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Metalloxide

Metalloxide. Experimentalvortrag AC WS 2007/08 Angela Herrmann. Gliederung Allgemeines Darstellung Verwendung Schulrelevanz. 1. Allgemeines. 1. Allgemeines. Natürliches Vorkommen: Magnetit (Fe 3 O 4 ), Roteisenstein (Fe 2 O 3 ) Pyrolusit (MnO 2 ), Hausmannit (Mn 3 O 4 )

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Presentation Transcript

  1. Metalloxide Experimentalvortrag AC WS 2007/08 Angela Herrmann

  2. Gliederung • Allgemeines • Darstellung • Verwendung • Schulrelevanz

  3. 1. Allgemeines

  4. 1. Allgemeines Natürliches Vorkommen: • Magnetit (Fe3O4), Roteisenstein (Fe2O3) • Pyrolusit (MnO2), Hausmannit (Mn3O4) • Rutil (TiO2) • Massicotit (PbO) • Cuprit (Cu2O) • Tonerde (Al2O3) • Zinnstein (SnO2) Roteisenstein Pyrolusit Cuprit 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 +2/+4 • Stufe I: 3 PbO2 (s) Pb3O4 (s) + O2 (g)↑ schwarzrot +2/+4 +2 • Stufe II: 2 Pb3O4 (s) 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 PbO2: • Schwarzbraun • Bleiakkumulator • Früher in Streichholzzündköpfen Massicotit(PbO)

  10. 2. Darstellung

  11. 2. Darstellung Darstellungsarten: • Thermische Zersetzung von Carbonaten • Aus den Metallen mit Hilfe von Oxidationsmitteln • Aus Metallsalzen • Durch Reinigung natürlicher vorkommender Metalloxide • Aus den Metallen durch Verbrennung an der Luft • Durch Entwässern der Hydroxide

  12. 1. Allgemeines • 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 Wasserwerden gemischt • Ca(OH)2 reagiert mit dem Luft-Kohlendioxid zum Carbonat: Ca(OH)2 (aq) + CO2 (g) Ca(CO3) (s) + H2O

  14. 1. Allgemeines Demo 1 Luftmörtel

  15. 2. Darstellung 2. Darstellung aus Metallen mit Oxidationsmitteln: Versuch 2 Berger Mischung

  16. 2. Darstellung Versuch 2 Reaktionsgleichungen: Startreaktion: NH4Cl (s) + H2O NH3 (g) + H3O+(aq) + Cl-(aq) 0 +1 +2 +1 0 Zn (s) + 2 H3O+ (aq)Zn2+(aq + 2 H2O + H2 (g)↑ ∆H << 0

  17. 2. Darstellung Versuch 2 Hauptreaktionen: 0 +2 Oxidation 1: Zn (s) Zn2+(aq) + 2 e- -3 0 Oxidation 2: 2 NH4+(aq) N2 (g) + 8 H+(aq) + 6 e- +5 0 Reduktion: 2 NO3-(aq) + 10 e- N2 (g) + 6 O2- Gesamt: Zn (s) + NH4(NO3) (aq) ZnO (s) + N2 (g) + 4 H2O Kompro- portio- nierung

  18. 2. Darstellung Demo 2 Wunderkerzen

  19. 2. Darstellung Demo 2 Reaktionsgleichungen: • Bariumnitrat dient als Oxidationsmittel/Sauerstofflieferant +5 -2 0 0 • 2 Ba(NO3)2 (s) 2 BaO (s) + 2 N2 (g)+ 5 O2 (g) • Die Metalle verbrennen mit Sauerstoff zu den entsprechenden Oxiden: 0 0 +3 -2 • 4 Al (s) + 3 O2 (g) 2 Al2O3 (s) (Eisen analog) 0 0 +2 -2 • 2 Mg (s) + O2 (g) 2 MgO (s)

  20. 2. Darstellung 3. Aus Metallsalzen: Versuch 3 Chemischer Vulkan Kilauea-Ausbruch 1983

  21. 2. Darstellung Versuch 3 Reaktionsgleichungen: -3 0 Oxidation: 2 NH4+ N2 + 8 H+ + 6 e- +6 +3 Reduktion: Cr2O72- + 6 e- Cr2O3 + 4 O2- Gesamt: (NH4)2Cr2O7 (s) Cr2O3 (s) + N2 (g) + 4 H2O

  22. 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)

  23. 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 Titan-schlacke • 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

  26. 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

  28. 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) + K2SO4 (s) • TiOSO4 (s) + 5 H2O [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 Ti H2O 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 +3 Oxidation: Al (s) Al3+ + 3 e- +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 -2 +2 -2 BaO2 (s) + Mg (s) BaO (s) + MgO (s)∆H << 0

  35. 3. Verwendung Geschichtliches: • Erfinder der Aluminothermie war Hans Goldschmidt (1861-1923) • Entwickelte das Verfahren weiter um Schienenstränge zu ver- schweißen (Thermitschweiß- verfahren) Hans Goldschmidt

  36. 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.“

  37. 3. Verwendung Industrielle Eisendarstellung • Großtechnisch wird Eisen im Hochofenprozess aus Eisen(III)oxid dargestellt • Dabei wird Eisen(III)oxid durch Kohlen- stoff reduziert Arbeiter vor flüssigem Eisen

  38. Aufbauschema eines Hochofens

  39. 3. Verwendung Reaktionsgleichungen des Hochofenprozess: +3 +2 +2/+3 +4 400 °C: 3 Fe2O3 (s) + CO (g) 2 Fe3O4 (s) + CO2 (g) +2/+3 +2 +2 +4 700 °C: Fe3O4 (s) + CO (g) FeO (s) + CO2 (g) 0 +4 +2 1200 °C: C (s) + CO2 (g) 2 CO (g) +2 +2 0 +4 FeO (s) + CO (g) Fe (l) + CO2 (g) 0 0 +2 -2 1600-2300 °C: 2 C (s) + O2 (g) 2 CO (g)

  40. 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

  41. 3. Verwendung Geschichte der Batterie: • Schon bei Ägyptern (ca. 2300 v. Chr.) und Parthern (ca. 250 v. Chr.) vorhanden? • 1800: Volta baut die „Voltasche Säule“ „Bagdad-Batterie“ Voltasche Säule

  42. 3. Verwendung • 1802: „Rittersche Säule“ – erster Akkumulator • 1836: Daniell-Element – Nutzung für Telegrafen • 1860: Entwickelt Leclanché die Zink-Braunstein-Zelle – wird später zur Trockenzelle weiterentwickelt Johann Wilhelm Ritter

  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 +2 Zn (s) 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)

  46. 3. Verwendung Sekundärelement – der Bleiakkumulator • 1859 von Planté entwickelt • Verwendung als Autobatterie • Blei- und Bleidioxidelektrode • Elektrolyt: 20 %-ige Schwefel- säure • Ladungszustand kann durch Dichtemessung ermittelt werden

  47. 3. Verwendung Reaktionen des Bleiakkumulators: Negative Elektrode: 0 +2 Pb (s) + SO4-(aq) PbSO4 (s) + 2 e- Positive Elektrode: +4 +2 PbO2 (s) + SO4-(aq) 4 H3O+(aq) + 2 e- PbSO4 (s) + 2 H2O Gesamt: Pb (s) + PbO2 (s) + 2 H2SO4 (aq) 2 PbSO4 (s) + 2 H2O Entladung Ladung

  48. 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

  49. 3. Verwendung Demo 3 Demo 3 Farbiges Glas Rosettenfenster in Carcassonne

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