Kolloide Und Nanopartikel Neu

18.10.08

Kolloide und Nanopartikel

Kamil Smolik Marco Ziegerick Christian Lüder

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Kolloide und Nanopartikel Inhaltsverzeichnis •

Kolloide 1.1. Einleitung 1.2. Einteilung und Eigenschaften von Kolloiden 1.3. Herstellung 1.4. Anwendung & Vorkommen

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Nanopartikel 2.1. Carbon Black 2.2. Fullerene & Nanotubes 2.3. Pyrogene Kieselsäure 2

Kolloide: Einleitung Definition  aus gr. kolla (=Leim) und eidos (=Form, Aussehen)  IUPAC 1971: mind. eine Dimension im Bereich von 1nm -1000nm  Molekulardisperse (<10 Å), kolloiddisperse (100-1000 Å), grobdisperse (>10000 Å) Systeme  Kolloidales System : disperse Phase, Dispersionsmittel  disperse Phase, Dispersionsmittel können Feststoff, Flüssigkeit, Gas sein  unscharfer Sammelbegriff, starre Definition unnötig restriktiv

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Thomas Graham  * 21.12.1805 in Glasgow  † 11. 09.1869 in London

Richard Zigmondy  * 01.04.1865 in Wien  † 23. 09.1929 in Göttingen  Nobelpreis 1925

Kolloide: Einleitung Größenordnung

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Kolloide: Einleitung Größenordnung Elektronenmikroskop: a) anorg. Kolloidnetzwerke b) Eisenkolloide c) org. Kolloid d) Tonkolloid  unter dem Lichtmikroskop nicht sichtbar

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Kolloide: Einteilung Kolloidale Systeme  Disperse Systeme  Makromolekulare Kolloide  Assoziationsmoleküle  Biologische Kolloide  Dreiphasen-Kolloidsysteme

Frisches Silicagel

Beispiele

Klasse

Disperse Phase

Dispersionsmittel

Nebel, Dunst

Flüssige Aerosole

Flüssigkeit

Gas

Rauch

Festes Aerosol

Feststoff

Gas

Milch, Butter, Mayonnaise, Salben

Emulsionen

Flüssigkeit

Flüssigkeit

Anorg. Kolloide (Gold, Farben, AgI)

Feststoff

Flüssigkeit

Silicagel

Sols oder kolloidale Dispersionen Xerogele

Phase kontinuierlich

Phase kontinuierlich

Schäume

Schaum

Gas

Flüssigkeit

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Kolloide: Einteilung Kolloidale Systeme  Disperse Systeme  Makromolekulare Kolloide  Assoziationsmoleküle  Biologische Kolloide  Dreiphasen-Kolloidsysteme Beispiele

Klasse

Disperse Phase

Dispersionsmittel

Gelees, Leim

Gelee

Makromoleküle

Lösungsmittel

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Kolloide: Einteilung Kolloidale Systeme  Disperse Systeme  Makromolekulare Kolloide  Assoziationsmoleküle  Biologische Kolloide  Dreiphasen-Kolloidsysteme Beispiele

Klasse

Disperse Phase

Dispersionsmittel

Wasser / Tenside

-

Micellen

Lösungsmittel

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Kolloide: Einteilung Kolloidale Systeme  Disperse Systeme  Makromolekulare Kolloide  Assoziationsmoleküle  Biologische Kolloide  Dreiphasen-Kolloidsysteme Beispiele

Klasse

Disperse Phase

Dispersionsmittel

Blut

-

Blutkörperchen

Serum

Knochen

-

Apatit

Kollagen

Muskeln, Zellmembranen

-

Proteinstrukturen

Dünne Lecithinfilme

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Kolloide: Einteilung Kolloidale Systeme  Disperse Systeme  Makromolekulare Kolloide  Assoziationsmoleküle  Biologische Kolloide  Dreiphasen-Kolloidsysteme Beispiele

Klasse

Koexistente Phasen

Erdölhaltiges Gestein

Poröses Gestein

Öl, Wasser

Mineralflotation

Mineral

Wasser, Luftblasen od. Öltröpfchen

Doppelemulsionen

Öl

Wässrige Phase, Wasser

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Kolloide: Eigenschaften Stabilität

(nach Staudinger) 11

Kolloide: Eigenschaften Stabilität  Schutzkolloide: hydrophile (lyophile) Kolloide, die hydrophobe (lyophobe) Kolloide umhüllen  Stabilisierende Effekte: elektrostatische Abstoßung, sterische Effekte Zerstörung der kolloiden Lsg. :  Erwärmung  Elektrolytzusatz (Schulze-Hardy-Regel)

Hydrophobes Kolloid (Arsentrisulfid) 12

Kolloide: Eigenschaften Faraday-Tyndall-Effekt John Tyndall  * 02.08.1820 in Irland  † 04. 12.1893 in Hindhead

 Links: echte Lösung  Rechts: kolloidale Lösung bzw. Sol Das Licht wird nur beim Sol gestreut!



Lichtquelle (z.B. Laserpointer)

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Kolloide: Eigenschaften FaradayTyndall-Effekt  Anwendung als „Goldrubinglas“  Lycurgus-Kelch aus dem Britischem Museum (4. Jh. n. Chr.)  Links: Auflicht  Rechts: Durchlicht

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Kolloide: Eigenschaften Thixotropie  Nicht-Newtonsches Fluid  Vorgang reversibel  Gegensätzliches Verhalten: Rheopexie

Joghurt

Ketchup

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Kolloide und Nanopartikel Inhaltsverzeichnis 3.

Kolloide 1.1. Einleitung 1.2. Einteilung und Eigenschaften von Kolloiden 1.3. Herstellung 1.4. Anwendung & Vorkommen

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Nanopartikel 2.1. Carbon Black 2.2. Fullerene & Nanotubes 2.3. Pyrogene Kieselsäure 16

Kolloide: Herstellung Mechanisches Verfahren Kolloidmühle

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Kolloide: Herstellung Chemische Verfahren Herstellung von Cassiusschem Goldpurpur (kolloidales Gold)

2 Au3+ + 3 Sn2+ + 6H2O  2 Au + 3 SnO2 + 12 H+

 Sehr empfindliche Reaktion, Nachweisgrenze = 0,01ppm! 18

Kolloide: Herstellung Chemische Verfahren Kieselsäure

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Kolloide: Herstellung Chemische Verfahren Sol - Gel - Alterung

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Kolloide: Herstellung Chemische Verfahren Kolloidales Antimon(III)-sulfid, Sb2S3

K+Sb3+[C4H2O6]4- + H2S „Kaliumantimon(III)-tartrat“



Sb2S3

+ K+3H+[C4H2O6]4-

„kolloidales Antimon(III)sulfid“

„ 2 Sb3+ + 3 S2-  Sb2S3 “

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Kolloide: Herstellung Stabilisierung: Dialyse  Verfahren, um Haltbarkeit von kolloidalen Lösungen zu erhöhen  Ein Dialysator (Membran) ist nur für niedermolekulare Stoffe durchlässig, nicht für Kolloide  Ionen werden somit aus dem Reaktionsgemisch entfernt  Verfahren abhängig von Temperatur, Viskosität und Konzentrationsgefälle  Beschleunigung durch elektrisches Feld möglich (Elektrodialyse)...

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Kolloide: Herstellung Stabilisierung: Elektrodialyse



Stapel aus Anionen- und Kationentauschermembranen



Anionen wandern zur Anode, Kationen zur Kathode



Ionen werden nur von Membran mit gleicher Ladung aufgehalten



Anreicherung der Ionen in Zellen mit „ungerader Nummerierung“

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Kolloide: Anwendung & Vorkommen Vorkommen in der Natur Milch (flüssig – flüssig)

fein verteilte Fetttröpfchen in der Milch Ø = 1-2 µm („homogenisiert“)

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Kolloide: Anwendung & Vorkommen Vorkommen in der Natur Lichtstreuung im Nebel (flüssig – gasförmig)

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(Ø = 10 - 40 µm)

Kolloide: Anwendung & Vorkommen Vorkommen in der Natur Rauch eines Streichholzes (fest – gasförmig)

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(Ø = 10 - 300 nm)

Kolloide: Anwendung & Vorkommen Vorkommen in der Natur Kolloidales Gold vs. Danziger Goldwasser

 Kolloid kein Kolloid 

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Kolloide: Anwendung & Vorkommen Anwendung Industrielle Aspekte Herstellung stabiler Kolloide

Einsatz kolloidaler Dispersionen in industriellen Verfahren

Nutzung kolloidaler Phänomene

Handhabung der Kolloide

Zerstörung unerwünschter Kolloide

Hauptanwendungen in der Industrie Farben, Tinten, pharmazeutische und kosmetische Präparate, Lebensmittel, Bohrschlämme, Farbstoffe, landwirtschaftliche Chemikalien, Schäume zur Brandbekämpfung Tonguss, Zement und Gips, Papierbeschichtung, Magnettonbänder, fotographische Produkte, Gasadsorber und Stützkatalysatoren, chromatographische Absorber, Membranherstellung Waschmittelherstellung, kapillare Phänomene ( Benetzung von Pulvern, verbesserte Ölrückgewinnung, Wechselwirkungen Wasser / Boden), Mineralflotation, Adsorption von Verunreinigungen, Rückgewinnung von Lösungsmitteln, elektrolytische Farbauftragung Rheologie (Pumpen von Dispersionen und Aufschlämmungen, Umrühren in Reaktoren), Klumpenbildung und Fließen von Pulvern Wasserreinigung, Verfeinern von Wein und Bier, Kläranlagen, Brechen von Ölemulsionen und Schäumen, Entwässerung von Klärschlämmen, Auflösen von Aerosolen und Dämpfen, Beseitigung von radiaktiven Abfällen

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Kolloide: Anwendung & Vorkommen Anwendung Rauchmelder Normale Atemluft streut praktisch kein Licht Licht einer Infrarotdiode wird am Rauch gestreut Licht trifft auf Photozelle Alarmauslösung

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Kolloide: Anwendung & Vorkommen Anwendung Lacke und Farben Feste Pigmentteilchen in einem Dispersionsmedium Nach dem Auftragen verdunstet das Dispersionsmedium Pigmentteilchen verbleiben auf Oberfläche

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Kolloide und Nanopartikel Inhaltsverzeichnis 3.

Kolloide 1.1. Einleitung 1.2. Einteilung und Eigenschaften von Kolloiden 1.3. Herstellung 1.4. Anwendung & Vorkommen

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Nanopartikel 2.1. Carbon Black 2.2. Fullerene & Nanotubes 2.3. Pyrogene Kieselsäure 31

Nanopartikel: Carbon Black Primärteilchen aus bis 1500 Kristalliten unbehandeltes Carbon Black besitzt flockiges Aussehen C-Gehalt um 95% Primärteilchen sind Annähernd kugelförmig Aggregate aus Ketten bzw. traubenförmig verzweigt Sehr große spezifische Oberfläche von 80-100m²/g

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Nanopartikel: Carbon Black Wichtigste Eigenschaften sind: Primärteilchengröße => spezifische Oberfläche Struktur (Verkettungs- bzw. Verzweigungsgrad der Primärteilchen) große Anzahl von Primärteilchen => hohe Struktur Kleine Aggregate => niedrige Struktur Aggregate bilden Agglomerate

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Nanopartikel: Carbon Black Herstellungsverfahren / Rohstoffe Chemischer Prozess Herstellungsverfahren Thermisch-oxidative Furnace Black Verfahren Spaltung

Rohstoffe Aromatische Öle auf Basis von Steinkohle, Erdöl oder Erdgas

Degussa Gas Black-Verfahren Steinkohlenteerdestilate

Thermische Spaltung

Lamp Black-Verfahren

Aromatische Öle auf Basis von Steinkohle oder Erdöl

Thermal Black-Verfahren

Erdgas (bzw. Öle)

Acethylen Black-Verfahren

Acethylen

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Nanopartikel: Carbon Black Furnace Black-Verfahren Primärteilchen von von 10-80nm gute Regulierbarkeit von Teilchengröße und spezifischer Oberfläche Carbon Black‘s enthalten geringe mengen organische Bestandteile

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Nanopartikel: Carbon Black Anwendungen Als Füllstoff in der Reifen-Industrie Als Schwarzpigment in Farben und Lacken Zum Einfärben von Polymerkunststoffen

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Nanopartikel: Fullerene und Nanotubes Fullerene Graphitischer Kohlenstoff Kugel- oder ellipsoidförmige Struktur Sind nicht elektrische Leitend Farben von Fullerenlösungen

Im Festzustand schwarz, gut löslich in polaren Lösemitteln

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Fulleren

Farbe

C36

goldgelb

C60

intensiv rotviolett

C70

weinrot

C76

hell gelbgrün

C84

olivgrün

Nanopartikel: Fullerene C60 (Buckminster-Fulleren) 12 C5-Ring, 20 C6-Ringe 60 Ecken, 80 Kanten, 32 Flächen Durchmesser 7,02Å Alle C-Atome sp² hybridisiert Senkrecht zum Gerüst p-Orbitale

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Nanopartikel: Fullerene Darstellung geschlossene Helium/Argon Atmosphäre bei 100-200mbar Bildung von Nanotubes an Fe, Co, Ni Partikeln Nanotubes noch zu unrein und zu teuer für großtechnischen Maßstab

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Nanopartikel: Nanotubes Zylinder mit Durchmesser einiger Nanometer Länge bis 20cm Von Fullerenhalbkugeln verschlossen Mehrzylindrische Nanoröhren möglich Durchmesser einschaliger Nanoröhren 0,4-3nm Besitzen gute elektrische und Wärmeleitfähigkeit

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Nanopartikel: Nanotubes Struktur Chirale Indizes (n,m) armchair (n=m) zigzag (m=0) chiral (n≠m)

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Nanopartikel: Nanotubes Chemische Modifikation Auftrennung der Nanoröhren-Bündel mittels Ultraschallbehandlung in einem Tensidbad Reaktivität am höchsten an den C5-Ringen der Fulleren-Kappen und an Defektstellen der Röhrenwand Durch Bad in konz. HNO3 und H2SO4 Öffnung der Kappen und Bildung von Löchern in den Wänden

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Nanopartikel: Nanotubes Anwendungen Nanofiltration Als Messonden Kontrollierte Einschleusung und Freisetzung von Medikamenten Gerichtetes Zellwachstum auf Oberflächen Mechanisch verstärkte Verbundmaterialien  Spitze für Rastersondenmikroskopie

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Nanopartikel: pyrogene Kieselsäure Darstellung

Verschmelzung zu Aggregaten (100-1000nm) Beim abkühlen Bildung von flockigen Agglomeraten aus den Aggregaten (1-250µm)

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Nanopartikel: pyrogene Kieselsäure hydrophil / hydrophobe Kieselsäure Silanolgruppen sind reaktionsfähige Zentren Durch Umsetzung der Silanolgruppen mit Organosiliciumverbindungen hydrophobe Eigenschaften Durch Hydrophobierung Reduktion der Feuchtigkeitsaufnahme

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Nanopartikel: pyrogene Kieselsäure Auswirkungen von Kieselsäure in flüssigen/festen Systemen Modifizierung der Fließeigenschaften Variation oder Erzeugung thixotropen Verhaltens Viskositätserniedrigung bei Scherbelastung Erhöhung von Reißfestigkeit und Härte

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Quellen Bücher: Hollemann, Wiberg, Lehrbuch der Anorganischen Chemie M. Binnewies, M. Jäckel, H. Wilner, G. Rayner-Canham, Allgemeine und Anorganische Chemie K. Balasubramaniam, M. Burghard, Chem. Unserer Zeit, 2005, 39, 16-25 Wacker, Silicones, HDK C. Müller, S. Rohr, F. Müller, Chemie in unserer Zeit / 29. Jahrg. 1995 / ATV. 1 Degussa, Technical Bulletin Fine Particles, Nr. 11 Degussa, Füllstoffsysteme und Pigmente, Was ist Carbon Black? Douglas H. Everett, Grundzüge der Kolloidwissenschaft Kurt Edelmann, Kolloidchemie Jander, Blasius, Lehrbuch der analytischen und präparative anorganische Chemie Internet: http://www.conti-online.com/generator/www/de/de/continental/ automobil/themen/pkw/pkw_uebersicht_de.html http://www-public.tu-bs.de:8080/~zelesnik/fuller/kap3.htm http://www.chemie-im-alltag.de/articles/0079/index.html http://upload.wikimedia.org/wikipedia/de/1/17/FullerenAni.gif http://www.aci.uni-hannover.de/lecturesCourses/courses/ss2007/ac-i/files/restricted/ACI-14-Si.pdf http://www.tu-chemnitz.de/physik/OSMP/Soft/ss07_V25.pdf http://www.pci.tu-bs.de/aggericke/PC5-Grenzf/Einfuehrung.pdf http://www.uni-essen.de/chemiedidaktik/S+WM/Wirkung/Tyndall.html http://www.ak-bartsch.uni-freiburg.de/Ordner%20Forschung http://de.wikipedia.org/wiki/Kolloidales_Gold

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Quellen Internet: http://www.chemie.uni-freiburg.de/makro/img/staudinger.jpg http://de.wikipedia.org/wiki/Farbigkeit http://www.uni-erfurt.de/renzi/bastelei/colorsys/regenbogen.html http://de.wikipedia.org/wiki/Richard_Zsigmondy http://dc2.uni-bielefeld.de/dc2/haus/images/kernseif.gif http://www.uic.edu/classes/bios/bios100/lecturesf04am/lect02.htm http://www.ak-tremel.chemie.uni-mainz.de/ChiuZ/Kolloide%20CHIUZ%202004.pdf http://www.landwirtschaft-mlr.baden-wuerttemberg.de/servlet/PB/show/1172493_l1/ern_ketchupflasche.jpg http://www.planet-wissen.de/pics/IEPics/intro_probio_joghurt.jpg http://www.trotz-osteoporose-fit.de/wp-content/uploads/milch.jpg http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/38/Milkccar.jpg http://www2.chemie.uni-erlangen.de/projects/vsc/chemie-mediziner-neu/phasen/bilder/dialyse2.gif http://www.fotos.sc/img/u/kbbl/n/Feuer__blau__rot__hei__brennend__streichholz__holz__anznden__warm__rauch.jp g http://zencart.spirituosen-shop.biz/index.php?main_page=product_info&products_id=23 http://www.maler-menken.de/files/farbeimer.jpg http://www.haustechnik-pekeler.de/sicherh/img/rauchme.jpg http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/49/OpticalSmokeDetector.png http://www.farbimpulse.de/fi/live/artikel/pspic/bild1/41/pigmente41429b3c4d0ccec.jpg

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