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Experimentalvortrag AC „Silicium und seine Verbindungen“ SS 2009 Meike Griesel.

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Präsentation zum Thema: "Experimentalvortrag AC „Silicium und seine Verbindungen“ SS 2009 Meike Griesel."—  Präsentation transkript:

1 Experimentalvortrag AC „Silicium und seine Verbindungen“ SS 2009 Meike Griesel

2 2 Gliederung 1. Einleitung 2. Silicium : Herstellung und Eigenschaften D1, V1 3. Silane V2 4. Kieselsäure und Silicate V3, D2, V4 5. Silicone V5 6. Schulrelevanz 7. Literatur

3 3 1. Einleitung

4 4 Allgemeines Silicium vom lateinischen „silex“ - Kieselstein 1. Einleitung Quelle: wiki/Diamantstruktur

5 5 Träger des „anorganischen Lebens“ –2. häufigstes Element der Erdkruste (Massenanteil ca. 26%) Pflanzenreich: SiO 2 Kristalle an Halmen und Gräsern Tierreich –Schalen und Skelette von Aufgusstierchen »Kieselgur –essentielles Spurenelement für Wachstum und Knochenbau bei höheren Tieren 1. Einleitung Allgemeines (2)

6 6 vor 6000 Jahren: Glasherstellung in Syrien und Phönezien Edelsteine als Schmuck und als Heilmittel –Topas: vergiftete Speisen erkennen, Sehkraft verbessern Geschichte 1. Einleitung 1823: J.J. Berzelius stellt erstmals amorphes Silicium dar

7 7 Gegenwart SiO 2 als Trockenmittel in Tablettenröhrchen Silicone (z.B. Schmiermittel, Beschichtungen) Medizin –Kieselsäure Reinsilicium ist „Grundwerkstoff“ des 21. Jahrhunderts –Energieversorgung –Information- und Unterhaltungstechnologie 1. Einleitung

8 8 2. Silicium: Herstellung und Eigenschaften

9 9 Demo 1: Labordarstellungen von amorphem und kristallinem Silicium

10 10 Auswertung: Demo 1 Darstellung von braunem, amorphem Silicium: + IV 0 0 +II Nebenreaktion: 0 0 +II -IV MgO + Mg 2 Si werden mit HCl (aq) umgesetzt: 2. Silicium: Herstellung und Eigenschaften

11 11 Auswertung: Demo 1 (2) Darstellung von silbernem, kristallinem Silicium: +IV III Umsetzung von Al + Al 2 O 3 mit HCl (aq) : 2. Silicium: Herstellung und Eigenschaften Hexaqua-aluminium-(III)-chlorid

12 12 Technische Darstellung Lichtbogenreduktionsofen, 2000°C +IV 0 0 +II 98% reines Silicium –Siliconherstellung –Legierungen von Leichtmetallen Halbleitertechnik: 99, % reines Silicium 2. Silicium: Herstellung und Eigenschaften

13 13 Technische Darstellung (2) Wirbelschichtreaktor 0 +I +II 0 Destillation: Trichlorsilan siedet bei 31,8°C Abscheidung des Si durch H 2 -Verdampfung Tiegelziehverfahren / Zonenschmelzverfahren 2. Silicium: Herstellung und Eigenschaften

14 14 Verhalten wie Nichtmetall in seinen Verbindungen meist vierwertig Zweiwertige bzw. dreiwertige Verbindungen (SiO, SiF 2 ) nur bei hohen Temperaturen stabil in allen Säuren außer salpetersäurehaltiger HF praktisch unlöslich –SiO 2 als Schutzschicht 2. Silicium: Herstellung und Eigenschaften Chemische Eigenschaften

15 15 Versuch 1: Halbleitereigenschaften des Siliciums 2. Silicium: Herstellung und Eigenschaften

16 16 2. Silicium: Herstellung und Eigenschaften Auswertung: Versuch 1 Quelle:

17 17 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 Quelle: lexikon/Dotierung

18 18 3. Silane

19 19 3. Silane Versuch 2: Herstellung von Monosilan

20 20 Auswertung: Versuch 2 Darstellung von Monosilan: -IV +I +IV -I Monosilan reagiert mit Luftsauerstoff: -I 0 -II +I -II es entsteht bei der Reaktion nicht nur Monosilan (Disilan, Trisilan) 3. Silane

21 21 Monosilan: farbloses Gas allgemeine Formel: Si n H 2n+2 bis n = 15 hergestellt 3. Silane Eigenschaften Quelle:

22 22 Technische Nutzung in der Dünnschichtelektronik –Thermolyse: –Abscheidung von amorphem Silicium –dünne Schichten: bis 10 μm –genutzt wird dies für Photosensoren (z.B. Digitalkamera) 3. Silane

23 23 4. Kieselsäure und Silicate

24 24 Kieselsäure Orthokieselsäure: H 4 SiO 4 –Bildung: –nur in großer Verdünnung beständig (> mol/l) bei höherer Konzentration: Polymerisation 4. Kieselsäure und Silicate

25 25 Versuch 3: Ausfällen von Metakieselsäure aus Wasserglas 4. Kieselsäure und Silicate

26 26 Auswertung: Versuch 3 die schwache Kieselsäure wird durch HCl aus ihrem Salz vertrieben Kondensation zu größeren Molekülen 4. Kieselsäure und Silicate

27 27 das Endprodukt der Kondensation ist formal SiO 2 eine hochkondensierte, wasserreiche Polykieselsäure – Kieselgel –entwässertes Kieselgel (Silicagel) hat große spezifische Oberfläche – Absorption von Gasen und Dämpfen (Trockenmittel) 4. Kieselsäure und Silicate Polykieselsäuren

28 28 Labordarstellung –Zusammenschmelzen von Quarz und Hydroxiden oder Carbonaten der Alkalimetalle Silicate sind Salze der Kieselsäure Si hat KZ = 4 –Tetraeder, eckenverknüpft 4. Kieselsäure und Silicate Silicate

29 29 Demo 2: Der chemische Garten 4. Kieselsäure und Silicate

30 30 Schwermetallsalze bilden mit Silicat aus Wasserglas eine Haut aus Kupfersilicat, Cobaltsilicat etc. die Haut ist semipermeabel –H 2 O diffundiert Richtung Kristall (Konzentrationsunterschied) –osmotischer Druck steigt die Haut platzt und Salzlösung tritt aus, welche erneut eine Metallsilicatschicht bildet 4. Kieselsäure und Silicate Auswertung: Demo 2

31 31 Silicatstrukturen Name:Struktur:Beispiele: InselsilicateZirkon Zr[SiO 4 ] Gruppensilicate RingsilicateBeryll Al 2 Be 3 [Si 6 O 18 ] KettensilicateEntsatit Mg 2 [Si 2 O 6 ] SchichtsilicateTalk Mg 3 [Si 4 O 10 ](OH) 2 GerüstsilicateFeldspat: Albit Na[AlSi 3 O 8 ] 4. Kieselsäure und Silicate

32 32 Zeolithe kristalline, hydratisierte Aluminosilicate enthalten Alkali- bzw. Erdalkalimetallkationen in den Hohlräumen befinden sich Wasser und Kationen Zeolith A „Sasil“: 4. Kieselsäure und Silicate Quelle:

33 33 4. Kieselsäure und Silicate Versuch 4: Die Ionenaustauschwirkung von Zeolithen

34 34 Auswertung: Versuch 4 Methylenblau Methylorange 4. Kieselsäure und Silicate

35 35 5. Silcone

36 36 Herstellung / Eigenschaften Kondensation von Silanolen (R 3 SiOH), Silandiole (R 2 Si(OH) 2 ) und Silantriole (RSi(OH) 3 ) –Silanole etc.: Hydrolyse der entsprechenden Halogenverbindungen Silcone sind thermisch stabil, oxidationsbeständig und inert gegenüber Wettereinflüssen 5. Silicone

37 37 Versuch 5: Simethicon wirkt Schaumbildung entgegen 5. Silicone

38 38 Auswertung: Versuch 5 Dimethicon + SiO 2 = Simethicon wasserlösliches Silicon erhöht Oberflächenspannung von Wasser / Seifenlauge –Schaumblasen zerplatzen –neuer Schaumbildung wird entgegen gewirkt 5. Silicone

39 39 6. Schulrelevanz

40 40 Chemikalien 6. Schulrelevanz Versuch:Chemikalien:Einstufung: 1SiliciumscheibeS1 2Magnesiumsilicid Salzsäure c = 2 mol/L LV 3Wasserglas Salzsäure c = 2 mol/L S1 4Zeolith A Methylorange, Methylenblau S1 5SimethiconS1

41 41 Themen 6. Schulrelevanz ThemaSchulstufe elektrische Leitfähigkeit (fakultativ)Klasse 7 Umkehrung der Oxidbildung (Metallgewinnung aus Erzen) Klasse 7 Metalle als Werkstoffe (fakulativ): Werkstoffe in der Technink, Energiefragen Klasse 10 Synthetische Makromoleküle (fakultativ: Siloxane) Klasse 11

42 42 7. Literatur

43 43 Häusler, Karl. et al. Experimente für den Chemieunterricht. 2. Aufl.. München:Oldenburg Schulbuchverlag, Hollemann, A.F.; Wiberg, E. Lehrbuch der anorganischen Chemie. Berlin: Walter de Gruyter, Riedel, Dr. Erwin. Anorganische Chemie. 6. Auf.. Berlin: Walter de Gruyter, Obendrauf, V. „CVD – Chemical Vapour Deposition“ Praxis der Naturwissenschaften. 1/54, Bukatsch, Prof. Dr. F. et al. Experimentelle Schulchemie: Anorganische Chemie Nichtmetalle. Bd 2. Köln: Aulis Verlag Deubner & Co KG, im Juni a-8cc f3ef-ef b2 im Juli 2008 Schmidkunz, Dorit. „Silicium Bedeutend für Mensch und Medizin“ Naturwissenschaften im Unterricht – Chemie. 10, Literatur


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