glas – ein vielseitiger werkstoff
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1. Einheit: GLAS – EIN VIELSEITIGER WERKSTOFF Naturwissenschaftliche Grundlagen der Farb- und Beschichtungstechnologie Sebastian Spinnen , Ingrid Reisewitz-Swertz 1 von 29 ZIELE DER HEUTIGEN EINHEIT Am Ende der der Einheit Glas – ein vielseitiger Werkstoff.. ..sind Sie in der Lage die Begriffe amorph und kristallin zu erläutern und voneinander abzugrenzen. ..kennen Sie die wesentlichen Bestandteile von Gläsern. ..können Sie die Unterschiede und Eigenschaften von Gebrauchsglas, Laborglas und Quarzglas einschätzen. ..kennen Sie Methoden zur Bearbeitung von Glas. ..sind Sie in der Lage einen Bunsenbrenner fachgerecht zu verwenden. Naturwissenschaftliche Grundlagen der Farb- und Beschichtungstechnologie Sebastian Spinnen , Ingrid Reisewitz-Swertz 2 von 29 WAS IST EIN ATOM? kleinste Einheit aus der ein Stoff besteht: setzt sich zusammen aus Atomkern und Elektronenhülle Atomkern: – besteht aus Protonen und Neutronen – enthält fast die gesamte Masse des Atoms Elektronenhülle: – – – – Elektronen, die um den Atomkern kreisen ist in Schalen aufgeteilt Atomquerschnitt Schalen werden von innen nach außen besetzt äußerste Schale heißt Valenzschale Ein Atom enthält gleich viele Elektronen wie Protonen Naturwissenschaftliche Grundlagen der Farb- und Beschichtungstechnologie Sebastian Spinnen , Ingrid Reisewitz-Swertz 3 von 29 WAS IST EIN ELEMENT? ein Element besteht aus einer einzigen Sorte von Atomen – z.B. Kohlenstoff, Schwefel, Eisen, Sauerstoff, Wasserstoff jedes Element hat spezifische Eigenschaften – bestimmt durch Atomaufbau Stoffe kommen selten elementar in der Natur vor, sondern nur als Verbindungen – Ausnahme z.B. Edelmetalle (Gold), Kohlenstoff Elemente mit ähnlichen Eigenschaften werden zu Elementfamilien zusammengefasst. Periodensystem der Elemente (PES) Naturwissenschaftliche Grundlagen der Farb- und Beschichtungstechnologie Sebastian Spinnen , Ingrid Reisewitz-Swertz 4 von 29 Gruppe DAS PERIODENSYSTEM DER ELEMENTE Periode Naturwissenschaftliche Grundlagen der Farb- und Beschichtungstechnologie Sebastian Spinnen , Ingrid Reisewitz-Swertz 5 von 29 BINDUNGSARTEN Es gibt drei grundlegende Bindungsarten: Kovalente Bindung echte Verbindung der beteiligten Elementen (Elektronenpaarbindung) Moleküle Beispiel: Wasser (H2O) Ionische Bindung Bindende Wechselwirkung positiver Teilchen und negativer Teilchen Kristallgitter (Salze) z.B. Natriumchlorid (NaCl) Naturwissenschaftliche Grundlagen der Farb- und Beschichtungstechnologie Sebastian Spinnen , Ingrid Reisewitz-Swertz Metallische Bindung nur in Metallen freie bewegliche Außenelektronen Atomrümpfe leitfähig z.B. Eisen (Fe) 6 von 29 BEGRIFFLICHKEITEN Element: z.B. Kohlenstoff (C) oder Eisen (Fe) Ion: positiv oder negativ geladene Teilchen z.B. Kationen (Na+, Fe2+) oder Anionen (Cl-, SO42-) Molekül: eine Verbindung aus kovalent gebundenen Atomen z.B. Wasser (H2O) Oxid: Verbindung mit Sauerstoff z.B. Eisenoxid (FeO) oder Kohlenstoffdioxid (CO2) Salz: Verbindung aus Ionen (Metallkationen und Nichtmetallanionen) – bildet immer ein Kristallgitter – Carbonate: Verbindungen aus Metallkation und Carbonat-Anion (CO32-) z.B. Natriumcarbonat (Na2CO3) – Sulfate: Verbindungen aus Metallkation und Sulfat-Anion (SO42-) z.B. Calciumsulfat (CaSO4) Naturwissenschaftliche Grundlagen der Farb- und Beschichtungstechnologie Sebastian Spinnen , Ingrid Reisewitz-Swertz 7 von 29 8-N-REGEL Alle Elemente im Periodensystem streben ihre stabilste Form an – z.B. Sauerstoff O2 statt O, Cl2 statt Cl – Ziel ist die volle Elektronenaußenschale Bindigkeit lässt sich mit der 8-N-Regel aus Hauptgruppenzahl ableiten (Nichtmetalle) – Beispiel Silicium: 4. Hauptgruppe • 8 − 4 = 4 → 4 Bindungen ein – Beispiel Sauerstoff: 6. Hauptgruppe • 8 − 6 = 2 → 2 Bindungen Naturwissenschaftliche Grundlagen der Farb- und Beschichtungstechnologie Sebastian Spinnen , Ingrid Reisewitz-Swertz 8 von 29 BEISPIELE Beispielmoleküle: kovalenter Bestandteil Beispiel Salz*: CaSO4 Ionische Ca2+ + SO42Bestandteile Calciumsulfat (Gips) Calcium-Ion *: vgl. Aufgabe 1! Naturwissenschaftliche Grundlagen der Farb- und Beschichtungstechnologie Sebastian Spinnen , Ingrid Reisewitz-Swertz 9 von 29 WAS IST GLAS? Wortbedeutung: germanisch: glasa, „das Glänzende“ Ein paar Definitionen: „Glas ist ein anorganisches Schmelzprodukt, das im wesentlichen ohne Kristallisation erstarrt.“ [ASTM International] „Im physikochemischen Sinn ist Glas eine eingefrorene unterkühlte Flüssigkeit“ [F. Simon 1930] „Glas ist ein amorphes Gemenge aus Quarzsand, Soda, Kalk und Dolomit.“ [Bablik u. Federl 1995] Naturwissenschaftliche Grundlagen der Farb- und Beschichtungstechnologie Sebastian Spinnen , Ingrid Reisewitz-Swertz 10 von 29 WAS IST GLAS? Gläser sind amorphe Feststoffe – Schnelles Abkühlen einer Schmelze führt zur Erstarrung ohne Bildung eines Kristallgitters • atomarer Aufbau erinnert an den einer gefrorenen Flüssigkeit Gläser haben keinen festen Schmelzpunkt – Glasübergangstemperatur (Temperaturintervall) • Fest → Schmelze Hauptbestandteil: Siliciumdioxid SiO2 (Quarzsand) Naturwissenschaftliche Grundlagen der Farb- und Beschichtungstechnologie Sebastian Spinnen , Ingrid Reisewitz-Swertz 11 von 29 Kristallin vs. Amorph? Abb.1: Kristallgitter (Ionengitter NaCl) Kristallin Kristalline Stoffe bilden ein Kristallgitter Hohe Ordnung Elementarzelle Scharfer Schmelzpunkt Erhitzen führt zu Zerstörung der Kristallstruktur Quarzsand SiO2 ist kristallin Abb. 2: Kristallgitter SiO2 Naturwissenschaftliche Grundlagen der Farb- und Beschichtungstechnologie Sebastian Spinnen , Ingrid Reisewitz-Swertz 12 von 29 Kristallin vs. Amorph? Amorph keine regelmäßige, geordnete Kristallstruktur (gestaltlos) Nahordnung aber keine Fernordnung Schmelzintervall (fließender Übergang fest → flüssig) amorphe Strukturen haben niedrigere Schmelzbereiche als kristalline Feststoffe Quarzglas Abb. 3: Struktur von Quarzglas (SiO2 amorph) Naturwissenschaftliche Grundlagen der Farb- und Beschichtungstechnologie Sebastian Spinnen , Ingrid Reisewitz-Swertz 13 von 29 QUARZ Chemisch: Siliciumdioxid Summenformel: SiO2 Hauptbestandteil von Glas Aufbau aus SiO4-Tetraeder-Baugruppen Abb. 4: SiO4-Tetraeder Naturwissenschaftliche Grundlagen der Farb- und Beschichtungstechnologie Sebastian Spinnen , Ingrid Reisewitz-Swertz Abb. 5: Kristallgitter SiO2 mit Tetraeder-Form 14 von 29 QUARZ VS. QUARZGLAS? Anordnung der SiO4-Tetraeder im Quarzkristall und Quarzglas unterscheidet sich Kristallines SiO2 besitzt einen scharfen Schmelzpunkt bei (1710 0C) Bei raschem Abkühlen bildet sich eine unterkühlte Schmelze die bei der Transformationstemperatur (1100 0C) erweicht. Abb. 6: Kristallgitter von Quarz und Quarzglas im Vergleich Naturwissenschaftliche Grundlagen der Farb- und Beschichtungstechnologie Sebastian Spinnen , Ingrid Reisewitz-Swertz 15 von 29 GEBRAUCHSGLAS (KALK-NATRONGLAS) Durch Beimengen anderer Metalloxide lassen sich die Struktur und Eigenschaften von Quarzglas verändern Bildung von Trennstellen in der Gitternetzstruktur Je mehr Trennstellen, desto niedriger der Erweichungspunkt bzw. die Transformationstemperatur Naturwissenschaftliche Grundlagen der Farb- und Beschichtungstechnologie Sebastian Spinnen , Ingrid Reisewitz-Swertz Abb. 7: Struktur von Kalk-Natron-Glas 16 von 29 WÄRMEAUSDEHNUNGSKOEFFIZIENT Stoffe dehnen sich bei Temperaturanstieg aus – Erhöhte Teilchenbewegung führt zu Volumenzunahme – Maß der Ausdehnung hängt vom Stoff ab (Wärmeausdehnungskoeffizient) starke Temperaturschwankungen führen in vielen Gläsern zu Spannungen – Bruch- und Platzgefahr des Glases Quarzglas hat einen sehr niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten (0,54*10-6/K) → geeignet für den Laborgebrauch Naturwissenschaftliche Grundlagen der Farb- und Beschichtungstechnologie Sebastian Spinnen , Ingrid Reisewitz-Swertz 17 von 29 DIE WICHTIGSTEN GLASSORTEN Zusammensetzung (Massenanteile) Verarbeitungstemperatur (in °C) Verwendung Bleiglas 52 % SiO2 13 % K2O 35 % PbO 400 – 500 Einschmelzen von Metallen in Glas; Verbindung verschiedenartiger Glasteile Natronglas (Normalglas) 73 % SiO2 15 % Na2O 13 % CaO 700 – 995 Flachglas; Flaschen; dickwandige Gefäße Erdalkali-Borosililkat-glas (z.B. Jeaner Geräteglas) 89 % SiO2 7 % B2O3 4 % Erdalkali 790 – 1170 Siedekolben; Bechergläser; Thermometer; Apparaturen; analytische Geräte Borosilikatglas (Duran) 81 % SiO2 13 % B2O3 4 % Alkali 2 % Al2O3 815 – 1260 Standard-Glassorte im Labor für Glasgeräte aller Art 57 % SiO2 1 % Na2O 12 % MgO 20,5 % Al2O3 4 % B2O3 950 – 1235 Verbrennungsröhrchen schwerschmelzbare Geräte 100 %SiO2 1700 Tiegel; schwer-schmelzbare Geräte Glassorte Alumosilikatglasss Quarzglas Abb. 8: verschiedene Glassorten Naturwissenschaftliche Grundlagen der Farb- und Beschichtungstechnologie Sebastian Spinnen , Ingrid Reisewitz-Swertz 18 von 29 Brennertypen Brennertyp Temperaturbereich in °C* Bunsenbrenner 800 - 1000 Teclubrenner 1000 - 1200 Heintzbrenner bis 1300 Gebläsebrenner bis 1900 Kartuschenbrenner 800 - 1000 * Für Luft-Erdgasgemische Naturwissenschaftliche Grundlagen der Farb- und Beschichtungstechnologie Sebastian Spinnen , Ingrid Reisewitz-Swertz 19 von 29 Funktionsweise der Brenner Wenn man Gas mit Luft vermischt und verbrennt, wird die im Gas enthaltene Energie wird als Wärmeenergie freigesetzt Brenner bestehen aus einem Fuß mit Gasanschluss und Regulierschraube Hahn, Düse und Mischrohr mit regelbarer Luftzuführung sind unterschiedlich Naturwissenschaftliche Grundlagen der Farb- und Beschichtungstechnologie Sebastian Spinnen , Ingrid Reisewitz-Swertz 20 von 29 Bunsen- und Teclubrenner Bunsenbrenner: Luft wird von der Seite in das Mischrohr eingeführt. Das Mischrohr ist gerade und hat einen kleineren Durchmesser als beim Teclubrenner. Wird zu wenig Luft zugeführt, ist die Verbrennung unvollständig → Rußbildung Wird zu viel Luft zugeführt, kann die Flamme erlöschen (zurückschlagen). Naturwissenschaftliche Grundlagen der Farb- und Beschichtungstechnologie Sebastian Spinnen , Ingrid Reisewitz-Swertz Abb. 9: Aufbau Bunsenbrenner 21 von 29 Bunsen- und Teclubrenner Teclubrenner: Luft wird von unten in das Mischrohr eingeführt. Das Mischrohr ist nach unten konisch erweitert und hat einen größeren Durchmesser. Durch die Form des Mischrohres wird eine intensivere Durchmischung der Gase und eine höhere Flammentemperatur erreicht Naturwissenschaftliche Grundlagen der Farb- und Beschichtungstechnologie Sebastian Spinnen , Ingrid Reisewitz-Swertz Abb. 10: Aufbau Teclubrenner 22 von 29 Flammentemperatur Die Flammentemperatur bei Brennern lässt sich durch die Luftzufuhr steuern. Reines Gas erzeugt eine leuchtende, nicht rauschende Flamme ohne Kegel (s. Abb.) Wird der nicht rauschenden Flamme Luft zu gemischt, dann geht sie in eine nichtleuchtende, rauschende Flamme mit blauem Kegel über, die wesentlich heißer ist. Das Rauschen wird durch kleine Explosionen in der Flamme hervorgerufen. Abb. 11: Flammenzonen und -Temperaturen Naturwissenschaftliche Grundlagen der Farb- und Beschichtungstechnologie Sebastian Spinnen , Ingrid Reisewitz-Swertz 23 von 29 Bearbeitung von Glasstäben und Glasrohren Anritzen der gewünschten Stelle mit Ampullenpfeile (a+b) oder Rohrschneider (d) Abb. 12: Schneidwerkzeuge Mit leichtem Druck wird der Stab auseinandergezogen und bricht dabei Abb. 13: Rundschmelzen Scharfe Kanten der Bruchstelle müssen umgeschmolzen werden Stab oder Rohr zunächst in der leuchtenden Flamme des Bunsenbrenners erhitzen, dann unter ständigen Drehen in der rauschenden Flamme rundschmelzen Naturwissenschaftliche Grundlagen der Farb- und Beschichtungstechnologie Sebastian Spinnen , Ingrid Reisewitz-Swertz Abb. 14: geschmolzene Gläser 24 von 29 Bearbeitung von Glasstäben und Glasrohren Biegen Stab oder Rohr werden unter ständigem Drehen vorsichtig erhitzt bis das Glas erweicht ist Außerhalb der Flamme biegt man dann in die gewünschte Form Es ist darauf zu achten, dass der Querschnitt des Rohres oder Stabes im Bogen erhalten bleibt Abb. 15: Biegung des Glasrohres Naturwissenschaftliche Grundlagen der Farb- und Beschichtungstechnologie Sebastian Spinnen , Ingrid Reisewitz-Swertz 26 von 29 Herstellung einfacher Glasgeräte Pipetten Ein Glasrohr wird in der Mitte unter ständigem Drehen in der Flamme erweicht Außerhalb der Flamme zieht die beiden Enden des Glasrohres so auseinander, dass eine ca. 2 mm starke Kapillare entsteht Nach Abkühlen wird ein Teil der Kapillare heraus gebrochen und man erhält zwei Glasrohre mit einer Spitze Abb. 16: Kapillarenherstellung Naturwissenschaftliche Grundlagen der Farb- und Beschichtungstechnologie Sebastian Spinnen , Ingrid Reisewitz-Swertz 27 von 29 Herstellung einfacher Glasgeräte Kapillare Zur Herstellung verfährt man wie bei den Pipetten, nur müssen die Kapillaren haarfein sein. Mit einiger Übung wird dies gelingen. Spatel/Löffel Der erwärmte Glasstab wird auf eine eben Fläche (Mörser) gehalten und mit einem Pistill am Ende zusammengedrückt Abb. 17: Kapillarenherstellung Abb. 18: Spatel herstellen Naturwissenschaftliche Grundlagen der Farb- und Beschichtungstechnologie Sebastian Spinnen , Ingrid Reisewitz-Swertz 28 von 29 LITERATUR M. Tausch, M. Von Wachtendonk: Chemie 1., Sek.1-Buch, C.C Buchners Verlag Bamberg 1996 M. Bablick und S. Federl, Fachwissen für den Maler und Lackierer, Stam Verlag 1997 Binnewies, Jäckel, Allg. und Anorganische Chemie, Spektrum Akademischer Verlag 2004 Abb. 1: M. Tausch, M. Von Wachtendonk: Chemie 1., Sek.1-Buch, C.C Buchners Verlag Bamberg 1996, S. 139 Abb. 2: Binnewies, Jäckel, Allg. und Anorganische Chemie, Spektrum Akademischer Verlag 2004, Abb. 18-22 Abb. 3: Binnewies, Jäckel, Allg. und Anorganische Chemie, Spektrum Akademischer Verlag 2004, Abb. 18-22 Abb. 4: Binnewies, Jäckel, Allg. und Anorganische Chemie, Spektrum Akademischer Verlag 2004, Abb. 18-18 Abb. 5: Binnewies, Jäckel, Allg. und Anorganische Chemie, Spektrum Akademischer Verlag 2004, Abb. 18-19 Abb. 6: Binnewies, Jäckel, Allg. und Anorganische Chemie, Spektrum Akademischer Verlag 2004, Abb. 18-22 Abb. 7: Binnewies, Jäckel, Allg. und Anorganische Chemie, Spektrum Akademischer Verlag 2004, Abb. 18-21 Abb. 8: M. Bablick und S. Federl, Fachwissen für den Maler und Lackierer, Stam Verlag 1997 Abb. 9: Jander/Blasius, Lehrbuch der analytischen und präparativen anorganischen Chemie, S. Hirzel Verlag 2002 Abb. 10: Jander/Blasius, Lehrbuch der analytischen und präparativen anorganischen Chemie, S. Hirzel Verlag 2002 Abb. 11: www.nugi-zentrum.de Zugriff 17.04.2014, 10:24 Abb. 12: http://userpage.chemie.fu-berlin.de/~tlehmann/gp/laborpraxis/glasschneiden.html Zugriff 17.04.2014, 10:20 Abb. 13: http://userpage.chemie.fu-berlin.de/~tlehmann/gp/laborpraxis/glasschneiden.html Zugriff 17.04.2014, 10:20 Abb. 14: http://userpage.chemie.fu-berlin.de/~tlehmann/gp/laborpraxis/glasschneiden.html Zugriff 17.04.2014, 10:20 Abb. 15: Skript Block 1 Abb. 16: Jander/Blasius, Lehrbuch der analytischen und präparativen anorganischen Chemie, S. Hirzel Verlag 2002 Abb. 17: Jander/Blasius, Lehrbuch der analytischen und präparativen anorganischen Chemie, S. Hirzel Verlag 2002 Abb. 18: Skript Block 1 Naturwissenschaftliche Grundlagen der Farb- und Beschichtungstechnologie Sebastian Spinnen , Ingrid Reisewitz-Swertz 29 von 29
