Das Glas Die tollste Erfindung seit der Entdeckung

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: Si. O 2(s) • Nebenbestandteile: – – – – B 2 O 3(s) Al 2 O 3(s). . . Na 2 O(s) K 2 O(s) Ca. O(s). . .

Was ist Glas? • Hauptbestandteil: Si. O 2(s) • Nebenbestandteile: – – – – B 2 O 3(s) Al 2 O 3(s). . . Na 2 O(s) K 2 O(s) Ca. O(s). . . Netzwerkbildner 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 Si. O 2) • Trennstellenbildner (Netzwerkwandler): – basische Oxide – können nur zusammen mit Netzwerk. Glas bilden – verursachen „Lücken“ in der Struktur bildnern

Was ist Glas? Quarzgitter schmelzen und abkühlen (oft) + Ca. O/Na 2 O/. . . 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 Si. O 2(s); 12, 9 Na 2 O(s); 11, 6 Ca. O(s) → gewöhnliches Gebrauchsglas, Fensterglas – Kali-Kalk-Gläser (Böhmisches Kristallglas) 76 Si. O 2(s); 14, 1 K 2 O(s); 6, 7 Ca. O(s); 2, 3 Na 2 O(s); 0, 5 As 2 O 5(s); 0, 1 Al 2 O 3(s); 0, 3 SO 3(s) → Gläser für feingeschliffene Gegenstände – Bor-Tonerde-Gläser (Jenaer Glas oder Duran-Glas) 74, 5 Si. O 2(s); 8, 5 Al 2 O 3(s); 4, 6 B 2 O 3(s); 7, 7 Na 2 O(s); 3, 9 Ba. O(s); 0, 8 Ca. O(s); 0, 1 Mg. O(s) → gegen Chemikalien und große Temp. -Differenzen beständig – Kali-Blei-Gläser (Bleikristallglas) 56 Si. O 2(s); 32 Pb. O(s); 11, 4 K 2 O(s); 0, 1 Al 2 O 3(s); 0, 5 As 2 O 5(s) → Gläser und Linsen mit starkem Lichtbrechungsvermögen

Was ist Glas? • Glas ≠ Glas !!! – Natron-Kalk-Gläser (Normalglas) 75, 5 Si. O 2(s); 12, 9 Na 2 O(s); 11, 6 Ca. O(s) → gewöhnliches Gebrauchsglas, Fensterglas – Kali-Kalk-Gläser (Böhmisches Kristallglas) 76 Si. O 2(s); 14, 1 K 2 O(s); 6, 7 Ca. O(s); 2, 3 Na 2 O(s); 0, 5 As 2 O 5(s); 0, 1 Al 2 O 3(s); 0, 3 SO 3(s) → Gläser für feingeschliffene Gegenstände – Bor-Tonerde-Gläser (Jenaer Glas oder Duran-Glas) 74, 5 Si. O 2(s); 8, 5 Al 2 O 3(s); 4, 6 B 2 O 3(s); 7, 7 Na 2 O(s); 3, 9 Ba. O(s); 0, 8 Ca. O(s); 0, 1 Mg. O(s) → gegen Chemikalien und große Temp. -Differenzen beständig – Kali-Blei-Gläser (Bleikristallglas) 56 Si. O 2(s); 32 Pb. O(s); 11, 4 K 2 O(s); 0, 1 Al 2 O 3(s); 0, 5 As 2 O 5(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 H 3 BO 3(s) 8, 2 g K 2 CO 3(s) 4, 5 g Na 2 CO 3(s) 4, 2 g Ca. CO 3(s) 2, 5 g Seesand 1 Spatelspitze Mn. O 2(s) (Borsäure) (Kaliumcarbonat) (Natriumcarbonat) (Calciumcarbonat) (enthält Si. O 2(s)) (Braunstein) • Porzellanschale in den Simon-Ofen stellen und ca. 2 h 1. 000 °C glühen Müller lang bei

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 + Cr 2 O 3(s) → grüne Perle • Magnesiastäbchen + Phosphorsalz + Co 2 O 3(s) → blaue Perle • Magnesiarinne + Phosphorsalz + Cr 2 O 3(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, Schmelzen“ „unterkühlte

Eigenschaften von Glas Thermische Gespanntheit von Glas ist Bestandteil der heutigen Gesellschaft: Mehrschicht. Verbundglas 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 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- Summen. Gefahren. R-Sätze Schule kalie formel symbol Calciumfluorid (Flussspat) Schwefelsäure (konz. ) Fluorwasserstoffsäure (Flusssre. ) Siliciumtetrafluorid Ca. F 2(s) keine alle H 2 SO 4(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) Si. F 4(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 (Si. O 2(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- Summen. Gefahren. R-Sätze Schule kalie formel symbol Phenolphthalein C 20 H 14 O 4(l) 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, Redox. Reaktionen, . . .

Versuch 7: Oberfläche von Glas

Versuch 7: Oberfläche von Glas • Auswertung: – Gläser bilden an Phasengrenze zu 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 G 8 • 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: //vision 2 form. nl/glas_geschichte. html (30. 11. 2008) http: //benjamin. stangltaller. at/REISEN/BAERNBACH 96/Baernbach. Blaeser. 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/l 8 mimages/wacker_silizium. jpg (31. 11. 2008) http: //www. glaskunstwerkstatt. at/images/aetzung-detail. jpg (10. 12. 2008)