Erzeugung von Dislokationen bei der Bildung von Liesegang-Ringen

OTTO-VON-GUERICKE-UNIVERSITÄT MAGDEBURG
FAKULTÄT FÜR NATURWISSENSCHAFTEN, Abteilung Biophysik

Erzeugung von Dislokationen bei der Bildung von Liesegang-Ringen

von: Torsten Rahne

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung 7

2 Reaktion und Musterbildung 8

2.1 Reaktion 8
2.2 Musterbildung  8

3 Modelle 10

3.1 Vor-Keimbildungsmodelle 10

3.1.1 Modell von Ostwald  10
3.1.2 Modell von Prager 10
3.1.3 Modell von Keller und Rubinov 10

3.2 Nach-Keimbildungsmodelle 11
3.3 Weitere Modelle 11

3.3.1 Modell von Chernavsky und Polezhaev 11
3.3.2 Erweitertes competive particle growth (CPG) - Modell 12

4 Experimentelle Ausgangssituation 14

5 Experimenteller Aufbau 16

5.1 Gelpräparation 16
5.2 Fällungs-Reaktionen 17

5.2.1 Silberdichromat-System 17
5.2.2 Bleiiodid-System 17

5.3 Apparativer Aufbau 18

6 Vorversuche 20

6.1 Verlauf der Fällungs-Reaktion 20
6.2 Einfluss der Gelschichtdicke und Gelatinekonzentration 22
6.3 Form der Gelkante  24
6.4 Erste Untersuchungen zum Einfluss der AgNO3-Konzentration und deren Zugabemenge auf die Reaktion im AgCr2O7-System 24
6.5 Erzeugung von homogenen Mustern 25

7 Erzeugung von Dislokationen 27

7.1 „Interferenzmuster“ zweier Reaktions-Diffusions-Fronten 27

7.1.1 Erzeugung zweier Diffusionsfronten an einer Gelspitze (Zwickel) 27
7.1.2 Erzeugung der Fronten an einer geraden Gel-Kante 29

7.2 Dislokationen an einer Stufe 30
7.3 Dislokationen durch Phasenverschiebung 32
7.4 Einfluss der AgNO3-Konzentration  33
7.5 Einfluss der Gelschichtdicke auf die Entstehung von Zick-Zack-Mustern 33
7.6 Untersuchung des Bleinitrat-Kaliumiodid-Systems 35

8 Diskussion 39

9 Ausblick 41

10 Zusammenfassung 41

A Anhang 42

A.1 Aufnahmeparameter 42
A.2 Nachweis des Abstandsgesetzes 44
A.3 Einfluss der AgNO3-Konzentration auf die Reaktion 45
A.4 Untersuchung des Kaliumchromat-Systems 49
A.5 Nachweis des 3d-Effektes 49
A.6 Kontrollierte Erzeugung von Dislokationen 50
A.7 Versuchsaufbau  51

Literatur


 

1 Einleitung

Bei der chemischen Reaktion von verschiedenen gelösten Salzen in einem Elektrolyten kommt es zu Ausfällungen. Dabei reagieren die gut löslichen Salze zu unlöslichen. Diese fallen dann aus. Fixiert man einen der Reaktionspartner in einem Gel, so können globale Konzentrationsunterschiede nicht mehr durch Diffusion ausgeglichen werden. Lässt man nun den anderen Reaktionspartner in das Gel hineindiffundieren, setzt die Fällungsreaktion ein. Allerdings beobachtet man bei geeigneten Konzentrationen der Partner Fällungsmuster in Linienform. In den Bereichen zwischen den Linien ist in einer großen Zahl solcher Reaktionen die Konzentration der Fällungsprodukte so gering, dass man sie auch mit der verwendeten Optik nicht sehen kann. Vom Zugabeort des nicht fixierten Reaktionspartners breitet sich eine Diffusionsfront aus. Dadurch entstehen die Linien zeitlich versetzt. 1896 beschrieb R.E. Liesegang solche Reaktionen und die Muster, die dabei entstehen, erstmals.

Die entstehenden Muster hängen von der Geometrie des Systems ab. Man kann nun etwas vom Gel entfernen, so dass ein Loch entsteht. Gibt man dort die unfixierte Salzlösung hinein, so bilden sich Kreise um das Loch herum. An einer geraden Gelkante bilden sich parallele Linien. Auch Spiralen können entstehen. Diese Muster bezeichnet man als Liesegang-Muster. Man beobachtet des Weiteren Dislokationen bei der Musterentstehung. So können die Linien versetzt entstehen oder sich in Zick-Zack-Form verbinden. Solche Dislokationen gezielt zu erzeugen, ist Ziel der vorliegenden Arbeit.

Auch wird untersucht, ob die Gelschichtdicke einen Einfluss auf die Musterentstehung und das Auftreten von Dislokationen hat. So kann man feststellen, inwiefern Dislokationen eine Folge der räumlichen Ausdehnung des Geles sind.

Abbildung 1: Typische Muster, wie sie bei der Fällungsreaktion im [Formel in der Downloaddatei vorhanden] - System auftreten [6]. [Abbildung in der Downloaddatei vorhanden]

2 Reaktion und Musterbildung

2.1 Reaktion

R.E. Liesegang (1869-1947) forschte auf dem Gebiet der Kolloidchemie, als er 1896 bei einer chemischen Reaktion Fällungsmuster entdeckte [7]. Er betrachtete die folgende Reaktion:

[Formel in der Downloaddatei vorhanden](1)

Hierbei ist das Kaliumdichromat in einem Gel fixiert. Das Lösungsmittel ist Wasser. Die Silbernitrat-Lösung wird am Rand des Gels vorgelegt, damit es in das Gel hineindiffundieren kann. Das Silberdichromat ist das schwer lösliche Salz, das als Produkt der Fällungsreaktion entsteht. Es ist zunächst rot und färbt sich unter Lichteinwirkung schwarz. Das Gel sollte als Reaktionspartner nicht beteiligt sein, damit nur die reine Reaktion (1) statt- findet. Es gibt weitere Reaktionen, bei denen Liesegang-Muster auftreten. In dieser Arbeit wird außer dem System (1) das Bleiiodid-System (2) untersucht:

[Formel in der Downloaddatei vorhanden](2)

Hierbei hat ist das Pb(NO3)2 eine geringere Konzentration als das KI. Es wird im Gel fixiert. Das entstehende PbI2 ist schwer löslich inWasser und fällt als gelbes Salz aus bildet Liesegang- Muster.

2.2 Musterbildung

In den untersuchten Systemen handelt es sich um Reaktions-Diffusions-Systeme. Das heißt, es findet zur selben Zeit Diffusion und Reaktion von mehreren Komponenten statt. Die treibende Kraft der Diffusion ist Folge eines Konzentrationsgradienten. Die Teilchenstromdichte ~| hängt vom Konzentrationsgradienten rc nach dem Fick’schen Gesetz ab:

[Formel in der Downloaddatei vorhanden](3)

Außerdem gilt die Kontinuitätsgleichung:

[Formel in der Downloaddatei vorhanden](4)

Durch Einsetzen von (3) in (4) erhält man die Diffusionsgleichung:

[Formel in der Downloaddatei vorhanden](5)

Hierbei ist D die Diffusionskonstante. Findet, wie im untersuchten System auch noch Reaktion statt, nimmt die Stoffkonzentration a durch Reaktion mit einem Reaktionspartner der Konzentration b noch schneller ab:

[Formel in der Downloaddatei vorhanden](6)

k ist die Reaktionskonstante. In Liesegang-Systemen haben die Reaktionspartner haben stark unterschiedliche Konzentrationen. In dem hauptsächlich untersuchten System hat Kaliumdichromat eine deutlich geringere Konzentration als das Silbernitrat. Hinzu kommt, dass Kaliumdichromat im Gel fixiert ist. Seine Diffusionskonstante ist zwar lokal (in einer Zelle des Gels) von Null verschieden, kann aber global als verschwindend angenommen werden. Silbernitrat-Lösung diffundiert nun in das Gel und trifft auf das fixierte Kaliumdichromat. Mit diesem reagiert es und Silberdichromat entsteht als Fällungsprodukt. In gleichen Abständen vom Zugabeort des Silbernitrats beobachtet man das Auftreten von Fällungsmustern zur selben Zeit. Man findet verschiedene Muster. Sind die Reaktionspartner zu Beginn der Reaktion durch eine gerade Kante getrennt, treten gerade Linien auf. Ist die Trennfläche gekrümmt, treten gekrümmte Linien auf. Man kann aber auch Spiralen und Versetzungen sowie Zick-Zack-Muster finden [6, 2]. Ein Beispiel für eine Spirale ist in Abb. 2 dargestellt. Diese Arbeit beschäftigt sich hauptsächlich mit den geraden Linien und deren Versetzungen.

Abbildung 2: Spiral-Struktur in einem Liesegang-System aus Silberchromat [6]. [Abbildung in der Downloaddatei vorhanden]

3 Modelle

3.1 Vor-Keimbildungsmodelle

3.1.1 Modell von Ostwald [1]

Die Vor-Keimbildungs-Modelle gehen davon aus, dass ein Keim des schwer löslichen Fällungsproduktes in einem metastabilen Zustand ist, bis die Stabilitätsgrenze erreicht ist. Diese Grenze bezieht sich auf die Größe des Keimes, der ab einer gewissen Größe stabil wird. Im Silberdichromatsystem wird der stabile Keim (AgCr2O7) weiter wachsen und somit Silberdichromat aus seiner Umgebung abziehen. Dadurch wird die Abtrennung der Ringe verursacht. Der Übergang zum stabilen Keim geschieht im selben Abstand von der AgNO3-Zugabestelle zur selben Zeit.

3.1.2 Modell von Prager [2]

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