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Hydrophobe Eigenschaften von Siliconölen/Variante
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Materialien, Chemikalien, Zeitbedarf |
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- Tropfpipette
- verschiedene saubere Oberflächen:
- Glas
- Kupferplatte
- Bierdeckel
- Papiertaschentuch
- Polyethylenplatte
- Polyvinylchloridplatte
- Holzplatte
- Kerze
Für die verschiedenen Oberflächen ist mit einem Zeitbedarf
von ca. 10 Minuten zu rechnen. |
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Versuchsdurchführung und -beobachtung |
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Die verschiedenen Oberflächen
werden partiell mit den jeweiligen Ölen gleichmäßig
bestrichen. Zusätzlich wird ein Pappdeckel mit einer Kerzenwachsschicht
überzogen. Dann wird sowohl auf die behandelten als auch auf
die unbehandelten Oberflächen ein Tropfen Wasser gegeben.
Wie man auf den Fotos erkennen kann, bilden die Wassertropfen auf
den siliconisierten Oberflächen und auf dem mit Kerzenwachs behandelten
Pappdeckel einen vergleichsweise runden Tropfen und verlaufen nicht.
Von der Seite betrachtet stehen die Tropfen auf behandelten Oberflächen
deutlich höher als auf den unbehandelten Oberflächen. |
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unbehandelte
Glasoberfläche |
siliconisierte
Glasoberfläche |
mit Glycerin behandelte
Glasoberfläche |
mit Kerzenwachs über-
zogener Pappdeckel |
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Das
Wasser wird von den mit Silicon behandelten Oberflächen wesentlich
langsamer eingesaugt als bei den unbehandelten Oberflächen.
Eine Bestimmung des Berührungswinkels ist mit dem bloßem
Auge nicht möglich.
Auf den mit Glycerin behandelten Oberflächen verlaufen die
Wassertropfen dagegen sehr stark und werden schnell eingesaugt.
So wird z.B. die wasserabweisende Wirkung einer mit Ethanol gründlich
gereinigten Kupferplatte durch Glycerin deutlich herabgesetzt. Im
Gegensatz dazu wird durch das Siliconöl die wasserabweisende
Wirkung wiederum erhöht. |
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unbehandelte Kupferplatte
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mit Glycerin behandelte Kupferplatte |
mit Siliconöl behandelte
Kupferplatte |
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3
Versuchsauswertung |
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| Wie die Beobachtungen
zeigen, besitzen die mit Siliconöl behandelten Oberflächen
einen deutlich höheren wasserabweisenden Effekt als die unbehandelten
Oberflächen. Dies zeigt sich in der deutlichen Zunahme des Berührungswinkels.
Die Silicon-Moleküle richten sich auf Oberflächen mit polaren
Zentren wie Glas, Baustoffen oder Textilien spontan so aus, dass die
Methyl-Gruppen von der Oberfläche wegweisen. Diese bewirken das
hydrophobe (wasserabweisende) Verhalten der behandelten Oberflächen. |
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| Die
gute Haftbarkeit von Siliconölen auf Glas, Baustoffen und Textilien
ist auf die strukturelle Verwandtschaft dieser Oberflächen mit
den Siliconen zurückzuführen. Die negativ polarisierten
Sauerstoff-Atome aus den Silicon-Molekülen bilden elektrostatische
Anziehungskräfte zu Kationen aus Glas bzw. Wasserstoffbrückenbindungen
mit -OH Gruppen aus der Cellulose im Papier aus (vgl. die beiden Skizzen). |
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| Wechselwirkungen
zwischen Cellulose und Siliconöl |
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Die
hydrophoben Eigenschaften des mit Kerzenwachs behandelten Pappdeckels
sind dadurch zu erklären, dass "Kerzenwachs" eigentlich
festes Paraffin ist, d.h. ein Gemisch aus gesättigten aliphatischen
Kohlenwasserstoffen. Diese bestehen aus unpolaren Molekülen,
die ebenso wie die Methylgruppen des Siliconöls hydrophob wirken.
Sie bilden nur sehr geringe Wechselwirkungskräfte mit den Wasser-Molekülen,
so dass Wasser im Tropfen bleibt und das Paraffin nicht benetzt.
Paraffin gilt allgemein als das am stärksten ausgeprägte
hydrophobe Mittel. Im Unterschied zu den Siliconölen haften Paraffine
aber nicht so gut auf einer Oberfläche aus Stein, Glas oder Papier
und können z.B. durch Abkratzen entfernt werden.
Als weiterer großer Vorteil im Vergleich zu Paraffinen erweist
sich, dass die Siliconfilme, aufgrund ihrer geringen Oberfächenspannung,
sehr spreitungsfähig sind und dadurch die hydrophoben Effekte
mit viel geringeren Substanzmengen erzielt werden können. Im
Gegensatz zu Paraffinen verändern Siliconöle die Oberflächeneigenschaften
wie z.B. das Aussehen und die Atmungsfähigkeit des Materials
kaum.
Die erhöhten hydrophilen Eigenschaften der mit Glycerin behandelten
Oberflächen lassen sich mit der Struktur des Glycerins erklären.
Das Glycerin-Molekül C3H5(OH)3 verfügt über drei Hydroxyl-Gruppen, die Wasserstoffbrückenbindungen
mit Wasser-Molekülen ausbilden. Daher ist Glycerin mit Wasser
unbegrenzt mischbar. |
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Erweiterte
Versuchsauswertung
Mit Hilfe einer Kamera, einem Computer und einem Bildverarbeitungsprogramm
kann auch der Berührungswinkel, wie rechts gezeigt, bestimmt
werden. |
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| Bei einem Referenzversuch wurden folgende
Ergebnisse erhalten: |
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| Art
der Oberfläche |
Berührunsgwinkel
für Wassertropfen |
Literaturwert |
| siliconisierte Glasoberfläche |
ca. 103° |
100-110° |
| Kupferplatte |
ca.74 ° |
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| Polyethylen |
ca. 95° |
ca. 95° |
| Paraffine |
ca. 103° |
ca. 105° |
| Glas (entfettet) |
ca. 35° |
0° |
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| Wie man erkennen kann,
stimmen die Ergebnisse, bis auf Glas, gut mit den Literaturwerten
überein. Ursache für die Abweichung beim Glas könnte
Schmutz auf der Glasoberfläche sein. |
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4
Tipps und Anmerkungen |
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- Zur genauen Bestimmung des Berührungswinkels sollte eine
Kamera Verwendung finden. Mit Hilfe eines Computers kann dann
der Winkel relativ gut bestimmt werden.
- Durch Färben des Wassertropfens mit dem Farbstoff Methylenblau
können die Konturen des Wassertropfens verschärft und
somit die Beobachtung erleichtert werden. Dies ist besonders für
die Bestimmung des Berührungswinkels mit Hilfe der Kamera
nützlich.
- Nach "Einbrennen" des Siliconöls auf Glas, kann
das Siliconöl mit einem Papiertuch abgerieben werden, so
dass die Beschichtung nahezu nicht mehr sichtbar ist. Dennoch
läßt sich der Effekt beobachten.
Zum Einbrennen wird das siliconisierte Glas gründlich gereinigt
und ca. 15 bis 20 Minuten auf über 100 °C trocken erhitzt.
- Der Versuch ist qualitativ (ohne Kamera) einfach und schnell
durchzuführen. Der Versuch ist daher gut geeignet, die hydrophobierenden
Eigenschaften von Siliconen und insbesondere von Siliconölen
zu demonstrieren. Die qualitative Bestimmung des Berührungswinkels
mit der Kamera ist relativ zeitaufwändig und bringt keine
wesentlich neuen Aspekte, da das Ergebnis auch qualitativ richtig
zu interpretieren ist.
- Durch den Vergleich der Molekülstrukturen von Siliconöl,
Glycerin und Paraffin können die unterschiedlichen Stoffeigenschaften
sehr gut gedeutet werden. Dadurch wird insbesondere die sehr wichtige
Relation zwischen Teilchenstruktur und Stoffeigenschaft in den
Unterricht miteinbezogen.
- Im Chemieunterricht der Sekundarstufe I könnte der Versuch
z.B. bei Erarbeitung der Begriffe hydrophob und hydrophil eingesetzt
werden. Ein Einsatz innerhalb des projektorientierten Themas wäre
ebenfalls möglich.
- In der Sekundarstufe II können die Schüler ihre bereits
erworbenen Kenntnisse über Teilchenstruktur und Stoffeigenschaften
(Hydrophobie von Alkanen) zur Interpretation des Ergebnisses heranziehen
und vertiefen. Gerade in der Baustoffindustrie ist die hydrophobierende
Eigenschaft von Siliconöl, z.B. zum Schutz von Baudenkmälern
sehr wichtig (vgl. "Silicone
für den Bau").
- Da der Versuch einfach und ungefährlich
ist, eignet er sich gut als Schülerversuch. Um Zeit zu sparen,
wäre es dabei sinnvoll, die Schüler in Gruppen einzuteilen
und jede Gruppe eine verschiedene Oberfläche untersuchen
zu lassen
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5
Ergänzende Sachinformationen |
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Die organischen Methylgruppen in den
Siliconen bewirken einen stark hydrophoben (wasserabstoßenden)
Effekt, da die Wechselwirkungen zwischen den Methylgruppen und den
Wassermolekülen äußerst gering sind.
Ein Maß für die hydrophoben Eigenschaften eines Materials
ist die Benetzungstendenz, d.h. die Fähigkeit von Flüssigkeiten
(hier Wasser), mit Festkörpern eine Grenzfläche auszubilden.
Die Benetzungstendenz lässt sich aus der Bestimmung des Berührungswinkels θ, den das Wasser mit der festen Oberfläche
bildet, ableiten. Je größer der Berührungswinkel ist,
desto kleiner sind die Wechselwirkungen zwischen dem Festkörper
und dem Wasser. |
Berührungslwinkel  eines
Wassertropfens auf
einer (hydrophoben) Oberfläche |
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