Inhaltsverzeichnis
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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 -
