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

Gliederung D1, V1 V2 V3, D2, V4 V5 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

1. Einleitung

Allgemeines Silicium vom lateinischen „silex“ - Kieselstein 1. Einleitung Allgemeines Silicium vom lateinischen „silex“ - Kieselstein Quelle: http://leifi.physik.uni-muenchen.de Quelle: www.de.wikipedia.org/ wiki/Diamantstruktur

Allgemeines (2) Träger des „anorganischen Lebens“ 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

Geschichte vor 6000 Jahren: Glasherstellung in Syrien und Phönezien 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

Gegenwart SiO2 als Trockenmittel in Tablettenröhrchen 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

2. Silicium: Herstellung und Eigenschaften

2. Silicium: Herstellung und Eigenschaften Demo 1: Labordarstellungen von amorphem und kristallinem Silicium

2. Silicium: Herstellung und Eigenschaften Auswertung: Demo 1 Darstellung von braunem, amorphem Silicium: + IV 0 0 +II Nebenreaktion: 0 0 +II -IV MgO + Mg2Si werden mit HCl (aq) umgesetzt:

2. Silicium: Herstellung und Eigenschaften Auswertung: Demo 1 (2) Darstellung von silbernem, kristallinem Silicium: +IV 0 0 + III Umsetzung von Al + Al2O3 mit HCl (aq) : Hexaqua-aluminium-(III)-chlorid

Technische Darstellung 2. Silicium: Herstellung und Eigenschaften Technische Darstellung Lichtbogenreduktionsofen, 2000°C +IV 0 0 +II 98% reines Silicium Siliconherstellung Legierungen von Leichtmetallen Halbleitertechnik: 99,9999999% reines Silicium

Technische Darstellung (2) 2. Silicium: Herstellung und Eigenschaften Technische Darstellung (2) Wirbelschichtreaktor 0 +I +II 0 Destillation: Trichlorsilan siedet bei 31,8°C Abscheidung des Si durch H2 -Verdampfung Tiegelziehverfahren / Zonenschmelzverfahren

Chemische Eigenschaften 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

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

2. Silicium: Herstellung und Eigenschaften Auswertung: Versuch 1 Quelle: www.bzeeb.de

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: www.computerbase.de/ lexikon/Dotierung

3. Silane

Versuch 2: Herstellung von Monosilan 3. Silane Versuch 2: Herstellung von Monosilan

Auswertung: Versuch 2 Darstellung von Monosilan: 3. Silane 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)

Quelle: http://ots.fh-brandenburg.de 3. Silane Eigenschaften Monosilan: farbloses Gas allgemeine Formel: SinH2n+2 bis n = 15 hergestellt Quelle: http://ots.fh-brandenburg.de

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

4. Kieselsäure und Silicate

4. Kieselsäure und Silicate Orthokieselsäure: H4SiO4 Bildung: nur in großer Verdünnung beständig (> 10-3 mol/l) bei höherer Konzentration: Polymerisation

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

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

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)

4. Kieselsäure und Silicate 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 Demo 2: Der chemische Garten

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

4. Kieselsäure und Silicate Silicatstrukturen Name: Struktur: Beispiele: Inselsilicate Zirkon Zr[SiO4] Gruppensilicate Ringsilicate Beryll Al2Be3[Si6O18] Kettensilicate Entsatit Mg2[Si2O6] Schichtsilicate Talk Mg3[Si4O10](OH)2 Gerüstsilicate Feldspat: Albit Na[AlSi3O8]

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

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

4. Kieselsäure und Silicate Auswertung: Versuch 4 Methylenblau Methylorange

5. Silcone

Herstellung / Eigenschaften 5. Silicone Herstellung / Eigenschaften Kondensation von Silanolen (R3SiOH), Silandiole (R2Si(OH)2) und Silantriole (RSi(OH)3) Silanole etc.: Hydrolyse der entsprechenden Halogenverbindungen Silcone sind thermisch stabil, oxidationsbeständig und inert gegenüber Wettereinflüssen

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

Auswertung: Versuch 5 Dimethicon + SiO2 = Simethicon 5. Silicone Auswertung: Versuch 5 Dimethicon + SiO2 = Simethicon wasserlösliches Silicon erhöht Oberflächenspannung von Wasser / Seifenlauge Schaumblasen zerplatzen neuer Schaumbildung wird entgegen gewirkt

6. Schulrelevanz

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

Themen Thema Schulstufe elektrische Leitfähigkeit (fakultativ) 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 Klasse 10 Synthetische Makromoleküle (fakultativ: Siloxane) Klasse 11

7. Literatur

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=3b43019a-8cc6-1811-f3ef-ef91921321b2 im Juli 2008 Schmidkunz, Dorit. „Silicium Bedeutend für Mensch und Medizin“ Naturwissenschaften im Unterricht – Chemie. 10, 1991.