Magische Kristalle Prof. Dr. R. Glaum

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1 Magische Kristalle Prof. Dr. R. Glaum Institut für Anorganische Chemie Universität Bonn

2 Dank Herr Michael Kortmann Herr Andreas Valder

3 Deutsche Kaiserkrone Britische Königskrone

4 Kristall: Ja oder Nein? Ja! Ja! Salz (NaCl) BaTi(Si3O9) Nein! Nein! Wasser (H2O) Glas Nein! Ja! Ja! Holz Fluorit (CaF2) Eis (H2O)

5 Was kann man mit dem Auge erkennen? Kristalle sind regelmäßig (symmetrisch) aufgebaut. Kristalle besitzen regelmäßige Ecken, Kanten und Flächen. Flüssigkeiten sind niemals kristallin. Kristallflächen sind niemals gekrümmt.

6 Kristalle mit einer Superlupe betrachtet Steinsalz (Halit), NaCl, kubisch, a = 5,62 Å Cl Na fache Vergrößerung

7 Kristalle enthalten Atome, Ionen oder Moleküle in regelmäßiger, geordneter Anordnung. Kristalle sind 3-dimensional periodisch aufgebaut. Unregelmäßig aufgebaute Substanzen bezeichnet man als nichtkristallin, glasartig oder amorph.

8 Unterscheidung kristallin glasartig Glasartige (amorphe) Substanzen wie Glas, Holz, Muskeln oder Knochen ergeben ein: Schattenbild commons/b/ba/hand002.jpg

9 Unterscheidung kristallin glasartig Kristalline Substanzen ergeben ein: Beugungsbild Univ. of Texas, Austin; precession photograph of Palladium coordination complex

10 Kristalle ergeben beim Durchleuchten mit Röntgenstrahlung ein: Beugungsbild

11 Edelsteine (selten, teuer, schön ) Rubin Saphir Smaragd Al 2 O 3 : Cr 3+ Al 2 O 3 : Fe 2+, Ti 4+ Be 3 Al 2 (Si 6 O 18 ): Cr 3+ Photos:

12 Doppelbrechung bei Calcit CaCO 3 Licht unterschiedlicher Polarisationsrichtung wird im Kristall verschiedenen stark abgelenkt. Photos:

13 Calcit CaCO 3

14 Thénards Blau (Farbpigmente) Co II Al III 2 O 4 Färben von Keramik und Porzellan (bei 1200 C) Chromophor: [Co II O 4 ]

15 Magnetit Fe II Fe III 2 O 4 Fe II Fe III ferrimagnetisch Beziehung zwischen Kristallstruktur und physikalischen Eigenschaften elektrischer Leiter

16 Fluoreszenz Kristalle leuchten unter UV-Licht in bunten Farben Fälschungssicheres Markieren von Geldscheinen

17

18 Diamant Rohdiamant (ungeschliffen) (chemisch: Kohlenstoff C) Härtester Stoff der Welt! Verwendung zum Bohren und Schneiden Photos:

19 Diamant (chemisch Kohlenstoff)

20 Ein Handy: Viele verschiedene magische Kristalle Elektronische Bauteile: Silicium (Si) Barium-titanat (BaTiO 3 ) Kupfer (Cu), Silber (Ag) Lautsprecher und Mikrophon: α-quarz (SiO 2 ) Batterie/Akku: Graphit (C), Lithium-cobalt-oxid (LiCoO 2 ), Lithium-eisen(II)-phosphat (LiFePO 4 ) Gehäuse: Eisen (Fe) oder Aluminium (Al)

21 Supraleitung bei YBa 2 Cu 3 O 7+δ

22 Supraleitung bei YBa 2 Cu 3 O 7+δ Die elektrische Leitfähigkeit von YBa 2 Cu 3 O 7+δ wird unterhalb von 180 C unendlich groß. Transport von elektrischem Strom ohne Widerstand. YBaCu kommt nicht in der Natur vor. Vollsynthetisch! Nobelpreis 1987! (Bednorz & Müller)

23 Kristalle herstellen ( Züchten ) CuSO 4 : weiß (farblos) CuSO 4 5H 2 O: blau Kristallisation aus wässeriger Lösung

24 Kupfer(II)-sulfat-pentahydrat CuSO 4 5H 2 O CuSO 4 5H 2 O kommt auch als Mineral (Chalkanthit) vor.

25 Kristallzüchtung bei hohen Temperaturen Hydrothermalsynthese in einem Bombenrohr Ziehen aus einer Schmelze (Czochralski)

26 Das Verneuil-Verfahren Pulverpartikel werden in einer Knallgasflamme aufgeschmolzen und kristallisieren auf einem Keimkristall; Rubin und Saphir werden nach dem Verneuil-Verfahren synthetisiert. W. J. Moore, Der feste Zustand, Vieweg, 1977.

27 Hochtemperatursynthese in der Mikrowelle FeO(f) + Fe 2 O 3 (f) = Fe 3 O 4 (f) MgO(f) + Al 2 O 3 (f) = MgAl 2 O 4 (f) CoO(f) + Al 2 O 3 (f) = CoAl 2 O 4 (f) Smp.(Al 2 O 3 ) = 2323 C Smp.(MgO) = 2832 C Problem: Lösung: Sehr hohe Schmelzpunkte (MgO, Al 2 O 3 ); thermische Zersetzung (Fe 3 O 4 ) a) Kurze Wege für eine Reaktion ( Mikrowelle) b) Reaktion über die Gasphase vermitteln

28 Experimente in der Mikrowelle GST: Graphit-Suszeptor-Tiegel zum induktiven Erhitzen

29 Zusammenfassung Kristalle sind regelmäßig (3-dimensional periodisch) aufgebaut. Kristalle, auch Pulver von Kristallen, erzeugen mit Röntgenstrahlung Beugungsbilder. Kristalle haben viele Eigenschaften, die technisch wichtig sind. Ohne besondere Kristalle gäbe es kein Handy. Kristalle sind schön. Kristalle sind magisch!

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