Reaktionen in Feststoffen
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Formale Metadaten
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| Anzahl der Teile | 99 | |
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| Identifikatoren | 10.5446/18758 (DOI) | |
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Chymiatrie89 / 99
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Computeranimation
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FilamentMagnesiumoxidChemieKohleMembranMetallPhysikalische ChemieSauerstoffWasserstoffTrennverfahrenFestkörperchemieSeltenerdmetallOxidationElektrochemische ReaktionInfrarotspektrometerOxidkeramikReaktionsmechanismusReaktivitätIoneneSinterChemiestudentElektron <Legierung>Nernst, WaltherAtomChemikerChemische ReaktionKatalyseReibungAlternVorlesung/KonferenzBesprechung/Interview
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MetallVererzungKorrosionOxidschichtZirkulationVorlesung/Konferenz
Transkript: Deutsch(automatisch erzeugt)
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Mein Name ist Manfred Martin. Ich bin Professor für Physikalische Chemie an der RWTH Aachen.
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Ich will kurz über ein Gebiet berichten, was meiner Meinung nach heute zu den zentralen Forschungsgebieten gehört in der Chemie und auch vielleicht in der Physik. Das ist die physikalische Festkörperchemie. Dieses Gebiet hat eine Tradition, wenn Sie wollen jahrtausendealte Tradition, denn bis vor ungefähr
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200, 300 Jahren galt eigentlich in der Philosophie der Grundsatz corpora non argunt nisi fluida. Wenn Sie jetzt noch Latein könnten, dann könnten Sie das übersetzen und das würde ungefähr heißen, Stoffe reagieren nicht außer im flüssigen Zustand.
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Das war erstaunlicherweise die Philosophie über wirklich 2000 Jahre geprägt durch Aristoteles. Auf Aristoteles geht dieser Spruch zurück und der hat wirklich die abendländische Philosophie geprägt.
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Und das ist umso erstaunlicher, als in den Zeiten der Griechen man eigentlich die Kunst des Brennens, der Keramik beherrschte, Sinter. Und diese Sintervorgänge, das ist die Reaktivität von Festkörpern. Da reagieren feste Stoffe miteinander.
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Trotzdem hat das so lange gewirkt und hat natürlich das gesamte Abendland beeinflusst. Und erst vor ungefähr 150 Jahren gab es die ersten wissenschaftlichen Arbeiten, die uns gezeigt haben, dass auch Feststoffe miteinander reagieren. Und heute ist das natürlich ein sehr aktives Gebiet.
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Wir wissen heute, gibt es Brennstoffzellen, in die große Hoffnung gesetzt werden, in denen Wasser, also Wasserstoff, verbrannt wird mit Sauerstoff zu Wasser. Oder es gibt Sauerstoffpermiationsmembranen, mit denen man Sauerstoff aus Luft abtrennen will, um damit saubere Kraftwerke zu betreiben.
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Können wir vielleicht später nochmal darauf zurückkommen. Also es ist ein sehr aktives Gebiet und alles dieses beruht letztlich auf dem Bewegungsvorgang von Atom, Ionen in festen Stoffen. Das ist sozusagen ganz grob die historische Einordnung beides Arbeitsgebietes.
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Vielleicht will ich jetzt noch kurz erzählen, wie das weitergegangen ist. Was hat sozusagen den Durchbruch gebracht? Neben einigen theoretischen Arbeiten hat vor ungefähr 100 Jahren ein ganz berühmter Name in der Chemie, Walter Nernst, Nobelpreisträger, Wärmeteoremen, müsste eigentlich jedem Chemiestudenten bekannt sein.
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Herr Hegemann, Herr Ortmann freuen sich. Ist Ihnen also offensichtlich bekannt. Walter Nernst war eben nicht nur ein begnadeter Wissenschaftler, sondern er hat auch ganz praktisch gearbeitet. Er hat die Wissenschaft angewandt und hat damit Geld verdient, was ja nicht schlecht ist.
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Sie müssen sich jetzt 100 Jahre zurückversetzen. Damals gab es noch kein kommerzielles elektrisches Licht. Edison hatte gerade seine Lampe erfunden, aber sie war noch nicht so perfektioniert, dass sie in jedem Haushalt funktionierte, weil der Glühfaden immer korrodierte.
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Die Vakumtechnik war noch nicht so ausgeprägt. Und da hat Walter Nernst eine Lampe erfunden, die mit einem keramischen Glühfaden arbeitet. Also der Glühfaden selbst war eine Oxidkeramik. Das hat er patentieren lassen. Seitdem heißt diese Masse Nernst Masse.
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Und den Berichten zufolge hat Walter Nernst damit eine Million Reichsmark verdient, was enorm viel Geld war zu der damaligen Zeit. Auch heute noch viel wäre wahrscheinlich eine Million, in welcher Währung auch immer. Und das hat er dem Kaiser vorgeführt. Und der Kaiser war so begeistert, dass in Berlin eine Straße mit diesen Nernstlampen ausgestattet wurde.
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Und wiederum für die Chemiker, und das kennen sie heute noch, diese Nernstmasse wird heute noch in Infrarotspektrometern als Lichtquelle verwendet.
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Heißt Nernst Stift. Das ist genau das Zeug. Basierend auf Zirkonoxid dotiert mit seltenen Erden. Das ist das Geheimnis. Und wenn Sie mal irgendwas patentieren wollen, dann machen Sie das wie Walter Nernst. Beschreiben Sie es nicht zu sehr im Detail, sodass es nicht jeder sofort nachmachen kann.
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Und dieses Patent hat also funktioniert. Die Lampe hat geleuchtet. Der Nachteil war, dass die Lampe ungefähr eine Minute bis zwei Minuten brauchte nach dem Anschalten, bis sie dann auch wirklich brannte. Kann man sich heute nicht mehr vorstellen, wenn man ins Bad geht und den Schalter betätigt zwei Minuten warten muss, bis die Lampe brennt.
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Das eigentliche Prinzip war aber das, dass in dieser Oxid-Keramik die Sauerstoffioden die beweglichen Ladungsträger sind. Und das hat dann, nachdem Walter Nernst, der hat das wahrscheinlich geahnt, das wissen wir nicht genau. Es hat aber 30 Jahre gedauert, bis dieser Mechanismus aufgeklärt wurde, wissenschaftlich sauber beschrieben wurde.
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Und heute wissen wir, die Sauerstoffioden bewegen sich in dieser Oxid-Keramik statt der Elektronen in einem Metall. Und diese Sauerstoffioden werden sozusagen abgebremst, erst fahren Reibung, wie die Elektronen auch etwas simpel gesagt.
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Und das gibt julische Wärme und dann leuchtet das. Das war der Beginn der Sauerstoff-Ionenleiter. Und diese Sauerstoff-Ionenleiter spielen heute eine große Rolle. In Sensoren, sie wissen das alle. Jedes Auto hat heute eine Lambda-Sonde und da ist ein Sauerstoffsensor drin. Der hat zirkonoxidbasierte Sauerstoff-Ionenleiter als Sensormaterialien.
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In Hochtemperaturbrennstoffzellen nutzt man aus, dass die Sauerstoff-Ionen selektiv durch diese Membranen hindurchgehen und dann auf der anderen Seite zur Oxidation des Wasserstoffs führen, sodass die Knallgasreaktion eben nicht als Knallgasreaktion, sondern als elektrochemische Reaktion abläuft.
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Und in Sauerstoffpermiationsmembranen möchte man Sauerstoff aus der Luft abtrennen, um damit Partialoxidationen zu machen in der Katalyse, also Feinchemie oder um in Kraftwerken Kohle zu verbrennen.
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Und zwar so, dass nur CO2 entsteht. Und dieses CO2, da ist es jetzt natürlich eine politische Diskussion, ist das sinnvoll, ist das durchsetzbar, ist die Bevölkerung nicht dagegen, das CO2 dann einzulagern. Als Zwischenlösung ist wir eine vernünftigere Energieversorgung haben, die meiner Meinung nach nur solar sein kann, letztendlich.
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Aber das ist jetzt nicht mein Arbeitsgebiet, das ist eher meine persönliche Meinung. Ja, also nochmal zum Multitalent Zirkonoxid, das immer noch auf Walter Nernz zurückgeht, den Namen kann man nicht häufig genug sagen. Zirkonoxid hat vielfältige Anwendungen heute, wird als Keramik, als Zahnersatzstoff verwendet.
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Ist allerdings relativ teuer noch, darum hat es sich nicht so durchgesetzt bisher. Es ist aber, wo es große Anwendungen hat, ist als Wärmeschuttschicht, Wärmedämmschicht. Das Zirkonoxid hat eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit und darum gibt es eben Hightech-Anwendungen,
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also zum Beispiel Turbinenschaufeln in Kraftwerken, die werden mit Zirkonoxid beschichtet, um die Turbinenschaufel vor der hohen Temperatur zu schützen. Also die haben so eine schlechte Wärmeleitfähigkeit, dass sie außen an der Zirkonoxid Schicht,
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meinetwegen 1000 Grad haben und an der Kontaktstelle zum Metall dann nur noch 800 Grad. Und damit können sie das Metall vor Korrosion schützen. Das sind so die wesentlichen Anwendungen, die ich wüsste.