Synthese von Opalen - Georg-Kerschensteiner-Schule

Abschließende Projektberichte des
Sokrates-Comenius-Projekts
Synthese von Opalen
an der Georg-Kerschensteiner Schule, Müllheim/Baden
Stefan Müller Ж , Otto Schäfer Ш
Ж : Albert-Ludwigs Universität, Freiburg, Ш : Georg-Kerschensteiner Schule, Müllheim
2005-2007
Müllheim im August 2007

Aus urheberrechtlichen Gründen gekürzte Ausgabe 2008
© 2007-2008 Stefan Müller und Otto Schäfer
Alle Rechte vorbehalten.

Einleitung
Seite 7 – 46
Synthese von Opalen
Stefan Müller, Otto Schäfer
Seite 47 – 78
Berechnung von Modellen der 32 Kristallklassen und
Entwurf von Bastelvorlagen
Stefan Müller (Ed.), Otto Schäfer
Seite 79 – 176 (aus Urheberrechtsgründen in diesem Dokument nicht enthalten)
Berechnung von Modellen verschiedener Quarz-,
Orthoklas- und Calcitkristallen
Stefan Müller (Ed.), Otto Schäfer
Seite 177 – 276 (aus Urheberrechtsgründen in diesem Dokument nicht enthalten)
3D-Visualisierung von Silikatstrukturen
Stefan Müller (Ed.), Otto Schäfer
Seite 277 – 296 (aus Urheberrechtsgründen in diesem Dokument nicht enthalten)
Züchtung von Seignettesalzeinkristallen
Pascale Baumann, Thekla Bergemann, Astrid Jurischka, Johannes Bernauer, Matthias Geiger,
Stefan Müller (Ed.), Otto Schäfer
Seite 297 – 338 (Teile aus Urheberrechtsgründen in diesem Dokument nicht enthalten)

Züchtung von Alauneinkristallen und Untersuchung
von Habitusänderungen an Alaunkristallen
Fabian Ambil, Sebastian Grether, Tobias Jerabek, Jens Tietjen, Stefan Müller (Ed.),
Otto Schäfer
Seite 339 – 310 (Teile aus Urheberrechtsgründen in diesem Dokument nicht enthalten)
Der Kugelwachstumsversuch an Alaun-und
Seignettesalzeinkristallen – in-silico Berechnung der
Ergebnisse
Ramona Heitz, Helge Höck, Yannick Linke, Stefan Müller (Ed.), Otto Schäfer
Seite 411 – 452
Züchtung von Triglycinsulfateinkristallen – Arbeiten
zum Bau eines IR-Detektors
Karim Aly, Cornelius Dorner, Stefan Meier, Arthur Wiens, Stefan Müller (Ed.), Otto Schäfer
Seite 453 – 478 (Teile aus Urheberrechtsgründen in diesem Dokument nicht enthalten)
Züchtung von Einkristallen des α-D-Glucose-
Natriumchlorid-Wasser (2/1/1) Komplexes
Florian Fuchs, Tilo Sichler, Hakan Bilgic, Stefan Müller (Ed.), Otto Schäfer
Seite 479 – 504 (Teile aus Urheberrechtsgründen in diesem Dokument nicht enthalten)
Züchtung von Calciumtartrateinkristallen im Kieselgel
Tobias Elsässer, Daniel Grozinger, Bernd Henrich, Marc Lais, Stefan Müller (Ed.), Otto Schäfer
Seite 505 – 522

Entwicklung von Bausätzen für die technikbezogene Didaktik
Detektorradio mit Pyritgleichrichter
Stefan Müller (Ed.), Otto Schäfer
Seite 523 – 542
Entwicklung von Bausätzen für die technikbezogene Didaktik
Apparatur zur Demonstration des Piezoeffekts
Stefan Müller (Ed.), Otto Schäfer
Seite 543 – 560

Abschließender Projektbericht des
Sokrates-Comenius-Projekts
Synthese von Opalen
an der Georg-Kerschensteiner Schule, Müllheim/Baden
Stefan Müller Ж (Ed.), Otto Schäfer Ш
Ж : Albert-Ludwigs Universität, Freiburg, Ш : Georg-Kerschensteiner Schule, Müllheim
2005-2007
Müllheim im August 2007
Seite 7 von 560

2 Vorwort
Vorwort
Diese Abhandlung präsentiert kurz – etwas untertrieben für ca. 500 Seiten – die
Ergebnisse unser Projektarbeit an der Georg-Kerschensteiner Schule in Müllheim, die
im Rahmen eines Sokrates-Comenius-Projekts1 in den Jahren 2005-2007 erarbeitet
wurden. Das Hauptziel besagten Projektes bestand in der Realisierung einer
synthetischen Herstellung von Opalen mit all den damit verbundenen Forschungen. 2
Um diese Aufgabe zu Schultern arbeiteten drei Schulen aus drei Ländern der
Europäischen Union mit insgesamt 54 Schülern an diesem Projekt mit. Die einzelnen
Schulen waren das Lycée d'enseignement général et technologique Louis Armand3 ,
Mulhouse/Frankreich, das Berzsenyi Dániel Gimnázium4 , Budapest/Ungarn und die
Georg-Kerschensteiner Schule5 , Müllheim/Deutschland.
1 Sokrates: gemeinschaftliches Aktionsprogramm im Bereich der allgemeinen Bildung (2000-2006) der
Europäischen Union; Comenius: Europäische Zusammenarbeit auf dem Gebiet der Schulbildung.
2 http://copal ms-dev.de/
3 http://www.louis-armand.uha.fr/
4 http://www.berzsenyi hu/
5 http://www.gks.fr.bw.schule.de/
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Inhaltsverzeichnis 3
Inhaltsverzeichnis
Vorwort............................................................................................................................ 2
Inhaltsverzeichnis ........................................................................................................... 3
Abbildungsverzeichnis.................................................................................................... 4
Abkürzungsverzeichnis .................................................................................................. 5
1 Einleitung ............................................................................................................. 6
2 Zeitlicher Ablauf.................................................................................................. 7
2.1 Erstes Projekttreffen .............................................................................................. 7
2.2 Erste Erfolge in der Opalsynthese ......................................................................... 9
2.3 Zweites Projekttreffen ......................................................................................... 10
2.4 Synthese des ersten Opals ................................................................................... 11
2.5 Verarbeitung der synthetischen Opale zu Schmuck............................................ 13
2.6 Drittes Projekttreffen........................................................................................... 14
2.7 Abschlusstreffen.................................................................................................. 16
3 Die Projektberichte der Georg-Kerschensteiner Schule, Müllheim............. 18
4 Der Betreuerstab ............................................................................................... 21
5 Die Schüler ......................................................................................................... 23
6 Die Unterstützer................................................................................................. 26
7 Literaturverzeichnis.......................................................................................... 27
8 Anhang................................................................................................................ 28
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4 Abbildungsverzeichnis
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1: Schülerinnen und Schüler beim Bau einer Apparatur zur
Demonstration des Piezoeffekts............................................................................ 7
Abbildung 2: Untersuchung einer der ersten Sedimentproben mit dem
Rasterelektronenmikroskop am Kristallographischen Institut der Universität
Freiburg................................................................................................................. 8
Abbildung 3: Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme einer der Proben. Gut zu
erkennen sind die Silikatnanokugeln mit homogener Durchmesserverteilung..... 8
Abbildung 4: Besuch des Lycée d'enseignement général et technologique Louis
Armand in Mulhouse. ........................................................................................... 9
Abbildung 5: Opaleszierendes Sediment in einem Reagenzglas. ................................... 9
Abbildung 6: Hochgeordnete Struktur der Silikatnanokugeln in einem
opaleszierenden Sediment................................................................................... 10
Abbildung 7: Interview im ungarischen Parlament....................................................... 11
Abbildung 8: Erster synthetischer Opal. ....................................................................... 11
Abbildung 9: Astrid Jurischka (Müllheim) an unserem Trocknungsautoklaven für
die Trocknung der opaleszierenden Sedimente. ................................................. 12
Abbildung 10: Hoch geordnete Struktur eines verfestigten Sediments. Gut zu
erkennen ist die Füllung der Lücken zwischen den Silikatnanokugeln.............. 12
Abbildung 11: Synthetischer Opal. (Abb. 10 zeigt dessen strukturellen Aufbau) ........ 13
Abbildung 12: Schmuckanhänger mit einem synthetischen Opal................................. 13
Abbildung 13: Projektteilnehmer/innen bei der Laborarbeit......................................... 14
Abbildung 14: Arbeiten am Rasterelektronenmikroskop am Centre National de la
Recherche Scientifique in Mulhouse................................................................... 15
Abbildung 15: Die Projektteilnehmer beim Besuch des Europaparlaments in
Straßburg............................................................................................................. 15
Abbildung 16: Projektteilnehmerinnen mit Projekt-T-Shirt bei der
Projektpräsentation.............................................................................................. 16
Abbildung 17: Projektpräsentation vor geladenen Gästen. ........................................... 16
Die rasterelektronenmikroskopischen Aufnahmen wurden von Herrn Dr. J. Bibus oder
Frau K. Wilker angefertigt.
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Abkürzungsverzeichnis 5
Abkürzungsverzeichnis
TGS Triglycinsulfat
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6 1 Einleitung
1 Einleitung
Die Schüler an der Georg-Kerschensteiner Schule sollten mit dem Arbeiten in einem
internationalen und gemeinschaftlichem Umfeld, sowie naturwissenschaftlichen Denk-
und Arbeitsweisen vertraut gemacht werden. Die Organisation sah vor, dass die Schüler
in kleinen Gruppen (bis zu 5 Mitgliedern) an einem kleinen wissenschaftlichen Projekt
neben dem Hauptprojekt über zwei Jahre arbeiten sollten. Es wurden sechs solcher
Projektgruppen gebildet, denen unterschiedliche Aufgaben übertragen wurden:
- Alaun: Züchtung von Alauneinkristallen und Untersuchung von Habitusänderungen an
Alaunkristallen.
- Seignettesalz: Synthese von Seignettesalz aus Weinstein und Züchtung von
Seignettesalzeinkristallen, Untersuchungen zur Habitusänderung an Seignettesalzkristallen,
sowie dem Bau von Apparaturen zur Demonstration des Piezoeffekts.
- TGS: Synthese von Triglycinsulfat (TGS) und Züchtung von TGS-Einkristallen, sowie dem Bau
eines pyroelektrischen Konverters.
- Natriumchlorid: Züchtung von Natriumclorid-Glucose-Kristallen und deren Analyse.
- Calciumtartrat: Züchtung von Kalziumtartrateinkristallen in einer Kieselgelmatrix.
- Kugelwachstumsversuch: Durchführung und in-silico-Simulation des Kugelwachstumsversuchs.
Diese Abhandlung besteht aus 13 unabhängigen Berichten zu obigen Projektarbeiten
sowie anderen Arbeitsgebieten.
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2 Zeitlicher Ablauf 7
2 Zeitlicher Ablauf
Eine detailliertere Version des zeitlichen Ablaufs unseres Projekts kann auf
http://copal.ms-dev.de nachgelesen werden.
Im September 2005 - mit dem Beginn des Schuljahres - startete unser Sokrates-
Comenius-Projekt. Mit den Vorbereitungen zum ersten Projekttreffen in Müllheim.
2.1 Erstes Projekttreffen
Das erste Projekttreffen der beteiligten Betreuer und Projektbotschaftern aus den Reihen
der Schüler fand vom 17.10. bis zum 21.10.2005 an der Georg-Kerschensteiner Schule
in Müllheim statt.
Abbildung 1: Schülerinnen und Schüler beim Bau einer Apparatur zur Demonstration des
Piezoeffekts.
Höhepunkte dieses Treffens waren u. a. der Bau einer Apparatur zur Demonstration des
Piezoeffekts (Abb. 1) und eines Detektorradios (beide Bauanleitungen sind in dieser
Abhandlung enthalten) durch alle beteiligten Schüler.
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8 2 Zeitlicher Ablauf
Außerdem begannen die experimentellen Arbeiten zur Opalsynthese und die
Untersuchung der ersten Proben am Rasterelektronenmikroskop am
Kristallographischen Institut der Universität Freiburg (Abb. 2 und 3), sowie der ein
Besuch des Lycée d'enseignement général et technologique Louis Armand in Mulhouse
(Abb. 4).
Abbildung 2: Untersuchung einer der ersten Sedimentproben mit dem
Rasterelektronenmikroskop am Kristallographischen Institut der Universität Freiburg.
Abbildung 3: Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme einer der Proben. Gut zu erkennen
sind die Silikatnanokugeln mit homogener Durchmesserverteilung
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2 Zeitlicher Ablauf 9
Abbildung 4: Besuch des Lycée d'enseignement général et technologique Louis Armand in
Mulhouse.
2.2 Erste Erfolge in der Opalsynthese
Im März 2006 ernteten wir die ersten Früchte der Forschungen zur Opalsynthese. Es
gelang opaleszierende Sedimente zu erhalten (Abb. 5), und eine hoch geordnete
Anordnung der Silikatnanokugeln in diesen Sedimenten nachzuweisen.
Abbildung 5: Opaleszierendes Sediment in einem Reagenzglas.
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10 2 Zeitlicher Ablauf
Abbildung 6: Hochgeordnete Struktur der Silikatnanokugeln in einem opaleszierenden
Sediment.
2.3 Zweites Projekttreffen
Das zweite Projekttreffen fand zwischen dem 02.04. und 07.04.2006 in Budapest am
Berzsenyi Dániel Gimnázium statt. Dieses Treffen war zweifellos für alle Beteiligten
ein unvergessliches Erlebnis. Höhepunkte dieses Treffens waren neben
Projektpräsentationen zur bisherigen Arbeit auch zweifelsohne der Besuch des
ungarischen Parlaments (Abb. 7) und des Balatons. Über dieses Treffen wurde sogar im
ungarischen Fernsehen berichtet.
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2 Zeitlicher Ablauf 11
Abbildung 7: Interview im ungarischen Parlament.
Dieses Treffen dokumentierte, dass unsere Projektarbeit auf einem guten Weg war und
man, die gesteckten Ziele erreichen kann.
2.4 Synthese des ersten Opals
Im Juni 2006 erreichten wir mit der Synthese eines Opals (Abb. 8) unser Ziel, und
hatten nun noch ein Jahr der Optimierung der Synthese vor uns.
Abbildung 8: Erster synthetischer Opal.
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12 2 Zeitlicher Ablauf
Abbildung 9: Astrid Jurischka (Müllheim) an unserem Trocknungsautoklaven für die Trocknung
der opaleszierenden Sedimente.
Es gelang die erhaltenen opaleszierenden Sedimente zu trocknen (Abb. 9), bis zur
Schleifbarkeit zu verfestigen (Abb. 10) und weitere Opale zu synthetisieren.
Abbildung 10: Hoch geordnete Struktur eines verfestigten Sediments. Gut zu erkennen ist die
Füllung der Lücken zwischen den Silikatnanokugeln.
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2 Zeitlicher Ablauf 13
Abbildung 11: Synthetischer Opal. (Abb. 10 zeigt dessen strukturellen Aufbau)
2.5 Verarbeitung der synthetischen Opale zu Schmuck
Die während der Projektarbeit erhaltenen synthetischen Opale wiesen im Oktober 2006
eine derart hohe Qualität auf, dass man sie zu Schmuck verarbeiten konnte (Abb. 12).
Abbildung 12: Schmuckanhänger mit einem synthetischen Opal.
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14 2 Zeitlicher Ablauf
2.6 Drittes Projekttreffen
Das dritte Projekttreffen fand zwischen 16.10. und 20.10.2006 in Mulhouse am Lycée
d'enseignement général et technologique Louis Armand statt. Dieses Treffen stand ganz
im Zeichen der Analytik unserer synthetischen Opale, sowie der Optimierung der
Synthesevorschriften (Abb. 13).
Abbildung 13: Projektteilnehmer/innen bei der Laborarbeit.
Einer der Höhepunkte dieses Treffens war der Besuch des Centre National de la
Recherche Scientifique in Mulhouse, an dem unsere Opale analysiert wurden (Abb. 14)
und des Europaparlaments in Straßburg. Dieses Treffen war ebenso wie das zweite
Treffen bestens organisiert und ein voller Erfolg. Es bereitete den Weg zum
Abschlusstreffen in Müllheim.
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2 Zeitlicher Ablauf 15
Abbildung 14: Arbeiten am Rasterelektronenmikroskop am Centre National de la Recherche
Scientifique in Mulhouse.
Abbildung 15: Die Projektteilnehmer beim Besuch des Europaparlaments in Straßburg.
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16 2 Zeitlicher Ablauf
2.7 Abschlusstreffen
Das Abschlusstreffen fand zwischen dem 12.03. und dem 16.03.2007 an der Georg-
Kerschensteiner Schule in Müllheim statt.
Abbildung 16: Projektteilnehmerinnen mit Projekt-T-Shirt bei der Projektpräsentation.
Während dieses Treffens wurden die Ergebnisse des Projekts vor geladenen Gästen aus
der Politik, der Schulverwaltung und der Presse vorgestellt.
Abbildung 17: Projektpräsentation vor geladenen Gästen.
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2 Zeitlicher Ablauf 17
Weitere Höhepunkte waren der Besuch der Firma SICK in Waldkirch und des
Museums-Bergwerks Schauinsland. Dieses Treffen vermittelte sehr gut den Umfang der
geleisteten Arbeit, der schier überwältigend war.
Allen Beteiligten Unterstützerinnen/Unterstützern und Sponsoren kann an dieser Stelle
nicht genug gedankt werden.
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18 3 Die Projektberichte der Georg-Kerschensteiner Schule, Müllheim
3 Die Projektberichte der Georg-Kerschensteiner
Schule, Müllheim
Wie bereits erwähnt wurden an der Georg-Kerschensteiner Schule in Müllheim sechs
Projektgruppen gebildet, in denen die Schüler neben der Arbeit zur Opalsynthese an
einem kleinen Forschungsprojekt arbeiten sollten. Diese Gruppen waren:
- Alaun: Züchtung von Alauneinkristallen und Untersuchung von Habitusänderungen an
Alaunkristallen.
- Seignettesalz: Synthese von Seignettesalz aus Weinstein und Züchtung von
Seignettesalzeinkristallen, Untersuchungen zur Habitusänderung an Seignettesalzkristallen,
sowie dem Bau von Apparaturen zur Demonstration des Piezoeffekts.
- TGS: Synthese von Triglycinsulfat (TGS) und Züchtung von TGS-Einkristallen, sowie dem Bau
eines pyroelektrischen Konverters.
- Natriumchlorid: Züchtung von Natriumclorid-Glucose-Kristallen und deren Analyse.
- Calciumtartrat: Züchtung von Kalziumtartrateinkristallen in einer Kieselgelmatrix.
- Kugelwachstumsversuch: Durchführung und in-silico-Simulation des Kugelwachstumsversuchs.
Die Arbeitsanweisungen für diese Gruppen sind im Anhang zu finden.
Die Ergebnisse dieser Projektarbeit, die Ergebnisse zur Opalsynthese und einige weitere
Projektberichte sind in dieser Abhandlung zusammengefasst. Die einzelnen Berichte
sind:
Synthese von Opalen
Stefan Müller, Otto Schäfer
Seite 47 – 78
Berechnung von Modellen der 32 Kristallklassen und
Entwurf von Bastelvorlagen
Stefan Müller (Ed.), Otto Schäfer
Seite 79 – 176
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3 Die Projektberichte der Georg-Kerschensteiner Schule, Müllheim 19
Berechnung von Modellen verschiedener Quarz-,
Orthoklas- und Calcitkristallen
Stefan Müller (Ed.), Otto Schäfer
Seite 177 – 276
3D-Visualisierung von Silikatstrukturen
Stefan Müller (Ed.), Otto Schäfer
Seite 277 – 296
Züchtung von Seignettesalzeinkristallen
Pascale Baumann, Thekla Bergemann, Astrid Jurischka, Johannes Bernauer, Matthias Geiger,
Stefan Müller (Ed.), Otto Schäfer
Seite 297 – 338
Züchtung von Alauneinkristallen und Untersuchung
von Habitusänderungen an Alaunkristallen
Fabian Ambil, Sebastian Grether, Tobias Jerabek, Jens Tietjen, Stefan Müller (Ed.),
Otto Schäfer
Seite 339 – 310
Der Kugelwachstumsversuch an Alaun-und
Seignettesalzeinkristallen – in-silico Berechnung der
Ergebnisse
Ramona Heitz, Helge Höck, Yannick Linke, Stefan Müller (Ed.), Otto Schäfer
Seite 411 – 452
Seite 25 von 560

20 3 Die Projektberichte der Georg-Kerschensteiner Schule, Müllheim
Züchtung von Triglycinsulfateinkristallen – Arbeiten
zum Bau eines IR-Detektors
Karim Aly, Cornelius Dorner, Stefan Meier, Arthur Wiens, Stefan Müller (Ed.), Otto Schäfer
Seite 453 – 478
Züchtung von Einkristallen des α-D-Glucose-
Natriumchlorid-Wasser (2/1/1) Komplexes
Florian Fuchs, Tilo Sichler, Hakan Bilgic, Stefan Müller (Ed.), Otto Schäfer
Seite 479 – 504
Züchtung von Calciumtartrateinkristallen im Kieselgel
Tobias Elsässer, Daniel Grozinger, Bernd Henrich, Marc Lais, Stefan Müller (Ed.), Otto Schäfer
Seite 505 – 522
Entwicklung von Bausätzen für die technikbezogene Didaktik
Detektorradio mit Pyritgleichrichter
Stefan Müller (Ed.), Otto Schäfer
Seite 523 – 542
Entwicklung von Bausätzen für die technikbezogene Didaktik
Apparatur zur Demonstration des Piezoeffekts
Stefan Müller (Ed.), Otto Schäfer
Seite 543 – 560
In diesen Abhandlung sind nur die wichtigsten Ergebnisse kurz zusammengefasst. Viele
Dinge konnten nicht in diese Berichtsammlung aufgenommen werden, da dies jeden
vernünftigen Rahmen gesprengt hätte.
Seite 26 von 560

4 Der Betreuerstab 21
4 Der Betreuerstab
Organisation und Koordination
Reinhold Berger
stellvertretender Schulleiter der Georg-Kerschensteiner Schule, Müllheim,
Deutschland
Fachliche Betreuung
Dr. Joachim D. H. Bibus
VITA Zahnfabrik
Bad Säckingen, Deutschland
Dibusz Anikó
Deutsch
Berzsenyi Dániel Gimnázium, Budapest, Ungarn
Anne Dupuis
Mathematik
Lycée d'enseignement général et technologique Louis Armand, Mulhouse,
Frankreich
Iványiné Batta Beáta
Chemie
Berzsenyi Dániel Gimnázium, Budapest, Ungarn
Evelyne Marin
Deutsch
Lycée d'enseignement général et technologique Louis Armand, Mulhouse,
Frankreich
Seite 27 von 560

22 4 Der Betreuerstab
Jean-Pierre Marquigny
Chemie/Physik
Lycée d'enseignement général et technologique Louis Armand, Mulhouse,
Frankreich
Dipl. Chem. Stefan Müller
Chemie/Informatik
Institut für Organische Chemie und Biochemie
Albert-Ludwigs Universität, Freiburg, Deutschland
OStR Otto Schäfer
Chemie
Georg-Kerschensteiner Schule, Müllheim, Deutschland
Elisabeth Schillinger
Deutsch
Lycée d'enseignement général et technologique Louis Armand, Mulhouse,
Frankreich
Brigitte Weitz
Französisch
Georg-Kerschensteiner Schule, Müllheim, Deutschland
Karin Wilker
Kristallographisches Institut
Albert-Ludwigs Universität, Freiburg, Deutschland
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5 Die Schüler 23
5 Die Schüler
Georg-Kerschensteiner Schule, Müllheim, Deutschland
Fabian Ambil
Karim Aly
Pascale Baumann
Thekla Bergemann
Johannes Bernauer
Hakan Bilgic
Cornelius Dorner
Tobias Elsässer
Florian Fuchs
Matthias Geiger
Sebastian Greter
Daniel Grozinger
Ramona Heitz
Bernd Henrich
Helge Höck
Tobias Jerabek
Astrid Jurischka
Marc Lais
Yannick Linke
Stefan Meier
Tilo Sichler
Jens Titjen
Arthur Wiens
Florian Wunderlin
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24 5 Die Schüler
Lycée d'enseignement général et technologique Louis Armand, Mulhouse,
Frankreich
Eve Baldeck
Antoine Bourderont
Marc Burkard
Audrey Camillieri
Olivier Duverger
Débora Galloni
Christophe Marcot
Allison Roch
Gulay Sengonul
Mikaël Souiki
Michel Tang
Anthireya Yoganathan
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5 Die Schüler 25
Berzsenyi Dániel Gimnázium, Budapest, Ungarn
Alföldi Boldizsár
Boglári Dániel
Borsos Dóra
Burger Mátyás
Dobos Blanka
Echeff Alexis
Fitter Alexandra
Kátai Péter
Kiss Csaba
Kiss Orsolya
Molnár Szilvia
Németh Hanna
Pap Réka
Pothorszky Szilárd
Puszta András
Rimóczi Balázs
Tóth Zsófia
Mitropulosz Vaszilisz
Nagygyörgy Viola
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26 6 Die Unterstützer
6 Die Unterstützer
Förderverein der Georg-Kerschensteiner Schule
Fonds der chem. Industrie
Freudenberg Gruppe, Weinheim
Sick AG, Waldkirch
Weiter wurde dieses Projekt unterstützt von:
Dr. J. Bibus, Vita Zahnfabrik, Bad Säckingen
Juwelier Lüdtke, Münstertal
Fritz Schmidlin, Hach
K. Wilker, Kristallographisches Institut, Freiburg
Allen, die zum Gelingen unserer Arbeit beigetragen haben, sei an dieser Stelle
nochmals herzlich gedankt.
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7 Literaturverzeichnis 27
7 Literaturverzeichnis
[1] Sokrates: gemeinschaftliches Aktionsprogramm im Bereich der allgemeinen
Bildung (2000-2006) der Europäischen Union; Comenius: Europäische
Zusammenarbeit auf dem Gebiet der Schulbildung.
[2] http://copal.ms-dev.de/
[3] http://www.louis-armand.uha.fr/
[4] http://www.berzsenyi.hu/
[5] http://www.gks.fr.bw.schule.de/
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28 8 Anhang
8 Anhang
An dieser Stelle sind die einzelnen Arbeitsaufträge der Projektgruppen an der Georg-
Kerschensteiner Schule abgedruckt.
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Arbeitsauftrag A I
Gruppenmitglieder_________________________________________________
Gruppe: Alaun - Formen, Trachten, Habitus Datum:________
1. Züchtung von Impfkristallen
2. Befestigungsmethoden an einem Perlonfaden oder an einem Glasstäbchen.
3. Vorzüchtung bis der Impfling fest angewachsen ist
4. Hauptzüchtung bis auf eine etwa 1 cm Kantenlänge. Diese Kristalle dienen als
Ausgangsmaterial für die Weiterzüchtung in mit Lösungsgenossen versetzten
Züchtungslösungen. Es sollen etwa 50 Stück hergestellt werden.
5. A.) Weiterzüchtung in gallussäurehaltiger Alaunlösung
B.) Weiterzüchtung in tensidhaltigen Lösungen. Dazu auch wie 6.
C.) Weiterzüchtung in Lösungen die Azofarbstoffe enthalten wie z.B.
Azorubin oder Amaranth u.ä. Dazu auch wie 6.
6. Für Ausstellungszwecke macht sich die spontane Bildung von Kristallen auf geeigneten
Steinen sehr gut.
Seite 35 von 560
6

Arbeitsauftrag A 2
Gruppenmitglieder_________________________________________________
1. Synthetisiere etwa 1kg Eisenkaliumalaun
- aus Kaliumhydroxid, Schwefelsäure und Eisen(II)-sulfat
aus Kaliumcarbonat, Schwefelsäure und Eisen(II)-sulfat
2. Züchte analog der Alaun und Chromalaunzüchtungsmethode möglichst große Eisenalaun-
kristalle.
3. Untersuche die gezüchteten Eisenalaunkristalle auf ihre Fähigkeit hin, mit den bisher als
positiv ermittelten Tensiden Würfel zu bilden.
1. Drehe aus einem großen Eisenalaunkristall eine Kugel. Lasse diese kurz weiterwachsen und
erstelle dann eine stereografische Projektion.
2. Untersuche das Wachstum eines möglichst gut ausgebildeten oktaedrischen Kristalls
(Masse – Zeit – Funktion) nach der Übersättigungsmethode.
Die Vedunstung ist dabei so gut als möglich auszuschließen. Die Massebestimmung erfolgt mit
einer empfindlichen Federwaage unter Berücksichtigung der Auftriebskraft.
3. Zeichne den Graphen der m = f(t) Funktion
4. Leite die Funktion grafisch ab um die Geschwindigkeit – Zeit Funktion zu erhalten.
v = f(t)
5. Die Division der Wachstumsgeschwindigkeit (bei konstanter Übersättigung) durch die
Kristalloberfläche führt zur spezifischen Wachstumsgeschwindigkeit der (111)-Flächen
6. Untersuche die Abhängigkeit der spezifischen Wachstumsgeschwindigkeit von der
Übersättigung.
7. Leite eine Funktion der Masse eines idealen Alaunoktaeders in Abhängigkeit von seiner
Oberfläche ab. m = f(AO )
8. Stelle eine Differentialgleichung v = dm/dt = f(Ao) auf und löse das daraus abgeleitete
Integral. Es wird eine Funktion erhalten, mit deren Hilfe sehr elegant die spezifische
Wachstumsgeschwindigkeit der (111)-Flächen ermittelt werden kann.
Division der spezifischen Wachstumsgeschwindigkeit durch die Kristalldichte liefert die lineare –
oder Verschiebegeschwindigkeit der (111)-Flächen.
Die Kenntnis der Verschiebegeschwindigkeit erlaubt Vorhersagen über den Habitus von
Kristallen.
12. Synthetisiere das Tuttonsche Salz KFe(SO4)2 * 6 H2O , züchte davon Einkristalle bestimme die
Kristallsymmetrie und daraus die Klassenzugehörigkeit.
Seite 36 von 560

Arbeitsauftrag S I
Gruppenmitglieder:_________________________________________________
Gruppe: Seignettesalz Datum:____________
1. Synthetisiere etwa 1 kg Seignettesalz aus Weinstein. (Vorschrift aus Schüex 2005).
2. Bestimme für drei Temperaturen die Löslichkeit. Die Messpunkte sollen jeweils 10 –15 Grad
Celsius auseinander liegen.
3. Züchte Impfkristalle in einer Petrischale durch Verdunstung.
4. Züchte größere Kristalle durch die Übersättigungsmethode.
5. Züchte wenigstens einen großen Kristall mit Hilfe der Abkühlungsmethode.
6. Züchte Kristalle aus dotierten Lösungen um die Tracht zu verändern. Siehe Jufo 1978
7. Ordne den Seignettesalzkristall einer Kristallklasse zu.
8. Vermesse den Kristall mit Hilfe eines einkreisigen Reflexionsgoniometers sowie eines
Anlegegoniometers.
9. Erstelle aus den Winkelmessungen eine stereografische Projektion.
10. Entwickle eine Vorrichtung mit deren Hilfe der piezoelektrische Effekt nachgewiesen werden
kann.
Seite 37 von 560
3

Arbeitsauftrag T I
Gruppenmitglieder_________________________________________________
Gruppe: Triglycinsulfat (TGS) Datum:________
1. Synthetisiere etwa 800g Triglycinsulfat aus der Aminosäure Glycin und Schwefelsäure.
2. Bestimme bei drei unterschiedlichen Temperaturen die Löslichkeit.
3. Präpariere einen Impfkristall.
4. Bereite die Züchtung in der Abkühlungsapparatur vor.
5. Bestimme den Sättigungspunkt der Züchtungslösung möglichst exakt und hänge den Impfkristall
ein.
6. Beobachte täglich den Verlauf der Züchtung und führe darüber genau Buch.
7. Die Züchtung dauert im günstigen Fall ca. 6 Wochen. Die Temperatur wird dabei täglich
um 0,1 Grad abgesenkt.
8. Entnehme den Kristall (hört sich einfach an, ist aber sehr subtil).
9. Bereite den Kristall für eine Winkelmessung mit Hilfe eines zweikreisigen Reflexions-
goniometers vor.
10. Bestimme die Kristallklassenzugehörigkeit.
11. Spalte den Kristall in Platten.
12. Belege die Spaltflächen mit Blattgold.
13. Verbinde die Goldauflagen mit einer Glimmlampe.
14. Demonstriere den pyroelektrischen Effekt.
Synthesevorschrift: Triglycinsulfat
In ein 2L-Becherglas werden 750 ml demin. Wasser vorgelegt. Unter Rühren 500g Glycin (p.A.
Merck) eingetragen. Das Glycin löst sich vollständig. In einem 1L-Erlenmeyerkolben werden 200 ml
demin. Wasser vorgelegt. Unter Kühlung werden langsam und vorsichtig 250 ml 96%-ige
Schwefelsäure zugegeben.
Die abgekühlte Schwefelsäure wird dann zu der Glycinlösung gegeben, wobei die Temperatur 45°C
nicht überschreiten soll.
Die Mischung wird zuerst im Wasserbad auf ca. 30 Grad abgekühlt und dann läßt man sie 2 Tage im
Kühlschrank stehen. Bei 10 Grad werden die TGS Kristalle abgesaugt. An der Luft getrocknet ergibt
sich eine Ausbeute von 480 – 550g.
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4

Arbeitsauftrag K I
Gruppenmitglieder_________________________________________________
Gruppe: Kalziumtartrat Datum:________
1. Untersuche die Geliergeschwindigkeit einer Natronwasserglaslösung in Abhängigkeit vom
pH-Wert.
2. Untersuche die Steifigkeit des Gels bei einem bestimmten pH-Wert in Abhängigkeit von der
Ausgangskonzentration der Natronwasserglaslösung.
3. Untersuche die Diffusionsgeschwindigkeit von OH - -Ionen
- von der Gelsteifigkeit
- von der Dicke der Gelschicht
4. Untersuche die Bildung von Kalziumtartrateinkristallen im Kieselgel. Im Gel werden
Tartrationen deponiert und Kalziumionen diffundieren in das Gel.
Untersuche folgende Varianten
- Weinsäure (Tartrationen) im Gel - Kalziumchlorid diffundiert ein
- Weinsäure (Tartrationen) im Gel - Kalziumazetat diffundiert ein
- Weinsäure (Tartrationen) im Gel - Kalziumformiat diffundiert ein
5. Bestimme an schön ausgebildeten Einkristallen die Zugehörigkeit zu einer bestimmten
Kristallklasse.
6. Untersuche die Einfärbbarkeit der Kristalle durch Fremdionen wie Fe 2+ , Cr 3+ , Ni 2+ , Cu 2+
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5

Arbeitsauftrag N I
Gruppenmitglieder:_________________________________________________
Gruppe: Natriumchlorid Datum:___________
1. Mische chemisch reines Natriumchlorid mit chemisch reiner Glucose in folgenden
Stoffmengenverhältnissen
Mol NaCl 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2
Mol Glucose 0,05 0,1 0,2 0,3 0,4
Verhältnis 4:1 2:1 1:1 1:1,5 1:2
2. Stelle von allen Mischungen eine bei Raumtemperatur gesättigte Lösung her. Gebe dazu das
Substanzgemisch in ein 250 ml Becherglas mit Magnetrührstäbchen. Gebe dann unter Rühren
langsam aus der Spritzflasche demin. Wasser zu. Beachte die Temperatur beim Lösungsprozess.
Arbeite nicht zu schnell, den ungefähren Sättigungspunkt zu finden ist nicht leicht und erfordert
Geduld.
3. Filtriere die Lösung und gebe das Filtrat in eine Petrischale. Lasse das Wasser an einem kühlen
Ort von möglichst konstanter Temperatur z.B ein Kellerraum langsam und erschütterungsfrei
verdunsten, bis Kristalle erscheinen.
4. Beobachte die Kristallform und dokumentiere die Ergebnisse.
5. Isoliere die Kristalle mit der, für Kochsalz ungewöhnlichen Kristallform.
6. Bestimme maßanalytisch sowohl den Kochsalz als auch den Glucosegehalt. Die Vorschriften für
die maßanalytische Bestimmung liegen als Anlage bei.
7. Werte die Ergebnisse in der Weise aus, dass die %-Anteile der einzelnen Elemente aufgeführt
werden.
z.B.
Berechne daraus die Formel der Verbindung.
Element % - Gehalt
Kohlenstoff
Wasserstoff
Sauerstoff
Natrium
Chlor
8. Wenn die Elementsumme nicht 100% beträgt (außer geringfügigen Abweichungen) überlege, was
außerdem im Kristall enthalten sein könnte ?
9. Wie könnte man die Vermutung experimentell überprüfen ?
10. Wenn die Summenformel ermittelt ist, synthetisiere etwa 1 kg dieser Verbindung.
11. Bestimme die Löslichkeit der Verbindung bei drei unterschiedlichen Temperaturen, die jeweils
ca. 15 – 20 Grad auseinander liegen.
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1

12. Nähere die Löslichkeitskurve durch einen Parabelabschnitt im gegebenen Temperaturbereich an.
13. Züchte einen möglichst großen Kristall, dies ist auch im Kühlschrank möglich.
14. Ordne den Kristall aufgrund seiner Symmetrie einer Kristallklasse zu. Vermesse den Kristall mit
einem einfachen einkreisigen Reflexionsgoniometer und einem Anlegegoniometer und erstelle
eine stereografische Projektion.
15. Versuche Kochsalzkristalle aus glyzerin- und glykolhaltigen Lösungen zu erhalten. Parallel dazu
versuche Kochsalzkristalle aus hochkonzentrierter Kalziumchloridlösung zu gewinnen.
16. Versuche Kochsalzkristalle aus harnstoffhaltigen Lösungen zu erhalten.
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2

Arbeitsauftrag N 2
Gruppe : Datum: 24.4.06
1. Löse 5 g Kochsalz (NaCl) in unterschiedlich starken Harnstofflösungen.
Vorschlag: 5 % ige, 10 %ige, 20 % ige , 30 % ige und 40 % ige Harnstofflösung.
Lasse die Lösungen langsam eindunsten und ermittle von den ausgefallenen Kristallen den
Habitus.
2. Von den Kristallen, die sich im Habitus total vom rein würfelförmigen Habitus
unterscheiden, wird eine Analyse durchgeführt.
Quantitative NaCl Bestimmung über Argentometrie sowie eine gravimetrische
Bestimmung über die Verbrennung von Harnstoff.
3. Quantitative Stickstoff Bestimmung nach Kjeldahl
4. Bestimme aus den Analysendaten die Summenformel.
Falls die Analysendaten nicht zu 100 % führen muss, noch der Kristallwassergehalt
ermittelt werden.
Synthetisiere größere Mengen dieses Doppelsalzes und bestimme die Löslichkeitskurve.
5. Züchte mehrere Einkristalle, vermesse sie und erstelle die stereografische Projektion.
6. Lasse am Institut für Kristallographie in Freiburg eine Röntgenstrukturanalyse
durchführen.
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1

Kugelwachstumsversuch
Es sollen Alauneinkristalle gezüchtet werden, die anschließend mit einer
Spezialdrehmaschine zu Kugeln gedreht werden. Die Kugeln sollen manuell völlig
rund geschliffen und poliert werden.
Eine der Alaunkugeln wird in eine übersättigte Alaunlösung eingehängt. Die Kugel
wird, durch das sich abscheidende Alaun, rau werden. Einige Stellen auf der Kugel
werden kleine ebenen Flächen aufweisen.
Die Koordinaten dieser Punkte werden mittels einem Goniometer vermessen.
Ziel wird es sein ein Modell für dieses Phänomen zu entwickeln und mittels
Simulation dieses Modell an der Realität (den Koordinaten der oben genannten
Punkte) zu testen.
Erster Abschnitt:
Wulffsches Netz
Zielsetzung:
Es soll das Wulffsche Netz (Abb. 1) mittels computergestützter Vektorrechnung
berechnet und in einem vektorbasierten und modifizierbaren Format abgespeichert
werden.
Diese Daten sind die Grundlage für die eigene darstellende Verwendung des Netzes
als auch für die Bereitstellung für die Allgemeinheit.
In dieses Netz werden die vermessenen Punkte der Alaunkugeln eingetragen, womit
man eine Stereographische Projektion von Alaunkristallen erhält.
Abb. 1: Wulffsches Netz
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Vorgehensweise:
- Analyse der Eigenschaften des Wulffschen Netzes
- Konstruktionsbasis des Netzes
- Vektorieller Konstruktionsansatz
- Computergestützte Berechnung benötigter Punkte mit der Scriptsprache
Python
- Ausgabe im SVG-Format [Scalable Vector Graphic; basierend auf XML
(Extendable Markup Language)]
- Import in CorelDraw ® als Vektorgrafik
- Ausgabe im PDF-Format mit dem pyPDF-Modul von Stefan Müller
Zeitplanung:
Dieser Arbeitsabschnitt soll bis Februar 2006 abgeschlossen sein.
Wichtige Resourcen:
- Python Homepage:
http://www.python.org/
- Python Dokumentation:
http://www.python.org/doc/
- Informationen zum SVG.Format:
http://www.w3.org/2002/Talks/www2002-svgtut-ih/hwtut.pdf
- Informationen zu Vektoren:
http://de.wikipedia.org/wiki/Vektor
- Informationen zu Kugelkoordinaten:
http://de.wikipedia.org/wiki/Kugelkoordinaten
- Informationen zum Wulffschen Netz:
http://e-collection.ethbib.ethz.ch/ecol-pool/lehr/lehr_77_4.pdf
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Zweiter Abschnitt:
Simulation des Kugelwachstumsversuchs am Computer
Zielsetzung:
Unter Zuhilfenahme von OpenGL ® , Python, Vektorrechnung und eines Modells für
den Kristall soll der Kugelwachstumsversuch simuliert werden und die Ergebnisse mit
dem realen Experiment verglichen werden.
Zeitplanung:
Dieser Arbeitsabschnitt soll bis Juni/Juli 2006 abgeschlossen sein.
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Synthese von Opalen
Stefan Müller Ж , Otto Schäfer Ш
Ж : Albert-Ludwigs Universität, Freiburg; Ш : Georg-Kerschensteiner Schule, Müllheim
Projektbericht
des gleichnamigen Sokrates-Comenius-Projekts
an der
Georg-Kerschensteiner Schule, Müllheim/Baden
2005-2007
Müllheim im August 2007
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2 Vorwort
Vorwort
Diese Abhandlung präsentiert kurz die Ergebnisse unserer Arbeit an der Georg-
Kerschensteiner Schule in Müllheim, die im Rahmen eines Sokrates-Comenius-
Projekts1 in den Jahren 2005-2007 erarbeitet wurden. Das Hauptziel besagten Projektes
bestand in der Realisierung einer synthetischen Herstellung von Opalen mit all den
damit verbundenen Forschungen. 2
Um diese Aufgabe zu Schultern arbeiteten drei Schulen aus drei Ländern der
Europäischen Union mit insgesamt 54 Schülern an diesem Projekt mit. Die einzelnen
Schulen waren das Lycée d'enseignement général et technologique Louis Armand3 ,
Mulhouse/Frankreich, das Berzsenyi Dániel Gimnázium4 , Budapest/Ungarn und die
Georg-Kerschensteiner Schule5 , Müllheim/Deutschland.
1 Sokrates: gemeinschaftliches Aktionsprogramm im Bereich der allgemeinen Bildung (2000-2006) der
Europäischen Union; Comenius: Europäische Zusammenarbeit auf dem Gebiet der Schulbildung.
2 http://copal ms-dev.de/
3 http://www.louis-armand.uha.fr/
4 http://www.berzsenyi hu/
5 http://www.gks.fr.bw.schule.de/
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Kurzfassung 3
Kurzfassung
Es werden unsere Ergebnisse auf dem Gebiet der Opalsynthese vorgestellt. Uns gelang
die Synthese von qualitativ hochwertigen Opalen aus Tetraethoxysilan.
Schlagwörter: Opal, Synthese, Stöber-Verfahren, Silikatnanokugeln, Sedimentation
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4 Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis
Vorwort............................................................................................................................ 2
Kurzfassung.....................................................................................................................3
Inhaltsverzeichnis ........................................................................................................... 4
Abbildungsverzeichnis.................................................................................................... 5
Tabellenverzeichnis ........................................................................................................ 6
Abkürzungsverzeichnis .................................................................................................. 7
1 Aufgabenstellung ................................................................................................. 8
2 Theoretischer Teil................................................................................................ 9
2.1 Opale...................................................................................................................... 9
2.2 Literaturbekannte Opalsynthesen ........................................................................ 10
2.3 Kieselsäuren ........................................................................................................ 12
2.4 Bildung von Kieselsäuren aus Natronwasserglas................................................ 16
2.5 Bildung von Kieselsäuren aus Tetraethoxysilan (TEOS).................................... 17
2.6 Bildung von Kieselsäuren aus Tetramethoxysilan (TMOS) ............................... 17
2.7 Unsere Strategie für eine Opalsynthese............................................................... 18
3 Experimenteller Teil.......................................................................................... 19
3.1 Die Stöber-Synthese zur Erzeugung von Silikatnanokugeln............................... 19
3.2 Sedimentation der Silikatnanokugeln zu geordneten kugelpackungen............... 21
3.3 Die Trocknung der opaleszierenden Sedimente .................................................. 21
3.4 Verfestigung der getrockneten Sedimente durch Verkieselung der
Zwischenräume.................................................................................................... 24
3.5 Schliff, Politur, Schmuckstücke .......................................................................... 27
4 Danksagung........................................................................................................ 29
5 Literaturverzeichnis.......................................................................................... 30
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Abbildungsverzeichnis 5
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1: Natürlicher Opal mit eindrucksvoller Opaleszenz. ................................... 9
Abbildung 2: Elekronenmikroskopische Aufnahme eines Opals. Gut zu erkennen
ist die regelmäßige Schichtung der Silikatnanokugeln (eigene Aufnahme
eines Opals)......................................................................................................... 10
Abbildung 3: Hydrolyse von Verbindungen des Typs SiX4. ........................................ 12
Abbildung 4: Geliergeschwindigkeit von Kieselsäurelösungen in Abhängigkeit
vom pH-Wert. ..................................................................................................... 12
Abbildung 5: Kondensation von Orthokieselsäure zur Dikieselsäure........................... 13
Abbildung 6: Struktur der Polykieselsäure (Metakieselsäure)...................................... 13
Abbildung 7: Kristallstruktur von Quarz, in dem nur noch miteinender verbundene
SiO4-Tetraeder vorkommen, die ein Raumnetz bilden. ...................................... 15
Abbildung 8: Quarzkristall............................................................................................ 16
Abbildung 9: Alkalische Reaktion von Orthosilikatanionen......................................... 16
Abbildung 10: Hydrolyse von Tetraethoxysilan zu Kieselsäure................................... 17
Abbildung 11: Experimenteller Aufbau für die Stöber-Synthese. ................................ 19
Abbildung 12: Bildung von Silikatnanopartikeln mit der Stöber-Synthese. links:
direkt nach der Zugabe von TEOS; rechts: nach einigen Minuten..................... 20
Abbildung 13: Silikatnanokugeln unter dem Rasterelektronenmikroskop. .................. 20
Abbildung 14: Opaleszierendes Sediment in einem Reagenzglas. ............................... 22
Abbildung 15: Vom Reagenzglas gelöste Sedimente, bereit für die Trocknung. ........ 22
Abbildung 16: Unser Autoklavensystem für das überkritische Trocknen. ................... 23
Abbildung 17: Trocknungsverlauf mit unserer Apparatur. ........................................... 24
Abbildung 18: Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines Sediments mit
sehr schöner grüner Opaleszenz.......................................................................... 25
Abbildung 19: Vergrößerung von Abb. 18.................................................................... 26
Abbildung 20: Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines verfestigten
Sediments. Zu erkennen ist die Füllung der Lücken zwischen den
Silikatnanokugeln................................................................................................ 26
Abbildung 21: Herr Schmidlin beim Schliff unserer synthetischen Opale. .................. 27
Abbildung 22: Schmuckanhänger aus Silber und unseren synthetischen Opalen......... 27
Abbildung 23: Synthetischer Opal in Gold und Platin gefasst...................................... 28
Die rasterelektronenmikroskopischen Aufnahmen wurden von Herrn Dr. J. Bibus oder
Frau K. Wilker angefertigt.
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6
Tabellenverzeichnis
Tabelle 1: Eine Kleine Auswahl von Silikaten und ihrer Strukturen. Gut zu
erkennen sind die SiO4-Tetraeder. ...................................................................... 14
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Abkürzungsverzeichnis 7
Abkürzungsverzeichnis
Et Ethyl
Me Methyl
pH-Wert negativer dekadischer Logarithmus der Hydroniumionenkonzentration
TEOS Tetraethoxysilan, Tetraethylorthosilikat
TGS Triglycinsulfat
TMOS Tetramethoxysilan, Tetramethylorthosilikat
Seite 53 von 560

8 1 Aufgabenstellung
1 Aufgabenstellung
Wir hatten uns die Aufgabe gestellt, Opale synthetisch herzustellen und die damit
verbundenen Forschungsarbeiten gemeinsam mit unseren europäischen Partnern zu
schultern.
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2 Theoretischer Teil 9
2 Theoretischer Teil
2.1 Opale
Wir hatten die Absicht Opale selbst zu synthetisieren. Aber was ist Opal chemisch
gesehen?
Abbildung 1: Natürlicher Opal mit eindrucksvoller Opaleszenz.
Detaillierte Untersuchungen über die Struktur des Opals erfolgten in den frühen
sechziger Jahren des letzten Jahrhunderts in Australien. Möglich wurde dies erst durch
den Einsatz des in den dreißiger Jahren entwickelten Rasterelektronenmikroskops, da
die Strukturen im Opal unterhalb der für Lichtmikroskope geltenden Grenzen liegen.
Anfänglich musste von der Opaloberfläche ein dünner Film erzeugt werden, der dann
durchstrahlt werden konnte.
1964 wurden so erstmals Details sichtbar, die entscheidende Einblicke in die
Besonderheiten der Opalstruktur erlaubten.
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10 2 Theoretischer Teil
1.0 µm
Abbildung 2: Elekronenmikroskopische Aufnahme eines Opals. Gut zu erkennen ist die
regelmäßige Schichtung der Silikatnanokugeln (eigene Aufnahme eines Opals).
Der Edelopal ist aus Silikatkügelchen (Abb. 2) mit einem Durchmesser von 150 –300
nm Durchmesser aufgebaut. Diese Kügelchen bilden Bereiche hoher Ordnung aus wie
man sie von dichtest gepackten Kugelpackungen her kennt. Man spricht von hexagonaloder
kubisch dichtesten Kugelpackungen. Da der Abstand der Kugelschichten innerhalb
eines solchen regelmäßig aufgebauten Bereichs im Bereich der Wellenlänge des Lichts
liegt, kommt es zur Reflexion der Lichtwellen an diesen geordneten Schichten und dann
zur Überlagerung der reflektierten Lichtwellen. Dadurch werden Teile des
Sonnenspektrums entfernt, dieser Bereich erscheint dann farbig.
2.2 Literaturbekannte Opalsynthesen
Im Jahr 1964 erhielten zwei Australier A.J. Gaskin und P.I.Darragh ein Patent über die
Bildung von Opal. Eine Lösung von wässrigem Natronwasserglas wird durch Zusatz
von Ionenaustauscherharz entionisiert. Die Mischung wird zwischen 30 und 300
Stunden auf 100°C gehalten. Dieser Prozess führt zu einem koloidalen Niederschlag aus
Silikatkugeln, welche sich zu opalähnlichen Strukturen verdichten. Die auf diese Weise
hergestellten hydratisierten Silikatkügelchen enthalten jedoch zu viel Wasser. Durch
Erhitzen lassen sie sich teilweise dehydratisieren. Das Problem der Verfestigung wurde
durch Einbettung dieser Kugeln in Gießharz gelöst.
Es liegt auf der Hand, dass die oben genannte Synthese unbefriedigend ist.
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2 Theoretischer Teil 11
Etwa um die gleiche Zeit synthetisierten G.W. Sears und R.K. Iler Silikatkügelchen von
100 nm Durchmesser.
Sie beobachteten prächtige Farben in einer dünnen Schicht zwischen einer dicken
weißen Bodenschicht und der überstehenden Lösung, wenn Salzsäure zugesetzt wurde.
Das Farbenspektrum reichte von rot, orange, gelb, grün und blau bis violett. Dies war
wahrscheinlich der erste Bericht über im Labor erzeugte Farben in Verbindung mit der
Opalsynthese.
Das Sediment wurde bei 900°C getrocknet um es zu verfestigen. Im resultierenden
Material waren jedoch Farben nur zu erkennen, wenn es mit Wasser oder Butanol
imprägniert wurde.
Einen entscheidenden Fortschritt für die Synthese von Opalen ergab die 1968
veröffentlichte Stöber-Synthese6 zur Erzeugung von Silikat-Kügelchen. Die Erzeugung
von Nanokügelchen gestaltet sich auf diese Weise relativ einfach. Eine Mischung aus
Tetraethoxysilan, Wasser, Ethanol und Ammoniak wird bei Raumtemperatur gerührt.
Nach kurzer Zeit bildet sich aus der farblosen Lösung eine milchähnliche Suspension.
Die winzigen Silikatkügelchen sedimentieren im Laufe von Wochen zu einem mehr
oder weniger gut opaleszierenden Sediment. Das Problem bestand wieder darin, die
Kügelchen zu einer festen Matrix zu verfestigen. Die Verwendung von Organischen
Polymeren führte natürlich nicht zu einem naturidentischen Produkt.
Es wird berichtet, dass nur 5 – 6 % des für die Opalsynthese eingesetzten Materials
wirklich zu brauchbaren Opalen führen.
Ein weiteres Problem, die Rissbildung beim Trockenvorgang konnte gelöst werden. Das
im Ethanol vorliegende opaleszierende Sediment wird im Autoklaven überkritisch
getrocknet. Auf diese Weise wird die Oberflächenspannung der Flüssigkeit
ausgeschaltet, wodurch man eine einwandfreie Trocknung auch größerer Sedimente
erreicht.
Anschließend müssen die Hohlräume zwischen den Kügelchen mit Kieselsäure gefüllt
werden. Dies ist der schwierigste Teil der Synthese und ist ein gut gehütetes Geheimnis
derjenigen, die heute synthetische Opale auf den Markt bringen. 7
6 Werner Stöber, Arthur Fink and Ernst Bohn, Journal of Colloid and Interface Science 1968, 26, 62-69.
7 S. V. Filin, A. I. Puzynin, V. N. Samoilov, “Some Aspects of Precious Opal Synthesis”,
http://www.austgem.gil.com.au/opalsynth.html .
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12 2 Theoretischer Teil
Seit 1973 bringt die französische Firma Gilson Opale von außergewöhnlicher Qualität
auf den Markt. Besonders die begehrten Schwarzopale sind von unübertroffener
Qualität. 8, 9, 10
2.3 Kieselsäuren 11
Zersetzt man Siliciumverbindungen des Typs SiX4 ( z.B. X = OEt, OMe, Cl)
hydrolytisch, so bildet sich primär die Orthokieselsäure H4SiO4 (Abb. 3).
SiX4 + 4H2O Si(OH) 4 + 4HX
X: OMe, OEt, Cl
Orthokieselsäure
Abbildung 3: Hydrolyse von Verbindungen des Typs SiX4.
Aus Wasserglaslösungen12 erhält man im sauren pH-Bereich ebenfalls primär die
Orthokieselsäure.
Orthokieselsäure ist jedoch nur bei einem pH-Wert von 4 einige Zeit beständig (Abb.
4).
Zeit in min
250
200
150
100
50
0
0 2 4 6 8 10 12
pH-Wert
Abbildung 4: Geliergeschwindigkeit von Kieselsäurelösungen in Abhängigkeit vom pH-Wert.
8
Christel Tennyson, „Struktur und Farbenspiel des Edelopals“, Lapis 1979, 4, 12, 13-15.
9
Josef Lieberts, Marianne Falter, Lapis 1979, 4, 12, 16-17,
10
E. Ralph Segnit, Lapis 1975, 4, 12, 10-12.
11
A. F. Hollemann, E. Wiberg, Lehrbuch der Anorganischen Chemie, 101 Aufl. 1995, 918-930, Walter de
Gruyter Verlag, Berlin.
12
stark alkalische Silikatlösung, in der vornehmlich das Silikattetraanion vorliegt.
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2 Theoretischer Teil 13
Bei größeren pH-Werten spaltet sie Wasser ab. Im Gegensatz zur Orthokohlensäure bei
der die Wasserabspaltung intramolekular erfolgt, spaltet Orthokieselsäure
intermolekular d.h. zwischen verschiedenen Molekülen das Wasser ab (Abb. 5 und 6).
OH
HO Si OH
OH
-H 2O
OH
HO Si O
OH
OH
Si
OH
Abbildung 5: Kondensation von Orthokieselsäure zur Dikieselsäure.
Weitere Kondensation unter Wasseraustritt führt zu Polykieselsäuren der
Bruttozusammensetzung (H2SiO3 )n
OH
HO Si O
OH
OH
Si
OH n
O
OH
Si
OH
OH
Abbildung 6: Struktur der Polykieselsäure (Metakieselsäure).
Aus der obigen Schreibweise könnte man vermuten, dass es sich sowohl bei der
Orthokieselsäure als auch bei den daraus entstehenden Metakieselsäuren um planare
Gebilde handelt. Dies ist jedoch nicht der Fall. Das zentrale Siliziumatom ist
tetraedrisch von OH-Gruppen umgeben. Man konnte die Struktur der Anionen dieser
Kieselsäuren in verschiedenen Silikaten mittels Röntgenstrukturanalyse bestätigen (Tab.
1). 13
13 Barry L. Hensch, John West, Chem. Rev. 1990, 90, 33-72.
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OH

14 2 Theoretischer Teil
Dinickel(II)silikat 14
Ni2(SiO4)
Monomere SiO4 4- -Anionen
Beryll 16
Be2.58Li0.39Al2.15Si5.88O18.55Cs0.09K0 05Na0.21Ca0.02
Mg0.02Fe0.01H0.32
(SiO3)6 12- -Anionen
Ytterbium(II)disilikat 15
Yb2(Si2O7)
(Disilikat)
Glimmer 17
Rb0.99Fe4.07Si2.96O12H2
Schichten von polykondensierten SiO4-Tetraedern
Tabelle 1: Eine Kleine Auswahl von Silikaten und ihrer Strukturen. Gut zu erkennen sind die
SiO4-Tetraeder.
14
A. della Giusta, G. Ottonello, L. Secco, Acta Crystallographica B, 1990, 46, 160-165.
15
O. V. Yakubovich, M. A. Simonov, A. V. Voloshin, Ya. A. Pakhomovskii, Doklady Akademii Nauk
SSSR, 1986, 291, 863-867.
16
G. E. Brown, B. A. Mills, American Mineralogist 1986, 71, 547-556.
17
P. Comodi, M. Drabek, M. Montagnoli, M. Rieder, Z. Weiss, P. F. Zanazzi, Physics and Chemistry of
Minerals 2003, 30, 198-205.
Seite 60 von 560

2 Theoretischer Teil 15
Da die Polykondensation ungeordnet statt findet, und Ketten untereinander
kondensieren, bildet sich zunächst ein wasserhaltiges Raumnetz aus, das zwar seine
Form behält und nicht mehr flüssig ist, aber noch sehr viel Wasser und auch noch viele
freie SiOH-Gruppen enthält. An diesem Punkt spricht man von einem Kieselgel.
Bei vollständiger Polykondensation bleibt nur ein Gerüst aus Siliziumatomen die über
Sauerstoffatome miteinander verbunden sind übrig mit der Bruttoformel SiO2.
Als Bergkristall ist SiO2 jedem bekannt (Abb. 7 und 8).
Abbildung 7: Kristallstruktur von Quarz 18 , in dem nur noch miteinender verbundene SiO4-
Tetraeder vorkommen, die ein Raumnetz bilden.
18 L. Levien, C. T. Prewitt, D. J. Weidner, American Mineralogist 1980, 65, 920-930.
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16 2 Theoretischer Teil
Abbildung 8: Quarzkristall.
2.4 Bildung von Kieselsäuren aus Natronwasserglas
Natronwasserglas ist eine hochviskose Lösung von Natriumsilikat in Wasser. Sie
entsteht, wenn reiner Quarz in Natronlauge gelöst wird 11 . Die Lösung reagiert extrem
alkalisch. Da Kieselsäure eine extrem schwache Säure ist, handelt es sich bei deren
Anion um eine sehr starke Base (Abb. 9).
SiO 4 4
+ 4H2O Si(OH) 4 + 4HO
Abbildung 9: Alkalische Reaktion von Orthosilikatanionen.
Die Reaktion dieses Anions mit Wasser führt in einer Gleichgewichtsreaktion zur
Bildung von Hydroxidionen, die Lösung reagiert alkalisch.
Durch Zugabe von Hydroniumionen H3O + werden die Hydroxidionen aus dem
Gleichgewicht entfernt, das Gleichgewicht verschiebt sich in Richtung
Orthokieselsäure. Abhängig vom pH-Wert erfolgt die bereits oben besprochene
Kondensation und Polykondensation. In der Nähe des Neutralpunkts erfolgt die
Gelierung zu Hydrogel schlagartig. Es handelt sich dabei um eine dreidimensional
vernetzte noch stark wasserhaltige puddingartige Silikatstruktur.
Will man die Gelierung im sauren Bereich durchführen, muss der Neutralbereich sehr
schnell durchlaufen werden. Dies gelingt, indem die stark alkalische
Natronwasserglaslösung langsam und unter Rühren in überschüssige Säure eingebracht
wird. In stark saurem Milieu erfolgt keine Gelbildung. Erst ab einem pH-Wert zwischen
3 und 4 kommt es innerhalb von Stunden oder Tagen zur Gelierung.
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2 Theoretischer Teil 17
2.5 Bildung von Kieselsäuren aus Tetraethoxysilan (TEOS)
Tetraethoxysilan (TEOS) 19 hydrolisiert in Gegenwart von Wasser nur langsam zu
Kieselsäure (Abb. 10), was auf den sterischen Anspruch der Ethoxygruppen als auch
auf die geringe Mischbarkeit mit Wasser zurück geführt werden kann.
Si(OEt) 4 + 4H2O Si(OH) 4 + 4EtOH
Abbildung 10: Hydrolyse von Tetraethoxysilan zu Kieselsäure.
Diese Hydrolyse kann je nach Bedingungen partiell oder vollständig sein. Im Anschluss
an die Hydrolyse erfolgt abhängig vom pH-Wert die Kondensation und
Polykondensation zu einem Kieselgel.
Die Art der Polykondensation ist vom pH-Wert abhängig. Im Sauren bildet sich ein
homogenes Kieselgel und im Basischen bilden sich Silikatnanokügelschen. Diese
Tatsache eröffnet einen verblüffend einfachen Zugang zu Silikatnanokugeln. Dies
beruht vermutlich auf der negativen Ladung der Oligomeren im Basischen, durch die
gleichnamigen Ladungen – die sich ja abstoßen – erfolgt keine Vernetzung im
Makroskopischen und es entstehen kleine Silikatkugeln.
2.6 Bildung von Kieselsäuren aus Tetramethoxysilan (TMOS)
Im Gegensatz zu TEOS zersetzt sich Tetramethylorthosilicat (TMOS) 20 in Gegenwart
von Wasser und einer Spur Salzsäure extrem schnell. Da sich TMOS in Wasser
praktisch nicht löst, muss entweder gut geschüttelt werden, oder man gibt Methanol als
Lösungsvermittler zu. Die Mischung erwärmt sich sehr schnell bis zum Siedepunkt des
Methanols (d.h. 65°C - 70°C). Das Hydrolysat ist erstaunlich lange stabil bis die
Gelierung einsetzt. Nachteilig für die weitere Verarbeitung ist der Gehalt an
Chlorwasserstoff. Günstiger ist die Umsetzung mit Wasser in methanolischer Lösung.
Die Hydrolyse verläuft langsamer. Nach und nach lässt sich das Methanol im
Wasserstrahlvakuum abziehen. Man gelangt auch so zu einer hochkonzentrierten
flüssigen Kieselsäure, die über Nacht geliert.
19 C8H20O4Si, M=208,33 g mol -1 , Sdp. 168°C, ρ20°C = 0.94 g/cm³, >98%, Bezugsquelle: Merck oder
Aldrich.
20 C4H12O4Si, M = 152,22 gmol -1 , Sdp. 120-122°C, ρ20°C = 1.032 g/cm³.
Seite 63 von 560

18 2 Theoretischer Teil
2.7 Unsere Strategie für eine Opalsynthese
Unsere Strategie eigene Opale zu Synthetisieren basierte im Wesentlichen auf
folgenden Punkten:
- Synthese von Silikatnanokugeln nach dem Stöberverfahren
- Sedimentation der Nanokugeln in Reagenzgläsern über längere Zeiträume
- Trocknung und Verfestigung der opaleszierenden Sedimente mit
unterschiedlichen Methoden
Seite 64 von 560

3 Experimenteller Teil 19
3 Experimenteller Teil
3.1 Die Stöber-Synthese zur Erzeugung von
Silikatnanokugeln
Bei der Stöber Synthese reagieren Alkylsilikate in wässrig- alkoholischer Lösung in
Gegenwart von Ammoniak zu kugelförmigen Silikatpartikeln mit Durchmessern
zwischen 50 nm und 2000 nm. Für unsere Versuche wurde ausschließlich das
Tetraethylorthosilikat (TEOS) verwendet. In zahlreichen Versuchen wurde eine
optimale Vorschrift zur Erzeugung der, für die Opalsynthese erforderlichen, Kügelchen
erarbeitet. Die dazu erforderlichen rasterelektronenmikroskopischen Aufnahmen
wurden zuerst von Herrn Dr. Bibus und dann von Frau Wilker am Kristallografischen
Institut der Universität Freiburg durchgeführt.
Folgende Vorschrift hat sich bewährt.
100 ml Ethanol absolut Hedinger dest.
27 ml demin. Wasser
2,5 ml 25%iges Ammoniakwasser
20 ml Tetraethoxysilan
Abbildung 11: Experimenteller Aufbau für die Stöber-Synthese.
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20 3 Experimenteller Teil
Abbildung 12: Bildung von Silikatnanopartikeln mit der Stöber-Synthese. links: direkt nach der
Zugabe von TEOS; rechts: nach einigen Minuten.
Ethanol, Wasser und Ammoniak werden in einem 250 ml Weithalsbecherglas vorgelegt.
Die Mischung wird mit einem Magnetrührer gerührt und steht dabei in einer Petrischale
mit Wasser von Raumtemperatur. Das TEOS wird aus einem kleinen Bechergläschen
auf einen Schuss zugesetzt.
Abbildung 13: Silikatnanokugeln unter dem Rasterelektronenmikroskop.
Seite 66 von 560

3 Experimenteller Teil 21
Nach zwei Stunden wird die milchige Suspension auf zwei große Reagenzgläser
verteilt. Die Gläser werden mit einem Korkstopfen verschlossen. An einem ruhigen Ort
erfolgt die Sedimentation in 8 – 10 Wochen.
Aus dem Sediment entstehen rot, grün opaleszierende Sedimente und undurchsichtige
Opale. Bei Verwendung von Ethanol abs. denaturiert der Firma Hedinger, entstehen
Schwarzopale. Der Grund liegt im Gehalt an Dinatoniumbenzoat (BITREX TM ) welches
zuerst absorbiert wird und dann oberhalb von 400°C verkohlt. Solche Schwarzopale
zeigen eine sehr schöne grüne Opaleszenz.
3.2 Sedimentation der Silikatnanokugeln zu geordneten
kugelpackungen
Die Abtrennung der Silikatkügelchen vom Reaktionsgemisch gelingt am schnellsten
durch Zentrifugieren. Diese Methode führt jedoch zu nicht opaleszierenden Sedimenten,
da die Kügelchen ungeordnet im Sediment vorliegen. Die einzig Erfolg versprechende
Methode besteht in der langsamen Sedimentation, die sich über mehrere Wochen bis
Monate erstreckt. Nach dieser Zeit wird das überstehende Reaktionsgemisch mit Hilfe
einer Pipette abgesaugt. Das Sediment wird in wasserfreiem Ethanol aufgewirbelt und
erneut zur Sedimentation ruhig stehen gelassen. Falls eine überkritische Trocknung
vorgesehen ist, wird dieser Vorgang drei Mal wiederholt um möglichst alles Wasser aus
dem Sediment zu entfernen. Diese Behandlung zieht sich über mehrere Monate hin.
3.3 Die Trocknung der opaleszierenden Sedimente
Zwei Methoden sind in der Literatur beschrieben und diese wurden auch von uns
durchgeführt.
- Trocknung an der Luft
- Überkritische Trocknung im Autoklaven
Die Trocknung an der Luft muss extrem langsam erfolgen da es sonst zur Rißbildung
innerhalb des Sediments kommt. Bewährt hat sich ein locker aufgesetzter Korkstopfen
auf das Trocknungsgefäß, in unserem Fall große Reagenzgläser.
Die Oberfläche dieser Sedimente opaleszierten sehr gut.
Es wurde versucht, das Reagenzglas zu kürzen um den unteren Teil mit dem Sediment
besser in einen Ofen bringen zu können. Dazu sollte der obere Teil des Glases
abgesprengt werden. Mit dem Glasschneider wurde eine Kerbe ins Glas geritzt, dabei
löste sich das trockene Sediment vom Glas ohne zu brechen.
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22 3 Experimenteller Teil
Abbildung 14: Opaleszierendes Sediment in einem Reagenzglas.
Abbildung 15: Vom Reagenzglas gelöste Sedimente, bereit für die Trocknung.
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3 Experimenteller Teil 23
Die überkritische Trocknung in absolutem Alkohol verlangt einen erheblichen
apparativen Aufwand. Erfreulicherweise liegen die kritischen Daten für Ethanol noch
im Bereich des, auch für eine Schule, Machbaren. Durch Unterstützung der Firmen
Freudenberg Neuenburg, Sick Waldkirch, dem Fonds der chem. Industrie, sowie
Fördergeldern von Comenius und dem Förderverein der Georg-Kerschensteiner Schule
Müllheim konnte die erforderliche Apparatur gekauft werden.
Abbildung 16: Unser Autoklavensystem für das überkritische Trocknen.
Zur Durchführung der überkritischen Trocknung wird der Autoklav luftblasenfrei mit
den zu trocknenden Sedimenten und absolutem Ethanol gefüllt. Dabei darf sich keine
noch so kleine Luftblase mehr im Autoklav befinden. Wird nun der verschlossene
Autoklav in warmes Wasser getaucht, muss der Druck kurz darauf erheblich ansteigen.
Ist das Wasserbad heiß genug , erreicht man problemlos den Arbeitsdruck von 110 bar.
Da der Trocknungsprozess eine Zeit von 12 – 14 Stunden in Anspruch nimmt, ist es
günstig die gesamte Apparatur am Abend zuvor betriebsbereit herzurichten. In diesem
Fall empfiehlt es sich, den Autoklav nach dem oben beschriebenen Verfahren im Eisbad
abzukühlen. Wegen der Wärmeausdehnumg zieht sich der Akohol zusammen. Über ein
geöffnetes, vertikal stehendes Ventil wird laufend Alkohol nachgefüllt. Nachdem der
Autoklav wieder verschlossen wurde, erwärmt er sich auf Raumtemperatur, wobei der
Druck steigt. Wenn er am nächsten Tag immer noch unter Druck steht, ist man sicher,
dass alles in Ordnung ist und die Trocknung begonnen werden kann.
Seite 69 von 560

24 3 Experimenteller Teil
Abbildung 17: Trocknungsverlauf mit unserer Apparatur.
3.4 Verfestigung der getrockneten Sedimente durch
Verkieselung der Zwischenräume
Die Verfestigung der opaleszierenden Sedimente zu einem schleifbaren Opal stellt das
eigentliche Problem der Opalsynthese dar. In der Literatur findet man nur nichtssagende
Phrasen. Nach langen Versuchsreihen hat sich folgende Methode bewährt.
Da die Kügelchen anfangs sehr locker beieinander liegen, werden acht – zehn Tropfen
TEOS ins Zentrum getropft. Die Flüssigkeit soll noch nicht den Glasrand erreichen.
Andernfalls besteht die Gefahr, dass die Kügelchen auseinander fallen. Man verschließt
das Glas mit einem feuchten Papierstopfen und dann mit einem Kork. Die Verwendung
von TMOS anstelle von TEOS ergab wesentlich schlechtere Resultate. Man läßt das
Glas bei Raumtemperatur stehen. In der feuchten Luft zersetzt sich das TEOS. Alle
zwei Tage wiederholt man den Vorgang.
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3 Experimenteller Teil 25
Nachdem man den Vorgang 10 mal wiederholt hat, wird das Sediment innerhalb von 6
Stunden auf 400°C erhitzt. Nach dem Abkühlen wird wieder TEOS zugegeben, von
jetzt ab aber so viel, dass das gesamte Sediment mit TEOS getränkt ist. Wieder wird das
Glas mit feuchtem Papier und Korkstopfen verschlossen. Man wartet so lange, bis das
Sediment wieder trocken vorliegt. Diesen Vorgang wiederholt man mindestens fünf
mal. Anschließend wird das Glas innerhalb von 6 Stunden auf 600°C erwärmt.
Nach dem Abkühlen sollte der hoffentlich unzerbrochene Rohopal leicht aus dem Glas
fallen.
Von nun ab wird er in einer Porzellanschale mit TEOS getränkt und in einem
Exsikkator über Wasser aufbewahrt. Diesen Vorgang wiederholt man so lange wie der
Opal noch porös ist. Man erkennt die Porösität sehr gut an der fehlenden oder
schlechten Opaleszens der trockenen Opale. Beim Anfeuchten mit TEOS zeigt sich
jedoch eine sehr gute Opaleszens.
Abbildung 18: Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines Sediments mit sehr schöner
grüner Opaleszenz.
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26 3 Experimenteller Teil
Abbildung 19: Vergrößerung von Abb. 18.
Abbildung 20: Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines verfestigten Sediments. Zu
erkennen ist die Füllung der Lücken zwischen den Silikatnanokugeln.
Seite 72 von 560

3 Experimenteller Teil 27
3.5 Schliff, Politur, Schmuckstücke
Unsere Rohopale wurden von Herrn Schmidlin in 79424 Auggen/Hach geschliffen und
poliert (Abb. 21).
Abbildung 21: Herr Schmidlin beim Schliff unserer synthetischen Opale.
Vom Juwelier Herrn Lüdtke 79244 Münstertal wurde ein Schmuckdesign entworfen
und die Schmuckherstellung von ihm ausgeführt (Abb. 22 und 23).
Abbildung 22: Schmuckanhänger aus Silber und unseren synthetischen Opalen.
Seite 73 von 560

28 3 Experimenteller Teil
Abbildung 23: Synthetischer Opal in Gold und Platin gefasst.
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4 Danksagung 29
4 Danksagung
Unser Dank gilt der Schulleitung der Georg-Kerschensteiner Schule, Müllheim. Unsern
Betreuern Herrn Otto Schäfer und Herrn Dipl. chem. Stefan Müller. Herrn Dr. Bibus,
VITA Zahnfabrik, Bad Säckingen und Frau Wilker, Kristallographisches Institut der
Universität Freiburg danken wir für die fachliche Unterstützung. Für die finanzielle
Unterstützung durch die Firmen Freudenberg Neuenburg und Sick AG Waldkirch, dem
Fonds der chem. Industrie und dem Förderverein der Georg-Kerschensteiner Schule
Müllheim bedanken wir uns.
Seite 75 von 560

30 5 Literaturverzeichnis
5 Literaturverzeichnis
[1] Sokrates: gemeinschaftliches Aktionsprogramm im Bereich der allgemeinen
Bildung (2000-2006) der Europäischen Union; Comenius: Europäische
Zusammenarbeit auf dem Gebiet der Schulbildung.
[2] http://copal.ms-dev.de/
[3] http://www.louis-armand.uha.fr/
[4] http://www.berzsenyi.hu/
[5] http://www.gks.fr.bw.schule.de/
[6] Werner Stöber, Arthur Fink and Ernst Bohn, Journal of Colloid and Interface
Science 1968, 26, 62-69.
[7] S. V. Filin, A. I. Puzynin, V. N. Samoilov, “Some Aspects of Precious Opal
Synthesis”, http://www.austgem.gil.com.au/opalsynth.html .
[8] Christel Tennyson, „Struktur und Farbenspiel des Edelopals“, Lapis 1979, 4, 12,
13-15.
[9] Josef Lieberts, Marianne Falter, Lapis 1979, 4, 12, 16-17,
[10] E. Ralph Segnit, Lapis 1975, 4, 12, 10-12.
[11] A. F. Hollemann, E. Wiberg, Lehrbuch der Anorganischen Chemie, 101 Aufl.
1995, 918-930, Walter de Gruyter Verlag, Berlin.
[12] stark alkalische Silikatlösung, in der vornehmlich das Silikattetraanion vorliegt.
[13] Barry L. Hensch, John West, Chem. Rev. 1990, 90, 33-72.
[14] A. della Giusta, G. Ottonello, L. Secco, Acta Crystallographica B, 1990, 46,
160-165.
[15] O. V. Yakubovich, M. A. Simonov, A. V. Voloshin, Ya. A. Pakhomovskii,
Doklady Akademii Nauk SSSR, 1986, 291, 863-867.
[16] G. E. Brown, B. A. Mills, American Mineralogist 1986, 71, 547-556.
[17] P. Comodi, M. Drabek, M. Montagnoli, M. Rieder, Z. Weiss, P. F. Zanazzi,
Physics and Chemistry of Minerals 2003, 30, 198-205.
[18] L. Levien, C. T. Prewitt, D. J. Weidner, American Mineralogist 1980, 65, 920-
930.
[19] C8H20O4Si, M=208,33 g mol -1 , Sdp. 168°C, ρ20 C = 0.94 g/cm³, >98%,
Bezugsquelle: Merck oder Aldrich.
Seite 76 von 560

5 Literaturverzeichnis 31
[20] C4H12O4Si, M = 152,22 gmol -1 , Sdp. 120-122°C, ρ20 C = 1.032 g/cm³.
Seite 77 von 560

Seite 78 von 560

Züchtung von Seignettesalzeinkristallen
Pascale Baumann, Thekla Bergemann, Astrid Jurischka, Johannes Bernauer,
Matthias Geiger, Stefan Müller Ж (Ed.), Otto Schäfer Ш
Ж : Albert-Ludwigs Universität, Freiburg; Ш : Georg-Kerschensteiner Schule, Müllheim
Projektbericht
im Rahmen des Sokrates-Comenius-Projekts
Synthese von Opalen
an der
Georg-Kerschensteiner Schule, Müllheim/Baden
2005-2007
Müllheim im August 2007
Seite 297 von 560

2 Vorwort
Vorwort
Diese Abhandlung präsentiert kurz die Ergebnisse der Projektgruppe „Seignettesalz“,
die an der Georg-Kerschensteiner Schule in Müllheim im Rahmen eines Sokrates-
Comenius-Projekts1 in den Jahren 2005-2007 erarbeitet wurden. Das Hauptziel besagten
Projektes bestand in der Realisierung einer synthetischen Herstellung von Opalen mit
all den damit verbundenen Forschungen. 2
Um diese Aufgabe zu Schultern arbeiteten drei Schulen aus drei Ländern der
Europäischen Union mit insgesamt 54 Schülern an diesem Projekt mit. Die einzelnen
Schulen waren das Lycée d'enseignement général et technologique Louis Armand3 ,
Mulhouse/Frankreich, das Berzsenyi Dániel Gimnázium4 , Budapest/Ungarn und die
Georg-Kerschensteiner Schule5 , Müllheim/Deutschland.
Die Schüler an der Georg-Kerschensteiner Schule sollten mit dem Arbeiten in einem
internationalen und gemeinschaftlichem Umfeld, sowie naturwissenschaftlichen Denkund
Arbeitsweisen vertraut gemacht werden. Die Organisation sah vor, dass die Schüler
in kleinen Gruppen (bis 5 Mitgliedern) an einem kleinen wissenschaftlichen Projekt
neben dem Hauptprojekt über zwei Jahre arbeiten sollten. Es wurden sechs solcher
Projektgruppen gebildet, denen unterschiedliche Aufgaben übertragen wurden:
- Alaun: Züchtung von Alauneinkristallen und Untersuchung von Habitusänderungen an
Alaunkristallen.
- Seignettesalz: Synthese von Seignettesalz aus Weinstein und Züchtung von
Seignettesalzeinkristallen, Untersuchungen zur Habitusänderung an Seignettesalzkristallen,
sowie dem Bau von Apparaturen zur Demonstration des Piezoeffekts.
- TGS: Synthese von Triglycinsulfat (TGS) und Züchtung von TGS-Einkristallen, sowie dem Bau
eines pyroelektrischen Konverters.
- Natriumchlorid: Züchtung von Natriumclorid-Glucose-Kristallen und deren Analyse.
- Kalziumtartrat: Züchtung von Kalziumtartrateinkristallen in einer Kieselgelmatrix.
- Kugelwachstumsversuch: Durchführung und in-silico-Simulation des Kugelwachstumsversuchs.
Wie oben schon erwähnt ist diese Abhandlung nun die Zusammenfassung der
Ergebnisse der Projektgruppe „Seignettesalz“.
1 Sokrates: gemeinschaftliches Aktionsprogramm im Bereich der allgemeinen Bildung (2000-2006) der
Europäischen Union; Comenius: Europäische Zusammenarbeit auf dem Gebiet der Schulbildung.
2 http://copal ms-dev.de/
3 http://www.louis-armand.uha.fr/
4 http://www.berzsenyi hu/
5 http://www.gks.fr.bw.schule.de/
Seite 298 von 560

Kurzfassung 3
Kurzfassung
Es werden Ergebnisse unserer Projektarbeit zur Züchtung von Seignettesalzeinkristallen
und deren Habitusänderung bei der Zugabe von Übergangsmetallsalzen vorgestellt.
Weiter sollte eine Apparatur zur Demonstration des Piezoeffekts geplant und gebaut
werden.
Schlagwörter:
Weinstein
Kaliunatriumtartrat, Seignettesalz, Habitusänderung, Piezoeffekt,
Seite 299 von 560

4 Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis
Vorwort............................................................................................................................ 2
Kurzfassung.....................................................................................................................3
Inhaltsverzeichnis ........................................................................................................... 4
Abbildungsverzeichnis.................................................................................................... 5
Tabellenverzeichnis ........................................................................................................ 6
Abkürzungsverzeichnis .................................................................................................. 7
1 Aufgabenstellung ................................................................................................. 8
2 Eigenschaften von Seignettesalz......................................................................... 9
2.1 Eigenschaften von Seignettesalz ........................................................................... 9
2.2 Kristalldaten von Seignettesalz ........................................................................... 10
2.3 Löslichkeitskurve von Seignettesalz ................................................................... 11
3 Züchtung von Seignettesalzeinkristallen......................................................... 13
3.1.1 Synthese von Seignettesalz aus Weinstein.......................................................... 13
3.1.2 Züchtung nach der Abkühlmethode .................................................................... 15
4 Untersuchung von Habitusänderungen von Seignettesalzeinkristallen ....... 17
4.1 Grundlagen von Habitusänderungen ................................................................... 17
4.2 Habitusänderungen von Seignettesalzeinkristallen ............................................. 19
4.2.1 Zusatz von Kupfer(II)-ionen................................................................................ 19
4.2.2 Zusatz von Nickel(II)-ionen ................................................................................ 20
4.2.3 Zusatz von Mangan(II)-ionen.............................................................................. 22
4.2.4 Zusatz von Cobalt(II)-ionen ................................................................................ 24
5 Erstellung von Papiermodellen von verschiedenen
Seignettesalzkristallen....................................................................................... 25
6 Entwicklung einer Apparatur zur Demonstration des Piezoeffekts............. 27
7 Der Kugelwachstumsversuch mit Seignettesalz ............................................. 29
8 Zusammenfassung ............................................................................................. 34
9 Danksagung........................................................................................................ 35
10 Literaturverzeichnis.......................................................................................... 36
11 Anhang................................................................................................................ 37
Seite 300 von 560

Abbildungsverzeichnis 5
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1: Struktur von Seignettesalz......................................................................... 9
Abbildung 2: Diestereoisomere von Weinsäure.............................................................. 9
Abbildung 3: Elementarzelle von Seignettesalz (Erstellt mit der Software
Diamond ® ; Zellecken: K + -Ionen, grüne Kugeln: Na + -Ionen, verbundene
Atome: Tatrationen, rote Kugeln: einzelne Sauerstoff-Atome des
Kristallwassers). 7 ................................................................................................. 11
Abbildung 4: Löslichkeitskurve von Seignettesalz in Wasser. ..................................... 12
Abbildung 5: Synthese von Seignettesalz aus Weinstein mit
Natriumhydrogencarbonat. ................................................................................. 13
Abbildung 6: Ein Teil unserer Gruppe bei der Synthese von Seignettesalz aus
Weinstein (Pascale Baumann, Matthias Geiger und Astrid Jurischka; v. l.). ..... 14
Abbildung 7: Aus Weinstein synthetisiertes Seignettesalz. .......................................... 14
Abbildung 8: Professionelle Züchtungsapparaturen unserer Schule für die
Züchtung von Kristallen nach dem Abkühlverfahren......................................... 15
Abbildung 9: Großer Seignettesalzeinkristall in einer Züchtungsapparatur. ................ 16
Abbildung 10: Großer Seignettesalzeinkristall hoher Qualität (Höhe: ca. 7 cm).......... 16
Abbildung 11: links: oktaedrischer Habitus; rechts: würfelförmiger Habitus; beide
aber mit der selben Tracht (Oktaederflächen und Würfelflächen). .................... 17
Abbildung 12: Abhängigkeit des Habitus eines Kristalls von der relativen
Wachstumsgeschwindigkeiten der Oktaederfläche (vO) und der
Würfelfläche (vW). .............................................................................................. 18
Abbildung 13: Habitus eines Seignettesalzeinkristalls ohne Habitusveränderung.
Die sichtbaren Flächen sind {0 0 1}, {0 1 0}, {1 1 0}, {1 2 0}.......................... 18
Abbildung 14: Züchtung von Seignettesalzeinkristallen nach der
Verdunstungsmethode unter Zusatz verschiedener Übergangsmetallsalzen. ..... 19
Abbildung 15: Habitus eines Seignettesalzeinkristalls unter Zusatz von
Kupfer(II)ionen. Die sichtbaren Flächen sind {0 0 1}, {2 1 0}.......................... 20
Abbildung 16: Berechneter Habitus eines Seignettesalzeinkristalls mit den Flächen
{0 0 1}, {2 1 0}................................................................................................... 20
Abbildung 17: Habitus eines Seignettesalzeinkristalls unter Zusatz von
Nickel(II)ionen. Die sichtbaren Flächen sind {0 0 1}, {1 1 0}, {1 0 0}, {0 1
0}......................................................................................................................... 21
Abbildung 18: Berechneter Habitus eines Seignettesalzeinkristalls mit den Flächen
{0 0 1}, {1 1 0}, {1 0 0}, {0 1 0}. ...................................................................... 21
Abbildung 19: Habitus eines Seignettesalzeinkristalls unter Zusatz von
Mangan(II)ionen. Die sichtbaren Flächen sind {0 0 1}, {1 1 0}, {1 0 0}, {0
1 0}, {1 0 1}, {2 1 0}, {1 1 1}. Der Kristall wurde geschwärzt um innere
Reflexionen zu unterbinden. ............................................................................... 22
Abbildung 20: Berechneter Habitus eines Seignettesalzeinkristalls mit den Flächen
{0 0 1}, {1 1 0}, {1 0 0}, {0 1 0}, {1 0 1}, {2 1 0}, {1 1 1}.............................. 22
Seite 301 von 560

6 Tabellenverzeichnis
Abbildung 21: Habitus eines Seignettesalzeinkristalls unter Zusatz von
Mangan(II)ionen (doppelte Konzentration). Die sichtbaren Flächen sind {0
0 1}, {1 1 0}, {1 0 0}, {0 1 0}, {1 0 1}, {2 1 0}, {1 1 1}................................... 23
Abbildung 22: Berechneter Habitus eines Seignettesalzeinkristalls mit den Flächen
{0 0 1}, {1 1 0}, {1 0 0}, {0 1 0}, {1 0 1}, {2 1 0}, {1 1 1}.............................. 23
Abbildung 23: Habitus eines Seignettesalzeinkristalls unter Zusatz von
Cobalt(II)ionen. Die sichtbaren Flächen sind {0 0 1}, {1 1 0}, {1 0 0}, {0 1
0}, {1 0 1}, {2 1 0}, {1 1 1}. .............................................................................. 24
Abbildung 24: Erklärung des Piezoeffekts; Wird ein piezoelektrischer Kristall
deformiert werden die Ladungsschwerpunkte der positiven und der
negativen Ladung getrennt, und eine Spannung ist an der Oberfläche des
Kristalls messbar................................................................................................. 27
Abbildung 25: Die von uns angefertigte Apparatur zur Demonstration des
Piezoeffekts......................................................................................................... 28
Abbildung 26: Matthias Geiger, Johannes Bernauer, Thekla Bergemann, Karl-
Heinz Hanser, Astrid Jurischka, Pascale Baumann. ........................................... 28
Abbildung 27: Matthias Geiger, Pascale Baumann, Astrid Jurischka (v.l.) mit
einem Seignettesalzkristall, der zu einer Kugel gedreht wurde.......................... 29
Abbildung 28: Thekla Bergemann und Astrid Jurischka (v.l.) an der
Kristalldrehmaschine. ......................................................................................... 30
Abbildung 29: Die von uns verwendete Spezialdrehmaschine mit eingespanntem
Seignettesalzeinkristall........................................................................................ 30
Abbildung 30: Thekla Bergemann mit einer rohen Seignettesalzkugel........................ 31
Abbildung 31: Seignettesalzkugel nach der Durchführung des
Kugelwachstumsvesuchs. ................................................................................... 31
Abbildung 32: Der Ort der Kristallflächen auf der Kugel konnten mittels
Modellrechnung einzelnen Miller-Indizes zugewiesen werden.......................... 32
Tabellenverzeichnis
Tabelle 1: Vorlagen für Papiermodelle von verschiedenen
Seignettesalzeinkristallen.................................................................................... 25
Fortsetzung Tabelle 1: Vorlagen für Papiermodelle von verschiedenen
Seignettesalzeinkristallen.................................................................................... 26
Tabelle 2: Winkelpaare auf der Kugel (Azimut- und Polwinkel) zu jedem Miller-
Index.................................................................................................................... 32
Seite 302 von 560

Abkürzungsverzeichnis 7
Abkürzungsverzeichnis
TGS Triglycinsulfat
Seite 303 von 560

8 1 Aufgabenstellung
1 Aufgabenstellung
Unsere Projektgruppe hatte die Aufgabe aus Weinstein (Kaliumhydrogentartrat)
kristallines Seignettesalz (Kaliumnatriumtartrat) zu synthetisieren und daraus möglichst
große Seignettesalzeinkristalle zu züchten. Ein weiteres Aufgabenfeld bestand in der
Untersuchung von Habitusänderungen von Seignettesalzkristallen unter Zusatz von
Übergangsmetallsalzen.
Seignettesalzkristalle sind piezoelektrisch und bieten sich von daher an, diesen
physikalischen Effekt zu demonstrieren. So wollten wir eine Apparatur zur
Demonstration des Piezoeffekts planen und konstruieren.
Seite 304 von 560

2 Eigenschaften von Seignettesalz 9
2 Eigenschaften von Seignettesalz
2.1 Eigenschaften von Seignettesalz
Seignettesalz ist das Kalium-Natrium-Salz der Weinsäure, welches auch als
Kaliumnatriumtartrat bezeichnet wird. Es wurde in der ersten Hälfte des 17.
Jahrhunderts vom französischen Apotheker Seignette in La Rochelle aus Weinstein
(Kaliumhydrogentartrat) synthetisiert. Der Umstand, dass es in La Rochelle zum ersten
Mal dargestellt wurde, ist der Grund dafür, dass Seignettesalz im angloamerikanischen
Sprachraum als Rochelle-Salz bezeichnet wird. Seignettesalz wird als
Lebensmittelzusatz (E337) und Reduktionsmittel verwendet. Seignettesalzkristalle
zeigen den physikalischen Effekt der Piezoelektrizität, bei welchem die Kristallflächen
bei Deformation elektrisch aufgeladen werden oder bei anlegen einer Spannung der
Kristall sich verformt. 6
HO
COO Na
H OH
COO
H
K
Abbildung 1: Struktur von Seignettesalz.
Weinsäuremoleküle sind chiral und können in drei Diastereoisomere vorkommen. Die
natürlich vorkommende Weinsäure ist die L-(+)-Weinsäure (Abb. 2).
HO
COOH
H OH
H
COOH
L-(+)-Weinsäure
H
COOH
HO H
OH
COOH
D-(-)-Weinsäure
Abbildung 2: Diestereoisomere von Weinsäure.
H
H
COOH
OH
OH
COOH
meso-Weinsäure
optisch inaktiv
6 Jürgen Falbe (Hrsg.), Römpp-Chemie-Lexikon, Thime Verlag, Stuttgart, 9. Aufl., 1990, 2132.
Seite 305 von 560
HO
HO
COOH
H
H
COOH

10 2 Eigenschaften von Seignettesalz
2.2 Kristalldaten von Seignettesalz
Seignettesalz kristallisiert in der Raumgruppe P21212 (Nr. 18) und gehört somit dem
orthorhombischen Kristallsystem an.
Kristalldaten 7
Formula sum C4 H12 K Na O10
Formula weight 282.23
Crystal system orthorhombic
Space group P 21 21 2 (no. 18)
Unit cell dimensions a = 11.880(3) Å
b = 14.298(3) Å
c = 6.216(2) Å
Cell volume 1055.85(50) Å 3
Z 4
Density, calculated 1.775 g/cm 3
Density, measured 1.775 g/cm 3
Pearson code oP66
Formula type A2B3C8X20
Wyckoff sequence c 16 a
Atomkoordinaten
Atom Ox. Wyck. x y z
K1 +1 2a 0 0 0.04410
K2 +1 2b 0.50000 0 0.16000
Na1 +1 4c 0.23220 -0.00680 0.51850
O1 -2 4c 0.12010 0.10880 0.34880
O2 -2 4c 0.21150 0.20360 0.11780
O3 -2 4c 0.23050 0.40680 0.81710
O4 -2 4c 0.05020 0.36020 0.84630
O5 -2 4c 0.16460 0.35780 0.32410
O6 -2 4c 0.29610 0.24870 0.63130
O7 -2 4c 0.39610 0.08330 0.48460
O8 -2 4c 0.23990 0.04140 0.88210
O9 -2 4c 0.44020 0.30590 1.03310
O10 -2 4c 0.42270 0.39410 0.42750
C1 +4 4c 0.15490 0.18800 0.28370
C2 +4 4c 0.12500 0.27360 0.42300
C3 +4 4c 0.17790 0.26360 0.64670
C4 +4 4c 0.15030 0.35080 0.78280
In jeder Elementarzelle befinden sich vier Formeleinheiten von Seignettesalz (Abb. 3).
7 X. Solans, C. Gonzales-Silgo, C. Ruiz-Perez, Journal of Solid State Chemistry 1997, 131, 350 – 357.
Seite 306 von 560

2 Eigenschaften von Seignettesalz 11
Abbildung 3: Elementarzelle von Seignettesalz (Erstellt mit der Software Diamond ® ; Zellecken:
K + -Ionen, grüne Kugeln: Na + -Ionen, verbundene Atome: Tatrationen, rote Kugeln: einzelne
Sauerstoff-Atome des Kristallwassers). 7
2.3 Löslichkeitskurve von Seignettesalz
Seignettesalz weist eine mit steigender Temperatur ansteigende Löslichkeit in Wasser
auf (Abb. 4).
Seite 307 von 560

12 2 Eigenschaften von Seignettesalz
Löslichkeit in Gew-%
45
40
35
30
25
20
0
5 10 15 20 θ / °C
Abbildung 4: Löslichkeitskurve von Seignettesalz in Wasser. 8
Dieses Löslichkeitsverhalten prädestiniert Seignettesalz geradezu für eine Züchtung von
dessen Einkristallen nach dem Abkühlverfahren aber auch nach dem
Verdunstungsverfahren oder nach dem Übersättigungsverfahren.
8 D’Ans, Lax, Taschenbuch für Chemiker und Physiker, 3. Aufl. 1967, 1-1132, Springer Verlag, Berlin,
Heidelberg, New York; [Datenpunkte: (0°C, 24.53 Gew.-%), (10°C, 31.51 Gew.-%), (20°C/40.48
Gew.-%)].
Seite 308 von 560

3 Züchtung von Seignettesalzeinkristallen 13
3 Züchtung von Seignettesalzeinkristallen
3.1.1 Synthese von Seignettesalz aus Weinstein
Weinstein ist chemisch gesehen Kaliumhydrogentartrat (KHC4H4O6), welches sich
während der Reifung von Wein an Innenwänden von Weinfässern abscheidet. Wir
benutzten den billig verfügbaren Weinstein um daraus Seignettesalz zu synthetisieren
(Abb. 5).
HO
COOH
H OH
COO
H
K
Kaliumhydrogentartrat
(Weinstein)
+ NaHCO 3,
-CO 2, -H 2O
H OH
HO
COO Na
COO
H
K
Kaliumnatriumtartrat
(Seignettesalz)
Abbildung 5: Synthese von Seignettesalz aus Weinstein mit Natriumhydrogencarbonat.
Als Base zur Seignettesalzsynthese erwies sich Natriumhydrogencarbonat im Vergleich
mit Natriumcarbonat oder Natronlauge als am besten geeignet, da die Kristallisation des
Seignettesalz’ bei der Verwendung des Hydrogencarbonats besser gelang. 9
9 Synthese von Seignettesalz aus Weinstein: Zu einer Mischung von 94 g gepulvertem Weinstein in 150
ml demin. Wasser wurde bei Raumtemp. löffelweise Natriumhydrogencarbonat zugegeben (die
Verwendung von Anti-Schaum-Reagenzien wird empfohlen). Es wurde langsam auf 40°C erwärmt
und ein Esslöffel Aktivkohle zugegeben und gut vermengt. Es wurde abgesaugt und das Filtrat in
Petrischalen gegossen. Nach 2 Tagen waren farblose Kristalle von Seignettesalz auskristallisiert.
Seite 309 von 560

14 3 Züchtung von Seignettesalzeinkristallen
Abbildung 6: Ein Teil unserer Gruppe bei der Synthese von Seignettesalz aus Weinstein
(Pascale Baumann, Matthias Geiger und Astrid Jurischka; v. l.).
Abbildung 7: Aus Weinstein synthetisiertes Seignettesalz.
Seite 310 von 560

3 Züchtung von Seignettesalzeinkristallen 15
3.1.2 Züchtung nach der Abkühlmethode
Es gibt verschiedene Methoden um Seignettesalzeinkristalle zu züchten. Wie oben
schon erwähnt eignet sich Seignettesalz gut für eine Züchtung nach dem
Abkühlverfahren, aber auch für eine Züchtung nach dem Verdunstungsverfahren oder
dem Überättigungsverfahren. Erstere Methode liefert die beste Kristallqualität, da das
Kristallwachstum unter gut kontrollierbaren Bedingungen abläuft.
Uns gelang, mit den professionellen Züchtungsapparaturen (Abb. 8) unserer Schule, die
Züchtung von Seignettesalzeinkristallen mit hoher Qualität nach dem
Abkühlverfahren. 10
Abbildung 8: Professionelle Züchtungsapparaturen unserer Schule für die Züchtung von
Kristallen nach dem Abkühlverfahren.
10 Alan Holden, Phylis Singer, Die Welt der Kristalle – Gestaltende Kräfte der Natur 1960, 107-108, Kurt
Desch Verlag München.
Seite 311 von 560

16 3 Züchtung von Seignettesalzeinkristallen
Abbildung 9: Großer Seignettesalzeinkristall in einer Züchtungsapparatur.
Abbildung 10: Großer Seignettesalzeinkristall hoher Qualität (Höhe: ca. 7 cm).
Seite 312 von 560

4 Untersuchung von Habitusänderungen von Seignettesalzeinkristallen 17
4 Untersuchung von Habitusänderungen von
Seignettesalzeinkristallen
4.1 Grundlagen von Habitusänderungen
Die äußere Erscheinung eines Kristalls hängt von den Wachstumsgeschwindigkeiten der
verschiedenen möglichen Flächen ab. Theoretisch kann ein kristalliner Körper von
beliebig vielen Flächenarten begrenzt werden. In der Realität treten nur einige wenige
Flächenarten auf, die einen Kristall begrenzen.
Alle Flächen die einen Kristall begrenzen nennt man seine Tracht. Die dominierende
Flächenart nennt man seinen Habitus (Abb. 11).
Abbildung 11: links: oktaedrischer Habitus; rechts: würfelförmiger Habitus; beide aber mit der
selben Tracht (Oktaederflächen und Würfelflächen).
Prinzipiell gilt, dass die Flächenart an einem Kristall am größten ausgeprägt ist, die die
langsamste Wachstumsgeschwindigkeit aufweist. Kaliumaluminiumalauneinkristalle
zum Beispiel wachsen in der Regel in der Oktaederform mit kleinen Würfelflächen,
d. h. die Oktaederfläche wächst am langsamsten und die Würfelfläche noch langsam
genug um sichtbar zu sein. Alle anderen denkbaren Flächen wachsen viel schneller und
sind nicht mehr sichtbar (Abb. 12).
Seite 313 von 560

18 4 Untersuchung von Habitusänderungen von Seignettesalzeinkristallen
Abbildung 12: Abhängigkeit des Habitus eines Kristalls von der relativen
Wachstumsgeschwindigkeiten der Oktaederfläche (vO) und der Würfelfläche (vW).
Durch bestimmte Zusätze zur Züchtungslösung kann die Wachstumsgeschwindigkeit,
vor allem der Würfelfläche, verlangsamt werden. Als Resultat erhält man, je nach
Geschwindigkeitsverhältnis, mehr oder weniger gut ausgebildete würfelförmige
Alaunkristalle. Man erhält also eine Habitusänderung.
Abbildung 13: Habitus eines Seignettesalzeinkristalls ohne Habitusveränderung. Die
sichtbaren Flächen sind {0 0 1}, {0 1 0}, {1 1 0}, {1 2 0}.
Seite 314 von 560

4 Untersuchung von Habitusänderungen von Seignettesalzeinkristallen 19
Seignettesalzeinkristalle wachsen in der Regel in der Form von Säulen (Abb. 13 und
10). Dieser Habitus kann durch Zusatz von Übergangsmetallsalzen verändert werden.
4.2 Habitusänderungen von Seignettesalzeinkristallen
Wir untersuchten die Habitusänderung von Seignettesalzeinkristallen durch Züchtung
nach der Verdunstungsmethode unter Zusatz von Übergangsmetallsalzen. 10 Dazu
bedienten wir uns trichterförmigen Züchtungsgefäßen (Abb. 14), da bei diesen das
Oberflächen/Volumenverhältnis günstiger für die Züchtung ist. Bei einer
Temperaturerhöhung erreicht man nicht so schnell den untersättigten Bereich.
Abbildung 14: Züchtung von Seignettesalzeinkristallen nach der Verdunstungsmethode unter
Zusatz verschiedener Übergangsmetallsalzen.
Wir untersuchten Habitusänderungen an Seignettesalzeinkristallen, jeweils unter Zusatz
von Kupfer(II)sulfat, Nickel(II)sulfat, Mangan(II)sulfat oder Cobalt(II)sulfat. 11
4.2.1 Zusatz von Kupfer(II)-ionen
Unter Zusatz von Kupfer(II)ionen wurden die Flächen mit den Miller-Indizes {0 0 1}
und {2 1 0}, so weit in ihrem Wachstum abgebremst, so dass nur diese Flächen zurück
blieben (Abb. 15).
11 Habitusänderungen an Seignettesalzeinkristallen unter Zusatz von Übergangsmetallionen:
549.3 g Seignettesalz wurden in 465.7 g demin. Wasser gelöst (gesätt. Lösung bei 20°C) und die
Lösung in vier Teile aufgeteilt. Zu jedem Teil wurden je 6 g CuSO4•5H2O, NiSO4•6H2O,
MnSO4•H2O oder CoSO4•6H2O zugesetzt. In einem trichterförmigen Züchtungsgefäß wurden
Seignettesalzkristalle eingehängt, und bei 20°C weiter unter Habitusänderung gezüchtet.
Seite 315 von 560

20 4 Untersuchung von Habitusänderungen von Seignettesalzeinkristallen
Abbildung 15: Habitus eines Seignettesalzeinkristalls unter Zusatz von Kupfer(II)ionen. Die
sichtbaren Flächen sind {0 0 1}, {2 1 0}.
Die Flächenindices konnten durch Vergleich mit einem berechneten Modell zugeordnet
werden.
Abbildung 16: Berechneter Habitus eines Seignettesalzeinkristalls mit den Flächen {0 0 1}, {2
1 0}.
4.2.2 Zusatz von Nickel(II)-ionen
Unter Zusatz von Nickel(II)ionen wurden die Flächen mit den Miller-Indizes {0 0 1},
{1 1 0}, {1 0 0} und {0 1 0}, so weit in ihrem Wachstum abgebremst, so dass nur diese
Flächen zurück blieben (Abb. 17).
Seite 316 von 560

4 Untersuchung von Habitusänderungen von Seignettesalzeinkristallen 21
Abbildung 17: Habitus eines Seignettesalzeinkristalls unter Zusatz von Nickel(II)ionen. Die
sichtbaren Flächen sind {0 0 1}, {1 1 0}, {1 0 0}, {0 1 0}.
Mit einer Modellrechnung konnten die Miller-Indizes der Flächen zugewiesen werden
(Abb. 18).
Abbildung 18: Berechneter Habitus eines Seignettesalzeinkristalls mit den Flächen {0 0 1}, {1
1 0}, {1 0 0}, {0 1 0}.
Seite 317 von 560

22 4 Untersuchung von Habitusänderungen von Seignettesalzeinkristallen
4.2.3 Zusatz von Mangan(II)-ionen
Unter Zusatz von Nickel(II)ionen wurden die Flächen mit den Miller-Indizes {0 0 1},
{1 1 0}, {1 0 0}, {0 1 0}, {1 0 1}, {2 1 0} und {1 1 1}, so weit in ihrem Wachstum
abgebremst, so dass nur diese Flächen zurück blieben (Abb. 19).
Abbildung 19: Habitus eines Seignettesalzeinkristalls unter Zusatz von Mangan(II)ionen. Die
sichtbaren Flächen sind {0 0 1}, {1 1 0}, {1 0 0}, {0 1 0}, {1 0 1}, {2 1 0}, {1 1 1}. Der Kristall
wurde geschwärzt um innere Reflexionen zu unterbinden.
Modellrechnungen lieferten uns auch in diesem Fall gute Dienste um die Miller-Indizes
der ausgeprägten Flächen zu bestimmen (Abb. 19).
Abbildung 20: Berechneter Habitus eines Seignettesalzeinkristalls mit den Flächen {0 0 1}, {1
1 0}, {1 0 0}, {0 1 0}, {1 0 1}, {2 1 0}, {1 1 1}.
Seite 318 von 560

4 Untersuchung von Habitusänderungen von Seignettesalzeinkristallen 23
Abbildung 21: Habitus eines Seignettesalzeinkristalls unter Zusatz von Mangan(II)ionen
(doppelte Konzentration). Die sichtbaren Flächen sind {0 0 1}, {1 1 0}, {1 0 0}, {0 1 0}, {1 0 1}, {2
1 0}, {1 1 1}.
Abbildung 22: Berechneter Habitus eines Seignettesalzeinkristalls mit den Flächen {0 0 1}, {1
1 0}, {1 0 0}, {0 1 0}, {1 0 1}, {2 1 0}, {1 1 1}.
Seite 319 von 560

24 4 Untersuchung von Habitusänderungen von Seignettesalzeinkristallen
4.2.4 Zusatz von Cobalt(II)-ionen
Cobalt(II)ionen verändern den Habitus von Seignettesalzkristallen auf die selbe Weise
wie Mangan(II)ionen.
Abbildung 23: Habitus eines Seignettesalzeinkristalls unter Zusatz von Cobalt(II)ionen. Die
sichtbaren Flächen sind {0 0 1}, {1 1 0}, {1 0 0}, {0 1 0}, {1 0 1}, {2 1 0}, {1 1 1}.
Seite 320 von 560

5 Erstellung von Papiermodellen von verschiedenen Seignettesalzkristallen 25
5 Erstellung von Papiermodellen von verschiedenen
Seignettesalzkristallen
Modell eines Seignettesalzkristalls, der ohne
Zusätze gezüchtet wurde.
Modell eines Seignettesalzkristalls, der unter
Zusatz von Kupfer(II)-Ionen gezüchtet wurde.
Tabelle 1: Vorlagen für Papiermodelle von verschiedenen Seignettesalzeinkristallen.
Seite 321 von 560

26 5 Erstellung von Papiermodellen von verschiedenen Seignettesalzkristallen
Modell eines Seignettesalzkristalls, der unter
Zusatz von Mangan(II)-Ionen (hohe
Konzentration) gezüchtet wurde.
Modell eines Seignettesalzkristalls, der unter
Zusatz von Nickel(II)-Ionen gezüchtet wurde.
Fortsetzung Tabelle 1: Vorlagen für Papiermodelle von verschiedenen
Seignettesalzeinkristallen.
Seite 322 von 560
Modell eines Seignettesalzkristalls, der
unter Zusatz von Mangan(II)-Ionen
(niedrige Konzentration) oder Cobalt(II)-
Ionen gezüchtet wurde.

6 Entwicklung einer Apparatur zur Demonstration des Piezoeffekts 27
6 Entwicklung einer Apparatur zur Demonstration
des Piezoeffekts
Wie oben erwähnt, besitzen Seignettesalzeinkristalle die Eigenschaft der
Piezoelektrizität. Deformiert man einen Kristall, so wird an der Kristalloberfläche eine
Spannung messbar. (Abb. 24)
Ladungsschwerpunkte
an derse ben Positionen
Kraft
Kraft
Ladungsschwerpunkte
an unterschiedlichen Positionen
Abbildung 24: Erklärung des Piezoeffekts; Wird ein piezoelektrischer Kristall deformiert werden
die Ladungsschwerpunkte der positiven und der negativen Ladung getrennt, und eine
Spannung ist an der Oberfläche des Kristalls messbar.
Wir wollten eine Apparatur bauen, mit der der Piezoeffekt besonders eindrucksvoll
demonstriert werden kann.
Zum Bau einer solchen Apparatur sind folgende Überlegungen angebracht:
- Auf welche Weise wird der Kristall kurzzeitig deformiert?
Hier hat es sich bewährt einen Hammer oder ein fallendes Massestück zu benutzen.
- Wie kann man eine Beschädigung des Kristalls verhindern?
Um den Kristall zu schützen, verwendet man am besten Gummistücke, die den Kristall
an den gefährdeten Stellen der Oberfläche ummanteln.
- Wie macht man die kurzzeitig anliegende Spannung am Kristall sichtbar?
Die Spannung kann flächig mit Aluminiumfolie abgegriffen werden und mit einer
Glimmlampe detektiert werden.
Auf der Grundlage dieser Fragen und Erfahrungswerte bauten wir in den Werkstätten
unserer Schule eine solche Apparatur (Abb. 25).
Seite 323 von 560

28 6 Entwicklung einer Apparatur zur Demonstration des Piezoeffekts
Herr Hanser von der Georg-Kerschensteiner Schule, Müllheim war uns sehr behilflich
bei der Anfertigung.
Abbildung 25: Die von uns angefertigte Apparatur zur Demonstration des Piezoeffekts.
Abbildung 26: Matthias Geiger, Johannes Bernauer, Thekla Bergemann, Karl-Heinz Hanser,
Astrid Jurischka, Pascale Baumann.
Seite 324 von 560

7 Der Kugelwachstumsversuch mit Seignettesalz 29
7 Der Kugelwachstumsversuch mit Seignettesalz
Der Kugelwachstumsversuch ist eine Methode um viele Flächen bei einem Kristall
sichtbar zu machen die normalerweise herauswachsen.
Beim Kugelwachstumsversuch wird eine polierte Kristallkugel in eine leicht
übersättigte Lösung des Kristallmaterials gehängt, die Kugel fängt an zu wachsen und
wird ganz rau, nur an den Stellen an denen Flächen wachsen ist dies nicht der Fall und
es treten plane kleine Flächen auf. Will man diesen Versuch ausführen benötigt man
eine Kristallkugel aus Seignettesalz. Zum Herstellen einer solchen Kristallkugel
benutzten wir eine spezielle Drehbank mit der es uns gelang mehrere Kristallkugeln zu
fertigen.
Abbildung 27: Matthias Geiger, Pascale Baumann, Astrid Jurischka (v.l.) mit einem
Seignettesalzkristall, der zu einer Kugel gedreht wurde.
Seite 325 von 560

30 7 Der Kugelwachstumsversuch mit Seignettesalz
Abbildung 28: Thekla Bergemann und Astrid Jurischka (v.l.) an der Kristalldrehmaschine.
Abbildung 29: Die von uns verwendete Spezialdrehmaschine mit eingespanntem
Seignettesalzeinkristall.
Seite 326 von 560

7 Der Kugelwachstumsversuch mit Seignettesalz 31
Abbildung 30: Thekla Bergemann mit einer rohen Seignettesalzkugel.
Abbildung 31: Seignettesalzkugel nach der Durchführung des Kugelwachstumsvesuchs.
Seite 327 von 560

32 7 Der Kugelwachstumsversuch mit Seignettesalz
Abbildung 32: Der Ort der Kristallflächen auf der Kugel konnten mittels Modellrechnung
einzelnen Miller-Indizes zugewiesen werden.
Miller-Index Azimutwinkel Polwinkel Miller-Index Azimutwinkel Polwinkel
(1 0 0) 0.00 90.00
(1 0 0) 180.00 90.00
(0 1 0) 90.00 90.00
(0 1 0) 270.00 90.00
(0 0 1) 0.00 0.00
(0 0 1) 0.00 180.00
(1 1 1) 39.83 34.23
(1 1 1) 219.83 34.23
(1 1 1) 140.17 145.77
(1 1 1) 320.17 145.77
(1 2 1) 59.06 45.46
(1 2 1) 239.06 45.46
(1 2 1) 120.94 134.54
(1 2 1) 300.94 134.54
(2 2 1) 39.83 53.69
(2 2 1) 219.83 53.69
(2 2 1) 140.17 126.31
(2 2 1) 320.17 126.31
(1 0 1) 0.00 27.59
(1 0 1) 180.00 27.59
(1 0 1) 180.00 152.41
(1 0 1) 0.00 152.41
(0 1 1) 90.00 23.54
(0 1 1) 270.00 23.54
(0 1 1) 90.00 156.46
(0 1 1) 270.00 156.46
(-1 1 1) 140.17 34.23
(-1 1 1) 320.17 34.23
(-1 1 1) 39.83 145.77
(-1 1 1) 219.83 145.77
(1 -2 1) 300.94 45.46
(1 -2 1) 120.94 45.46
(1 -2 1) 239.06 134.54
(1 -2 1) 59.06 134.54
(-2 2 1) 140.17 53.69
(-2 2 1) 320.17 53.69
(-2 2 1) 39.83 126.31
(-2 2 1) 219.83 126.31
(0 2 1) 90.00 41.07
(0 2 1) 270.00 41.07
(0 2 1) 90.00 138.93
(0 2 1) 270.00 138.93
(2 0 1) 0.00 46.26
(2 0 1) 180.00 46.26
(2 0 1) 180.00 133.74
(2 0 1) 0.00 133.74
(1 2 2) 59.06 26.93
(1 2 2) 239.06 26.93
(1 2 2) 120.94 153.07
(1 2 2) 300.94 153.07
(1 -2 2) 300.94 26.93
(1 -2 2) 120.94 26.93
(1 -2 2) 239.06 153.07
(1 -2 2) 59.06 153.07
Tabelle 2: Winkelpaare auf der Kugel (Azimut- und Polwinkel) zu jedem Miller-Index.
Seite 328 von 560

7 Der Kugelwachstumsversuch mit Seignettesalz 33
Durch Modellrechnungen konnten die jeweiligen Miller-Indizes den Kristallflächen auf
der Kugel zugewiesen werden (Abb. 32 und Tabelle 2). Details zu diesem Teil unserer
Arbeit können im Projektbericht zum Kugelwachstumsversuch nachgelesen werden.
Seite 329 von 560

34 8 Zusammenfassung
8 Zusammenfassung
Unserer Projektgruppe gelang es Seignettesalz aus Weinstein zu synthetisieren und
daraus Einkristalle mit hoher Qualität zu züchten. Wir konnten verschiedene
Habitusänderungen bei Seignettesalzeinkristallen mit dem Zusatz von
Übergangsmetallsalzen zur Züchtungslösung beobachten. Zum Abschluss unserer
Arbeit an diesem Projekt gelang die Fertigstellung einer Apparatur zur Demonstration
des Piezoeffekts und die Herstellung von mehreren Seignettesalzkugeln, die zur
Durchführung des Kugelwachstumsversuchs dienten.
Seite 330 von 560

9 Danksagung 35
9 Danksagung
Unser Dank gilt der Schulleitung der Georg-Kerschensteiner Schule, Müllheim. Unsern
Betreuern Herrn Otto Schäfer und Herrn Dipl. chem. Stefan Müller und Herrn Karl-
Heinz Hanser.
Seite 331 von 560

36 10 Literaturverzeichnis
10 Literaturverzeichnis
[1] Sokrates: gemeinschaftliches Aktionsprogramm im Bereich der allgemeinen Bildung
(2000-2006) der Europäischen Union; Comenius: Europäische Zusammenarbeit auf
dem Gebiet der Schulbildung.
[2] http://copal.ms-dev.de/
[3] http://www.louis-armand.uha.fr/
[4] http://www.berzsenyi.hu/
[5] http://www.gks.fr.bw.schule.de/
[6] Jürgen Falbe (Hrsg.), Römpp-Chemie-Lexikon, Thime Verlag, Stuttgart, 9. Aufl., 1990,
2132.
[7] X. Solans, C. Gonzales-Silgo, C. Ruiz-Perez, Journal of Solid State Chemistry 1997,
131, 350 – 357.
[8] D’Ans, Lax, Taschenbuch für Chemiker und Physiker, 3. Aufl. 1967, 1-1132, Springer
Verlag, Berlin, Heidelberg, New York; [Datenpunkte: (0°C, 24.53 Gew.-%), (10°C,
31.51 Gew.-%), (20°C/40.48 Gew.-%)].
[9] Synthese von Seignettesalz aus Weinstein: Zu einer Mischung von 94 g gepulvertem
Weinstein in 150 ml demin. Wasser wurde bei Raumtemp. löffelweise
Natriumhydrogencarbonat zugegeben (die Verwendung von Anti-Schaum-Reagenzien
wird empfohlen). Es wurde langsam auf 40°C erwärmt und ein Esslöffel Aktivkohle
zugegeben und gut vermengt. Es wurde abgesaugt und das Filtrat in Petrischalen
gegossen. Nach 2 Tagen waren farblose Kristalle von Seignettesalz auskristallisiert.
[10] Alan Holden, Phylis Singer, Die Welt der Kristalle – Gestaltende Kräfte der Natur
1960, 107-108, Kurt Desch Verlag München.
[11] Habitusänderungen an Seignettesalzeinkristallen unter Zusatz von
Übergangsmetallionen: 549.3 g Seignettesalz wurden in 465.7 g demin. Wasser gelöst
(gesätt. Lösung bei 20°C) und die Lösung in vier Teile aufgeteilt. Zu jedem Teil wurden
je 6 g CuSO4•5H2O, NiSO4•6H2O, MnSO4•H2O oder CoSO4•6H2O zugesetzt. In einem
trichterförmigen Züchtungsgefäß wurden Seignettesalzkristalle eingehängt, und bei
20°C weiter unter Habitusänderung gezüchtet.
Seite 332 von 560

11 Anhang 37
11 Anhang
An dieser Stelle sind Materialien zusammengestellt, die während unserer Projektarbeit
erstellt wurden.
Seite 333 von 560

Züchtung von Alauneinkristallen und
Untersuchung von Habitusänderungen
an Alaunkristallen
Fabian Ambil, Sebastian Grether, Tobias Jerabek, Jens Tietjen,
Stefan Müller Ж (Ed.), Otto Schäfer Ш
Ж : Albert-Ludwigs Universität, Freiburg, Ш : Georg-Kerschensteiner Schule, Müllheim
Projektbericht
im Rahmen des Sokrates-Comenius-Projekts
Synthese von Opalen
an der
Georg-Kerschensteiner Schule, Müllheim/Baden
2005-2007
Müllheim im August 2007
Seite 339 von 560

2 Vorwort
Vorwort
Diese Abhandlung präsentiert kurz die Ergebnisse der Projektgruppe „Alaun“, die an
der Georg-Kerschensteiner Schule in Müllheim im Rahmen eines Sokrates-Comenius-
Projekts1 in den Jahren 2005-2007 erarbeitet wurden. Das Hauptziel besagten Projektes
bestand in der Realisierung einer synthetischen Herstellung von Opalen mit all den
damit verbundenen Forschungen. 2
Um diese Aufgabe zu Schultern arbeiteten drei Schulen aus drei Ländern der
Europäischen Union mit insgesamt 54 Schülern an diesem Projekt mit. Die einzelnen
Schulen waren das Lycée d'enseignement général et technologique Louis Armand3 ,
Mulhouse/Frankreich, das Berzsenyi Dániel Gimnázium4 , Budapest/Ungarn und die
Georg-Kerschensteiner Schule5 , Müllheim/Deutschland.
Die Schüler an der Georg-Kerschensteiner Schule sollten mit dem Arbeiten in einem
internationalen und gemeinschaftlichem Umfeld, sowie naturwissenschaftlichen Denkund
Arbeitsweisen vertraut gemacht werden. Die Organisation sah vor, dass die Schüler
in kleinen Gruppen (bis zu 5 Mitgliedern) an einem kleinen wissenschaftlichen Projekt
neben dem Hauptprojekt über zwei Jahre arbeiten sollten. Es wurden sechs solcher
Projektgruppen gebildet, denen unterschiedliche Aufgaben übertragen wurden:
- Alaun: Züchtung von Alauneinkristallen und Untersuchung von Habitusänderungen an
Alaunkristallen.
- Seignettesalz: Synthese von Seignettesalz aus Weinstein und Züchtung von
Seignettesalzeinkristallen, Untersuchungen zur Habitusänderung an Seignettesalzkristallen,
sowie dem Bau von Apparaturen zur Demonstration des Piezoeffekts.
- TGS: Synthese von Triglycinsulfat (TGS) und Züchtung von TGS-Einkristallen, sowie dem Bau
eines pyroelektrischen Konverters.
- Natriumchlorid: Züchtung von Natriumclorid-Glucose-Kristallen und deren Analyse.
- Calciumtartrat: Züchtung von Kalziumtartrateinkristallen in einer Kieselgelmatrix.
- Kugelwachstumsversuch: Durchführung und in-silico-Simulation des Kugelwachstumsversuchs.
Wie oben schon erwähnt ist diese Abhandlung nun die Zusammenfassung der
Ergebnisse der Projektgruppe „Alaun“.
1 Sokrates: gemeinschaftliches Aktionsprogramm im Bereich der allgemeinen Bildung (2000-2006) der
Europäischen Union; Comenius: Europäische Zusammenarbeit auf dem Gebiet der Schulbildung.
2 http://copal ms-dev.de/
3 http://www.louis-armand.uha.fr/
4 http://www.berzsenyi hu/
5 http://www.gks.fr.bw.schule.de/
Seite 340 von 560

Kurzfassung 3
Kurzfassung
Es werden Ergebnisse der Projektarbeit zur Züchtung von Kaliumaluminiumalaun-
Einkristallen und deren Habitusänderung bei der Zugabe von Tensiden vorgestellt.
Weiter wurden auch Einkristalle anderer Derivate des Alauns gezüchtet.
Schlagwörter: Kaliumaluminiumalaun, Alaun, Habitusänderung, Tenside
Seite 341 von 560

4 Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis
Vorwort............................................................................................................................ 2
Kurzfassung.....................................................................................................................3
Inhaltsverzeichnis ........................................................................................................... 4
Abbildungsverzeichnis.................................................................................................... 5
Tabellenverzeichnis ........................................................................................................ 5
Abkürzungsverzeichnis .................................................................................................. 6
1 Aufgabenstellung ................................................................................................. 7
2 Züchtung von Alauneinkristallen ...................................................................... 8
2.1 Alaune.................................................................................................................... 8
2.2 Kristalldaten von Alaun......................................................................................... 8
2.3 Löslichkeitskurve von Alaun............................................................................... 10
2.4 Züchtung von Alauneinkristallen ........................................................................ 11
2.4.1 Kristallzüchtungsmethoden ................................................................................. 11
2.4.2 Züchtung von Impfkristallen ............................................................................... 11
2.5 Züchtung von Alauneinkristallen nach dem Abkühlverfahren ........................... 13
3 Habitusänderungen von Alauneinkristallen ................................................... 16
3.1 Habitusänderungen an Alaun durch Zusatz von Tensiden.................................. 17
4 Zusammenfassung ............................................................................................. 21
5 Danksagung........................................................................................................ 22
6 Literaturverzeichnis.......................................................................................... 23
7 Anhang................................................................................................................ 24
Seite 342 von 560

Abbildungsverzeichnis 5
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1: Elementarzelle von Alaun (Erstellt mit der Software Diamond ® ;
Oktaeder: Al(OH2)6-Einheiten, Tetraeder: SO4 2- -Ionen, Kugeln auf den
Mitten der Kanten und in der Zellmitte: K + -Ionen, rote Kugeln:
Sauerstoffatome-Atome des Kristallwassers). 8 ..................................................... 9
Abbildung 2: Löslichkeitskurve von Kaliumaluminiumalaun in Wasser. .................... 10
Abbildung 3: Impfkristalle von Kaliumaluminiumalaun. ............................................. 12
Abbildung 4: Impfkristalle von Kaliumaluminiumalaun schon mit Nylonfaden
versehen. ............................................................................................................. 12
Abbildung 5: Züchtungsapparaturen für Kristallzüchtungen nach dem
Abkühlverfahren. ................................................................................................ 13
Abbildung 6: Einfache Züchtungsapparatur zum Züchten von Kristallen nach dem
Abkühl-oder Verdunstungsverfahren.................................................................. 14
Abbildung 7: hervorragender Alauneinkristall in der Züchtungsapparatur. ................. 14
Abbildung 8: Chromalauneinkristall. ............................................................................ 15
Abbildung 9: links: oktaedrischer Habitus; rechts: würfelförmiger Habitus; beide
aber mit derselben Tracht (Oktaederflächen und Würfelflächen). ..................... 16
Abbildung 10: Abhängigkeit des Habitus eines Kristalls von den relativen
Wachstumsgeschwindigkeiten der Oktaederfläche (vO) und der
Würfelfläche (vW). .............................................................................................. 16
Abbildung 11: trichterförmige Züchtungsgefäße für die Kristallzüchtung nach der
Verdunstungsmethode......................................................................................... 17
Abbildung 12: Alaunwürfel, gezüchtet nach der Verdunstungsmethode unter
Zusatz von 0.1 Gew-% Dodecan-1-sulfonsäure. ................................................ 19
Abbildung 13: Tiefblauer “Chromalaunoktaeder” in einem farblosen
“Alaunwürfel”, gezüchtet unter Zusatz von Amaranth ® ..................................... 20
Tabellenverzeichnis
Tabelle 1: Auswahl der untersuchte Tenside bezüglich ihrer Habitusändernden
Eigenschaften...................................................................................................... 18
Seite 343 von 560

6 Abkürzungsverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis
TGS Triglycinsulfat
Seite 344 von 560

1 Aufgabenstellung 7
1 Aufgabenstellung
Unsere Projektarbeit sollte weitgehend aus der Züchtung von Kaliumaluminiumalaun-
Einkristallen und die Untersuchung von Habitusänderungen durch Zusatz von Tensiden
zur Züchtungslösung bestehen.
Seite 345 von 560

8 2 Züchtung von Alauneinkristallen
2 Züchtung von Alauneinkristallen
2.1 Alaune
Unter Alaunen versteht man eine Reihe von Doppelsalzen der allgemeinen Formel
M I M III SO4•12H2O, wobei M I für ein einwertiges und M III für ein dreiwertiges Kation
steht (M I z.B. Na, K, NH4, Tl und M III z.B. Al, Cr, Fe, Mn, Ti, V). Nicht verwechseln
darf man diese Bezeichnung mit „Alaun“, welcher sich als Name für das Alaun
schlechthin, nämlich Kaliumaluminiumalaun etabliert hat. 6,7
Alaun (Kaliumaluminiumalaun, KAlSO4•12H2O) findet schon seit dem Altertum wegen
seiner adstringierenden - Eiweiß-fällende - Wirkung als Rasierstein und in der Gerberei
Verwendung. 7
2.2 Kristalldaten von Alaun
Alaun kristallisiert in der Raumgruppe Pa-3 (Nr. 205) und gehört somit dem kubischen
Kristallsystem an.
Kristalldaten 8
Formula sum Al K S2 O20 H24
Formula weight 474.39
Crystal system cubic
Space group P a -3 (no. 205)
Unit cell dimensions a = 12.157(2) Å
Cell volume 1796.72(51) Å 3
Z 4
Density, calculated 1.754 g/cm 3
Density, measured 1.757 g/cm 3
Pearson code cP96
Formula type ABC2X20
Wyckoff sequence d 3 c 2 ba
6
M. J. Buerger, F. Laves, G. Menzer, I. N. Stranski, „Kristallographie der Alaune 1“, Zeitschrift für
Kristallographie 1961, 116, 371-405.
7
Jürgen Falbe, Manfred Regitz (Hrsg.), Römpp Chemielexikon, 8. Aufl. 1989, Thieme Verlag, Stuttgart,
New York.
8
H. Lipson, C. A. Beevers, Proceedings of the Royal Society of London, Series A 1934, 148, 664 – 680.
Seite 346 von 560

2 Züchtung von Alauneinkristallen 9
Atomkoordinaten
Atom Ox. Wyck. Occ. x y z
Al 1 +3 4a 0 0 0
K 1 +1 4b 0.50000 0.50000 0.50000
S 1 +6 8c 0.31000 0.31000 0.31000
O 1 -2 8c 0.24000 0.24000 0.24000
O 2 -2 24d 0.30000 0.27000 0.43000
O 3 -2 24d 0.02000 0.02000 0.16000
O 4 -2 24d 0.04000 0.13000 0.30000
H 1 +1 24D 4 ?
Alaun ist ein Doppelsalz in dessen Kristallstruktur Aluminium oktaedrisch von sechs
Wassermolekülen koordiniert ist (Abb. 1).
Abbildung 1: Elementarzelle von Alaun (Erstellt mit der Software Diamond ® ; Oktaeder:
Al(OH2)6-Einheiten, Tetraeder: SO4 2- -Ionen, Kugeln auf den Mitten der Kanten und in der
Zellmitte: K + -Ionen, rote Kugeln: Sauerstoffatome-Atome des Kristallwassers). 8
Seite 347 von 560

10 2 Züchtung von Alauneinkristallen
2.3 Löslichkeitskurve von Alaun
Alaun weist eine mit steigender Temperatur ansteigende Löslichkeit in Wasser auf
(Abb. 2).
Löslichkeit in Gew-%
80
60
50
40
30
20
10
0
0
10 20 30
Abbildung 2: Löslichkeitskurve von Kaliumaluminiumalaun in Wasser. 9
40
50 60 70 80 90 100
θ / °C
Dieses Löslichkeitsverhalten prädestiniert Alaun geradezu für eine Züchtung von dessen
Einkristallen nach dem Abkühlverfahren.
9 D’Ans, Lax, Taschenbuch für Chemiker und Physiker, 3. Aufl. 1967, 1-1101, Springer Verlag, Berlin,
Heidelberg, New York; [Datenpunkte: (0°C, 3.0 Gew.-%), (10°C, 4.0 Gew.-%), (20°C, 5.5
Gew.-%), (40°C, 10.2 Gew.-%), (60°C, 19.5 Gew.-%), (80°C, 33.5 Gew.-%), (100°C, 60.8
Gew.-%)].
Seite 348 von 560

2 Züchtung von Alauneinkristallen 11
2.4 Züchtung von Alauneinkristallen
2.4.1 Kristallzüchtungsmethoden
Für Alaun können im wesentlichen zwei Kristallzüchtungsmethoden angewendet
werden zum einen die Verdunstungsmethode und zum anderen die
Abkühlungsmethode.
Beide Verfahren beruhen darauf, die absolut gelöste Stoffmenge an Alaun mit der Zeit
langsam zu verringern und so das Wachstum eines Impfkristalls zu ermöglichen.
Beim Verdunstungsverfahren wird dies durch ein langsames Verdampfen des
Lösungsmittels (Wassers) bei konstanter Temperatur erreicht, beim Abkühlverfahren
durch langsames Abkühlen einer wässr. Alaunlösung ohne Verdampfen des Wassers.
Das Abkühlverfahren ist dem Verdunstungsverfahren in der Qualität der erhaltbaren
Einkristallen überlegen, aufgrund der besseren Kontrollierbarkeit der
Züchtungsbedingungen (Verfügbarkeit guter Thermostaten).
Unserer Projektgruppe züchtete Einkristalle nach beiden Methoden. Qualitativ
exzellente Alauneinkristalle nach der Abkühlungsmethode und bei der Untersuchungen
von Habitusänderungen an Alauneinkristallen durch Tensidzusatz bei konstanter
Temperatur mit der Verdunstungsmethode.
2.4.2 Züchtung von Impfkristallen
Um aus wässr. Lösungen Einkristalle züchten zu können benötigten wir qualitativ
hochwertige Impfkristalle, die dann in den Züchtungsapparaturen weiter wachsen
sollten. Um diese Impfkristalle zu erhalten benötigten wir zunächst eine bei Raumtemp.
fast gesättigte Lösung von Alaun. Diese Lösung wurden einfach in eine große
Petrischale gegossen und mit einem Filterpapier abgedeckt. Nach ein bis zwei Tagen
kristallisierten aus der Lösung die Impfkristalle aus (Abb. 3 und 4). 10
10 Herstellung der Alaunlösung: 20 g KAlSO4•12H2O wurden bei Raumtemp. in 100 ml demin. Wasser
gelöst, nach Alan Holden, Phylis Singer, Die Welt der Kristalle 1960, 105-106, Verlag Kurt Desch,
München, Wien, Basel.
Seite 349 von 560

12 2 Züchtung von Alauneinkristallen
Abbildung 3: Impfkristalle von Kaliumaluminiumalaun.
Abbildung 4: Impfkristalle von Kaliumaluminiumalaun schon mit Nylonfaden versehen.
Seite 350 von 560

2 Züchtung von Alauneinkristallen 13
2.5 Züchtung von Alauneinkristallen nach dem
Abkühlverfahren
Die Georg-Kerschensteiner Schule in Müllheim verfügt seit geraumer Zeit über
professionelle Züchtungsapparaturen zur Züchtung von Einkristallen nach dem
Abkühlverfahren (Abb. 5).
Abbildung 5: Züchtungsapparaturen für Kristallzüchtungen nach dem Abkühlverfahren.
Wir haben bei unseren Kristallzüchtungsexperimenten uns aber auch einer einfacheren
Apparatur bedient, die wie Abb. 6 zeigt aus einem Kunststoffaquarium gefertigt wurde.
Seite 351 von 560

14 2 Züchtung von Alauneinkristallen
Abbildung 6: Einfache Züchtungsapparatur zum Züchten von Kristallen nach dem Abkühl-oder
Verdunstungsverfahren.
Mit diesen Apparaturen war es uns möglich mehrere Alauneinkristalle mit einer hohen
Qualität zu züchten (Abb. 7).
Abbildung 7: hervorragender Alauneinkristall in der Züchtungsapparatur.
Das einzige Problem mit der man bei dieser Methode konfrontiert ist, ist die hohe
Empfindlichkeit gegenüber Kristallkeimen, die, wenn sie entstehen (z.B. spontan oder
durch Verdunstung an der Oberfläche der Lösung), schneller wachsen als der
eingehängte Impfkristall und so die maximal erreichbare Größe des Einkristalls rapide
senken.
Seite 352 von 560

2 Züchtung von Alauneinkristallen 15
Abbildung 8: Chromalauneinkristall.
Auf analoge Weise gelang es uns auch Chromalaun-Einkristalle mit hoher Qualität zu
erhalten (Abb. 8). 11
11 Chromalaun: KCrSO4•12H2O.
Seite 353 von 560

16 3 Habitusänderungen von Alauneinkristallen
3 Habitusänderungen von Alauneinkristallen
Die äußere Erscheinung eines Kristalls hängt von den Wachstumsgeschwindigkeiten der
verschiedenen möglichen Flächen ab. Theoretisch kann ein kristalliner Körper von
beliebig vielen Flächenarten begrenzt werden. In der Realität aber treten nur einige
wenige Flächenarten auf die einen Kristall begrenzen.
Alle Flächen die einen Kristall begrenzen nennt man seine Tracht. Die dominierende
Flächenart nennt man seinen Habitus (Abb. 9).
Abbildung 9: links: oktaedrischer Habitus; rechts: würfelförmiger Habitus; beide aber mit
derselben Tracht (Oktaederflächen und Würfelflächen).
Prinzipiell gilt, dass die Flächenart an einem Kristall am größten ausgeprägt ist, die die
langsamste Wachstumsgeschwindigkeit aufweist. Kaliumaluminiumalaun-Einkristalle
wachsen in der Regel in der Oktaederform mit kleinen Würfelflächen, d. h. die
Oktaederfläche wächst am langsamsten und die Würfelfläche noch langsam genug um
sichtbar zu sein. Alle anderen denkbaren Flächen wachsen viel schneller und sind nicht
mehr sichtbar (Abb. 10).
Abbildung 10: Abhängigkeit des Habitus eines Kristalls von den relativen
Wachstumsgeschwindigkeiten der Oktaederfläche (vO) und der Würfelfläche (vW).
Seite 354 von 560

3 Habitusänderungen von Alauneinkristallen 17
Durch bestimmte Zusätze zur Züchtungslösung kann die Wachstumsgeschwindigkeit,
vor allem der Würfelfläche, verlangsamt werden. Als Resultat erhält man, je nach
Geschwindigkeitsverhältnis, mehr oder weniger gut ausgebildete würfelförmige
Alaunkristalle. Dieser Vorgang wird als eine Habitusänderung bezeichnet.
3.1 Habitusänderungen an Alaun durch Zusatz von Tensiden
Durch den Zusatz von Tensiden zu einer Züchtungslösung von Alaun kann der Habitus
des wachsenden Kristalls hin zur Würfelform verändert werden, was wie oben erwähnt
auf einer Verlangsamung der relativen Wachstumsgeschwindigkeit der Würfelfläche im
Vergleich zur Oktaederfläche beruht.
Unsere Projektgruppe hatte die Aufgabe verschiedene Tenside auf ihre Aktivität
bezüglich einer solchen Habitusänderung zu untersuchen.
Als Züchtungsverfahren bot sich die Verdunstungsmethode an, da sie es ermöglicht bei
konstanter Temperatur zu züchten und noch wichtige Reihenuntersuchungen mit einer
großen Anzahl von Züchtungslösungen durchzuführen. Um die Übersättigung während
der Züchtung über einen längeren Zeitraum konstant zu halten wurden von uns
trichterförmige Züchtungsgefäße benutzt. Die Züchtung in einem trichterförmigen
Gefäß ist gegen Temperaturschwankungen günstiger. Man gelangt bei geringer
Temperaturerhöhung nicht so schnell in den untersättigten Bereich (Abb. 11).
Abbildung 11: trichterförmige Züchtungsgefäße für die Kristallzüchtung nach der
Verdunstungsmethode.
Seite 355 von 560

18 3 Habitusänderungen von Alauneinkristallen
Tensidquelle Mischungsverhältnis Ergebnisse
Pril Ultra ®
Waschmittel
Pril Ultra ®
Waschmittel
Glaskeramik-
Reiniger
Adsitt Ultra ®
Klarspüler
Lenor
Sommerbrise ®
Caribic ®
Körperpflege
Pril Apple ®
Garnier Fructis ®
Pool Duschgel ®
Kernseife
Arylsulfonat (50%)
Pril sensitiv Aloe
Vera ®
Palmolive Ultra
Original ®
Frosch Zitronen-
Scheuermilch ®
730 mg
700 ml gesätt. Alaunlsg.
770 mg
700 ml gesätt. Alaunlsg.
720 mg
700 ml gesätt. Alaunlsg.
840 mg
700 ml gesätt. Alaunlsg.
770 mg
700 ml gesätt. Alaunlsg.
800 mg
700 ml gesätt. Alaunlsg.
700 mg
700 ml gesätt. Alaunlsg.
400 mg Mittel
400 ml gesätt. Alaunlsg.
154 mg Mittel
700 ml gesätt. Alaunlsg.
150 mg Mittel
700 ml gesätt. Alaunlsg.
70 mg Mittel
700 ml gesätt. Alaunlsg.
71 mg Mittel
700 ml gesätt. Alaunlsg.
40 mg Mittel
700 ml gesätt. Alaunlsg.
65 mg Mittel
600 ml gesätt. Alaunlsg.
82 mg Mittel
750 ml gesätt. Alaunlsg.
Kristall beginnt Würfelfläche zu bilden, gelingt aber nicht ganz,
Bodenkristalle zeigen relativ große Würfelflächen.
Wächst sehr schnell zum Würfel. In Richtung der
Koordinatenachsen relativ klar, in Richtung der
Würfelraumdiagonalen trübe.
Würfelflächen wachsen erheblich, aber nicht ausreichend.
Bei 4-5facher Konz. Rhombododekaederflächen in geringer
Anzahl gebildet.
Keine Formänderung erkennbar
Keine Formänderung erkennbar.
Keine Formänderung erkennbar.
Kristall milchig.
Sehr geringe Würfelflächenbildung an 4-5 Ecken. Bodensatz
zeigt keine Würfelflächenbildung.
Versuch im Trichterglas. Zeigt eine deutliche
Würfelflächenbildung. Bodensatz annähernd Würfel.
Keine Formänderung erkennbar.
Keine Formänderung erkennbar.
Keine Formänderung erkennbar.
Habitus ist oktaedrisch, Tracht jedoch oktaedrisch und kubisch
Keine Formänderung erkennbar.
Kristall kubischer Habitus, ebenso Bodensatz.
Keine Formänderung erkennbar.
Tabelle 1: Auswahl der untersuchte Tenside bezüglich ihrer Habitusändernden Eigenschaften
Seite 356 von 560

3 Habitusänderungen von Alauneinkristallen 19
Unsere Gruppe hat umfangreiche Untersuchungen zur Habitusänderung an
Alauneinkristallen mit kommerziell erhältlichen Tensiden durchgeführt. Die
unterschiedlichen Tenside und ihren Einfluss auf das Kristallwachstum von
Alaunoktaedern mittels Verdunstungsmethode bei Raumtemp. sind in Tab. 1
wiedergegeben.
Obwohl einige der von uns untersuchten Produkte und Tenside eine Habitusänderung
der Alaunkristalle hin zum Würfel bewirkten, erwies sich Dodekan-1-sulfonsäure (0.1
Gew.-%) als optimal für die Züchtung von Alaunkristallen mit würfelförmigem Habitus
(Abb. 12).
Abbildung 12: Alaunwürfel, gezüchtet nach der Verdunstungsmethode unter Zusatz von 0.1
Gew.-% Dodecan-1-sulfonsäure.
Da Chromalaun (KCrSO4•12H2O) und Aluminiumalaun (KAlSO4•12H2O)
vollständige Mischkristalle bilden, kann man einen tiefblauen Chromalauneinkristall in
einer Aluminiumalaunlösung einfach weiterwachsen lassen, wobei der Kristall nun
farblos weiter wächst. Kombiniert man diese Vorgehensweise mit einer
Habitusänderung gelingt es einen tiefblauen Chromalauneinkristall mit oktaedrischem
Habitus in einen farblosen Alaunkristall einwachsen zu lassen, der dann einen
würfelförmigen Habitus besitzt (Abb. 13). Wir erreichten dies durch Züchtung nach
dem Abkühlverfahren unter Zusatz des Azofarbstoffs Amaranth ® , welcher ebenfalls in
der Lage ist den Habitus von Alaunkristallen in Richtung Würfelform zu verändern.
Seite 357 von 560

20 3 Habitusänderungen von Alauneinkristallen
Abbildung 13: Tiefblauer “Chromalaunoktaeder” in einem farblosen “Alaunwürfel”, gezüchtet
unter Zusatz von Amaranth ® .
Seite 358 von 560

4 Zusammenfassung 21
4 Zusammenfassung
Unserer Projektgruppe gelang es Alaunkristalle mit hoher Qualität zu züchten und
Habitusänderungen hin zur Würfelform an Alauneinkristallen durch Zusatz von
Tensiden zu beobachten. In unseren Untersuchungen zur Habitusänderung haben wir
zahlreiche Tensidquellen getestet und neue Daten zu dieser Thematik erarbeitet.
Seite 359 von 560

22 5 Danksagung
5 Danksagung
Unser Dank gilt der Schulleitung der Georg-Kerschensteiner Schule, Müllheim. Unsern
Betreuern Herrn Otto Schäfer und Herrn Dipl. chem. Stefan Müller.
Seite 360 von 560

6 Literaturverzeichnis 23
6 Literaturverzeichnis
[1] Sokrates: gemeinschaftliches Aktionsprogramm im Bereich der allgemeinen
Bildung (2000-2006) der Europäischen Union; Comenius: Europäische
Zusammenarbeit auf dem Gebiet der Schulbildung.
[2] http://copal.ms-dev.de/
[3] http://www.louis-armand.uha.fr/
[4] http://www.berzsenyi.hu/
[5] http://www.gks.fr.bw.schule.de/
[6] M. J. Buerger, F. Laves, G. Menzer, I. N. Stranski, „Kristallographie der Alaune
1“, Zeitschrift für Kristallographie 1961, 116, 371-405.
[7] Jürgen Falbe, Manfred Regitz (Hrsg.), Römpp Chemielexikon, 8. Aufl. 1989,
Thieme Verlag, Stuttgart, New York.
[8] H. Lipson, C. A. Beevers, Proceedings of the Royal Society of London, Series A
1934, 148, 664 – 680.
[9] D’Ans, Lax, Taschenbuch für Chemiker und Physiker, 3. Aufl. 1967, 1-1101,
Springer Verlag, Berlin, Heidelberg, New York.
[10] Herstellung der Alaunlösung: 20 g KAlSO4•12H2O wurden bei Raumtemp. in
100 ml demin. Wasser gelöst, nach Alan Holden, Phylis Singer, Die Welt der
Kristalle 1960, 105-106, Verlag Kurt Desch, München, Wien, Basel.
[11] Chromalaun: KCrSO4•12H2O.
[12] © 2007 by Stefan Müller, Heitersheim, Germany, http://www.ms-dev.de; alle
Rechte vorbehalten.
Seite 361 von 560

24 7 Anhang
7 Anhang
In diesem Anhang sind 48 Vorlagen für Papiermodelle von Alaunkristallen abgedruckt,
die von Stefan Müller erzeugt wurden. 12
12 © 2007 by Stefan Müller, Heitersheim, Germany, http://www ms-dev.de; alle Rechte vorbehalten.
Seite 362 von 560

Der Kugelwachstumsversuch an Alaun-
und Seignettesalzeinkristallen – in-silico
Berechnung der Ergebnisse
Ramona Heitz, Helge Höck, Yannick Linke,
Stefan Müller Ж (Ed.), Otto Schäfer Ш
Ж : Albert-Ludwigs Universität, Freiburg; Ш : Georg-Kerschensteiner Schule, Müllheim
Projektbericht
im Rahmen des Sokrates-Comenius-Projekts
Synthese von Opalen
an der
Georg-Kerschensteiner Schule, Müllheim/Baden
2005-2007
Müllheim im August 2007
Seite 411 von 560

2 Vorwort
Vorwort
Diese Abhandlung präsentiert kurz die Ergebnisse der Projektgruppe
„Kugelwachstumsversuch“, die an der Georg-Kerschensteiner Schule in Müllheim im
Rahmen eines Sokrates-Comenius-Projekts1 in den Jahren 2005-2007 erarbeitet wurden.
Das Hauptziel besagten Projektes bestand in der Realisierung einer synthetischen
Herstellung von Opalen mit all den damit verbundenen Forschungen. 2
Um diese Aufgabe zu Schultern arbeiteten drei Schulen aus drei Ländern der
Europäischen Union mit insgesamt 54 Schülern an diesem Projekt mit. Die einzelnen
Schulen waren das Lycée d'enseignement général et technologique Louis Armand3 ,
Mulhouse/Frankreich, das Berzsenyi Dániel Gimnázium4 , Budapest/Ungarn und die
Georg-Kerschensteiner Schule5 , Müllheim/Deutschland.
Die Schüler an der Georg-Kerschensteiner Schule sollten mit dem Arbeiten in einem
internationalen und gemeinschaftlichem Umfeld, sowie naturwissenschaftlichen Denkund
Arbeitsweisen vertraut gemacht werden. Die Organisation sah vor, dass die Schüler
in kleinen Gruppen (bis 5 Mitgliedern) an einem kleinen wissenschaftlichen Projekt
neben dem Hauptprojekt über zwei Jahre arbeiten sollten. Es wurden sechs solcher
Projektgruppen gebildet, denen unterschiedliche Aufgaben übertragen wurden:
- Alaun: Züchtung von Alauneinkristallen und Untersuchung von Habitusänderungen an
Alaunkristallen.
- Seignettesalz: Synthese von Seignettesalz aus Weinstein und Züchtung von
Seignettesalzeinkristallen, Untersuchungen zur Habitusänderung an Seignettesalzkristallen,
sowie dem Bau von Apparaturen zur Demonstration des Piezoeffekts.
- TGS: Synthese von Triglycinsulfat (TGS) und Züchtung von TGS-Einkristallen, sowie dem Bau
eines pyroelektrischen Konverters.
- Natriumchlorid: Züchtung von Natriumclorid-Glucose-Kristallen und deren Analyse.
- Calciumtartrat: Züchtung von Kalziumtartrateinkristallen in einer Kieselgelmatrix.
- Kugelwachstumsversuch: Durchführung und in-silico-Simulation des Kugelwachstumsversuchs.
Wie oben schon erwähnt ist diese Abhandlung nun die Zusammenfassung der
Ergebnisse der Projektgruppe „Kugelwachstumsversuch“.
1 Sokrates: gemeinschaftliches Aktionsprogramm im Bereich der allgemeinen Bildung (2000-2006) der
Europäischen Union; Comenius: Europäische Zusammenarbeit auf dem Gebiet der Schulbildung.
2 http://copal ms-dev.de/
3 http://www.louis-armand.uha.fr/
4 http://www.berzsenyi hu/
5 http://www.gks.fr.bw.schule.de/
Seite 412 von 560

Kurzfassung 3
Kurzfassung
Der Kugelwachstumsversuch, bei dem eine Kristallkugel in einer leicht übersättigten
Lösung weiter wächst, ist eine Methode um Flächen des Kristalls zu detektieren, die
sonst nicht auftreten würden. Wir haben Einkristallkugeln aus Alaun- und Seignettesalz
hergestellt, und mit ihnen den Kugelwachtumsversuch durchgeführt. Die erhaltenen
Ergebnisse – die Winkelkoordinaten der auftretenden Kristallflächen – konnten wir auf
Grundlage der jeweiligen Kristalldaten berechnen und die Flächen entsprechend
indizieren.
Schlagwörter: Kugelwachstumsversuch, Alaun, Seignettesalz, Python
Seite 413 von 560

4 Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis
Vorwort............................................................................................................................ 2
Kurzfassung.....................................................................................................................3
Inhaltsverzeichnis ........................................................................................................... 4
Abbildungsverzeichnis.................................................................................................... 5
Tabellenverzeichnis ........................................................................................................ 6
Abkürzungsverzeichnis .................................................................................................. 7
1 Aufgabenstellung ................................................................................................. 8
2 Theoretische Grundlagen ................................................................................... 9
2.1 Die sieben Kristallsysteme .................................................................................... 9
2.2 Die 32 Kristallklassen.......................................................................................... 10
2.3 Die 230 Raumgruppen......................................................................................... 15
2.4 Kristalldaten von Alaun....................................................................................... 17
2.5 Kristalldaten von Seignettesalz ........................................................................... 18
2.6 Miller-Indizes ...................................................................................................... 19
2.7 Der reziproke Raum ............................................................................................ 20
2.8 Die stereographische Projektion.......................................................................... 22
3 Der Kugelwachstumsversuch ........................................................................... 26
3.1 Durchführung ...................................................................................................... 26
3.2 Herstellung von Kristallkugeln............................................................................ 29
3.3 Vermessung der Kristallflächen auf der Kugel ................................................... 29
4 Berechnung der Ergebnisse des Kugelwachstumsversuchs .......................... 32
4.1 Vorgehensweise zur Berechnung ........................................................................ 32
4.2 Ergebnisse............................................................................................................ 33
5 Zusammenfassung ............................................................................................. 39
6 Danksagung........................................................................................................ 40
7 Literaturverzeichnis.......................................................................................... 41
Seite 414 von 560

Abbildungsverzeichnis 5
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1: Die sieben Kristallsysteme........................................................................ 9
Abbildung 2: Schematische Darstellung der Symmetrieelemente in der
Elementarzelle der Raumgruppe 205.................................................................. 16
Abbildung 3: Elementarzelle von Alaun (Erstellt mit der Software Diamond ® ;
Oktaeder: Al(OH2)6-Einheiten, Tetraeder: SO4 2- -Ionen, Kugeln auf den
Mitten der Kanten und in der Zellmitte: K + -Ionen, rote Kugeln:
Sauerstoffatome-Atome des Kristallwassers). 7 ................................................... 18
Abbildung 4: Elementarzelle von Seignettesalz (Erstellt mit der Software
Diamond ® ; Zellecken: K + -Ionen, grüne Kugeln: Na + -Ionen, verbundene
Atome: Tatrationen, rote Kugeln: einzelne Sauerstoff-Atome des
Kristallwassers). 8 ................................................................................................. 19
Abbildung 5: Herleitung des Miller-Index einer Fläche. .............................................. 20
Abbildung 6: Anwendung des reziproken Gitters......................................................... 22
Abbildung 7: Konstruktion der stereografischen Projektion am Beispiel von fünf
Punkten auf der Kugeloberfläche........................................................................ 23
Abbildung 8: Alauneinkristallkugel in einer leicht übersättigten Alaunlösung kurz
nach dem Einhängen. .......................................................................................... 26
Abbildung 9: Alauneinkristallkugel in einer leicht übersättigten Alaunlösung
einige Minuten nach dem Einhängen. Gut zu erkennen ist die
aufgewachsene Schicht von Alaun an an der verminderten Transparenz........... 27
Abbildung 10: Alauneinkristallkugeln. Die in der Mitte nach dem Durchführen des
Kugelwachstumsversuchs. Gut zu erkennen sind die reflektierenden Punkte
auf der Kugel die kleine Kristallflächen sind...................................................... 27
Abbildung 11: Abhängigkeit des Habitus eines Kristalls von den relativen
Wachstumsgeschwindigkeiten der Oktaederfläche (vO) und der
Würfelfläche (vW). .............................................................................................. 28
Abbildung 12: Seignettesalzkugel nach der Durchführung des
Kugelwachstumsversuchs. .................................................................................. 28
Abbildung 13: Kristallkugeldrehbank, die wir zur Herstellung von
Einkristallkugeln benutzten................................................................................. 29
Abbildung 14: Definition der Kugelkoordinaten r, φ, θ................................................ 30
Abbildung 15: Unsere Projektgruppe beim Vermessen einer Alaunkugel. .................. 31
Abbildung 16: Das Wulffsche Netz, berechnet mit unserer Software. ......................... 33
Abbildung 17: Simulation der Ergebnisse des Kugelwachstumsversuchs an Alaun. ... 34
Abbildung 18: Simulation der Ergebnisse des Kugelwachstumsversuchs an
Seignettesalz........................................................................................................ 35
Seite 415 von 560

6
Tabellenverzeichnis
Tabelle 1: Die allgemeinen Formen der kubischen Kristallklassen............................... 10
Tabelle 2: Die allgemeinen Formen der tetragonalen Kristallklassen........................... 11
Tabelle 3: Die allgemeinen Formen der hexagonalen Kristallklassen........................... 12
Tabelle 4: Die allgemeinen Formen der trigonalen Kristallklassen............................... 13
Tabelle 5: Die allgemeinen Formen der rhombischen Kristallklassen. ......................... 14
Tabelle 6: Die allgemeinen Formen der monoklinen Kristallklassen............................ 14
Tabelle 7: Die allgemeinen Formen der triklinen Kristallklassen. ................................ 14
Tabelle 8: Unterschiedlichen Kristallklassenangehörigkeit von Alaun und
Seignettesalz........................................................................................................ 15
Tabelle 9: Konstruktion der stereographischen Projektion an einem Kristall mit
drei Flächenarten. Die Durchstoßpunkte der Flächennormalen durch die
Kugel werden in die Papierebene projiziert (zu lesen von links nach rechts
und von oben nach unten). .................................................................................. 25
Tabelle 10: Vergleich der experimentell erhaltenen Winkelpaaren mit den
berechneten Paaren für bestimmte Miller-Indizes für Alaun.............................. 36
Tabelle 11: Vergleich der experimentell erhaltenen Winkelpaaren mit den
berechneten Paaren für bestimmte Miller-Indizes für Seignettesalz. ................. 38
Seite 416 von 560

Abkürzungsverzeichnis 7
Abkürzungsverzeichnis
3D dreidimensional
API Application Programming Interface
SVG Scalable Vector Graphic
TGS Triglycinsulfat
XML Extended Markup Language
Seite 417 von 560

8 1 Aufgabenstellung
1 Aufgabenstellung
Wir hatten uns die Aufgabe gestellt, den Kugelwachstumsversuch mit Alaun- und
Seignettesalzeinkristallkugeln durchzuführen und die erhaltenen Ergebnisse mittels
selbst programmierter Software zu berechnen. Ziel war es, die Mathematik der
Vektorrechnung anwendungsbezogen und in einem Software-Kontext einzusetzen.
Seite 418 von 560

2 Theoretische Grundlagen 9
2 Theoretische Grundlagen
2.1 Die sieben Kristallsysteme
Ein Kristall ist ein dreidimensional hoch geordnetes Gebilde, der durch die Angabe
einer Elementarzelle vollständig beschrieben werden kann. Einen Kristall kann man
sich so vorstellen, als dass er, durch Aneinanderreihen der Elementarzelle in allen drei
Raumrichtungen, erzeugt wurde. Die Atomkoordinaten in der der Atome in der
Elementarzelle beschreiben die Lage aller Atome im Kristall. Die Zellparameter
(Aussehen der Elementarzelle) können für alle Kristalle auf nur sieben (mathematisch
nur sechs) Möglichkeiten, die so genannten Kristallsysteme (Abb. 1), eingegrenzt
werden. Dies ist die auf die Tatsache zurückzuführen, dass der Raum nicht mit beliebig
geformten Elementarzellen lückenlos gefüllt werden kann.
kubisch tetragonal
c
rhombisch
c
β α
γ
a
a=b=c
α= β= γ=90°
a
c
β α
γ
b
b
β α
γ
a
a=b=c
α= β= γ=90°
b
c
a
γ
α
β
a
c
β α
γ
b
c
β α
γ
a
a=b=c
α= β= γ=90°
hexagonal rhomboedrisch monoklin
triklin
a=b=c
α= β=120°
γ=90°
a=b=c
α= β= γ=90°
Abbildung 1: Die sieben Kristallsysteme.
Seite 419 von 560
a=b=c
α= β=90°
γ =90°
b
a
β α
γ
c
a=b=c
α= β= γ=90°
b
b

10 2 Theoretische Grundlagen
2.2 Die 32 Kristallklassen
Kristalle können unterschiedliches Aussehen besitzen, dieses hängt im wesentlichen
von der Zugehörigkeit zu einem bestimmten Kristallsystem ab, aber auch von den
Flächen die den Kristall begrenzen. Idealisiert man die äußere Erscheinung eines
Kristalls (die Größe der Flächen ist unerheblich, man betrachtet nur die Anwesenheit
der Fläche selbst), so muss der Kristall einer von 32 möglichen Symmetrieklassen
angehören. Dieser Umstand ist darauf zurückführbar, dass die makroskopische
Symmetrie eines Kristalls von der Symmetrie der Elementarzelle abhängt. In den
Tabellen 1 bis 7 sind die verschiedenen allgemeinen Formen der 32 Kristallklassen
wiedergegeben.
hexakistetraedrische
Kristallklasse
m-3m
tetraedrisch-pentagondodekaedrische
Kristallklasse
23
disdodekaedrische
Kristallklasse
m-3
pentagonikositetraedrische
Kristallklasse
432
Tabelle 1: Die allgemeinen Formen der kubischen Kristallklassen.
Seite 420 von 560
hexakistetraedrische
Kristallklasse
-43m

2 Theoretische Grundlagen 11
ditetragonale
dipyralidale
Kristallklasse
4/mmm
tetragonale
disphenoidische
Kristallklasse
-4
tetragonal
trapezoedrische
Kristallklasse
422
tetragonal
pyramidale
Kristallklasse
4mm
tetragonal
dipyramidale
Kristallklasse
4/m
tetragonal
pyramidale
Kristallklasse
Tabelle 2: Die allgemeinen Formen der tetragonalen Kristallklassen.
Seite 421 von 560
4
tetragonale
skalenoedrische
Kristallklasse
-42m

12 2 Theoretische Grundlagen
dihexagonal
dipyramidale
Kristallklasse
6/mmm
trigonal
dipyramidale
Kristallklasse
-6
hexagonal
trapezoedrische
Kristallklasse
622
dihexagonal
pyramidale
Kristallklasse
6mm
hexagonal
dipyramidale
Kristallklasse
6/m
hexagonal
pyramidale
Kristallklasse
Tabelle 3: Die allgemeinen Formen der hexagonalen Kristallklassen.
Seite 422 von 560
6
ditrigonal
dipyramidale
Kristallklasse
-6m2

2 Theoretische Grundlagen 13
ditrigonal
skalenoedrische
Kristallklasse
-3m
trigonal
pyramidale
Kristallklasse
3
trigonal
trapezoedrische
Kristallklasse
32
trigonal
rhomboedrische
Kristallklasse
Tabelle 4: Die allgemeinen Formen der trigonalen Kristallklassen.
Seite 423 von 560
-3
trigonal
pyramidale
Kristallklasse
3m

14 2 Theoretische Grundlagen
rhombisch
dipyramidale
Kristallklasse
mmm
rhombisch
disphenoidische
Kristallklasse
222
rhombisch
pyramidal
Kristallklasse
mm2
Tabelle 5: Die allgemeinen Formen der rhombischen Kristallklassen.
monoklin
prismatische
Kristallklasse
2/m
monoklin
domatische
Kristallklasse
m
monoklin
sphenoidische
Kristallklasse
Tabelle 6: Die allgemeinen Formen der monoklinen Kristallklassen.
triklin
pinakoidale
Kristallklasse
-1
triklin
pediale
Kristallklasse
Tabelle 7: Die allgemeinen Formen der triklinen Kristallklassen.
1
Seite 424 von 560
2

2 Theoretische Grundlagen 15
Einkristalle von Alaun (Kaliumaluminiumsulfat Dodekahydrat) und Seignettesalz
(Kaliumnatriumtartrat Tetrahydrat) gehören der Kristallklasse m-3 und 222 an (Tab. 8).
Alaun
Kristallklasse: m-3
Kristalle besitzen eine
Spiegelebene (m) und eine
dreizählige Drehinversionsachse
-3
Seignettesalz
Kristallklasse: 222
Kristalle besitzen drei senkrecht
zueinander stehende zweizählige
Achsen
Tabelle 8: Unterschiedlichen Kristallklassenangehörigkeit von Alaun und Seignettesalz.
2.3 Die 230 Raumgruppen
Es gibt mathematisch 230 Möglichkeiten den Raum mit einem bestimmten Muster
translatorisch zu füllen. Diese sind in der Kristallographie als die 230 Raumgruppen
bekannt, die die 230 Möglichkeiten darstellen, mit denen der Raum auf atomarer Ebene
gefüllt werden kann. In Abb. 1 ist als Beispiel die Raumgruppe 205 und die
Symmetrieelemente in der Elementarzelle abgebildet (Dies ist die Raumgruppe in der
Alaun kristallisiert.).
Seite 425 von 560

16 2 Theoretische Grundlagen
Richtung des Basisvektors a
Spiegelebene
Gleitspiegelebene in der angegebenen Richtung mit der Länge 0.5
senkrecht zur Projektionsebene und der Länge 0.5 in der Ebene
Gleitspiegelebene in der angegebenen Richtung mit der Länge 0.5
senkrecht zur Projektionsebene
Gleitspiegelebene in Richtung a mit der Länge 0.5 bei 0.25 c und 0.75c
Inversionszentrum
zweizählige Schraubenachse (2 )
1
zweizählige Schraubenachse bei 0.5c
zweizählige Schraubenachse bei 0.25c
dreizählige Drehinversionsachse parallel zur Raumdiagonalen
dreizählige Schraubenachse (3 )parallel zur Raumdiagonalen
1
dreizählige Schraubenachse (3 )parallel zur Raumdiagonalen
2
Abbildung 2: Schematische Darstellung der Symmetrieelemente in der Elementarzelle der
Raumgruppe 205. 6
6 th
Theo Hahn (Ed.), International Tables for Chrystallography, 5 Ed. 2002, Kluwer Verlag, Dordrecht,
Niederlande.
Seite 426 von 560

2 Theoretische Grundlagen 17
2.4 Kristalldaten von Alaun
Alaun kristallisiert in der Raumgruppe Pa-3 (Nr. 205) und gehört somit dem kubischen
Kristallsystem an.
Kristalldaten 7
Formula sum Al K S2 O20 H24
Formula weight 474.39
Crystal system cubic
Space group P a -3 (no. 205)
Unit cell dimensions a = 12.157(2) Å
Cell volume 1796.72(51) Å 3
Z 4
Density, calculated 1.754 g/cm 3
Density, measured 1.757 g/cm 3
Pearson code cP96
Formula type ABC2X20
Wyckoff sequence d 3 c 2 ba
Atomkoordinaten
Atom Ox. Wyck. Occ. x y z
Al 1 +3 4a 0 0 0
K 1 +1 4b 0.50000 0.50000 0.50000
S 1 +6 8c 0.31000 0.31000 0.31000
O 1 -2 8c 0.24000 0.24000 0.24000
O 2 -2 24d 0.30000 0.27000 0.43000
O 3 -2 24d 0.02000 0.02000 0.16000
O 4 -2 24d 0.04000 0.13000 0.30000
H 1 +1 24D 4 ? ? ?
Alaun ist ein Doppelsalz in dessen Kristallstruktur Aluminium oktaedrisch von sechs
Wassermolekülen koordiniert ist (Abb. 3).
7 H. Lipson, C. A. Beevers, Proceedings of the Royal Society of London, Series A 1934, 148, 664 – 680.
Seite 427 von 560

18 2 Theoretische Grundlagen
Abbildung 3: Elementarzelle von Alaun (Erstellt mit der Software Diamond ® ; Oktaeder:
2-
Al(OH2)6-Einheiten, Tetraeder: SO4 -Ionen, Kugeln auf den Mitten der Kanten und in der
Zellmitte: K + -Ionen, rote Kugeln: Sauerstoffatome-Atome des Kristallwassers). 7
2.5 Kristalldaten von Seignettesalz
Seignettesalz kristallisiert in der Raumgruppe P21212 (Nr. 18) und gehört somit dem
orthorhombischen Kristallsystem an.
Kristalldaten 8
Formula sum C4 H12 K Na O10
Formula weight 282.23
Crystal system orthorhombic
Space group P 21 21 2 (no. 18)
Unit cell dimensions a = 11.880(3) Å
b = 14.298(3) Å
c = 6.216(2) Å
Cell volume 1055.85(50) Å 3
Z 4
Density, calculated 1.775 g/cm 3
Density, measured 1.775 g/cm 3
Pearson code oP66
Formula type A2B3C8X20
Wyckoff sequence c 16 a
8 X. Solans, C. Gonzales-Silgo, C. Ruiz-Perez, Journal of Solid State Chemistry 1997, 131, 350 – 357.
Seite 428 von 560

2 Theoretische Grundlagen 19
Atomkoordinaten
Atom Ox. Wyck. x y z
K1 +1 2a 0 0 0.04410
K2 +1 2b 0.50000 0 0.16000
Na1 +1 4c 0.23220 -0.00680 0.51850
O1 -2 4c 0.12010 0.10880 0.34880
O2 -2 4c 0.21150 0.20360 0.11780
O3 -2 4c 0.23050 0.40680 0.81710
O4 -2 4c 0.05020 0.36020 0.84630
O5 -2 4c 0.16460 0.35780 0.32410
O6 -2 4c 0.29610 0.24870 0.63130
O7 -2 4c 0.39610 0.08330 0.48460
O8 -2 4c 0.23990 0.04140 0.88210
O9 -2 4c 0.44020 0.30590 1.03310
O10 -2 4c 0.42270 0.39410 0.42750
C1 +4 4c 0.15490 0.18800 0.28370
C2 +4 4c 0.12500 0.27360 0.42300
C3 +4 4c 0.17790 0.26360 0.64670
C4 +4 4c 0.15030 0.35080 0.78280
In jeder Elementarzelle befinden sich vier Formeleinheiten von Seignettesalz (Abb. 4).
Abbildung 4: Elementarzelle von Seignettesalz (Erstellt mit der Software Diamond ® ; Zellecken:
K + -Ionen, grüne Kugeln: Na + -Ionen, verbundene Atome: Tatrationen, rote Kugeln: einzelne
Sauerstoff-Atome des Kristallwassers). 8
2.6 Miller-Indizes
Jede Fläche eines Kristalls kann durch den so genannten Miller-Index (hkl)
charakterisiert werden. Um den Miller-Index zu erhalten, wird der Schnittpunkt einer
Ebene (eine Kristallfläche ist nur ein kleiner Ausschnitt einer Ebene) mit den
Koordinatenachsen bestimmt, und die Schnittpunktskoordinaten als fraktionale
Koordinaten (Division der Schnittpunktskoordinate durch die Länge der Elementarzelle
Seite 429 von 560

20 2 Theoretische Grundlagen
in der betrachteten Raumrichtung) angegeben. Nun wird lediglich noch der Kehrwert
der einzelnen Koordinaten gebildet und der kleinste Wert der nicht Null ist auf 1
gesetzt, und erhält den Miller-Index. Abb. 5 erläutert dieses Vorgehen detaillierter.
c
a
Abbildung 5: Herleitung des Miller-Index einer Fläche. Die rote Fläche schneidet die x-Achse
(a-Richtung) bei den fraktionalen Koordinaten 4; die y-Achse (b-Richtung) bei ∞ und die z-
Achse (c-Richtung) bei 4. Man erhält das Tupel (4 ∞ 4), nimmt man den Kehrwert der einzelnen
Koordinaten, so erhält man das Tupel (0.25 0 0.25). Wird abschließend der kleinste nicht-Null-
Wert auf 1 gesetzt erhält man (1 0 1). Die runden Klammern gehören in der Nomenklatur der
Miller-Indizes dazu, benutzt man geschwungene Klammern z. B. {1 0 1} so sind alle Flächen
des Kristalls gemeint, die symmetriegleich mit dem angegebenen Miller-Index sind. 9
2.7 Der reziproke Raum
Der Miller-Index einer Fläche ist direkt mit ihrer Flächennormalen korreliert, und zwar
über das reziproke Gitter. Jedem Koordinatensystem - also auch den Kristallsystemen -
kann ein reziprokes Koordinatensystem zugeordnet werden. In einem Kristallsystem
kann ein Raumgitter aufgespannt werden, dem auch ein reziprokes Gitter zugeordnet
werden kann.
Den Basisvektoren a1, a2, a3 eines Gitters im kartesischen Vektorraum und die
dazugehörigen Basisvektoren des reziproken Gitters g1, g2, g3, sind wie folgt definiert.
9
E. Nickel, Grundwissen in Mineralogie, Teil 2: Aufbaukurs – Kristallographie, 2. Aufl. 1984, 73-82, Ott
Verlag, Thun, Schweiz.
Seite 430 von 560

2 Theoretische Grundlagen 21
g
g
g
1
2
3
a2× a3
= 2π
a ( a × a )
1 2 3
a3× a1
= 2π
a ( a × a )
1 2 3
a1× a2
= 2π
a ( a × a )
Beispiel:
1 2 3
⎛1⎞ ⎛1⎞ ⎛0⎞ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟
a1 =
⎜
0
⎟
a2 =
⎜
2
⎟
a3
=
⎜
0
⎟
⎜0⎟ ⎜0⎟ ⎜1⎟ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠
⎛2 ⎞ ⎛0⎞ ⎛0⎞ 2π ⎜ ⎟ 2π ⎜ ⎟ 2π
⎜ ⎟
g 1= 1 g 2= 1 g 3=
0
2 ⎜
−
⎟ 2 ⎜ ⎟ 2 ⎜ ⎟
⎜0 ⎟ ⎜0⎟ ⎜2⎟ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠
Bestimmung der Richtungsvektoren b1 und b2 einer Ebene mit dem Miller-Index (123):
⎛1 ⎞ ⎛3 ⎞
⎜ ⎟ ⎜ ⎟
b1 = 2a1− a2 =
⎜
− 2
⎟
b1 = 3a1− a3
=
⎜
0
⎟
⎜0 ⎟ ⎜−1⎟ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠
Berechnung der Normalen G der Ebene (123):
G = 1g + 2g + 3g
⎛2⎞ 2π
⎜ ⎟
G = 1
2 ⎜ ⎟
⎜6⎟ ⎝ ⎠
1 2 3
Die Normale muss zu beiden Ebenenrichtungsvektoren b1 und b2 orthogonal sein und
somit die jeweiligen Skalarprodukte Null sein.
Seite 431 von 560

22 2 Theoretische Grundlagen
⎛2⎞⎛1 ⎞ ⎛2⎞⎛3 ⎞
⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎜ ⎟
Gb1 =
⎜
1
⎟⎜
− 2
⎟
= 0 Gb2
=
⎜
1
⎟⎜
0
⎟
= 0
⎜6⎟⎜0 ⎟ ⎜6⎟⎜−1⎟ ⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎝ ⎠
Dieses Beispiel macht anschaulich, dass mit den reziproken Gittervektoren
Ebenennormalen direkt aus den Miller-Indizes zugänglich sind. In Abb. 6 ist nochmals
ein anderes Beispiel wiedergegeben.
b
a
(11)
G 11
Abbildung 6: Anwendung des reziproken Gitters. links: Gitter mit den Basisvektoren a und b,
einer Gerade mit dem Miller-Index (11) und der Normalen auf diese Gerade G11; rechts: das
entsprechende reziproke Gitter mit der Normalen G11 erhalten durch die Gleichung 1*a+1*b. Es
wird deutlich, dass im reziproken Gitter die Normalen direkt aus den Miller-Indizes berechnet
werden können. 10
2.8 Die stereographische Projektion
Eine stereographische Projektion erlaubt es, die Punkte auf einer Kugel winkeltreu auf
eine zweidimensionale Ebene zu projizieren. In Abb. 7 ist die Vorgehensweise zur
Erstellung einer solchen Projektion dargestellt.
10 adaptiert nach Prof. Dr. Helmut Föll und Dr. J. Carstensen, Christian-Albrechts-Universität Kiel,
http://www.tf.uni-kiel.de/matwis/amat/mw2_ge/kap_3/backbone/r3_3_1.html .
Seite 432 von 560
b
a
G 11

2 Theoretische Grundlagen 23
a) b)
c) d)
e) f)
g)
Abbildung 7: Konstruktion der stereografischen Projektion am Beispiel von fünf Punkten auf
der Kugeloberfläche: a) fünf Punkte auf der Kugeloberfläche einer am Pol und vier auf dem
Äquator; b) mit Verbindungslinien von den Punkten zum unteren Augpunkt; c) mit gezeichneter
Äquatorebene; d) Einzeichnen des Durchstoßpunktes der Verbindungslinie durch die
Äquatorebene; e) Äquatorebene mit Projektionspunkten in der Kugel; f) Äquatorebene mit
Projektionspunkten alleine; g) Äquatorebene mit Projektionspunkten gedreht.
Seite 433 von 560

24 2 Theoretische Grundlagen
Seite 434 von 560

2 Theoretische Grundlagen 25
Tabelle 9: Konstruktion der stereographischen Projektion an einem Kristall mit drei
Flächenarten. Die Durchstoßpunkte der Flächennormalen durch die Kugel werden in die
Papierebene projiziert (zu lesen von links nach rechts und von oben nach unten).
Seite 435 von 560

26 3 Der Kugelwachstumsversuch
3 Der Kugelwachstumsversuch
3.1 Durchführung
Der Kugelwachstumsversuch ist in der Durchführung denkbar einfach. Eine
Kristallkugel (aus einem einkristallinen Material) wird in eine leicht übersättigte wässr.
Lösung des Kristallmaterials gehängt. Nach wenigen Minuten ist die anfangs polierte
Kugeloberfläche rau geworden. Nur an bestimmten Stellen auf der Kugel sind kleine
Kristallflächen zu sehen, die in einer regelmäßigen Struktur auf der Kugel verteilt sind
(Abb. 8, 9 und 10).
Abbildung 8: Alauneinkristallkugel in einer leicht übersättigten Alaunlösung kurz nach dem
Einhängen.
Seite 436 von 560

3 Der Kugelwachstumsversuch 27
Abbildung 9: Alauneinkristallkugel in einer leicht übersättigten Alaunlösung einige Minuten
nach dem Einhängen. Gut zu erkennen ist die aufgewachsene Schicht von Alaun an an der
verminderten Transparenz.
Abbildung 10: Alauneinkristallkugeln. Die in der Mitte nach dem Durchführen des
Kugelwachstumsversuchs. Gut zu erkennen sind die reflektierenden Punkte auf der Kugel die
kleine Kristallflächen sind.
Der Vorteil dieser Methode ist es, Kristallflächen, die normalerweise an einem
makroskopischen Kristall nicht zu sehen währen, nachzuweisen. In der Regel wachsen
viele der beobachten Kristallflächen bei einem gezüchteten Kristall heraus.
Seite 437 von 560

28 3 Der Kugelwachstumsversuch
Es gilt nur die am langsamsten wachsenden Flächen begrenzen am Ende der Züchtung
den Kristall. (Abb. 11)
Abbildung 11: Abhängigkeit des Habitus eines Kristalls von den relativen
Wachstumsgeschwindigkeiten der Oktaederfläche (vO) und der Würfelfläche (vW).
Abbildung 12: Seignettesalzkugel nach der Durchführung des Kugelwachstumsversuchs.
Seite 438 von 560

3 Der Kugelwachstumsversuch 29
3.2 Herstellung von Kristallkugeln
Unserer betreuender Lehrer verfügte über eine kleine Drehbank, mit der es möglich war
sehr gute Kristallkugeln zu drehen (Abb. 13). Die Einkristalle die wir benötigten
wurden von anderen Projektteilnehmern gezüchtet.
Spindelstock
Gestell
Meißelträger
Reitstock
Drehbankbett
Abbildung 13: Kristallkugeldrehbank, die wir zur Herstellung von Einkristallkugeln benutzten.
3.3 Vermessung der Kristallflächen auf der Kugel
Um die Ergebnisse des Kugelwachstumsversuchs in Zahlen ausdrücken zu können
musste die Lage der kleinen Kristallflächen auf der Kugel bestimmt werden. Als
geeignetes Koordinatensystem benutzten wir das Kugelkoordinatensystem, da auf einer
Kugel der Radius konstant ist und so nur zwei Winkelwerte die Lage jeden Punktes auf
einer Kugel beschreiben (Abb. 14).
Seite 439 von 560

30 3 Der Kugelwachstumsversuch
10
x
9
8
7
z
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
1
2
3
4
5
6
Abbildung 14: Definition der Kugelkoordinaten r, φ, θ.
φ
r
θ
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Wir vermaßen die Punktlagen der kleinen Kristallflächen auf Alaun- und
Seignettesalzkugeln (Abb. 15).
Seite 440 von 560
y

3 Der Kugelwachstumsversuch 31
Abbildung 15: Unsere Projektgruppe beim Vermessen einer Alaunkugel.
Seite 441 von 560

32 4 Berechnung der Ergebnisse des Kugelwachstumsversuchs
4 Berechnung der Ergebnisse des
Kugelwachstumsversuchs
Wir wollten die Ergebnisse des Kugelwachstumsversuches für Alaun und Seignettesalz
aus den Kristallstrukturdaten berechnen. Wir benötigten für eine solche Berechnung von
geeignete Software, die wir selbst programmieren mussten.
Wir benötigten eine Programmiersprache in der wir unser Projekt gut realisieren
konnten. Wir entschieden uns für Python11 , da Python eine extrem mächtige Sprache ist
und zugleich damit effizient und schnell programmiert werden kann. Aber der größte
Vorteil liegt in der guten Wartbarkeit der Quelltexte, was eine Entwicklung über längere
Zeiträume vereinfacht.
Zur Umsetzung unseres Projekts benötigten wir mehrere Implementationen in Python:
- Vektoren und Vektorrechnung
- Kristallsysteme
- Kristallklassen
- Kristallebenen
- 3D-Ausgabe
Es gelang funktionsfähige Programmodule zu obigen Punkten zu schreiben, und sie, wie
gewünscht zum Einsatz zu bringen.
4.1 Vorgehensweise zur Berechnung
Unser Vorgehen beruhte auf folgenden Schritten:
- Vorschlag von Miller-Indizes für die verschiedenen Flächen auf der Kugel.
- Berechnung der Flächennormalen für die verschiedenen Miller-Indizes mittels
des reziproken Gitters des jeweiligen Kristallsystems.
- Berechnung der Winkelkoordinaten der Flächennormalen, diese sollten dann mit
den experimentellen Werten übereinstimmen.
11 http://www.python.org/
Seite 442 von 560

4 Berechnung der Ergebnisse des Kugelwachstumsversuchs 33
4.2 Ergebnisse
Uns gelang die Berechnung einer Vorlage für eine stereographische Projektion auf der
Basis der Erstellungsvorschrift (s. o.). Diese Vorlage ist auch unter dem Namen
Wulffsches Netz bekannt und wird in der Kristallographie gerne eingesetzt um Flächen
in einer Projektion darstellen zu können (Abb. 16).
180°
150°
210°
120°
240°
90°
270°
Abbildung 16: Das Wulffsche Netz, berechnet mit unserer Software.
60°
300°
30°
330°
Wir bedienten uns dem, auf XML (Extended Markup Language) basierenden, SVG-
Formats12 (SVG: Scalable Vector Graphic) um die berechneten Linien des Wulffschen
Netzes in zweidimensionalen in Grafikprogramme importieren zu können. Dort kann
das Netz beliebig verändert und ausgegeben werden.
12 David Duce, Ivan Herman, Bob Hopgood, „SVG Tutorial“,
http://www.w3.org/2002/Talks/www2002-svgtut-ih/hwtut.pdf
Seite 443 von 560
0°

34 4 Berechnung der Ergebnisse des Kugelwachstumsversuchs
Anschließend berechneten wir die aus den Kristalldaten (maßgeblich den
Elementarzellenparametern und der Raumgruppe, die die Kristallklasse des Kristalls
bestimmt) die Punktlagen der Kristallflächen für Alaun und Seignettesalz. Zur
grafischen Ausgabe benutzten wir die Software PyMOL13 , welche eine gute API
(Application Programming Interface) besitzt um 3D-Darstellungen ausgeben zu lassen
(Abb. 17 und 18).
Abbildung 17: Simulation der Ergebnisse des Kugelwachstumsversuchs an Alaun.
13 http://www.pymol.org/ .
Seite 444 von 560

4 Berechnung der Ergebnisse des Kugelwachstumsversuchs 35
Abbildung 18: Simulation der Ergebnisse des Kugelwachstumsversuchs an Seignettesalz.
Diese 3D-Darstellungen waren frei dreh- und manipulierbar.
Wir errechneten auch die Winkelkoordinaten der Kristallflächen auf der Kugel und
verglichen sie mit den experimentell erhaltenen Werten (Tab. 10 und 11).
Seite 445 von 560

36 4 Berechnung der Ergebnisse des Kugelwachstumsversuchs
Tabelle 10: Vergleich der experimentell erhaltenen Winkelpaaren mit den berechneten Paaren
für bestimmte Miller-Indizes für Alaun.
Miller-Index berechnete Werte von (φ,θ) für den
entsprechnden Miller-Index *,**
[1 0 0] (0.00, 90.00) (0, 90)
[-1 0 0] (180.00, 90.00) (180, 0)
[0 1 0] (90.00, 90.00) (90, 90)
[0 -1 0] (270.00, 90.00) (270, 90)
[0 0 1] (0.00, 0.00) (0, 0)
[0 0 -1] (0.00, 180.00) (0, 180)
[1 1 1] (45.00, 54.74) (45, 55)
[-1 -1 -1] (225.00, 125.26) (225, 128)
[-1 -1 1] (225.00, 54.74) (225, 55)
[1 1 -1] (45.00, 125.26) (45, 128)
[1 -1 -1] (315.00, 125.26) (315, 128)
[-1 1 1] (135.00, 54.74) (135, 55)
[-1 1 -1] (135.00, 125.26) (135, 127)
[1 -1 1] (315.00, 54.74) (315, 55)
[1 1 0] (45.00, 90.00) (45, 90)
[-1 -1 0] (225.00, 90.00) (225, 91)
[0 1 1] (90.00, 45.00) (90, 45)
[0 -1 -1] (270.00, 135.00) (270, 135)
[1 0 1] (0.00, 45.00) (0, 45)
[-1 0 -1] (180.00, 135.00) (180, 135)
[-1 1 0] (135.00, 90.00) (135, 90)
[1 -1 0] (315.00, 90.00) (315, 90)
[0 -1 1] (270.00, 45.00) (270, 45)
[0 1 -1] (90.00, 135.00) (90, 135)
[1 0 -1] (0.00, 135.00) (0, 135)
[-1 0 1] (180.00, 45.00) (180, 45)
[2 1 0] (26.57, 90.00) (27, 90)
[-2 -1 0] (206.57, 90.00) (207, 90)
[0 2 1] (90.00, 63.43) (90, 63)
[0 -2 -1] (270.00, 116.57) (270, 117)
[1 0 2] (0.00, 26.57) (0, 27)
[-1 0 -2] (180.00, 153.43) (180, 153)
[-2 1 0] (153.43, 90.00) nicht detektiert
[2 -1 0] (333.43, 90.00) nicht detektiert
[0 -2 1] (270.00, 63.43) (270, 63)
[0 2 -1] (90.00, 116.57) (90, 117)
[1 0 -2] (0.00, 153.43) (0, 153)
[-1 0 2] (180.00, 26.57) (180, 27)
[2 1 1] (26.57, 65.91) nicht detektiert
[-2 -1 -1] (206.57, 114.09) nicht detektiert
[1 2 1] (63.43, 65.91) nicht detektiert
[-1 -2 -1] (243.43, 114.09) nicht detektiert
[1 1 2] (45.00, 35.26) (45, 36)
[-1 -1 -2] (225.00, 144.74) nicht detektiert
[-2 -1 1] (206.57, 65.91) nicht detektiert
[2 1 -1] (26.57, 114.09) nicht detektiert
[1 -2 -1] (296.57, 114.09) nicht detektiert
[-1 2 1] (116.57, 65.91) nicht detektiert
[-1 1 -2] (135.00, 144.74) (135, 146)
[1 -1 2] (315.00, 35.26) (315, 36)
[-2 1 -1] (153.43, 114.09) nicht detektiert
[2 -1 1] (333.43, 65.91) nicht detektiert
[-1 -2 1] (243.43, 65.91) nicht detektiert
[1 2 -1] (63.43, 114.09) nicht detektiert
[1 -1 -2] (315.00, 144.74) (315, 146)
[-1 1 2] (135.00, 35.26) (135, 36)
[2 -1 -1] (333.43, 114.09) nicht detektiert
[-2 1 1] (153.43, 65.91) nicht detektiert
Seite 446 von 560
Messwerte von (φ,θ) und entsprechende
Zuordnung zu einem Miller-Index **

4 Berechnung der Ergebnisse des Kugelwachstumsversuchs 37
[-1 2 -1] (116.57, 114.09) nicht detektiert
[1 -2 1] (296.57, 65.91) nicht detektiert
[-1 -1 2] (225.00, 35.26) (225, 36)
[1 1 -2] (45.00, 144.74) (45, 146)
[2 2 1] (45.00, 70.53) (45, 72)
[-2 -2 -1] (225.00, 109.47) (225, 110)
[1 2 2] (63.43, 48.19) nicht detektiert
[-1 -2 -2] (243.43, 131.81) nicht detektiert
[2 1 2] (26.57, 48.19) nicht detektiert
[-2 -1 -2] (206.57, 131.81) nicht detektiert
[-2 -2 1] (225.00, 70.53) (225, 72)
[2 2 -1] (45.00, 109.47) (45, 110)
[1 -2 -2] (296.57, 131.81) nicht detektiert
[-1 2 2] (116.57, 48.19) nicht detektiert
[-2 1 -2] (153.43, 131.81) nicht detektiert
[2 -1 2] (333.43, 48.19) nicht detektiert
[-2 2 -1] (135.00, 109.47) (135, 110)
[2 -2 1] (315.00, 70.53) (315, 72)
[-1 -2 2] (243.43, 48.19) nicht detektiert
[1 2 -2] (63.43, 131.81) nicht detektiert
[2 -1 -2] (333.43, 131.81) nicht detektiert
[-2 1 2] (153.43, 48.19) nicht detektiert
[2 -2 -1] (315.00, 109.47) (315, 110)
[-2 2 1] (135.00, 70.53) (135, 72)
[-1 2 -2] (116.57, 131.81) nicht detektiert
[1 -2 2] (296.57, 48.19) nicht detektiert
[-2 -1 2] (206.57, 48.19) nicht detektiert
[2 1 -2] (26.57, 131.81) nicht detektiert
*: Berechnung anhand folgender Parameter: a = 12.157 Å, b = 12.157 Å, c = 12.157 Å, α = β = γ = 90°, Kristal klasse:
m-3; 7 **: alle Werte in Grad.
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38 4 Berechnung der Ergebnisse des Kugelwachstumsversuchs
Tabelle 11: Vergleich der experimentell erhaltenen Winkelpaaren mit den berechneten Paaren
für bestimmte Miller-Indizes für Seignettesalz.
Miller-Index berechnete Werte von (φ,θ) für den
entsprechnden Miller-Index *,**
[0 0 1] (0.00, 0.00) (0, 0)
[0 0 -1] (0.00, 180.00) (0, 180)
[1 0 1] (0.00, 27.59) (0, 28)
[-1 0 1] (180.00, 27.59) (180, 28)
[-1 0 -1] (180.00, 152.41) (180, 152)
[1 0 -1] (0.00, 152.41) (0, 152)
[2 0 1] (0.00, 46.26) (0, 47)
[-2 0 1] (180.00, 46.26) (180, 47)
[-2 0 -1] (180.00, 133.74) (180, 133)
[2 0 -1] (0.00, 133.74) (0, 133)
[0 1 1] (90.00, 23.54) (90, 24)
[0 -1 1] (270.00, 23.54) (270, 24)
[0 1 -1] (90.00, 156.46) (90, 156)
[0 -1 -1] (270.00, 156.46) (270, 156)
[0 2 1] (90.00, 41.07) (90, 40)
[0 -2 1] (270.00, 41.07) (270, 40)
[0 2 -1] (90.00, 138.93) (90, 140)
[0 -2 -1] (270.00, 138.93) (270, 140)
[1 1 1] (39.83, 34.23) (40, 33)
[-1 -1 1] (219.83, 34.23) (220, 33)
[-1 1 -1] (140.17, 145.77) (140, 147)
[1 -1 -1] (320.17, 145.77) (320, 147)
[2 2 1] (39.83, 53.69) nicht detektiert
[-2 -2 1] (219.83, 53.69) nicht detektiert
[-2 2 -1] (140.17, 126.31) nicht detektiert
[2 -2 -1] (320.17, 126.31) nicht detektiert
[1 2 2] (59.06, 26.93) (60, 28)
[-1 -2 2] (239.06, 26.93) (240, 28)
[-1 2 -2] (120.94, 153.07) (120, 152)
[1 -2 -2] (300.94, 153.07) (300, 152)
[1 2 1] (59.06, 45.46) (60, 45)
[-1 -2 1] (239.06, 45.46) (240, 45)
[-1 2 -1] (120.94, 134.54) (120, 135)
[1 -2 -1] (300.94, 134.54) (300, 135)
Messwerte von (φ,θ) und entsprechende
Zuordnung zu einem Miller-Index **
*: Berechnung anhand folgender Parameter: a = 11.924 Å, b = 14.298 Å, c = 6.230 Å, α = β = γ = 90°, Kristal klasse:
222; 8 **: alle Werte in Grad.
Die experimentellen Werte stimmten mit hoher Genauigkeit mit den berechneten
Werten überein.
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5 Zusammenfassung 39
5 Zusammenfassung
Es gelang mittels selbst programmierter Software die Ergebnisse des
Kugelwachstumsversuchs an Alaun- und Seignettesalzkugeln zu berechnen und
dreidimensional darzustellen.
Seite 449 von 560

40 6 Danksagung
6 Danksagung
Unser Dank gilt der Schulleitung der Georg-Kerschensteiner Schule, Müllheim. Unsern
Betreuern Herrn Otto Schäfer und Herrn Dipl. chem. Stefan Müller.
Seite 450 von 560

7 Literaturverzeichnis 41
7 Literaturverzeichnis
[1] Sokrates: gemeinschaftliches Aktionsprogramm im Bereich der allgemeinen
Bildung (2000-2006) der Europäischen Union; Comenius: Europäische
Zusammenarbeit auf dem Gebiet der Schulbildung.
[2] http://copal.ms-dev.de/
[3] http://www.louis-armand.uha.fr/
[4] http://www.berzsenyi.hu/
[5] http://www.gks.fr.bw.schule.de/
[6] Theo Hahn (Ed.), International Tables for Chrystallography, 5 th Ed. 2002,
Kluwer Verlag, Dordrecht, Niederlande.
[7] H. Lipson, C. A. Beevers, Proceedings of the Royal Society of London, Series A
1934, 148, 664 – 680.
[8] X. Solans, C. Gonzales-Silgo, C. Ruiz-Perez, Journal of Solid State Chemistry
1997, 131, 350 – 357.
[9] E. Nickel, Grundwissen in Mineralogie, Teil 2: Aufbaukurs – Kristallographie,
2. Aufl. 1984, 73-82, Ott Verlag, Thun, Schweiz.
[10] adaptiert nach Prof. Dr. Helmut Föll und Dr. J. Carstensen, Christian-Albrechts-
Universität Kiel,
http://www.tf.uni-kiel.de/natwis/amat/mw2_ge/kap_3/backbone/r3_3_1.html
[11] http://www.python.org/
[12] David Duce, Ivan Herman, Bob Hopgood, „SVG Tutorial“,
[13]
http://www.w3.org/2002/Talks/www2002-svgtut-ih/hwtut.pdf
http://www.pymol.org/ .
Seite 451 von 560

Seite 452 von 560

Züchtung von
Triglycinsulfateinkristallen – Arbeiten
zum Bau eines IR-Detektors
Karim Aly, Cornelius Dorner, Stefan Meier, Arthur Wiens,
Stefan Müller Ж (Ed.), Otto Schäfer Ш
Ж : Albert-Ludwigs Universität, Freiburg; Ш : Georg-Kerschensteiner Schule, Müllheim
Projektbericht
im Rahmen des Sokrates-Comenius-Projekts
Synthese von Opalen
an der
Georg-Kerschensteiner Schule, Müllheim/Baden
2005-2007
Müllheim im August 2007
Seite 453 von 560

2 Vorwort
Vorwort
Diese Abhandlung präsentiert kurz die Ergebnisse der Projektgruppe „TGS“, die an der
Georg-Kerschensteiner Schule in Müllheim im Rahmen eines Sokrates-Comenius-
Projekts 1 in den Jahren 2005-2007 erarbeitet wurden. Das Hauptziel besagten Projektes
bestand in der Realisierung einer synthetischen Herstellung von Opalen mit all den
damit verbundenen Forschungen. 2
Um diese Aufgabe zu Schultern arbeiteten drei Schulen aus drei Ländern der
Europäischen Union mit insgesamt 54 Schülern an diesem Projekt mit. Die einzelnen
Schulen waren das Lycée d'enseignement général et technologique Louis Armand3 ,
Mulhouse/Frankreich, das Berzsenyi Dániel Gimnázium4 , Budapest/Ungarn und die
Georg-Kerschensteiner Schule5 , Müllheim/Deutschland.
Die Schüler an der Georg-Kerschensteiner Schule sollten mit dem Arbeiten in einem
internationalen und gemeinschaftlichem Umfeld, sowie naturwissenschaftlichen Denkund
Arbeitsweisen vertraut gemacht werden. Die Organisation sah vor, dass die Schüler
in kleinen Gruppen (bis 5 Mitgliedern) an einem kleinen wissenschaftlichen Projekt
neben dem Hauptprojekt über zwei Jahre arbeiten sollten. Es wurden sechs solcher
Projektgruppen gebildet, denen unterschiedliche Aufgaben übertragen wurden:
- Alaun: Züchtung von Alauneinkristallen und Untersuchung von Habitusänderungen an
Alaunkristallen.
- Seignettesalz: Synthese von Seignettesalz aus Weinstein und Züchtung von
Seignettesalzeinkristallen, Untersuchungen zur Habitusänderung an Seignettesalzkristallen,
sowie dem Bau von Apparaturen zur Demonstration des Piezoeffekts.
- TGS: Synthese von Triglycinsulfat (TGS) und Züchtung von TGS-Einkristallen, sowie dem Bau
eines pyroelektrischen Konverters.
- Natriumchlorid: Züchtung von Natriumclorid-Glucose-Kristallen und deren Analyse.
- Calciumtartrat: Züchtung von Kalziumtartrateinkristallen in einer Kieselgelmatrix.
- Kugelwachstumsversuch: Durchführung und in-silico-Simulation des Kugelwachstumsversuchs.
Wie oben schon erwähnt ist diese Abhandlung nun die Zusammenfassung der
Ergebnisse der Projektgruppe „TGS“.
1 Sokrates: gemeinschaftliches Aktionsprogramm im Bereich der allgemeinen Bildung (2000-2006) der
Europäischen Union; Comenius: Europäische Zusammenarbeit auf dem Gebiet der Schulbildung.
2 http://copal ms-dev.de/
3 http://www.louis-armand.uha.fr/
4 http://www.berzsenyi hu/
5 http://www.gks.fr.bw.schule.de/
Seite 454 von 560

Kurzfassung 3
Kurzfassung
Es werden Ergebnisse der Projektarbeit zur Züchtung von Triglycinsulfateinkristallen
vorgestellt, die die Grundlage waren, um am Bau eines IR-Detektors zu arbeiten.
Schlagwörter: Triglycinsulfat (TGS), Kristallzüchtung, IR-Detektoren
Seite 455 von 560

4 Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis
Vorwort............................................................................................................................ 2
Kurzfassung.....................................................................................................................3
Inhaltsverzeichnis ........................................................................................................... 4
Abbildungsverzeichnis.................................................................................................... 5
Abkürzungsverzeichnis .................................................................................................. 6
1 Aufgabenstellung ................................................................................................. 7
2 Züchtung von Triglycinsulfateinkristallen........................................................ 8
2.1 Triglycinsulfat (TGS) ............................................................................................ 8
2.2 Kristalldaten von Triglycinsulfat........................................................................... 8
2.3 Löslichkeitskurve von TGS................................................................................. 10
2.4 Züchtung von TGS-Einkristallen ........................................................................ 10
2.4.1 Kristallzüchtungsmethoden ................................................................................. 10
2.4.2 Züchtung von Impfkristallen ............................................................................... 11
2.4.3 Züchtung nach dem Abkühlverfahren................................................................. 11
3 Arbeiten zum Bau eines pyroelektrischen Konverters .................................. 14
4 Zusammenfassung ............................................................................................. 18
5 Danksagung........................................................................................................ 19
6 Literaturverzeichnis.......................................................................................... 20
7 Anhang................................................................................................................ 21
Seite 456 von 560

Abbildungsverzeichnis 5
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1: Elementarzelle von TGS (Erstellt mit der Software Diamond ® ;
schwarz: Kohlenstoffatome, rot: Sauerstoffatome, blau: Stickstoffatome. .......... 9
Abbildung 2: Löslichkeitskurve von Triglycinsulfat in Wasser.................................... 10
Abbildung 3: Züchtungsapparatur für Kristallzüchtungen nach dem
Abkühlverfahren. ................................................................................................ 12
Abbildung 4: Hervorragender TGS-Einkristall in einer Züchtungsapparatur. Am
Boden befindet sich eine kleine Glasglocke zum Einschließen störender
Bodenkristalle. .................................................................................................... 12
Abbildung 5: TGS-Einkristalle mit hoher Qualität. ...................................................... 13
Abbildung 6: Veranschaulichung des Piezoeffekts....................................................... 14
Abbildung 7: Spaltebene an einem TGS-Einkristall. Die Spaltebenen verlaufen
orthogonal zur [0 1 0]-Richtung.......................................................................... 15
Abbildung 8: Stefan Meier und Karim Aly (v. l.) bei der Herstellung von TGS-
Spaltplatten.......................................................................................................... 15
Abbildung 9: Planschleifen der Kristallplatten mit Schleifpapier................................. 15
Abbildung 10: Kontaktieren der TGS-Kristallspaltplatten mit Blattgold ..................... 16
Abbildung 11: Hysteresekurve bei der Verwendung der TGS-Spaltplatten in einem
Schwingkreis....................................................................................................... 16
Seite 457 von 560

6 Abkürzungsverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis
IR Infrarot
TGS Triglycinsulfat
Seite 458 von 560

1 Aufgabenstellung 7
1 Aufgabenstellung
Unserer Gruppe hatte die Aufgabe Triglycinsulfat (TGS) zu synthetisieren und daraus
TGS-Einkristalle zu züchten und sie als Rohmaterial zu benutzen um einen IR-Detektor
zu bauen.
Seite 459 von 560

8 2 Züchtung von Triglycinsulfateinkristallen
2 Züchtung von Triglycinsulfateinkristallen
2.1 Triglycinsulfat (TGS)
Triglycinsulfat (H3N + CH2COO - )3•(H2SO4) ist ein farbloser Feststoff, der sich aus wässr.
Lösungen kristallisieren lässt. Lösungen dieses Salzes sind sauer, was man bei der
entsprechenden Handhabung berücksichtigen muss.
TGS-Einkristalle sind piezo- und pyroelektrisch, d. h. an verschiedenen Kristallflächen
ist bei mechanischer Deformation oder bei Einstrahlung von IR-Licht eine Spannung
messbar. Diese Effekte finden in Piezoelementen und IR-Detektoren Verwendung.
2.2 Kristalldaten von Triglycinsulfat
TGS kristallisiert in der Raumgruppe P21/m (Nr. 11) und gehört somit dem monoklinen
Kristallsystem an.
Kristalldaten 6
Formula sum C6H15O10S
Crystal system monoclinic
Space group P 21/m (no. 11)
Unit cell dimensions a = 9.41 Å
b = 12.64 Å
c = 5.73 Å
Atomkoordinaten
Atom x y z
S1 1.199500 0.800000 0.375000
O1 1.058300 0.794700 0.155100
O2 1.166900 0.793700 0.607200
O3 1.292000 0.706500 0.373400
O4 1.276900 0.896900 0.344100
O5 0.806400 0.789300 1.224600
O6 0.693500 0.821800 0.816800
C1 0.690500 0.797200 1.022700
C2 0.534800 0.786100 1.054900
N1 0.559500 0.761000 1.313900
O7 0.421800 1.047500 0.914600
O8 0.659600 1.089700 0.948800
C3 0.515300 1.083100 0.829700
C4 0.467500 1.123400 0.557000
N2 0.293900 1.130000 0.456300
O9 0.982400 1.043100 0.372900
O10 0.745400 1.032500 0.381700
C5 0.893700 1.024900 0.478100
C6 0.944000 0.982000 0.740600
N3 1.106800 0.983100 0.855900
6 S. Hoshino, Y. Okaya, R. Pepinsky, Physical Review 1959, 115, 2, 323-330.
Seite 460 von 560

2 Züchtung von Triglycinsulfateinkristallen 9
Abbildung 1: Elementarzelle von TGS (Erstellt mit der Software Diamond ® ; schwarz:
Kohlenstoffatome, rot: Sauerstoffatome, blau: Stickstoffatome.
Seite 461 von 560

10 2 Züchtung von Triglycinsulfateinkristallen
2.3 Löslichkeitskurve von TGS
TGS weist eine mit steigender Temperatur ansteigende Löslichkeit in Wasser auf (Abb.
2).
Löslichkeit in g/L
550
500
450
400
350
300
20
25 30 35 40 45 θ / °C
Abbildung 2: Löslichkeitskurve von Triglycinsulfat in Wasser. 7
Dieses Löslichkeitsverhalten prädestiniert TGS geradezu für eine Züchtung von dessen
Einkristallen nach dem Abkühlverfahren.
2.4 Züchtung von TGS-Einkristallen
2.4.1 Kristallzüchtungsmethoden
Für TGS können im wesentlichen zwei Kristallzüchtungsmethoden angewendet werden
zum einen die Verdunstungsmethode und zum anderen die Abkühlungsmethode.
Beide Verfahren beruhen darauf, die absolut gelöste Stoffmenge an TGS mit der Zeit
langsam zu verringern und so das Wachstum eines Impfkristalls zu ermöglichen.
7 Datenpunkte: (25.0°C, 330.9 g/L), (30.3°C, 379.1 g/L), (35.1°C, 420.5 g/L), (40.2°C, 471.0 g/L),
(45.3°C, 524.9 g/L).
Seite 462 von 560

2 Züchtung von Triglycinsulfateinkristallen 11
Beim Verdunstungsverfahren wird dies durch ein langsames Verdampfen des
Lösungsmittels (Wassers) bei konstanter Temperatur erreicht, beim Abkühlverfahren
durch langsames Abkühlen einer wässr. TGS-Lösung ohne Verdampfen des Wassers.
Das Abkühlverfahren ist dem Verdunstungsverfahren in der Qualität der erhaltbaren
Einkristallen überlegen, aufgrund der besseren Kontrollierbarkeit der
Züchtungsbedingungen (Verfügbarkeit guter Thermostaten).
Unserer Projektgruppe züchtete TGS-Einkristalle nur nach der Abkühlmethode, da nur
mit ihr optimale Züchtungsbedingungen über eine lange Zeit (mehrere Wochen)
aufrecht erhalten werden konnten.
2.4.2 Züchtung von Impfkristallen
Um aus wässr. Lösungen Einkristalle züchten zu können benötigten wir qualitativ
hochwertige Impfkristalle, die dann in den Züchtungsapparaturen weiter wachsen
sollten. Um diese Impfkristalle zu erhalten benötigten wir zunächst eine bei Raumtemp.
fast gesättigte Lösung von TGS. Diese Lösung einfach in eine große Petrischale
gegossen und mit einem Filterpapier abgedeckt. Nach ein bis zwei Tagen kristallisierten
aus der Lösung die Impfkristalle aus.
2.4.3 Züchtung nach dem Abkühlverfahren
Die Georg-Kerschensteiner Schule in Müllheim verfügt seit geraumer Zeit über
professionelle Züchtungsapparaturen zur Züchtung von Einkristallen nach dem
Abkühlverfahren (Abb. 3).
Seite 463 von 560

12 2 Züchtung von Triglycinsulfateinkristallen
Abbildung 3: Züchtungsapparatur für Kristallzüchtungen nach dem Abkühlverfahren.
Mit diesen Apparaturen war es uns möglich TGS-Einkristalle mit einer hohen Qualität
zu züchten (Abb. 4).
Abbildung 4: Hervorragender TGS-Einkristall in einer Züchtungsapparatur. Am Boden befindet
sich eine kleine Glasglocke zum Einschließen störender Bodenkristalle.
Seite 464 von 560

2 Züchtung von Triglycinsulfateinkristallen 13
Abbildung 5: TGS-Einkristalle mit hoher Qualität.
Es gelang mehrere sehr gute TGS-Einkristalle auf diese Weise zu züchten (Abb. 5). Das
einzige Problem mit der man bei dieser Methode konfrontiert ist, ist die hohe
Empfindlichkeit gegenüber Kristallkeimen, die, wenn sie entstehen (z.B. spontan oder
durch Verdunstung an der Oberfläche der Lösung), schneller wachsen als der
eingehängte Impfkristall und so die maximal erreichbare Größe des Einkristalls rapide
senken. Wir benutzten einen Kunstgriff um dieses Problem zu minimieren, wir
schlossen entstandene Sekundärkristalle am Boden des Züchtungsgefaßes einfach mit
einer kleinen Glasglocke ein, und unterbanden ein weiteres Wachstum von störenden
Bodenkristallen (Abb. 4).
Seite 465 von 560

14 3 Arbeiten zum Bau eines pyroelektrischen Konverters
3 Arbeiten zum Bau eines pyroelektrischen
Konverters
TGS zeigt zwei interessante Eigenschaften, zum einen den Piezoeffekt und zum anderen
den pyroelektrischen Effekt.
Ladungsschwerpunkte
an derse ben Positionen
Abbildung 6: Veranschaulichung des Piezoeffekts.
Kraft
Kraft
Ladungsschwerpunkte
an unterschiedlichen Positionen
Beim Piezoeffekt liegt an den Kristallflächen eine Spannung an, wenn der Kristall
deformiert wird und umgekehrt (Abb. 6). Beim pyroelektrischen Effekt liegt an den
Kristallflächen eine Spannung an, wenn eine Temperaturänderung eintritt (z. B. bei der
Bestrahlung mit IR-Licht).
Die Pyroelektrizität kann wollten wir dazu benutzen um einen IR-Sensor zu bauen. Der
erste Schritt den wir machen mussten, war die Herstellung von TGS-
Kristallspaltplatten.
(0 2 1)
(0 1 0)
(0 0 1)
(1 1 1)
(1 1 0)
(1 0 1)
(1 0 0)
(1 2 1)
Seite 466 von 560

3 Arbeiten zum Bau eines pyroelektrischen Konverters 15
Abbildung 7: Spaltebene an einem TGS-Einkristall. Die Spaltebenen verlaufen orthogonal zur
[0 1 0]-Richtung.
Abbildung 8: Stefan Meier und Karim Aly (v. l.) bei der Herstellung von TGS-Spaltplatten.
Abbildung 9: Planschleifen der Kristallplatten mit Schleifpapier.
Nach dem Spalten und Schleifen der Platten (Abb. 8 und 9) waren die Grundlagen für
den Nächsten Schritt gelegt, das Kontaktieren der Platten mit Blattgold (Abb. 10).
Seite 467 von 560

16 3 Arbeiten zum Bau eines pyroelektrischen Konverters
Abbildung 10: Kontaktieren der TGS-Kristallspaltplatten mit Blattgold
Abbildung 11: Hysteresekurve bei der Verwendung der TGS-Spaltplatten in einem
Schwingkreis.
Der nächste Schritt bestand im Nachweis der ferroelektrischen Eigenschaften unserer
TGS-Spaltplatten, was mittels Einbau in einen elektrischen Schwingkreis und das
Verfolgen der elektrischen Polarisation mittels Oszilloskop gelang (Abb. 11).
Seite 468 von 560

3 Arbeiten zum Bau eines pyroelektrischen Konverters 17
An dieser Stelle mussten unserer Arbeiten zum Bau eines IR-Detektors aus Zeitgründen
leider beendet werden.
Seite 469 von 560

18 4 Zusammenfassung
4 Zusammenfassung
Unserer Projektgruppe gelang es TGS-Einkristalle in allerhöchster Qualität nach dem
Abkühlverfahren und einer neuen Technik zur Vermeidung von Bodenkristallen zu
züchten. Weiter gelangen uns große Beiträge zum Bau eines IR-Detektors.
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5 Danksagung 19
5 Danksagung
Unser Dank gilt der Schulleitung der Georg-Kerschensteiner Schule, Müllheim. Unsern
Betreuern Herrn Otto Schäfer und Herrn Dipl. chem. Stefan Müller.
Seite 471 von 560

20 6 Literaturverzeichnis
6 Literaturverzeichnis
[1] Sokrates: gemeinschaftliches Aktionsprogramm im Bereich der allgemeinen
Bildung (2000-2006) der Europäischen Union; Comenius: Europäische
Zusammenarbeit auf dem Gebiet der Schulbildung.
[2] http://copal.ms-dev.de/
[3] http://www.louis-armand.uha.fr/
[4] http://www.berzsenyi.hu/
[5] http://www.gks.fr.bw.schule.de/
[6] S. Hoshino, Y. Okaya, R. Pepinsky, Physical Review 1959, 115, 2, 323-330.
[7] Datenpunkte: (25.0°C, 330.9 g/L), (30.3°C, 379.1 g/L), (35.1°C, 420.5 g/L),
(40.2°C, 471.0 g/L), (45.3°C, 524.9 g/L).
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7 Anhang 21
7 Anhang
An dieser Stelle sind noch Vorlagen für Papiermodelle von TGS-Kristallen abgedruckt.
Seite 473 von 560

Seite 478 von 560

Züchtung von Einkristallen des α-D-
Glucose-Natriumchlorid-Wasser (2/1/1)
Komplexes
Florian Fuchs, Tilo Sichler, Hakan Bilgic, Stefan Müller Ж (Ed.), Otto Schäfer Ш
Ж : Albert-Ludwigs Universität, Freiburg; Ш : Georg-Kerschensteiner Schule, Müllheim
Projektbericht
im Rahmen des Sokrates-Comenius-Projekts
Synthese von Opalen
an der
Georg-Kerschensteiner Schule, Müllheim/Baden
2005-2007
Müllheim im August 2007
Seite 479 von 560

2 Vorwort
Vorwort
Diese Abhandlung präsentiert kurz die Ergebnisse der Projektgruppe „Natriumchlorid“,
die an der Georg-Kerschensteiner Schule in Müllheim im Rahmen eines Sokrates-
Comenius-Projekts1 in den Jahren 2005-2007 erarbeitet wurden. Das Hauptziel besagten
Projektes bestand in der Realisierung einer synthetischen Herstellung von Opalen mit
all den damit verbundenen Forschungen. 2
Um diese Aufgabe zu Schultern arbeiteten drei Schulen aus drei Ländern der
Europäischen Union mit insgesamt 54 Schülern an diesem Projekt mit. Die einzelnen
Schulen waren das Lycée d'enseignement général et technologique Louis Armand3 ,
Mulhouse/Frankreich, das Berzsenyi Dániel Gimnázium4 , Budapest/Ungarn und die
Georg-Kerschensteiner Schule5 , Müllheim/Deutschland.
Die Schüler an der Georg-Kerschensteiner Schule sollten mit dem Arbeiten in einem
internationalen und gemeinschaftlichem Umfeld, sowie naturwissenschaftlichen Denkund
Arbeitsweisen vertraut gemacht werden. Die Organisation sah vor, dass die Schüler
in kleinen Gruppen (bis 5 Mitgliedern) an einem kleinen wissenschaftlichen Projekt
neben dem Hauptprojekt über zwei Jahre arbeiten sollten. Es wurden sechs solcher
Projektgruppen gebildet, denen unterschiedliche Aufgaben übertragen wurden:
- Alaun: Züchtung von Alauneinkristallen und Untersuchung von Habitusänderungen an
Alaunkristallen.
- Seignettesalz: Synthese von Seignettesalz aus Weinstein und Züchtung von
Seignettesalzeinkristallen, Untersuchungen zur Habitusänderung an Seignettesalzkristallen,
sowie dem Bau von Apparaturen zur Demonstration des Piezoeffekts.
- TGS: Synthese von Triglycinsulfat (TGS) und Züchtung von TGS-Einkristallen, sowie dem Bau
eines pyroelektrischen Konverters.
- Natriumchlorid: Züchtung von Natriumclorid-Glucose-Kristallen und deren Analyse.
- Calciumtartrat: Züchtung von Kalziumtartrateinkristallen in einer Kieselgelmatrix.
- Kugelwachstumsversuch: Durchführung und in-silico-Simulation des Kugelwachstumsversuchs.
Wie oben schon erwähnt ist diese Abhandlung nun die Zusammenfassung der
Ergebnisse der Projektgruppe „Natriumchlorid“.
1 Sokrates: gemeinschaftliches Aktionsprogramm im Bereich der allgemeinen Bildung (2000-2006) der
Europäischen Union; Comenius: Europäische Zusammenarbeit auf dem Gebiet der Schulbildung.
2 http://copal ms-dev.de/
3 http://www.louis-armand.uha.fr/
4 http://www.berzsenyi hu/
5 http://www.gks.fr.bw.schule.de/
Seite 480 von 560

Kurzfassung 3
Kurzfassung
Es werden Ergebnisse der Projektarbeit zur Züchtung von Einkristallen des α-D-
Glucose-Natriumchlorid-Wasser (2/1/1) Komplexes vorgestellt. Neben der Züchtung
der Einkristalle hat sich unserer Projektgruppe eingehend mit den verschiedenen
Analysemethoden für diesen Komplex befasst.
Schlagwörter: α-D-Glucose-Natriumchlorid-Wasser (2/1/1) Komplexe,
Analysemethoden, Kristallzüchtung
Seite 481 von 560

4 Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis
Vorwort............................................................................................................................ 2
Kurzfassung.....................................................................................................................3
Inhaltsverzeichnis ........................................................................................................... 4
Abbildungsverzeichnis.................................................................................................... 5
Tabellenverzeichnis ........................................................................................................ 5
Abkürzungsverzeichnis .................................................................................................. 6
1 Aufgabenstellung ................................................................................................. 7
2 Züchtung von Einkristallen des α-D-Glucose-Natriumchlorid-Wasser
(2/1/1) Komplexes ................................................................................................ 8
2.1 α-D-Glucose-Natriumchlorid-Wasser (2/1/1) Komplexe...................................... 8
2.2 Kristalldaten des α-D-Glucose-Natriumchlorid-Wasser (2/1/1) Komplexes........ 8
2.3 Löslichkeitskurve von des α-D-Glucose-Natriumchlorid-Wasser (2/1/1)
Komplex .............................................................................................................. 10
2.4 Kristallzüchtungsmethoden ................................................................................. 11
2.5 Indizierung der Kristallflächen............................................................................ 14
3 Chemische Analyse der erhaltenen Kristalle.................................................. 15
3.1 Gravimetrische Analyse ...................................................................................... 15
3.2 Maßanalyse.......................................................................................................... 15
3.2.1 Argentometrie...................................................................................................... 15
3.2.2 Säure-Base-Titration............................................................................................ 16
3.3 Ergebnisse unserer Analysen............................................................................... 17
4 Zusammenfassung ............................................................................................. 18
5 Danksagung........................................................................................................ 19
6 Literaturverzeichnis.......................................................................................... 20
7 Anhang................................................................................................................ 21
Seite 482 von 560

Abbildungsverzeichnis 5
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1: Elementarzelle des α-D-Glucose-Natriumchlorid-Wasser (2/1/1)
Komplex (Erstellt mit der Software Diamond ® ; schwarz: Kohlenstoffatome,
rot: Sauerstoffatome, grün: Chloratome, grau: Natriumatome. .......................... 10
Abbildung 2: Löslichkeitskurve des α-D-Glucose-Natriumchlorid-Wasser (2/1/1)
Komplex in Wasser............................................................................................. 11
Abbildung 3: Züchtungsapparatur für Kristallzüchtungen nach dem
Abkühlverfahren. ................................................................................................ 12
Abbildung 4: Einkristall des α-D-Glucose-Natriumchlorid-Wasser (2/1/1)
Komplexes, gezüchtet nach der Abkühlungsmethode (Der Kristall wurde
mit Permanentmarker geschwärzt, um innere Reflexionen zu unterbinden)...... 12
Abbildung 5: Einkristall des α-D-Glucose-Natriumchlorid-Wasser (2/1/1)
Komplexes, gezüchtet nach der Verdunstungsverfahren (Der Kristall wurde
mit Permanentmarker geschwärzt, um innere Reflexionen zu unterbinden)...... 13
Abbildung 6: Einkristall des α-D-Glucose-Natriumchlorid-Wasser (2/1/1)
Komplexes (Der Kristall wurde mit Permanentmarker geschwärzt, um
innere Reflexionen zu unterbinden).................................................................... 13
Abbildung 7: Indizierung der Kristallflächen nach Miller............................................ 14
Abbildung 8: Unserer Projektgruppe bei der Maßanalyse. ........................................... 16
Tabellenverzeichnis
Tabelle 1: Erstellte Vorlagen für Kristallmodelle.......................................................... 14
Tabelle 2: Gravimetrisch erhaltenen Analysenwerte..................................................... 15
Tabelle 3: Argentometrisch erhaltenen Analysenwerte................................................. 16
Tabelle 4: Analysenwerte erhalten aus Säure-Base-Titrationen.................................... 17
Seite 483 von 560

6 Abkürzungsverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis
TGS Triglycinsulfat
Seite 484 von 560

1 Aufgabenstellung 7
1 Aufgabenstellung
Unserer Gruppe hatte die Aufgabe Einkristalle des α-D-Glucose-Natriumchlorid-
Wasser (2/1/1) Komplexes zu züchten und die chemische Zusammensetzung der
Kristalle mit verschiedenen Analyseverfahren zu bestätigen.
Seite 485 von 560

8 2 Züchtung von Einkristallen des α-D-Glucose-Natriumchlorid-Wasser (2/1/1) Komplexes
2 Züchtung von Einkristallen des α-D-Glucose-
Natriumchlorid-Wasser (2/1/1) Komplexes
2.1 α-D-Glucose-Natriumchlorid-Wasser (2/1/1) Komplexe
Der α-D-Glucose-Natriumchlorid-Wasser (2/1/1) Komplex kristallisiert aus wässr.
Lösungen von Glucose/Natriumchlorid im Stöchiometrischen Verhältnis von etwa 2:1
aus.
2.2 Kristalldaten des α-D-Glucose-Natriumchlorid-Wasser
(2/1/1) Komplexes
Der α-D-Glucose-Natriumchlorid-Wasser (2/1/1) Komplex kristallisiert in der
Raumgruppe P31 (Nr. 144) und gehört somit dem hexagonalen (trigonalen)
Kristallsystem an.
Kristalldaten 6
Formula sum C12H26O13NaCl
Crystal system hexagonal
Space group P 31 (no. 144)
Unit cell dimensions a = 16.836 Å
b = 16.836 Å
c = 17.013 Å
α = 90°
β = 90°
γ = 120°
Atomkoordinaten
Atom x y z
Na1 0.317800 0.609400 0.500000
Na2 0.469800 0.271000 0.830800
Na3 0.805500 0.765000 1.167700
O1 0.384000 0.553300 0.014700
Cl2 0.402800 0.742200 -0.004600
Cl3 0.514100 0.403200 0.333200
O4 0.347300 0.213500 0.315900
Cl5 0.674800 0.682300 0.671800
O6 0.861000 0.700200 0.651700
O11 0.407400 0.588200 0.405100
O12 0.382900 0.733200 0.395900
O13 0.305800 0.707400 0.242600
O14 0.295200 0.549300 0.162000
O15 0.494300 0.625600 0.291400
O16 0.511400 0.587000 0.125700
O21 0.409600 0.731600 -0.411600
6 G. Ferguson, B. Kaiter, Acta Cryst. 1991, B47, 479-484.
Seite 486 von 560

2 Züchtung von Einkristallen des α-D-Glucose-Natriumchlorid-Wasser (2/1/1) Komplexes 9
Atom x y z
O22 0.384200 0.560700 -0.397200
O23 0.313500 0.519400 -0.237500
O24 0.302700 0.666600 -0.166800
O25 0.500300 0.782100 -0.299100
O26 0.530500 0.840400 -0.138000
O31 0.496400 0.389700 0.741000
O32 0.356200 0.220100 0.726500
O33 0.385400 0.179400 0.566200
O34 0.540800 0.328300 0.495700
O35 0.456200 0.440700 0.628400
O36 0.482700 0.499500 0.466800
O41 0.356400 0.245700 -0.076600
O42 0.525700 0.395400 -0.066000
O43 0.577600 0.370700 0.087900
O44 0.433000 0.210100 0.167700
O45 0.306100 0.282700 0.038500
O46 0.248200 0.241700 0.203200
O51 0.686800 0.676900 1.078200
O52 0.854900 0.697000 1.064200
O53 0.898200 0.768600 0.903600
O54 0.753200 0.783900 0.833000
O55 0.634400 0.586200 0.965200
O56 0.573300 0.556700 0.805900
O61 0.825800 0.671700 0.259800
O62 0.684900 0.701400 0.271300
O63 0.710900 0.777900 0.423000
O64 0.867400 0.785800 0.504100
O65 0.787400 0.585700 0.375300
O66 0.826200 0.568300 0.541500
C11 0.466000 0.657700 0.357700
C12 0.416900 0.708100 0.328800
C13 0.340100 0.648600 0.272100
C14 0.371400 0.611200 0.207700
C15 0.419900 0.562900 0.243100
C16 0.457200 0.524400 0.183000
C21 0.469400 0.718700 -0.363100
C22 0.420900 0.621300 -0.332600
C23 0.344500 0.604000 -0.276100
C24 0.378600 0.678600 -0.212200
C25 0.427500 0.772800 -0.249800
C26 0.470800 0.851200 -0.190700
C31 0.424100 0.376700 0.692600
C32 0.377600 0.279600 0.661500
C33 0.437400 0.263700 0.604500
C34 0.478100 0.338900 0.541700
C35 0.521400 0.432400 0.578700
C36 0.554000 0.511200 0.519600
C41 0.366400 0.316000 -0.027000
C42 0.463800 0.368300 0.000700
C43 0.485300 0.309900 0.058100
C44 0.415000 0.272100 0.121800
C45 0.318900 0.219800 0.087300
C46 0.242700 0.180000 0.145900
C51 0.696800 0.615000 1.026900
C52 0.791800 0.660900 0.999600
C53 0.812900 0.738200 0.941500
C45 0.738300 0.704900 0.878800
C55 0.643300 0.658600 0.915200
C56 0.566600 0.618600 0.856800
Seite 487 von 560

10 2 Züchtung von Einkristallen des α-D-Glucose-Natriumchlorid-Wasser (2/1/1) Komplexes
Atom x y z
C61 0.755200 0.614300 0.309100
C62 0.706900 0.665600 0.337600
C63 0.766200 0.742300 0.394200
C64 0.805100 0.709900 0.458800
C65 0.850900 0.660300 0.422200
C66 0.889900 0.620900 0.482400
C5 0.893700 1.024900 0.478100
C6 0.944000 0.982000 0.740600
N3 1.106800 0.983100 0.855900
Abbildung 1: Elementarzelle des α-D-Glucose-Natriumchlorid-Wasser (2/1/1) Komplex (Erstellt
mit der Software Diamond ® ; schwarz: Kohlenstoffatome, rot: Sauerstoffatome, grün:
Chloratome, grau: Natriumatome.
2.3 Löslichkeitskurve von des α-D-Glucose-Natriumchlorid-
Wasser (2/1/1) Komplex
Der α-D-Glucose-Natriumchlorid-Wasser (2/1/1) Komplex weist eine mit steigender
Temperatur ansteigende Löslichkeit in Wasser auf (Abb. 2).
Seite 488 von 560

2 Züchtung von Einkristallen des α-D-Glucose-Natriumchlorid-Wasser (2/1/1) Komplexes 11
Löslichkeit in Gew-%
70
65
60
55
50
45
10
15 20 25 30 35 40 θ / °C
Abbildung 2: Löslichkeitskurve des α-D-Glucose-Natriumchlorid-Wasser (2/1/1) Komplex in
Wasser.
Dieses Löslichkeitsverhalten prädestiniert diesen Komplex geradezu für eine Züchtung
von dessen Einkristallen nach dem Abkühlverfahren oder Verdunstungsverfahren (s.
u.).
2.4 Kristallzüchtungsmethoden
Für diesen Komplex können im wesentlichen zwei Kristallzüchtungsmethoden
angewendet werden zum einen die Verdunstungsmethode und zum anderen die
Abkühlungsmethode.
Beide Verfahren beruhen darauf, die absolut gelöste Stoffmenge mit der Zeit langsam
zu verringern und so das Wachstum eines Impfkristalls zu ermöglichen.
Beim Verdunstungsverfahren wird dies durch ein langsames Verdampfen des
Lösungsmittels (Wassers) bei konstanter Temperatur erreicht, beim Abkühlverfahren
durch langsames Abkühlen einer wässr. Lösung ohne Verdampfen des Wassers.
Das Abkühlverfahren ist dem Verdunstungsverfahren in der Qualität der erhaltbaren
Einkristallen überlegen, aufgrund der besseren Kontrollierbarkeit der
Züchtungsbedingungen (Verfügbarkeit guter Thermostaten) (Abb. 3).
Seite 489 von 560

12 2 Züchtung von Einkristallen des α-D-Glucose-Natriumchlorid-Wasser (2/1/1) Komplexes
Abbildung 3: Züchtungsapparatur für Kristallzüchtungen nach dem Abkühlverfahren.
Unserer Projektgruppe züchtete Einkristalle des α-D-Glucose-Natriumchlorid-Wasser
(2/1/1) Komplexes mit beiden Kristallzüchtungsverfahren.
Abbildung 4: Einkristall des α-D-Glucose-Natriumchlorid-Wasser (2/1/1) Komplexes, gezüchtet
nach der Abkühlungsmethode (Der Kristall wurde mit Permanentmarker geschwärzt, um innere
Reflexionen zu unterbinden).
Seite 490 von 560

2 Züchtung von Einkristallen des α-D-Glucose-Natriumchlorid-Wasser (2/1/1) Komplexes 13
Abbildung 5: Einkristall des α-D-Glucose-Natriumchlorid-Wasser (2/1/1) Komplexes, gezüchtet
nach der Verdunstungsverfahren (Der Kristall wurde mit Permanentmarker geschwärzt, um
innere Reflexionen zu unterbinden).
Abbildung 6: Einkristall des α-D-Glucose-Natriumchlorid-Wasser (2/1/1) Komplexes (Der
Kristall wurde mit Permanentmarker geschwärzt, um innere Reflexionen zu unterbinden).
Uns gelang es mit beiden Züchtungsverfahren Einkristalle hoher Qualität zu züchten
(Abb. 3, 5 und 6).
Seite 491 von 560

14 2 Züchtung von Einkristallen des α-D-Glucose-Natriumchlorid-Wasser (2/1/1) Komplexes
2.5 Indizierung der Kristallflächen
Durch Winkelmessungen gelang die Indizierung nach Miller der einzelnen
Kristallflächen. Im wesentlichen haben wir zwei unterschiedliche Typen von Kristallen
erhalten (Abb. 7).
{2 0 1}
{2 0 1}
{1 0 0} {1 1 0}
Abbildung 7: Indizierung der Kristallflächen nach Miller.
{0 2 1}
Zusätzlich haben wir auch Vorlagen für Papiermodelle erstellt um ein besseres
räumliches Vorstellungsvermögen zu bekommen (Tab. 1 und Anhang).
Tabelle 1: Erstellte Vorlagen für Kristallmodelle.
Seite 492 von 560

3 Chemische Analyse der erhaltenen Kristalle 15
3 Chemische Analyse der erhaltenen Kristalle
Wir wollten das stöchiometrische Verhältnis von Glucose, Natriumchlorid und Wasser
in den erhaltenen Einkristallen des α-D-Glucose-Natriumchlorid-Wasser (2/1/1)
Komplexes mit chemischen Analysemethoden bestätigen. Wir beschäftigten uns dabei
mit einem breiten Repertoire von Analysemethoden.
3.1 Gravimetrische Analyse
Mit der Gravimetrie lässt sich beim α-D-Glucose-Natriumchlorid-Wasser (2/1/1)
Komplex die stöchiometrischen Verhältnisse aller Komponenten bestimmen. Wir
erhitzten zunächst eine gepulverte Kristallprobe bis zur Gewichtskonstanz auf 100°C
und konnten so den Wassergehalt der Probe bestimmen. Analog lässt sich danach der
Glucoseanteil durch erhitzen bis zur Gewichtskonstanz auf 800°C erhalten.
Wasser-Anteil
Glucose-Anteil
(in Gew.-%)
(in Gew.-%)
gravimetrisch
bestimmt
theoretisch
berechnet
Tabelle 2: Gravimetrisch erhaltenen Analysenwerte.
Natriumchlorid-Anteil
(in Gew.-%)
4.1 82.2 13.6
4.1 82.4 13.4
Die erhaltenen Analysewerte stimmen gut mit den berechneten Werten überein (Tab. 2).
3.2 Maßanalyse
3.2.1 Argentometrie
Mit der Argentometrie lässt sich der Anteil von Chloridionen bestimmen. Titriert man
eine Lösung des Komplexes mit Silbernitratlösung mit Kaliumdichromat als Indikator,
kann man auf die Stoffmenge an Chlorid und damit auch die von Natriumchlorid
errechnen.
Seite 493 von 560

16 3 Chemische Analyse der erhaltenen Kristalle
gravimetrisch
bestimmt
theoretisch
berechnet
Wasser-Anteil
(in Gew.-%)
Glucose-Anteil
(in Gew.-%)
Natriumchlorid-Anteil
(in Gew.-%)
- - 13.8
- - 13.4
Tabelle 3: Argentometrisch erhaltenen Analysenwerte.
Auch bei dieser Methode stimmt der bestimmte Wert mit dem erwarteten Wert nahezu
überein (Tab. 3).
Abbildung 8: Unserer Projektgruppe bei der Maßanalyse.
3.2.2 Säure-Base-Titration
Da die Kristalle nicht sauer oder basisch in Wasser reagieren, kann man mit einer
Säure-Base-Titration keine Aussagen über die Zusammensetzung der Kristalle machen.
Bedient man sich aber eines Kunstgriffs, indem man eine Lösung des Komplexes über
eine Kationenaustauschersäule laufen lässt, so werden die Natriumionen gegen
Protonen ausgetauscht. Mittels Säure-Base-Titration kann so der Anteil an
Natriumchlorid in der ursprünglichen Probe bestimmt werden.
Seite 494 von 560

3 Chemische Analyse der erhaltenen Kristalle 17
gravimetrisch
bestimmt
theoretisch
berechnet
Wasser-Anteil
(in Gew.-%)
Glucose-Anteil
(in Gew.-%)
Natriumchlorid-Anteil
(in Gew.-%)
- - 13.4
- - 13.4
Tabelle 4: Analysenwerte erhalten aus Säure-Base-Titrationen.
Mit dieser Methode erhielten wir die besten Werte für den Massenanteil an
Natriumchlorid in den Einkristallen (Tab. 4).
3.3 Ergebnisse unserer Analysen
Mit diesen analytischen Daten konnten wir die in der Literatur6 angegebene
Zusammensetzung bestätigen. Die Summenformel lautet: C12H26O13NaCl (2 Glucose,
NaCl, H2O).
Seite 495 von 560

18 4 Zusammenfassung
4 Zusammenfassung
Unserer Projektgruppe gelang es Einkristalle des α-D-Glucose-Natriumchlorid-Wasser
(2/1/1) Komplexes mit guter Qualität nach dem Abkühlverfahren und dem
Verdunstungsverfahren zu züchten. Eine eingehende analytische Untersuchung der
Kristalle bestätigte die in der Literatur angegebene Zusammensetzung.
Seite 496 von 560

5 Danksagung 19
5 Danksagung
Unser Dank gilt der Schulleitung der Georg-Kerschensteiner Schule, Müllheim. Unsern
Betreuern Herrn Otto Schäfer und Herrn Dipl. chem. Stefan Müller.
Seite 497 von 560

20 6 Literaturverzeichnis
6 Literaturverzeichnis
[1] Sokrates: gemeinschaftliches Aktionsprogramm im Bereich der allgemeinen
Bildung (2000-2006) der Europäischen Union; Comenius: Europäische
Zusammenarbeit auf dem Gebiet der Schulbildung.
[2] http://copal.ms-dev.de/
[ 3 ] http://www.louis-armand.uha.fr/
[ 4 ] http://www.berzsenyi.hu/
[ 5 ] http://www.gks.fr.bw.schule.de/
[6] G. Ferguson, B. Kaiter, Acta Cryst. 1991, B47, 479-484.
Seite 498 von 560

7 Anhang 21
7 Anhang
An dieser Stelle sind noch Vorlagen für Papiermodelle von Einkristallen des α-D-
Glucose-Natriumchlorid-Wasser (2/1/1) Komplexes abgedruckt.
Seite 499 von 560

Seite 504 von 560

Züchtung von
Calciumtartrateinkristallen im Kieselgel
Tobias Elsässer, Daniel Grozinger, Bernd Henrich, Marc Lais,
Stefan Müller Ж (Ed.), Otto Schäfer Ш
Ж : Albert-Ludwigs Universität, Freiburg; Ш : Georg-Kerschensteiner Schule, Müllheim
Projektbericht
im Rahmen des Sokrates-Comenius-Projekts
Synthese von Opalen
an der
Georg-Kerschensteiner Schule, Müllheim/Baden
2005-2007
Müllheim im August 2007
Seite 505 von 560

2 Vorwort
Vorwort
Diese Abhandlung präsentiert kurz die Ergebnisse der Projektgruppe „Calciumchlorid“,
die an der Georg-Kerschensteiner Schule in Müllheim im Rahmen eines Sokrates-
Comenius-Projekts1 in den Jahren 2005-2007 erarbeitet wurden. Das Hauptziel besagten
Projektes bestand in der Realisierung einer synthetischen Herstellung von Opalen mit
all den damit verbundenen Forschungen. 2
Um diese Aufgabe zu Schultern arbeiteten drei Schulen aus drei Ländern der
Europäischen Union mit insgesamt 54 Schülern an diesem Projekt mit. Die einzelnen
Schulen waren das Lycée d'enseignement général et technologique Louis Armand3 ,
Mulhouse/Frankreich, das Berzsenyi Dániel Gimnázium4 , Budapest/Ungarn und die
Georg-Kerschensteiner Schule5 , Müllheim/Deutschland.
Die Schüler an der Georg-Kerschensteiner Schule sollten mit dem Arbeiten in einem
internationalen und gemeinschaftlichem Umfeld, sowie naturwissenschaftlichen Denkund
Arbeitsweisen vertraut gemacht werden. Die Organisation sah vor, dass die Schüler
in kleinen Gruppen (bis 5 Mitgliedern) an einem kleinen wissenschaftlichen Projekt
neben dem Hauptprojekt über zwei Jahre arbeiten sollten. Es wurden sechs solcher
Projektgruppen gebildet, denen unterschiedliche Aufgaben übertragen wurden:
- Alaun: Züchtung von Alauneinkristallen und Untersuchung von Habitusänderungen an
Alaunkristallen.
- Seignettesalz: Synthese von Seignettesalz aus Weinstein und Züchtung von
Seignettesalzeinkristallen, Untersuchungen zur Habitusänderung an Seignettesalzkristallen,
sowie dem Bau von Apparaturen zur Demonstration des Piezoeffekts.
- TGS: Synthese von Triglycinsulfat (TGS) und Züchtung von TGS-Einkristallen, sowie dem Bau
eines pyroelektrischen Konverters.
- Natriumchlorid: Züchtung von Natriumclorid-Glucose-Kristallen und deren Analyse.
- Calciumtartrat: Züchtung von Calciumtartrateinkristallen in einer Kieselgelmatrix.
- Kugelwachstumsversuch: Durchführung und in-silico-Simulation des Kugelwachstumsversuchs.
Wie oben schon erwähnt ist diese Abhandlung nun die Zusammenfassung der
Ergebnisse der Projektgruppe „Calciumchlorid“.
1 Sokrates: gemeinschaftliches Aktionsprogramm im Bereich der allgemeinen Bildung (2000-2006) der
Europäischen Union; Comenius: Europäische Zusammenarbeit auf dem Gebiet der Schulbildung.
2 http://copal ms-dev.de/
3 http://www.louis-armand.uha.fr/
4 http://www.berzsenyi hu/
5 http://www.gks.fr.bw.schule.de/
Seite 506 von 560

Kurzfassung 3
Kurzfassung
Es werden Ergebnisse der Projektarbeit zur Züchtung von Calciumtartrateinkristallen im
Kieselgel vorgestellt. Neben der Züchtung der Einkristalle hat sich unserer
Projektgruppe eingehend mit der Optimierung der Kristallqualität durch systematische
Variation der Züchtungsbedingungen befasst.
Schlagwörter: Calciumtartrat, Kristallzüchtung, Kieselgel
Seite 507 von 560

4 Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis
Vorwort............................................................................................................................ 2
Kurzfassung.....................................................................................................................3
Inhaltsverzeichnis ........................................................................................................... 4
Abbildungsverzeichnis.................................................................................................... 5
Abkürzungsverzeichnis .................................................................................................. 6
1 Aufgabenstellung ................................................................................................. 7
2 Züchtung von Calciumtartrateinkristallen im Kieselgel ................................. 8
2.1 Calciumtartart........................................................................................................ 8
2.2 Kristallzüchtung in Gelen...................................................................................... 9
2.2.1 Präparation eines Kieselgels................................................................................ 10
2.2.2 Bestimmung der Diffusionsgeschwindigkeiten von Calciumsalzen im
Kieselgel.............................................................................................................. 11
2.2.3 Züchtung von Einkristallen im Gel ..................................................................... 12
3 Zusammenfassung ............................................................................................. 15
4 Danksagung........................................................................................................ 16
5 Literaturverzeichnis.......................................................................................... 17
Seite 508 von 560

Abbildungsverzeichnis 5
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1: Struktur von Calciumtartrat....................................................................... 8
Abbildung 2: Diestereoisomere von Weinsäure.............................................................. 8
Abbildung 3: Erklärung des Piezoeffekts; Wird ein piezoelektrischer Kristall
deformiert werden die Ladungsschwerpunkte der positiven und der
negativen Ladung getrennt, und eine Spannung ist an der Oberfläche des
Kristalls messbar................................................................................................... 9
Abbildung 4: Doppelte Umsetzung von Natriumtartrat mit Calciumchlorid zu
Calciumtartrat und Natriumchlorid. In einem Gel läuft diese Reaktion
diffusionsbedingt sehr langsam ab........................................................................ 9
Abbildung 5: Abhängigkeit der Gelierzeit einer wässr. Natronwasserglaslösung
vom pH-Wert (10 ml Natronwasserglas in 90 ml Wasser und mit Salzsäure
oder Salzsäure/Natronlauge auf den gewünschten pH-Wert eingestellt; zum
Erreichen der sauren Hälfte wurden schnell 15 ml 15% Salzsäure
zugegeben; Salzsäure: 15%ig; Natronlauge: 40%ig).......................................... 10
Abbildung 6: Diffusionsstrecke in das Gel von Calciumsalzen (Calciumacetat und
Calciumchlorid) in Abhängigkeit von der Zeit. Detektiert anhand der
Kristallausfällung von Calciumtartrat im Gel..................................................... 12
Abbildung 7: Dendritisches Kristallwachstum von Calciumtartrat im Kieselgel bei
der Verwendung von Calciumacetat- oder Calciumchloridlösung als
Überschichtungslösung. ...................................................................................... 12
Abbildung 8: Calciumtartrateinkristalle hoher Qualität im Kieselgel, gezüchtet mit
einer Calciumformiatlösung in verd. Ameisensäure........................................... 13
Abbildung 9: Calciumtartrateinkristalle hoher Qualität im Kieselgel, gezüchtet mit
einer Calciumformiatlösung in verd. Ameisensäure........................................... 13
Abbildung 10: Calciumtartrateinkristalle hoher Qualität nach dem Entfernen des
Gels. .................................................................................................................... 14
Seite 509 von 560

6 Abkürzungsverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis
pH negativer Logarithmus der Hydroniumionenkonzentration
TGS Triglycinsulfat
Seite 510 von 560

1 Aufgabenstellung 7
1 Aufgabenstellung
Unserer Gruppe hatte die Aufgabe Calciumtartrateinkristalle im Kieselgel zu züchten,
und die Züchtungsparameter systematisch zu optimieren.
Seite 511 von 560

8 2 Züchtung von Calciumtartrateinkristallen im Kieselgel
2 Züchtung von Calciumtartrateinkristallen im
Kieselgel
2.1 Calciumtartart
Calciumtartrat ist das Calciumsalz der Weinsäure. Es weist eine geringe Löslichkeit in
Wasser auf. 6
H OH
HO
COO
COO
H
Ca 2
Calciumtartrat
Abbildung 1: Struktur von Calciumtartrat.
Weinsäuremoleküle sind chiral und können in drei Diastereoisomeren vorkommen. Die
natürlich vorkommende Weinsäure ist die L-(+)-Weinsäure (Abb. 2).
HO
COOH
H OH
H
COOH
L-(+)-Weinsäure
HO H
H
COOH
OH
COOH
D-(-)-Weinsäure
Abbildung 2: Diestereoisomere von Weinsäure.
H
H
COOH
OH
OH
COOH
HO
HO
meso-Weinsäure
optisch inaktiv
COOH
H
H
COOH
Calciumtartratkristalle zeigen das Phänomen der Piezoelektrizität. Deformiert man
einen Kristall, so wird an der Kristalloberfläche eine Spannung messbar (Abb. 3).
Dieser Effekt wird unter anderem in der Sensortechnik, Hochfrequenzschallgeneratoren,
Zeitgebern und Mikroaktoren benutzt.
6 0.0266 g/100 mL bei 0°C und 0.0689 g/100 mL bei 37.5°C; R. C. Weast, CRC Handbook of Chemistry
and Physics, 60 th Ed. 1980, B-67, CRC Press, Raton/Florida.
Seite 512 von 560

2 Züchtung von Calciumtartrateinkristallen im Kieselgel 9
Ladungsschwerpunkte
an derse ben Positionen
Kraft
Kraft
Ladungsschwerpunkte
an unterschiedlichen Positionen
Abbildung 3: Erklärung des Piezoeffekts; Wird ein piezoelektrischer Kristall deformiert werden
die Ladungsschwerpunkte der positiven und der negativen Ladung getrennt, und eine
Spannung ist an der Oberfläche des Kristalls messbar.
2.2 Kristallzüchtung in Gelen
Für die Züchtung von Calciumtartrateinkristallen eignen sich nicht die herkömmlichen
Züchtungsverfahren aus wässr. Lösungen, sprich das Abkühlverfahren und das
Verdunstungsverfahren, da Calciumtartrat eine zu geringe Löslichkeit in Wasser
aufweist.
Eine Methode trotz der geringen Löslichkeit Calciumtartratkristalle aus wässr.
Lösungen züchten zu können besteht in der Züchtung in Gelen. Hierbei wird das
Kalziumtartrat nicht von vorneherein gelöst, sondern chemisch über eine Doppelte
Umsetzung langsam erzeugt (Abb. 4).
HO
COO Na
H OH
COO
H
Na
lösliches
Weinsäuresalz
+
CaCl 2
lösliches
Calciumsalz
HO
COO
H OH
COO
H
schwerlösliches
Calciumtartrat
Ca 2
+
2NaCl
lösliches
Salz
Abbildung 4: Doppelte Umsetzung von Natriumtartrat mit Calciumchlorid zu Calciumtartrat und
Natriumchlorid. In einem Gel läuft diese Reaktion diffusionsbedingt sehr langsam ab.
Seite 513 von 560

10 2 Züchtung von Calciumtartrateinkristallen im Kieselgel
Bei der Gelzüchtung wird in ein Gel z. B. ein leicht lösliches Weinsäuresalz deponiert
und von der Oberfläche des Gels langsam ein leicht lösliches Calciumsalz
eindiffundieren lassen. Unter diesen Bedingungen wachsen langsam und spontan
Calciumtartrateinkristalle. Es können verschiedene Gele (z. B. Agar-Gel, Gelatinegele,
Poly-Acrylamidgele und Kieselgele) verwendet werden. Für unsere Zwecke stellte sich
ein Kieselgel als gut geeignet heraus (auch unter dem Licht, dass Acrylamid cancerogen
ist).
2.2.1 Präparation eines Kieselgels
Kieselgele können auf unterschiedliche Weise hergestellt werden z. B. aus
Tetraalkoxysilanen oder aus Natronwasserglas (alkalische Lösung von
niedermolekularen Silikatsalzen, die sich in beliebigen Mengen Wasser mischen lässt).
Aus Gründen der Einfachheit haben wir uns für eine Herstellung aus Natronwasserglas
entschieden.
Die Gelbildung aus Natronwasserglas ist pH-Abhängig. Die Gelierzeit einer wässr.
Natronwasserglaslösung ist um einen pH-Wert um 7 am kürzesten, bei niedrigen (11) ist die Lösung fast unbegrenzt stabil, ohne zu gelieren (Abb. 5).
Zeit in min
250
200
150
100
50
0
0 2 4 6 8 10 12
pH-Wert
Abbildung 5: Abhängigkeit der Gelierzeit einer wässr. Natronwasserglaslösung vom pH-Wert
(10 ml Natronwasserglas in 90 ml Wasser und mit Salzsäure oder Salzsäure/Natronlauge auf
den gewünschten pH-Wert eingestellt; zum Erreichen der sauren Hälfte wurden schnell 15 ml
15% Salzsäure zugegeben; Salzsäure: 15%ig; Natronlauge: 40%ig).
Seite 514 von 560

2 Züchtung von Calciumtartrateinkristallen im Kieselgel 11
Wir haben unser Gel7 durch Zutropfen einer Natronwasserglaslösung zu einer
Weinsäure-Lösung hergestellt, der End-pH-Wert von etwa 4 wurde durch
entsprechende Zugabe von Natronlauge eingestellt. Der End-pH-Wert bei der
Gelherstellung ist nicht beliebig variierbar, da sonst die Gelierzeit stark ansteigt (gegen
saurere pH-Werte) oder das Gel binnen Sekunden gebildet wird, bevor es abgefüllt
werden kann (gegen alkalischer pH-Werte) (Abb. 5). Der pH-Wert während der
Züchtung kann durch die zweite Lösung der doppelten Umsetzung (hier eine
Calciumsalzlösung) variiert werden.
2.2.2 Bestimmung der Diffusionsgeschwindigkeiten von Calciumsalzen
im Kieselgel
Wir überschichteten die Kieselgele in den Reagenzgläsern mit unterschiedlichen
Calciumsalzlösungen, um die verschiedenen Diffusionsgeschwindigkeiten der
Calciumionen in das Gel zu ermitteln (sehr gut zu verfolgen durch die Bildung der
schwerlöslichen Calciumtartratkristalle). Calciumacetat und Calciumchlorid zeigen ein
ähnliches Diffusionsverhalten, das nicht sehr stark von der Konzentration abhängt (Abb.
6).
Weg in cm (100 ml Reagenzglas)
4
2
0
0
5 10 15
Zeit in Tagen
7 Vorschrift für die Herstellung eines Kieselgels: 20 g Weinsäure wurden in 300 ml demin. Wasser
gelöst und eine Lösung von 54 ml Natronwasserglas in 300 ml unter pH-Kontrolle zugetropft, bis der
pH-Wert 3.5 betrugt. Die Lösung wurde auf 100 ml Reagenzgläser verteilt (Füllung ca. 70%). Nach
etwa einem Tag war die Lösung geliert.
Seite 515 von 560

12 2 Züchtung von Calciumtartrateinkristallen im Kieselgel
Abbildung 6: Diffusionsstrecke in das Gel von Calciumsalzen (Calciumacetat und
Calciumchlorid) in Abhängigkeit von der Zeit. Detektiert anhand der Kristallausfällung von
Calciumtartrat im Gel.
2.2.3 Züchtung von Einkristallen im Gel
Wir überschichteten unsere Gele mit verschiedenen Calciumsalzlösungen um zu die
Kristallqualität zu untersuchen. Bei der Verwendung von Calciumacetat und
Calciumchlorid war die Kristallqualität sehr schlecht (Abb. 7).
Abbildung 7: Dendritisches Kristallwachstum von Calciumtartrat im Kieselgel bei der
Verwendung von Calciumacetat- oder Calciumchloridlösung als Überschichtungslösung.
Es bildeten sich nur Dendriten mit schlechter Qualität, aber keine Einkristalle. Ein
weiteres Problem stellt die Bildung von Schimmel im Gel dar, weiter blieb bei der
Verwendung von Calciumchlorid der pH-Wert während des Kristallwachstums nicht
konstant (keine Pufferwirkung von Chloridionen), was zur partiellen Auflösung schon
gebildeter Kristalle führte.
Die besten Resultate erzielten wir bei der Verwendung von Calciumformiat in wässriger
Ameisensäure als Überschichtungslösung (Abb. 8, 9 und 10). 8 Ein weiterer Vorteil ist,
dass Pilze nicht in Anwesenheit von Ameisensäure wachsen können.
8 Zusammensetzung der Überschichtungslösung: 10 ml einer Calciumformiatlösung (1 mol/L) wurde
mit 5 ml Wasser verdünnt und mit Ameisensäure auf den pH-Wert 2 eingestellt. Die Gele in den
Reagenzgläsern wurden mit dieser Lösung uberschichtet. Nach etwa zwei Wochen hatten sich
Calciumtartrateinkristalle mit guter Qualität gebildet.
Seite 516 von 560

2 Züchtung von Calciumtartrateinkristallen im Kieselgel 13
Abbildung 8: Calciumtartrateinkristalle hoher Qualität im Kieselgel, gezüchtet mit einer
Calciumformiatlösung in verd. Ameisensäure.
Abbildung 9: Calciumtartrateinkristalle hoher Qualität im Kieselgel, gezüchtet mit einer
Calciumformiatlösung in verd. Ameisensäure.
Seite 517 von 560

14 2 Züchtung von Calciumtartrateinkristallen im Kieselgel
Abbildung 10: Calciumtartrateinkristalle hoher Qualität nach dem Entfernen des Gels.
Seite 518 von 560

3 Zusammenfassung 15
3 Zusammenfassung
Unserer Projektgruppe gelang es Calciumtartrateinkristalle guter Qualität im Kieselgel
zu züchten. Wir untersuchten die Gelbildungsparameter und verschiedene
Calciumsalze, wobei sich Calciumformiat als bestes Calciumsalz herausstellte.
Seite 519 von 560

16 4 Danksagung
4 Danksagung
Unser Dank gilt der Schulleitung der Georg-Kerschensteiner Schule, Müllheim. Unsern
Betreuern Herrn Otto Schäfer und Herrn Dipl. chem. Stefan Müller.
Seite 520 von 560

5 Literaturverzeichnis 17
5 Literaturverzeichnis
[1] Sokrates: gemeinschaftliches Aktionsprogramm im Bereich der allgemeinen
Bildung (2000-2006) der Europäischen Union; Comenius: Europäische
Zusammenarbeit auf dem Gebiet der Schulbildung.
[2] http://copal.ms-dev.de/
[3] http://www.louis-armand.uha.fr/
[4] http://www.berzsenyi.hu/
[5] http://www.gks.fr.bw.schule.de/
[6] 0.0266 g/100 mL bei 0°C und 0.0689 g/100 mL bei 37.5°C; R. C. Weast, CRC
Handbook of Chemistry and Physics, 60 th Ed. 1980, B-67, CRC Press,
Raton/Florida.
[7] Vorschrift für die Herstellung eines Kieselgels: 20 g Weinsäure wurden in 300 ml
demin. Wasser gelöst und eine Lösung von 54 ml Natronwasserglas in 300 ml unter
pH-Kontrolle zugetropft, bis der pH-Wert 3.5 betrugt. Die Lösung wurde auf 100 ml
Reagenzgläser verteilt (Füllung ca. 70%). Nach etwa einem Tag war die Lösung
geliert.
[8] Zusammensetzung der Überschichtungslösung: 10 ml einer
Calciumformiatlösung (1 mol/L) wurde mit 5 ml Wasser verdünnt und mit
Ameisensäure auf den pH-Wert 2 eingestellt. Die Gele in den Reagenzgläsern
wurden mit dieser Lösung uberschichtet. Nach etwa zwei Wochen hatten sich
Calciumtartrateinkristalle mit guter Qualität gebildet.
Seite 521 von 560

Seite 522 von 560

Entwicklung von Bausätzen für die
technikbezogene Didaktik
Detektorradio mit Pyritgleichrichter
Stefan Müller Ж (Ed.), Otto Schäfer Ш
Ж : Albert-Ludwigs Universität, Freiburg; Ш : Georg-Kerschensteiner Schule, Müllheim
Projektbericht
im Rahmen des Sokrates-Comenius-Projekts
Synthese von Opalen
an der
Georg-Kerschensteiner Schule, Müllheim/Baden
2005-2007
Müllheim im August 2007
Seite 523 von 560

2 Vorwort
Vorwort
Im Jahr 2005 startete an der Georg-Kerschensteiner Schule in Müllheim ein auf zwei
Jahre angelegtes Sokrates-Comenius-Projekt 1 . Das Hauptziel besagten Projektes bestand
in der Realisierung einer synthetischen Herstellung von Opalen mit all den damit
verbundenen Forschungen. 2 An diesem waren drei Schulen aus drei europäischen
Ländern mit insgesamt 54 Schülern beteiligt, namentlich das Lycée d'enseignement
général et technologique Louis Armand3 , Mulhouse/Frankreich, das Berzsenyi Dániel
Gimnázium4 , Budapest/Ungarn und die Georg-Kerschensteiner Schule5 ,
Müllheim/Deutschland.
Ein wesentlicher Bestandteil dieses Projekts war die Erarbeitung neuer didaktischer
Materialien. Da die Arbeiten an der Georg-Kerschensteiner Schule stets stark von der
Kristallchemie geprägt waren, war es nahe liegend auf diesem Gebiet diese Materialien
zu erstellen.
1 Sokrates: gemeinschaftliches Aktionsprogramm im Bereich der allgemeinen Bildung (2000-2006) der
Europäischen Union; Comenius: Europäische Zusammenarbeit auf dem Gebiet der Schulbildung.
2 http://copal ms-dev.de/
3 http://www.louis-armand.uha.fr/
4 http://www.berzsenyi hu/
5 http://www.gks.fr.bw.schule.de/
Seite 524 von 560

Kurzfassung 3
Kurzfassung
Halbleitende Materialien wie Zinkblende oder Pyrit können mit ihren
Halbleitereigenschaften in Detektorradios eingesetzt werden. Wir haben ein solches
Detektorradio konzeptioniert. Wir haben einen Bausatz erstellt mit dem Schüler einfach
und schnell ein eigenes Detektorradio für den amplitudenmodulierten
Mittelwellenempfang bauen können.
Schlagwörter: Detektorradio, Pyrit, Halbleiter, Gleichrichter
Seite 525 von 560

4 Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis
Vorwort............................................................................................................................ 2
Kurzfassung.....................................................................................................................3
Inhaltsverzeichnis ........................................................................................................... 4
Abbildungsverzeichnis.................................................................................................... 5
1 Aufgabenstellung ................................................................................................. 6
2 Konzeption eines Detektorradiobausatzes ........................................................ 7
2.1 Prinzipieller Aufbau von Detekorradios................................................................ 7
2.2 Konzeption eines Bausatzes für ein Detektorradio ............................................... 8
2.2.1 Platine.................................................................................................................... 8
2.2.2 Bauteileliste ........................................................................................................... 9
2.2.3 Ergebnisse............................................................................................................ 10
2.2.4 Didaktischer Rahmen .......................................................................................... 13
3 Zusammenfassung ............................................................................................. 14
4 Literaturverzeichnis.......................................................................................... 15
5 Anhang................................................................................................................ 16
Seite 526 von 560

Abbildungsverzeichnis 5
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1: Schaltplan eines Detektorradios. Besonders gekennzeichnet ist der
elektromagnetische Schwingkreis......................................................................... 7
Abbildung 2: Platinenlayout unseres Detektorradiobausatzes. links: Angabe der
verschiedenen Bohrlochdurchmesser, rechts: eigentliche Platine in
schwarz/weiß......................................................................................................... 8
Abbildung 3: Belichtete Platine im Entwicklerbad....................................................... 10
Abbildung 4: Belichtete und entwickelte Platine im Ätzbad. ....................................... 11
Abbildung 5: Fertig geätzte Platine............................................................................... 11
Abbildung 6: Fertig gewickelte Spulen in großer Zahl................................................. 12
Abbildung 7: Fertig gebautes Radio.............................................................................. 12
Seite 527 von 560

6 1 Aufgabenstellung
1 Aufgabenstellung
Wir hatten die Absicht umfangreiches didaktisches Material zu erstellen. Neben
Material zur Symmetrielehre wollten wir auch Material mit Technikbezug erarbeiten.
Im Rahmen des ersten Projettreffens im Oktober 2005 in Müllheim wollten wir zwei
Bausätze vorstellen. Der eine sollte ein Bausatz für ein Detektorradio mit
Pyritgleichrichter und der andere eine einfache Apparatur zur Demonstration des
Piezoeffekts sein.
Seite 528 von 560

2 Konzeption eines Detektorradiobausatzes 7
2 Konzeption eines Detektorradiobausatzes
2.1 Prinzipieller Aufbau von Detekorradios
Ein Detektorradio benötigt keine externe Energieversorgung (z. B. Batterien), da die
Energie des empfangenen elektromagnetischen Welle ausreicht um das Radio zu
betreiben. Dies hat aber zur Konsequenz, das die Klangwiedergabe nicht viel Leistung
aufnehmen darf.
C
ANT
S
GND
D
R
Abbildung 1: Schaltplan eines Detektorradios. Besonders gekennzeichnet ist der
elektromagnetische Schwingkreis.
Ein Detekorradio besteht im wesentlichen aus einem elektromagnetischen
Schwingkreis, wie in Abb. 1 wiedergegeben. Dieser Schwingkreis besteht aus einer
Spule (S) und einem Drehkondensator (C). Ist die Eigenfrequenz des Schwingkreises
resonant mit der Frequenz eines eingehenden elektromagnetischen Signals auf der
Antenne (ANT), so wird der Schwingkreis bildlich mit elektromagnetischer Energie
gefüllt. Ist das eingehende Signal amplitudenmoduliert, so wird auch der Schwingkreis,
bedingt durch die Dämpfung im Takt der Amplitudenmodulation oszillieren.
Durch die Diode wird die Wechselspannung am Schwingkreis gleichgerichtet und über
den Lautsprecher (Ohrhörer mit niedriger Leistungsaufnahme) in Schall umgesetzt. Die
Trägerfrequenz liegt im Bereich von mehreren hundert Megahertz und die aufgeprägte
Amplitudenmodulation oszilliert mit dem Frequenzbereich der menschlichen Sprache
oder Musik, also zwischen 20 und 20000 Hz. Der Lautsprecher kann nur mit der
Frequenz des aufmodulierten Signals schwingen, da die Frequenz des Trägersignals für
den Lautsprecher viel zu hoch ist.
L
Seite 529 von 560

8 2 Konzeption eines Detektorradiobausatzes
2.2 Konzeption eines Bausatzes für ein Detektorradio
Unserer Konzeption eines Bausatzes sollte mehrer Punkte erfüllen:
- Das Radio sollte wahlweise mit einer Diode als auch einem Halbleiterkristall (in
unserem Fall Pyrit) betrieben werden können.
- Als Lautsprecher sollte ein Ohrhörer mit niedriger Leistungsaufnahme dienen,
aber es sollte auch ein Aktivlautsprecher zu Demonstrationszwecken
angeschlossen werden können.
2.2.1 Platine
Auf der Platine sollte ein Drehkondensator, eine Klinkenbuchse für den Anschluss des
Orhörers oder eines Aktivlautsprechers, ein Widerstand, zwei Codierbrücken für das
Umschalten zwischen den Beschaltungen des Kondensators und des Gleichrichters und
mehrere Anschlüsse für die Antenne, die Erdung, die Spule und eines
Pyritgleichrichters Platz finden.
Wir entwarfen ein Platinenlayout (Abb. 2) zum Belichten einer Platine mit
lichtempfindlichem Schutzfilm, der nach dem Entwickeln geätzt werden sollte.
2 mm Ø
1.5 mm Ø
GRND
C1
D2
J2
S1
D2
J1
D1
1 mm Ø
R1
ANT
S1
B1
GRND
C1
D2
J2
Abbildung 2: Platinenlayout unseres Detektorradiobausatzes. links: Angabe der verschiedenen
Bohrlochdurchmesser, rechts: eigentliche Platine in schwarz/weiß.
S1
Seite 530 von 560
D2
J1
D1
R1
ANT
S1
B1

2 Konzeption eines Detektorradiobausatzes 9
2.2.2 Bauteileliste
Die verwendeten Bauteile sind im Elektronikfachhandel erhältlich. Alle Quellen und
Bauteile sind im Folgenden hier aufgeführt.
Fotobeschichtete Platine (positiv):
35 µm einseitige Kupferauflage, Epoxidharz,
100x160x1 mm Conrad: 53 62 02-55
Spule 76 Windungen, Länge: 43 mm, Æ 33 mm, Kupferdraht lackiert Æ 0.5 mm
berechnete Induktivität: 155.28 µH
Drehkondensator CBM-223P, maximal 20pF
http://ntfs.ebigchina.com/
Exporteur: http://jcmelectronics.com/ Hersteller: Fu shan Electronic Factory
Nantong, VR China
Diode AA132
Conrad: 15 00 61-55
Fragment eines handelsüblichen Pyritkristalls
0,6 Watt Metallschicht-Widerstand 1% 220 kW
Conrad: 41 85 36-55
2 Codier- und Adressierungsbrücken-Set für Raster 2,5 und 2,54 mm
Conrad: 74 29 02-55
2 Stiftleiste RM 2,54, gerade, vergoldet
Polzahl 3
Conrad: 74 39 92-55
6 Lötstifte 1,3 mm
Conrad: 52 61 91-55
6 Steckschuhe 1,3 mm
Conrad: 52 62 90-55
4 Distanzrollen5/3
Conrad: 52 63 55-55
Klinkbuchse 3,5 mm ohne Schaltkontakt, Stereoausführung
Conrad: 73 28 93-55
Orhörer S-83 K
Conrad: 38 75 76-55
Schaltdraht gelb 3 m (Erdungsdraht)
Conrad: 60 60 90-55
2 Schaltdrähte gelb 10 cm (Zuleitungen zum Pyritkristall)
Conrad: 60 60 90-55
Schaltdraht rot 15 m (Antennendraht)
Conrad: 60 60 65-55
4 Holzschrauben, 2 mm Æ, Länge: 20 mm
Sperrholzplatte: 70 × 140 × 12 mm
Seite 531 von 560

10 2 Konzeption eines Detektorradiobausatzes
U-Profilholz: 45 mm breit, 20 mm hoch, Vertiefungsdurchmesser 37 mm
2 Reißzwecken
Knopf mit Spannzangenbefestigung (schwarz), Serie 15, Æ 15 mm, Achs-Æ 6 mm,
Höhe 14 mm
(Conrad: 18 35 15-55)
Abdeckkappen (rot), Serie 11,5
Conrad: 71 88 66-55
Internet-Adressen:
Fu shan Electronic Factory Nantong, VR China http://ntfs.ebigchina.com/
Exporteur: http://jcmelectronics.com/
Conrad Elektronik http://www.conrad.com/
2.2.3 Ergebnisse
Wir verfassten eine Bauanleitung mit der es Schülern möglich war dieses Radio zu
bauen.
Abbildung 3: Belichtete Platine im Entwicklerbad.
Seite 532 von 560

2 Konzeption eines Detektorradiobausatzes 11
Abbildung 4: Belichtete und entwickelte Platine im Ätzbad.
Abbildung 5: Fertig geätzte Platine.
Seite 533 von 560

12 2 Konzeption eines Detektorradiobausatzes
Abbildung 6: Fertig gewickelte Spulen in großer Zahl
Abbildung 7: Fertig gebautes Radio.
Das Detektorradio bewies mehrfach seine Zuverlässigkeit. Aus 40 hergestellten
Bausätzen funktionierten alle ohne Probleme.
Alle weiteren Details sind dem Anhang zu entnehmen.
Seite 534 von 560

2 Konzeption eines Detektorradiobausatzes 13
2.2.4 Didaktischer Rahmen
Das von uns entwickelte Detektorradio kann in der Lehre mit folgenden Punkten in
Verbindung gebracht werden:
- elektromagnetische Wellen
- elektromagnetische Schwingkreise, Resonanz, Antennen
- Informationstransfer mit elektromagnetischen Wellen (Amplitudenmodulation,
Frequenzmodulation, frequency hopping, Drahtlosnetzwerke, Mobilfunknetze)
- Halbleitermaterialien (Gleichrichter)
- Lautsprecher
- elektrische Schaltungen (Bauteile, Spannung und Strom, elektrische Energie und
Leistung)
- Redoxchemie (Ätzen der Platinen)
- Belichtungsprozesse in der Elektronik (Platinen und Mikrochips)
Seite 535 von 560

14 3 Zusammenfassung
3 Zusammenfassung
Wir konzeptionierten einen Bausatz für ein sehr variables Detektorradio für den
Schulgebrauch. Alle gebauten Exemplare funktionierten zuverlässig und reproduzierbar.
Seite 536 von 560

4 Literaturverzeichnis 15
4 Literaturverzeichnis
[1] Sokrates: gemeinschaftliches Aktionsprogramm im Bereich der allgemeinen
Bildung (2000-2006) der Europäischen Union; Comenius: Europäische
Zusammenarbeit auf dem Gebiet der Schulbildung.
[2] http://copal.ms-dev.de/
[3] http://www.louis-armand.uha.fr/
[4] http://www.berzsenyi.hu/
[5] http://www.gks.fr.bw.schule.de/
Seite 537 von 560

16 5 Anhang
5 Anhang
An dieser Stelle ist eine Kurzanleitung zu unserem Detektorradiobausatz abgedruckt.
Seite 538 von 560

Bauanleitung für ein
Detektorradio
im Rahmen des
Sokrates-Comenius Projekts
Synthese von Opalen
an der Georg-Kerschensteiner-Schule, Müllheim
"Sollen sich auch alle schämen, die gedankenlos sich der Wunder
der Wissenschaft und Technik bedienen und nicht mehr davon
geistig erfaßt haben als die Kuh von der Botanik der Pflanzen, die
sie mit Wohlbehagen frißt."
Ausschnitt aus Albert Einsteins Rede anläßlich der Eröffnung der
7. Deutschen Funkausstellung und Phonoschau in Berlin, am 22. August 1930
Otto Schäfer
Georg-Kerschensteiner-Schule, Müllheim
Stefan Müller
Institut für Organische-Chemie und Biochemie
der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg
Seite 539 von 560

W
C1
C1
GRND
D2
J2
S1
J1
D2
D1
R1
B1
S1
ANT
C1
GRND
D2
J2
S1
J1
D2
D1
R1
B1
S1
ANT
N
S
C1
GRND
D2
J2
S1
J1
D2
D1
R1
B1
S1
ANT
C1
GRND
GRND
D2
J2
S1
J1
D2
D1
Platine für acht Detektorradios
R1
B1
S1
ANT
C1
GRND
D2
J2
S1
J1
D2
D1
R1
B1
S1
ANT
Benutzungshinweise:
• Drucken Sie dieses Blatt auf eine Overheadfolie ( ACHTUNG: Blatt beim Ausdruck nicht skalieren! ).
• Je nach verwendetem Drucker (Laserdrucker empfohlen) sollte das Platinenlayout mit einem wasserfestem, schwarzem Permanentmarker
nachgezeichnet werden.
• Legen Sie eine fotobeschichtete Platine (100�160�1mm) auf die Vorderseite der Folie auf das obige Platinenlayout.
• Belichten Sie die Platine unter festem Anpressen von der Unterseite mit einer starken Lichtquelle (ca. 3 5 min).
• Lösen sie den belichteten Fotolack mit einer wässrigen Lösung von NaOH (7g/l) bei Raumtemperatur (ca. 5 10 min) ab.
• Das nun freigelegte Kupfer wird bei 60°C mit einer wässrigen Lösung von (NH 4) 2S2O 8(Konzentration
je nach Bedarf) abgelöst (15 30 min).
• Der verbliebene Fotolack auf den Leiterbahnen wird mit Aceton entfernt und die acht Einzelplatinen (40�50 mm) ausgesägt.
• Die entsprechenden Löcher werden gebohrt (siehe untenstehende Abbildung) und die vorgesehenen Bauteile festgelötet.
• Die Platine wird mittels Distanzrollen und Schrauben auf einer Holzplatte (70 × 140 × 12 mm) und die Spule mit zwei Reißzwecken auf
einem aufgeleimten U Profilholz befestigt.
• Der Antennendraht (ca. 15 m) und der Erdungsdraht (ca. 3 m) werden mittels Steckschuhen an den vorgesehenen Lötstiften angeschlossen.
Der Drehknopf wird am Kondensator befestigt, um mit ihm die Resonanzfrequenz des Schwingkreises variieren zu können.
• Der Antennendraht wird freihängend befestigt (z. B. aus dem Fenster hängen) und der Erdungsdraht mit einem geerdeten Objekt leitend
verbunden. Radiosender können mit einem Orhörer oder mit einer Aktivbox (Anschluss mit 3.5 mm Klinkenbuchse) gehört werden.
• Durch Umstecken der Adressierungsbrücke auf J1 kann der Kapazitätsbereich des Kondensators verändert werden, und damit auch den Bereich
der Resonanzfrequenz. Durch entsprechendes Umstecken an J2 kann zwischen dem Betrieb mit einer Diode oder einem Pyritkristallfragments als
Gleichrichterelement umgeschaltet werden. Dabei werden zwei Drähte an den Pyritkristall gehalten, der eine halbleitende Verbindung ermöglicht.
Erläuterungen:
Platine: 35 µm einseitige Kupferauflage, Epoxidharz, 100×160×1 mm (Conrad: 53 62 02 55)
GRND: Erdung (Lötstift 1,3 mm �� Conrad: 52 61 91 55; Erdungskabel mit einem Steckschuh Conrad: 52 62 90 55 befestigen)
ANT: Antenne (Lötstift 1,3 mm �� Conrad: 52 61 91 55; Antennenkabel mit einem Steckschuh Conrad: 52 62 90 55 befestigen)
D1: Diode AA132 (Germanium, Conrad: 15 00 61 55; kann in beide Richtungen eingebaut werden)
D2: Leitung zu Pyritkristall (Lötstift 1,3 mm �� Conrad: 52 61 91 55)
R1: 0,6 W Metallschicht Widerstand 1% 220 k� (Conrad: 41 85 36 55)
C1: Drehkondensator CBM 223P maximal 20pF (Fu shan Electronic Factory Nantong, VR China)
J1/J2: Stiftleiste RM 2,54, gerade, vergoldet (3 polig, für Raster 2.5 und 2.54 mm, Conrad: 74 29 02 55)
J1: Veränderung der Kapazität durch Umstecken einer Adressierungsbrücke (Conrad: 74 29 02 55)
J2: Umschalten zwischen Betrieb mittels Diode oder Pyritkristallfragment als Gleichrichter durch Umstecken einer
Adressierungsbrücke (Conrad: 74 29 02 55)
S1: Anschluss für Spule mit 76 Windungen, 43 mm lang, 33 mm �, 0.5 mm � Kupferdrat (Lötstift 1,3 mm ��
Conrad: 52 61 91 55) mit Steckschuhen (1,3 mm �, Conrad: 52 62 90 55)
B1: Klinkenbuchse 3.5 mm (Conrad: 73 28 93 55), zum Anschluss eines Orhörers (S 83 K, Conrad: 38 75 76 55) oder einer
Aktivbox.
Internet-Adressen:
http://www.conrad.com/
Fu shan Electronic Factory Nantong, VR China http://ntfs.ebigchina.com/ Exporteur: http://jcmelectronics.com/
© copyright 2005 by Otto Schäfer und Stefan Müller, Georg-Kerschensteiner Schule, Müllheim/Baden
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C1
GRND
D2
J2
S1
J1
D2
D1
R1
B1
S1
ANT
C1
GRND
D2
D2
J2
J2
S1
S1
C1
J1
J1
D2
D2
D1
GRND
D1
D2
R1
R1
J2
B1
S1
S1
ANT
B1
Bohrplan:
2 mm Ø
1.5 mm Ø
ANT
S1
J1
D2
O
D1
1 mm Ø
R1
B1
S1
ANT

Materialliste
Fotobeschichtete Platine (positiv):
35 µm einseitige Kupferauflage, Epoxidharz,
100x160x1 mm Conrad: 53 62 02-55
Spule 76 Windungen, Länge: 43 mm, � 33 mm, Kupferdraht lackiert � 0.5 mm
berechnete Induktivität: 155.28 µH
Drehkondensator CBM-223P, maximal 20pF
http://ntfs.ebigchina.com/
Exporteur: http://jcmelectronics.com/ Hersteller: Fu shan Electronic Factory Nantong, VR China
Diode AA132
Conrad: 15 00 61-55
Fragment eines handelsüblichen Pyritkristalls
0,6 Watt Metallschicht-Widerstand 1% 220 k�
Conrad: 41 85 36-55
2 Codier- und Adressierungsbrücken-Set für Raster 2,5 und 2,54 mm
Conrad: 74 29 02-55
2 Stiftleiste RM 2,54, gerade, vergoldet
Polzahl 3
Conrad: 74 39 92-55
6 Lötstifte 1,3 mm
Conrad: 52 61 91-55
6 Steckschuhe 1,3 mm
Conrad: 52 62 90-55
4 Distanzrollen5/3
Conrad: 52 63 55-55
Klinkbuchse 3,5 mm ohne Schaltkontakt, Stereoausführung
Conrad: 73 28 93-55
Orhörer S-83 K
Conrad: 38 75 76-55
Schaltdraht gelb 3 m (Erdungsdraht)
Conrad: 60 60 90-55
2 Schaltdrähte gelb 10 cm (Zuleitungen zum Pyritkristall)
Conrad: 60 60 90-55
Schaltdraht rot 15 m (Antennendraht)
Conrad: 60 60 65-55
4 Holzschrauben, 2 mm �, Länge: 20 mm
Sperrholzplatte: 70 × 140 × 12 mm
U-Profilholz: 45 mm breit, 20 mm hoch, Vertiefungsdurchmesser 37 mm
2 Reißzwecken
Knopf mit Spannzangenbefestigung (schwarz), Serie 15, � 15 mm, Achs-� 6 mm, Höhe 14 mm
(Conrad: 18 35 15-55)
Abdeckkappen (rot), Serie 11,5
Conrad: 71 88 66-55
Internet-Adressen:
Fu shan Electronic Factory Nantong, VR China http://ntfs.ebigchina.com/ Exporteur: http://jcmelectronics.com/
Conrad Elektronik http://www.conrad.com/
Seite 541 von 560

Abbildung des Aufbaus
1: Spule
2: Drehkondensator
3: Erdungsanschluß
4: Zuleitungen zum Pyritkristall
5: Codierbrücke zum Ändern der Kapazität
6: Germaniumdiode
7: Codierbrücke zum Umschalten zwischen Diode oder Pyritkristall als Gleichrichter
8: Fragment eines Pyritkristalls
9: Wiederstand
10: Klinkenbuchse
11: U-Profilholz
12: Platine wurde mit Hilfe von vier Distanzrollen und vier Schrauben auf der Grundplatte befestigt
13: Antennenanschluß
Schaltplan
20 pF
11
155 mH
1
12
AA132
220 kW
5
13
6
2
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9
3
7
10
8
4

Entwicklung von Bausätzen für die
technikbezogene Didaktik
Apparatur zur Demonstration des
Piezoeffekts
Stefan Müller Ж (Ed.), Otto Schäfer Ш
Ж : Albert-Ludwigs Universität, Freiburg; Ш : Georg-Kerschensteiner Schule, Müllheim
Projektbericht
im Rahmen des Sokrates-Comenius-Projekts
Synthese von Opalen
an der
Georg-Kerschensteiner Schule, Müllheim/Baden
2005-2007
Müllheim im August 2007
Seite 543 von 560

2 Vorwort
Vorwort
Im Jahr 2005 startete an der Georg-Kerschensteiner Schule in Müllheim ein auf zwei
Jahre angelegtes Sokrates-Comenius-Projekt 1 . Das Hauptziel besagten Projektes bestand
in der Realisierung einer synthetischen Herstellung von Opalen mit all den damit
verbundenen Forschungen. 2 An diesem waren drei Schulen aus drei europäischen
Ländern mit insgesamt 54 Schülern beteiligt, namentlich das Lycée d'enseignement
général et technologique Louis Armand3 , Mulhouse/Frankreich, das Berzsenyi Dániel
Gimnázium4 , Budapest/Ungarn und die Georg-Kerschensteiner Schule5 ,
Müllheim/Deutschland.
Ein wesentlicher Bestandteil dieses Projekts war die Erarbeitung neuer didaktischer
Materialien. Da die Arbeiten an der Georg-Kerschensteiner Schule stets stark von der
Kristallchemie geprägt waren, war es nahe liegend auf diesem Gebiet diese Materialien
zu erstellen.
1 Sokrates: gemeinschaftliches Aktionsprogramm im Bereich der allgemeinen Bildung (2000-2006) der
Europäischen Union; Comenius: Europäische Zusammenarbeit auf dem Gebiet der Schulbildung.
2 http://copal ms-dev.de/
3 http://www.louis-armand.uha.fr/
4 http://www.berzsenyi hu/
5 http://www.gks.fr.bw.schule.de/
Seite 544 von 560

Kurzfassung 3
Kurzfassung
Der Piezoeffekt ist ein wichtiger physikalischer Effekt in der Kristallographie mit
zahlreichen technischen Anwendungen. Wir haben eine einfache und leicht zu bauende
Apparatur zur Demosntration dieses Effekts konzipiert.
Schlagwörter: Piezoeffekt, Demonstrationsapparatur
Seite 545 von 560

4 Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis
Vorwort............................................................................................................................ 2
Kurzfassung.....................................................................................................................3
Inhaltsverzeichnis ........................................................................................................... 4
Abbildungsverzeichnis.................................................................................................... 5
1 Aufgabenstellung ................................................................................................. 6
2 Konzeption einer einfachen Apparatur zur Demonstration des
Piezoeffekts........................................................................................................... 7
2.1 Der Piezoeffekt...................................................................................................... 7
2.2 Anforderungen an den Aufbau der Apparatur....................................................... 7
2.3 Der Bausatz ........................................................................................................... 8
2.3.1 Der Piezokristall .................................................................................................... 8
2.3.2 Das „Fallbeil“ ........................................................................................................ 9
3 Zusammenfassung ............................................................................................. 11
4 Literaturverzeichnis.......................................................................................... 12
5 Anhang................................................................................................................ 13
Seite 546 von 560

Abbildungsverzeichnis 5
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1: Erklärung des Piezoeffekts; Wird ein piezoelektrischer Kristall
deformiert werden die Ladungsschwerpunkte der positiven und der
negativen Ladung getrennt, und eine Spannung ist an der Oberfläche des
Kristalls messbar................................................................................................... 7
Abbildung 2: Kontaktierung eines Seignettesalzkristalls mit Aluminiumfolie. Hier
ist nur eine Seite gezeigt, die Kontaktierung muß auch auf der
gegenüberliegenden Seite des Kristalls durchgeführt werden. ............................. 9
Abbildung 3: Unser „Fallbeil“ mit dem eingebauten Kristall. Zum Schutz des
Kristalles wurden Gummistücke und Hartplastikstücke verwendet. .................. 10
Seite 547 von 560

6 1 Aufgabenstellung
1 Aufgabenstellung
Wir hatten die Absicht umfangreiches didaktisches Material zu erstellen. Neben
Material zur Symmetrielehre wollten wir auch Material mit Technikbezug erarbeiten.
Im Rahmen des ersten Projettreffens im Oktober 2005 in Müllheim wollten wir zwei
Bausätze vorstellen. Der eine sollte ein Bausatz für ein Detektorradio mit
Pyritgleichrichter und der andere eine einfache Apparatur zur Demonstration des
Piezoeffekts sein.
Seite 548 von 560

2 Konzeption einer einfachen Apparatur zur Demonstration des Piezoeffekts 7
2 Konzeption einer einfachen Apparatur zur
Demonstration des Piezoeffekts
2.1 Der Piezoeffekt
Deformiert man einen piezoelektrischen Kristall, so wird an der Kristalloberfläche eine
Spannung messbar. (Abb. 1)
Ladungsschwerpunkte
an derse ben Positionen
Kraft
Kraft
Ladungsschwerpunkte
an unterschiedlichen Positionen
Abbildung 1: Erklärung des Piezoeffekts; Wird ein piezoelektrischer Kristall deformiert werden
die Ladungsschwerpunkte der positiven und der negativen Ladung getrennt, und eine
Spannung ist an der Oberfläche des Kristalls messbar.
Der Piezoeffekt hat zahlreiche technische Anwendungen z. B. in der Sensortechnik,
Hochfrequenzschallgeneratoren,
Dämpfungstechnik.
Mikroaktoren, Schwingungselementen, aktiven
2.2 Anforderungen an den Aufbau der Apparatur
Wir stellten folgende Anforderung an einen Apparatur zur Demonstration des
Piezoeffekts:
- sie sollte einfach zu bauen sein
- die Baumaterialien sollten einfach herzustellen sein
Seite 549 von 560

8 2 Konzeption einer einfachen Apparatur zur Demonstration des Piezoeffekts
2.3 Der Bausatz
2.3.1 Der Piezokristall
Das Kernstück unserer Apparatur sollte ein piezoelektrischer Kristall sein, den man
selbst mit einfachen Mitteln züchten kann. Wir entschieden uns für Seignettesalz
(Kaliumnatriumtartrat Tetrahydrat), da dieses einfach erhältlich (es kann auch aus
Weinstein Synthetisiert werden, s. Projektbericht zu Seignettesalz), ungiftig ist und
einen großen piezoelektrischen Effekt zeigt.
Seignettesalzeinkristalle können einfach aus wässr. Lösungen nach dem
Übersättigungsverfahren gezüchtet werden. 6,7
Der erhaltene Kristall muss anschließend noch kontaktiert werden, um die entstehende
Spannung abzugreifen. Dazu wurde handelsübliche Aluminiumfolie verwendet (Abb.
2).
6 Vorschrift zur Züchtung von Seignettesalzeinkristallen nach dem Übersättigungsverfahren: 500 g
Seignettesalz (Kaliumnatriumtartrat Tetrahydrat) wurden in 375 ml demin. Wasser unter Erwärmen
gelöst. Man erhielt eine bei Raumtemp. übersättigte Lösung. Ein Teil dieser Lösung wurde in eine
Petrischale gegossen und mit einem Filterpapier abgedeckt. Binnen eines Tages wuchsen kleine
Impfkristalle, die entnommen und mit einem Papierhandtuch von der Lösung befreit wurden.
Schifferknoten
Abbildung entliehen aus: Alan Holden, Phylis Singer,
Die Welt der Kristalle, Verlag Kurt Desch München 1960 .
Die Impfkristalle wurden mit einem Schifferknoten an einem Nylonfaden befestigt und kurz in eine
leicht untersättigte Lösung von Seignettesalz gehängt. Am Kristall müssen Schlieren auftreten die
nach unten sinken, dann löst sich der Kristall etwas an. Der angelöste Kristall wurde in die
übersättigte Seignettesalzösung eingehängt und bei möglichst konstanter Temperatur gezüchtet.
Dieser Vorgang kann mehrmals wiederholt werden bis die gewünschte Kristallgröße (ca. 5 cm Höhe)
erreicht ist.
7
Alan Holden, Phylis Singer, Die Welt der Kristalle – Gestaltende Kräfte der Natur 1960, 107-108, Kurt
Desch Verlag München.
Seite 550 von 560

2 Konzeption einer einfachen Apparatur zur Demonstration des Piezoeffekts 9
Abbildung 2: Kontaktierung eines Seignettesalzkristalls mit Aluminiumfolie. Hier ist nur eine
Seite gezeigt, die Kontaktierung muß auch auf der gegenüberliegenden Seite des Kristalls
durchgeführt werden. 8
Zur Sichtbarmachung der Spannung haben wir eine handelsübliche Glimmlampe
verwendet. An die Kontaktdrähte der Glimmlampe wurde ein kleines Stück
Kupferblech angelötet. Die Beiden Kupferbleche wurden in Kontakt mit den beiden
Folien gebracht (einfach zwischen die Folie am Kristall und der heraus gebogenen
Lasche stecken). Zum Fixieren wurde der Kristall mit Parafilm ® umwickelt.
2.3.2 Das „Fallbeil“
Da der Piezoeffekt bei Seignettesalz nur auftritt, wenn die Deformation des Kristalls
schräg zur Raumdiagonalen erfolgt, muß die deformierende Kraft auch schräg wirken.
Wir erdachten uns eine Holzapparatur, die dies konnte (Abb. 3).
8 Alan Holden, Phylis Singer, Die Welt der Kristalle – Gestaltende Kräfte der Natur 1960, 221,
Kurt Desch Verlag München.
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10 2 Konzeption einer einfachen Apparatur zur Demonstration des Piezoeffekts
Abbildung 3: Unser „Fallbeil“ mit dem eingebauten Kristall. Zum Schutz des Kristalles wurden
Gummistücke und Hartplastikstücke verwendet.
Diese Apparatur funktionierte zuverlässig, und man konnte sehr gut das Glimmen der
Glimmlampe sehen, wenn man den oberen Teil der Apparatur hob und fallen ließ.
Details zur Apparatur können dem Anhang entnommen werden.
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3 Zusammenfassung 11
3 Zusammenfassung
Wir konzeptionierten einen Bausatz für eine sehr einfache Apparatur zur Demonstration
des Piezoeffekts. Diese Apparatur ließ sich mit einfachen Mitteln herstellen und leicht
bauen.
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12 4 Literaturverzeichnis
4 Literaturverzeichnis
[1] Sokrates: gemeinschaftliches Aktionsprogramm im Bereich der allgemeinen
Bildung (2000-2006) der Europäischen Union; Comenius: Europäische
Zusammenarbeit auf dem Gebiet der Schulbildung.
[2] http://copal.ms-dev.de/
[3] http://www.louis-armand.uha.fr/
[4] http://www.berzsenyi.hu/
[5] http://www.gks.fr.bw.schule.de/
[6] Vorschrift zur Züchtung von Seignettesalzeinkristallen nach dem
Übersättigungsverfahren: 500 g Seignettesalz (Kaliumnatriumtartrat
Tetrahydrat) wurden in 375 ml demin. Wasser unter Erwärmen gelöst. Man
erhielt eine bei Raumtemp. übersättigte Lösung. Ein Teil dieser Lösung wurde in
eine Petrischale gegossen und mit einem Filterpapier abgedeckt. Binnen eines
Tages wuchsen kleine Impfkristalle, die entnommen und mit einem
Papierhandtuch von der Lösung befreit wurden.
Schifferknoten
Abbildung entliehen aus: Alan Holden, Phylis Singer,
Die Welt der Kristalle, Verlag Kurt Desch München 1960 .
Die Impfkristalle wurden mit einem Schifferknoten an einem Nylonfaden
befestigt und kurz in eine leicht untersättigte Lösung von Seignettesalz gehängt.
Am Kristall müssen Schlieren auftreten die nach unten sinken, dann löst sich der
Kristall etwas an. Der angelöste Kristall wurde in die übersättigte
Seignettesalzösung eingehängt und bei möglichst konstanter Temperatur
gezüchtet. Dieser Vorgang kann mehrmals wiederholt werden bis die
gewünschte Kristallgröße (ca. 5 cm Höhe) erreicht ist.
[7] Alan Holden, Phylis Singer, Die Welt der Kristalle – Gestaltende Kräfte der
Natur 1960, 107-108, Kurt Desch Verlag München.
[8] Alan Holden, Phylis Singer, Die Welt der Kristalle – Gestaltende Kräfte der Natur
1960, 221, Kurt Desch Verlag München.
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5 Anhang 13
5 Anhang
An dieser Stelle ist eine Kurzanleitung zu unserer Demonstrationsapparatur abgeruckt.
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Bauanleitung für eine
Apparatur zur Demonstration
des Piezoeffekts
im Rahmen des
Sokrates-Comenius Projekts
Synthese von Opalen
an der Georg-Kerschensteiner-Schule, Müllheim
Otto Schäfer
Georg-Kerschensteiner-Schule, Müllheim
Stefan Müller
Institut für Organische-Chemie und Biochemie
der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg
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Züchtung von Seignettesalzeinkristallen
Züchtung der Impfkristalle
Seignettesalz (Kaliumnatriumtartrat) wurde bei Raumtemperatur
in Wasser bis zur Sättigung gelöst. Diese Lösung wurde bei
Raumtemp. in einer Petrischale Eindunsten gelassen.
Die entstandenen Kristalle wurden entnommen und mit einem
®
Schifferknoten an einem dünnen Perlon -Faden ( � 0,2 mm)
befestigt.
Züchtung der Kristalle
Präparation eines Seignettesalzkristalls
Abbildung entliehen aus: Alan Holden, Phylis Singer,
Die Welt der Kristalle, Verlag Kurt Desch München 1960.
Schifferknoten
Abbildung entliehen aus: Alan Holden, Phylis Singer,
Die Welt der Kristalle, Verlag Kurt Desch München 1960.
Voraussetzung: Raum mit möglichst konstanter Temperatur (maximal 1°/24h Temperaturschwankung).
Es wurde eine bei Raumtemperatur gesättigte wässrige Lösung von Seignettesalz hergestellt
(bei 22°C 52,5 Massen.-%). Dieser Vorgang kann mehrere Tage dauern.
In dieser Lösung wurden 2 Gew.-% Seignettesalz in der Wärme (ca. 30°C, nicht über 35°C) bis zum völligem
Verschwinden der Kristalle gelöst.
In diese, nun übersättigte Lösung wurde ein Impfkristall gehängt und das Gefäß gut verschlossen.Der Impfkristall muß
zu diesem Zweck zuvor entkeimt werden, dazu wird er in eine halbgesättigte Seignettesalzlösung getaucht.
Innerhalb der nächsten Tage wächst der Impfkristall. Ist keine Größenzunahme mehr erkennbar, kann obiger
Vorgang wiederholt werden, bis die gewünschte Größe erreicht ist.
Die Elektroden bestehen aus handelsüblicher Aluminiumfolie
die, wie in nebenstehender Abbildung gezeigt, an der den beiden
wenig gewölbten, gegenüberliegenden Seiten des
Seignettesalzkristalls angelegt werden.
In die gefalteten Laschen der Elektroden wird jeweils ein Kontakt einer
Glimmlampe (ca. 65 V Zündspannung) gelegt. Die Kontakte der
Glimmlampe wurden für diesen Zweck durch Anlöten von jeweils
einem Kupferblech (20×3×0,25 mm; Vergoldung empfohlen)
verlängert.
Zum Befestigen der Elektroden wird um den Kristall entlang der
®
Seitenflächen Parafilm gewickelt. (Klebeband kann auch verwendet
werden, es weist aber eine geringe Leitfähigkeit auf und vermindert
den Effekt.)
An den beiden flachen Stirnflächen des Kristalls werden mit
Doppelklebeband zuerst ein zugeschnittenes Stück Gummi
(ca. 1 mm dick) und ein ebenfalls zugeschnittenes Stück Kunststoff
(ca. 7 mm dick) aufgeklebt.
© copyright 2005 by Otto Schäfer und Stefan Müller, Georg-Kerschensteiner Schule, Müllheim/Baden
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Plan der Apparatur
5 15
60
17 20
Ober- und Unterteil
Material: Buchenholz Maßstab: 1:1 Maße in mm
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29 40 46 5
Bemerkung:
Das Oberteil läuft mit seiner Schienenführung auf
einem Kantholz (280×14×5,5 mm, Buche),
daß in der Schienenführung des Unterteils verleimt ist.

Materialliste
Seignettesalzkristall (30 × 30 × 20 mm)
Glimmlampe (Zündspannung ca. 65 V, Conrad: 72 52 00-55)
Kupferblech (20 × 3 × 0,25 mm; vergoldetes Kupferblech empfohlen)
Alufolie
Plastikklötzchen, z. B. PVC, 7 mm Dicke
Gummi 1 mm Dicke
Doppeklebeband
® TM
Parafilm "M" Laboratory Film, American National Can , Chicago IL.
(alternativ: Klebeband)
Kantholz 280 × 14 × 5,5 mm
Holzblock 80 × 75 × 40 mm (Bearbeitung siehe Vorne)
Internet-Adressen:
Conrad Elektronik http://www.conrad.com/
Abbildung des Aufbaus
1
3
4
2
5
1: Führungsstab
2: Oberteil (läuft in Führungsschiene)
3: Unterteil
4: präparierter Seignettesalzkristall
5: Glimmlampe
Die Glimmlampe leuchtet kurz wenn man das
Oberteil auf den präparierten Kristall fallen läßt.
Unter Umständen ist es nötig die externe
Beleuchtung zu verringern.
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Chemie der Werkstoffe/Struktur und Eigenschaften/Piezoeffekt
Apparatur zur Demonstration
des Piezoeffekts
anlässlich des Besuchs der Delegationen des
Lycée d'enseignement général et technologique
Louis Armand Mulhouse und des
Berzsenyi Dániel Gimnázium Budapest
am 17. bis 21.10.2005
an der Georg-Kerschensteiner-Schule Müllheim
© 2005 by Otto Schäfer und Stefan Müller
Bauanleitung
Abbildung entliehen aus: Alan Holden, Phylis Singer,
Die Welt der Kristalle, Verlag Kurt Desch München 1960.
1: Führungsstab
2: Oberteil (läuft in Führungsschiene)
3: Unterteil
4: präparierter Seignettesalzkristall
5: Glimmlampe
Otto Schäfer
Georg-Kerschensteiner-Schule Müllheim
Stefan Müller
Institut für Organische-Chemie und Biochemie
der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg
Die Elektroden bestehen aus handelsüblicher Aluminiumfolie
die, wie in nebenstehender Abbildung gezeigt, an der den beiden wenig gewölbten,
gegenüberliegenden Seiten des Seignettesalzkristalls angelegt werden.
In die gefalteten Laschen der Elektroden wird jeweils ein Kontakt einer Glimmlampe (ca. 65 V
Zündspannung) gelegt. Die Kontakte der Glimmlampe wurden für diesen Zweck durch
Anlöten von jeweils einem Kupferblech (20×3×0,25 mm; Vergoldung empfohlen) verlängert.
®
Zum Befestigen der Elektroden wird um den Kristall entlang der Seitenflächen Parafilm
gewickelt. (Klebeband kann auch verwendet werden, es weist aber eine geringe Leitfähigkeit
auf und vermindert den Effekt.)
An den beiden flachen Stirnflächen des Kristalls werden mit Doppelklebeband zuerst ein
zugeschnittenes Stück Gummi
(ca. 1 mm dick) und ein ebenfalls zugeschnittenes Stück Kunststoff (ca. 7 mm dick)
aufgeklebt.
Die Glimmlampe leuchtet kurz wenn man das Oberteil
auf den präparierten
Kristall fallen läßt.
Unter Umständen ist es nötig die externe Beleuchtung
zu verringern.
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