOLID/LIQUID - SYSTEM

Auswertung

-OOC C COO

-

OH COO-

T -OOC COO

-

O

+ CO2

[AuCl4]-

+3

+1 +2

+4

32

3

2 Au +

+3

0

+ 3 H+

+ 8 Cl-

3

-OOC COO

-

O - CO2

-OOC

CH3

O

H3O+

H2O

H3O+

Acetondicarboxylat ß-Keto-Butanoat

-2 - 2+3 +3

++3

-2

+4

-3

CCH3

OO

H

O +3-2 -3

H2O+

ß-koto-Butansäure

7

3 SOLID/LIQUID - SYSTEM

Auswertung

O- CO2

Aceton

+4

-3 -3

+3-2 -3

CCH3

OOH

O +3-2 -3

ß-koto-Butansäure

-2 -3CH2 CH3

O

H

Enol

Keto-Enol-Tautomerie

Au ++

+

+ ++++

+ Au ++++

+ +++

+

-OOC COO

-

OH COO-

Citrate3- Citrate

3-

Citrate3-Citrate

3-

++

++

++

4

8

3 SOLID/LIQUID - SYSTEM

Die Farbigkeit der Goldkolloide beruht darauf, dass bestimmte Wellenlängen des sichtbaren Lichts durch die Kolloide absorbiert werden.

Abb.: Farbkreis, aus:http://www.rechtsklick.org/alt/online_lesen/Jahresarbeit_Komplett-img3.png

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3 SOLID/LIQUID - SYSTEM

Einsatz in Kirchenfenstern

Verwendung in Katalysatoren

Abb. Kirchenfenster der Kathedrale von Sevilla , aus: http://www.geo-reisecommunity.de/bild/regular/140601/Sevilla-Kathedrale.jpg

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3 SOLID/LIQUID - SYSTEM

Versuch 2: Kolloidales KupferAusgangsstoffe:- Kupfer Cu- Natriumchlorid NaCl- ention. Wasser H2O

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3 SOLID/LIQUID - SYSTEM

Auswertung

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )Hochspannungs

n s aq aq n s aq aqWechselstromCu mNa mCl Cu mCl mNa

Kupfer-Elektrode Kupfer-

Elektrode

NaCl-Lösung

KathodeAnode

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3 SOLID/LIQUID - SYSTEM

Auswertung

- Schematische Darstellung eines Kupferkolloids -

( )n sCu

( )aqNa

Cl

Das kolloidale Teilchen ist von einer stabilisierenden Doppelschicht aus Ionen umgeben. ( )aqNa

( )aqNa

( )aqNa

( )aqNa

( )aqNa

( )aqNa

( )aqNa

Cl Cl Cl

Cl

Cl Cl

Cl

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3 SOLID/LIQUID - SYSTEM

Tyndall-Effekt

Kolloidale Lösung

Lichtstrahl

Auge / Detektor

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3 SOLID/LIQUID - SYSTEM

Versuch 3: Ladungssinn von KolloidenAusgangsstoffe:- Eisenhydroxidoxid-Kolloide FeO(OH)- Salzsäure HCl C

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Auswertung Reduktion: Aufnahme von 2 Elektronen

+1 -2 -1 0 +1 -2 0

Oxidation: Abgabe von 2 Elektronen

Anode (Oxidation):

Kathode (Reduktion):

3 SOLID/LIQUID - SYSTEM

3 ( ) ( ) 2 2 ( ) 22 2 2Gleichstromaq aq lElektrolyse

H O Cl H H O Cl

1 0

2( )( )2 2gaqCl Cl e

1 0

3 2( )( ) 2 ( )2 2 2gaq lH O e H H O

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3 SOLID/LIQUID - SYSTEM

Auswertung- Schematische Darstellung eines

Eisenhydroxidoxid-Kolloids -

( )aqH

- PolKathode

+ PolAnode

( )aqCl

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3 SOLID/LIQUID - SYSTEM

Demonstration 1: „Echte“ und kolloidale LösungenAusgangsstoffe:- Gelatine - Methylorange (w = 0,001)- Tinte (w = 0,005) - Methylenblau (w = 0,0005)- Fuchsin (w = 0,0005) - Kupfersulfat (w = 0,05)

- kolloidales Berliner Blau (w ≈ 0,022 )- Eisenhydroxidoxid-Kolloid (w ≈ 0,001)- verdünntes kolloidales Berliner Blau (w ≈ 0,001)

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3 SOLID/LIQUID - SYSTEM

Beobachtung- Proben unmittelbar nach dem Überschichten -

Methylorange

KolloidaleTinte

Methylenblau

Fuchsin

Kupfersulfat

KolloidalesBerliner Blau

KolloidalesEisenhydroxidoxid

Gering konzentriertes Berliner Blau

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3 SOLID/LIQUID - SYSTEM

Beobachtung - Proben einen Tag nach dem Überschichten -

Methylorange Methylenblau KupfersulfatKolloidales

Eisenhydroxidoxid

KolloidaleTinte

Fuchsin KolloidalesBerliner Blau

Gering konzentriertes Berliner Blau

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3 SOLID/LIQUID - SYSTEM

Beobachtung- Proben eine Woche nach dem Überschichten -

Methylorange Methylenblau KupfersulfatKolloidales

Eisenhydroxidoxid

KolloidaleTinte

Fuchsin KolloidalesBerliner Blau

Gering konzentriertes Berliner Blau

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3 SOLID/LIQUID - SYSTEM

Auswertung

„echte“ kolloidale

Lösung Lösung (Berliner Blau)

(Fuchsin)

Gelatine

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3 SOLID/LIQUID - SYSTEM

Versuch 4: Fällung von KolloidenAusgangsstoffe:- kolloidales Berliner Blau

K[FeFe(CN)6] - Lösung

- Silberiodid-Sol AgI - Lösung- Aluminiumsulfat-Lösung Al2(SO4)3 - Lösung

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3 SOLID/LIQUID - SYSTEM

3( )2 aqn Al 2

4( )3 aqn SO

= K+

= Cl-

Auswertung

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3 SOLID/LIQUID - SYSTEM

Versuch 5: Berliner Blau: Vom Sol zum Gel zum SolAusgangsstoffe:- Kaliumhexacyanoferrat- Lösung K4[Fe(CN)6]-Lösung

- Eisen(III)chlorid – Lösung FeCl3-Lösung Xn

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3 SOLID/LIQUID - SYSTEM

Auswertung

42 3

( ) 3( )6( )

3 2

6 ( )( )

4

( ) 3

aq aqaq

aqaq

K Fe CN FeCl

K FeFe CN KCl

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3 SOLID/LIQUID - SYSTEM

Gelbildung

Koagulation

Peptisation

Kolloid Gel

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4 GAS/SOLID - SYSTEM

Demonstration 2: Gasbeton Ausgangsstoffe:

- Seesand (SiO2)

- Portlandzement (Kalk-Ton-Zement): Xi

CaO (58-66%), SiO2 (18-26%), Al2O3 (4-12%), Fe2O3 (2-5%), Ca3SiO5, Ca2SiO4, Ca3Al2O6, Ca2AlFeO5

- Aluminiumpulver Al F

- Wasser H2O

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Reduktion: Aufnahme von 6 Elektronen

AuswertungOxidation: Abgabe von 6 Elektronen

4 GAS/SOLID - SYSTEM

0 3 0

2( ) 2 3( )2 6 2 ( ) 3s sAl H O Al OH H

2 2( ) ( ) ( )3( ) 4 ( )

2 2 2aq aq aqs aqAl OH Ca OH Ca Al OH

2( ) 2 ( ) ( ) ( )2s l aq aqCaO H O Ca OH

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4 GAS/SOLID - SYSTEM

Reaktionen beim Aushärten des Zements: Calciumsilicate reagieren beim Aushärten

des Zements zu „Tobermoritphasen“.

2( ) 2( ) 3( ) 2 ( )( ) s g s lCa OH CO CaCO H O

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4 GAS/SOLID - SYSTEM

Die Gaseinschlüsse erfolgen im nm – Maßstab

rgasrgtartgartart

Aufnahme: 300 kV Hochauflösung im Transmissions-Elektronenmikroskop

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4 GAS/SOLID - SYSTEM

Ytong® Steineca. 1 Milliarde Euro Umsatz der Xella-Gruppe im Bereich Baustoffe (2008)

Abb. Ytong-Stein, aus: http://www.bau-docu.at/5/pdcnewsitem/00/82/65/ytong.jpg

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5 LIQUID/GAS - SYSTEM

Versuch 6a: NebelAusgangsstoffe:

- Trockeneis CO2

- heißes Wasser H2O

Versuch 6b: Kunstnebel- Propylenglycol C3H8O2

- Wasser H2O

OH

OH

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5 LIQUID/GAS - SYSTEM

Auswertung Versuch 6a

2( ) 2( )T

s gCO CO

2 ( ) 2 ( )

T

g lTH O H O

Abb.: Phasendiagramm des Wassers, aus: Hollemann, Wiberg, 2007

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5 LIQUID/GAS - SYSTEM

Auswertung Versuch 6b

Vorteil gegenüber Trockeneis- Ausgangsstoffe sind lang lagerungsfähig- geringer Aufwand bei der Lagerung- geringe Kosten bei gleichzeitiger Flexibilität der

Anwendung

3 8 2( ) 3 8 2( ) 3 8 2( )T T

l g lC H O C H O C H O

2 ( ) 2 ( ) 2 ( )T T

l g lH O H O H O

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6 LIQUID/SOLID - SYSTEM

Demonstration 3: OpalDer Opal ist ein amorphes Mineral der Zusammensetzung SiO2

. n H2O.

Opale entstehen durch Polykondensation von Kieselsäure. Dabei kommt es zur kolloidalen Einlagerung von Wasser.

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7 EINORDNUNG IN DEN LEHRPLAN

V1 - 10. Klasse Redoxreaktionen in wässriger Lösung

V2 - 10. Klasse Elektrolyse

V3 - 10. Klasse Elektrolyse, Redoxreaktionen Alternativ: Wahlthema im Bereich

Angewandte Chemie, 12. Klasse

D1 - 7. Klasse Diffusion im Teilchenmodell

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7 EINORDNUNG IN DEN LEHRPLAN

V4 - 12. Klasse Chemisches Gleichgewicht Fakultativ: im Bereich Abwasserreinigung, Fällungsreaktionen, 12. Klasse

V5 - 12. Klasse Chemisches Gleichgewicht

D2 - 10. Klasse Redoxreaktionen

V6 - 7. Klasse Aggregatzustände und Übergänge

D3 - 7. Klasse Erhitzen zur Stofftrennung, Stoffgemische

Optional und optimal: Projektwoche

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8 LITERATUR

Atkins, P. W., de Paula, J., Kurzlehrbuch Physikalische Chemie, 4. Auflage, Wiley-VCH, Winheim 2008.

Heinzerling, P., Nanochemie in der Schule: Eine historisch experimentelle Annäherung, in: PdN – ChiS (1/2006), S. 32 – 36.

Hoffmann, T., Kolloide, in: ChiuZ (1/2004), S. 24 – 35

Holleman, A. F., Wiberg, N., Lehrbuch der Anorganischen Chemie, 102. Auflage, Walter de Gruyter, Berlin 2007.

Jannasch, S., Duvinage, B., Eigenschaften von Kolloiden experimentell ermittelt, in: PdN – ChiS (7/2006), S. 25 – 28.

Kouetz, J., Kolloidchemie – Von der Alchemie zur Nanotechnologie, in: PdN – ChiS (7/2006), S. 2 – 4.

List, P. H., Arzneiformenlehre, Ein Lehrbuch für Pharmazeuten, 4. Auflage, Wissenschaftliche Verlagsgesellschaft, Stuttgart 1985.

Mortimer, C. E., Müller, U., Chemie. Das Basiswissen der Chemie, 9. Auflage, Thieme, Stuttgart 2007.

Pötter, M., Vom Stoffgemisch z den Kolloiden, in: PdN – ChiS (7/2006), S. 5 – 17.

Tuckermann, R., Wipper, K., Cammenga, H. K., Demonstrationsversuche zur Herstellung und zu den Eigenschaften von Kolloiden, in: PdN – ChiS (7/2006), S. 18 – 24.

Voigt, R., Pharmazeutische Technologie. Für Studium und Beruf, 7. Auflage, Ullstein Mosby, Berlin 1993.

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8 LITERATUR

http://images.google.de/imgres?imgurl=http://www.geo-reisecommunity.de/bild/regular/140601/Sevilla-Kathedrale.jpg&imgrefurl=http://www.geo-reisecommunity.de/bild/140601/Spanien-Sevilla-Kathedrale&usg=__ni3BPGht6x7SEPsxcRAa8phGgjA=&h=733&w=550&sz=105&hl=de&start=12&tbnid=_KfXARIR_qTGEM:&tbnh=141&tbnw=106&prev=/images%3Fq%3Dsevilla%2Bkathedrale%26gbv%3D2%26hl%3Dde

www.xella.de/downloads/deu/press/1_Xella_auf_Wachstumskurs_61.doc matsci.iw.uni-halle.de/Kressler/EDUCATION/lectures/VOScript6-PhysChemPharm.doc – http://books.google.de/books?id=t0t1g7CN0BMC&pg=PA59&lpg=PA59&dq=ausf%C3%A

4llen+von+kolloiden&source=bl&ots=BZ-KYsosgL&sig=mmRMnV9xP7qml3rislNFrQqEp10&hl=de&ei=GUUuSovGPMKwsAa6-oC_CQ&sa=X&oi=book_result&ct=result&resnum=1

http://www.rechtsklick.org/alt/online_lesen/Jahresarbeit_Komplett-img3.png http://www.bau-docu.at/5/pdcnewsitem/00/82/65/ytong.jpg

http://darwin.bth.rwth-aachen.de/opus3/volltexte/2006/1371/pdf/Noyong_Michael.pdf