Seminar: Präparate

Seminar:
Präparate
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1. Reinigung und Trennung von Verbindungen
1.1 Reinigung von Flüssigkeiten:
• Destillation
– Eine flüssige Stoffmischung wird verdampft
– Komponenten verflüchtigen sich in der Reihenfolge ihrer
Siedepunkte
– Anschließende Kondensation
– Komponente mit dem niedrigeren Siedepunkt ist im Dampf
angereichert, diese Zusammensetzung der Gasphase bliebt im
Kondensat erhalten
– Destilliert man das Kondensat erneut, wird eine weitere
Auftrennung des Gemisches erreicht
 fraktionierte Destillation
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– Zum schnellen Abdestillieren größerer Mengen an Lösemittel
wird ein Rotationsverdampfer verwendet
– Der rotierende Destillationskolben verhindert zum einen
Siedeverzug, zum anderen bildet sich ein dünner
Flüssigkeitsfilm, der rasch verdampft und sich ständig wieder
erneuert
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• Extaktion
– Herauslösen eines oder meherer Stoffe aus
einem festen Gemisch oder einer Lösung
– Gelöste Substanzen werden am einfachsten
durch Ausschütteln im Scheidetrichter
extrahiert
– Dieser enthält die Lösung und ein damit nicht
mischbares Extraktionsmittel.
– Die zu extrahierende Substanz verteilt sich
beim Schütteln gemäß dem Nernstschen
Verteilungsgesetz zwischen den beiden
Phasen.
– Nach Trennen der Phasen und Trocknen wird
das Extraktionsmittel verdampft
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1.2 Reinigung von Feststoffen:
• Kristallisation
– die wichtigste Reinigungsmethode für Feststoffe
– die verunreinigte Substanz wird in der Wärme in einem
geeigneten Lösemittel gelöst und heiß filtriert
– das Filtrat lässt man abkühlen, wobei die Substanz reiner
auskristallisiert
– Das Lösemittel ist so zu wählen, dass
• es keine chemische Reaktion mit der Substanz eingeht
• möglichst leicht zu entfernen ist
• sein Siedepunkt 10-20°C unter dem Schmelzpunkt der
Substanz liegt
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• Sublimation
Feste Stoffe können manchmal durch Sublimation gereinigt werden.
Dabei geht die Substanz direkt vom festen in den gasförmigen
Zustand über und wird aus dem Dampf durch Abkühlen als Feststoff
wieder abgeschieden.
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2. Polymere
• Unterscheidung in
– Organische Polymere: Aufbau der Kette ausschließlich über
Kohlenstoffatome
– Anorganische Polymere: Aufbau der Kette durch anorganische
Elemente wie Aluminium, Bor, Silicium, Phosphor ...
Bsp.: Silicone
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2.1. Organische Polymere
• 2.1.1. Synthese:
• Polykondensation
Definition:
Polykondensationen sind Reaktionen, bei denen Polykondensate
entstehen. Sie verlaufen in Stufen und unter Abspaltung von
Nebenprodukten (normalerweise Wasser)
Beispiel: (Poly)Esterbildung
(Reaktion einer Carbonsäure mit Alkohol)
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• Polyaddition:
Definition:
Analoge Reaktion wie Polykondensation nur ohne Abspaltung eines
Nebenprodukts, dafür Verschiebung von Atomen und
Elektronenpaaren
Beispiel:
Polyurethane (Reaktion eines Dialkohols mit Diisocyanat)
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• Radikalische Polymerisation:
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•
Kationische Polymerisation:
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2.1.2. Struktur organischer Polymere
• Taktizität (griech. Taxis = Anordnung)
Aus der tetraedrischen Anordnung um
das C-Atom ergibt sich eine gewinkelte
Abfolge der Atome:
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Aus dieser Zickzack-Anordnung ergeben sich drei Formen von
Taktizität:
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Folgen der Taktizität:
• Gleichmäßige Moleküle bilden leichter Kristalle
• Je kristalliner ein Kunststoff ist, desto härter und spröder ist er
Formbeständigkeit und Schmelzpunkt nehmen zu, da aufgrund der
gleichmäßigeren Anordnung der Moleküle zwischenmolekulare
Kräfte besser wirken können.
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• Copolymere
– Beeinflussung der Eigenschaften von Kunststoffen, indem man
verschiedene Kunststoffe mit unterschiedlichen Eigenschaften in einem
einzigen Kunststoff vereint.
– Unterscheidung in:
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• Vernetzung
Unvernetzte Kunststoffe werden schnell weich und schmelzen bei
niedrigen Temperaturen.
Eine Vernetzung erhöht die Festigkeit der Bindungen der einzelnen
Polymerstränge untereinander.
Vernetzung z.B
durch kovalente
Bindungen
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Einteilung von Kunststoffen in
• Thermoplasten,
– in der Regel kettenförmig und nur geringfügig vernetzt
– gehen in einem bestimmten Temperaturintervall von dem harten, festen,
spröden Zustand in einen plastischen über
– sind daher mechanisch verformbar
• Elastomere
– weimaschig vernetzte Polymere
– Können bereits bei Raumtemperatur durch Einwirken einer äußeren
Kraft stark gedehnt werden, gehen danach jedoch wieder in ihrer
ursprüngliche Form zurück.
• Duroplasten
– sehr engmaschig verknüpft
– bei Raumtemperatur hart und spröde
– schmelzen auch bei erhöhter Temperatur nicht und sind somit nicht
formbar, sondern zersetzen sich.
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Kleine Auswahl von „bekannten“ Polymeren
•
Polyethylen (PE)
aus Ethen
über radikalische Polymerisation
H
H
n C
H
C
C
H
C
*
H
H
H
*
C
H
H
C
H
H
H
n
Verwendung: Plastiküten, Eimer,
Gefrierbeutel, usw…
•
Ph
Polystyrol
aus Styrol
über radikalische Polymerisation
Ph
*
n
*
Ph
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Ph
n
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•
Praktikumsversuch
Radikalische Polymerisation von Acrylsäure zu Polyacrylsäureester
Start:
H2O2
2 HO
H
H
+
HO
H
C
C
OH
C
C
H
O
O
H
C
HO
C
OH
H
Acrylsäure
Kettenaufbau
H
C
HO
H
O
H
H
H
C
C
OH
H
C
OH
C
C
H
O
H
H H
C
C
HO
C
HOOC
H
H
H
H
O
H
C
H
OH
H
H
*
C
C
C
*
HOOC
C
C
H
C
H
HOOC
HOOC
H
n
Polyacrysäure
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• Neutralisation
H
H
H
H
H
H
H
*
C
C
C
HOOC
C
C
H
HOOC
H
H
H
H
*
NaOH
C
C
H
HOOC
H
C
C
*
H
NaOOC
n
C
C
H
NaOOC
C
H
NaOOC
H
n
Polyacrysäure
Polyacrylat
• Teilvernetzung der Einzelstränge zu einem 3D-Netzwerk durch sog.
Crosslinker
H
C
H2C
H
N
C
O
H
N
C
H2
H
C
C
CH2
O
N,N-Methylenbisacrylamid (MBA)
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• Verwendung von Polyacrylaten:
– Superabsorber
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2.2. Anorganische Polymere
• 1. Polyphosphazene
– Enthalten das Strukturelement
mit R = organische,
metallorganische oder anorganische Seitengruppe
– Dabei ist Wahl der Seitengruppe entscheidend für die chemische
Funktion
– Synthese von Polyphosphazenen
Cl
Cl
Cl
Cl
P
P
N
PCl5 + NH3 oder NH4Cl
P
Cl
N
P
P
N
Cl
N
+
-HCl
Cl
N
P
N
Cl
Cl
Cl
Cl
Cl
N
P
Cl Cl
+
(NPCl2)5
+
höhere Oligomere
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• Verwendung von Phosphazenen:
•
Poly(fluoroalkoxy)phosphazene der allgemeinen Formel
[NP(OCH2CF3)(OCH2(CF2)mCF2H)]n sind lösungsmittelresistente
Elastomere - Nutzung für Benzinleitungen, Dichtungsringe und andere
gegen Kohlenwasserstoffe resistente Bauteile
• feuerfeste Polyphosphazene werden zur Imprägnierung von
Textilfasern, für Hitze-, Strom- oder Schallisolatoren verwendet
•
Hydrogele zur kontrollierten Freisetzung von Pharmaka
•
Membranen
•
Biomaterialien - Herzklappen, Blutgefäße, chirurgische Fäden,
Kontaktlinsen
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• Bornitrid
– α-BN ist isoelektronisch zu Graphit
– Die Strukturen ähnlich sich (hexagonal),
jedoch liegen die Schichten beim BN
direkt übereinander
– Im Gegensatz zum Graphit besitzt es gute
isolatorische Eigenschaften, da es keine
freien Elektronen besitzt
– Bei 1600 – 2000°C, 5-9 GPa wandelt es sich
in das Kubische Bornitrid um.
Dieses kristalllierst im Diamantgitter und ist
nach Diamant das härteste Material
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• Synthese von Bornitrid
Erhitzen ortho-Borsäure mit Harnstoff (Quelle für NH3)
n B(OH)3 + n NH3
(BN)n + n H2O
• Verwendung von Bornitrid:
– Hexagonales Bornitrid wird als Festschmierstoff verwendet.
– Kubisches Bornitrid als Schneidewerkzeug und Schleifmittel
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• Polysiloxane (Silicone)
– Enthalten das Strukturelement
mit R = organische Seitengruppen
wie Methyl, Alkyl, Phenyl
– Synthese:
RSiCl3
RochowSynthese
6 RCl + 3Si
300-400°C
Cu-Kat
spontane
Kondensation
Hydrolyse
+ R2SiCl2
+ R3SiCl
R O
Si
O
+ R2Si(OH)2
+ R3SiOH
R R
R R
Si
R
RSi(OH)3
Si
O
O
Seminar: Präparate
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R
HO
Dabei dient
R
Si
– das Silanol als Kettenendgruppe
R
OH
HO
R
Si
– das Silandiol als Kettenglied
R
OH
– Das Silantriol als Verzweigungsstelle
HO
OH
Si
R
• durch geeignete Mischung kann der Polymerisationsgrad eingestellt
werden
• Je nach Mischungsverhältnis entstehen
– Siliconöle (flüssig): kettenförmige, nicht vernetzte Makromoleküle mit
mäßiger Kettenlänge
– Siliconkautschuk (gummiartig): gering vernetzte Ketten
– Siliconharze (fest, harzartig): stark vernetzte Siloxane
Seminar: Präparate
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• Anwendung von Silicon:
– Glas-/Keramikindustrie:Korrosionsschutz, Formentrennmittel,
Hydrophobierungsmittel
– Textilindustrie:
Faserhydrophobierung, Imprägnierung
– Papierindustrie:
Trennmittel, Reduktion von elektrostatischer Aufladung
– Bautenschutz:
Verringerung der Benetzung, Frostschutz, Staub und
Schmutzabweisung
– Getränkeindustrie:
Entschäumer, Glasvergütung
– Gummindustrie:
Formentrennmittel
– Landwirtschaft:
kontrollierte Freisetzung von Chemikalien
– Elektroindustrie:
elektrische Isolatoren, dielektrische Flüssigkeiten
– Medizin:
plastische Chirurgie (Prothesen,
Gesichtsrekonstruktionen),künstliche Organe, Röhren
und Katheder, künstliche Haut,Kontaktlinsen
– Pharmazie:
Bestandteil von Salbengrundlagen,
Hydrophobierungsmittel für Gläser, Arzneistoff,
Arzneifreisetzungssysteme
Seminar: Präparate
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3.Präparate
• 1. Silicate
O
– Salze der Kieselsäure, H4SiO4
O
O
Si
– in Silicaten hat Silicium die CN=4 und ist tetraedrisch
O
von Sauerstoff umgeben
– Die SiO4-Tetraeder sind nur über gemeinsame Ecken verknüpft, nicht
über Kanten oder Flächen
– Die Einteilung der Silicate erfolgt nach der Anordnung der SiO4Tetraeder:
• Inselsilicate:
– isolierte [SiO4]4- -Tetraeder, die durch Kationen miteinander verbunden sind
• Gruppensilicate:
– enthalten Doppeltetraeder [Si2O7]6-
• Ringsilicate:
–
–
–
–
Dreierringe [Si3O9]6- ;
Viererringe [Si4O12]8- ;
Sechserringe [Si6O18]12- ;
Achterringe [Si8O24]16Seminar: Präparate
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• Kettensilicate:
– Tetraeder zu unendlichen Ketten oder Bänder verknüpft; Ketten ordnen sich
paralell zueinander an
• Schichtsilicate:
– SiO4-Tetraeder sind über drei Ecken mit den Nachbartetraedern verknüpft; es
entstehen 2D unendliche Schichten
» Treten zwischen den Schichten nur Van-der-Waals-Kräfte auf, resultieren
weiche Mineralien mit leicht gegeneinander verschiebbaren Schicht
(Talk)
» Werden die Schichten durch Kationen zusammengehalten, wächst die
Härte, aber paralell zu den Schichten existiert gute Spaltbarkeit
(Glimmer)
• Gerüstsilicate:
– SiO4-Tetraeder sind über alle Ecken verknüpft
– Es entsteht ein dreidimensionales, lockeres Gerüst
– Unterscheidung in
» Feldspate
» Zeoltihe
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• Zeolithe
– kristalline, hydratisierte Alumosilicate
Si4+ teilweise durch Al3+ ersetzt
– die überschüssige negative Ladung wird durch Alkali- und
Erdalkalimetallionen ausgeglichen
– allg. Zusammensetzung von Zeolithe
(Me+, Me2+0,5)x(AlO2)x(SiO2)y(H20)z
– in der Struktur existieren große Hohlräume, die durch kleinere Kanäle
verbunden sind
– in den Hohlräumen befinden sich die Metallionen und H2O-Moleküle
– die Metallionen können leicht ausgetauscht werden, da sie nicht
festgebunden sind
– durch gezielte Synthese können Zeolithe mit unterschiedlich großen
Hohlräumen und Kanälen hergestellt werden
Seminar: Präparate
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• Struktur verschiedener Zeolithe
Struktur
Durchmesser der
Hohlräume
Durchmesser der
Kanäle
660ppm
220ppm
1140ppm
420ppm
1270ppm
720ppm
Sodalith
Zeolith A
Faujasit
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• Verwendung von Zeolith:
– Ionenaustauscher
z.B. Wasserenthärtung
In den Hohlräumen enthaltene Na+ - Ionen können durch Ca2+
ausgetauscht werden.
Na-Zeolith A erstetzt umweltschädliche Phosphate in Waschmitteln
– Adsorption
da nur Moleküle adsorbiert werden können, die in die Kanäle passen,
können Moleküle unterschiedlicher Größe getrennt werden
Molekularsiebe
– Katalyse
auf der inneren Oberfläche können katalytisch aktive Zentren eingebaut
werden (z.B. –COOH, Pd, Pt)
z. B Isomerisierung von n- zu iso-Paraffinen
Seminar: Präparate
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• 2. Pigmente
– Pigmente sind feinteilige Farbträger, die in Löse- oder Bindemitteln
praktisch unlöslich sind und somit als sehr kleine Kristalle vorliegen.
– Im Gegensatz zu den meist wasserlöslichen Farbstoffen sind Pigmente
immer wasserunlöslich und liegen in Form von sehr kleinen Kristallen
vor.
– Der Farbeindruck wird wesentlich durch Lichtstreuung an den
Pigmentteilchen beeinflusst. Je kleiner diese sind, um so höher ist die
Farbstärke des Pigments. Die Farbstärke ist das Maß für die Fähigkeit
eines Pigments, die Farbe eines anderen Stoffes zu verändern. Die
optimale Kristallgröße liegt zwischen 0,5 und 2 Mikrometer.
– Beispiel:
Thenards Blau, Rinnmanns Grün
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• 3. Gläser
– Gläser sind allgemein amorphe Festkörper, die aus einer Schmelz
durch Abkühlung ohne merkliche Kristallisation erstarren. Sie besitzen
keine scharfen Erstarrungstemperaturen, sondern einen
kontinuierlichen Transformationsbereich.
– Borsilicatglas ist ein Spezialglas der Zusammensetzung
70-80% SiO2
4- 8 % Na2O, K2O
7-13 % B2O3
2- 7 % Al2O3
– B2O3 bewirkt eine Erniedrigung des thermischen
Ausdehnungskoeffizienten, dadurch wird das Glas unempfindlicher
gegenüber Temperaturdifferenzen.Außerdem erhöht chemische
Resistenz gegen sauren Medien.
– Al2O3 verbessert Korrisionsverhalten und senkt die Sprödigkeit
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