ppt - ChidS

Metalloxide
Experimentalvortrag AC
WS 2007/08
Angela Herrmann
Gliederung
1. Allgemeines
2. Darstellung
3. Verwendung
4. Schulrelevanz
2
1. Allgemeines
4
1. Allgemeines
Natürliches Vorkommen:
• Magnetit (Fe3O4), Roteisenstein (Fe2O3)
• Pyrolusit (MnO2), Hausmannit (Mn3O4)
Roteisenstein
• Rutil (TiO2)
• Massicotit (PbO)
Pyrolusit
• Cuprit (Cu2O)
Cuprit
• Tonerde (Al2O3)
• Zinnstein (SnO2)
Saphir
5
1. Allgemeines
Eigenschaften:
• Sehr unterschiedlich
• Manche Metalloxide reagieren in wässriger Lösung
basisch:
CaO (s) + H2O
Ca(OH)2 (s)
Ca2+(aq) + 2 OH-(aq)
• Metalle der Nebengruppen können verschiedene Oxide
ausbilden, aufgrund der Oxidationsstufen
+1
+2
Bsp.: CuO2 und CuO
6
1. Allgemeines
Versuch 1
Deutschlandfahne - chemisch
7
1. Allgemeines
Versuch1
Versuch 1: Deutschlandfahne - chemisch
Blei(IV) wird durch das Erhitzen stufenweise reduziert:
+4
• Stufe I: 3 PbO2 (s)
schwarz
+2/+4
• Stufe II: 2 Pb3O4 (s)
+2/+4
Pb3O4 (s) + O2 (g) ↑
rot
+2
6 PbO (s) + O2 (g) ↑
gelb
8
1. Allgemeines
Versuch 1
Bleioxide und ihre Verwendung
Pb3O4 (Mennige)
• Orangerot bis leuchtend rot
• Früher als Rostschutzmittel
(Anstrich von Schiffen) verwendet
Mennige
9
1. Allgemeines
PbO (Bleiglätte):
• Gelb
• Für Bleigläser
• Früher auch als Farbe verwendet
Massicotit (PbO)
PbO2:
• Schwarzbraun
• Bleiakkumulator
• Früher in Streichholzzündköpfen
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2. Darstellung
2. Darstellung
Darstellungsarten:
1.
Thermische Zersetzung von Carbonaten
2.
Aus den Metallen mit Hilfe von Oxidationsmitteln
3.
Aus Metallsalzen
4.
Durch Reinigung natürlicher vorkommender
Metalloxide
5.
Aus den Metallen durch Verbrennung an der Luft
6.
Durch Entwässern der Hydroxide
12
1. Allgemeines
1. Darstellung aus Carbonaten:
•
Durch Erhitzen von Ca(CO3) (Kalk) erhält man CaO
(gebrannter Kalk):
Ca(CO3) (s)
•
CaO (s) + CO2 (s)
Reaktion in Wasser zu Ca(OH)2 (gelöschter Kalk):
CaO (s) + H2O
Ca(OH)2 (s)
13
1. Allgemeines
• Gelöschter Kalk wird für Luftmörtel verwendet: Sand,
Ca(OH)2 und Wasser werden gemischt
•
Ca(OH)2 reagiert mit dem Luft-Kohlendioxid zum
Carbonat:
Ca(OH)2 (aq) + CO2 (g)
Ca(CO3) (s) + H2O
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1. Allgemeines
Demo 1
Luftmörtel
15
2. Darstellung
2. Darstellung aus Metallen mit Oxidationsmitteln:
Versuch 2
Berger Mischung
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2. Darstellung
Versuch 2
Reaktionsgleichungen:
Startreaktion:
NH4Cl (s) + H2O
0
+1
Zn (s) + 2 H3O+ (aq)
NH3 (g) + H3O+(aq) + Cl-(aq)
+2
+1
0
Zn2+(aq + 2 H2O + H2 (g) ↑
∆H << 0
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2. Darstellung
Versuch 2
Hauptreaktionen:
0
+2
Oxidation 1: Zn (s)
Zn2+(aq) + 2 e-
-3
Oxidation 2: 2 NH4+(aq)
0
N2 (g) + 8 H+(aq) + 6 e-
+5
Reduktion: 2 NO3-(aq) + 10 e-
Gesamt: Zn (s) + NH4(NO3) (aq)
0
N2 (g) + 6 O2-
Komproportionierung
ZnO (s) + N2 (g) + 4 H2O
18
2. Darstellung
Demo 2
Wunderkerzen
19
2. Darstellung
Demo 2
Reaktionsgleichungen:
• Bariumnitrat dient als Oxidationsmittel/Sauerstofflieferant
+5
-2
0
• 2 Ba(NO3)2 (s)
0
2 BaO (s) + 2 N2 (g) + 5 O2 (g)
• Die Metalle verbrennen mit Sauerstoff zu den
entsprechenden Oxiden:
0
0
• 4 Al (s) + 3 O2 (g)
0
0
• 2 Mg (s) + O2 (g)
+3
-2
2 Al2O3 (s)
+2
(Eisen analog)
-2
2 MgO (s)
20
2. Darstellung
3. Aus Metallsalzen:
Versuch 3
Chemischer Vulkan
Kilauea-Ausbruch 1983
21
2. Darstellung
Versuch 3
Reaktionsgleichungen:
-3
Oxidation: 2 NH4+
+6
Reduktion: Cr2O72- + 6 e-
Gesamt: (NH4)2Cr2O7 (s)
0
N2 + 8 H+ + 6 e+3
Cr2O3 + 4 O2-
Cr2O3 (s) + N2 (g) + 4 H2O
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2. Darstellung
Feuerwerk:
• Diese Darstellungen sind sehr exotherm
• Nutzt man für Feuerwerk aus
• Metalloxide werden dabei auch selbst als
Oxidationsmittel verwendet (z.B. CuO; früher auch PbO2)
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2. Darstellungsarten
Geschichtliches zum Feuerwerk:
• Anfänge durch Entdeckung des Schießpulvers in China
während der Hau-Dynastie (25 – 250 n. Chr.)
• In der Sung-Zeit (960 – 1279) gibt es die ersten Raketen
• Ende des 13. Jahrhunderts Überlieferung nach Europa
• Blütezeit des Feuerwerks in der Barock-Zeit
• 1838 erste Feuerwerksfirma in Deutschland
24
2. Darstellung
4. Darstellung von Titandioxid:
Sulfat-Verfahren:
• Als Ausgangstoff dienen Ilmenit (FeTiO3) oder Titanschlacke
• Wird mit konz. Schwefelsäure aufgeschlossen
• Zugabe von Eisenschrott (Fe2+)
25
2. Darstellung
Fortsetzung:
• Nach Abkühlen kristallisiert Eisensulfat aus (FeSO4∙7H2O)
• Rest: Eisenfreies Titanylsulfat (TiOSO4 (aq))
• Durch Erhitzen erhält man Titandioxid-Hydrat und
verdünnte Schwefelsäure
• Im Drehofen entsteht je nach Temperatur Anatas oder
Rutil
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2. Darstellung
Chlorid-Verfahren:
• Ausgangsstoff: Titanschlacke (verunreinigtes Rutil)
• Umsetzung mit Koks und Chlor zu Titanchlorid (TiCl4):
TiO2 (s) + 2 C(s) + Cl2 (g)
TiCl4 (l) + 2 CO (g)
• Reinigung durch Destillation: TiCl4 (l)
TiCl4 (g)
• Reaktion mit Wasserdampf oder Sauerstoff zu Rutil:
TiCl4 (g) + H2O (g)
TiO2 (s) + 4 HCl (g)
TiCl4 (g) + O2 (g)
TiO2 (s) + 2 Cl2 (g)
27
3. Verwendung
3. Verwendung
Titandioxid – wo nutzt man es?
•
•
•
•
•
•
Anstrichfarbe
Zahnpasta
Kunststoffe
Papier
Keramik
Salami
29
3. Verwendung
Versuch 4
Nachweis von Titandioxid
30
3. Verwendung
Versuch 4
Reaktionsgleichungen:
• TiO2 (s) + K2S2O7 (s)
• TiOSO4 (s) + 5 H2O
∆
TiOSO4 (s) + K2SO4 (s)
[Ti(OH)2(H2O)4]2+(aq) + SO42-(aq)
• [Ti(OH)2(H2O)4]2+(aq) + H2O2 (aq)
[Ti(O2)(OH)(H2O)3]+(aq) + 2 H2O + H+ (aq)
orangegelb
31
3. Verwendung
Versuch 4
Titanperoxokomplex:
+
O
O
HO
H2O
Ti
OH2
H2O
32
3. Verwendung
Versuch 5
Aluminothermie
33
3. Verwendung
Versuch 5
Aufbau:
Wunderkerze umwickelt
mit Mg-Band
BaO2 & Mg-Pulver
Fe2O3 & Al-Grieß
Filterpapier
34
2. Darstellung
Versuch 5
Reaktionsgleichungen:
0
Oxidation:
+3
Al3+ + 3 e-
Al (s)
+3
0
Reduktion: Fe3+ + 3 e-
Fe (s)
Gesamt: Al (s) + Fe2O3 (s)
Fe (s) + Al2O3 (s)
Die Mischung aus Bariumperoxid und Magnesium
dient als Zündung:
-1
0
BaO2 (s) + Mg (s)
-2
+2
-2
BaO (s) + MgO (s)
∆H << 0
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3. Verwendung
Geschichtliches:
• Erfinder der Aluminothermie
war Hans Goldschmidt (1861-1923)
Hans Goldschmidt
• Entwickelte das Verfahren weiter
um Schienenstränge zu verschweißen (Thermitschweißverfahren)
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3. Verwendung
• Bei der Patentanmeldung (1895):
Patentbeamter: „Sehen Sie, Herr Doktor, Sie zünden das
Gemisch an und es brennt weiter, das ist
doch keine Erfindung; wenn Sie eine
Zigarre anzünden, brennt sie auch
weiter.“
Goldschmidt: „Nur kann man mit einer brennenden
Zigarre keine Schienen schweißen.“
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3. Verwendung
Industrielle Eisendarstellung
• Großtechnisch wird Eisen im Hochofenprozess aus
Eisen(III)oxid dargestellt
• Dabei wird Eisen(III)oxid durch Kohlenstoff reduziert
Arbeiter vor flüssigem Eisen
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Aufbauschema eines Hochofens
39
3. Verwendung
Reaktionsgleichungen des Hochofenprozess:
+3
400 °C:
700 °C:
+2/+3
+4
3 Fe2O3 (s) + CO (g)
2 Fe3O4 (s) + CO2 (g)
+2/+3
+2
+2
Fe3O4 (s) + CO (g)
0
1200 °C:
+2
FeO (s) + CO2 (g)
+4
+2
C (s) + CO2 (g)
+2
+2
FeO (s) + CO (g)
0
+4
0
1600-2300 °C: 2 C (s) + O2 (g)
2 CO (g)
0
+4
Fe (l) + CO2 (g)
+2 -2
2 CO (g)
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3. Verwendung
Stromquellen:
• Primärelement: Strom durch Redoxreaktion der
Elektrodensubstanzen – keine Aufladung möglich
• Sekundärelement: Strom durch Redoxreaktion der
Elektrodensubstanzen – Aufladung möglich
• Brennstoffzelle: Der Brennstoff wird den Elektroden
kontinuierlich zugeführt
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3. Verwendung
Geschichte der Batterie:
• Schon bei Ägyptern (ca. 2300 v. Chr.)
und Parthern (ca. 250 v. Chr.)
vorhanden?
„Bagdad-Batterie“
• 1800: Volta baut die „Voltasche Säule“
Voltasche
Säule
42
3. Verwendung
• 1802: „Rittersche Säule“ –
erster Akkumulator
Johann Wilhelm Ritter
• 1836: Daniell-Element – Nutzung für Telegrafen
• 1860: Entwickelt Leclanché die Zink-Braunstein-Zelle –
wird später zur Trockenzelle weiterentwickelt
43
3. Verwendung
Ein Primärelement
Versuch 6
Leclanché-Element
Georges Leclanché
44
Aufbau eines Leclanché-Elements:
Abdichtung
Kohlestift
Mangandioxid
Zink
Elektrolyt NH4Cl
45
3. Verwendung
Versuch 6
Kathode (Graphitelektrode):
+4
+3
2 MnO2 (s) + 2 H2O + 2 e-
2 MnO(OH) (s) + 2 OH-
Anode (Zinkblech):
0
Zn (s)
+2
Zn2+(aq) + 2 e-
Elektrolyt (NH4Cl):
2 NH4Cl (aq) + 2 OH- + Zn2+(aq)
Zn(NH3)2Cl2 (s) + 2 H2O
Gesamt:
2 MnO2 (s) + Zn (s) + 2 NH4Cl (aq)
2 MnO(OH) (s) +
Zn(NH3)2Cl2 (s)
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3. Verwendung
Sekundärelement – der Bleiakkumulator
• 1859 von Planté entwickelt
• Verwendung als Autobatterie
• Blei- und Bleidioxidelektrode
• Elektrolyt: 20 %-ige Schwefelsäure
• Ladungszustand kann durch
Dichtemessung ermittelt
werden
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3. Verwendung
Reaktionen des Bleiakkumulators:
Negative Elektrode:
0
Pb (s) + SO4-(aq)
+2
PbSO4 (s) + 2 e-
Positive Elektrode:
+4
+2
PbO2 (s) + SO4-(aq) 4 H3O+(aq) + 2 eGesamt:
Pb (s) + PbO2 (s) + 2 H2SO4 (aq)
PbSO4 (s) + 2 H2O
Entladung
Ladung
2 PbSO4 (s) + 2 H2O
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3. Verwendung
Glas:
• Hauptbestandteil: SiO2 – bildet Netzwerk mit [SiO4]Tetraedern (Nahordnung)
• Basische Oxide (wie Na2O, K2O, CaO) bilden
Trennstellen (Trennstellenbildner)
• Al2O3, B2O3 sind Netzwerkbildner
• Metalloxide der Nebengruppen sorgen für die Färbung
von Glas
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3. Verwendung
Demo 3
Demo 3
Farbiges Glas
Rosettenfenster in Carcassonne
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3. Verwendung
Demo 3
• Oxidfärbung
Beimischung Metalloxid
FeO
CoO
MnO2
Fe2O3
CuO
Cr2O3
Farbe
Grün
Blau
Violett
Gelbbraun
Blaugrün
Smaragdgrün
51
3. Verwendung
Demo 3
• Anlauffärbung durch kolloidale Metalle (z.B. Rubinglas
mit Gold)
Pokal
aus
Rubinglas
• Milchglas durch Einlagerung kleiner fester Teilchen (z.B.
SnO2)
Tasse
aus
Milchglas
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4. Schulrelevanz
4. Schulrelevanz
Lehrplan (Hessen G8):
• G7.2:
– Reaktionen von Metallen (und Nichtmetallen) mit Luft
(Sauerstoff)
– Umkehrung der Oxidbildung – Metallgewinnung aus
Erzen
• G8.1:
– Oxidationszahlen
• G10.1:
– Redoxreaktionen
– Elektrochemische Spannungsquellen
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Vielen Dank!
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