Transcript Glas - ChidS

Das Glas
Die tollste Erfindung seit
der Entdeckung des
Rades!!!
Inhaltsverzeichnis
1. Geschichte von Glas
2. Glas im Alltag und
seine Bedeutung
→ Demonstration 1
3. Was ist Glas?
→ Versuch 1
4. Herstellung in der
Schule
→ Demo. 2 und 3
5. Eigenschaften von
Glas
→ Versuch 2, 3, 4, 5, 6, 7
6. allgemeine
Schulrelevanz
7. Zusammenfassung
8. Literatur
1. Geschichte von Glas
Geschichte von Glas
• genauso alt wie die Erde
• entsteht bei hohen
Temperaturen
– Meteoriteneinschlag
– Blitzschlag
– Eruption eines Vulkans
• auf dem Mond gibt es Glas
→
Besatzung der Apollo-14 brachte glashaltige
Gesteine mit
Obsidian:
ein natürlich
vorkommendes,
vulkanisches
Gesteinsglas (auch
„Islandisches Agaat“)
Geschichte von Glas
• Benutzung in der Jungsteinzeit als Pfeilund Speerspitze, und Schneidewerkzeug
• verschiedene Angaben
über Zeitpunkt der
Entdeckung
nach Historiker Pliny (23-79 n. Chr.): Phönizische Händler
„kochten“ um 5.000 v. Chr. an einem Strand,
wobei durch die hohe Temperatur der Sand zu
einem glasartigen „Stein“ schmolz.
Geschichte von Glas
• bewusste Herstellung und Bearbeitung
begann ca. 3.500 v. Chr.
→
nicht mehr ausschließlich Nutzgegenstand
(Schmuck wie Glasperlen, Vasen, ...)
• bis 9. Jhd. v. Chr. Auflebung
des Glasmachens in Mesopotamien
Geschichte von Glas
• älteste Beschreibung zur Herstellung von
Glas stammt aus der Bibliothek des
Assyrischen Königs Ashurbanipal (669-626
v. Chr.).
„Nimm 60 Teile Sand, 180 Teile Asche aus Meerespflanzen, 5
Teile Kreide – und du erhältst Glas.“
• um das Jahr 0: Technik zum Blasen von
Glas in Syrien
• Blasrohr hat sich kaum verändert
Geschichte von Glas
• 11. Jhd. n. Chr.: Technik zur Produktion von
Glasplatten
→ große Bedeutung für Bequemlichkeit im Mittelalter (Luxus!!!)
• 17. Jhd. n. Chr.: Idee zur Verspiegelung
von Glas unter König Ludwig (Louis) XIV in
Frankreich
• 19. Jhd. n. Chr.: Industrialisierung der
Glasherstellung (Friedrich Siemens)
2. Glas im Alltag und seine
Bedeutung
Glas im Alltag und seine Bedeutung
• Bedeutung von Glas in der heutigen
Gesellschaft:
Man stelle sich vor, es gäbe kein Glas...
– keine Fenster an Gebäuden, Fahrzeugen, ...
→ dunkel und warm, oder hell und kalt
–
–
–
–
–
keine Spiegel
kein Geschirr und keine Behälter aus Glas
kein Schmuck und keine Verzierungen aus Glas
keine Brillen
keine Kameras, Mikroskope, Lupen und nichts,
was mit Linsen funktioniert
– keine Fernseher (Bildröhre)
– ...
Demonstration 1:
verspiegelter
Objektträger
Demonstration 1: Verspiegelung eines Objektträgers
• Reaktion wie „Silberspiegel“
• seit 1856: nasschemische Glasversilberung
(Justus von Liebig)
• vorher: Verreiben von Zinnamalgam auf
Glasplatten (Handarbeit)
Demonstration 1: verspiegelter Objektträger
für die Schule:
• Ergebnis ist sehr abhängig von der
Sauberkeit der Durchführung!
• Dauer: ca. 40 Minuten (eine Schulstunde)
• Einsatz: Schülerversuch ab der Sek. II
• Themengebiete: Glas, Silber,
Zucker, Aldehyde/Ketone, ...
3. Was ist Glas?
Was ist Glas?
• Glas ist amorph
– griech.: amorphos = gestaltlos
– amorphe Stoffe werden als fest empfunden, ihre
Atome folgen jedoch keiner regelmäßigen
Ordnung (keine Fernordnung, nur Nahordnung)
• ohne Kristallisation erstarrte Schmelze
von Metallen, Polymermaterialien,
Metalloxiden, etc.
Was ist Glas?
• Hauptbestandteil: SiO2(s)
• Nebenbestandteile:
– B2O3(s)
– Al2O3(s)
– ...
– Na2O(s)
– K2O(s)
– CaO(s)
– ...
Was ist Glas?
• Hauptbestandteil: SiO2(s)
• Nebenbestandteile:
– B2O3(s)
– Al2O3(s)
– ...
Netzwerkbildner
– Na2O(s)
– K2O(s)
– CaO(s)
– ...
Trennstellenbildner
Was ist Glas?
• Netzwerkbildner (Glasbildner):
– saure Oxide
– bilden molekulare Grundstruktur (ungeordnetes,
dreidimensionales Netzwerk)
– können ohne Zusätze ein Glas erzeugen (z. B.
Quarzglas ist reines SiO2)
• Trennstellenbildner (Netzwerkwandler):
– basische Oxide
– können nur zusammen mit Netzwerkbildnern Glas bilden
– verursachen „Lücken“ in der Struktur
Was ist Glas?
Quarzgitter
schmelzen und abkühlen
(oft)
+ CaO/Na2O/...
Quarzglas
„Normalglas“
Versuch 1:
Reduktion von „Glas“
mit Aluminium
Versuch 1: Reduktion von „Glas“ mit Aluminium
• Auswertung:
– Aluminium reduziert das Silicium in der
Glasstruktur
+4
0
+3
Silicium
– dabei wird das Aluminium
oxidiert (Reduktionsmittel)
0
Versuch 1: Reduktion von „Glas“ durch Aluminium
für die Schule:
• Ergebnis ist zuverlässig
• Dauer: ca. 10 Minuten
• Einsatz: Schülerversuch ab der Sek. I
• Themengebiete: Glas, Redox-Reaktionen,
Metalle, ...
Was ist Glas?
• Glas ≠ Glas !!!
– Natron-Kalk-Gläser (Normalglas)
75,5 SiO2(s); 12,9 Na2O(s); 11,6 CaO(s)
→ gewöhnliches Gebrauchsglas, Fensterglas
– Kali-Kalk-Gläser (Böhmisches Kristallglas)
76 SiO2(s); 14,1 K2O(s); 6,7 CaO(s); 2,3 Na2O(s); 0,5 As2O5(s); 0,1
Al2O3(s); 0,3 SO3(s)
→ Gläser für feingeschliffene Gegenstände
– Bor-Tonerde-Gläser (Jenaer Glas oder Duran-Glas)
74,5 SiO2(s); 8,5 Al2O3(s); 4,6 B2O3(s); 7,7 Na2O(s); 3,9 BaO(s);
0,8 CaO(s); 0,1 MgO(s)
→ gegen Chemikalien und große Temp.-Differenzen beständig
– Kali-Blei-Gläser (Bleikristallglas)
56 SiO2(s); 32 PbO(s); 11,4 K2O(s); 0,1 Al2O3(s); 0,5 As2O5(s)
→ Gläser und Linsen mit starkem Lichtbrechungsvermögen
Was ist Glas?
• Glas ≠ Glas !!!
– Natron-Kalk-Gläser (Normalglas)
75,5 SiO2(s); 12,9 Na2O(s); 11,6 CaO(s)
→ gewöhnliches Gebrauchsglas, Fensterglas
– Kali-Kalk-Gläser (Böhmisches Kristallglas)
76 SiO2(s); 14,1 K2O(s); 6,7 CaO(s); 2,3 Na2O(s); 0,5 As2O5(s); 0,1
Al2O3(s); 0,3 SO3(s)
→ Gläser für feingeschliffene Gegenstände
– Bor-Tonerde-Gläser (Jenaer Glas oder Duran-Glas)
74,5 SiO2(s); 8,5 Al2O3(s); 4,6 B2O3(s); 7,7 Na2O(s); 3,9 BaO(s);
0,8 CaO(s); 0,1 MgO(s)
→ gegen Chemikalien und große Temp.-Differenzen beständig
– Kali-Blei-Gläser (Bleikristallglas)
56 SiO2(s); 32 PbO(s); 11,4 K2O(s); 0,1 Al2O3(s); 0,5 As2O5(s)
→ Gläser und Linsen mit starkem Lichtbrechungsvermögen
4. Herstellung in der Schule
Demonstration 2:
selbst hergestelltes
Glas
Demonstration 2: selbst hergestelltes Glas
• Simon-Müller-Ofen auf 1.000 °C vorheizen
• in einer Porzellanschale werden gemischt:
–
–
–
–
–
–
26,7 g H3BO3(s)
8,2 g K2CO3(s)
4,5 g Na2CO3(s)
4,2 g CaCO3(s)
2,5 g Seesand
1 Spatelspitze MnO2(s)
(Borsäure)
(Kaliumcarbonat)
(Natriumcarbonat)
(Calciumcarbonat)
(enthält SiO2(s))
(Braunstein)
• Porzellanschale in den SimonMüller-Ofen stellen und ca. 2 h
lang bei 1.000 °C glühen
Demonstration 2: selbst hergestelltes Glas
Das sieht dann so aus:
Gemisch
Simon-Müller-Ofen
Schmelze
Demonstration 2: selbst hergestelltes Glas
für die Schule:
• Ergebnis ist berechenbar, variabel,
trotzdem zuverlässig
• Dauer: ca. 180 Minuten
• Einsatz: Schülerversuch ab der Sek. II
• Themengebiete: Glas, Schmelzen,
...
Demonstration 3:
Borax- und
Phosphorsalzperlen
Demonstration 3: Borax- und Phosphorsalzperlen
• Magnesiastäbchen + Borax + Cr2O3(s)
→ grüne Perle
• Magnesiastäbchen + Phosphorsalz +
Co2O3(s)
→ blaue Perle
• Magnesiarinne + Phosphorsalz + Cr2O3(s)
→ grüne Glasfläche
Demonstration 3: Borax- und Phosphorsalzperlen
Färben von Gläsern
(eine Methode):
– Cobalt-Oxide:
blau
– Eisen(III)-Oxide:
braun
– Chrom(III)-Oxide:
grün
– Mangan(II)-Oxide:
weiß
→ Vorsicht: R-/S-Sätze und Gefahrensymbole/-hinweise beachten
Demonstration 3: Borax- und Phosphorsalzperlen
für die Schule:
• Ergebnis ist abhängig von individuellen
Geschick
• Dauer: sehr variabel
• Einsatz: Schülerversuch ab der Sek. I (II)
• Themengebiete: Glas, Pigmente,
Metalloxide, ...
5. Eigenschaften von Glas
Eigenschaften von Glas
• mechanische Eigenschaften:
– zug- und druckfest
– „unbiegsam“
• elektrische Eigenschaften
→ elektrisch hoch isolierend
Eigenschaften von Glas
•
Tg:= Schmelzbereich statt Schmelzpunkt
•
unterhalb von Tg: starr
•
oberhalb von Tg: plastisch („verformbar“)
•
allgemein gilt:
(auch Transformationstemperatur,
Erweichungstemperatur oder Glaspunkt
genannt)
Je mehr Trennstellen,
desto niedriger Tg.
Versuch 2:
Bearbeiten von Glas
Versuch 2: Bearbeiten von Glas
• Auswertung:
– Vorsicht: Heißes Glas sieht aus wie
kaltes Glas!
– Glas kann als unterkühlte Schmelze
betrachtet werden
Versuch 2: Bearbeiten von Glas
– mit Annäherung an den Schmelzbereich
fällt die Viskosität
Versuch 2: Bearbeiten von Glas
für die Schule:
• Ergebnis ist abhängig vom Geschick der
Schüler/innen
• Dauer: sehr variabel
• Einsatz: Schülerversuch ab der Sek. I
• Themengebiete: Glas,
„unterkühlte Schmelzen“
Eigenschaften von Glas
Thermische Gespanntheit von Glas ist
Bestandteil der heutigen Gesellschaft:
MehrschichtVerbundglas
Sicherheitsglas
besondere
Verwendung
Versuch 3:
thermisch
gespanntes Glas
Versuch 3: thermisch gespanntes Glas
• Auswertung:
– Spannung entsteht, weil zunächst die
Wärme im äußeren Bereich der Träne
vom Wasser abgeführt wird
→ schlechte Wärmeleitfähigkeit von Glas
– dadurch verringert sich außen das
Volumen, innen nicht
→ Spannung entsteht
– durch Abkneifen des
„Schwänzchens“ werden diese
Spannungen freigesetzt
Versuch 3: thermisch gespanntes Glas
für die Schule:
• Herstellung der Tränen sehr unsicher
• Dauer: ca. 5 Minuten (ohne Tränenherstellung)
• Einsatz: Schülerversuch ab der Sek. I
• Themengebiete: Glas und in der
Physik
Eigenschaften von Glas
Glas ist ein schlechter
Wärmeleiter:
•
wirkt wärmeisolierend
•
Infrarot-Strahlung wird „gespeichert“
→ keine (sehr geringe) Wärmeleitfähigkeit
Versuch 4:
Absorption von IRStrahlung
Versuch 4: Absorption von IR-Strahlung
• Auswertung:
– durch die schlechte Wärmeleitfähigkeit
dauert es lange, bis die einzelnen
„Schichten“ durchgewärmt sind
– aus dem gleichen Grund dauert es
ebenfalls lange, bis die erwärmten
„Schichten“ wieder abkühlen
Versuch 4: Absorption von IR-Strahlung
für die Schule:
• Ergebnis abhängig von der Gleichheit der
Thermometer und der Heizplatten
• Dauer: ca. 30 Minuten
• Einsatz: Schülerversuch ab der Sek. I
• Themengebiete: Glas, Leitfähigkeiten (Elektrochemie), ...
Eigenschaften von Glas
Chemische Resistenz von Glas:
•
–
Säureangriff:
Ionenaustausch: Metallionen gegen H+(aq)
–
Bildung einer Kieselgelschicht zum Schutz vor weiteren
Protonen
–
auch Wasser wirkt so
Eigenschaften von Glas
Basen-/Laugenangriff:
–
Herauslösen von silikatischen Strukturelementen
–
es entsteht keine schützende Schicht
Versuch 5: Ätzen
von Glas
Versuch 5: Ätzen von Glas
Chemi- SummenGefahrenR-Sätze S-Sätze
Schule
kalie
formel
symbol
Calciumfluorid
(Flussspat)
Schwefelsäure
(konz.)
Fluorwasserstoffsäure
(Flusssre.)
Siliciumtetrafluorid
CaF2(s)
keine
keine
keine
alle
H2SO4(aq)
35
26-30-45
C: ätzend
Sek. II
1/2-7/926/27/2826-36/3735
45
T+: sehr
giftig
C: ätzend
Lehrer
T: giftig
C: ätzend
Lehrer
HF(aq)
SiF4(g)
23-35
9-26-2645
Versuch 5: Ätzen von Glas
• Auswertung:
– Abzug und Handschuhe!
– aus den zunächst „harmlosen“ Stoffen
entsteht eine sehr giftige Verbindung
→ keine Redox-Reaktion
– Flusssäure greift die Oberfläche des
Objektträgers an
→ Reaktion ist reversibel (SiO2(s) als
Niederschlag am Objektträger)
Versuch 5: Ätzen von Glas
für die Schule:
• Ergebnis ist zuverlässig und lässt sich
spannend variieren
• Dauer: ca. 25 Minuten
• Einsatz: Lehrerversuch!
• Themengebiete: Glas,
Oberflächen, Säuren-Base-Chemie,
...
Versuch 6:
Wasserbeständigkeit
Versuch 6: Wasserbeständigkeit
• Chemikalien
Chemi- SummenGefahrenR-Sätze S-Sätze
Schule
kalie
formel
symbol
Phenolphthalein
C20H14O4(l)
keine
keine
keine
alle
Versuch 6: Wasserbeständigkeit
• Auswertung:
– Wasserangriff
wie Säureangriff
– Metallionen im Glas werden durch
Protonen des Wassers
ausgetauscht
Versuch 6: Wasserbeständigkeit
für die Schule:
• Ergebnis ist zuverlässig und lässt sich gut
über die Feinheit des „Glasgrießes“
regulieren
• Dauer: ca. 30 Minuten
• Einsatz: Schülerversuch ab der Sek. I
• Themengebiete: Glas, RedoxReaktionen, ...
Versuch 7:
Oberfläche von Glas
Versuch 7: Oberfläche von Glas
• Auswertung:
– Gläser bilden an Phasengrenze zu
Wasser Wasserstoffbrückenbindungen
→ keine Blasenbildung möglich
– Verunreinigungen (z. B. Fett) schirmen
die Oberfläche ab
→ keine WBB möglich
→ Blasenbildung
– auch Kratzer oder andere
Unregelmäßigkeiten haben diesen
Effekt
Versuch 7: Oberfläche von Glas
für die Schule:
• Ergebnis ist sehr schön und deutlich zu
sehen
• Dauer: ca. 10 Minuten
• Einsatz: Schülerversuch ab der Sek. I
• Themengebiete: Glas, Wasser,
Oberflächenchemie, WBB, ...
6. Allgemeine Schulrelevanz
Allgemeine Schulrelevanz
• Jahrgang 12, 2. Halbjahr
→ Werkstoffe → natürliche und synthetische
Makromoleküle und Feststoffgitter
→ Glas (Geschichte, Herstellung, Struktur):
keramische Werkstoffe
• keine Änderungen bei Umstellung auf G8
• sehr alltagsbezogen
• fachübergreifender Unterricht
mit den Fächern Physik, Kunst, ...
7. Zusammenfassung
Zusammenfassung
• Glas Luxus im Mittelalter, heute selbstverständlich
mit hoher Bedeutung
• Glas ist eine nicht-kristalline, „unterkühlte“
Schmelze
• Glas leitet keinen Strom und ist wärmeisolierend
• besitzt einen Schmelzbereich (Tg)
• Glas wird merklich angegriffen von Flusssäure und
starken Laugen
• Glas ist säure- und wasserbeständig
• Glas wird verformbar, wenn man es erwärmt
(Viskosität fällt)
• und: Heißes Glas sieht aus wie kaltes
Glas!
Danke für die
Aufmerksamkeit!!!
8. Literatur
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
[10]
GESTIS-Stoffdatenbank
SOESTER Liste
www.chids.de (02.12.2008)
http://www.kultusministerium.hessen.de (01.12.2008
http://vision2form.nl/glas_geschichte.html (30.11.2008)
http://benjamin.stangltaller.at/REISEN/BAERNBACH96/BaernbachBlaeser.jpg
(01.12.2008)
http://www.chemieunterricht.de (01.12.2008)
http://www.otterstedt.de/atm/silvering.html (01.12.2008)
http://www.solarserver.de/l8mimages/wacker_silizium.jpg
(31.11.2008)
http://www.glaskunstwerkstatt.at/images/aetzungdetail.jpg (10.12.2008)