Festkörperchemie
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Festkörper spielen in der Chemie eine große Rolle und werden
im Unterricht der Sekundarstufen I und II an vielen Stellen behandelt.
Ein gesonderte Behandlung der Festkörperchemie als Block dürfte
aus Zeitgründen allerdings kaum möglich sein.
Folgende Unterrichtsgegenstände sind hierbei von Bedeutung:
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Metall-, Ionen- und Molekülgitter und Abgrenzung zu amorphen Feststoffen
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Bindungsverhältnisse in Gittern: metallische und ionische Bindung,
Dipol-Wechselwirkungen, van-der-Waals-Kräfte
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Elementarzellen: kubisch, tetragonal, rhomboedrisch, hexagonal, orthorhombisch,
monoklin, triklin
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Gittertypen: z.B. Cäsiumchlorid-, Natriumchlorid-, Zinkblende-, Kalkspat-Gitter
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Struktur-Eigenschaftsbeziehungen: z.B. Härte, Dichte, Schmelztemperatur,
Erweichungstemperatur
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Aufklärung von Festkörperstrukturen, z.B. Prinzip der Röntgenstrukturanalyse
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Metalle und Legierungen
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natürliche Mineralien
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anorganische und organische Pigmente: Metalloxide, -chromate, -sulfide,
Cyanokomplexe des Eisens, Phthalocyanine
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Kolloide: Gold- und Silberkolloide durch Reduktion aus entsprechenden Salzen,
Schwefelkolloide aus Natriumthiosulfatlösung, Bildung von Berliner-Blau;
Tyndall-Effekt
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Nanoteilchen
Kolloide haben eine Teilchengröße im Bereich von 100
bis zu 10000 nm, Pigmente liegen in etwa im gleichen Bereich. Nanoteilchen
haben dagegen eine Größe bis zu 100 nm. Der Übergang von
Nanoteilchen zu kolloidalen Teilchen und Pigmenten ist fließend.
Nanoteilchen besitzen spezielle chemische und physikalische Eigenschaften,
die deutlich von denen des Festkörpers oder größerer Partikel,
wie z.B. herkömmliche Pigmente, abweichen und als innovativ
angesehen werden.
Nanoteilchen können aus folgenden Materialien bestehen:
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Metalloxide: (Siliziumdioxid (SiO2), Titandioxid (TiO2),
Aluminiumoxid (Al2O3), Eisenoxid (Fe2O3)
oder (Fe3O4), Zinkoxid (ZnO), Magnesiumoxid (MgO)
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nichtoxidische Metallverbindungen: Titancarbid, Aluminiumnitrid, Siliciumcarbid,
Zinksulfid
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Halbleitermaterialien (z.B. Cadmiumtellurid, Cadmiumselenid, Silizium)
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Metalle (Gold, Silber, Kupfer)
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Fullerene
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Nanoröhren (zylinderförmige Graphitlagen)
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Carbon black (Rußpartikel)
Nanopartikel werden in vielen Bereichen verwendet, zum Teil überschneiden
sich die Anwendungsgebiete mit denen herkömmlicher Pigmente:
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Lacke mit hydrophobierenden Eigenschaften
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Lacke mit selbstreinigenden Eigenschaften (Lotuseffekt)
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Lacke und Oberflächen mit besonderen optischen Effekten (Lichtabsorption
und -reflektion)
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Verbesserung der Oberflächeneigenschaften von Textilien (Imprägnierung,
Erhöhung der Faserstärke)
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Glasoberflächen (selbstreinigende Gläser und UV-Schutz)
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Oberflächen von Baustoffen (hydrophobierende Versiegelung und selbstreinigende
Effekte)
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photokatalytische Schichten und sonstige Katalysatoren
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antimikrobielle Beschichtungen und Wirkungen (z.B. in Kosmetika, Seifen,
Verpackungsmaterialien)
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superparamagnetische Materialien
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Medizin: Nano-Krebstherapie
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kosmetische Produkte: Sonnencremes mit UV-Schutz, Deodorants und Zahnpasten können
Nanopartikel
enthalten, wie Titandioxid und Aluminiumoxid.
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Lebensmittel: Verdickungsmittel, Mittel zur Aufhellung, gegen Verklumpung
pulverförmiger Lebensmittel
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Kompositmaterialien (Verstärkung von Carbonfaserstrukturen, Füllstoffe)
Kritiker führen folgende mögliche Risiken an:
Nanopartikel können auf Grund ihrer kleinen Ausmaße über
die Haut, die Atemwege (wie z.B. Rußpartikel, Feinstaub) und über
den Magen-Darm-Trakt in den Körper aufgenommen werden und verteilen
sich dort über den Blutkreislauf im gesamten Organismus. Die Ablagerung
von Nanopartikeln in bestimmten Geweben und Organen und deren potentielle
Fähigkeit Radikale zu bilden, kann möglicherweise zu akuten Zell-
und Organschädigungen oder zu allergischen Reaktionen führen. Der Kontakt mit synthetisch hergestellten
Nanopartikeln erfolgt entweder über die Verwendung nanopartikelhaltiger
Produkte (wie einige Sonnencremes, bestimmte antimikrobielle Desinfektionssprays,
Farben und Lacke) oder durch eine mögliche Exposition bei der Herstellung
im Labor. So ist es z.B. ein Problem, mit Filtern Nanopartikel vollständig zu
absorbieren. Die Gefahr des Eintrags von Nanopartikeln in die Natur und somit
in Nahrungsketten birgt Risiken für alle Lebewesen, die mit den Partikeln
in Kontakt kommen.
Insofern eignet sich wegen der kontroversen Diskussion die unterrichtliche
Behandlung des Themas Nanochemie, wie z.B. auch die Gentechnologie im Biologieunterricht,
unter der Zielsetzung der kritischen Auseinandersetzung mit industriellen
Produkten unter Einbindung geeigneter Methoden selbstständigen Arbeitens
(z.B. Referate, Gruppenarbeit).
Literatur:
- Nanomaterialien im Alltag, Praxis der Naturwissenschaften - Chemie in
der Schule 1/2006
- Kolloide, Praxis der Naturwissenschaften - Chemie in der Schule 7/2006
- Internet: Wikipedia
- Synthetische Nanomaterialien - Risikobeurteilung und Risikomanagement,
Eidgenössisches Bundesamt für Umwelt (BAFU) 2007, www.umwelt-schweiz.ch