12.04.23

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Kamil SmolikMarco ZiegerickChristian Lüder

Kolloide und Nanopartikel

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Inhaltsverzeichnis

1. Kolloide

1.1. Einleitung

1.2. Einteilung und Eigenschaften von Kolloiden

1.3. Herstellung

1.4. Anwendung & Vorkommen

2. Nanopartikel

2.1. Carbon Black

2.2. Fullerene & Nanotubes

2.3. Pyrogene Kieselsäure

Kolloide und Nanopartikel

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Kolloide: Einleitung

Definition

aus gr. kolla (=Leim) und eidos (=Form, Aussehen) IUPAC 1971: mind. eine Dimension im Bereich von 1nm -1000nm Molekulardisperse (<10 Å), kolloiddisperse (100-1000 Å), grobdisperse (>10000 Å) Systeme Kolloidales System : disperse Phase, Dispersionsmittel disperse Phase, Dispersionsmittel können Feststoff, Flüssigkeit, Gas sein unscharfer Sammelbegriff, starre Definition unnötig restriktiv

Thomas Graham * 21.12.1805 in

Glasgow † 11. 09.1869

in London

Richard Zigmondy * 01.04.1865 in

Wien † 23. 09.1929

in Göttingen Nobelpreis

1925

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Kolloide: Einleitung

Größenordnung

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Kolloide: Einleitung

Größenordnung

Elektronenmikroskop: a) anorg. Kolloidnetzwerke b) Eisenkolloide c) org. Kolloid d) Tonkolloid

unter dem Lichtmikroskop nicht sichtbar

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Kolloide: Einteilung

Kolloidale Systeme

Disperse Systeme Makromolekulare Kolloide Assoziationsmoleküle Biologische Kolloide Dreiphasen-Kolloidsysteme

Beispiele Klasse Disperse Phase Dispersionsmittel

Nebel, Dunst Flüssige Aerosole Flüssigkeit Gas

Rauch Festes Aerosol Feststoff Gas

Milch, Butter, Mayonnaise, Salben

Emulsionen Flüssigkeit Flüssigkeit

Anorg. Kolloide (Gold, Farben, AgI)

Sols oder kolloidale Dispersionen

Feststoff Flüssigkeit

Silicagel Xerogele Phase kontinuierlich

Phase kontinuierlich

Schäume Schaum Gas Flüssigkeit

Frisches Silicagel

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Kolloide: Einteilung

Beispiele Klasse Disperse Phase

Dispersions-mittel

Gelees, Leim Gelee Makro-moleküle

Lösungs-mittel

Kolloidale Systeme

Disperse Systeme Makromolekulare Kolloide Assoziationsmoleküle Biologische Kolloide Dreiphasen-Kolloidsysteme

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Kolloide: Einteilung

Beispiele Klasse Disperse Phase

Dispersions-mittel

Wasser / Tenside

- Micellen Lösungs-mittel

Kolloidale Systeme

Disperse Systeme Makromolekulare Kolloide Assoziationsmoleküle Biologische Kolloide Dreiphasen-Kolloidsysteme

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Kolloide: Einteilung

Beispiele Klasse Disperse Phase

Dispersions-mittel

Blut - Blut-körperchen

Serum

Knochen - Apatit Kollagen

Muskeln, Zell-membranen

- Protein-strukturen

Dünne Lecithinfilme

Kolloidale Systeme

Disperse Systeme Makromolekulare Kolloide Assoziationsmoleküle Biologische Kolloide Dreiphasen-Kolloidsysteme

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Kolloide: Einteilung

Beispiele Klasse Koexistente Phasen

Erdölhaltiges Gestein

Poröses Gestein Öl, Wasser

Mineralflotation Mineral Wasser, Luftblasen od. Öltröpfchen

Doppel-emulsionen

Öl Wässrige Phase, Wasser

Kolloidale Systeme

Disperse Systeme Makromolekulare Kolloide Assoziationsmoleküle Biologische Kolloide Dreiphasen-Kolloidsysteme

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Kolloide: Eigenschaften

Stabilität

(nach Staudinger)

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Kolloide: Eigenschaften

Stabilität

Schutzkolloide: hydrophile (lyophile) Kolloide, die hydrophobe (lyophobe) Kolloide umhüllen Stabilisierende Effekte: elektrostatische Abstoßung, sterische Effekte

Zerstörung der kolloiden Lsg. : Erwärmung Elektrolytzusatz (Schulze-Hardy-Regel)

Hydrophobes Kolloid (Arsentrisulfid)

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Kolloide: Eigenschaften

Faraday-Tyndall-Effekt

Links: echte Lösung Rechts: kolloidale Lösung bzw. Sol

Das Licht wird nur beim Sol gestreut!

Lichtquelle (z.B. Laserpointer)

John Tyndall * 02.08.1820 in

Irland † 04. 12.1893 in

Hindhead

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Kolloide: Eigenschaften

Faraday-Tyndall-Effekt

Anwendung als „Goldrubinglas“ Lycurgus-Kelch aus dem Britischem Museum (4. Jh. n. Chr.) Links: Auflicht Rechts: Durchlicht

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Kolloide: Eigenschaften

Thixotropie

Nicht-Newtonsches Fluid Vorgang reversibel Gegensätzliches Verhalten: Rheopexie

Ketchup

Joghurt

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Inhaltsverzeichnis

1. Kolloide

1.1. Einleitung

1.2. Einteilung und Eigenschaften von Kolloiden

1.3. Herstellung

1.4. Anwendung & Vorkommen

2. Nanopartikel

2.1. Carbon Black

2.2. Fullerene & Nanotubes

2.3. Pyrogene Kieselsäure

Kolloide und Nanopartikel

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Kolloide: Herstellung

Mechanisches Verfahren

Kolloidmühle

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Kolloide: Herstellung

Chemische Verfahren

Herstellung von Cassiusschem Goldpurpur (kolloidales Gold)

2 Au3+ + 3 Sn2+ + 6H2O 2 Au + 3 SnO2 + 12 H+

Sehr empfindliche Reaktion, Nachweisgrenze = 0,01ppm!

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Kolloide: Herstellung

Chemische Verfahren

Kieselsäure

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Kolloide: Herstellung

Chemische Verfahren

Sol - Gel - Alterung

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Kolloide: Herstellung

Chemische Verfahren

Kolloidales Antimon(III)-sulfid, Sb2S3

K+Sb3+[C4H2O6]4- + H2S Sb2S3 + K+3H+[C4H2O6]

4-

„Kaliumantimon(III)-tartrat“ „kolloidales Antimon(III)sulfid“

„ 2 Sb3+ + 3 S2- Sb2S3 “

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Kolloide: Herstellung

Stabilisierung: Dialyse

Verfahren, um Haltbarkeit von kolloidalen Lösungen zu erhöhen

Ein Dialysator (Membran) ist nur für niedermolekulare Stoffe durchlässig, nicht für

Kolloide

Ionen werden somit aus dem Reaktionsgemisch entfernt

Verfahren abhängig von Temperatur, Viskosität und Konzentrationsgefälle

Beschleunigung durch elektrisches Feld möglich (Elektrodialyse)...

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Kolloide: Herstellung

Stabilisierung: Elektrodialyse

Stapel aus Anionen- und Kationentauschermembranen

Anionen wandern zur Anode,Kationen zur Kathode

Ionen werden nur von Membran mitgleicher Ladung aufgehalten

Anreicherung der Ionen in Zellenmit „ungerader Nummerierung“

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Kolloide: Anwendung & Vorkommen

Vorkommen in der Natur

Milch (flüssig – flüssig)fein verteilte Fetttröpfchen in der MilchØ = 1-2 µm („homogenisiert“)

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Kolloide: Anwendung & Vorkommen

Vorkommen in der Natur

Lichtstreuung im Nebel (flüssig – gasförmig) (Ø = 10 - 40 µm)

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Kolloide: Anwendung & Vorkommen

Vorkommen in der Natur

Rauch eines Streichholzes (fest – gasförmig) (Ø = 10 - 300 nm)

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Kolloide: Anwendung & Vorkommen

Vorkommen in der Natur

Kolloidales Gold vs. Danziger Goldwasser

Kolloid

kein Kolloid

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Kolloide: Anwendung & Vorkommen

Anwendung

Industrielle Aspekte Hauptanwendungen in der Industrie

Herstellung stabiler Kolloide Farben, Tinten, pharmazeutische und kosmetische Präparate, Lebensmittel, Bohrschlämme, Farbstoffe, landwirtschaftliche Chemikalien, Schäume zur Brandbekämpfung

Einsatz kolloidaler Dispersionen in industriellen Verfahren

Tonguss, Zement und Gips, Papierbeschichtung, Magnettonbänder, fotographische Produkte, Gasadsorber und Stützkatalysatoren, chromatographische Absorber, Membranherstellung

Nutzung kolloidaler Phänomene Waschmittelherstellung, kapillare Phänomene ( Benetzung von Pulvern, verbesserte Ölrückgewinnung, Wechselwirkungen Wasser / Boden), Mineralflotation, Adsorption von Verunreinigungen, Rückgewinnung von Lösungsmitteln, elektrolytische Farbauftragung

Handhabung der Kolloide Rheologie (Pumpen von Dispersionen und Aufschlämmungen, Umrühren in Reaktoren), Klumpenbildung und Fließen von Pulvern

Zerstörung unerwünschter Kolloide Wasserreinigung, Verfeinern von Wein und Bier, Kläranlagen, Brechen von Ölemulsionen und Schäumen, Entwässerung von Klärschlämmen, Auflösen von Aerosolen und Dämpfen, Beseitigung von radiaktiven Abfällen

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Kolloide: Anwendung & Vorkommen

Anwendung

Rauchmelder

Normale Atemluft streut praktisch kein LichtLicht einer Infrarotdiode wird am Rauch gestreutLicht trifft auf PhotozelleAlarmauslösung

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Kolloide: Anwendung & Vorkommen

Anwendung

Lacke und Farben

Feste Pigmentteilchen in einem DispersionsmediumNach dem Auftragen verdunstet das DispersionsmediumPigmentteilchen verbleiben auf Oberfläche

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Inhaltsverzeichnis

1. Kolloide

1.1. Einleitung

1.2. Einteilung und Eigenschaften von Kolloiden

1.3. Herstellung

1.4. Anwendung & Vorkommen

2. Nanopartikel

2.1. Carbon Black

2.2. Fullerene & Nanotubes

2.3. Pyrogene Kieselsäure

Kolloide und Nanopartikel

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Nanopartikel: Carbon Black

Primärteilchen aus bis 1500 Kristalliten

unbehandeltes Carbon Black besitzt flockiges Aussehen

C-Gehalt um 95%

Primärteilchen sind Annähernd kugelförmig

Aggregate aus Ketten bzw. traubenförmig verzweigt

Sehr große spezifische Oberfläche von 80-100m²/g

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Wichtigste Eigenschaften sind:

Primärteilchengröße => spezifische Oberfläche

Struktur (Verkettungs- bzw. Verzweigungsgrad der Primärteilchen)große Anzahl von Primärteilchen => hohe Struktur Kleine Aggregate => niedrige Struktur

Aggregate bilden Agglomerate

Nanopartikel: Carbon Black

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Chemischer Prozess Herstellungsverfahren RohstoffeFurnace Black Verfahren Aromatische Öle auf Basis

von Steinkohle, Erdöl oder Erdgas

Degussa Gas Black-Verfahren Steinkohlenteerdestilate

Lamp Black-Verfahren Aromatische Öle auf Basis von Steinkohle oder Erdöl

Thermische Spaltung Thermal Black-Verfahren Erdgas (bzw. Öle)

Acethylen Black-Verfahren Acethylen

Herstellungsverfahren / Rohstoffe

Thermisch-oxidative Spaltung

Nanopartikel: Carbon Black

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Furnace Black-Verfahren

Primärteilchen von von 10-80nm

gute Regulierbarkeit von Teilchengröße und spezifischer Oberfläche

Carbon Black‘s enthalten geringe mengen organische Bestandteile

Nanopartikel: Carbon Black

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Anwendungen

Als Füllstoff in der Reifen-Industrie

Als Schwarzpigment in Farben und Lacken

Zum Einfärben von Polymerkunststoffen

Nanopartikel: Carbon Black

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Fullerene

Graphitischer Kohlenstoff

Kugel- oder ellipsoidförmige Struktur

Sind nicht elektrische Leitend

Im Festzustand schwarz, gut löslich in polaren Lösemitteln Fulleren Farbe

C36 goldgelb

C60 intensiv rotviolett

C70 weinrot

C76 hell gelbgrün

C84 olivgrün

Farben von Fullerenlösungen

Nanopartikel: Fullerene und Nanotubes

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Nanopartikel: Fullerene

C60 (Buckminster-Fulleren)

12 C5-Ring, 20 C6-Ringe

60 Ecken, 80 Kanten, 32 Flächen

Durchmesser 7,02Å

Alle C-Atome sp² hybridisiert

Senkrecht zum Gerüst p-Orbitale

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Darstellung

geschlossene Helium/Argon Atmosphäre bei 100-200mbar

Bildung von Nanotubes an Fe, Co, Ni Partikeln

Nanotubes noch zu unrein und zu teuer für großtechnischen Maßstab

Nanopartikel: Fullerene

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Zylinder mit Durchmesser einiger Nanometer

Länge bis 20cm

Von Fullerenhalbkugeln verschlossen

Mehrzylindrische Nanoröhren möglich

Durchmesser einschaliger Nanoröhren 0,4-3nm

Besitzen gute elektrische und Wärmeleitfähigkeit

Nanopartikel: Nanotubes

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Struktur

Chirale Indizes (n,m)armchair (n=m)zigzag (m=0)chiral (nm)

Nanopartikel: Nanotubes

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Chemische Modifikation

Auftrennung der Nanoröhren-Bündel mittels Ultraschallbehandlung in einem Tensidbad

Reaktivität am höchsten an den C5-Ringen der Fulleren-Kappen und an Defektstellen der Röhrenwand

Durch Bad in konz. HNO3 und H2SO4

Öffnung der Kappen und Bildung von Löchern in den Wänden

Nanopartikel: Nanotubes

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Anwendungen

Nanofiltration

Als Messonden

Kontrollierte Einschleusung und Freisetzung von Medikamenten

Gerichtetes Zellwachstum auf Oberflächen

Mechanisch verstärkte Verbundmaterialien

Spitze für Rastersondenmikroskopie

Nanopartikel: Nanotubes

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Darstellung

Nanopartikel: pyrogene Kieselsäure

Verschmelzung zu Aggregaten (100-1000nm)

Beim abkühlen Bildung von flockigen Agglomeraten aus den Aggregaten (1-250m)

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hydrophil / hydrophobe Kieselsäure

Silanolgruppen sind reaktionsfähige Zentren

Durch Umsetzung der Silanolgruppen mit Organosiliciumverbindungen hydrophobe Eigenschaften

Durch Hydrophobierung Reduktion der Feuchtigkeitsaufnahme

Nanopartikel: pyrogene Kieselsäure

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Auswirkungen von Kieselsäure in flüssigen/festen Systemen

Modifizierung der Fließeigenschaften

Variation oder Erzeugung thixotropen Verhaltens

Viskositätserniedrigung bei Scherbelastung

Erhöhung von Reißfestigkeit und Härte

Nanopartikel: pyrogene Kieselsäure

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Quellen

Bücher: Hollemann, Wiberg, Lehrbuch der Anorganischen ChemieM. Binnewies, M. Jäckel, H. Wilner, G. Rayner-Canham, Allgemeine und Anorganische ChemieK. Balasubramaniam, M. Burghard, Chem. Unserer Zeit, 2005, 39, 16-25Wacker, Silicones, HDKC. Müller, S. Rohr, F. Müller, Chemie in unserer Zeit / 29. Jahrg. 1995 / ATV. 1Degussa, Technical Bulletin Fine Particles, Nr. 11Degussa, Füllstoffsysteme und Pigmente, Was ist Carbon Black?Douglas H. Everett, Grundzüge der KolloidwissenschaftKurt Edelmann, KolloidchemieJander, Blasius, Lehrbuch der analytischen und präparative anorganische Chemie

Internet: http://www.conti-online.com/generator/www/de/de/continental/automobil/themen/pkw/pkw_uebersicht_de.htmlhttp://www-public.tu-bs.de:8080/~zelesnik/fuller/kap3.htmhttp://www.chemie-im-alltag.de/articles/0079/index.htmlhttp://upload.wikimedia.org/wikipedia/de/1/17/FullerenAni.gif http://www.aci.uni-hannover.de/lecturesCourses/courses/ss2007/ac-i/files/restricted/ACI-14-Si.pdfhttp://www.tu-chemnitz.de/physik/OSMP/Soft/ss07_V25.pdfhttp://www.pci.tu-bs.de/aggericke/PC5-Grenzf/Einfuehrung.pdfhttp://www.uni-essen.de/chemiedidaktik/S+WM/Wirkung/Tyndall.htmlhttp://www.ak-bartsch.uni-freiburg.de/Ordner%20Forschunghttp://de.wikipedia.org/wiki/Kolloidales_Gold

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Quellen

Internet:

http://www.chemie.uni-freiburg.de/makro/img/staudinger.jpghttp://de.wikipedia.org/wiki/Farbigkeithttp://www.uni-erfurt.de/renzi/bastelei/colorsys/regenbogen.htmlhttp://de.wikipedia.org/wiki/Richard_Zsigmondyhttp://dc2.uni-bielefeld.de/dc2/haus/images/kernseif.gifhttp://www.uic.edu/classes/bios/bios100/lecturesf04am/lect02.htmhttp://www.ak-tremel.chemie.uni-mainz.de/ChiuZ/Kolloide%20CHIUZ%202004.pdfhttp://www.landwirtschaft-mlr.baden-wuerttemberg.de/servlet/PB/show/1172493_l1/ern_ketchupflasche.jpghttp://www.planet-wissen.de/pics/IEPics/intro_probio_joghurt.jpghttp://www.trotz-osteoporose-fit.de/wp-content/uploads/milch.jpghttp://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/38/Milkccar.jpghttp://www2.chemie.uni-erlangen.de/projects/vsc/chemie-mediziner-neu/phasen/bilder/dialyse2.gifhttp://www.fotos.sc/img/u/kbbl/n/Feuer__blau__rot__hei__brennend__streichholz__holz__anznden__warm__rauch.jpghttp://zencart.spirituosen-shop.biz/index.php?main_page=product_info&products_id=23http://www.maler-menken.de/files/farbeimer.jpghttp://www.haustechnik-pekeler.de/sicherh/img/rauchme.jpghttp://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/49/OpticalSmokeDetector.pnghttp://www.farbimpulse.de/fi/live/artikel/pspic/bild1/41/pigmente41429b3c4d0ccec.jpg