kolloide und nanopartikel neu
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12.04.23
1
Kamil SmolikMarco ZiegerickChristian Lüder
Kolloide und Nanopartikel
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Inhaltsverzeichnis
1. Kolloide
1.1. Einleitung
1.2. Einteilung und Eigenschaften von Kolloiden
1.3. Herstellung
1.4. Anwendung & Vorkommen
2. Nanopartikel
2.1. Carbon Black
2.2. Fullerene & Nanotubes
2.3. Pyrogene Kieselsäure
Kolloide und Nanopartikel
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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
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
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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
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)
Sols oder kolloidale Dispersionen
Feststoff Flüssigkeit
Silicagel Xerogele Phase kontinuierlich
Phase kontinuierlich
Schäume Schaum Gas Flüssigkeit
Frisches Silicagel
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Kolloide: Einteilung
Beispiele Klasse Disperse Phase
Dispersions-mittel
Gelees, Leim Gelee Makro-moleküle
Lösungs-mittel
Kolloidale Systeme
Disperse Systeme Makromolekulare Kolloide Assoziationsmoleküle Biologische Kolloide Dreiphasen-Kolloidsysteme
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Kolloide: Einteilung
Beispiele Klasse Disperse Phase
Dispersions-mittel
Wasser / Tenside
- Micellen Lösungs-mittel
Kolloidale Systeme
Disperse Systeme Makromolekulare Kolloide Assoziationsmoleküle Biologische Kolloide Dreiphasen-Kolloidsysteme
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Kolloide: Einteilung
Beispiele Klasse Disperse Phase
Dispersions-mittel
Blut - Blut-körperchen
Serum
Knochen - Apatit Kollagen
Muskeln, Zell-membranen
- Protein-strukturen
Dünne Lecithinfilme
Kolloidale Systeme
Disperse Systeme Makromolekulare Kolloide Assoziationsmoleküle Biologische Kolloide Dreiphasen-Kolloidsysteme
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Kolloide: Einteilung
Beispiele Klasse Koexistente Phasen
Erdölhaltiges Gestein
Poröses Gestein Öl, Wasser
Mineralflotation Mineral Wasser, Luftblasen od. Öltröpfchen
Doppel-emulsionen
Öl Wässrige Phase, Wasser
Kolloidale Systeme
Disperse Systeme Makromolekulare Kolloide Assoziationsmoleküle Biologische Kolloide Dreiphasen-Kolloidsysteme
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Kolloide: Eigenschaften
Stabilität
(nach Staudinger)
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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)
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Kolloide: Eigenschaften
Faraday-Tyndall-Effekt
Links: echte Lösung Rechts: kolloidale Lösung bzw. Sol
Das Licht wird nur beim Sol gestreut!
Lichtquelle (z.B. Laserpointer)
John Tyndall * 02.08.1820 in
Irland † 04. 12.1893 in
Hindhead
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Kolloide: Eigenschaften
Faraday-Tyndall-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
Ketchup
Joghurt
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Inhaltsverzeichnis
1. Kolloide
1.1. Einleitung
1.2. Einteilung und Eigenschaften von Kolloiden
1.3. Herstellung
1.4. Anwendung & Vorkommen
2. Nanopartikel
2.1. Carbon Black
2.2. Fullerene & Nanotubes
2.3. Pyrogene Kieselsäure
Kolloide und Nanopartikel
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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!
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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 Sb2S3 + K+3H+[C4H2O6]
4-
„Kaliumantimon(III)-tartrat“ „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 mitgleicher Ladung aufgehalten
Anreicherung der Ionen in Zellenmit „ungerader Nummerierung“
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Kolloide: Anwendung & Vorkommen
Vorkommen in der Natur
Milch (flüssig – flüssig)fein verteilte Fetttröpfchen in der MilchØ = 1-2 µm („homogenisiert“)
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Kolloide: Anwendung & Vorkommen
Vorkommen in der Natur
Lichtstreuung im Nebel (flüssig – gasförmig) (Ø = 10 - 40 µm)
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Kolloide: Anwendung & Vorkommen
Vorkommen in der Natur
Rauch eines Streichholzes (fest – gasförmig) (Ø = 10 - 300 nm)
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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 Hauptanwendungen in der Industrie
Herstellung stabiler Kolloide Farben, Tinten, pharmazeutische und kosmetische Präparate, Lebensmittel, Bohrschlämme, Farbstoffe, landwirtschaftliche Chemikalien, Schäume zur Brandbekämpfung
Einsatz kolloidaler Dispersionen in industriellen Verfahren
Tonguss, Zement und Gips, Papierbeschichtung, Magnettonbänder, fotographische Produkte, Gasadsorber und Stützkatalysatoren, chromatographische Absorber, Membranherstellung
Nutzung kolloidaler Phänomene Waschmittelherstellung, kapillare Phänomene ( Benetzung von Pulvern, verbesserte Ölrückgewinnung, Wechselwirkungen Wasser / Boden), Mineralflotation, Adsorption von Verunreinigungen, Rückgewinnung von Lösungsmitteln, elektrolytische Farbauftragung
Handhabung der Kolloide Rheologie (Pumpen von Dispersionen und Aufschlämmungen, Umrühren in Reaktoren), Klumpenbildung und Fließen von Pulvern
Zerstörung unerwünschter Kolloide 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 LichtLicht einer Infrarotdiode wird am Rauch gestreutLicht trifft auf PhotozelleAlarmauslösung
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Kolloide: Anwendung & Vorkommen
Anwendung
Lacke und Farben
Feste Pigmentteilchen in einem DispersionsmediumNach dem Auftragen verdunstet das DispersionsmediumPigmentteilchen verbleiben auf Oberfläche
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Inhaltsverzeichnis
1. Kolloide
1.1. Einleitung
1.2. Einteilung und Eigenschaften von Kolloiden
1.3. Herstellung
1.4. Anwendung & Vorkommen
2. Nanopartikel
2.1. Carbon Black
2.2. Fullerene & Nanotubes
2.3. Pyrogene Kieselsäure
Kolloide und Nanopartikel
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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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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
Nanopartikel: Carbon Black
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Chemischer Prozess Herstellungsverfahren RohstoffeFurnace Black Verfahren Aromatische Öle auf Basis
von Steinkohle, Erdöl oder Erdgas
Degussa Gas Black-Verfahren Steinkohlenteerdestilate
Lamp Black-Verfahren Aromatische Öle auf Basis von Steinkohle oder Erdöl
Thermische Spaltung Thermal Black-Verfahren Erdgas (bzw. Öle)
Acethylen Black-Verfahren Acethylen
Herstellungsverfahren / Rohstoffe
Thermisch-oxidative Spaltung
Nanopartikel: Carbon Black
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Furnace Black-Verfahren
Primärteilchen von von 10-80nm
gute Regulierbarkeit von Teilchengröße und spezifischer Oberfläche
Carbon Black‘s enthalten geringe mengen organische Bestandteile
Nanopartikel: Carbon Black
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Anwendungen
Als Füllstoff in der Reifen-Industrie
Als Schwarzpigment in Farben und Lacken
Zum Einfärben von Polymerkunststoffen
Nanopartikel: Carbon Black
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Fullerene
Graphitischer Kohlenstoff
Kugel- oder ellipsoidförmige Struktur
Sind nicht elektrische Leitend
Im Festzustand schwarz, gut löslich in polaren Lösemitteln Fulleren Farbe
C36 goldgelb
C60 intensiv rotviolett
C70 weinrot
C76 hell gelbgrün
C84 olivgrün
Farben von Fullerenlösungen
Nanopartikel: Fullerene und Nanotubes
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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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39
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
Nanopartikel: Fullerene
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40
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
Nanopartikel: Nanotubes
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Struktur
Chirale Indizes (n,m)armchair (n=m)zigzag (m=0)chiral (nm)
Nanopartikel: Nanotubes
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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
Nanopartikel: Nanotubes
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Anwendungen
Nanofiltration
Als Messonden
Kontrollierte Einschleusung und Freisetzung von Medikamenten
Gerichtetes Zellwachstum auf Oberflächen
Mechanisch verstärkte Verbundmaterialien
Spitze für Rastersondenmikroskopie
Nanopartikel: Nanotubes
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Darstellung
Nanopartikel: pyrogene Kieselsäure
Verschmelzung zu Aggregaten (100-1000nm)
Beim abkühlen Bildung von flockigen Agglomeraten aus den Aggregaten (1-250m)
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hydrophil / hydrophobe Kieselsäure
Silanolgruppen sind reaktionsfähige Zentren
Durch Umsetzung der Silanolgruppen mit Organosiliciumverbindungen hydrophobe Eigenschaften
Durch Hydrophobierung Reduktion der Feuchtigkeitsaufnahme
Nanopartikel: pyrogene Kieselsäure
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Auswirkungen von Kieselsäure in flüssigen/festen Systemen
Modifizierung der Fließeigenschaften
Variation oder Erzeugung thixotropen Verhaltens
Viskositätserniedrigung bei Scherbelastung
Erhöhung von Reißfestigkeit und Härte
Nanopartikel: pyrogene Kieselsäure
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Quellen
Bücher: Hollemann, Wiberg, Lehrbuch der Anorganischen ChemieM. Binnewies, M. Jäckel, H. Wilner, G. Rayner-Canham, Allgemeine und Anorganische ChemieK. Balasubramaniam, M. Burghard, Chem. Unserer Zeit, 2005, 39, 16-25Wacker, Silicones, HDKC. Müller, S. Rohr, F. Müller, Chemie in unserer Zeit / 29. Jahrg. 1995 / ATV. 1Degussa, Technical Bulletin Fine Particles, Nr. 11Degussa, Füllstoffsysteme und Pigmente, Was ist Carbon Black?Douglas H. Everett, Grundzüge der KolloidwissenschaftKurt Edelmann, KolloidchemieJander, 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.htmlhttp://www-public.tu-bs.de:8080/~zelesnik/fuller/kap3.htmhttp://www.chemie-im-alltag.de/articles/0079/index.htmlhttp://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.pdfhttp://www.tu-chemnitz.de/physik/OSMP/Soft/ss07_V25.pdfhttp://www.pci.tu-bs.de/aggericke/PC5-Grenzf/Einfuehrung.pdfhttp://www.uni-essen.de/chemiedidaktik/S+WM/Wirkung/Tyndall.htmlhttp://www.ak-bartsch.uni-freiburg.de/Ordner%20Forschunghttp://de.wikipedia.org/wiki/Kolloidales_Gold
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48
Quellen
Internet:
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