Experimentalvortrag AC
„Silicium und seine Verbindungen“
SS 2009
Meike Griesel
Gliederung
1. Einleitung
2. Silicium : Herstellung und
Eigenschaften
3. Silane
D1, V1
4. Kieselsäure und Silicate
V3, D2, V4
5. Silicone
V5
V2
6. Schulrelevanz
7. Literatur
2
1. Einleitung
3
1. Einleitung
Allgemeines
• Silicium vom lateinischen „silex“ Kieselstein
Quelle: http://leifi.physik.uni-muenchen.de
Quelle: www.de.wikipedia.org/ wiki/Diamantstruktur
4
1. Einleitung
Allgemeines (2)
• Träger des „anorganischen Lebens“
– 2. häufigstes Element der Erdkruste
(Massenanteil ca. 26%)
• Pflanzenreich: SiO2 Kristalle an Halmen
und Gräsern
• Tierreich
– Schalen und Skelette von Aufgusstierchen
»Kieselgur
– essentielles Spurenelement für Wachstum
und Knochenbau bei höheren Tieren
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1. Einleitung
Geschichte
• vor 6000 Jahren: Glasherstellung in Syrien
und Phönezien
• Edelsteine als Schmuck und als Heilmittel
– Topas: vergiftete Speisen erkennen, Sehkraft
verbessern
• 1823: J.J. Berzelius stellt erstmals amorphes
Silicium dar
6
1. Einleitung
Gegenwart
• SiO2 als Trockenmittel in Tablettenröhrchen
• Silicone (z.B. Schmiermittel, Beschichtungen)
• Medizin
– Kieselsäure
• Reinsilicium ist „Grundwerkstoff“ des 21.
Jahrhunderts
– Energieversorgung
– Information- und Unterhaltungstechnologie
7
2. Silicium: Herstellung
und Eigenschaften
8
2. Silicium: Herstellung und Eigenschaften
Demo 1:
Labordarstellungen von amorphem und
kristallinem Silicium
9
2. Silicium: Herstellung und Eigenschaften
Auswertung: Demo 1
Darstellung von braunem, amorphem Silicium:
+ IV
0
SiO2(s) + 2 Mg(s)
0
+II
Si(s) + 2 MgO (s)
Nebenreaktion:
0
0
Si(s) + 2 Mg(s)
+II
-IV
Mg2Si(s)
MgO + Mg2Si werden mit HCl (aq) umgesetzt:
MgO (s) + 2 HCl (aq)
MgCl 2(aq) + H2O
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2. Silicium: Herstellung und Eigenschaften
Auswertung: Demo 1 (2)
Darstellung von silbernem, kristallinem Silicium:
+IV
0
3 SiO2(s) + 4 Al (s)
0
+ III
3 Si(s) + 2 Al 2O3(s)
Umsetzung von Al + Al2O3 mit HCl (aq) :
Al 2O3(s)
+ 6 HCl(aq)
+ 9 H2O
2 [Al(H2O)6]Cl3(aq)
Hexaqua-aluminium-(III)-chlorid
2 Al(s) + 6 HCl(aq) +12 H2O
2 [Al(H2O)6]Cl3(aq) + 3 H2
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2. Silicium: Herstellung und Eigenschaften
Technische Darstellung
• Lichtbogenreduktionsofen, 2000°C
+IV
SiO2(s)
0
+ 2 C(s)
0
Si (l)
+II
+ 2 CO(g)
• 98% reines Silicium
– Siliconherstellung
– Legierungen von Leichtmetallen
• Halbleitertechnik: 99,9999999% reines
Silicium
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2. Silicium: Herstellung und Eigenschaften
Technische Darstellung (2)
• Wirbelschichtreaktor
0
Si (s)
+I
+II
+ 3 HCl(g)
0
SiHCl3 (l)
+ H2
• Destillation: Trichlorsilan siedet bei 31,8°C
• Abscheidung des Si durch H2 -Verdampfung
4 SiHCl3(g)
+
H2(g)
2 Si(s)
+
SiCl4(g)
+
SiCl2(g)
+
6 HCl(g)
• Tiegelziehverfahren / Zonenschmelzverfahren
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2. Silicium: Herstellung und Eigenschaften
Chemische Eigenschaften
• Verhalten wie Nichtmetall
• in seinen Verbindungen meist vierwertig
• Zweiwertige bzw. dreiwertige Verbindungen
(SiO, SiF2) nur bei hohen Temperaturen stabil
• in allen Säuren außer salpetersäurehaltiger
HF praktisch unlöslich
– SiO2 als Schutzschicht
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2. Silicium: Herstellung und Eigenschaften
Versuch 1:
Halbleitereigenschaften
des Siliciums
15
2. Silicium: Herstellung und Eigenschaften
Auswertung: Versuch 1
Quelle: www.bzeeb.de
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2. Silicium: Herstellung und Eigenschaften
Dotierung
• P hat ein e- mehr als
Si im Valenzband
• e- von P kann leichter
ins Leitungsband
abgegeben werden
• Al hat ein e- weniger als
Si im Valenzband
• Al kann e- von Si
aufnehmen, es entsteht
ein Defektelektron
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Quelle: www.computerbase.de/ lexikon/Dotierung
3. Silane
18
3. Silane
Versuch 2:
Herstellung von Monosilan
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3. Silane
Auswertung: Versuch 2
Darstellung von Monosilan:
-IV
Mg 2Si (s)
+I
+ 4 HCl(aq)
+IV -I
2 MgCl2(aq)
+
SiH
4(g)
Monosilan reagiert mit Luftsauerstoff:
-I
SiH4(g)
0
+
2O
2(g)
-II
SiO2(g)
+I -II
+
2 H2O
• es entsteht bei der Reaktion nicht nur Monosilan
(Disilan, Trisilan)
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3. Silane
Eigenschaften
• Monosilan: farbloses Gas
Quelle: http://ots.fh-brandenburg.de
• allgemeine Formel: SinH2n+2
• bis n = 15 hergestellt
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3. Silane
Technische Nutzung
• in der Dünnschichtelektronik
– Thermolyse:
SiH4(g)
Si (l) + 2 H2
– Abscheidung von amorphem Silicium
– dünne Schichten: bis 10 μm
– genutzt wird dies für Photosensoren (z.B.
Digitalkamera)
22
4. Kieselsäure und
Silicate
23
4. Kieselsäure und Silicate
Kieselsäure
• Orthokieselsäure: H4SiO4
– Bildung: SiO2(s) + 2 H2O
H4SiO4(aq)
– nur in großer Verdünnung beständig (> 10-3 mol/l)
• bei höherer Konzentration: Polymerisation
OH
HO
Si
OH
OH
OH
HO
Si
OH
OH
OH
HO
Si
OH
OH
24
4. Kieselsäure und Silicate
Versuch 3:
Ausfällen von Metakieselsäure
aus Wasserglas
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4. Kieselsäure und Silicate
Auswertung: Versuch 3
• die schwache Kieselsäure wird durch HCl aus
ihrem Salz vertrieben
+
Na2SiO3(l) + 2 HCl(aq)
-
2 Na (aq) + 2 Cl (aq) + "H2SiO3"(s)
• Kondensation zu größeren Molekülen
OH
R
O
Si
OH
OH
O
Si O
R
(H2SiO 3)n
OH
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4. Kieselsäure und Silicate
Polykieselsäuren
• das Endprodukt der Kondensation ist formal
SiO2
• eine hochkondensierte, wasserreiche
Polykieselsäure – Kieselgel
– entwässertes Kieselgel (Silicagel) hat große
spezifische Oberfläche – Absorption von
Gasen und Dämpfen (Trockenmittel)
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4. Kieselsäure und Silicate
Silicate
• Labordarstellung
– Zusammenschmelzen von Quarz und
Hydroxiden oder Carbonaten der Alkalimetalle
• Silicate sind Salze der Kieselsäure
• Si hat KZ = 4
– Tetraeder, eckenverknüpft
28
4. Kieselsäure und Silicate
Demo 2:
Der chemische Garten
29
4. Kieselsäure und Silicate
Auswertung: Demo 2
• Schwermetallsalze bilden mit Silicat aus
Wasserglas eine Haut aus Kupfersilicat,
Cobaltsilicat etc.
• die Haut ist semipermeabel
– H2O diffundiert Richtung Kristall
(Konzentrationsunterschied)
– osmotischer Druck steigt
• die Haut platzt und Salzlösung tritt aus, welche
erneut eine Metallsilicatschicht bildet
30
4. Kieselsäure und Silicate
Silicatstrukturen
Name:
Inselsilicate
Struktur:
[SiO4]
Beispiele:
-4
Zirkon Zr[SiO4]
Gruppensilicate [Si O ]-6
2 7
-6
Ringsilicate
[Si3O9]
Kettensilicate
[Si2O6]
Schichtsilicate
[Si4O10]
Gerüstsilicate
-4
-4
[Si6O18]
-12
Beryll Al2Be3[Si6O18]
Entsatit Mg2[Si2O6]
Talk Mg3[Si4O10](OH)2
Feldspat: Albit
Na[AlSi3O8]
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4. Kieselsäure und Silicate
Zeolithe
• kristalline, hydratisierte Aluminosilicate
• enthalten Alkali- bzw. Erdalkalimetallkationen
• in den Hohlräumen befinden
sich Wasser und Kationen
Quelle: www.chemieunterricht.de
• Zeolith A „Sasil“:
Na12[Al12Si 12O48] * 27 H2O
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4. Kieselsäure und Silicate
Versuch 4:
Die Ionenaustauschwirkung
von Zeolithen
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4. Kieselsäure und Silicate
Auswertung: Versuch 4
N
• Methylenblau
+
-
+
H3C
CH3
+
N
S
H3C
Cl
+
-
-
N
-
CH3
+
-
MB Zeo + Na + Cl
MB Cl + Na Zeo
O
S
• Methylorange
N
N
O
O
-
+
Na
H3C
N
H3C
-
+
+
-
MO Na + Na Zeo
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5. Silcone
35
5. Silicone
Herstellung / Eigenschaften
• Kondensation von Silanolen (R3SiOH), Silandiole
(R2Si(OH)2) und Silantriole (RSi(OH)3)
– Silanole etc.: Hydrolyse der entsprechenden
Halogenverbindungen
OH
H3C
Si
CH3
CH3
CH3
OH
+
HO
Si
CH3
O
Si
CH3
H3C
• Silcone sind thermisch stabil, oxidationsbeständig und
inert gegenüber Wettereinflüssen
36
5. Silicone
Versuch 5:
Simethicon wirkt
Schaumbildung entgegen
37
5. Silicone
Auswertung: Versuch 5
• Dimethicon + SiO2 = Simethicon
H3C
H3C
HO
Si
H3C
O
Si
CH3
CH3
CH3
O
Si
H3C
O
Si
OH
H3C
• wasserlösliches Silicon
• erhöht Oberflächenspannung von Wasser /
Seifenlauge
– Schaumblasen zerplatzen
– neuer Schaumbildung wird entgegen gewirkt
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6. Schulrelevanz
39
6. Schulrelevanz
Chemikalien
Versuch:
Chemikalien:
Einstufung:
1
Siliciumscheibe
S1
2
Magnesiumsilicid
Salzsäure c = 2 mol/L
Wasserglas
Salzsäure c = 2 mol/L
Zeolith A
Methylorange, Methylenblau
Simethicon
LV
3
4
5
S1
S1
S1
40
6. Schulrelevanz
Themen
Thema
Schulstufe
elektrische Leitfähigkeit (fakultativ)
Klasse 7
Umkehrung der Oxidbildung
(Metallgewinnung aus Erzen)
Metalle als Werkstoffe (fakulativ):
Werkstoffe in der Technink,
Energiefragen
Synthetische Makromoleküle
(fakultativ: Siloxane)
Klasse 7
Klasse 10
Klasse 11
41
7. Literatur
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Literatur
• Häusler, Karl. et al. Experimente für den Chemieunterricht. 2. Aufl..
München:Oldenburg Schulbuchverlag, 1995.
• Hollemann, A.F.; Wiberg, E. Lehrbuch der anorganischen Chemie.
Berlin: Walter de Gruyter, 1985.
• Riedel, Dr. Erwin. Anorganische Chemie. 6. Auf.. Berlin: Walter de
Gruyter, 2004.
• Obendrauf, V. „CVD – Chemical Vapour Deposition“ Praxis der
Naturwissenschaften. 1/54, 2005.
• Bukatsch, Prof. Dr. F. et al. Experimentelle Schulchemie:
Anorganische Chemie Nichtmetalle. Bd 2. Köln: Aulis Verlag
Deubner & Co KG, 1969
• http://www.axel-schunk.net/experiment/edm0309.html im Juni 2009
• http://www.kultusministerium.hessen.de/irj/HKM_Internet?uid=3b430
19a-8cc6-1811-f3ef-ef91921321b2 im Juli 2008
• Schmidkunz, Dorit. „Silicium Bedeutend für Mensch und Medizin“
Naturwissenschaften im Unterricht – Chemie. 10, 1991.
43

Präsentation ()