docx - ChidS

Philipps-Universität Marburg
Fachbereich 15: Chemie
Übungen im Experimentalvortrag
Leitung: Dr. Reiß, Prof. Dr. Neumüller
Sommersemester 2009
17.06.2009
Experimentalvortag Anorganische Chemie
Vom Gold machen zum Geld machen Kurzüberblick zu kolloid dispersen Systemen in der anorganischen Chemie
David Zindel
Semester 6
Geschwister-Scholl Str. 23
35039 Marburg
Inhaltsverzeichnis
Einleitung ................................................................................................................................... 3
1 „Gold machen“ ........................................................................................................................ 4
1.1 Versuch: Kolloidales Gold .............................................................................................. 4
1.2 Herstellung durch Kondensieren ...................................................................................... 8
2 Ein weiteres historisches Experiment zur Kolloidherstellung ................................................ 8
2.1 Versuch: Kolloidales Kupfer ............................................................................................ 8
2.2 Herstellung durch Dispergieren...................................................................................... 12
2.3 Tyndall-Effekt ................................................................................................................ 12
3 Eigenschaften der Kolloide ................................................................................................... 13
3.1 Versuch: Ladungssinn von Kolloiden ............................................................................ 13
3.2 Ladungssinn von Kolloiden ........................................................................................... 16
4 Worin unterscheiden sich die kolloidalen von „echten“ Lösungen ...................................... 17
4.1 Demonstration: Unterscheidung zwischen „echten“ und kolloidalen Lösungen ........... 17
4.2 Größe kolloidaler Teilchen ............................................................................................. 19
5 Stabilität des kolloidalen Systems ......................................................................................... 20
5.1 Versuch: Fällung von Kolloiden .................................................................................... 20
5.2 Schwächung des der Potentialdifferenz ......................................................................... 23
6 Von einer kolloidalen Lösung zum Gel und wieder zurück .................................................. 23
6.1 Versuch: Herstellen eines Berliner Blau-Gels................................................................ 23
6.2 Koagulation und Peptisation .......................................................................................... 25
7 Fester Schaum ....................................................................................................................... 26
7.1 Demonstration: Herstellen von Gasbeton ...................................................................... 26
8 Flüssige Aerosole .................................................................................................................. 28
8.1 Demonstration: Herstellen von Kunstnebel ................................................................... 28
9 Feste Emulsion ...................................................................................................................... 31
9.1 Demonstration: Opale .................................................................................................... 31
Literaturverzeichnis .................................................................................................................. 33
2
Einleitung
Thema des Experimentalvortrags und dieser Verschriftlichung ist ein Kurzüberblick zu
kolloid dispersen Systemen. Die durchgeführten Versuche sind so gewählt, dass sie
entweder eine spezielle Eigenschaft der Kolloide verdeutlichen oder den Titel des Experimentalvortrags „Vom Gold machen zum Geld machen“ besonders gut aufgreifen.
Der Titel basiert darauf, dass Goldkolloide erstmals von Alchimisten hegestellt wurden und Alchimisten waren es auch, die versuchten Gold herzustellen. In heutiger Zeit
lässt sich mit Kolloiden viel Geld verdienen, daher der Titel vom Goldmachen zum
Geldmachen. Die Möglichkeit an den Kolloiden oder den vorgestellten Arbeitsmethoden Geld zu verdienen, soll dabei an geeigneter Stelle verdeutlicht werden.
Das Thema „kolloid disperse Systeme“ ist, jedoch ohne Bestandteil des hessischen
Lehrplans zu sein, auch für Schüler interessant und einige der Versuche eignen sich
hervorragend zum Einsatz im Schulunterricht. Schülern bietet das Thema dabei verschiedene ganz individuelle Anknüpfungspunkte. Die Tatsache, dass sich mit Kolloiden und mit Nanochemie im Allgemeinen viel Geld verdienen lässt, ist dabei zweitrangig. Vielmehr greifen viele Versuche auf Dinge zurück, die den Schülern aus ihrem
Alltag bekannt sind. Mit Gold, Nebel oder Ytong-Steinen können die Schüler etwas
verbinden. Vielfach werden durch die Versuche allgemeine Vorstellungen der Dinge
konkretisiert, ergänzt oder umgestoßen.
Zum Aufbau des Experimentalvortrags ist zu sagen, dass zunächst ein historischer
Einstieg erfolgt, an welchem die Herstellungsmethoden von Kolloiden verdeutlicht
werden. Anschließend folgen Versuche, an welchen jeweils spezifische Eigenschaften
der Kolloide erläutert werden. Abschließend wird das Feld der fest/flüssig Systeme
verlassen und es werden einige andere kolloid disperse Systeme vorgestellt.
Die durchgeführten Versuche und Demonstrationen enthalten alle eine Versuchsbeschreibung mit Auswertung und methodisch-didaktischer Analyse. In letzterer werden
die Versuche hinsichtlich ihrer Einordnung in den Lehrplan untersucht. Die Zeiten zur
Vorbereitung, Durchführung und Nachbereitung des Versuches werden angegeben.
Zudem wird der Versuch auf seine Tauglichkeit im Schulalltag hin überprüft.
Bevor nun die Beschreibung der Versuche und deren Auswertung vorgenommen werden kann, ist es notwendig den Begriff „kolloid disperse Systeme“ näher zu erläutern.
Kolloide sind nach IUPAC Nomenklatur Partikel in einer Größenordnung zwischen
einem und eintausend Nanometern. Diese Partikel können fest, flüssig oder gasförmig
sein und werden auch als disperse Phase bezeichnet. Die Kolloide sind gleichmäßig in
einem Dispersionsmittel verteilt, welches ebenfalls fest, flüssig oder gasförmig sein
kann1 (siehe Tabelle 12).
Tabelle 1: Überblicksdarstellung kolloid disperser Systeme.
disperse Phase
flüssig
fest
gasförmig
flüssig
fest
gasförmig
flüssig
fest
Dispersionsmittel
gasförmig
gasförmig
flüssig
flüssig
flüssig
fest
fest
fest
3
Bezeichnung
Flüssige Aerosole
Feste Aerosole
Schaum
Emulsion
Sol (Gel)
Fester Schaum
Feste Emulsion
Feste Sole
Beispiele
Nebel
Rauch, Staub
Seifenschaum
Milch, Kosmetika
Farben, Lacke
Gasbeton
Opal, Perlen
Goldrubinglas
Der Begriff kolloid stammt vom griechischen Wort κολλα, welches Leim bedeutet.
Kolloide lassen sich in drei verschiedene Klassen einteilen, die Dispersionskolloide,
die Molekülkolloide und die Assoziationskolloide (Micellkolloide). Diese Einteilungsform, welche nach der Bindungsart zwischen den Atomen der Kolloide erfolgt,
stammt von Staudinger3.
Bei Dispersionskolloiden handelt es sich um fein zerteilte Materie. „Der kolloidale
Zustand stellt hier eine Zerteilungsform der Materie dar.“4 Molekülkolloide hingegen
sind Makromoleküle, die aus 103 - 109 Atomen aufgebaut sind. Bei Assoziationskolloiden, die auch Micellkolloide genannt werden, handelt es sich um selbstorganisierte
Systeme. Beispielsweise bilden Seifen und Tenside Micellkolloide, sofern sie in ausreichender Konzentration in Wasser gelöst sind.
Es bleibt zu sagen, dass es sich bei den vorgestellten Versuchen und Demonstrationen
ausnahmslos um Dispersionskolloide handelt. Ebenso werden nicht alle, sondern nur
eine Auswahl wichtiger Eigenschaften der Kolloide erläutert.
1 „Gold machen“
1.1 Versuch: Kolloidales Gold
Chemikalien
Tetrachlorgoldsäure
TriNatriumcitratDihydrat
ention. Wasser
Natriumcarbonat
Kolloidales
Gold
Summenformel
HAuCl4(aq)
Verwendbar
nach HessGiss
SI
Menge
R-Sätze
S-Sätze
2 mL
34-43
HOC(COONa)
(CH2COONa)2
∙ 2H2O(aq)
H2O(l)
Na2CO3(s)
SI
50 Trop- fen
2636/37/39-45
-
SI
SI
20 mL
1 Spatelspitze
Au(s)
SI
Gefahrensymbole
C
-
36
22-26
Xi
-
-
-
Geräte:
2 x 100 mL-Bechergläser, 2 x Spatel, Magnetrührer mit Rührfisch, Pasteurpipette
Versuchsdurchführung5:
Zur Herstellung einer TetrachlorgoldsäureLösung (c = 10-3 mol/L) wird HAuCl4 in Wasser
gelöst.
2 mL der Goldchloridlösung mit einer Konzentration von 10-3 mol/L werden noch einmal 10-fach
mit ention. Wasser verdünnt. Jetzt wird eine
Spatelspitze Soda hinzugeben, damit die Lösung
neutral ist (prüfen mit Indikatorpapier). Es ist
wichtig, dass die Neutralisation sehr vorsichtig
ausgeübt wird und dass der pH-Wert der Lösung
anschließend exakt bei 7 liegt, andernfalls funktioniert der Versuch nicht.
4
Abbildung 1: Versuchsaufbau zur Herstellung von Goldkolloiden.
Nun wird die Lösung unter Rühren bis zum Sieden erhitzt. In die siedende Lösung
werden ca. 50 Tropfen einer Natriumcitrat-Lösung (w = 0,01) gegeben. Die Lösung
soll nun unter Rühren abkühlen.
Beobachtung:
Die hergestellte Goldchloridlösung ist hellgelb. Nachdem die Lösung verdünnt wurde,
hat die Gelbfärbung
abgenommen, bis sie
während des Erhitzens
der Lösung vollständig
verschwindet. Nach der
Zugabe der farblosen Abbildung 2: V. l. Goldchloridlösung, erhitzte Goldchloridlösung und
Natriumcitrat-Lösung
Goldkolloide.
verändert sich die Farbe der Lösung zunächst
nicht. Beim Abkühlen der Lösung entsteht ein kräftig violetter Farbton. Auch nachdem
die Lösung mehrere Wochen aufbewahrt wurde, war dieser Farbton so intensiv wie
unmittelbar nach seiner Entstehung.
Entsorgung:
Das kolloidale Gold wurde im Sammelbehälter für Schwermetalle entsorgt.
Auswertung:
Schritt 1:
Das Natriumcitrat reagiert mit dem Tetrachloridoaurat zu Acetondicarboxylat, elementarem Gold und Kohlenstoffdioxid. Zudem werden noch Protonen und Chlorid-Ionen
freigesetzt. Dieser Vorgang ist endotherm, daher muss dem System Wärmeenergie zugeführt werden. Zwei der Kohlenstoffatome des Natriumcitrats werden oxidiert und
geben jeweils ein Elektron ab. Gleichzeitig wird das im Komplex gebundene Gold-Ion
durch die Aufnahme von drei Elektronen zu elementarem Gold reduziert. Es handelt
sich also um eine Redoxreaktion.
+3
3 OOC
+1
C
HO
COO
+3
COO
-
-
2 [AuCl 4]
-
T
Tetrachloridoaurat
3
-
+2
OOC
COO
-
0
+ 2 Au
O
Gold
Acetondicarboxylat
Natriumcitrat
+4
+ 3 CO2 +3 H
+
+ 8 Cl
-
Schritt 2:
Das soeben gebildete Acetondicarboxylat reagiert mit dem ebenfalls in Schritt 1 freigewordenen Protonen zu ß-Keto-Butanoat. Dabei wird das Kohlenstoffatom einer
Carboxylat-Gruppe oxidiert und die ehemalige Carboxylat-Gruppe entweicht als CO2.
Das benachbarte Kohlenstoffatom wird reduziert. Die Redoxreaktion wiederholt sich
am ß-Keto-Butanoat, sodass unter erneuter Freisetzung von CO2 Aceton entsteht. Es
handelt sich hierbei um eine Decarboxylierung.
5
-2
-
-2
+3
+3
OOC
COO
H3O
-
-
CH3
+3
OOC
+
+4
O
-3
-2
+
H3O
O
H2O
C
O
+ H2O
H
ß-Keto-Butanoat
Acetondicarboxylat
CH3
+3
O
O
- CO 2
-3
-2
+
ß-koto-Butansäure
-3
-2
O
CH3
+3
-2
-3
CH3
H2C
C
Keto-Enol-Tautomerie
O
O
-3
-3
+4
- CO 2
H
O
O
H
ß-koto-Butansäure
Aceton
Enol
Das in Schritt 1 gebildete Gold bildet keinen goldfarbenen Niederschlag, sondern es
bleibt als kolloidales Teilchen in Lösung. Die gebildeten Goldteilchen sind so klein,
dass ihr Durchmesser in einer Größenordnung von etwa 13 – 150 nm liegt6.
Die Oberfläche des Goldkolloids ist positiv polarisiert. Um die positive polarisierte
Oberfläche zu stabilisieren umgibt sich das Kolloid mit Citrat-Liganden. Die negativ
geladenen Citrat-Liganden verringern das Elektronendefizit der Oberflächenatome des
Kolloids durch elektrostatische Wechselwirkungen7. Die Kolloide sind nun Oberflächenladungsstabilisiert8. Die Stabilisierung der gebildeten Goldpartikel durch CitratLiganden erfolgt während deren Bildung. Das so stabilisierte Goldkolloid ist über Monate stabil und bleibt in Lösung, da die Citrat-Liganden zusammen mit Na+ eine Elektrochemische Doppelschicht bilden. Zudem Bilden die Citrat-Liganden zum Lösungsmittel (Wasser) Wasserstoff-Brücken-Bindungen aus9.
4
OOC
COO
HO
COO
-
-
3-
3Citrate
Citrate
+++++
+
+ Au +
+ +++
33Citrate
Citrate
++
++ ++
+ Au +
++ + +
Die violette Farbe der Dispersion zeigt die größenabhängige optische Eigenschaft der Kolloide. Trifft
weißes Licht auf die Goldkolloide, so werden die
Leitungselektronen an der Partikeloberfläche „zu
kollektiven Schwingungen, den Oberflächenplasmonen“10 angeregt. Das dabei absorbierte Licht hat
eine Wellenlänge von etwa 600 nm. Aus den verbleibenden Wellenlängen des Lichtstrahls, rotes und
blaues Licht durchdringen die Lösung ungehindert,
ergibt sich dann die violette Farbe der Lösung (siehe
Abbildung 311). Anhand der Färbung der Lösung ist Abbildung 3: Farbkreis.
es möglich die Größe der Kolloide zu bestimmen.
„Die Absorptionswellenlänge bei 530 nm (Oberflächenplasmonenresonanz) korreliert
beispielsweise mit einer Partikelgröße von 18 nm.“12
6
Theoretischer Hintergrund:
Goldkolloide, dass heißt Goldpartikel im Nanometer Maßstab, wurden seit der Antike
verwendet. Allerdings wussten die Menschen in der Antike nicht, dass die farbgebende
Wirkung, beispielsweise im Glas, auf die feine Verteilung des Goldes zurückzuführen
ist. Eines der ältesten Zeugnisse mit Gold gefärbten Glases ist der so genannte Becher
des Lykurgos13.
Erst die Alchemisten der Frühen Neuzeit beschrieben das Phänomen des durch Gold gefärbten Glases näher. Johannes Kunckel, ein
Apotheker und Alchimist des 17. Jahrhunderts,
beschreibt als einer der Ersten in seiner Schrift
„Ars Vitraria Experimentalis“ die Färbung von
Glas durch Gold. Das Einfärben von Glas kann
aber auch mit Metallen wie Kupfer oder Platin
erfolgen14.
Andreas Cassius, ein Zeitgenosse von Johannes
Kunckel, stellte 1676 als erster eine Goldkolloid-Lösung her, indem er Gold(III)chlorid in
wässriger Lösung mit Zinn(II)chlorid reduzierte. Hierbei handelte es sich nicht um reines
Goldkolloid, da Zinndioxid als Träger des Kolloids diente 15.
Abbildung 4: Die Kirchenfenster der
Die Alchemisten tranken teilweise kolloidale Kathedrale von Sevilla enthalten GoldruGold-Lösungen, da sie sich wegen der Farb- binglas.
verwandschaft zum Blut eine heilende Wirkung
erhofften16. Auch wenn es den Alchemisten niemals gelang Gold herzustellen, so wurde durch die kolloidale Form dennoch eine Wertsteigerung erreicht, der über dem eingesetzten natürlichen Wert liegt. Damit wurde der erste Schritt vom Gold machen zum
Geld machen vollzogen. Mit Goldrubinglas und Goldkolloid-Lösung ließ sich Geld
verdienen (siehe Abbildung 417). Der berühmte Chemiker Michel Faraday war der erste, der in den Gold-Lösungen Gold-Nanopartikel postulierte18.
Auch heute lässt sich mit Goldrubinglas Geld verdienen. Heilpraktiker weisen dem
kolloidalen Gold noch heute heilende Wirkung zu und es werden hohe Preise für die
entsprechenden Lösungen erzielt. In jüngster Vergangenheit erfreut sich das kolloidale Gold in der wissenschaftlichen Forschung gesteigerter Aufmerksamkeit.
Goldkolloide werden in der Bioanalytik, beispielsweise in Schwangerschaftstests eingesetzt. Seit neuestem werden Goldnanopartikel als Lichtleiter in Form photonischer
Kristalle eingesetzt19. Am Einsatz kolloidalen Goldes in der Sensorik, Cytochemie und
der Katalyse wird derzeit vermehrt geforscht20.
Methodisch-didaktische Analyse:
Einordnung in den Lehrplan:
Im Lehrplan sind Kolloide als eigenes Thema nicht vorgesehen, jedoch können Kolloide durchaus Bestandteil des Unterrichts sein. Die Herstellung kolloidalen Goldes
kann im Zusammenhang mit den Redoxreaktionen in wässriger Lösung in der 10.
Klasse am Gymnasium durchgeführt werden21. Bei diesem Versuch bietet sich zusätzlich die Möglichkeit auf Oxidationszahlen in organischen Verbindungen einzugehen.
Daher kann der Versuch auch im Zusammenhang mit der Einführung in die Kohlenstoffchemie durchgeführt werden. Oxidation und Reduktion spielen in der Kohlenstoffchemie erstmals in der 10. Klasse eine Rolle22.
7
Aufwand:
Die Vorbereitungen für den Versuch sind recht aufwendig, da die Lösungen mit größter Sorgfalt angesetzt werden müssen, andernfalls ist nicht mit einem Gelingen des
Versuchs zu rechnen. Daher sind für die Vorbereitungen etwa 20 min. zu veranschlagen. Die Durchführung hingegen ist trotz Erhitzen der Lösung in etwa 10 min. vollzogen. Die Entsorgung gestaltet sich recht einfach, sodass dafür etwa 3 min. einzuplanen
sind.
Durchführung:
Das Ge- oder Misslingen dieses Versuches ist davon abhängig, dass die Konzentrationen exakt stimmen und dass die Lösung neutral ist. Selbst wenn sorgfältig gearbeitet
wurde, klappt dieser Versuch nicht immer. Daher ist der Versuch als Lehrerversuch zu
empfehlen. Ein weiterer Grund dafür den Versuch als Lehrerversuch durchzuführen
liegt an den Kosten für die Chemikalien. Tetrachlorgoldsäure ist sehr teuer. Der Effekt
in diesem Versuch, d.h. die violette Farbe, ist sehr gut sichtbar, weshalb dieser Versuch durchaus in der Schule eingesetzt werden kann. Insbesondere deshalb weil den
Schülern das Element Gold bis zu diesem Zeitpunkt wahrscheinlich nur in anderer
Form vertraut war.
1.2 Herstellung durch Kondensieren
Es gibt zwei verschiedene Methoden zur Herstellung von Kolloiden. Sie lassen sich
durch Dispergieren (genannt Break-down-Verfahren oder Top-down-Verfahren) oder
durch Kondensieren (genannt Bottom-up-Verfahren) herstellen. Die Herstellung der
Goldkolloide erfolgte im Kondensationsverfahren. Die Basis für die Herstellung von
Kolloiden bildet dabei eine molekulardisperse Lösung, also eine Lösung, in welcher
die Moleküle auf atomarer Ebene verteilt sind.
Damit nun die Kolloide entstehen können, ist es notwendig eine Reaktion in Gang zu
setzen, bei der ein Keimbildungsprozess stattfindet. Diese Keime können dann mit
weiterem Fortschreiten der Reaktion immer mehr Atome/Moleküle aufnehmen, bis der
Wachstumsprozess auf kolloidalem Größenniveau endet. Das Wachstum der Teilchen
endet beim kolloidalen Gold dadurch, dass es sich um eine hochverdünnte Lösung
handelt und der Reduktionsprozess zum Gold abgeschlossen ist23.
2 Ein weiteres historisches Experiment zur Kolloidherstellung
2.1 Versuch: Kolloidales Kupfer
Chemikalien
Summenformel
Cu(s)
Kupferelektroden
ention. Wasser
H2O(l)
Natriumchlorid
NaCl(s)
kolloidales Kup- Cu(s)
fer
Verwendbar
nach HessGiss
SI
Menge
R-Sätze
S-Sätze
2 Stäbe
-
-
Gefahrensymbole
-
SI
SI
SI
130 mL
3g
-
-
-
8
Geräte:
Plexiglasküvette (alternativ kann in einem Becherglas gearbeitet werden), TrennSpannungs-Transformator, 2 x Stromleitungskabel, 2 x Krokodilklemmen, Tageslichtprojektor, Küvettenständer für Tageslichtprojektor, Amperemeter, Voltmeter, 25 mLBecherglas, Waage, Taschenlampe
Versuchsdurchführung24:
Die Plexiglasküvette wird mit 120 mL ention. Wasser gefüllt und mit der Plexiglaslochplatte verschlossen. Die Elektroden werden mit einem Abstand von ca. 7 cm in die
Löcher gesteckt. Die Elektroden werden über die Krokodilklemmen und die Kabel mit
der Spannungsquelle verbunden. Die Spannungsquelle wird nun mit dem 230 V
Stromnetz verbunden und eingeschaltet (Achtung! Wechselstrom, Lebensgefahr! Die
Apparatur nicht mehr berühren!) An dem Regler wird nun die Spannung langsam auf 230 V
hoch geregelt. Die Beobachtungen auf dem
Amperemeter werden notiert. Die Spannung
wird wieder auf 0 Volt herunter geregelt.
Nun wird der Transformator ausgeschaltet und
vom Stromnetz entfernt. In einem 25 mLBecherglas werden 3 g Natriumchlorid in
10 mL ention. Wasser gelöst. Die Kochsalzlösung wird in die Küvette gegeben. Im AnAbbildung 5: Versuchsaufbau zur Herstellung kolloidalen Kupfers. Die Kupferschluss daran wird die Spannungsquelle wieder
elektroden sind etwa 4 cm voneinander
ans Stromnetz angeschlossen und eingeschalentfernt.
tet. Die Stromspannung wird langsam gesteigert. Es wird aber am Amperemeter darauf geachtet, dass die Stromstärke immer unter
4 Ampere bleibt, da andernfalls die Sicherung am Trenn-Transformator durchbrennt.
Die Spannung wird einige Minuten aufrecht erhalten und gegebenenfalls reduziert.
Nach Beendigung des Versuchs wurde die Küvette entnommen und mit einer Taschenlampe durchleuchtet.
Beobachtung:
Beim Einschalten des Trenn-Transformators zeigt sich auf dem Voltmeter ein Ausschlag, der bis 230 V geregelt werden konnte. Das ention. Wasser, in welchem die
Kupferelektroden steckten, zeigte, ebenso wie die Elektroden selbst, keine Veränderung. Auf dem Amperemeter ließ sich kein Ausschlag, d.h. kein Stromfluss feststellen.
Nachdem die Kochsalz-Lösung
in die Küvette gegeben worden
war
und
der
TrennTransformator erneut eingeschaltet worden war, färbte sich
die Lösung um die Elektroden
nach einer Wartezeit von etwa
einer Minute grünlich-gelb. Die
Kupferelektroden
überzogen
sich mit einer schwarzen Schicht Abbildung 6: Grünlich-gelbe Kupferkolloide und Kupferelektroden nach der Versuchsdurchführung.
und die Lösung um die Elektroden begann zu kochen.
Die Spannung am Transformator wurde so eingestellt, dass die Stromstärke bei ca. 3,5
Ampere lag. Mit dem Fortschreiten des Versuchs musste die Spannung reduziert werden, da der Stromfluss durch die Lösung langsam zunahm.
9
Beim Durchleuchten der Küvette mit Licht aus einer Taschenlampe wurde der Lichtkegel innerhalb der Küvette sichtbar.
Entsorgung:
Die Lösungen wurden im Sammelbehälter für Schwermetalle entsorgt.
Auswertung:
Im ersten Versuchsabschnitt kommt es zu keiner Reaktion. Dies liegt daran, dass im
ention. Wasser mangels Ionen kein Ladungstransport stattfinden kann. Die Spannung
lässt sich also bis auf 230 V erhöhen, ohne dass es am Amperemeter zu einem Ausschlag kommt.
Durch die Zugabe einer Natriumchlorid-Lösung stehen im zweiten Versuchsabschnitt
ausreichend Ionen zum Ladungstransport zur Verfügung. Der Stromkreislauf ist nun
durch die elektrolythaltige Lösung geschlossen. Da es sich bei dem angelegten Strom
um Wechselstrom handelt, wechselt die Richtung des Elektronenflusses ständig hin
und her, weshalb die Abspaltung grün-gelblichen kolloidalen Kupfers an beiden Elektroden zu beobachten ist.
Das Schaubild (Abbildung 7) enthält zwei Kupferelektroden, deren zerklüftete Oberfläche in einem Ausschnitt schematisch und stark vergrößert gezeigt wird. Es wird der
Abspaltungsprozess kolloidaler Kupferteilchen dargestellt, der durch den Stromfluss
herbeigeführt wird. (Da Wechselstrom angelegt wurde wechseln Kathode und Anode
ständig. Abbildung 7 ist als Momentaufnahme zu betrachten, in welcher Kathode und
Anode kurzzeitig feststehen.) Elektronen wandern dabei von der Kathode, an der ein
Elektronenüberschuss herrscht, zur Anode, an der ein Elektronenmangel besteht. Innerhalb dieses elektrischen Feldes bestehen elektrostatische Anziehungskräfte. Neben
dem Elektronenfluss kommt es daher auch zur Abspaltung kleiner Kupferpartikel, die
als Kolloide in Lösung gehen. Die Anziehungskräfte, die von den Elektronen in der
Kathode ausgehen und in Richtung Anode wirken, sind bei einer Spannung von
über 200 V und einer Stromstärke von über 3 A stärker als die metallischen Bindungen, die den Kupferfortsatz an die Kupferelektrode binden. Es kommt zur Abspaltung
des Kupferfortsatzes, welcher sich in der Lösung sofort mit einer Schicht aus ChloridIonen umgibt.
Hochspannungs 
Cun ( s )   mCl(aq )   mNa(aq )
Cun ( s )  mNa(aq )  mCl(aq ) 
Wechselstrom
Durch den großen Stromfluss kommt es insbesondere an den Elektroden zu einer starken Erwärmung der Lösung.
10
Richtung der Anziehungskräfte
Abbildung 7: Schematische Oberfläche einer Kupferelektrode bei eingeschaltetem Wechselstrom.
Richtung der Anziehungskräfte
Kathode
Abbildung 8: Abspaltung kolloidaler Kupferteilchen von der Kupferelektrode.
Theoretischer Hintergrund:
Kupferkolloide sind in der heutigen Zeit so gut wie bedeutungslos. Entdeckt wurden
die Kupferkolloide im 19. Jahrhundert. Die Methode zur Herstellung dieser Kolloide
war und ist wichtiger als die Kupferkolloide selbst. Bredig wendete 1898 die Lichtbogenzerstäubung an. Er wendete dazu eine Hochspannungs-Gleichstrom-Elektrolyse
mit Metallelektroden in leitfähigem Wasser an. Auch Theodor Svedberg stellte Kupferkolloide her. Seine Methode ist mit der im Versuch durchgeführten vergleichbar25.
Methodisch-didaktische Analyse:
Einordnung in den Lehrplan:
Elektrolysen sind in verschiedenen Jahrgangsstufen Teil des Lehrplans. So werden in
der 8. Klasse, der 10. Klasse und in der 12. Klasse verschiedene Formen der Elektrolyse thematisiert26. Normalerweise werden im Zusammenhang mit Elektrolysen immer
Redoxvorgänge besprochen. Im obigen Versuch findet keine Redoxreaktion statt. Die
Elektrolyse mit Wechselstrom stellt einen Sonderfall dar, da normalerweise mit
Gleichstrom elektrolysiert wird. Es bietet sich also entweder die Möglichkeit diese
Form der Elektrolyse als Sonderfall zu besprechen oder es kann auf die Bedeutung der
11
Elektrolyten in der Lösung für den Stromfluss durch die Lösung hingewiesen werden.
Ionen als Ladungsträger sind Unterrichtsbestanteil in der 8. Klasse27. Nebenbei bietet
sich so die Möglichkeit kurz auf das im Lehrplan nicht vorgesehene Thema Kolloide
einzugehen.
Aufwand:
Der Versuch erfordert ein großes Maß an apperativem Aufwand, darum ist für die
Versuchsvorbereitungen eine Zeitspanne von etwa 25 min erforderlich. Zur Durchführung hingegen werden nur ca. 5 min. beansprucht. Die Nachbereitung, d.h. die Entsorgung der Lösung und der Abbau der Apparatur, dauerten ebenfalls etwa 5 min.
Durchführung:
Der Versuch gelingt immer, allerdings ist die Dauer des Versuches von der Salzkonzentration abhängig. Der Versuch ist aufgrund der eingesetzten Wechselspannung nur
als Lehrerversuch gestattet. Da die Effekte aber dennoch gut sichtbar sind, ist das kein
Nachteil. Zudem ist davon auszugehen, dass wenn überhaupt nur ein Regel-TrennTransformator an der Schule vorhanden ist. Die weiteren Materialien für den Versuch
sind an Schulen aber in ausreichendem Maße vorhanden.
2.2 Herstellung durch Dispergieren
Das Dispergieren oder auch Top-down-Verfahren ist das Gegenstück zur Herstellung
durch Kondensieren. In diesem Fall werden kompakte Materialien, beispielsweise Metallspäne, zerstäubt, sodass fein verteilte Teilchen im Bereich zwischen 1 und 1000 nm
entstehen. Die Verteilung des Materials kann dabei wie im vorliegenden Versuch auf
elektrischem Wege durchgeführt werden. Aber auch mechanisch lassen sich kompakte
Materialien in ein kolloid disperses System überführen. Zusammenfassend lässt sich
sagen, dass bei der Kondensations-Methode kleinere Teilchen zu Kolloiden zusammengefügt werden, während beim Dispergieren größere Teilchen/Stücke zu Kolloiden
zerteilt werden.
2.3 Tyndall-Effekt
Liegt eine Flüssigkeit in molekularer oder atomarer Zerteilung (molekulardispers) vor
oder enthält sie nur in geringem Maße miteinander verbundene Atome oder Moleküle
(bis zu einem Durchmesser von 10-7 cm), so erscheint die Lösung klar oder „optisch leer“, auch
wenn ein Lichtkegel, etwa aus einer Taschenlampe,
die Lösung durchscheint28.
Liegen in der Lösung Teilchen in der Größenordnung von 10-4 -10-5 cm vor, erscheint die Lösung
für das menschliche Auge immer noch klar. Ebenso
lassen sich die Teilchen der Lösung unter einem
normalen Lichtmikroskop nicht sehen, da die Teilchen kleiner sind als die Wellenlänge des sichtbaren Lichts. Durchleuchtet man allerdings die Lösung mit einem Lichtstrahl, so lässt sich der Lichtstrahl innerhalb der Lösung verfolgen und die LöAbbildung 9: Tyndall-Effekt bei
einer Kupferkolloid-Lösung (Die
sung ist nicht mehr „optisch leer“. Der Lichtstrahl
Lösung befindet sich in einem Uwird dadurch sichtbar, dass die Kolloide das Licht
Rohr).
12
in alle Richtungen streuen. Aber Lichtstrahlen lassen sich nicht nur in kolloidalen Lösungen verfolgen. In einem von Zigarettenrauch verqualmten Zimmer, lassen sich die
durch die Scheibe einfallenden Sonnenstrahlen ebenfalls verfolgen. Beim Rauch, also
winzigen festen Teilchen, die fein verteilt in der Luft sind, handelt es sich ebenfalls
um ein kolloid disperses System. Erstmals entdeckt wurde der Effekt 1857 vom englischen Forscher Michael Faraday. Näher untersucht wurde er von dem Physiker John
Tyndall. Deshalb heißt der Effekt auch Faraday-Tyndall-Effekt oder nur TyndallEffekt29.
3 Eigenschaften der Kolloide
3.1 Versuch: Ladungssinn von Kolloiden
Chemikalien
Eisen(III)chloridLösung (w = 0,3)
ention. Wasser
Salzsäure
(c = 1 mol/L)
Eisenhydroxidoxid-Kolloide
Summenformel
FeCl3(aq)
Verwendbar
nach HessGiss
SI
Menge
R-Sätze
S-Sätze
2 mL
22-38-41
26-37/39
Gefahrensymbole
Xn
H2O(l)
HCl(aq)
SI
SI
530 mL
1 mL
-
-
-
FeO(OH)(s)
SI
-
-
-
Geräte:
500 mL-Becherglas, 50 mL-Becherglas, 5 mL-Einwegplastikspritze, Magnetrührer mit
Rührfisch, U-Rohr, 2 x Platinelektroden, Gleichstromtravo (min. 30 V), 4 x Kabel,
2 x Krokodilklemmen, Voltmeter, Rundfilter, Pipette, Stativmaterial (Stativplatte, Stativstange, Doppelmuffen, Klemmen), Kontrastwand.
Versuchsdurchführung30:
Herstellung der Eisenhydroxidoxid-Kolloide:
In einem Becherglas werden 500 mL ention. Wasser bis zum Sieden erhitzt. Unter
ständigem Rühren werden nun langsam 2 mL der 30%igen Eisen(III)chlorid-Lösung
hinzu getropft.
Elektrophorese der Eisenhydroxidoxid-Kolloide:
In ein eingespanntes U-Rohr werden 40 mL der hergestellten EisonhydroxidoxidKolloide gegeben (Je nach Größe des U-Rohrs
kann die Menge variieren. Es sollte so viel Lösung eingefüllt werden, dass diese einige cm
hoch in die vertikalen Schenkel reicht). An
einer Seite des U-Rohrs wird nun ein Rundfilter auf der Lösung platziert, dessen Durchmesser nur wenig geringer als der des U-Rohrs ist.
An dieser Stelle wird die Lösung nun vorsichtig mit 30 mL ention-Wasser überschichtet.
Abbildung 10: Versuchsaufbau zur BeAbschließend wird an diesem Schenkel 1 mL
stimmung des Ladungssinns von Eisender ein molaren Salzsäure hinzugegeben.
hydroxidoxidkolloiden.
Die Platinelektroden werden eingesetzt und mit
13
der Spannungsquelle verbunden. Die Kathode muss dabei in den Schenkel ragen, der
zuvor mit ention. Wasser und Salzsäure präpariert wurde. Die Elektrophorese wird bei
einer Spannung von etwa 35 V und Gleichstrom über einen Zeitraum von etwa 70 Minuten durchgeführt.
Beobachtung:
Bei der Zugabe der 30%igen Eisen(III)chlorid-Losung in das siedende Wasser verfärbt
sich dieses sofort in ein intensives Rot-braun.
Bei der Überschichtung der bräunlichen Lösung durch das ention. Wasser kommt es
zu Vermischungen. Die Trennlinie (Grenzschicht) zwischen dem Wasser und der kolloidalen Lösung wird durch die Zugabe der Salzsäure wieder schärfer. Mit dem Einschalten der Stromquelle beginnt an den beiden Elektroden eine Gasentwicklung und
kleine Bläschen steigen auf. Die Grenze bewegt sich im Laufe der Elektrophorese immer weiter auf die Kathode zu (siehe Video, erhältlich auf Nachfrage bei Dr. Reiß).
Nach ca. 70 min., kurz bevor die Grenzschicht die Elektrode erreichte, wurde die
Elektrophorese beendet.
Auswertung:
Wird Eisen(III)chlorid-Lösung in kochendes Wasser gegeben, kommt es zu einer Zersetzung des FeCl3 (Hydrolyse) und es entsteht Eisenhydroxidoxid. Das Eisenhydroxidoxid fällt jedoch nicht als Feststoff aus, sondern es bleibt in kolloidaler Form in Lösung. Dadurch dass es sich sofort mit einer Schicht aus Oxoniumionen und ChloridIonen (elektrochemische Doppelschicht) umgibt wird ein Aneinanderhaften der einzelnen Teilchen und somit eine Niederschlagsbildung verhindert (siehe Abbildung 11).
T
FeCl3( aq )  2 H2O(l ) 
 FeO(OH )( s )  3 H(aq )  3 Cl(aq)
FeO(OH)
Abbildung 11: Schematischer Aufbau eines
Eisenhydroxidoxid-Kolloids.
Bei der Elektrolyse kommt es durch die Reduktion von Protonen bzw. durch die Oxidation von Chlorid-Ionen zur Gasentwicklung.
Gleichstrom 
2 H 3O(aq )  2 Cl(aq ) 
 H 2  2 H 2O( l )  Cl2 
Elektrolyse
Die Gesamtgleichung der Redoxreaktion kann in folgende Teilgleichungen unterteilt
werden:
1
0
Anode (Oxidation): 2 Cl(aq ) 
 Cl 2( g )  2e 
1
0
 H 2( g )  2 H 2O( l )
Kathode (Reduktion): 2 H 3 O(aq )  2e  
14
Durch die Zugabe von Salzsäure wird die Konzentration der Oxoniumionen im Bereich der Kathode vergrößert und die Kathodenreaktion dadurch erleichtert.
Die Eisenhydroxid-Kolloide sind nach außen hin nicht elektrisch neutral, sondern sie
verhalten sich wie positiv geladene Teilchen. Daher bewegen sie sich im elektrischen
Feld, d. h. in der Lösung, auf die negativ geladene Kathode zu (Ausführliches zum
Aufbau kolloidaler Teilchen siehe 3.2 Ladungssinn von Kolloiden).
Theoretischer Hintergrund:
Die elektrostatische Anziehung bewirkt, dass sich geladene Teilchen auf eine entgegengesetzt geladene Elektrode zu bewegen. Bei den Teilchen kann es sich um Ionen
handeln. Angewendet wird diese Eigenschaft beispielsweise bei der Elektrolyse. Das
Prinzip kann auch zur Auftrennung von Proteinen angewendet werden (Elektrophorese). Dabei spielt der Isoelektrische Punkt der Proteine eine Rolle. Die Proteine (positive oder negative Gesamtladung) bewegen sich im elektrischen Feld solange auf einen
Pol zu, bis sie ihren Isoelektrischen Punkt erreichen. An ihrem Isoelektrischen Punkt
sind Proteine elektrisch neutral.
Aber nicht nur in der Wissenschaft spielen geladene Teilchen eine wichtige Rolle. Bei
der Lackierung von Werkstoffen wird das Prinzip ebenfalls angewendet, indem Lacktröpfchen oder Lackpulver in einer Düse ionisiert werden. Der Vorteil liegt darin, dass
die Streuverluste geringer werden, da sich die Tröpfchen auf entgegengesetzt aufgeladene Werkstück zu bewegen und an diesem anhaften31.
Die elektrostatische Anziehung hat in jüngster Vergangenheit ein weiteres Einsatzgebiet erschlossen, das ebenfalls mit Kolloiden (Feinstaub/Rauch) zu tun hat. Das Heizen
mit Brennholz erfreut sich immer größerer Beliebtheit. Dabei wird jedoch sehr viel
Feinstaub freigesetzt. Weil insbesondere die Staubpartikel, die kleiner als 1 µm sind,
die Gesundheit gefährden, wurden elektrostatische Verfahren entwickelt, um den Feinstaub abzuscheiden. Er wird im Ofenrohr an einer Hochspannungselektrode elektrisch
aufgeladen. Die sich abscheidenden Partikel verbinden sich dann an der Außenwand
des Rohrs zu größeren Flocken32.
Methodisch-didaktische Analyse:
Einordnung in den Lehrplan:
Dieser Versuch behandelt die Themen Elektrolyse und Redoxreaktionen. Er kann deshalb sowohl in der 10. Klasse als auch in der 12. Klasse durchgeführt werden33. Sofern
im Leistungskurs in der 12. Klasse das Wahlthema Elektrochemie oder das Wahlthema Angewandte Chemie behandelt wird, bietet sich dieser Versuch zur Vertiefung
an34. Der Versuch eignet sich dabei nicht nur um großtechnische Elektrolyseverfahren
vorzustellen, sondern er ist auch prädestiniert dafür die Bewegung geladener Teilchen
im elektrischen Feld sichtbar zu machen.
Aufwand:
Der Versuch ist sehr zeitaufwändig. Für den Versuch sind verschiedenen Lösungen
anzusetzen und die entsprechende Elektrolyseapparatur muss aufgebaut werden. Die
Versuchsvorbereitungen dauern demzufolge ca. 40 Minuten. Die Durchführung nimmt
etwa 70 min in Anspruch, der Effekt kann allerdings schon nach 35 min. sehr gut erkannt werden. Die Nachbereitung des Versuchs wiederum benötigt nur etwa 5 Minuten.
Durchführung:
Der Versuch klappt fast immer, sofern beim Überschichten der Lösung keine Fehler
gemacht werden. Hierfür sind ein bisschen Übung und Geschick erforderlich, weshalb
15
der Versuch eher als Lehrerversuch geeignet ist. Die benötigten Apparaturen sind im
Normalfall an den Schulen vorhanden, jedoch nicht im Klassensatz, weshalb dieses
Experiment auch vor diesem Hintergrund eher nicht als Schülerversuch geeignet ist.
Aufgrund des didaktischen Werts des Versuchs, die Effekte sind auch in einem Lehrerversuch gut sichtbar, sollte der vergleichsweise hohe Zeitaufwand in Kauf genommen werden.
3.2 Ladungssinn von Kolloiden
Ionen treten mit der Oberfläche der Kolloide in Wechselwirkung. Je nachdem woraus
das Teilchen besteht, können Kationen oder Anionen mit der Teilchenoberfläche
wechselwirken. Diese Ionen bedingen die Ladung des Teilchens. Im vorliegenden
Versuch handelt es sich bei dieser Schicht, die auch innere Helmholtzschicht genannt
wird, um Protonen. Die Schicht der Protonen ist von einer Schicht aus Gegenionen
(Chlorid-Ionen) umgeben, welche als äußere Helmholtzschicht bezeichnet wird. Weiter vom Teichen entfernt, befindet sich die so genannte diffuse Schicht, in welcher sowohl positive als auch negative Ladungen vorliegen (siehe Abbildung 1235). Zwischen
der Inneren Helmhotzschicht und der diffusen Schicht besteht eine Potentialdifferenz,
welche sich aus der Konzentration der Ladungen ergibt. Das Potential ist an der inneren Helmholtzschicht am größten, diese bestimmt daher die „Ladung“ des Kolloids.
Kolloide deren innere Helmhotzschicht aus Kationen besteht, bewegen sich daher in
einem elektrischen Feld auf den negativ geladenen Pol zu. Bei einer Elektrolyse ist das
die Kathode36.
Bestimmte Teilchen lagern
an ihrer Oberfläche auch
Anionen an. Diese Teilchen
sind daher nach außen hin
praktisch negativ geladen.
Die elektrochemische Doppelschicht, die aus innerer
und äußerer Helmholtzschicht besteht, ist für die
Stabilität der Kolloide verantwortlich. Da sich gleichartig geladene Teilchen abstoßen, verhindert die Doppelschicht ein Aneinanderlagern und damit ein Ausfal- Abbildung 12: Potentialdifferenz zwischen innerer Helmholtzlen der Teilchen. Je größer schicht und diffuser Schicht.
dabei das Potential und die Potentialdifferenz ist, d. h. je weiter die Ladungsdifferenz
in die diffuse Schicht wirkt, desto schwieriger ist eine Annäherung der Teilchen und
desto stabiler ist die kolloidale Lösung.
16
4 Worin unterscheiden sich die kolloidalen von „echten“ Lösungen
4.1 Demonstration: Unterscheidung zwischen „echten“ und kolloidalen Lösungen
Chemikalien
Tinte (w = 0,005)
Fuchsin-Lösung
(w = 0,0005)
MethylorangeLösung
(w = 0,001)
MethylenblauLösung
(w = 0,0005)
KupfersulfatLösung
(w = 0,05)
kolloidale Berliner Blau Lösung37
(w ≈ 0,022)
Eisenhydroxidoxid-KolloidLösung
(w ≈ 0,001)
verdünnte kolloidales Berliner
Blau-Lösung
(w ≈ 0,001)
Gelatine
ention. Wasser
Summenformel
C20H20ClN3(aq)
Verwendbar
Menge
nach HessGiss
SI
20 mL
SI
20 mL
R-Sätze
S-Sätze
40
36/37
Gefahrensymbole
Xn
C14H14N3Na3O3
S(aq)
SI
20 mL
25
37-45
T
C16H18ClN3S(aq)
SI
20 mL
22
22-24/25
Xn
CuSO4(aq)
SI
20 mL
22-36/3850/53
22-60-61
Xn, N
K[FeFe(CN)6](s)
SI
20 mL
-
-
-
FeO(OH)(s)
SI
20 mL
-
-
-
K[FeFe(CN)6](s)
SI
20 mL
-
-
-
H2O(l)
SI
SI
160 mL
-
-
-
Geräte:
8 x 4 cL-Einwegplastikschnapsgläschen, 8 x 50 mL-Becherglas, 400 mL-Becherglas,
Magnetrührer mit Rührfisch, Uhrglas, Frischhaltefolie
Versuchsdurchführung38:
Die für 160 mL Flüssigkeit vorgesehene Menge Blattgelatine wird in kaltem Wasser
für 5 Minuten eingeweicht und anschließend in 160 mL ention. Wasser bis zum vollständigen Auflösen erhitzt. Im Anschluss daran werden jeweils 20 mL in die 8 Einwegplastikschnapsgläschen gefüllt. Die Gläschen werden, mit Frischhaltefolie abgedeckt, für eine Nacht im Kühlschrank aufbewahrt.
Nach dem Aushärten der Gelatine werden jeweils 20 mL der Probelösungen auf die
Gelatine gegeben. Die Gläschen werden erneut mit Folie abgedeckt und im Kühlschrank aufbewahrt. Die Beobachtungen unmittelbar nach dem Überschichten, nach
24 Stunden und nach einer Woche werden notiert (Zum Versuchsaufbau siehe Abbildung 13).
17
Beobachtung:
Unmittelbar nach dem Überschichten ist noch keine der Farblösungen in die Gelatine
eingedrungen (siehe Abbildung 13). Bereits nach einem Tag ist zu erkennen, dass Methylorange, Methylenblau, Fuchsin und Kupfersulfat in die Gelatine diffundieren (siehe Abbildung 14). Nach einer Woche sind diese Lösungen in die gesamte Gelatine
vorgedrungen, während die kolloidale Tinte, das kolloidale Berliner Blau, das kolloidale Eisenhydroxidoxid und das gering konzentrierte Berliner Blau auch nach dieser
Zeit nicht in die Gelatine diffundiert sind.
Methylorange
Methylenblau
kolloidale
Tinte
Kupfersulfat
Fuchsin
kolloidales
Eisenhydroxidoxid
kolloidales
gering konz.
Berliner Blau
Berliner Blau
Abbildung 13: Gelatineproben unmittelbar nach dem Überschichten.
Methylorange
Methylenblau
kolloidale
Tinte
Kupfersulfat
Fuchsin
kolloidales
Eisenhydroxidoxid
kolloidales
gering konz.
Berliner Blau
Berliner Blau
Abbildung 14: Gelatineproben 24 Stunden nach dem Überschichten.
Methylorange
Methylenblau
kolloidale
Tinte
Kupfersulfat
Fuchsin
kolloidales
Eisenhydroxidoxid
kolloidales
gering konz.
Berliner Blau
Berliner Blau
Abbildung 15: Gelatineproben eine Woche nach dem Überschichten.
Auswertung:
Die „echten“ Farblösungen, Methylorange, Methylenblau, Fuchsin und Kupfersulfat
diffundieren aufgrund der Brownschen Molekularbewegung in die Gelatine hinein.
Nach etwa einer Woche ist die Gelatine vollständig von den farbigen Verbindungen
durchdrungen. Dass dennoch ein Konzentrationsunterschied zwischen der Lösung und
der Gelatine besteht, wird an der Abbildung 15 sichtbar.
Die kolloidalen Lösungen (Tinte, Berliner Blau, Eisenhydroxidoxid) diffundieren
nicht in die Gelatine, da dass Kollagengerüst der Gelatine so dicht ist, dass die, im
18
Vergleich zur molekularen Ebene großen Kolloide, nicht hineindiffundieren können.
Das Kollagengerüst wirkt quasi als Filter, daher sind die kolloidalen Lösungen auch
nach einer Woche noch nicht in die Gelatine eingedrungen.
Das gering konzentrierte Berliner Blau stellt keine Ausnahme dar, auch wenn sich dies
anhand der Abbildung 15 vermuten lässt. Bei der gelbgrünlichen Farbe, welche die
Gelatine bei der Probe mit dem gering konzentrierten Berliner Blau durchdringt, handelt es sich um einen Überschuss an gelbem Blutlaugensalz, der bei der Reaktion zum
Berliner Blau nicht umgesetzt wurde.
Theoretischer Hintergrund:
Echte und kolloidale Lösungen lassen sich nicht nur durch den Tyndall-Effekt unterscheiden. Insbesondere bei farbigen Lösungen lassen sie sich auch an den unterschiedlichen Diffusionseigenschaften separieren.
Da die Diffusion von dem Diffusionskoeffizienten abhängt, bieten sich vielfache Anwendungen zur Stofftrennung. Je größer dabei der Diffusionskoeffizient ist, desto
schneller diffundiert die Substanz. In der Biochemie werden semipermeable Filterschläuche genutzt, bei denen Ionen und Atome durch den Schlauch diffundieren können, während Proteine zurückgehalten werden.
Die unterschiedliche Diffusionsrate zwischen atomarer und kolloidaler Größenordnung wird auch in der Forschung genutzt, beispielsweise um Transportprozesse in eindimensionalen Potentiallandschaften zu untersuchen39.
Methodisch-didaktische Analyse:
Einordnung in den Lehrplan:
Der Versuch greift die Diffusion im Teilchenmodell auf. Als solcher ist er Bestandteil
des Lehrplans in der 7. Klasse40. Diffusion ist ein Pflichtbestandteil des Lehrplans. In
diesem Zusammenhang sollten im Unterricht Faktoren besprochen werden, die die
Diffusion beeinflussen bzw. hemmen.
Aufwand:
Es handelt sich bei der Unterscheidung von echten und kolloidalen Lösungen um einen einfachen Versuch, der jedoch viel Aufwand erfordert. Für die Vorbereitung muss
etwa eine halbe Stunde zur Verfügung stehen, da viele Lösungen anzusetzen sind und
da die Gelatine zubereitet werden muss. Zur Vorbereitung gehört auch eine eintägige
Wartezeit, bis die Gelatine „ausgehärtet“ ist. Die Durchführung ist in etwa 2 Minuten
erledigt, allerdings erstreckt sich der Beobachtungszeitraum auf ca. 1 Woche. Die Entsorgung dagegen ist in 5 min. vollzogen.
Durchführung:
Der Versuch klappt immer, weshalb er sich gut zur Durchführung im Schulunterricht
eignet. Die für den Versuch benötigten Materialien lassen sich leicht im Handel erwerben, weshalb das Experiment gut als Schülerversuch durchführbar ist. Die Effekte
lassen sich aber auch in der Durchführung als Lehrerversuch gut beobachten. Die verwendeten Chemikalien sollten an jeder Schule vorhanden sein und sie dürfen nach
HessGiss auch von Schülern verwendet werden.
4.2 Größe kolloidaler Teilchen
Kolloid disperse Systeme sind Phasengemische aus zwei verschiedenen Phasen. Die
disperse Phase liegt in einem hohen Zerteilungsgrad vor. Die Größe dieser Phasenteil19
chen liegt im Bereich zwischen einem Nanometer und einem Mikrometer. In dieser
Größenordnung wird von supramolekularer Chemie (Polymere, Proteine und Viren
DNS-Vesikel) oder Kolloidchemie (Microgele, Mizellen, Aerosole, etc.) gesprochen.
Kleiner als 1 Nanometer ist der Bereich der Atome und Moleküle. In diesem Bereich
wird molekulare Physik und Chemie betrieben. Feste Teilchen, die größer sind als 1
µm fallen in den Bereich der Festkörperphysik und – Chemie. Hierbei kann es sich um
fein zermahlene Festkörper handeln. In diesem Maßstab oberhalb von einem Mikrometer gibt es aber auch Phasengemische, die nicht in den Bereich der Festkörperchemie fallen41.
5 Stabilität des kolloidalen Systems
5.1 Versuch: Fällung von Kolloiden
Chemikalien
Kaliumhexacyanoferrat(II)-Lösung
(c = 0,1 mol/L)
Eisen(III)chloridLösung
(c = 0,1 mol/L)
Silbernitrat-Lösung
(c = 0,1 mol/L)
KaliumiodidLösung
(c = 0,1 mol/L)
ention. Wasser
kolloidale Berliner
Blau Lösung
Silberiodid-Sol
AluminiumsulfatLösung
(c = 2 mol/L)
Summenformel
K4[Fe(CN)6](aq)
Verwendbar
Menge
nach HessGiss
SI
20 mL
R-Sätze
S-Sätze
52/53
50/61
Gefahrensymbole
-
FeCl3(aq)
SI
25 mL
22-38-41
26-37/39
Xn
AgNO3(aq)
SI
1 mL
34-50/53
26-40-60-61 C, N
KI(aq)
SI
2 mL
-
-
-
H2O(l)
K[FeFe(CN)6](s)
SI
SI
100 mL -
-
-
AgI(s)
Al2(SO4)3(aq)
SI
SI
10 mL
26-39
Xn
41
Geräte:
50 mL-Becherglas, 25 mL-Vollpipette, 20 mL-Messpipette, Magnetrührer mit Rührfisch, 100 mL-Becherglas, 10 mL-Messpipette, Peleusball
Versuchsdurchführung42:
Herstellung des Silberiodid-Sol:
2 mL der Kaliumiod-Lösung (c = 0,1 mol/L) werden mit ention. Wasser auf 100 mL
aufgefüllt und mit 1 ml Silbernitrat-Lösung (c = 0,1 mol/L) versetzt.
Herstellung der kolloidalen Berliner Blau-Lösung:
25 mL der Eisen(III)chlorid-Lösung (c = 0,1 mol/L) werden in einem Becherglas unter
Rühren mit 20 mL Kaliumhexacyanoferrat(II)-Lösung (c = 0,1 mol/L) versetzt.
20
Fällung von Kolloiden durch Elektrolyte:
In Zentrifugengläsern werden jeweils 5 mL- der Kolloid-Lösungen (Berliner Blau,
Silberiodid-Sol) mit 5 mL Aluminiumsulfat-Lösung (c = 2 mol/L) versetzt. Die Zentrifugengläschen werden kurz geschüttelt und anschließend in einer Zentrifuge platziert.
Jeweils 10 mL der Kolloid-Lösungen werden in Zentrifugengläschen als Gegengewichte eingesetzt. Es wird für etwa 5 min. zentrifugiert (ggf. kann die Zeit verlängert
werden). Im Anschluss daran werden die Proben miteinander verglichen.
Beobachtung:
Die verdünnte Kaliumiodid-Lösung wird bei
Zugabe der Silbernitrat-Lösung gelblich. Die
Mischung aus Eisen(III)chlorid-Lösung und
Kaliumhexacyanoferrat(II)-Lösung wird tief
blau und undurchsichtig.
Bei den Kolloid-Lösungen, welche mit Aluminiumsulfat-Lösung gemischt wurden, ist nach
dem Zentrifugieren ein Niederschlag zu beobachten (gelblich bzw. blau siehe Abbildung
16). Die Lösungen oberhalb des Niederschlags
sind klar. Die Kolloidlösungen, denen keine
Aluminiumsulfat-Lösung beigemengt wurde,
weisen nach dem Zentrifugieren keinen Niederschlag auf und die Lösungen sind weiterhin
farbig.
Abbildung 16: Ausgefallenes Berliner Blau
(ganz links) und ausgefallenes SilberiodidSol (ganz rechts) nach der Zugabe von
Aluminiumsulfat.
Auswertung:
Durch das Mischen der verdünnten KI-Lösung mit dem Silbernitrat kommt es zur Bildung von unlöslichem Silberiodid, welches als Kolloid in Lösung bleibt.
K(aq )  I(aq )  Ag(aq )  NO3( aq ) 
 AgI( s )   K(aq )  NO3( aq )
Kaliumhexacyanoferrat und Eisen(III)chlorid reagieren unter Bildung von Berliner
Blau miteinander. Das Berliner Blau bleibt ebenfalls als Kolloid in Lösung.
4
3
 2

 3 2

4 K (aq )   Fe  CN 6   FeCl3( aq ) 
 K  Fe Fe(CN )6   3 KCl( aq )

 ( aq )

 ( aq )
Durch die Zugabe des Aluminiumsulfats kommt eine hohe Salzkonzentration in die
stark verdünnten kolloidalen Lösungen. Die Potentialdifferenz zwischen innerer
Helmholtzschicht und Lösung wird geringer was eine Verringerung der abstoßenden
Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Kolloiden zur Folge hat. Die abnehmende
Potentialdifferenz basiert auf einer Angleichung der Ladungsdichten an der Teilchenoberfläche (innere Helmholtzschicht) und in der Lösung, herbeigeführt durch das zugegebene Aluminiumsulfat.
Aufgrund der geringeren abstoßenden Wechselwirkungen können sich die einzelnen
Partikel nun näher kommen. Die attraktiven Wechselwirkungen, wie die van der
Waals-Kräfte, überwiegen nun die abstoßenden Effekte. Es kommt zu einem Aneinanderlagern und Ausfallen der Kolloide.
21
Theoretischer Hintergrund:
Die Fällung von Kolloiden hat in der Technik und im Alltag ganz besondere Bedeutung. Kolloidale Systeme zeichnen sich dadurch aus, dass das Phasengemisch je nach
Aggregatzuständen sehr langlebig sein kann. Beispielsweise Kolloide, also feinverteilte Feststoffe in Lösung, können sehr beständig sein.
Handelt es sich bei den Kolloiden um schädliche oder unerwünschte Substanzen, so
muss ein Weg gefunden werden um sie von der Lösung zu trennen. Durch Sedimentation (oder Zentrifugieren) kann keine Trennung erreicht werden. Eine Möglichkeit zur
Trennung besteht nun darin, die Stabilität der Kolloide durch Zugabe von Elektrolyten
zu minimieren.
Anorganische und organische Kolloide im Abwasser können eine Gefahr für die Umwelt sein. Damit die Partikel die Kläranlage nicht ungehindert durchwandern und in
die Umwelt gelangen, werden bei der chemischen Abwasserreinigung Chemikalien
zugegeben um eine Flockenbildung der Kolloide herbeizuführen. Durch den Einsatz
von Ektrolyten wird die Stabilität des kolloidalen Systems soweit herabgesetzt, dass es
zu einer Anlagerung und Ausflockung der Teilchen kommt. Zum Einsatz kommen dabei mehrwertige Salze wie Aluminiumsulfat oder Eisen(III)-chlorid-sulfat. Polyelektrolyte (Poly-Aluminium-Chlorid und hochmolekulare organische Verbindungen) werden ebenfalls als Flockungsmittel eingesetzt. Durch den Einsatz von Eisen- und Aluminiumionen wird neben den Kolloiden auch Phosphat aus dem Abwasser entfernt43.
Methodisch-didaktische Analyse:
Einordnung in den Lehrplan:
Der Versuch fällt unter den Bereich der Fällungsreaktionen. Als solcher könnte er bereits fakultativ in der 8. oder 9. Klasse durchgeführt werden. Allerdings ist im Curriculum an diesen Stellen nur das Ausfällen von Halogenen vorgesehen 44. Das Experiment
ist daher besser in der 12. Klasse anzusiedeln. Sowohl im Grund- als auch im Leistungskurs sind Fällungsreaktionen Bestandteil des Themas „Chemisches Gleichgewicht“. Fakultativ besteht in beiden Kursen die Möglichkeit auf die Bedeutung von
Fällungsreaktionen in der Analytik und bei der Abwasserreinigung einzugehen45.
Aufwand:
Die Vorbereitungen für den Versuch sind schnell getroffen. In ca. 5 min. sind die Lösungen für den Versuch angesetzt und es kann mit der Durchführung begonnen werden. Diese dauert trotz der Wartezeit, in welcher die Proben zentrifugiert werden, nur
etwa 7 Minuten. Für die Entsorgung fällt nochmals ein Zeitaufwand von etwa 3 min.
an.
Durchführung:
Der Versuch gelingt auf Anhieb, weshalb er sich gut für den Einsatz in der Schule eignet. Die Chemikalien sollten an jeder Schule in ausreichendem Maße vorhanden sein.
Der geringe Materialaufwand für diesen Versuch prädestiniert ihn für die Durchführung als Schülerversuch. Auch dank des geringen Zeitaufwands ist er dafür geeignet.
Die zu beobachtenden Effekte sind bei Eigenaktion der Schüler einprägsamer und sie
können ihre Fähigkeiten und Fertigkeiten im Umgang mit Chemikalien und im Experimentieren erweitern.
22
5.2 Schwächung des der Potentialdifferenz
Durch die Zugabe von Elektrolyten, insbesondere durch mehrfach geladene Elektrolyte, wird die Konzentration an Ionen in der Lösung vergrößert. Die Potentialdifferenz,
welche zwischen der inneren Helmholtzschicht und der Lösung bestand, nimmt ab.
Durch die Erhöhung der Elektrolytenkonzentration kommt es daher zu einem Absinken der abstoßenden Wechselwirkungen. Die Kolloide sind an ihrer Oberfläche immer
noch gleich geladen, die darauf beruhenden abstoßenden Wechselwirkungen verlieren
aufgrund der gesteigerten Elektrolytenkonzentration und der geringeren Potentialdifferenz an Reichweite. Die Bewegungsenergie der Partikel reicht nun aus um die abstoßenden Kräfte zu überwinden. Zwischen den sich nähernden Teilchen können nun die
van der Waals-Wechselwirkungen eine Aneinanderlagerung der Teilchen bewirken.
Die Kolloide lagern sich nun aneinander und fallen aus.
6 Von einer kolloidalen Lösung zum Gel und wieder zurück
6.1 Versuch: Herstellen eines Berliner Blau-Gels
Chemikalien
Summenformel
K4[Fe(CN)6](aq)
Kaliumhexacyanoferrat(II)-Lösung
(w = 0,2)
Eisen(III)chlorid- FeCl3(aq)
Lösung
(w = 0,47)
ention. Wasser
H2O(l)
kolloidale Berli- K[FeFe(CN)6](s)
ner Blau Lösung
Verwendbar
Menge
nach HessGiss
SI
10 mL
R-Sätze
S-Sätze
52/53
50-61
Gefahrensymbole
-
SI
2 mL
22-38-41
26-37/39
Xn
SI
SI
500 mL
-
-
-
Geräte:
2 x 50 mL-Becherglas, 500 mL-Becherglas, Magnetrührer mit Rührfisch (klein und
groß), Spatel
Versuchsdurchführung46:
Zu den 10 mL Kaliumhexacyanoferrat(II)-Lösung (w = 0,2) werden unter Rühren einige Tropfen Eisen(III)chlorid-Lösung (w = 0,47) hinzugefügt. Die Beobachtung wird
notiert und es wird die restliche FeCl3-Lösung beigefügt (insgesamt 2 mL). Das Becherglas kann nach kurzer Wartezeit vorsichtig umgestülpt werden.
Dem Inhalt des Becherglases wird eine kleine Probe entnommen (Spatelspitze) und
diese wird unter Rühren in einem zweiten, mit Wasser gefüllten Becherglas, vom Spatel gelöst.
Beobachtung:
Nach der Zugabe einiger Tropfen Eisen(III)chlorid-Lösung färbt sich die Lösung sofort dunkelblau. Je mehr Eisen(III)chlorid-Lösung hinzugefügt wurde, desto zähflüssiger wurde die Lösung. Auch bei einer Drehung des Becherglases floss sie nichtmehr
aus diesem heraus.
23
Als mit dem Spatel eine kleine Probe der zähflüssigen Masse in eine großes, mit Wasser gefülltes Becherglas gegeben wurde, löste sich diese auf und das Wasser färbte
sich tiefblau.
Auswertung:
Werden einige Tropfen der Eisen(III)chlorid-Lösung zur Kaliumhexacyanoferrat(II)Lösung, so entsteht zunächst eine tiefe Blaufärbung der Lösung. Hierbei handelt es
sich um kolloidales Berliner Blau, welches durch die Reaktion des Eisen(III)chlorid
mit dem Kaliumhexacyanoferrat entsteht.
4
4 K

( aq )
3
 2

 3 2

  Fe  CN 6   FeCl3( aq ) 
 K  Fe Fe(CN )6   3 KCl( aq )

 ( aq )

 ( aq )
Wird die restliche Eisen(III)chlorid-Lösung hinzugegeben, entsteht immer mehr kolloidales Berliner Blau. Die Konzentration an Berliner Blau wird so hoch, dass die Solvathülle der einzelnen kolloidalen Teilchen die gesamte Lösung umfasst. Durch die
Immobilisierung der Lösungsmittelmoleküle wird ein Aneinanderhaften noch stärker
verhindert. Bei gesteigerter Viskosität (Gel) nimmt die kinetische Energie der Kolloide
ab und diese können die Doppelschicht anderer Kolloide nicht mehr durchdringen. Die
Gelbildung wird Koagulation genannt. Es kommt dabei nicht zu einer Ausflockung.
kolloidale Lösung
Gel
Koagulation
(durch Erhöhung der Kolloidkonzentration)
Peptisation
(durch Verdünnung einer kleinen Gelprobe)
(Gelprobe grau unterlegt)
Abbildung 17: Koagulation und Peptisation von Kolloiden.
Verkleinert man die Kolloidkonzentration durch Verdünnen der Lösung, sinkt die Viskosität. Die Moleküle des Dispersionsmittels sind jetzt wieder frei beweglich. Es handelt sich nun wieder um eine kolloidale Lösung (Sol), nicht mehr um ein Gel. Dieser
Vorgang wird als Peptisation bezeichnet.
Theoretischer Hintergrund:
Das wahrscheinlich um 1706 erstmals von Diesbach hergestellte Berliner Blau ist auch
unter dem Namen Turnbull Blau bekannt. Der Farbstoff wurde und wird zu verschiedenen Zwecken genutzt, was ihn kommerziell sehr erfolgreich machte. Zunächst wurde er für die preußischen Armeeuniformen verwendet. Aufgrund seiner Farbintensität
wurde es auch für Ölfarbe verwendet. Die größte Verwendung findet das Berliner Blau
unter dem Namen Iso-Blau auch heute noch als Druckfarbe. Zudem findet es Verwendung in Tinte und zum Einfärben von Polyethylen 47. Daneben wird es in der Papierindustrie zur Herstellung von Durchschlagpapier verwendet48. Berliner Blau findet aber
über seinen Einsatz als Farbpigment hinaus Verwendung als Entgiftungsmittel bei Cäsium- und Thallium-Vergiftungen. Einsatz fand es beispielsweise 1886 nach der
Tschernobyl Katastrophe, um Tiere vom radioaktiven Cäsium-137 zu dekontaminieren49. Die Herstellung von Berliner Blau wird in der Analytik als empfindlicher Eisenionen-Nachweis genutzt.
24
Methodisch-didaktische Analyse:
Einordnung in den Lehrplan:
Die Herstellung des Berliner Blau Gels ist laut Lehrplan in der 12. Klasse angesiedelt50. Nicht nur der Grund- sondern auch der Leistungskurs befasst sich mit dem
„Prinzip vom Zwang“. In diesem Zusammenhang ist auf die Beeinflussung der
Gleichgewichtslage durch Konzentrationsänderungen einzugehen. Zusätzlich ist es
möglich den Versuch im Bereich der Redoxreaktionen anzusiedeln. Redoxreaktionen
anorganischer Verbindungen ist ein Unterrichtsschwerpunkt in der 10. Klasse.51
Aufwand:
Bei der Herstellung eines Gels handelt es sich um einen einfachen Versuch, der sowohl in der Vorbereitung als auch in der Durchführung wenig Zeit erfordert. Die Herstellung der Lösungen nimmt in etwa 7 min in Anspruch. Zur Durchführung werden
etwa 2 min benötigt. Da das gebildete Berliner Blau unbehandelt entsorgt werden
kann, ist zur Nachbereitung mit einem Zeitaufwand von ebenfalls etwa 2 min zu rechnen.
Durchführung:
Die für den Versuch genutzten Chemikalien und Materialien sollten an den Schulen in,
auch für Schülerversuche, ausreichenden Mengen vorhanden sein. Da der Effekt gut
sichtbar ist, kann der Versuch zwar als Lehrerversuch durgeführt werden, andererseits
bietet sich durch den geringen Zeitaufwand auch die vergleichsweise seltene Gelegenheit eines Schülerversuches. Dieser Versuch empfiehlt sich sehr für den Unterricht, da
die Schüler staunen.
6.2 Koagulation und Peptisation
Die Umwandlung einer kolloidalen Lösung in ein Gel wird als Koagulation bezeichnet. Durch Konzentrationserhöhung der Kolloide ist das Dispersionsmittel zwischen
den einzelnen Kolloiden nicht mehr frei beweglich. Anders formuliert, der Zwischenraum zwischen den einzelnen Teilchen nimmt aufgrund der Konzentrationserhöhung
ab. Das Dispersionsmittel in dem sich die Kolloide befinden, wird nun zu einer reinen
Hydrathylle (bei Wasser) um die dichtgedrängten Kolloide. Die Beweglichkeit des
Dispersionsmittels ist dadurch, dass sie nur noch als Hydrathülle vorkommt, eingeschränkt und es kommt dadurch zu einer Viskositätssteigerung52. Die Viskositätssteigerung hat eine Verringerung der kinetischen Energie der Teilchen zur Folge.
Die kolloidalen Teilchen sind zwar dicht gedrängt, aber durch die geringe kinetische
Energie können sie die gleichbleibend starken abstoßenden Wechselwirkungen zwischen den Teilchen nicht überwinden. Es kommt nicht zu einem Ausfallen der Kolloide. Daher ist der Prozess der Koagulation reversibel. Wird nun ein Teil des Gels, wie
im Versuch demonstriert, wieder verdünnt, so erhält man wieder eine kolloidale Lösung mit frei beweglicher disperser Phase und frei beweglichem Dispersionsmittel.
Dieser Vorgang wird Peptisation genannt53.
25
7 Fester Schaum
7.1 Demonstration: Herstellen von Gasbeton
Chemikalien
Portlandzement
(Calciumcarbonat)
Seesand
ention. Wasser
Aluminiumpulver
Summenformel
CaCO3(s)
Verwendbar
nach HessGiss
SI
Menge
R-Sätze
S-Sätze
5g
37/38-41
-
Gefahrensymbole
Xi
SiO2(s)
H2O(l)
Al(s)
SI
SI
SI
10 g
5 mL
0,1g
15-17
7/8-43
F
Geräte:
2 x Einwegbecher 40 mL, Magnetrührer, 5 mL-Vollpipette, Thermometer, Glasstab,
Mörser mit Pistill, Spatel, 2 x 100 mL Becherglas, Waage, Toilettenpapier
Versuchsdurchführung54:
Zunächst werden 10 g Seesand in einem Becherglas abgewogen und anschließend in den Mörser eingefüllt. Nun werden
5 g Zement abgewogen und ebenfalls in den Mörser gegeben.
Der Zement und der Seesand werden zerrieben und anschließend in einen Kunststoff-Einwegbecher gegeben. Es werden
nochmals 10 g Sand und 5 g Zement abgewogen und mit 0,1
g Aluminiumpulver im Mörser zerrieben. Dieses Gemisch
wird in einen zweiten Plastikbecher gegeben. Mittels Vollpipette werden jeweils 5 ml 30 – 40 °C warmes ention. Wasser
in die Becher gegeben und anschließend wird mit dem Glasstab gut durchgerührt. Die Plastikbecher werden beiseite gestellt und die Beobachtungen notiert.
Abbildung 18: Versuchsaufbau zur Herstellung von Gasbeton.
Beobachtung:
Das Gemisch aus Seesand und Zement setzt sich ab und es
befindet sich eine wässrige Phase über dem Beton. Bei dem
Gemisch aus Seesand, Zement und Aluminiumpulver kommt
es zu keiner Phasentrennung und nach wenigen Minuten setzt
eine Gasbildung ein, die zu einem Aufblähen des Betons
führt. Nach einem Tag Wartezeit ist der Beton ausgehärtet.
Entsorgung:
Der ausgehärtete Gasbeton kann in der Feststofftonne entsorgt werden.
Abbildung 19: Gasbeton,
einige Minuten nach
Beginn des Versuchs.
Auswertung:
Kommt das Aluminiumpulver aus dem Betongemisch in
Kontakt mit dem aufgewärmten Wasser, so beginnt an der Oberfläche des Pulvers eine
Redoxreaktion, bei welcher Wasserstoff freigesetzt wird. Als Reaktionsprodukt entsteht zusätzlich Aluminiumhydroxid, welches an der Oberfläche des Pulvers haftet.
0
1
3
0
2 Al ( s )  6 H 2 O 
 2 Al (OH )3( s )  3 H 2 
26
Die Schicht aus Aluminiumhydroxid, welche das verbleibende Aluminium vor einer
Reaktion mit Wasser schützt, kann durch OH--Ionen in eine lösliche Form überführt
werden. Die dafür notwendigen OH--Ionen entstehen durch die Reaktion von Calciumoxid (Branntkalk) mit Wasser. Calciumoxid ist mit 58-66% der Hauptbestandteil
von Portlandzement55. Diese Reaktion erfolgt unter starker Wärmeabgabe.
CaO( s )  H 2O(l ) 
 Ca(2aq )  2 OH (aq )
Die Hydroxoniumionen reagieren mit dem Aluminiumhydroxid zu löslichem Tetrahydroxidoaluminat.

2 Al  OH 3( s )  Ca(2aq )  2 OH (aq ) 
 Ca(2aq )  2  Al  OH 4 
( aq )
Das Aluminiumpulver ist nun
nicht mehr von einer schützenden
Schicht aus Aluminiumhydroxid
umgeben und kann vollständig
abreagieren. Durch das freiwerdende Wasserstoffgas entstehen im aushärtenden Beton neben
größeren Bläschen auch Gaseinschlüsse im Nanometer-Maßstab.
Die Hauptreaktion beim Aushärten des Betons ist die Bildung
von Kalk (Calciumcarbonat) aus
Calciumhydroxid und CO2 unter
Wasserabgabe.
Abbildung 20: Aufnahme von Gasbeton. 300 kV Hochauflösung im Transmissions-Elektronenmikroskop. Die hellgrauen „Kreise“ stellen die Gaseinschlüsse dar.
Ca (OH ) 2( s )  CO2( g ) 
 CaCO3( s )  H 2O( l )
Neben diesem sehr lange dauernden Prozess kommt es aber auch zu weiteren Reaktionen die für das Aushärten des Betons verantwortlich sind. Hierfür sind dem Portlandzement zahlreiche Zusatzstoffe beigemischt: SiO2 (18-26%), Al2O3 (4-12%), Fe2O3 (25%), Ca3SiO5, Ca2SiO4, Ca3Al2O6 und Ca2AlFeO556.
Für das schnelle Abbinden des Zements ist das Tricalciumaluminat verantwortlich. Es
nimmt unter Wärmeabgabe rasch Wasser und Sulfat auf. Das Erhärten setzt sich fort,
indem sich die Calciumsilikate zu so genannten „Tobermoritphasen“ (3CaO ∙ 2SiO2 ∙
nH2O) zersetzen, deren Kristalle dann miteinander zu einem festen Stoff verwachsen57.
Theoretischer Hintergrund:
Das Verfahren zur Herstellung der Ytong-Steine stammt aus Schweden. Ytong steht
dabei für Yxhults ånghärdade gasbetong (gehärteter Gasbeton aus Yxhult (Ortschaft in
Schweden))58. Entwickelt wurde das Verfahren um einen gut isolierenden günstigen
Baustoff herzustellen, um Schwedens Energieknappheit im Ersten Weltkrieg zu verringern59. Aufgrund der sehr guten Dämmeigenschaften, die auf den Gaseinschlüssen
(Poren) im Beton beruhen, ist daraus ein wichtiger Baustoff hervorgegangen, der noch
heute genutzt wird.
Die Firma Xella, welche den Gasbeton unter den Markennamen Ytong vertreibt, erwirtschaftete mit Ihrer Baustoffsparte im Jahr 2008 einen Jahresumsatz von etwa einer
27
Milliarde Euro. Daran zeigt sich, welches ökonomische Potential in den kolloid dispersen Systemen steckt60.
Methodisch-didaktische Analyse:
Einordnung in den Lehrplan:
Baustoffchemie ist in Hessen kein Bestandteil des Lehrplans, dennoch kann der Versuch sinnvoll ins Curriculum integriert werden. Unter dem Stichwort „Kreislauf des
Kalks“, fakultativer Themeninhalt in der 9. Klasse,61 könnte der Versuch als durchgeführt werden. Besser eignet sich der Versuch jedoch beim Thema Redoxreaktionen.
Die Besprechung von Redoxreaktionen anorganischer Verbindungen ist laut Lehrplan
in der 10. Klasse vorgeschrieben62.
Aufwand:
Das Herstellen von Gasbeton ist sehr einfach, aber aufgrund der Wartezeiten recht
zeitintensiv. Die Vorbereitungen für den Versuch belaufen sich auf etwa 10 min, da
die Ausgangstoffe abgewogen und gemörsert werden müssen. Die Durchführung dauert nur etwa 5 Minuten, bis erste Auswirkungen beobachtet werden können. Die Wartezeit bis zum Aushärten des Betons beträgt mindestens 24 Stunden. Die Entsorgung
ist in 1 min abgehandelt.
Durchführung:
Für das Experiment werden nur Chemikalien und Materialien benötigt, die entweder in
der Schule vorhanden sind oder leicht im Handel erworben werden können. Die Chemikalien dürfen auch von Kindern in der Sekundarstufe 1 verwendet werden, weshalb
sich dieser Versuch auch dank seiner kurzen Durchführung als Schülerversuch eignet.
In der Durchführung als Schülerversuch können die Effekte deutlich besser beobachtet
werden als in einem Lehrerversuch. Generell eignet sich dieser Versuch gut für den
Schuleinsatz, da er Verknüpfungen zwischen Chemie und Lebenswelt der Schüler herstellt und da er praktisch immer funktioniert.
8 Flüssige Aerosole
8.1 Demonstration: Herstellen von Kunstnebel
Chemikalien
Summenformel
Nebelfluid
Trockeneis
Wasser
C3H8O2(l)
CO2(s)
H2O(l)
Verwendbar
nach HessGiss
SI
SI
SI
Menge
R-Sätze
S-Sätze
2L
-
23-36
-
Gefahrensymbole
-
Geräte:
Plastikschüssel, Aufbewahrungsdewar, Schutzhandschuhe, Wasserkocher, Kunstnebelmaschine
28
Versuchsdurchführung:
Die Plastikwanne wird mit heißem Wasser gefüllt. In das Wasser wird dann ein etwa faustgroßes Stück Trockeneis gegeben.
Die Nebelmaschine wurde gemäß Betriebsanweisung bedient. Nach dem einschalten und
einer etwa 20-minütigen Aufwärmphase ist
diese einsatzbereit.
Beobachtung:
Abbildung 21: Nebelmaschine.
Wird das Trockeneis aus dem Dewar entnommen, setzt sofort eine leichte Nebelbildung am Trockeneis ein. Im warmen Wasser
steigen von dem Trockeneis Gasbläschen auf, die mit weißem Nebel gefüllt sind. Dieser schwebt über die Wasseroberfläche und beginnt sich im Raum zu verteilen. Der
Nebel nimmt mit zunehmender Entfernung zum Wassergefäß ab.
Aus einer Düse an der Nebelmaschiene tritt aus Knopfdruck weißer Nebel aus, der
sich sofort im Raum ausbreitet. Dieser Nebel hinterließ ein leichtes „kratzen“ im Hals.
Entsorgung:
Auswertung:
Das feste CO2 beginnt an der Raumluft und besonders im heißen Wasser sofort zu sublimieren, da die Siedetemperatur des CO2 bei Normaldruck deutlich überschritten
wird.
T
CO2( s ) 
 CO2( g ) 
Das entweichende CO2 ist jedoch, gemessen an der Raumluft, noch sehr
kalt. Die Raumluft kühlt ab. Kalte Luft
kann weniger gasförmiges Wasser
(Luftfeuchtigkeit) aufnehmen, daher
beginnt das Wasser in der Luft zu
kondensieren und es bilden sich fein
verteilte Töpfchen im NanometerMaßstab, die als weißer Nebel sichtbar
werden (siehe Abbildung 2263).
Abbildung 22: Phasendiagramm des Wasser.
T

 H 2O( l )
H 2O( g ) 

T
Mit zunehmender Erwärmung des Nebels verdunsten die Wassertröpfchen wieder und
der Nebel löst sich auf.
In der Nebelmaschine wird das Gemisch aus Wasser und Propylenglycol verdampft.
Der Dampf tritt durch eine Düse aus und kondensiert sofort an der kälteren Umgebungsluft.
T
T
C3 H 8O2( l ) 
 C3 H 8O2( g ) 
 C3 H 8O2( l )
29
T
T
H 2O(l ) 
 H 2O( g ) 
 H 2O( l )
Dadurch entsteht ein Nebel aus fein verteilten Flüssigkeitströpfchen. Dieser Nebel ist
etwas beständiger als der Nebel aus reinem Wasser, denn es dauert etwas länger, bis
die Tröpfchen wieder verdunsten. Dies hängt mit dem höheren Siedepunkt von Propylenglycol zusammen (Sdp. von 1,2-Propylenglykol: 188°C).
Theoretischer Hintergrund:
Auch mit kolloid dispersen Systemen in Form flüssiger Aerosole lässt sich Geld verdienen. Fünf Liter Nebelfluid, eine Mischung aus Wasser und Propylenglycol, kosten
zwischen 10 und 20 Euro64. Nebelmaschinen, in welchen Nebelfluid zu Kunstnebel
verarbeitet wird, werden in Discotheken und bei diversen Events sowie im Fernsehen
eingesetzt.
Mit Nebel wird aber auch indirekt Geld verdient, beispielsweise in Form von Zusatzscheinwerfern am Auto. Die Entstehung des Nebels selbst beruht auf physikalischen
Prozessen. In der Natur kommt der Nebel vor allem in der Nähe von Flüssen und Seen
vor, dort wo warmer Wasserdampf abkühlt. Kühlt die warme Luft ab, kann sie weniger Wasserdampf (H2O(g)) speichern. Es kommt zur Tröpfchenbildung. Da sich das
Licht in den winzigen Wassertropfen bricht, sinkt mit der steigenden Dichte der Tropfen auch die Sichtweite ab.
Methodisch-didaktische Analyse:
Einordnung in den Lehrplan:
Aggregatzustände und Ihre Übergänge werden in der Schule in der 7. Klasse gelehrt 65.
In diesem Zusammenhang sollen die Schüler die Begriffe Schmelzen und Sieden aber
auch Erstarren und Kondensieren kennenlernen. Die meisten dieser Termini sind den
Schülern bekannt. Der obige Versuch kann jedoch auch dazu genutzt werden, das Sublimieren eines Stoffs zu veranschaulichen. Dies ist verbindlicher Unterrichtsbestandteil in der 7. Klasse.
Aufwand:
Der Versuch benötigt praktisch kaum Vorbereitungen und ist sehr zeitsparend. Um
heißes Wasser zur Verfügung zu stellen und die übrigen Materialien bereitzustellen
werden etwa 3 min benötigt. Bei Einsatz einer Nebelmaschine muss eine Aufwärmzeit
von etwa 20 min berücksichtigt werden. Die Durchführung kann unterschiedlich lang
gehandhabt werden. Der Versuch kann nach einer Minute beendet werden, der Effekt
kann aber solange beobachtet werden, bis das gesamte Trockeneis sublimiert ist. Es
gibt bei diesem Versuch keine Entsorgung.
Durchführung:
Der Versuch funktioniert immer und eignet sich vor allem dank seiner Anschaulichkeit gut für den Schulunterricht. Das Problem im praktischen Schulalltag besteht darin
das Trockeneis zu organisieren. Dieses Problem kann durch den Einsatz einer Nebelmaschine umgangen werden. Jedoch ist zu bedenken, dass an den Schulen in der Regel keine Nebelmaschinen vorhanden sind, dass in einer Nebelmaschine keine Sublimation stattfindet und dass sich eine Nebelmaschine nicht zum Einsatz in Schülerversuchen eignet. Der auch im Lehrerversuch gut sichtbare Effekt wird in einer Durchführung als Schülerversuch interessanter und einprägsamer.
30
9 Feste Emulsion
9.1 Demonstration: Opale
Chemikalien
Opal
Summenformel
SiO2 ∙ nH2O
Verwendbar
nach HessGiss
SI
Menge
R-Sätze
S-Sätze
-
-
Gefahrensymbole
-
Geräte: Versuchsaufbau: Durchführung: Beobachtung:
Die Opale weisen im Inneren ein opaleszierendes Muster auf, welches sich je nach Lichteinfall verändert und Betrachtungswinkel verändert.
Das Farbspektrum der Opaleszenz reicht dabei
von violett-blau bis grünlich gelb.
Abbildung 23: Opale mit grünlicher und
bläulicher Opaleszenz
Entsorgung: Auswertung:
Der Opal ist ein amorphes Mineral der Zusammensetzung SiO2 ∙ nH2O. Das Wasser,
welches kolloidal in das Mineral eingelagert ist, kann in einem Anteil von bis zu 6%
einnehmen66. Die kolloidalen Wassereinschlüsse sind für das Schillern, die Opaleszenz, verantwortlich. Das schillern basiert dabei auf Interferenz, die an den Wassereinschlüssen entsteht67.
Theoretischer Hintergrund:
Der Name Opal hat seinen Ursprung im Altindischen Wort „upala“, was mit Stein zu
übersetzen ist. Aus der griechischen Bezeichnung „opallios“ stammt das heute gebräuchliche Wort Opal. Die Opale werden heute hauptsächlich in Australien (Coober
Pedy), Mexiko den USA und Brasilien abgebaut. Im 19. Jahrhundert war auch Ungarn
für seine Opale berühmt68.
Der Opal ist chemisch gesehen ein Verwandter des Quarzes, da er ebenfalls aus Siliziumdioxid besteht. Allerdings ist die Kristallstruktur des Opals nicht wie bei Quarz,
sondern amorph. Die Entstehung der Opale beruht dabei auf Gesteinsverwitterungen
im Tertiär. Die dabei freiwerdende Kieselsäure sammelte sich in tiefer liegenden
Hohlräumen. Polykondensation führten zunächst zur Bildung eines Gels, welches sich
im Laufe der Zeit weiter verhärtete69.
Technisch findet Opalgestein keine Anwendung, da es sich um ein sehr weiches Mineral handelt. Als Schmuckstein ist er hingegen in einigen Ländern dieser Erde sehr
beliebt. (In Deutschland wird er als Unglücksstein betrachtet). Je ausgeprägter die
Opaleszenz, desto teurer ist dabei der Stein. Allerdings ist der Opal vor Wärme zu
schützen, da die Wassereinlagerungen durch feine Risse verdunsten können. Der Opal
verliert dadurch seine Opaleszenz und wird wertlos. Dieser Vorgang wird auch als
Opalalterung bezeichnet.
31
Methodisch-didaktische Analyse:
Einordnung in den Lehrplan:
Opale und Opaleszenz sind im Hessischen Lehrplan nicht als Thema vorgesehen. Silicium kann unter dem Aspekt Werkstoffe als Wahlthema in der Angewandten Chemie
in der 12. Klasse sowohl im Grund- als auch im Leistungskurs behandelt werden.70
Opale könnten als Exkurs kurz in diesem Zusammenhang besprochen werden. Opale
können aber auch in der 7. Klasse im Bereich der Stofftrennung behandelt werden,71
da durch Erhitzen mittels Bunsenbrenner das Wasser aus den Opalen entweicht und
diese ihre Opaleszenz verlieren.
Aufwand:
Für die Betrachtung von Opalen ist keine Vorbereitung und keine Entsorgung von Nöten. Die Betrachtung und die Beobachtung der Opaleszenz nimmt eine halbe Minute in
Anspruch.
Durchführung:
Opale sind in den schulischen Sammlungen meist nicht vorhanden, daher sollte bei einem ortsansässigen Juwelier nach Opal-Bruchstücken gefragt werden. Die Opale können durch die Reihen gegeben werden, sodass der Effekt von allen Schülern gut gesehen werden kann.
32
Literaturverzeichnis
1
ChiuZ, 2004, 38, S. 25.
ChiuZ, 2004, 38, S. 25 und PdN-ChiS 7/55, 2006. S. 19.
3
ChiuZ, 2004, 38, S. 25.
4
ChiuZ, 2004, 38, S. 25.
5
PdN-ChiS 7/55, 2006. S. 34.
6
http://deposit.ddb.de/cgi-bin/dokserv?idn=981656757&dok_var=d1&dok_ext=pdf&filename=981656757.pdf
(Letzter Zugriff: 31.03.2010)
7
http://deposit.ddb.de/cgi-bin/dokserv?idn=981656757&dok_var=d1&dok_ext=pdf&filename=981656757.pdf
(Letzter Zugriff: 31.03.2010)
8
www.chem.uni-potsdam.de/.../Vorlesung%20Kolloidchemie%20I%20(V10).ppt (Letzter Zugriff: 31.03.2010)
9
http://www.diss.fu-berlin.de/diss/servlets/MCRFileNodeServlet/FUDISS_derivate_000000000384/
12_kap10.pdf;jsessionid=7C18B00EC0A2C58BA31301EF1710C69E?hosts= (Letzter Zugriff: 31.03.2010)
10
PdN-ChiS, 7/55, 2006, S. 2.
11
http://www.rechtsklick.org/alt/online_lesen/Jahresarbeit_Komplett-img3.png (Letzter Zugriff: 10.08.2009).
12
PdN-ChiS, 7/55, 2006, S. 2.
13
www.fmf.uni-freiburg.de/ueber_uns/zeittafel/sci.../download (Letzter Zugriff: 10.08.2009).
14
http://sundoc.bibliothek.uni-halle.de/diss-online/08/08H171/t5.pdf, S .1. (Letzter Zugriff: 10.08.2009).
15
http://de.wikipedia.org/wiki/Goldpurpur (Letzter Zugriff: 10.08.2009).
16
www.fmf.uni-freiburg.de/ueber_uns/zeittafel/sci.../download (Letzter Zugriff: 10.08.2009).
17
http://www.geo-reisecommunity.de/bild/regular/140601/Sevilla-Kathedrale.jpg (Letzter Zugriff: 7.06.2009).
18
www.fmf.uni-freiburg.de/ueber_uns/zeittafel/sci.../download (Letzter Zugriff: 10.08.2009).
19
www.fmf.uni-freiburg.de/ueber_uns/zeittafel/sci.../download (Letzter Zugriff: 10.08.2009).
20
PdN-ChiS, 7/55, 2006, S. 3f.
21
Lehrplan Chemie, Gymnasialer Bildungsgang, Hessisches Kultusministerium, Wiesbaden 2005, S. 29.
22
Lehrplan Chemie, Gymnasialer Bildungsgang, Hessisches Kultusministerium, Wiesbaden 2005, S. 31.
23
PdN-ChiS, 7/55, 2006, S. 2.
24
PdN-ChiS, 1/55, 2006, S. 33.
25
PdN-ChiS, 1/55, 2006, S. 33 u. 35.
26
Lehrplan Chemie, Gymnasialer Bildungsgang, Hessisches Kultusministerium, Wiesbaden 2005, S. 20, 29 –
31, 47 u. 50.
27
Lehrplan Chemie, Gymnasialer Bildungsgang, Hessisches Kultusministerium, Wiesbaden 2005, S. 20.
28
Holleman, A. F., Wiberg, N., Lehrbuch der Anorganischen Chemie, 102. Auflage, Walter de Gruyter, Berlin
2007, S. 167.
29
Holleman, A. F., Wiberg, N., Lehrbuch der Anorganischen Chemie, 102. Auflage, Walter de Gruyter, Berlin
2007, S. 167.
30
PdN-ChiS, 7/55, 2006, S. 20 u. 25f.
31
http://www.tobias-hanhart.de/Referate/Lacke/Lacke.html#_Toc432056454 (Letzter Zugriff 21.08.2009).
32
http://www.grieder.ch/resources/OekoslofeFlyer.pdf (Letzter Zugriff 21.08.2009).
33
Lehrplan Chemie, Gymnasialer Bildungsgang, Hessisches Kultusministerium, Wiesbaden 2005, S. 20, 29 - 31.
34
Lehrplan Chemie, Gymnasialer Bildungsgang, Hessisches Kultusministerium, Wiesbaden 2005, S. 47 u. 50.
35
Voigt, R., Pharmazeutische Technologie, 7. Auflage, Berlin 1993, S. 448.
36
Voigt, R., Pharmazeutische Technologie, 7. Auflage, Berlin 1993, S. 447f.
37
Herstellung der kolloidalen Berliner Blau Lösung siehe Kapitel 5.1 Versuch: Fällung von Kolloiden.
38
Versuchsdurchführung nach: PdN-ChiS, 7/55, 2006, S. 22.
39
http://elib.uni-stuttgart.de/opus/frontdoor.php?source_opus=3325 (Letzter Zugriff 13.10.2009).
40
Lehrplan Chemie, Gymnasialer Bildungsgang, Hessisches Kultusministerium, Wiesbaden 2005, S. 12.
41
PdN-ChiS, 7/55, 2006. S. 18.
42
PdN-ChiS, 7/55, 2006. S. 20 u. 22.
43
http://www.springerlink.com/content/n402270751664711/fulltext.pdf (Letzter Zugriff 14.10.2009) u.
http://www.oewav.at/upload/medialibrary/Kreuzinger_-_Flockungshilfsmittel.pdf (Letzter Zugriff 14.10.2009).
44
Lehrplan Chemie, Gymnasialer Bildungsgang, Hessisches Kultusministerium, Wiesbaden 2005, S. 19 u. 25.
45
Lehrplan Chemie, Gymnasialer Bildungsgang, Hessisches Kultusministerium, Wiesbaden 2005, S. 43 - 46.
46
Versuchsdurchführung nach: PdN-ChiS, 1/55, 2006. S. 35.
47
http://de.wikipedia.org/wiki/Berliner_Blau (Letzter Zugriff 17.10.2009).
48
http://www.friedrich-verlag.de/pdf_preview/d510020_2021.pdf (Letzter Zugriff 16.10.2009).
49
http://www.kgu.de/zpharm/allg/KursToxikoluVergiftungen.pdf (Letzter Zugriff 16.10.2009).
2
33
50
Lehrplan Chemie, Gymnasialer Bildungsgang, Hessisches Kultusministerium, Wiesbaden 2005, S. 43 u. 45.
Lehrplan Chemie, Gymnasialer Bildungsgang, Hessisches Kultusministerium, Wiesbaden 2005, S. 29 u. 30.
52
List, P. H., Arzneiformenlehre, Ein Lehrbuch für Pharmazeuten, 4. Auflage, Stuttgart 1985, S. 298.
53
List, P. H., Arzneiformenlehre, Ein Lehrbuch für Pharmazeuten, 4. Auflage, Stuttgart 1985, S. 298.
54
PdN-ChiS, 7/55, 2006. S. 16.
55
Holleman, A. F., Wiberg, N., Lehrbuch der Anorganischen Chemie, 102. Auflage, Walter de Gruyter, Berlin
2007, S. 1257.
56
Holleman, A. F., Wiberg, N., Lehrbuch der Anorganischen Chemie, 102. Auflage, Walter de Gruyter, Berlin
2007, S. 1257.
57
Holleman, A. F., Wiberg, N., Lehrbuch der Anorganischen Chemie, 102. Auflage, Walter de Gruyter, Berlin
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http://de.wikipedia.org/wiki/Ytong (Letzter Zugriff 04.06.2009).
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http://www.xella.com/html/com/de/presse_mitteilungen.php?press_id=524&submit=show_press_item (Letzter
Zugriff 04.06.2009).
61
Lehrplan Chemie, Gymnasialer Bildungsgang, Hessisches Kultusministerium, Wiesbaden 2005, S. 25.
62
Lehrplan Chemie, Gymnasialer Bildungsgang, Hessisches Kultusministerium, Wiesbaden 2005, S. 29.
63
Holleman, A. F., Wiberg, N., Lehrbuch der Anorganischen Chemie, 102. Auflage, Walter de Gruyter, Berlin
2007, S. 35.
64
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Lehrplan Chemie, Gymnasialer Bildungsgang, Hessisches Kultusministerium, Wiesbaden 2005, S. 12.
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67
http://de.wikipedia.org/wiki/Opaleszenz (Letzter Zugriff: 23.10.2009).
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69
http://www.beyars.com/de_opale-entstehen.html (Letzter Zugriff: 21.10.2009).
70
Lehrplan Chemie, Gymnasialer Bildungsgang, Hessisches Kultusministerium, Wiesbaden 2005, S. 48.
71
Lehrplan Chemie, Gymnasialer Bildungsgang, Hessisches Kultusministerium, Wiesbaden 2005, S. 12.
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