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GlasHerstellung und Analytik
AC-Experimentalvortrag von Sarah Magull am 06.06.2018
In Zusammenarbeit mit dem Institut für Glas- und Rohstoffforschung in Göttingen
Was ist Glas? / Glasherstellung / Glasfärbung / Analyse verschiedener Glassorten / Spezialglas
Was ist Glas?
Definition nach DIN 1259:
„Glas ist ein anorganisches Schmelzprodukt, das im Wesentlichen ohne Kristallisation erstarrt.“[1]
Gustav Tammann (1861-1938):
„Der Glaszustand ist der eingefrorene Zustand einer unterkühlten Flüssigkeit, die ohne zu kristallisieren erstarrt ist.“ [1]
2Was ist Glas? / Glasherstellung / Glasfärbung / Analyse verschiedener Glassorten / Spezialglas
Rohstoffe und ihre Funktion[2]
3
Rohstoff Wirksamer Bestandteil im Glas
Funktion
Quarz, SiO2 SiO2 Netzwerkbildner
Borsäure, H3BO3 B2O3
Salze der Phosphorsäure, z.B. CaHPO4*2 H2O
P2O5
Soda, Na2CO3 Na2O Netzwerkwandler
Kalk, CaCO3 CaO
Pottasche, K2CO3 K2O
Mennige, Pb3O4 PbO Netzwerkbildner und Netzwerkwandler
Zinkoxid, ZnO ZnO
Kalifeldspat, KAlSi3O8 Al2O3
Was ist Glas? / Glasherstellung / Glasfärbung / Analyse verschiedener Glassorten / Spezialglas
Rohstoff-mischung
= Gemenge
Tab. 1: Wichtige Glasrohstoffe und ihre Funktion
Glasstrukturen – nach Zachariasen und Warren[3]
Quarzglas Alkali-Silikat-Glas
4Was ist Glas? / Glasherstellung / Glasfärbung / Analyse verschiedener Glassorten / Spezialglas
Abb. 1: a) Geordnete [SiO4]-Tetraeder in kristalliner
Kieselsäureb) Ungeordnete Vernetzung von [SiO4]-
Bausteinen in Quarzglas
Abb. 2: Mögliche Anordnung in einem Natrium-Silikat-Glas
DV1: Entglasen
5
Erklärung:[4]
• Kristallisation durch längerfristiges Temperieren
Bildung von Kristallisationskeimen
Kristallwachstum über Jahre
Was ist Glas? / Glasherstellung / Glasfärbung / Analyse verschiedener Glassorten / Spezialglas
Der kristalline Zustand ist energetisch günstiger!
Abb. 3: Entglastes Glas unter dem Mikroskop mit 15-facher Vergrößerung
Kristallisationskeime Vergleichsfläche
Industrielle Glasproduktion[5]
6Was ist Glas? / Glasherstellung / Glasfärbung / Analyse verschiedener Glassorten / Spezialglas
Abb. 4: Industrielle Glasproduktion, Schulbuch-Darstellung
Glasherstellung in der Schule
a) DV2: niedrigschmelzendes Glas im Simon-Müller-Ofen herstellen
Durchführung:[6]
1. 2. 3.
7Was ist Glas? / Glasherstellung / Glasfärbung / Analyse verschiedener Glassorten / Spezialglas
min. 800 °C
Gemenge einfüllen
Mit Deckel 30 min
> 10 min abkühlen lassen!
Simon-Müller-Ofen
vorgewärmter Tiegel
Graphittiegel auf Ceranplatte
Abb. 5: Herstellung von niedrigschmelzendem Glas im Simon-Müller-Ofen
Glasherstellung in der Schule
a) DV2: niedrigschmelzendes Glas im Simon-Müller-Ofen herstellen
8Was ist Glas? / Glasherstellung / Glasfärbung / Analyse verschiedener Glassorten / Spezialglas
Vorteile Nachteile
Rohstoffe aus Glasindustrie Borsäure als Hauptbestandteil statt Quarzsand
resistentes Glas Tiegelreinigung
Produktionsschritte erkennbar
langwierig, unschöne Qualität
Abb. 6: niedrigschmelzendes Glas im Tiegel
Tab. 2: Beurteilung von DV2
Glasherstellung in der Schule
Durchführung:[7]
1. 2. 3.
9Was ist Glas? / Glasherstellung / Glasfärbung / Analyse verschiedener Glassorten / Spezialglas
b) V1: Natriumpolyphosphatglas
Tiegel halb gefüllt mit Natriumpolyphosphat
> 10 min warten!
Graphittiegel auf CeranplatteAbb. 7: Herstellung von Natriumpolyphosphatglas
Glasherstellung in der Schule
Auswertung:[7]
• Glasbildung durch:
1. Polyphosphat als Netzwerkbildner
2. Natriumoxid als Netzwerkwandler
3. Schmelzpunkt von Natriumpolyphosphat: 628 °C
• Hohe Kühlspannung! Splittergefahr!
• Glas ist wasserlöslich!
10Was ist Glas? / Glasherstellung / Glasfärbung / Analyse verschiedener Glassorten / Spezialglas
b) V1: Natriumpolyphosphatglas
Abb. 8: Natriumpolyphosphatglas
Glasstruktur – Natriumpolyphosphatglas
11Was ist Glas? / Glasherstellung / Glasfärbung / Analyse verschiedener Glassorten / Spezialglas
3D-Netzstruktur
10 %[8]
lineare Polyphosphate
90 %[8]
+cyclische Oligophosphate
∆
Glasfärbung
a) DV3: mit Metalloxiden[9]
• meist Nebengruppenelementsalze
• im Glas ähnliche Farbe wie in wässriger Lösung
• je nach Konzentration unterschiedlich intensive Farbe
12Was ist Glas? / Glasherstellung / Glasfärbung / Analyse verschiedener Glassorten / Spezialglas
Abb. 9: Kupferglashohe Kupferkonzentration niedrige Kupferkonzentration
Abb. 10: Kobaltglas
Abb. 11: Mangan(II)glas
Abb. 12: Nickelglas
Glasfärbung
b) V2: mit Glastinten[10]
Durchführung:
1. 2. 3.
13Was ist Glas? / Glasherstellung / Glasfärbung / Analyse verschiedener Glassorten / Spezialglas
Aktivkohle
WasserglaslösungVermischen!
gereinigte Glasplatte
Abb. 13: Herstellung von Glastinte
Glasfärbungb) V2: mit Glastinten
Auswertung:
+4 -2 +1 -2 +1 +1 +4 -2 +1 -2
[Si2O7]6-(aq) + 8 Na+
(aq) + 2 OH-(aq) 2 Na4SiO4(s) + H2O
farbloser Feststoff
• Aktivkohle wird in der Wasserglaslösung eingeschlossen
• Entfernbar durch heißes Wasser oder abschleifen
• ACHTUNG: Kontakt mit Haut, Kleidung oder Oberflächen vermeiden!
14Was ist Glas? / Glasherstellung / Glasfärbung / Analyse verschiedener Glassorten / Spezialglas
Abb. 14: Glasstück mit schwarzer Tinte
Glasfärbung
c) als Anlauffärbung:[11]
• Verwendung von Edelmetallsalzen
• Reduktion beim Schmelzvorgang
• Nachträgliches erwärmen kolloidal gelöste Nanokristalle
15Was ist Glas? / Glasherstellung / Glasfärbung / Analyse verschiedener Glassorten / Spezialglas
Analytik - Farbspektren
16Was ist Glas? / Glasherstellung / Glasfärbung / Analyse verschiedener Glassorten / Spezialglas
Abb. 15: Spektrometer Abb. 16: Innenkammer
Analytik - Farbspektren
17Was ist Glas? / Glasherstellung / Glasfärbung / Analyse verschiedener Glassorten / Spezialglas
Lichtquelle
Abb. 17: Aufbau eines Spektrometers
Prisma Küvette/Probe
Analytik – Farbspektren: Berechnung
18Was ist Glas? / Glasherstellung / Glasfärbung / Analyse verschiedener Glassorten / Spezialglas
Lambert-Beersches-Gesetz:
Transmission in %[13]: 𝑇 =𝐼
𝐼0
Absorption in %[12]: 𝐴 = 𝜀 ∗ 𝑑 ∗ 𝑐
Zusammenhang[13]: 𝐴 = 1 − 𝑇
I: Intensität der Strahlung nach der ProbeI0: Anfangsintensität der StrahlungT: Transmission bei einer Wellenlänge
A: Absorption bei einer Wellenlänge𝜀: spezifische Stoffkonstanted: Schichtdickec: Konzentration der absorbierende Substanz
Analytik – DV4: Farbspektren
19Was ist Glas? / Glasherstellung / Glasfärbung / Analyse verschiedener Glassorten / Spezialglas
Abb. 19: Transmissionsspektrum verschiedener Glassorten
0,0%
10,0%
20,0%
30,0%
40,0%
50,0%
60,0%
70,0%
80,0%
90,0%
100,0%1
90
21
5
24
0
26
5
29
0
31
5
34
0
36
5
39
0
41
5
44
0
46
5
49
0
51
5
54
0
56
5
59
0
61
5
64
0
66
5
69
0
71
5
74
0
76
5
79
0
81
5
84
0
86
5
89
0
91
5
94
0
96
5
99
0
10
15
10
40
10
65
10
90
Tran
smis
sio
n[%
]
Wellenlänge [nm]
Transmissionsspektrum verschiedener Glassorten
Quarzglas
Kalk-Natron-Glas
Boro-Silikat-Glas
Analytik – DV4: Farbspektren
20Was ist Glas? / Glasherstellung / Glasfärbung / Analyse verschiedener Glassorten / Spezialglas
Abb. 20: Transmissionsspektrum von Natriumpolyphosphat-BuntglasAbb. 21: Buntglas
0,0%
10,0%
20,0%
30,0%
40,0%
50,0%
60,0%
70,0%
80,0%
90,0%
100,0%
19
0
21
5
24
0
26
5
29
0
31
5
34
0
36
5
39
0
41
5
44
0
46
5
49
0
51
5
54
0
56
5
59
0
61
5
64
0
66
5
69
0
71
5
74
0
76
5
79
0
81
5
84
0
86
5
89
0
91
5
94
0
96
5
99
0
10
15
10
40
10
65
10
90
Tran
smis
sio
n[%
]
Wellenlänge [nm]
Transmissionsspektrum Buntglas
Nickelglas
Kupferglas
Weißglas
Kobaltglas
Kupferglas hohe Cu(II)-Konz.
Analytik – DV4: Farbspektren
21Was ist Glas? / Glasherstellung / Glasfärbung / Analyse verschiedener Glassorten / Spezialglas
Abb. 23: Strukturformel von Dimethylphthalat
O
O
O
OCH3
CH3
Abb. 22: Transmissionsspektrum von Glastinte auf Kalk-Natron-Glas
Abb. 24: Glasstücke mit Tinte0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
19
0
22
0
25
0
28
0
31
0
34
0
37
0
40
0
43
0
46
0
49
0
52
0
55
0
58
0
61
0
64
0
67
0
70
0
73
0
76
0
79
0
82
0
85
0
88
0
91
0
94
0
97
0
10
00
10
30
10
60
10
90
Tran
smis
sio
n[%
]
Wellenlänge [nm]
Transmissionsspektrum Glastinte
Vergleichsstück, DMP
Glastinte, schwarz,Luft
Glastinte, dick, weiß, Luft
Glastinte, dünn, weiß, Luft
Glastinte, schwarz, DMP
Analytik - Dichtebestimmung:
a) DV5: Sinkmethode
Küvette mit:
Tetrabromethan
und
Bromnaphthalin
nicht schultauglich!
22Was ist Glas? / Glasherstellung / Glasfärbung / Analyse verschiedener Glassorten / Spezialglas
BrBr
HBr
H
BrBr
Abb. 25: Dichteanlage für Sinkmethode
Analytik - Dichtebestimmung
b) V3: Pyknometer-Methode
Dichtebestimmung von Flüssigkeiten
• Durchführung:
23Was ist Glas? / Glasherstellung / Glasfärbung / Analyse verschiedener Glassorten / Spezialglas
mit Wasser gefüllt
1. Volumenbestimmung:Leergewicht: mleer = 57,827 gMasse mit Wasser: mmW = 157,179 gMesstemperatur: TVMess = 20 °C
Abb. 26: Pyknometer
Analytik - Dichtebestimmung
b) V3: Pyknometer-Methode
• Durchführung:2. Bestimmung der GlasdichteMasse Glasgrieß: mGlas
Masse mit Glasgrieß und Wasser: mGesamt
Messtemperatur: TGMess
24Was ist Glas? / Glasherstellung / Glasfärbung / Analyse verschiedener Glassorten / Spezialglas
mit Wasser und Glasgrieß gefüllt
Abb. 26: Pyknometer
Analytik - Dichtebestimmung
b) V3: Pyknometer-Methode
25Was ist Glas? / Glasherstellung / Glasfärbung / Analyse verschiedener Glassorten / Spezialglas
Tab. 3: Dichte 𝜌W(T) von Wasser in Abhängigkeit zur Temperatur[14]
T in °C ρ in g/cm3
18 0,999
19 0,998
20 0,998
21 0,998
22 0,998
23 0,998
24 0,997
1. Volumenbestimmung:Leergewicht: mleer = 57,827 gMasse mit Wasser: mmW = 157,179 gMesstemperatur: TVMess = 20 °C
2. Bestimmung der GlasdichteMasse Glasgrieß: mGlas
Gesamtmasse: mGesamt
Messtemperatur: TGMess
Auswertung über: 𝑉 =𝑚
𝜌
Analytik - Dichtebestimmung
Auswertung:
26Was ist Glas? / Glasherstellung / Glasfärbung / Analyse verschiedener Glassorten / Spezialglas
Glassorte Dichte mit Sinkmethode Dichte mit Pyknometer-Methode
Boro-Silikat-Glas 2,230 g/cm3 2,230 g/cm3
Kalk-Natron-Glas 2,501 g/cm3 2,500 g/cm3
Tab. 4: Vergleich der Methoden zur Dichtebestimmung
Analytik – V4: Bestimmung des Protolysegrads
Durchführung:
27Was ist Glas? / Glasherstellung / Glasfärbung / Analyse verschiedener Glassorten / Spezialglas
1. 2. 3. 4.
1. Blindprobe2. Kalk-Natron-Glas3. Boro-Silikat-Glas4. Wasserglaslösung
Abb. 27: Aufbau zur Bestimmung des Protolysegrads
Analytik – V4: Bestimmung des Protolysegrads
Durchführung:[15]
1. 2.
28Was ist Glas? / Glasherstellung / Glasfärbung / Analyse verschiedener Glassorten / Spezialglas
1. 2. 3. 4. 1. 2. 3. 4. entmineralisiertes Wasser
6 Tropfen Universalindikator
Abb. 28: Durchführung der Bestimmung des Protolysegrads
Analytik – V4: Bestimmung des Protolysegrads
29Was ist Glas? / Glasherstellung / Glasfärbung / Analyse verschiedener Glassorten / Spezialglas
Beobachtung:
• Alkaliionen-haltige Gläser
reagieren alkalisch
Abb. 30: Bestimmung des ProtolysegradsAbb. 29: Skala des Universalindikators[20]
Analytik – V4: Bestimmung des Protolysegrads
Auswertung:
Beispiel Wasserglas+1 +4 -2 +1 -2 +1 +1 +1 +4 -2 -2 +1
Schulbuch[15] : Na4SiO4(s) + H2O Na+(aq) + Na3HSiO4(aq) + OH-
(aq)
+1 +4 -2 +1 -2 +4 -2 +1 -2 +1
Universität[11]: 2 Na4SiO4(s) + H2O [Si2O7]6-(aq) + 8 Na+
(aq) + 2 OH-(aq)
30Was ist Glas? / Glasherstellung / Glasfärbung / Analyse verschiedener Glassorten / Spezialglas
Ausblick - Spezialglas
• DV6: Milchglas[16]
• Trübungsmittel: Calciumphosphat (Ca3(PO4)2)
• Ursache: Bildung von unlöslichem Calciummetaphosphat (Ca(PO3)2)
scheidet sich in Tröpfchen ab
verändert Lichtbrechung
• funktioniert nicht in Phosphatgläsern
31Was ist Glas? / Glasherstellung / Glasfärbung / Analyse verschiedener Glassorten / Spezialglas
Abb. 30: Produkt des Versuches
Ausblick - Spezialglas
• DV7: phototropes / solarisierbares Glas[17]
enthält Silberhalogenide
selbsttönendes Glas
+1 -1 +1 -1 0 +2 -1
AgCl(solv) + CuCl(solv) Ag(s)+ CuCl2(solv)
32Was ist Glas? / Glasherstellung / Glasfärbung / Analyse verschiedener Glassorten / Spezialglas
Abb. 31: Schmelze des phototropen Glases
Abb. 32: selbstgemachtes phototropes Glas
Schulrelevanz[18], [19]
33
Versuch Inhaltsfelder im KerncurriculumGlasherstellung: DV2, V1 „Der Mix macht‘s“ – Eigenschaften von Stoffgemischen (Sek. 1)
„Schatzkiste der Natur – Chemie in Alltag und Technik“ – Umgang mit Ressourcen (Sek. 1)
Glasfärbung: DV3, V2 Farbstoffe / Farbigkeit (Q4)
Farbspektren: DV4 Spektroskopie (Q4)
Dichtebestimmung: DV5, V3 „Welt der Stoffe“ – Nachweis von Stoffeigenschaften (Sek. 1)
Protolysegrad: V4 Protolysereaktionen (E)
solarisierbares Glas: DV7 Redoxreaktionen (E)
Tab. 5: Schulrelevanz des Themengebietes Glas
Gefahren in der Schule
• Schnittgefahr an Scherben
• Heißes Glas sieht aus wie kaltes Glas!
• Lackieren von Natriumpolyphosphatglas
Konservierung
Einschließung der Schwermetallionen in Farbglas
• besondere Vorsicht beim Umgang mit Wasserglaslösung
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Abb. 33: Erste-Hilfe-Kasten des AC-Praktikums
Quellenverzeichnis[1] URL: https://www.baunetzwissen.de/glas/fachwissen/materialeigenschaften/definition-von-glas-159077, abgerufen am 15.05.2018.
[2] Lange, 1980: Rohstoffe der Glasindustrie. 1. Auflage. Leipzig. S. 14 – 16.
[3] Vogel W., 1992: Gals Chemie. 3. Auflage. Berlin Heidelberg. S. 51.
[4] Fröhler, A, 2005: Lexikon für Glas und Glasprodukte. Schorndorf. S. 363.
[5] Frühauf, D.; Tegen, H., 2007: Blickpunkt Chemie. Neubearbeitung. Braunschweig. S. 227.
[6] Lüthje, Gall, Reuber, 1975: Lehrbuch der Chemie, Sekundarstufe 1. 1. Auflage. Diesterweg Salle. S. 15.
[7] Wurm, D.; Woest, V., 2003: Einfache Experimente zum Thema Glas. CHEMKON/10.Jahrg./Nr. 3. Weinheim. S. 131 – 134.
[8] Hollemann/Wiberg, 2007: Lehrbuch der anorganischen Chemie. 102.Auflage. Berlin. S. 782 – 783.
[9] Vogel W., 1992: Gals Chemie. 3. Auflage. Berlin Heidelberg. S. 255 – 304.
[10] Raat, H, 1990: Chemie des Alltags. Ein Lexikon der praktischen Chemie. 27. verbesserte Auflage. Freiburg im Breisgau. S. 243.
[11] Neumüller, B., 2016: Seminar zum AC1-Praktikum für Lehramtsstudierende. Eigene Mitschrift. Marburg. Erste Woche.
[12] Lange, 1980: Rohstoffe der Glasindustrie. 1. Auflage. Leipzig. S. 8.
[13] Atkins, P.; de Paula, J., 2013: Physikalische Chemie. 5. Auflage. Weinheim. S.514 – 515.
[14] URL: https://www.internetchemie.info/chemie-lexikon/daten/w/wasser-dichtetabelle.php, abgerufen am 02.06.2018.
[15] Keune, H.; Boeck, H., 1998: Chemische Schulexperimente. 1. Auflage. Berlin. S. 112.
[16] Vogel W., 1992: Gals Chemie. 3. Auflage. Berlin Heidelberg. S. 304 – 310.
[17] Vogel W., 1992: Gals Chemie. 3. Auflage. Berlin Heidelberg. S. 437 – 444.
[18] Hessisches Kultusministerium, 2016: Bildungsstandards und Inhaltsfelder. Das neue Kerncurriculum für Hessen. Sekundarstufe I – Gymnasium. Chemie. Wiesbaden. S. 22 – 27.
[19] Hessisches Kultusministerium, 2016: Kerncurriculum gymnasiale Oberstufe. Chemie. Wiesbaden. S. 25 – 42.
[20] Rickelt, E.: AC-Praktikum.
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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
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