Philipps-Universität Marburg
Fachbereich Chemie (Fb. 15)
Experimentalvortrag AC
Wintersemester 2008/2009
Leitung: Dr. Ph. Reiß, Dr. B. Neumüller
Ausarbeitung zum Thema: „Glas“
(Vortrag gehalten am 11.12.2008)
verfasst von: Ágnes Zsilinszky
Korrigierte Fassung
Inhaltsverzeichnis
Die Geschichte von Glas........................................................................01
Das Glas im Alltag und seine Bedeutung...............................................03
Demonstration 1:
„Verspiegelter Objektträger“.......................................03
Was ist Glas?.........................................................................................04
Versuch 1:
„Reduktion von Glas mit Aluminium“.........................06
Herstellung in der Schule.......................................................................08
Demonstration 2:
„Selbst hergestelltes Glas“.........................................08
Demonstration 3:
„Borax- und Phosphorsalzperlen“..............................09
Eigenschaften von Glas.........................................................................09
Versuch 2:
„Bearbeiten von Glas“.................................................10
Versuch 3:
„Thermisch gespanntes Glas“....................................11
Versuch 4:
„Absorption von IR-Strahlung“...................................13
Versuch 5:
„Ätzen von Glas“..........................................................15
Versuch 6:
„Wasserbeständigkeit von Glas“................................17
Versuch 7:
„Oberfläche von Glas“.................................................18
Allgemeine Schulrelevanz.....................................................................19
Zusammenfassung................................................................................20
Literatur.................................................................................................20
-1-
Die Geschichte von Glas
Glas ist einer der ältesten Werkstoffe des Menschen. Kaum ein anderes Material ist
so eng mit der Entwicklung unserer Kultur verbunden.
Glas entsteht auf natürliche Weise durch Naturgewalten, bei denen hohe
Temperaturen eine Rolle spielen, wie z. B. bei einem Blitz- oder Meteoriteneinschlag
oder einer Eruption eines Vulkans. Daher kann man davon ausgehen, dass es auf
der Erde glasartige „Steine“ schon immer gegeben hat. Ein gutes Indiz für die
Richtigkeit dieser Vermutung ist die Tatsache, dass es auf dem Mond Glas gibt. 1971
brachte die Mannschaft des Raumschiffes Apollo 14 einige Steine vom Mond mit zur
Erde. In manchen davon fand man glasartige Strukturen.
Ein auf der Erde natürlich vorkommendes Glas ist der Obsidian, der auch
Islandisches Agaat genannt wird und durch
Obsidian
Vulkaneruptionen entsteht. Schon vor etwa
8.000 Jahren benutzten Menschen die aus der
Glut der Vulkane entstandene Glaslava, den
Obsidian, als scharfes und spitzes Werkzeug.
Aber
wie
kamen
die
Menschen
auf
die Art und Weise der künstlichen Glasherstellung?
Dazu liefert der Historiker Pliny (23-79 n. Chr.), der
auch
Plinius
der
Ältere
genannt
wird,
eine
überzeugende Geschichte: Phönizische Händler „kochten“ um
5.000 v. Chr. ihr Essen an einem Strand, wobei durch die hohe Temperatur der Sand
zu einem glasartigen „Stein“ schmolz.
Eines der ältesten von Menschenhand erschaffenen Glasstücke datiert man auf ca.
3.500 Jahre v. Chr. Es wurde in Ägypten gefunden. Fundgrabungen bei Tell el
Amarna zeigten, dass man Glas ursprünglich als Überzug von Tongefäßen
verwendete. Daraus entwickelte sich später die Idee, den Werkstoff an sich, ohne
Tonkern zu verarbeiten und so entstand das erste von Menschen künstlich
hergestellte Glasstück. Die Ausgrabungen von Tell el Amarna zeigten alle Stadien
der Glasherstellung vom Gemenge über die Schmelzvorgänge bis zu fertigen
-2-
Glaswaren. Diese Fertigkeiten breiteten sich in ganz Mesopotamien aus und damit
begann die Geschichte
der Glasbearbeitung.
Bemerkenswert
ist,
dass die Herstellung
von hohlem Glas sich
unabhängig
oben
von
der
beschriebenen
Glasherstellung entwickelt haben muss, da
sich die Fundorte von massiven Glasstücken und hohlem Glas erst in den späteren
Jahrhunderten überschneiden. Das wesentlich schwerer zu bearbeitende und
herzustellende Hohlglas fand man in Mykene (Griechenland), China und im Norden
Tirols. Die ältesten Stücke datiert man auch hier auf das 4. Jahrtausend v. Chr. Bis
zum 9. Jhd. v. Chr. erlebte die Glasherstellung und -bearbeitung
ihren
ersten
Höhepunkt.
Es
wurden
nicht
mehr
nur
Gebrauchsgegenstände hergestellt, sondern auch Schmuck und
Verzierungen.
Die älteste Beschreibung zur Glasherstellung stammt aus der Bibliothek
des assyrischen Königs Ashurbanipal (669-626 v. Chr.).
„Nimm 60 Teile Sand, 180 Teile Asche aus Meerespflanzen, 5 Teile Kreide
– und du erhältst Glas.“
Im 11. Jhd. n. Chr. entwickelte sich die Technik zur Produktion von Glasplatten. Das
war ein revolutionärer Schritt, denn ab diesem Zeitpunkt konnte Glas als
Fensterscheibe zum Schutz vor den Witterungsbedingungen eingesetzt werden. Im
Mittelalter galten verglaste Fenster als Luxus und als Zeichen von großem Reichtum
und Macht.
Als der französische König Ludwig XIV (Louis XIV) im 17. Jhd. n. Chr. seinen Palast
zu Versaille zu etwas Außergewöhnlichem machen wollte, entwickelten seine
Untergebenen eine Technik zum Verspiegeln von Glasoberflächen. Im Wesentlichen
bestand diese aus dem Verreiben von Zinnamalgam auf Glasplatten.
Ab dem 19. Jhd. n. Chr. wurden die Verfahren zur Glasherstellung und –
bearbeitung industrialisiert. Daher war Glas dann nicht mehr nur den Reichen und
Mächtigen zugänglich, sondern wurde immer mehr zum Konsumgut, dass sich jeder
-3-
leisten konnte. Eine besondere Rolle dabei spielte Friedrich August Siemens (18261904). Er entwickelte 1856 einen Regenerativofen mit Gasbefeuerung (SiemensMartin-Ofen) und gründete eine Ofenbaufirma in Dresden, in der er diese Öfen
herstellen und verkaufen ließ. Als er 1867 die Glashütte seines Bruders in DresdenLöbtau
erbte
wurde
Regenerativfeuerung
der
für
die
kontinuierlich
arbeitende
Massenerzeugung
von
Wannenofen
Glas
eingeführt.
mit
Die
Produktionsmenge stieg innerhalb weniger Monate um das 66fache.
Heute gibt es Produktionstechniken und Erkenntnisse, die es ermöglichen, Glas
herzustellen, das zu 90% und mehr lichtdurchlässig ist. Mit modernster Technik und
Ergebnissen aus fortwährenden wissenschaftlichen Untersuchungen wird Glas
verfeinert
und
es
werden
neue
Anwendungsmöglichkeiten
entwickelt.
Computergesteuerte Kontrollsysteme, neue Beschichtungen, Mikro-Elektronik und
die Wissenschaft tragen dazu bei, Glas weiter zu entwickeln und z. B. auf die
Umgebung reagieren zu lassen.
Das Glas im Alltag und seine Bedeutung
In unserer heutigen Gesellschaft ist es kaum vorstellbar, ohne Glas auszukommen.
Wenn man kurz darüber nachdenkt, wo Glas überall auftaucht, so fallen einem auch
spontan schon sehr viele Gebiete ein. Tatsächlich sind es aber noch viele mehr. Man
stelle sich vor, es gäbe kein Glas...

keine Fenster an Gebäuden, Fahrzeugen, ...
→ dunkel und warm, oder hell und kalt

keine Spiegel

kein Geschirr und keine Behälter aus Glas

kein Schmuck und keine Verzierungen aus Glas

keine Brillen

keine Kameras, Mikroskope, Lupen und nichts, was mit Linsen funktioniert

keine Fernseher (Bildröhre) und etc.
So gehören auch Spiegel in die Sparte der Glasindustrie.
Demonstration 1:
„Verspiegelter Objektträger“
Schulrelevanz:
Das Ergebnis dieser Demonstration ist sehr abhängig von der Sauberkeit der
Durchführung!
-4-
Will man einen verspiegelten Objektträger mit einer Klasse herstellen ist
mindestens eine Zeit von ca. 40 Minuten (eine Schulstunde) einzuplanen, wobei
dann die Chemikalien schon bereitstehen müssen.
Der Einsatz in der Schule ist als Schülerversuch ab der Sek. II, darunter als
Lehrerversuch zu empfehlen, wobei im letzteren Fall der Versuch evtl. ein wenig
„langweilig“ und „langwierig“ sein könnte.
Einzusetzen ist diese Demonstration (oder auch der Versuch, der dahinter steht,
der
Silberspiegel)
bei
den
Themengebieten
Glas,
Silber,
Zucker,
Aldehyde/Ketone, etc.
Was ist Glas?
Die Gegenstände, die der Durchschnittsmensch in Deutschland als Glas bezeichnet,
also z. B. Trink-, Fenster- und Brillengläser, sind nur ein winziger Ausschnitt dessen,
als was Glas eingesetzt und gebraucht wird. Aber was ist eigentlich Glas? Eine
einfache Antwort auf diese Frage gibt es nicht. Möchte man wirklich verstehen, was
Glas ist, so muss man bei den Grundlagen anfangen.
Glas ist zunächst ein amorpher Stoff (griechisch: amorphos = gestaltlos). Als amorph
bezeichnet man Stoffe, die als fest empfunden werden, deren Atome jedoch keiner
regelmäßigen
Ordnung
folgen
(keine
Fernordnung,
nur
Nahordnung).
Thermodynamisch wird Glas als gefrorene, unterkühlte Flüssigkeit bezeichnet. Diese
Definition gilt für alle Substanzen, die geschmolzen und entsprechend schnell
abgekühlt wurden. Das bedeutet, dass sich bei der Erstarrung der Schmelze zum
Glas zwar Kristallkeime bilden, für den Kristallisationsprozess jedoch nicht genügend
Zeit verbleibt, um noch eine Kristallbildung zu erlauben. Die Kristallkeime sind dabei
so klein, dass man sie mit dem bloßen Auge nicht wahrnehmen kann.
Bei aller Theorie muss aber beachtet werden, dass Glas nicht gleich Glas ist. Die
Fähigkeit, einen glasartigen Zustand auszubilden haben verschiedene Stoffe, die
sogenannten Glas- oder Netzwerkbildner (z. B. SiO2(s) und Sauerstoffverbindungen
von Arsen, Bor und Germanium). Diese sind saure Oxide und können ohne den
Zusatz anderer Stoffe Gläser erzeugen, indem sie eine molekulare Grundstruktur
(dreidimensionales Netzwerk) ausbilden Den Hauptunterschied zwischen den
einzelnen Glassorten, die alle den gleichen Netzwerkbildner haben, erzielt man mit
den sog. Glaswandlern oder Trennstellenbildnern. Das sind basische Oxide (z. B.
CaO(s)), die nicht in der Lage sind, ohne einen Netzwerkbildner Gläser zu erzeugen.
-5-
Sie beeinflussen aber maßgeblich die Eigenschaften des entstehenden Glases.
Dabei spielt nicht nur die Art der Trennstellenbildner eine Rolle, sonder auch ihr
Anteil am Glas. Verschiedene Gläser haben unterschiedliche Eigenschaften und
werden so auch für unterschiedliche Zwecke gebraucht. Die häufigsten Glasarten
sind:

Natron-Kalk-Gläser (Normalglas)
75,5 SiO2(s); 12,9 Na2O(s); 11,6 CaO(s)
→ gewöhnliches Gebrauchsglas, Fensterglas

Kali-Kalk-Gläser (Böhmisches Kristallglas)
76 SiO2(s); 14,1 K2O(s); 6,7 CaO(s); 2,3 Na2O(s); 0,5 As2O5(s); 0,1 Al2O3s); 0,3 SO3(s)
→ Gläser für feingeschliffene Gegenstände

Bor-Tonerde-Gläser (Jenaer Glas oder Duran-Glas)
74,5 SiO2(s); 8,5 Al2O3(s); 4,6 B2O3(s); 7,7 Na2O(s); 3,9 BaO(s); 0,8 CaO(s);
0,1 MgO(s)
→ gegen Chemikalien und große Temperaturdifferenzen beständig

Kali-Blei-Gläser (Bleikristallglas)
56 SiO2(s); 32 PbO(s); 11,4 K2O(s); 0,1 Al2O3(s); 0,5 As2O5(s)
→ Gläser und Linsen mit starkem Lichtbrechungsvermögen
Trennstellenbildner treten auch in anderer Form auf, nämlich als Metalle oder
organische Polymermaterialien. Die Änderung der physikalischen und chemischen
Eigenschaften
durch
die
Trennstellenbildner
kommt
daher,
dass
sie
die
Bindungsverhältnisse im Glasgefüge verändern und das „Netz“, das durch den
Netzwerkbildner erstellt wird, teilweise zerstören. So ist ein relativ bekanntes „reines“
Glas das Quarzglas, denn es besteht zu annähernd 100% aus SiO2(s). Quarzglas hat
eine sehr regelmäßige Struktur und entsteht, wenn man ein Quarzgitter mehrere
Male hintereinander stark erwärmt und plötzlich wieder abkühlt. Fügt man während
dieses Vorgangs Metalloxide wie Na2O(s) und CaO(s) hinzu, so „zerschießen“ diese
Moleküle das Netz und es entsteht Normalglas.
-6-
Quarzgitter (kristallin)
schmelzen und abkühlen
(oft)
+ CaO(s)/ Na2O(s)/...
Quarzglas
„Normalglas“
„Reduktion von ‚Glas’ mit Aluminium“
Versuch 1:

Chemikalien:
Chemikalie
Summenformel
R-Sätze
S-Sätze
Al(s)
keine
keine
Aluminium
(-folie)

Gefahrensymbol Schulrelevanz
keine
überall
einsetzbar
Materialen:
schwerschmelzbares Reagenzglas (z. B. Duran-Glas), Reagenzglasklammer,
Drahtnetz, Bunsenbrenner mit Schlauch, Feuerzeug, Schutzbrille, Schutzkittel

Durchführung:
Aus Aluminiumfolie werden etwa 5 kleine Kügelchen geformt und in das
schwerschmelzbare Reagenzglas gegeben. Dann wird der Bunsenbrenner
entzündet und das Reagenzglas mit der Reagenzglasklammer an die heißeste
Stelle der rauschenden Flamme gehalten (Spitze des inneren, blauen Kegels).
-7-
Das
typische
Schwenken
des
Reagenzglases ist hier nicht nötig (im
Gegenteil: eher hinderlich), denn es droht
kein Siedeverzug und das Ergebnis kann
bei
gleichbleibender
Temperatur
am
Aluminium schneller erzielt werden. Zur
Kontrolle,
ob
die
Reaktion
im
gewünschten Maß abgelaufen ist, wird
das Reagenzglas kurz aus der Flamme
genommen und der Boden begutachtet.
Sind kleine schwarze Punkte im Glas gut
sichtbar, so kann der Bunsenbrenner
ausgestellt
und
das
noch
heiße
Reagenzglas zum Abkühlen auf eine feuerfeste Unterlage (z. B. Drahtnetz) gelegt
werden. Nach ca. 10 Minuten können die schwarzen Punkte am Boden des
Reagenzglases ohne Verbrennungsgefahr angeschaut werden.

Auswertung:
Das Aluminium reduziert das Silicium in der Glasstruktur:
+4
0
-3
0
Dabei fungiert das Aluminium als Reduktionsmittel und wird oxidiert. Die
Silicium
schwarzen Pünktchen am Glas bestehen aus dem
elementaren Silicium der Silicatverbindungen im DuranGlas. Mit diesem Versuch wurde also nachgewiesen, dass
die vorliegende Sorte Glas Silicatverbindungen enthält.

Schulrelevanz:
Der Versuch funktioniert zuverlässig. Manchmal dauert es allerdings mehrere
Minuten, bevor schwarz auskristallisiertes Silicium sichtbar wird.
Im Aufwand ist der Versuch sehr gut für die Schule geeignet, da nicht viele
Chemikalien und Materialien (alles an Schulen vorhanden) benötigt werden und
der Aufbau sehr simpel ist. Darüber hinaus dauert er nur ca. 15 min.
-8-
Die Einsetzbarkeit ist nicht durch Vorgaben eingeschränkt, sodass sich dieser
Versuch als Schülerversuch ab der Sek. I anbietet.
Thematisch kann der Versuch eingeordnet werden bei Glas, den RedoxReaktionen, Metallen, etc.
Herstellung in der Schule
Glas in der Schule herzustellen ist einfacher, als es zunächst den Anschein hat. Zwei
einfache Wege sollen in diesem Abschnitt erläutert werden.
Demonstration 2:

„Selbst hergestelltes Glas“
Durchführung:

Simon-Müller-Ofen auf 1.000 °C vorheizen.

in einer Porzellanschale werden gemischt:
o 26,7 g
H3BO3(s)
(Borsäure)
o 8,2 g
K2CO3(s)
(Kaliumcarbonat)
o 4,5 g
Na2CO3(s)
(Natriumcarbonat)
o 4,2 g
CaCO3(s)
(Calciumcarbonat)
o 2,5 g
Seesand
(enthält SiO2(s))
o 1 Spatelspitze MnO2(s)
(Braunstein für violette
Farbe)

Porzellanschale in den Simon-Müller-Ofen stellen und ca. 2 h bei 1.000 °C
glühen.

Schulrelevanz:
Das Ergebnis bei diesem Verfahren ist berechenbar, variabel, trotzdem
zuverlässig und darum eigentlich gut für die Schule geeignet.
Allerdings ist die Dauer von über 180 Minuten im normalen Schulunterricht nicht
aufzubringen, weshalb ich diesen Versuch eher für Projektwochen oder AGs
empfehlen würde.
Entscheidet man sich für den Einsatz dieses Versuchs, so ist darauf zu achten,
dass er abhängig davon, welche Stoffe verwendet werden, oft nur ab der Sek. II
als Schülerversuch verwendet werden darf.
Möglich Themengebiete sind Glas, Schmelzen, etc.
-9-
Demonstration 3:
„Borax- und Phosphorsalzperlen“
Schulrelevanz:
Das Ergebnis bei dieser Demonstration ist abhängig vom individuellen Geschick und
den
Ausgangsmaterialien.
Es
gibt
verschiedene
Möglichkeiten,
die
Perlen
herzustellen:

Magnesiastäbchen + Borax + Cr2O3(s)
→ grüne Perle

Magnesiastäbchen + Phosphorsalz + Co2O3(s)
→ blaue Perle

Magnesiarinne + Phosphorsalz + Cr2O3(s)
→ grüne Glasfläche
Dabei führen verschiede Metalloxide zu verschieden farbigen Gläsern:

Cobalt-Oxide:
blau

Eisen(III)-Oxide:
braun

Chrom(III)-Oxide:
grün

Mangan(II)-Oxide:
weiß
→ Vorsicht: R-/S-Sätze und Gefahrensymbole/-hinweise der einzelnen Oxide
beachten!
Die Dauer der Experimentierphase kann sehr variabel gestaltet werden, da die
Herstellung einer einzelnen Perle nur ca. eine Minute dauert und so der ganze
Vorgang leicht und zu jedem Zeitpunkt unterbrochen werden kann.
Einzusetzen ist der Versuch als Schülerversuch ab der Sek. I bzw. II, in
Abhängigkeit davon, welche Metalloxide verwendet werden.
Als Themengebiete können Glas, Pigmente, Metalloxide und viele mehr dienen.
Eigenschaften von Glas
Die Eigenschaften von Glas sind sehr vielfältig. Daher ist es sinnvoll sie in Kategorien
einzuteilen.
Mechanisch betrachtet ist Glas ein fester Werkstoff. Er ist zug- und druckfest und bei
Raumtemperatur nicht biegsam. Überschreitet man jedoch einen für jedes Glas
spezifischen Schmelzbereich (nicht Schmelzpunkt) Tg, so wird das Glas verformbar.
Es gilt also, dass Glas unterhalb von Tg starr, oberhalb davon jedoch plastisch ist.
Allgemein gilt, dass je mehr Trennstellen ein Glas besitzt, desto niedriger ist seine
spezifische Temperatur Tg.
- 10 -
„Bearbeiten von Glas“
Versuch 2:

Chemikalien: keine

Materialen:
Glasstäbe und –rohre, Drahtnetz, Bunsenbrenner mit Schlauch, Feuerzeug,
Schutzbrille, Schutzkittel

Durchführung:
Der Bunsenbrenner wird entzündet und das Glasmaterial in die heißeste Stelle
der
rauschenden
Flamme
gehalten
(Spitze des inneren, blauen Kegels).
Wenn
das
Glas
verformbar
wird,
langsam in die gewünschte Form bringen
und dann das noch heiße Glasmaterial
zum
Abkühlen
auf
eine
feuerfeste
Unterlage (z. B. Drahtnetz) legen. Nach
ca. 15 Minuten können die geformten
Glasstücke in die Hand genommen und
benutzt
werden.
So
können
auch
einfache Glasgeräte selber hergestellt
werden (siehe Bild). Manchmal ist dazu aber einiges an Übung nötig, sodass man
relativ viel Glasmaterial zur Verfügung stellen sollte.

Auswertung:
Mit
der
Annäherung
an
den
Schmelzbereich fällt die Viskosität des
Glases. In der Grafik rechts kann man
erkennen, dass ab dem Erreichen des
Temperaturbereichs Tg die Viskosität
sehr
schnell
fällt
und
ab
einem
bestimmten Wert dann fast horizontal
verläuft. Ab dieser Temperatur wird
auch
bei
weiterer
Erhitzung
die
Viskosität nicht mehr geringer.
- 11 -

Schulrelevanz:
Die geformten Glasstücke sind sehr abhängig vom Geschick der Schüler/innen,
sodass die Qualität des Ergebnisses nicht pauschal voraussagbar ist.
Die Dauer des Versuches ist variabel und kann an fast jede Zeiteinheit angepasst
werden. Zu empfehlen ist aber, einen Zeitraum zu wählen, der nicht kürzer als 20
min und nicht länger als eine Stunde ist.
Einsatz kann dieser Versuch in allen Klassen finden, denn er ist als
Schülerversuch ab der Sek. I zu betrachten. Man sollte jedoch wegen der
Verwendung von Bunsenbrennern darauf achten, dass die Klassengröße nicht
unüberschaubar wird.
Thematisch passt der Versuch zu den Gebieten Glas, „unterkühlte Schmelzen“,
etc.
Eine elektrische Eigenschaft von Glas ist die Fähigkeit zu isolieren. Glas ist elektrisch
überhaupt nicht leitfähig.
Eine weitere Eigenschaft, die thermische Gespanntheit
von Glas, spielt in der modernen Zeit eine große Rolle,
sei
es
als
Sicherheitsglas,
Mehrschicht-Verbundglas, oder in
besonderen
Verwendungs-
bereichen, wie Inneneinrichtung.
Diese Gläser sind den Schülern meistens bekannt. In der Industrie werden sie durch
Schnellkühlung oder durch Ionenaustausch zur Erzeugung von Eigenspannungen im
Glas hergestellt. Dabei wird die Oberfläche unter eine gleichmäßige Druckspannung
gesetzt, was eine entsprechende Zugspannung im Glasinneren zur Folge hat.
Versuch 3:

Chemikalien: keine

Materialen:
„Thermisch gespanntes Glas“
Glasstab, Becherglas mit warmem Wasser, Gebläsebrenner mit Schlauch,
Kneifzange, Dewar-Gefäß, Feuerzeug, Schutzbrille, Schutzkittel
- 12 -

Durchführung:
Herstellung der „Bologneser Tränen“
Ein Glasstab wird senkrecht in die Flamme des Gebläsebrenners gehalten und
das Becherglas mit dem warmen Wasser direkt darunter platziert. Dabei ist darauf
zu achten, dass das Glas auf einer Länge von ca. 2 cm rundum gleichmäßig
erhitzt wird. Sobald sich ein Tropfen am unteren Ende des Glasstabs bildet,
versucht man durch ausgleichende Bewegungen den Tropfen so lange es geht
am Glasstab zu halten. Erst, wenn das kaum noch möglich ist, lässt man den
Tropfen durch die Schwerkraft (nicht schütteln) in das Wasser des Becherglases
fallen. Danach werden die Tränen auf Risse untersucht, wobei darauf zu achten
ist, dass das Schwänzchen nicht abbricht. Während Risse die weitere
Verwendung der Tränen unmöglich machen, sind Bläschen kein Hindernis.
Demonstration der Spannung
Mit einer Kneifzange „beißt“ man das Schwänzchen der Träne ab. Es ist dabei
darauf zu achten, dass man die Träne in das Dewar-Gefäß hält.

Auswertung:
Die Spannung in den Bologneser Tränen entsteht, durch die ungleichmäßige
Wärmeabgabe beim Eintauchen in das Wasser. Da Wasser die Wärme besser
leitet als Luft, kommt es durch die plötzliche Milieuänderung (Luft → Wasser)
zunächst zur Wärmeabgabe in den äußeren Bereichen der
Träne. Weil Glas aber ein schlechter Wärmeleiter ist, kann die
im Innern der Träne gespeicherte Wärme nicht schnell genug
nach außen geleitet werden. Dadurch verringert sich außen
das Volumen, innen nicht – eine Spannung entsteht.
Durch Abkneifen des „Schwänzchens“ werden diese Spannungen freigesetzt und
es kommt zu einer explosionsartigen Verteilung feinster Glassplitter.

Schulrelevanz:
Die Herstellung der Tränen ist sehr unsicher und schwierig, weil die Tränchen
sehr sensibel auf zu hohe Temperaturänderungen reagieren. Es braucht einige
Übung, bis man die Spitze des Glasstabes so schmelzen kann, dass die
herabfallende Träne gleichmäßig erhitzt ist.
- 13 -
Ohne die Herstellung der Tränen dauert der Versuch ca. 5 Minuten. Will man
jedoch die Tränen auch von Schülern herstellen lassen, so muss man mit
mindestens einer Stunde Aufwand rechnen.
Da keine Chemikalien verwendet werden, darf der Versuch als Schülerversuch
ab der Sek. I eingesetzt werden.
Dazu eignet sich das Themengebiet Glas und verschiedene Gebiete der Physik.
Wie eben schon erwähnt ist Glas ein schlechter Wärmeleiter.
Es wirkt
wärmeisolierend, wodurch eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit festgestellt werden
kann. Um diese Eigenschaft nachzuweisen, kann folgender Versuch gebracht
werden.
Versuch 4:

Chemikalien: keine

Materialen:
„Absorption von IR-Strahlung“
2 baugleiche Thermometer, 2 Stativplatten, 2 Stativstangen, 2 Stativringe, 2
Heizplatten, ein Urglas (Ø = 10 cm), eine Holzplatte (ca. 10 cm * 10 cm und so
dick, wie das Urglas)

Durchführung:
Aufbau
Der Aufbau muss so gestaltet sein, dass die beiden Thermometer gleich hoch
über den beiden Heizplatten hängen. Unter das eine Thermometer wird auf den
Stativring das Urglas, unter das andere die Holzplatte gelegt. Die Heizplatten
eigenen sich nur für diesen Versuch, wenn sie ungefähr gleich schnell warm
werden, da sonst das Ergebnis abgefälscht wird.
Versuch
Nachdem sichergestellt wurde, dass beide Thermometer die gleiche Temperatur
anzeigen, wird diese notiert und die Heizplatten werden zeitgleich angestellt.
Nach ca. einer halben Stunde wird die Temperatur auf beiden Thermometern
abgelesen und mit den zuvor notierten verglichen.
- 14 -
Erweiterung
Zur Erweiterung des Versuchs können nun die Heizplatten abgeschaltet werden.
Dann misst man die Zeit, bis jedes Thermometer wieder die Ausgangstemperatur
anzeigt.

Auswertung:
Bei der Kontrolle der angezeigten Temperatur stellt man fest, dass das
Thermometer, das von einer Glasplatte abgeschirmt wurde, eine niedrigere
Temperatur anzeigt. Durch die schlechte Wärmeleitfähigkeit dauert es länger, bis
die einzelnen „Schichten“ des Glases durchgewärmt sind. Aus dem gleichen
Grund dauert es ebenfalls lange, bis die erwärmten „Schichten“ wieder abkühlen
und das Thermometer wieder die Anfangstemperatur anzeigt.

Schulrelevanz:
Wie oben schon angedeutet, hängt das Ergebnis des Versuches von der
Gleichheit der Thermometer und der Heizplatten ab. Sind diese gewährleistet, so
kann das Ergebnis als sicher betrachtet werden.
Möchte man nur den ersten Teil des Versuchs präsentieren, muss man mit einem
Zeitaufwand von ca. 30 Minuten rechnen. Es empfiehlt sich in dieser Zeit
theoretisches Wissen zu vermitteln oder die Auswertung anzufangen, denn das
Starren auf die Thermometer kann schnell langweilig werden. Mit der Erweiterung
kommen noch mal ca. 30 Minuten hinzu, sodass sich die Durchführung hier kaum
lohnt, denn wer verstanden hat, wie sich das zu erst beobachtete Phänomen
erklären lässt, der wird automatisch annehmen, dass der Effekt auch in die
andere Richtung funktioniert.
Einzusetzen ist dieser Versuch als Schülerversuch ab der Sek. I, im
Themengebiet Glas und wenn man Leitfähigkeiten untersucht.
Die chemische Resistenz von Glas spielt im Labor eine große Rolle. Daher ist es
wichtig, hier die Zusammenhänge zu kennen.
Bei einem Säureangriff findet ein Ionenaustausch statt. Dabei werden Metallionen
aus dem Glas gegen H+(aq)-Ionen aus dem Wasser ausgetauscht. Dadurch bildet sich
eine Kieselgelschicht zum Schutz vor weiteren Protonen, sodass die tieferen
- 15 -
Schichten des Glases nicht angegriffen
werden
können.
Die
Stärke
des
Säureangriffs lässt mit der Zeit nach
(asymptotischer Kurvenverlauf).
Wasser hat aus den gleichen Gründen
die gleiche Wirkung.
Bei einem Basen-/Laugenangriff jedoch kommt es zum Herauslösen von silikatischen
Strukturelementen.
entsteht
Schicht
keine
und
der
Deswegen
schützende
„Ätzprozess“
kann in die tieferen Schichten
eindringen.
Der
Verlauf
ist
diesmal also nicht asymptotisch,
sondern linearer Natur.
„Ätzen von Glas“
Versuch 5:

Chemikalien:
Chemikalie
Summenformel
R-Sätze
S-Sätze Gefahrensymbol
Schule
Calciumfluorid
CaF2(s)
keine
keine
keine
alle
H2SO4(aq)
35
26-30-45
C: ätzend
Sek. II
(Flussspat)
Schwefelsäure (konz.)
Fluorwasserstoffsäure
1/2-7/9HF(aq)
26/27/28-35
45
(Flusssre.)
Siliciumtetrafluorid
26-36/37-
SiF4(g)
23-35
- 16 -
9-26-45
T+: sehr giftig
C: ätzend
T: giftig
C: ätzend
Lehrer
Lehrer

Materialen:
Abzug
und
Handschuhe,
Porzellanschale,
Dreifuß
und
Tondreieck,
Bunsenbrenner mit Schlauch, Feuerzeug, 2 Bechergläser (250 mL), Spritzflasche
mit
dest.
Wasser,
Spatel,
Pipette
mit
Hütchen,
Toilettenpapier
oder
Taschentücher, 2 Objektträger, Tiegelzange

Durchführung:
Zunächst wird der Abzug eingeschaltet! Die Porzellanschale wird im Tondreieck
auf den Dreifuß gestellt. Man gibt eine Spatelspitze Calciumfluorid in die
Porzellanschale und entzündet den Bunsenbrenner (rauschende Flamme).
Anschließend legt man einen Objektträger auf die Ränder der Porzellanschale,
möglichst genau über das Calciumfluorid. Nun hält man den Abzug so weit wie
möglich geschlossen, während man ca. 5 Tropfen Schwefelsäure auf das
Calciumfluorid gibt und dann zügig den Bunsenbrenner unter der Schale platziert.
Abzug schnell schließen.
Nach Ablauf der Reaktion wird mit der Tiegelzange (niemals mit den Händen) der
Objektträger in ein Wasserbad überführt (dest. Wasser). Dieses wird ein wenig
geschwenkt. Nach ca. 5 Minuten kann der Objektträger in ein weiteres
Wasserbad (auch dest. Wasser) gegeben werden. Ist das Glasstück ausreichend
gespült worden, kann es mit ein wenig Papier abgetrocknet werden.

Auswertung:
Aus den zunächst „harmlosen“ Stoffen entstehen zum Teil sehr giftige
Verbindungen,
deswegen
ist
bei
diesem
Versuch
auf
weitreichende
Vorsichtsmaßnahmen zu achten!
Die stattfindende Reaktion ist keine Redox-Reaktion und sie läuft in zwei
einzelnen Schritten ab, die aber wegen ihrer hohen Geschwindigkeit während der
Reaktion nicht von einander zu unterscheiden sind. Zunächst bildet sich
Fluorwasserstoffsäure.
Die entstandene Fluorwasserstoffsäure greift die gläserne Oberfläche des
Objektträgers an.
- 17 -
Dieser Teil der Reaktion ist reversibel (SiO2(s) als weißer Niederschlag am
Objektträger).

Schulrelevanz:
Der Versuch funktioniert zuverlässig und lässt sich spannend
variieren. So können mit ein bisschen Geschick schöne
Muster gezaubert werden. Im Fachhandel gibt es zu diesem
Zweck auch spezielle Paste, die aber mit Vorsicht zu
genießen ist, denn auch sie enthält Fluorwasserstoffsäure.
Mit einer Dauer von ca. 25 Minuten hat der Versuch eine
angenehme Länge, denn vorher und nachher bleibt
genügend Zeit, um auf- bzw. abzubauen und evtl. Fragen zu klären.
Auf Grund der Entstehung von Fluorwasserstoffsäure und Siliciumtetrafluorid ist
der Versuch leider nur als Lehrerversuch zu verwenden!
Er
kann
eingesetzt
werden
bei
der
Behandlung
der
Themen
Glas,
Oberflächen, Säuren-Base-Chemie, etc.
„Wasserbeständigkeit“
Versuch 6:

Chemikalien:
Chemikalie
Summenformel R-Sätze S-Sätze Gefahrensymbol Schule
Phenolphthalein

C20H14O4(l)
keine
keine
keine
alle
Materialen:
Becherglas
(500
mL),
Porzellanschale,
Spritzflasche mit dest. Wasser
- 18 -
Heizplatte,
Glasgrieß,
Pipette,

Durchführung:
Das Glasgrieß wird in die Porzellanschale gegeben und mit dest. Wasser
bedeckt. Dann werden ca. 5 Tropfen Phenolphthalein dazu gegeben und die
Schale auf dem mit Wasser gefüllten Becherglas platziert. Das Becherglas wird
auf die voll aufgedrehte Heizplatte gestellt. Nach ca. 20 Minuten kann das
Ergebnis begutachtet werden.

Auswertung:
Der
Wasserangriff
hat
den
gleichen
Verlauf wie der Säureangriff (siehe oben).
Einzelne Wassermoleküle werden dabei
ionisiert.
H2O(l)
H+(aq) + OH-(aq)
Die Metallionen im Glas werden durch
Protonen des Wassers ausgetauscht. In
Lösung verbleiben nur noch die Hydroxidionen, deren Anwesenheit durch die
Violettfärbung des Phenolphthaleins angezeigt wird.

Schulrelevanz:
Der Versuch funktioniert zuverlässig und lässt sich gut über die Feinheit des
„Glasgrießes“ regulieren.
Die Dauer variiert sehr nach der Wahl der Feinheit des Grießes, man muss aber
mindestens mit 15 min rechnen.
Einsetzbar ist der Versuch als Schülerversuch ab der Sek. I, da Phenolphthalein
als einzige Chemikalie als verwendbar eingestuft ist.
Als Themengebiete könnten Glas, Redox-Reaktionen, etc. dienen.
Versuch 7:

Chemikalien: keine

Materialen:
„Oberfläche von Glas“
2 Reagenzgläser, Reagenzglashalter, Fettspritze, Sprudelwasser
- 19 -

Durchführung:
Eines der Reagenzgläser wird am oberen Rand (ca. 3 bis 4 cm) mit Fett
eingeschmiert.
Dann
werden
beide
Glaser
nebeneinander
in
den
Reagenzglasständer gestellt und mit Sprudelwasser gefüllt (möglichst viel
Sprudel).

Auswertung:
Gläser
haben
die
Eigenschaft
an
der
Phasengrenze
zu
Wasser
Wasserstoffbrückenbindungen auszubilden. Diese Verbindung der Oberflächen
verhindert die Blasenbildung. Verschiedene Verunreinigungen (z. B. Fett)
schirmen die Oberfläche ab, sodass keine Wasserstoffbrückenbindungen
entstehen können. Daher kommt es an solchen verunreinigten Stellen vermehrt
zur Blasenbildung. Auch Kratzer oder andere Unregelmäßigkeiten können diesen
Effekt haben.

Schulrelevanz:
Das Ergebnis des Versuches ist sehr schön und deutlich zu sehen. Zu beachten
ist, dass der Effekt, der durch einen Fettrand hervorgerufen wird, viel deutlicher ist
als der, der durch Kratzer verursacht wird.
Man benötigt für diesen Versuch nur ca. 10 Minuten, sodass er sehr gut in den
Unterricht eingegliedert werden kann.
Es werden keine Chemikalien und keine aufwendigen Apparaturen verwendet,
sodass der Versuch als Schülerversuch ab der Sek. I angesehen werden kann.
Als
Themengebiete
eignen
sich
Glas,
Wasser,
Oberflächenchemie,
Wasserstoffbrückenbindungen, etc.
Allgemeine Schulrelevanz
Vergleicht man die beiden Lehrpläne der Schulsysteme G9 und G8, so stellt man
fest, dass es in Bezug auf das Thema Glas keinerlei Änderungen gab. Beide
Lehrpläne sehen die Behandlung dieses Themas im Jahrgang 12, 2. Halbjahr vor
und zwar unter dem Gesichtspunkt der Werkstoffe → natürliche und synthetische
Makromoleküle und Feststoffgitter → Glas (Geschichte, Herstellung, Struktur):
keramische Werkstoffe. Das Thema Glas beinhaltet sehr alltagsbezogenen Stoff, da
den Schülern Glas aus ihrer eigenen Umgebung sehr wohl bekannt ist und sich die
- 20 -
Bedeutung des Glases für die heutige Gesellschaft leicht erschließen und verstehen
lässt.
Außerdem
bietet
dieser
Themenbereich
viele
Möglichkeiten
für
fachübergreifenden Unterricht z. B. mit den Fächern Physik und Kunst.
Zusammenfassung
Für Schüler ist es wichtig (und generell für alle Zuhörer nützlich), dass am Ende einer
Unterrichtsstunde (eines Vortrags) eine sehr kurze Wiederholung dessen stattfindet,
was das Publikum auf jeden Fall behalten haben sollte (“Take-Home-Massage“).
Diese Inhalte sollten dabei nicht nur fachlicher Natur sein, sondern nach Möglichkeit
auch die Allgemeinbildung fördern. Hier also die kurze Zusammenfassung:

Glas war im Mittelalter Luxusgut, heute ist es selbstverständlich und besitzt eine
hohe Bedeutung.

Glas wird allgemein Beschrieben als eine nicht-kristalline, „unterkühlte“ Schmelze,
die wir als fest empfinden.

Glas leitet keinen Strom und ist wärmeisolierend.

Es gibt sehr viele verschiedene Arten von Gläsern. Jedoch besitzen die alle statt
einem Schmelzpunkt einen Schmelzbereich (Tg).

Glas wird merklich von Fluorwasserstoffsäure und starken Laugen angegriffen,
jedoch ist es gegenüber anderen Säuren und Wasser sehr beständig.

Glas wird verformbar, wenn man es erwärmt (die Viskosität fällt).

Außerdem: Heißes Glas sieht aus wie kaltes Glas!
- 21 -
Literatur
[1]
GESTIS-Stoffdatenbank
[2]
SOESTER Liste
[3]
www.chids.de (02.12.2008)
[4]
http://www.kultusministerium.hessen.de (01.12.2008
[5]
http://vision2form.nl/glas_geschichte.html (30.11.2008)
[6]
http://benjamin.stangltaller.at/REISEN/BAERNBACH96/BaernbachBlaeser.jpg (01.12.2008)
[7]
http://www.chemieunterricht.de (01.12.2008)
[8]
http://www.otterstedt.de/atm/silvering.html (01.12.2008)
[9]
http://www.solarserver.de/l8mimages/wacker_silizium.jpg (31.11.2008)
[10]
http://www.glaskunstwerkstatt.at/images/aetzung-detail.jpg (10.12.2008)
- 22 -
Herunterladen

Inhaltsverzeichnis