Forschungspraktika

Wikipedia: Die Festkörperchemie ist ein Teilgebiet der Chemie, das sich mit der Darstellung, der Struktur, den Eigenschaften und den Anwendungen von Stoffen im festen Aggregatzustand (Festkörper) beschäftigt.

Klassischerweise werden hohe Temperaturen verwendet, um Aktivierungsenergien zu erreichen und Reaktionszeiten zu reduzieren (z.B. in der Schmelze). Das kann traditionell im Röhrenofen geschehen (Reaktionsdauer oft Tage bis Monate) oder mit dem Sauerstoffbrenner (meist nach 10 Minuten fertig).

Dazu kommt spezielle Analytik, allen voran die Pulverdiffraktometrie, die zu den gebräuchlichen anorganischen Untersuchungsmethoden (Einkristall, UV-Vis, Heterokern-NMR, CV, etc.) hinzukommt.

Wer sich ein Bild über die Methodik und Arbeitsweise machen möchte, kann gern im Labor vorbeischauen, methodische Kenntnisse werden nicht vorausgesetzt (ihr macht ja das Forschungspraktikum, um noch was zu lernen). Einige exemplarische Projektskizzen sind nachfolgend aufgeführt. Prinzipielles Ziel ist in allen Fällen die Darstellung neuer Materialien (speziell: hochreaktive Eisensalze, sogenannte Ferrate) die mit Kohlenstoffdioxid reagieren und dieses (in ferner Zukunft) katalytisch zu nutzbaren Verbindungen umsetzen.

Festkörper- und Materialchemie

Klassische Festkörperchemie im Hochtemperaturofen: Teils uralte Literaturvorschriften nachkochen und schauen, was die Verbindungen so können (Löslichkeiten, optische Eigenschaften, Reaktivitäten).

Z.B.: Li2CO3 + Fe2O3 --:> 2 LiFeO2 + CO2 (Barblan et al., 1944)

Analytik: vor allem Pulverdiffraktometrie und optische Spektroskopie.

Erweiterung: Können wir die Eigenschaften gezielt durch Dotierung (z.B. Einbringen kleiner Mengen Manganoxid) variieren?

Materialchemischer Teil: Können wir die Feststoffe in der Pulvermühle zu Nanopartikel verarbeiten? Können die löslichen Verbindungen durch Elektrospinning zu Nano-Drähten umgesetzt werden? Welche Abhängigkeit zwischen Partikelgröße und Eigenschaften gibt es?

Präparative Elektrochemie

Synthese mit elektrischem Strom: Die Darstellung von Eisen(VI)-Salzen mithilfe der Elektrolyse ist bekannt:

Fe + 8 KOH --:> K2FeO4 (+H2 + K2O + Mock) mit initial 110 V, 3.5 A (Grube et al., 1920)

Es ist auch bekannt, dass bei verminderter Stromdichte, erhöhten Temperaturen und hohen Konzentrationen Verbindungen in niedrigeren Oxidationsstufen erhalten werden können. In diesem Projekt geht es darum, die Syntheseparameter so zu variieren, dass statt der Ferrat(VI)-Verbindungen, Ferrat(II)- oder Ferrat(III)-Salze erhalten werden können. Neben den dafür nötigen Elektrolyseparametern (Spannung, Stromstärke) müssen auch brauchbare Lösungsmittel, Elektrodenmaterialien, Konzentrationen und Temperaturen gefunden werden.

Analytik: Vor allem Pulverdiffraktometrie und Zyklovoltammetrie.

Erweiterung: Können völlig neuartige hybride Verbindungen erhalten werden, wenn statt in KOH, in (NMe4)OH-Lösungen elektrolysiert wird? Können wir auch KSH-Lösungen elektrolysieren? Und dann (NMe4)SH-Lösungen? Und das alles, ohne das gesamte Haus zu erstinken?

In situ Reduktionen

In flüssigem Ammoniak oder primären Aminen können mit Alkalimetallen Elektridlösungen erhalten werden, die zur Reduktion verwendet werden. In der Organik kennt man das als Birch-Reduktion, in der Anorganik hat man damit vor allem Zintl-Anionen hergestellt. Hier sollen nun Metallate hergestellt werden, in dem das Reduktionspotential elementare Chalkogene (Schwefel, Selen, Tellur) zu den Chalkogenid-Ionen überführt. Die wiederum reagieren oftmals in hochpolaren Lösungsmitteln mit Metalchalkogeniden.

Z.B. PbTe + 2 K2Te --:> K4[PbTe3] (Jones et al., 1998)

Kann das auf Übergangsmetalle erweitert werden? Können wir metal-organische Reduktionsmittel, wie z.B. Cobaltocen benutzen?

Analytik vor allem Hetero-NMR und Schwingungsspektroskopie.

Erweiterung: Können die „nackten“ Chalkogenidsalze, wie z.B. (CoCp2)2Se isoliert werden (sollte eine ionische Flüssigkeit sein)? Was haben die für Eigenschaften und Reaktivitäten?