Experimentalvortrag AC „Silicium und seine Verbindungen“ SS 2009

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

2 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

3 1. Einleitung

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

5 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

6 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

7 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

8 2. Silicium: Herstellung und Eigenschaften

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

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

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

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

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

14 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

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

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

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 3. Silane

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

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

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

22 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)

23 4. Kieselsäure und Silicate

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

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

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

27 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)

28 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

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

30 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

31 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]

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

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

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

35 5. Silcone

36 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

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

38 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

39 6. Schulrelevanz

40 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

41 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

42 7. Literatur

43 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 im Juni 2009 im Juli 2008 Schmidkunz, Dorit. „Silicium Bedeutend für Mensch und Medizin“ Naturwissenschaften im Unterricht – Chemie. 10, 1991.