Hinweis

Hinweis
Bei dieser Datei handelt es sich um ein Protokoll, das einen Vortrag im Rahmen
des Chemielehramtsstudiums an der Uni Marburg referiert. Zur besseren
Durchsuchbarkeit wurde zudem eine Texterkennung durchgeführt und hinter das
eingescannte Bild gelegt, so dass Copy & Paste möglich ist – aber Vorsicht, die
Texterkennung wurde nicht korrigiert und ist gerade bei schlecht leserlichen
Dateien mit Fehlern behaftet.
Alle mehr als 700 Protokolle (Anfang 2007) können auf der Seite
http://www.chids.de/veranstaltungen/uebungen_experimentalvortrag.html
eingesehen und heruntergeladen werden.
Zudem stehen auf der Seite www.chids.de weitere Versuche, Lernzirkel und
Staatsexamensarbeiten bereit.
Dr. Ph. Reiß, im Juli 2007
Lehramtsvortrag
Sonja Beer
SS' 1997
Glas
Thema:
I
Gliederung:
1. Geschichtlicher Hintergrund
2. Was ist Glas (V1)
3. Strukturmodelle
4. Die Schmelze ( V2 )
5. Eigenschaften ( V3 - V5 )
6. Farbigkeit von Gläsern ( V6 )
7. Anwendungen (V7, Va)
Versuche:
V1)
V2)
V3)
V4)
V5)
V6)
V7)
V8)
Gläser aus dem Muffelofen
Glastropfen schmelzen
Wasserbeständigkeit
Wirkung von Flußsäure
Leitfähigkeit von Glas
Boraxperle
Glaselektrode
Radioaktiver Abfall
Chemie in der Schule: www.chids.de
1. Geschichtlicher Hintergrund
g ~1
.
I
.
c
e
b
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-
f
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;01
'J
d
~- ,
I
I
I
I
I
/
------------------------------------l--~---~~~-~
I I
1000
5000v. Chr.
200
0
1800
2000 n. Chr.
Die obere Graphik zeigt die Bedeutung von Glas seit seiner Entdeckung.
a: Etwa 5000 v.Chr. entdeckten Ägypter das Glas beim Brennen von kalkhaltigem
Sand.
b: Bis 1000 v.Chr. konnten sie aus Glas einfache Behälter herstellen, indem sie einen
Negativkern benutzten und diesen in die heiße, flüssige Glasmasse tauchten .
c: Die Entwicklung erfuhr einen Aufschwung, als syrische Handwerker ca. 200 v.Chr.
die Glasmacherpfeife erfanden. Jetzt konnte die Glasschmelze durch Blasen
geformt werden.
d: Die Bedeutung von Glas stieg stark an mit der Herstellung von farblosem Glas .
e: Josef Fraunhofer stellte als erster optische Geräte wie Fernrohre und Mikroskope
her.
f: Otto Schott entwickelte die Grundlage für die moderne Glastechnologie. Er erfand
Gläser mit bestimmten Eigenschaften , die speziell in der Technik eingesetzt werden
konnten.
g: Heute ist Glas in allen Bereichen der Technik und der Industrie zu finden.
I
Glasiriig er (li"ks lIi"te,,) holt das Glas alls einer Hiitte ab
Chemie in der Schule:
www.chids.de
IQ ut..'lIL': Wtl!t Hclm ha rd vo n Hoh ber e . Adeliges Landleben. 1682: C Ha us Jt:'T Bavn schen Geschic hte, ~g-57-246 )
-2 -
Der Stich zeigt eine typische Szene in einer früheren Glaswerkstatt.
Um den Glasofen sitzen die Glasbläser und formen die Schmelze mit den
Glasmacherpfeifen. Die fertigen Gefäße liegen im oberen Teil des Ofen zum
langsamen Abkühlen.
Im Hintergrund holt ein Glasträger das fertige Glas zum Verkauf ab.
2. Was ist Glas?
'1 {. Soti.S+i~o
Industrieglas besteht heute aus etwa:
~ At jI. ~Lkstc.if,f (Ui (0.1)
~
A91-
1;
St;' Qattlf-?.eaud.
Soda (J.}lz (01)
(""~iOl.)
Definition: Glas ist ein amorpher Festkörper, der einen Glasübergang
aufweist.
Die Definition wird durch das thermodynamische Verhalten bzw. den Glasübergang
und durch die amorphe Struktur des Festkörpers bestimmt.
2.1 Das thermodynamische Verhalten:
Die Temperaturabhängigkeit des Volumens:
c
Q,)
E
;:,
(5
>
Tg
Ts
Temperatur
Ts = Glasschmelztemperatur
Tg = Glastransformationstemperatur
Kühlt man eine Glasschmelze langsam ab, so kommt es bei der Temperatur Ts zu
einem Volumensprung und die Moleküle ordnen sich in der gleichmäßigen
Kristallstruktur an.
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-J-
Kühlt man diese Schmelze aber relativ schnell ab, so unterbleibt der Volumensprung.
Das Volumen verringert sich gleichmäßig, die jetzt unterkühlte Schmelze geht bei der
Temperatur Tg in den Glasübergang und dann in den Glaszustand über.
Das Verhältnis von Temperatur und Volumen ist dem des Kristalles jetzt proportional.
Daraus ergibt sich eine weitere Beschreibung von Glas :
=::() Glas ist eine eingefrorene unterkühlte Flüssigkeit, die sich im
metastabilen Zustand befindet.
Metastabiler Zustand :
A = metastabiler Zustand (Glas)
B = instabiler Zustand
C = stabiler Zustand (Kristall)
Die Abbildung verdeutlicht am Beispiel einer Holzkiste die verschiedenen Zustände.
In A befindet sich die Kiste im metastabilen Zustand. Eine geringe Energiezufuhr in
Form eines Stoßes genügt, um die Kiste in den instabilen und schließlich in den
stabilen Zustand zu bringen.
Beim Glas ist die Aktivierungsenergie zu hoch, um die bestehenden Bindungen unter
Normalbedingungen zu lösen. Erst das Erhitzen zur Schmelze und das
anschließende langsame Abkühlen können das Glas in den stabilen Kristallzustand
überf ühren.
--f>
Der Glaszustand ist metastabil, da er gegenüber dem kristallisierten
Zustand eine höhere innere Energie besitzt.
2.2 Die amorphe Struktur
Die Viskosität der Schmelze bestimmt die Glasbildung oder die Kristallisation:
Sch me lze
H,O
Nä
Zn
~:_ _ ____ _________
B,O ,
GeO,
SiO, Na,0-2 SiO,
-
-
_
T s (0C)
Viskosität (d Pas )
0
98
420
o.ot
0,Q2
0,03
!_~~~
~
~9?
450
1 050
1 723
874
i
105
Tab. 1: Viskosität v on Schmelzen am Schmelzpu nkt
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-4. -
1Ql
107
10'
_
Die Metalle und das Wasser haben zwar alle verschiedene Schmelztemperaturen,
aber sie haben auch alle sehr geringe Viskositäten
Die typischen Glasbildungsstoffe dagegen haben vielfach höhere Viskositäten. Auf
diesen hohen Viskositäten der Schmelzen beruht die Eigenschaft zur Glasbildung.
Versuch 1: Gläser aus dem Muffelofen (Herstellung eines Boraxglases)
Rezept:
26,7g H3B03
8,2 g K2C03
4,5 g Na2C03
4,3 g CaC03
2,5 g Sand
Mn02 (Farbgeber)
Nach diesem Rezept werden die verschiedenen Carbonatsalze, die Borsäure , der
Sand und das Mn02 vermengt und dann bei 1000°C geschmolzen.
Das Ergebnis ist ein violett gefärbtes Glas.
3. Strukturmodelle
(Auf der Basis der Netzwerkhypothese von Zachariasen und Warren. )
Kieselglas:
Besteht aus reinem Si02, also nur aus einem Oxid.
Die linke Abbildung zeigt, daß das Si-Atom tetraedrisch von 4 O-Atomen koordiniert
ist. Die einzelnen Si04-Tetraeder sind über die Ecken miteinander verknüpft. Diese
Bindung ist innerhalb des eingezeichneten Kegels frei drehbar.
Daraus entsteht ein 3-dimensionales Netzwerk, in dem die Si04-Tetraeder völlig
ungleichmäßig vorliegen.
I
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Nach der Netzwerkhypothese von Zachariasen und Warren gelten folgende 4 Regeln
für die Glasbildung:
- KZ des Kations< 6
- O-Atom mit max. 2 Kationen verknüpft
- (Si04)- Tetraeder sind über die Ecken verknüpft
- 3-dim-Netzwerk, da mindestens 3 Ecken mit anderen
Polyedern verknüpft sind.
Oxide, die diese Regeln erfüllen heißen Netzwerkbildner.
z.B.: B203, AS203, P20S, Ge02, Si02
Vergleich:
Glas
Kristall
Kristall und Glas bestehen beide aus Si04-Tetraedern, haben also beide eine
Nahordnung. Beim Kristall sind die Tetraeder völlig gleichmäßig angeordnet, er hat
eine Fernordnung. Dem Glas fehlt diese Fernordnung. Die Tetraeder sind
ungleichmäßig angeordnet, daher die höhere innere Energie, bzw. der metastabile
Zustand.
Diese Abbildung zeigt nur die 2-dim. Ebene. Das vierte O-Atom befindet sich vor bzw.
hinter der Papierebene.
Auf der Glasabbildung ist erstmals das Größenverhältnis von Si- und O-Atomen
dargestellt. Auf diesem Verhältnis basiert die Anordnung in Tetraedern.
Mehrkomponentengläser : aus mehreren Oxiden
Bestehen aus : Netzwerkbildnern
und aus Netzwerkwandlern: Alkali- und Erdalkalioxide
(z.B. Na20, CaO)
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-6 -
Die Wirkung der Netzwerkwandler:
>
+
Es entstehen zwei entständige Sauerstoffatome mit negativer Ladung
(Trennstellensauerstoffe). Die negative Ladung wird durch die Na-Ionen kompensiert.
Die Trennstellensauerstoffe verändern die Glaseigenschaften:
- Viskosität der Schmelze sinkt
- Schmelztemperatur der Gläser sinkt
- chem. Beständigkeit sinkt
- erhöhte elektr. Leitfähigkeit
4. Die Schmelze
Eine homogene Schmelze der Rohstoffe (Quarzsand + Metalloxide) entsteht bei ca.
1000°C.
Verhältnis von Temperatur und Zähigkeit:
'"
""
~
20
.S
;, 18
'I,
.s
I ',
16
14
I..
I
1
I "
I
',
~----~'~~
Transtormationsbereich
-
-
-
,
- 1-
I
1
12
10
8
I
I
I
I
I
I
1
I
I
Sintern. Senken
I
2
I
- 13- - - - -
10
~
-
-
dP as
-
-
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-
--- - - - - - - - -
-
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-
oberer Kühlp un kt
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
I 1
I 1
11
11
11
I
11
Schmelzen. Gießen
200
400
600
800
1000 1200 1400 1600
Temperatur in "C
In der Graphik sind noch einmal Transformationsbereich und Glasschmelztemperatur
dargestellt. Außerdem sind die typischen Glasverarbeitungsvertahren bei den
entsprechenden Temperaturen dargestellt.
Der Kurververlauf macht klar, daß Gläser beim Erwärmen nicht bei einer bestimmten
Temperatur schmelzen, sondern daß sie allmählich erweichen.
I
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-j. -
Versuch 2:
Glaslropfen schmelzen
Mit dem Gebläsebrenner wird langsam ein Tropfen von einem Glasstab geschmolzen.
Der Glastropfen fällt in eine Sandunterlage.
Um den Glasstab gleichmäßig zu schmelzen, wird er in der Flamme gedreht. Dabei
wird noch einmal gezeigt, daß Gläser allmählich erweichen, denn der Glastropfen
weicht langsam und unterstützt von seinem Eigengewicht von dem Glasstab ab.
5. Eigenschaften
5.1 Chemische Resistenz:
- ehern. Beständigkeit:
Ist die Widerstandsfähigkeit der Glasoberfläche gegenüber definierten Agentien,
beeinflußt durch Temperatur, Beanspruchungsdauer und vom Oberflächenzustand.
Einwirkung von OH- und H30+:
Wirkungsweise:
H30+: --f> Ionenaustausch: Metallionen gegen H30't"-lonen
Bildung einer Kieselgelschicht zum Schutz vor weiteren Protonen,
was auch am Kurververlauf zu erkennen ist.
Säuren und Wasser wirken nach diesem Mechanismus
-0
-f,
Säureangriff
0,2
o
OH
: -t>
8 h
6
2
Herauslösen von silikat. Strukturelementen
-
\
/
--- Si - 0 - Si /
\
-
+
~
2 OH
\
.... -
-
2 - Si - 01 + H20
/
Die Kurve verläuft geradlini.g, was zeigt, daß der OH -Angriff gleichmäßig abläuft,
ohne die schützende Ausbildung einer Kieselgelschicht.
....
'J:.
r-l
('""
-§ 8
:J 0
>
0
'JJ~
...............
..c:
.~
~160
E
~ c
Ü .-
80
o
Laugenangriff
2
·4
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-~
-
6
8 h
Versuch 3: Wasserbeständigkeit
2 9 Glasgrieß werden mit 50 ml Aqua dest. vermengt und in einer Porzellanschale 1 h
lang über einem siedenden Wasserbad erhitzt.
Dabei werden die Metallionen im Glas durch die Protonen des Wassers
ausgetauscht, abhängig von dem Gehalt an Metallionen im Glas:
~ 0/003
<,
G,..
Z
~
0/02
Wasserangriff
0/01
o
6
4
2
8 h
Das Wasser wird zunehmend alkalischer, was in einer Titration mit 0,01 molll HCISäure nachgewiesen wird. Als Indikator dient Methylrot.
Entsprechend dem Säureverbrauch bei der Titration kann man eine Einteilung in 5
"hydrolytische" Klassen vornehmen.
(Der Begriff hydrolytisch ist markiert, da es sich bei der Reaktion nicht um eine
Hydrolyse handelt.)
Mit einem Verbrauch von 6,2 ml der 0,01 molll HCI-Lsg. ergibt dies die 5. Klasse tür
die 2 g Glasgries. Der Glasgries stammt von einem üblichen technischen Glasrohr,
also von einem stark unbeständigen Glas.
I Hydro- Säureverbrauch an
I lytische 0,01 molll Salzsäure
Klasse
je g Glasgrieß
bis
über 0,10 bis
über 0,20 bis
über 0/85 bis
über 2,0 bis
Mögliche Bezeichnung
J.lglg
mUg
1
2
3
4
5
Basenäquivalent
als Na 20
je g Glasgrieß
0/10
0,20
0,85
2,0
3,5
bis
über 31 bis
über 62 bis
über 264 bis
über 620
31
62
264
620
chemisch hoch resistentes Glas
resistentes Glas
schwach resistentes Glas
deutlicher unbeständiges Glas
stark unbeständiges Glas
Hinweis: Der Begriff Hydrolyse ist zwar in der Laborpraxis gebräuchlich, fachlich korrekt sind in diesem
Zusammenhang die Begriffe Protolyse, Ionenaustausch etc.
Glas wird nur durch:
- Flußsäure
- starke Laugen
- konz. Phosphorsäure
besonders bei hohen Temperaturen merklich angegriffen.
I
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-~-
Versuch 4: Wirkung von Flußsäure
Aufbau:
"'-"-.......-
~LblkJÖ,..l~~
€wA.!
...---...-- TL~JOU'~
fLc6fikbaL,tr'
Ein Reagenzglas ist am unteren Ende kolbenförmig aufgeblasen, die Glaswand ist in
diesem Bereich dünner als im oberen Teil.
Von oben werden ca. 2 ml technische Flußsäure ( 38-40 °k ) eingeleitet.
Sofort greift die Flußsäure das Glas an, was an einer Trübung der Säure zu erkennen
ist. Nach wenigen Minuten ist das Glas an einer Stelle weggeätzt und die restliche
Flußsäure läuft nach unten aus. Dort wird sie in einem Plastikbecher aufgefangen.
Ablaufende Reaktion:
Si02
+
4 HF
----/> SiF4 + 2 H20
5.2. Mechanische Eigenschaften:
- ideal spröde
- zug- und druckfest
5.3 Wärmeeigenschaften:
- geringe Wärmeleitfähigkeit
- die Wärmeausdehnung ist fast linear
5.4 Elektrische Eigenschaften:
- elektrisch hoch isolierend
- Stromtransport in techn, Silikatgläsern durch Ionenwanderung ist
temperaturabhängig.
L
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-'1fJ-
----
Versuch 5: Leitfähigkeit von Glas
[aJ
Aufbau:
(2)
-[
Ko-.bc.L
. .----
~~.:..:..:---...~~~~~~----.~--t----=t~--(jjla~i
B-
~
Gi Lc.lMtMi.540Plc.\A
r, -1)Nl~+
:ßuV\.St\AbV'(,\t~~v
Die Leitfähigkeit, bzw. der spez. elektr. Widerstand, folgt im Temperaturbereich
unterhalb der Glastransformationstemperatur (Tg) dem Gesetz von Rasch und
Hinrichsen:
A,B spez. Konstanten
B
p spez. elektr. Widerstand
logp = A - T
T Temperatur
=
=
=
Temperaturabhängigkeit des spez. elektr. Widerstands eines Natron-Kalk-Glases:
E
u
16
C
.5
a
0~
..9
14
12
10
8
Transforma tionsbereich
6
4
2
25
50
100
200
300 400
600 800
Temperatur in "C
Die Graphik verdeutlicht noch einmal die Beziehung des logarithmisch autqstraqenen
spez. elektr. Widerstandes und der Temperatur, es ist eine antiproportionale
Beziehung. Je höher die Temperatur, desto geringer der logarithmisch autqetraqene
Widerstand.
Bei Erreichen des Transformationsbereiches fällt die Kurve weiter ab.
I
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-----IIIIIIJ
5.5 Optische Eigenschaften:
- Lichtbrechung: Linsen
- Lichtdurchlässigkeit: alle Elektronen sind, im Gegensatz zu Metallen,
gebunden
---6
keine Wechselwirkungen mit Ucht im sichtbaren Spektralbereich.
6. Farbigkeit von Gläsern
Verschiedene Färbemöglichkeiten:
- kolloidale Metalle
~
Goldrubinglas
- getrübte Gläser: Einlagerung fester Teilchen, z.B. Ca3(P04)2
Bsp. Emaille
- Färbungen durch Zusätze
FeO:
Fe203 :
CoO:
von MeO:
grün
braun
blau
Versuch 6: Boraxperle
Ein Magnesiastab wird in einer Bunsenbrennerflamme bis zum Glühen erhitzt und
dann in Borax (Natriumtetraborat) getaucht. Das anheftende Borax wird in der
Flamme geschmolzen, dabei entweicht das Kristallwasser. An die Perle bringt man
etwas gepUlvertes Metalloxid und schmilzt erneut in der Oxidationsflamme durch.
Das Ergebnis sind intensiv gefärbte Borax-Gläser.
250 0
Glasbildung:
400 0
Na2B407 · 10 H20 - - - - C >
- 10 H20
Färbung: Na2B407 + CuO
3 Na2B407 + Cr203
1
-
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~
2 B203 + Na20
2 NaB02 + CU(B02)2 (türkis)
~
6 NaB02 + 2 Cr(B02)3
(grün)
----
7. Anwendungen
7.1 Glaselektrode:
Die Glaselektrode wird zur pH-Wert-Messung eingesetzt, sie ist in allen ehern. und
biolog. Laboren zu finden.
Das Meßprinzip ist eine Spannungsmessung. Bei der Einstab-Meßkette liegen
Bezugselektrode und Meßelektrode vereint in einem "Stab" vor.
Aufbau:
Einstab - Meßkette
~-~r-- 'f~ lrt- L~
i: L~~ 11)
l>~ '!- (\A.\A.lot~"'"'" 4u pli)
Bezugselektrode :
Meßelektrode:
Ag I AgGI - Elektrode
Ag I AgGI - Elektrode
Beide Elektroden sind identischer Zusammensetzung. Das ist eine Vereinfachung, da
bei dem Meßvorgang sonst ein Potentialdifferenzwert im Nullpunkt berücksichtigt
werden müßte. Darauf kann hier verzichtet werden.
Bei den üblichen Glaselektroden besteht das Glas aus:
- 72 % Si02
- 22 °k N820
- 6 °k GaG
,
Diese bilden ein 3-dim. Silikatgerüst mit endständigen :; Si Die Wandstärke im aktiven Glasbereich beträgt 0,1 - 0,01 mm.
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--
91
~
-Gruppen.
Versuch 7. a:
Gleichgewi chtsei "stell u "g
Aufbau:
[vJ
--------t)'l~-----.j
......--- ,4~ ~::D~~+
\
.-1-----
..._-- --0
o
~eL (..1 nl
o
Die Farben zeigen die Übereinstimmungen der handelsüblichen Einstab-Meßkette
und der im Versuch nachgebauten Glaselektrode.
Der aktive Glasbereich ist im Versuch durch ein Acrylamidgel ersetzt worden. Die
Wirkungsweise ist der des Glases aber identisch. Das Gel hat eine polymere
Austauschschicht mit funktionellen Gruppen wie: RCOO- oder (RO)POO'" die eine
spez. Affinität für das zu bestimmende Ion aufweisen.
I
Meßelektrode und Bezugselektrode sind hier verschieden, deshalb ist eine
Potentialdifferenz zu beachten:
~
Bezugselektrode:
Meßelektrode:
Potential:
~
- ESez
=
Ag I AgCI - Elektrode
E
=E
D
r
+1
+ 0,059' Ig Ag
da schwerlösliche Salze als Bodenkörper vorliegen, ist die
Lösung in ihren Ionen gesättigt --t; Elektrode 2. Art
[Ag +)
=
KL I [CI]
unter Standardbedingungen, E
KL (Aga) 10-'D mol I I
=
gilt:
1
= E~ß
Normalwasserstoffelektrode
Standardelektrode mit konstantem Potential
es gilt:
-ob
E
E
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= 0,81 V + 0,059·
(AglAg+)
= 0,81 V,
Ig [10. °]
1
= 220
mV
--
Was passiert beim Einstellen des Gleichgewichtes?
Pufferlösung
( Lsg. 1)
o
0
0
o•
0
(I
Pufferlösung
( Lsg. 1)
Glas
•Z
U)O •
•
(I
0
0
PI.
"
0
0
~
e
HJO-f
0
0
0
0
...
0
0
~
-
0
0
0 e
0
e
0
e
?
austauschende
Schichten
" = Na" +
o = H30
Bevor eine Glaselektrode benutzt werden kann, muß sie mehrere Stunden im
zugehörigen Puffer stehen. Dabei bildet sich eine Quellschicht an den
Glasoberflächen, die Sitz des sich einstellenden Membranpotentials ist. Die
Quellschicht entsteht auf Grund von Austauschprozessen zwischen den Na ..... -Ionen
des Silikats und den H30 + -Ionen der Lösungen. Die H30'" -Ionen haben eine größere
Affinität zu den ~Si - 0'- -Gruppen als die Na" -Ionen.
Aus dem Na-Silikat -Gerüst wandern zwar Na + -Ionen in die Quellschicht ein, aber die
an dem Gerüst bleibende negative Ladung wird nicht durch die H30 -t -Ionen
kompensiert, was ein Diffusionspotential zur Folge hat.
Im Idealfall sind die H30 T -Konzentration und das Potential auf beiden Seiten gleich
groß.
Versuch 7. b:
Meßvorgang:
Lösung x
(außen)
Pufferlösung (= Lsg. 1 )
(innen)
Glas
- +
-- .......
-+-
-
jj
\
I
Chemie in der Schule: www.chids.de
t
austauschende
Schichten
.....
Auf der inneren Seite bleiben die Verhältnisse und das bestehende Potential
erhalten.
Aber auf der äußeren Seite tritt nun die Meßlösung in Kontakt mit der Quellschicht. Es
kommt erneut zum Austausch der H30"" -Ionen und der Na"" -Ionen, abhängig vom
H30 ..., -Gehalt der Meßlösung. Der sich aufbauende Potentialwall verhindert einen
weiteren Ionenaustausch.
Die Elektrodenfunktion wird alleine durch das pH-abhängige Potential auf der
Außenseite bestimmt.
Um überhaupt eine Spannung messen zu können, muß ein Ladungstransport durch
das Glas stattfinden. Dies geschieht indirekt durch die Na-" -Ionen im Glas und kann
als eine "Stoßwirkung" beschrieben werden, bei der das Potential innerhalb der
Membranschicht konstant bleibt. Genaueres hierzu ist noch nicht bekannt.
Der Potentialsprung gehorcht der Nernstschen Gleichung:
· Lv, cc (L~lAJ
(cnLo..~)
R-T
E= n·F
---
O,OS~
n
· l~
MitpH--= -lg[H3Ö'-J9ilt:
Speziell:
1
E
+
R.·T
Vl·t:
· ll/1 c (G, w)
C.(Ls~~)
c( LS3 A)
cCU3 X)
E = 58,1 V· (RH(Lsg1) - RH (Lsgx»
= 58,1 V · ( 1 - 6 )
=- 291 mV.
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...........-_--
7.2 Einschmelzen von radioaktivem Abfall:
Radioaktiver Abfall aus Kernkraftwerken:
--t> HAW-Lösung (= Highly active Waste, hochradioaktive Abfall-Lösung)
Die HAW-Lösung ist eine wäßrig-salpetersaure Phase mit über 99 °k der gesamten im
Reaktor entstandenen nicht gasförmigen Spaltprodukte, sowie Transuranen (außer
Plutonium).
Das Ziel, was angestrebt wird, lautet:
" Die für die hochradioaktiven Wiederaufbereitungsabfälle geeigneten
Immobilisations-Barrieren zu entwickeln."
Momentan realisiert wird aber diese Vorgehensweise:
Lagerung in Tanks: doppelwandige Edelstahltanks, aber:
Selbsterhitzung, die durch den radioaktiven Zerfall zustande
kommt ...~ Luftkühlung
-() Radiolyse des Wassers -~ Umsetzung in H2 und 02.
-'J
==t>
Zwischenlagerung, keine Endlagerung
Als mögliche Problem lösung wird die Verglasung des radioaktiven Abfalls erforscht:
Verglasung:
Die Spaltprodukte werden als Bestandteile des Glases fixiert
- PAMELA - Verfahren
Phosphatglasverfestigung mit anschließender Metalleinbettung
zur sicheren Endlagerung von hochradioaktiven Spaltprodukten.
=
( erprobt in Mol, Belgien)
* Glasschmelze mit gelösten radioaktiven Stoffen
-t> Produkt: Glasperlen
* Einbetten in Blei
* Das Endprodukt der Verglasung heißt VITROMET und soll der Endlagerung
zugeführt werden.
11.....--.
Chemie in der Schule: www.chids.de
------
Fließbild des Verfahrens PAMELA:
2
0:
Abgasbehandlung
,----.1 )) f --
-
--
.r
. .~!i~~~;1<)Ci['1S,m~'
EinspeISUDg::; -, ,",' ,
4 Hauptschritte:
* Denitrierung und Konzentration der HAW-Lösung :
4 HN03 + CH20 ==t> 4 N02 + C02 + 3 H20
4 HN03 + 3 CH20 ====t> 4 NO + 3 C02 + 5 H20
* Abgasbehandlung :
- Luftbeimischung: NO wird zu N02 oxidiert
- Restgas ist hauptsächlich C02, N2, 02
sowie Spuren von NO und N02
~ Atmosphäre
* Verglasung und Herstellung von Glasperlen:
- Phosphatglasperlen auf Grund des Einleitens von Phosphorsäure
- keramischer Schmelzofen
* Einbettung der Glasperlen in eine Schwermetallmatrix (Blei)
I
Chemie in der Schule: www.chids.de
Kamin
Versuch 8:
Radioaktiver Abfall
Aufbau:
1 . ohne Bleiglas
2 . Bleiglas, 45 o~
3 . Bleiglas, 24 °k
Ergebnis:
, ••• • • • ••• J
1- .. - ..1
nach 53 h Uranylacetat:
- - - - - - - , 1 - - 'Pko~o..l1~ \AA-c1 k
•
ev..-Iwick.l /;..'1
3
Nur auf der 1. Probestelle konnte radioaktive Strahlung nachgewiesen werden.
Bereits das Bleiglas mit 24 °k Bleianteil hat die Strahlung, die von dem Uranylacetat
ausgeht absorbiert.
Dieses Glas ist das überall erhältliche "Bleiglas", aus dem viele Trinkgläser,
Aschenbecher, etc. hergestellt sind.
Chemie in der Schule: www.chids.de
Literatur:
-
1
Physikal. Chemie, Meßmethoden, Näser und Peschel, VEB-Verlag
Roempp, Chem. Lexikon
Gmelins Handbuch, 8. Auflage, Silicium, Teil B
Hollemann Wieberg
Analytikum, Autorenkollektiv, VEB-Verlag
Maßanalyse, Jander, Jar- Chemistry-Study of Matters, Cippincott, Garrett, Verhoek,
Verlag John Wiley &Sons
Grundlagen der quantitiven Analyse, Kunze, Schwedt, Thieme-Verlag
Glas, Natur, Struktur und Eigenschaften, Horst Scholze, Springer Verlag
Das Buch zur Sache Glas, Terence Maloney, dva-Verlag
A.G.Herrmann, Radioaktive Abfälle, Probleme und Verantwortung, Springer Verlag
Einführung in die Lehrerfortbildung, Butenuth, Netsch, Steuber
Chemistry, Facts, Patterns & Principles, Kneon Rogers Simpson,
Verlag Addison-Wesley
Chemie in unsrer Zeit: Behandling hochradioaktiver Abfälle, Wilfried Heimerl, 1978
Naturwissenschaften im Unterricht Chemie, Heft 35,44. Jahrgang
Vom Sand zum Glas, Gerresheimer Glas (Werbeprospekt)
Über das Recycling von Glas, Fachvereinigung Behälterglasindustrie (Werbeprosp.)
Glasrecycling: Ein Kreislauf für die Umwelt, GGA (Werbeprospekt)
Die Glasfenster von Georg Meistermann, MAG. Horst Heydt (Werbeprospekt)
Chemie in der Schule: www.chids.de
-J. 0-
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