Didaktik der Chemie / Universität Bayreuth

Stand: 01.02.18


Sedimentation

Vortrag von Carolin Weber im Rahmen der "Übungen im Vortragen mit Demonstrationen - Physikalische Chemie", WS 13/14


Gliederung:


Einführung: Nur mit Hilfe eines Taschenrechners ist es möglich im Goldkronach River Gold zu finden. Dafür ist es wichtig zu wissen, dass Gold im Erzkörper eingeschlossen ist und bei Verwitterung frei wird. Das Goldkörnchen wird dann vom Wasser abtransportiert und landet schließlich im Fluss, hier setzt es sich bei leichter Strömung an einer Flussbiegung ab. Doch liegen im Flussbett auch noch weitere Schichten vor wie Sand und Kies. Es stellt sich also die Frage, wo genau das Gold sedimentiert ist und in welcher Schicht wir es finden. Dafür machen wir uns den physikalischen Vorgang der Sedimentation zu Nutze!


1 Einwirkende Kräfte auf Partikel im Fluid


Abb.1: Einwirkende Kräfte auf Partikel im Fluid.

Die in Abbildung 1 dargestellten Kräfte setzten sich folgendermaßen zusammen:


 

Die Sinkgeschwindigkeit gibt an, wie schnell ein Partikel im Fluid sedimentiert. Im Experiment soll verdeutlicht werden welche Einflüsse dabei eine Rolle spielen.


2 Experiment

Es werden zwei Bodenschichten (Lehm und Erde), mit unterschiedlicher Korngröße bzw. Masse und Dichte, hinsichtlich ihres Sedimentationsverhaltens verglichen.

 
Abb. 2: Sedimentationsverhalten von Teilchen mit unterschiedlicher Masse. Dabei sinken schwere (hier: große) Partikel schneller als leichte (hier: kleiner).

Die in Abbildung 2 gezeigten Ergebnisse können im Experiment beobachtet werden:


Abb. 3: Unterschiedliche Sedimentationsgeschwindigkeit von Lehm (links) und Gartenerde (rechts) in Wasser aufgrund verschieden großer / schwerer Partikel

Unterschiedliche Dichten der Partikel gegenüber dem Medium bewirken unterschiedliches Einwirken der Kräfte auf diese. Daraus lässt sich schließen: Je höher die Dichte und die Masse des Körpers gegenüber dem Medium, desto schneller sedimentiert der Körper und hat eine hohe Sedimentationsgeschwindigkeit v.


3 Zentrifugation

Die natürlich wirkende Gravitationsbeschleunigung wird durch die Rotationsbeschleunigung ersetzt, was zu einer schnelleren Sinkgeschwindigkeit führt. Unter dieser Bedingung spricht man von Zentrifugation.


Abb. 4: Zunahme des Teilchenabstands zur Rotationsachse durch Verschieben der Grenzschicht nach außen (Trommelwand) mit zunehmender Zeit t

Aus einem homogenen Gemisch entsteht bei einsetzender Sedimentation:

  • erhöhte Partikelkonzentration im weiter von der Drehachse entfernt Bereich
  • geringe Konzentration im dicht an der Drehachse liegendem Bereich
  • Bildung einer Grenzschicht, die im Zentrifugationsverlauf zur Trommelwand wandert

Somit lässt sich mit Hilfe des Zentrifugations-Verfahrens die molare Masse eines Partikels bestimmen, wobei die Gravitationsbeschleunigung durch die Rotationsbeschleunigung ersetzt wurde. Durch diese Technik wurde ein schnelles Trennverfahren möglich.


Abschluss: Die erlernten Gesetze macht man sich beim Goldwaschen zu Nutze. Dazu wird die Bodenschicht, in der das Gold vermutet wird, in eine Goldpfanne gegeben. Nach Zugabe von Wasser wird die Mischung mit gleichmäßigen Drehbewegungen aufgeschlämmt. Dabei sortieren sich die Materialien nach ihrer Dichte. Die dichteren Partikel sinken schneller ab und sammeln sich auf dem Boden, die weniger dichten befinden sich noch im Wasser. Durch die nach außen wirkende Zentrifugalkraft, wandern die leichten Teilchen mit dem Wasser zum Pfannenrand. Durch leichtes Kippen der Goldpfanne lässt man etwas Wasser mit Sediment (Schlamm, Sand, Kies) über den Rand hinaus fließen. Das schwere sedimentierte Gold bleibt am Pfannenboden. Mit diesem Wissen seid ihr bei der nächsten deutschen Meisterschaft in Goldkronach vorne mit dabei.


Abb. 5: Goldwaschen mit dem Sichertrog [aus 3, Autor
Nate Cull from Christchurch, New Zealand]


Literatur:

  1. Atkins, P.: Physikalische Chemie, Wiley-VCH, 3. Auflage, Weinheim 2001.
  2. Engel, T., Reid, P.: Physikalische Chemie, Pearson Studium, 1. Auflage, München 2006.
  3. http://de.wikipedia.org/wiki/Goldsucher  (geprüft: 3.2.18)

E-Mail: Walter.Wagner ät uni-bayreuth.de, Stand: 01.02.18