KOLLOID DISPERSE SYSTEME

Vom Goldzum Geld machen

17.06.2009 Experimentalvortrag von David Zindel

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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 MaterieMolekülkolloide: 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, Lackegasförmig fest Fester

Schaum Gasbeton

flüssig fest Feste Emulsion

Opal, Perlen

fest fest Feste Sole Goldrubinglas

5

3 SOLID/LIQUID - SYSTEM Versuch 1: Kolloidales Gold

Ausgangsstoffe:- 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

OH

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 Kupfer

Ausgangsstoffe:- 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 Kolloiden

Ausgangsstoffe:- 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 lElektrolyseH 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 Kolloiden

Ausgangsstoffe:- 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

PeptisationKolloid 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

30

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® Steine

ca. 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: Nebel

Ausgangsstoffe: - 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: Opal

Der 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