kolloid disperse systeme
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kolloid disperse Systeme. Vom Gold zum Geld machen. 17.06.2009. Experimentalvortrag von David Zindel. 1 Gliederung. 1 Gliederung 2 Definition kolloid disperser Systeme 3 Solid/Liquid - System 4Gas/Solid - System 5 Liquid/Gas - System 6Liquid/Solid - System - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
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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
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5
3 SOLID/LIQUID - SYSTEM Versuch 1: Kolloidales Gold
Ausgangsstoffe:- Tetrachlorgoldsäure HAuCl4 C
- Natriumcarbonat Na2CO3 Xi
- Natriumcitrat C6H8O7
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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
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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
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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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12
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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20
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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22
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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24
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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25
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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29
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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31
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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32
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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37
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