herzlich willkommen zum experimentalvortrag silicium und seine verbindungen in alltag und technik -...

Herzlich Willkommen

zum Experimentalvortrag

Silicium und seine Verbindungen

in Alltag und Technik - Labor und Schule

Marburg, den 13. November 2013

Marcell Pausch

Versuch 2

Chemikalien Aufbau und Durchführung

Wasserglas-Lösung (30%ig)

Salzsäure (halbkonz.)

Ethanol96 %

Wasser-glas Salz-

säure

Versuch 3

Eisen(III)-chlorid

Ethanol96 %

NaClFeCl3glasWasser-

Silicium in der Schule

Q4 Wahlthema Werkstoffe

Silicate (Vorkommen, Aufbauprinzip, technische Silicate);

Reinstsilicium; Halbleitertechnologie; Siloxane; Silicone;

Glas (Geschichte, Herstellung, Struktur);

Keramische Werkstoffe

Auszug aus: Lehrplan Chemie (Hessen).

Allgemeines Eigenschaften Silicate Silicone Glas

Allgemeines

Stellung im Periodensystem der Elemente

14 28,09

1,8 SiSilicium

14. Gruppe

3. Periode Si

1822 Jöns Jakob Freiherr von Berzelius

Darstellung von Si aus SiF4

Herkunft des Namens

silica = Kieselerde & silex = Kieselstein

Im Englischen (1831: Thomas Thomson)

Silicium = silicon carbon, boron

Silicon/Silikon = silicone

Geschichte

Si: 27,2 % 2. häufigstes Element!

Häufigkeit des Elements in der Erdkruste

Vorkommen

MassenanteilOSiAlFeCaMg NaKRest

Vorkommen

In welcher Form?

nie elementar

zahlreiche Si-O-Verbindungen:

überwiegend als Siliciumdioxid und in Form zahlreicher Silicate

… wie Sand am Meer

bzw. als Sand am Meer

Silicate & SiO2: 90% der Erdkruste!

freies SiO2

silicatische Minerale

Vorkommen

Amethyst Opal

Beryll Feldspat

Seesand Kieselsteine

Si: Träger des anorganischen „Lebens“

Bergkristall

Glimmer Olivin Ton

eine kleine Auswahl

Vorkommen

In welcher Form?

nie elementar

zahlreiche Si-O-Verbindungen:

überwiegend als Siliciumdioxid und in Form zahlreicher Silicate

Im Pflanzenreich: harte SiO2-Kriställchen auf Halmen und Gräsern

Im Tierreich: Außenskelett niederer Tiere

Beim Menschen: essentielles Spurenelement

… wie Sand am Meer

Silicate & SiO2: 90% der Erdkruste!

bzw. als Sand am Meer

Technische Darstellung

Im Schmelzreduktionsofen:

Reduktion von Quarz durch Koks bei hohen Temperaturen +4 0 0 +2

SiO2(l) + 2 C(s) Si(l) + 2 CO(g)

1800 °C

Elektroden

Edukte

Mauer & Blechmantel

Querschnitt von außen

99% rein

Reinstsilicium

0 +1 +2 0

Si(s) + 3 HCl(g) HSiCl3(g) + H2(g)

300 °C

1100 °C

HCl(g)

feingemahlenes Rohsilicium Si(s)

H2(g) Destillation

von Trichlorsilan

kondensiertesTrichlorsilan

Abscheidungsreaktor:

polykristallines Silicium

Vom polykristallinen Si zum Einkristall

früher: Zonenschmelzverfahren

heute: Czochralski-Verfahren (Tiegelzieh-Verfahren)

Einkristall

Impfkristall

Graphit

Herausziehen

und Rotation 99,9999999% rein

Si-Schmelze

Vom Einkristall zum Wafer

schneiden

schleifen, ätzen,

polieren, reinigen

Einkristall

Verarbeitung

Mikrochips

Photovoltaik

Versuch 1

Darstellung von Siliciumim Labormaßstab

V 1a Darstellung von Silicium

2 Spatel Quarzsand SiO2(s)

3 Spatel Magnesium Mg(s)

NaClNaClQuarz Mg-Pulver

Magnesium

Produkt

Auswertung

+4 0 +2 0

SiO2(s) + 2 Mg(s) 2 MgO(s) + Si(s)

Nebenreaktion

0 0 +2 -4

Si(s) + 2 Mg(s) Mg2Si(s)

2 Nebenprodukte: Mg2Si(s) und MgO(s)

V 1b Darstellung von Silicium

Produkt aus V 1a

NaClSalz-säure

Demonstration

Produkt V 1a Zugabe von HCl

Abdampfen

Produkt 1a Produkt 1b

Auswertung

MgO(s) + 2 HCl(aq) MgCl2(aq) + H2O

Mg2Si(s) + 4 HCl(aq) SiH4(g) + 2 MgCl2(aq)

-4 0 +4 -2 -2

SiH4(g) + 2 O2(g) SiO2(s) + 2 H2O

Si noch mit wenig SiO2 & MgCl2 verunreinigt

Eigenschaften

Chemische Eigenschaften

Verhalten: wie ein Nichtmetall

Reaktivität: feinverteilte Form > grobkristalline Form aber beide Formen nicht besonders reaktiv

Verbrennung an Luft: Si(s) + O2(g) SiO2(s)

Reaktion bei RT: Si(s) + 2 F2(g) SiF4(s)

In Säuren: praktisch unlöslich (SiO2) – Ausnahme HF

In Laugen: gut löslich in heißen Laugen

In Verbindungen: meist vierwertig (sp3-hybr.), keine (p-p)π-Bindung

1000 °C

0 +4 -2

Physikalische Eigenschaften

reines, kristallisiertes Silicium:

dunkelgrau, stark glänzend,

undurchsichtig und spröde

Gitterstruktur:

Diamant-Gitter (α- Modifikation)

pulverförmiges, grau-braunes Silicium:

gleiche Gitterstruktur,

unterschiedliche Teilchengröße, Oberfläche & Störung 25

Leitfähigkeit ?

Demonstration 1

Leitfähigkeit von Siliciumim Vergleich

D 1 Leitfähigkeit von Silicium

Kupferdraht

Glasstab

Silicium-Scheibe

12.34Spannungsquelle

Kupfer

Glas Silicium

Messergebnisse

Kupfer

Silicium

leichter Abfall

konstant 0 mA

von 0 mA auf 0,1 mA

Erklärung: Das Energiebänder-Modell

0 10 20 30 40 50 600

Zeit [s]

0 10 20 30 40 50 600

Zeit [s]

0 10 20 30 40 50 600

Zeit [s]

Grundlage: Molekülorbital-Theorie (MO-Theorie)

Metalle: viele Atome - dicht gepackt

Gedanke: 2 Atome mit 2 AO 1 Molekül mit 2 MO

n AO n MO es gilt: Pauli-Prinzip

n AO: Die Energiedifferenz zwischen den einzelnen

Energieniveaus einer Hauptquantenzahl wird so klein,

dass sie nicht mehr voneinander unterschieden werden

können. Sie bilden ein Energieband!

Das Energiebänder-Modell

2s-Band ausn verschiedenenEnergieniveaus(n 2s-AO)

2p-Band ausn verschiedenenEnergieniveaus(n 2p-AO)Leitungsband

Valenzband

verbotene Zone

1s-Orbital

2s-Orbital

2p-Orbital

Überlappung

1s-Band ausn verschiedenenEnergieniveaus

n Li-Atome Metall aus n Li-Atomen

gebildet aus n 1s-Atomorbitalen

e--Konfiguration 1s2 2s1

Valenzband mit 2n Quantenzuständen halb besetzt

Leitungsband mit 6n Quantenzuständen leer

verbotene Zone

1s-Band mit 2n Quantenzuständen voll besetzt

n Li-Atome Metall aus n Li-Atomen e--Konfiguration 1s2 2s1

Valenzband mit 2n Quantenzuständen voll besetzt

Leitungsband mit 6n Quantenzuständen leer

verbotene Zone

1s-Band mit 2n Quantenzuständen voll besetzt

n Be-Atome Metall aus n Be-Atomen e--Konfiguration 1s2 2s2

Leitungsband

Valenzband

Alkalimetalle Erdalkalimetalle

Überlappung

Leitungsband

Valenzband

Verbotene Zone

Isolator Eigenhalbleiter

Glas Si

Kieselsäuren

und Silicate

Kieselsäuren

Orthokieselsäure SiO2(s) + 2 H2O H4SiO4(aq)

in natürlichen Gewässern: c < 10-3 mol/L

höhere Konzentrationen:

spontane Kondensation

OH- H2O - H2O

Silicate

Salze der Kieselsäuren (beständig)

Si bildet SiO4-Tetraeder – über Ecken verknüpft

Kieselgel/Silicagel

Kieselgel: hochkondensierte, wasserreiche Kieselsäure

Silicagel: entwässert Trocknungsmittel

Versuch 2

Ausfällen von Kieselsäure aus Wasserglas-Lösung

V 2 Ausfällen von Kieselsäure

Ethanol96 %

Wasser-glas Salz-

säure

Wasserglas-Lösung

Zugabe von Salzsäure

Auswertung

Na2SiO3(aq) + 2 HCl(aq) „H2SiO3(aq)“ + 2 Na+(aq) + 2 Cl-(aq)

Metakieselsäure

Kondensation zu Polykieselsäuren

Versuch 3

Ein chemischer Garten

V 3 Ein chemischer Garten

Chemikalien Aufbau und DurchführungWasserglas-Lösung (30%ig)

Metallsalze

Ethanol96 %

Wasser-glas

NaClNaCl

NaCl NaCl NaClNiSO4CuSO4 CaCl2Ethanol

96 %NaClFeCl3glas

Wasser-CuSO4 ∙ 5 H2O

CuCl2 ∙ 2 H2O

NiSO4 ∙ 6 H2O

CoCl2 ∙ 2 H2O

nach 30 min

nach 2 d

nach 20 min nach 7 d

Auswertung

Kristall

Wasserglas

semipermeableHaut

Wasser

gelöste Metallsalze

Silicat-Typen

Inselsilicate isolierte [SiO4]4--Tetraeder

Gruppensilicate Doppeltetraeder [Si2O7]6-

Ringsilicate verschiedene Ringe

z.B. [Si6O18]12-

Kettensilicate Verknüpfung der Tetraeder zu Ketten

z.B. [(SiO3)n]2n-

Schichtsilicate SiO4-Tetraeder über 3 Ecken mit

Nachbartetraeder verknüpft

Gerüstsilicate SiO4-Tetraeder über alle 4 Ecken verknüpft47

Zeolithe

gr. zein = sieden gr. lithos = Stein

kristalline, hydratisierte Alumosilicate; Alkali- & Erdalkalimetalle

Zeolith A

Gerüstsilicat mit großen Hohlräumen

Hohlräume durch kleinere Kanäle verbunden

in Hohlräumen: Kationen/ Wassermoleküle48

Na12[Al12Si12O48] ∙ 27 H2O

Versuch 4

Eigenschaften von Zeolithen

V 4 Eigenschaften von Zeolithen

Chemikalien Aufbau und DurchführungZeolith A

Kupfersulfat-Lsg. (c = 0,1 mol/L)

Ammoniak-Lsg.(c = 2 mol/L)

Ethanol96 %

ZeolithNaCl

CuSO4-Lsg. NH3(aq)

CuSO4-Lösung Zugabe von NH3 Zeolith

nach 5 min Mischung Abdampfen

Zeolith

nachher Zeolith

vorher

Auswertung

Bildung des Hexaaqua-Komplexes

Cu2+(aq) + 6 H2O [Cu(H2O)6]2+

Hexaaquakupfer(II)-Komplex

Bildung des Tetraammin-Komplexes

[Cu(H2O)6]2+ (aq) + 4 NH3(aq) [Cu(NH3)4(H2O)2]2+

(aq) + 4 H2O

Tetraammindiaquakupfer(II)-Komplex

Zeolithe

Gerüstsilicate mit großen Hohlräumen

Hohlräume durch kleinere Kanäle verbunden

in Hohlräumen: Kationen/ Wassermoleküle

Ionenaustauscher Austausch von Na+-Ionen gegen Cu2+-Ionen

Gleichgewichtsreaktion (LE CHATELIER)

Adsorption Wirkung als Molekularsieb

Synthese von passenden Zeolithen

Zeolith A

V 6 Herstellung von Glas

Glasmischung

5 min – 600 W

KM nO4

AgNO 30 ,05 M

Et hanol96 %

Simon-Müller-Ofen

Silicone

Bau und Synthese

Müller-Rochow-Synthese (schematische Reaktion)

CH3Cl(g) + Si(g) MeSiCl3(g) + Me2SiCl2(g) + Me3SiCl(g)

Me3SiCl (g) Me3SiOH(g)

Polykondensation

OSi Si O Si

CH3 CH3 CH3

300 – 400 °C

‹Cu/Si›

OH H O

CH3 - H2O - H2O

Silanole

Methylchlorsilane

Versuch 5

Eigenschaften von Silicon

V 5 Eigenschaften von Silicon

Polystyrol - PS Quellprobe Brennprobe

Silicon - SI

Ethylacetat

NaClEthyl-acetat

PS & SI

SIPS PS mit Ethylacetat

Brennprobe SI

Brennprobe PS

SI in Ethylacetat, Säuren und Laugen

Auswertung

Brennprobe mit SI

+ 4n O2(g) n SiO2(s) + 2n CO2(g) + 3n H2O

Brennprobe mit PS (schematische Reaktionsgleichung)

+ O2(g) C(s) + CO2(g) + H2O

sehr stabil - chemisch wenig reaktiv

Si–O—Si-Bindung Si—CH3-Bindung

- je nach Mischung: dünnflüssig, ölig, kautschukartig oder harzähnlich

- hydrophob, elektrisch nicht leitend

- thermische Zersetzung ab 650 °C

- resistent gegenüber verdünnten Laugen/Säuren/Lösungsmitteln

- physiologisch gelten sie als unbedenklich

vielfältiger Einsatz

Isoliermaterial, Dichtungen, Imprägnierungen, Schläuche …

Allgemeines

alter Werkstoff

1500 v. Chr. Mesopotamien – Gefäße aus Glas

1300 v. Chr. Ägypten – bunte Perlen & Schmucksteine

chemisch gesehen …

Hauptbestandteil SiO2

Netzwerkbildner saure Oxide, neben SiO2 z.B. auch B2O3, Al2O3

Trennstellenbildner basische Oxide, z.B. Na2O, K2O, CaO

amorphe, ohne Kristallisation erstarrte Schmelze

Aufbau

Netzwerkbildner SiO2

dreidimensionales Netzwerk aus eckenverknüpften Tetraedern

kristallines SiO2

SiO4-Tetraeder

Aufbau

Trennstellenbildner

trennen Si—O—Si-Brücken

SiO2 mit Netzwerkbildnern

Glas ≠ Glas

SiO4-Tetraeder

Kationen

Glas ≠ Glas

Quarzglas reines SiO2

hitzebeständig, UV-durchlässig

Gebrauchsglas SiO2, Na2O, CaO

Natron-Kalk-Gläser

Thüringer Glas Zusatz von K2O

schwerschmelzbar

Duran®-Glas/ Jenaer-Glas Zusatz von B2O3

Bor-Silikat-Gläser: Erhöhung der chemischen Resistenz und Festigkeit

Versuch 6

Herstellung von Glas

Glasmischung

5 min – 600 W

01,0 g SiO2(s)

10,6 g H3BO3(s)

01,8 g Na2CO3(s)

01,7 g CaCO3(s)

04,2 g Li2CO3(s)

KM nO4

AgNO 30 ,05 M

Et hanol96 %

AST-Element Simon-Müller-Ofen

AST-Elementin der

Mikrowelle Glasperle

2. Durchgang

Tiegel Simon-Müller-Ofen Tiegel im Ofen

Schmelze

Borglasmischung Zusätze

ohne Zusatz farblos

CuSO4∙5 H2O(s) blau

Fe2O3(s)

bernsteinfarben

Cr2O3(s) grün

01,0 g SiO2(s)

10,6 g H3BO3(s)

01,8 g Na2CO3(s)

01,7 g CaCO3(s)

04,2 g Li2CO3(s)

Netzwerk-bildner

Trennstellen-bildner

Auswertung

2 H3BO3(s) B2O3(l) + 3 H2O Netzwerkbildner

Na2CO3(s) Na2O(s) + CO2(g) Trennstellenbildner

+ O2-(l) + 2 Na+

Glasschmelze! 72

Trennstellen

Silicium in der Schule

Q4 Wahlthema Werkstoffe

Silicate (Vorkommen, Aufbauprinzip, technische Silicate);

Reinstsilicium; Halbleitertechnologie; Siloxane; Silicone;

Glas (Geschichte, Herstellung, Struktur);

Keramische Werkstoffe

Auszug aus: Lehrplan Chemie (Hessen).

Literatur Vgl. Hessisches Kultusministerium: Lehrplan Chemie.

http://www.kultusministerium.hessen.de/irj/HKM_Internet?cid=ac9f301df54d1fbfab83dd3a6449af60

Vgl. Holleman, A., Wiberg, N. und E.: Lehrbuch der Anorganischen Chemie. 102. Auflage. DE GRUYTER. München. 2007. S. 531ff.

Vgl. Riedel, E., Janiak, C.: Anorganische Chemie. 8. Auflage. DE GRUYTER. Berlin und Düsseldorf. 2011.

S. 179ff, S. 379, S. 512f, S.520 – 551.

Vgl. Häusler, K., Rampf, H., Reichelt, R.: Experimente für den Chemieunterricht. 2. Auflage.

Oldenbourger Schulverlag. München. 1995. S. 169 – 173, S. 337f.

Vgl. Tausch, M.: Chemie SII. 2. Auflage. Buchners Verlag. Würzburg. 2007. S. 357ff.

Vgl. Seilnacht, T.: Silicium. URL: http://www.seilnacht.com/Lexikon/14Silici.htm

Vgl. Seilnacht, T. Quarzvarietäten. URL: http://seilnacht.com/Minerale/quarz.html

Vgl. Neumüller, B.: Silicium. Mitschrift im Seminar zum AC-I-Praktikum. 16. und 18. Januar 2012

Vgl. http://it-material.de/ -Schoettler, M.

Literatur Vgl. Autorenkollektiv: Silicium.

In: NiU-C. Heft-Nr. 10/1991. Themenband.

Vgl. Autorenkollektiv: Silicium.

In: PdN-ChiS. Heft-Nr. 5/1988. Themenband.

Vgl. Lühken, A., Bader, H.-J.: Herstellung von Glas und Email im Mikrowellenofen.

In: PdN-ChiS. Heft-Nr. 2/2002. S. 41 -44.

Vgl. Auner, N.: Silicium als Energieträger.

In: Heft-Nr. 8/2003. S. 2 – 7.

Vgl. Schwedt, G.: Teil 2 – Silicium.

In: PdN-ChiS. Heft-Nr. 8/2003. S. 35f.

Vgl. Nick, S., Chomicz, Z.: Zeolithe selbst gemacht.

In: CHEMKON. Heft-Nr. 1/2013. S. 14 – 20.

Vgl. König, A.: Experimentelle Untersuchung von Kunststoffen aus dem Alltag. In: Praxis der Naturwissenschaften. 4/49 Jg. 2000. S. 39ff.

Literatur Vgl. Institut für Arbeitsschutz der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung: Stoffdatenbank Gestis. URL:

http://www.dguv.de/ifa/de/gestis/stoffdb/index.jsp.

Abbildungsverzeichnis Zugriff: November 2013

Sand am Meerhttp://www.fotos.sc/img2/u/michi/h/Strand_Sonne_Urlaub_Sand_Meer.jpg

Kieselhttps://commons.wikimedia.org/wiki/File:Quarznormal.JPG

Bergkristallhttp://seilnacht.com/Lexikon/14Silici.htm

Amethysthttp://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/1a/Amethyst_Druse.jpg

Opalhttp://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/4a/Opal_veins.jpg

Feldspathttp://ruby.chemie.uni-freiburg.de/Vorlesung/silicate_8_6.html

Beryll http://de.wikipedia.org/wiki/Beryll

Glimmerhttps://commons.wikimedia.org/wiki/File:Glimmer.jpg

Olivinhttps://commons.wikimedia.org/wiki/File:Olivin-mt-erebus_hg.jpg

Tonhttps://commons.wikimedia.org/wiki/File:Clay-ss-2005.jpg

Zeolith A - Gerüsthttp://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/03/Zeolith_A-Struktur.png

Berzeliushttp://www.seilnacht.com/Lexikon/14Silici.htm

Lichtbogenofenhttp://it-material.de/IT-online5/wp-content/uploads/2009/06/Einfuehrung-MST-Part4_Folie44.jpg

Einkristallhttp://commons.wikimedia.org/wiki/File:Monokristalines_Silizium_f%C3%BCr_die_Waferherstellung.jpg

Siliciumhttp://www.seilnacht.com/Lexikon/14Silici.htm

Diamant-Gitterhttp://www.guidobauersachs.de/anorg/diamant.gif

Siilicagelhttp://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/71/SilicaGel.jpg

Vielen Dank für Ihre

Aufmerksamkeit

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