Experimentalvortrag AC„Silicium und seine Verbindungen“
SS 2009 Meike Griesel
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Gliederung
1. Einleitung2. Silicium : Herstellung und Eigenschaften
D1, V1
3. Silane V2
4. Kieselsäure und Silicate V3, D2, V4
5. Silicone V5
6. Schulrelevanz
7. Literatur
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1. Einleitung
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Allgemeines
• Silicium vom lateinischen „silex“ - Kieselstein
1. Einleitung
Quelle: http://leifi.physik.uni-muenchen.de Quelle: www.de.wikipedia.org/ wiki/Diamantstruktur
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• 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
1. Einleitung
Allgemeines (2)
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• vor 6000 Jahren: Glasherstellung in Syrien und Phönezien
• Edelsteine als Schmuck und als Heilmittel– Topas: vergiftete Speisen erkennen, Sehkraft
verbessern
Geschichte1. Einleitung
• 1823: J.J. Berzelius stellt erstmals amorphes Silicium dar
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Gegenwart
• SiO2 als Trockenmittel in Tablettenröhrchen• Silicone (z.B. Schmiermittel, Beschichtungen)• Medizin
– Kieselsäure • Reinsilicium ist „Grundwerkstoff“ des 21.
Jahrhunderts– Energieversorgung– Information- und Unterhaltungstechnologie
1. Einleitung
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2. Silicium: Herstellung und Eigenschaften
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2. Silicium: Herstellung und Eigenschaften
Demo 1:Labordarstellungen von amorphem und
kristallinem Silicium
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Auswertung: Demo 1
Darstellung von braunem, amorphem Silicium: + IV 0 0 +II
Nebenreaktion: 0 0 +II -IV
MgO + Mg2Si werden mit HCl (aq) umgesetzt:
SiO2(s) + 2 Mg(s) 2 MgO(s)+Si(s)
2. Silicium: Herstellung und Eigenschaften
+ 2 Mg(s)Si(s) Mg2Si(s)
+MgO(s) + 2 HCl(aq) MgCl2(aq) H2O
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Auswertung: Demo 1 (2)
Darstellung von silbernem, kristallinem Silicium: +IV 0 0 + III
Umsetzung von Al + Al2O3 mit HCl (aq) :
Al2O3(s) 6 HCl(aq) 9 H2O 2 [Al(H2O)6]Cl3(aq)+ +
2. Silicium: Herstellung und Eigenschaften
Hexaqua-aluminium-(III)-chlorid
3 SiO2(s) 4 Al(s) 3 Si(s) 2 Al2O3(s)+ +
6 HCl(aq) 2 [Al(H2O)6]Cl3(aq)+ +2 Al(s) 12 H2O 3 H2 +
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Technische Darstellung
• Lichtbogenreduktionsofen, 2000°C +IV 0 0 +II
• 98% reines Silicium– Siliconherstellung– Legierungen von Leichtmetallen
• Halbleitertechnik: 99,9999999% reines Silicium
2. Silicium: Herstellung und Eigenschaften
SiO2(s) 2 C(s) Si(l) 2 CO(g)+ +
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Technische Darstellung (2)• Wirbelschichtreaktor 0 +I +II 0
• Destillation: Trichlorsilan siedet bei 31,8°C• Abscheidung des Si durch H2 -Verdampfung
• Tiegelziehverfahren / Zonenschmelzverfahren
Si(s) + 3 HCl(g) SiHCl3 (l) H2+
2. Silicium: Herstellung und Eigenschaften
4 SiHCl3(g) H2(g) 2 Si(s) SiCl4(g) SiCl2(g) 6 HCl(g)++ + +
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• 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
Chemische Eigenschaften
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Versuch 1:Halbleitereigenschaften
des Siliciums
2. Silicium: Herstellung und Eigenschaften
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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
Quelle: www.computerbase.de/ lexikon/Dotierung
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3. Silane
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3. Silane
Versuch 2:Herstellung von Monosilan
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Auswertung: Versuch 2Darstellung 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)
Mg2Si(s) 4 HCl(aq) 2 MgCl2(aq) SiH4(g)+ +
3. Silane
SiH4(g) 2 O2(g) SiO2(g) 2 H2O+ +
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• Monosilan: farbloses Gas
• allgemeine Formel: SinH2n+2
• bis n = 15 hergestellt
3. Silane
Eigenschaften
Quelle: http://ots.fh-brandenburg.de
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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
SiH4(g) Si(l) + 2 H2
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4. Kieselsäure und Silicate
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Kieselsäure
• Orthokieselsäure: H4SiO4
– Bildung:
– nur in großer Verdünnung beständig (> 10-3 mol/l)
• bei höherer Konzentration: Polymerisation
Si OH
OH
OH
OH
4. Kieselsäure und Silicate
Si OH
OH
OH
OH Si OH
OH
OH
OH
SiO2(s) + 2 H2O H4SiO4(aq)
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Versuch 3: Ausfällen von Metakieselsäure aus Wasserglas
4. Kieselsäure und Silicate
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Auswertung: Versuch 3
• die schwache Kieselsäure wird durch HCl aus ihrem Salz vertrieben
• Kondensation zu größeren Molekülen
SiO
OH
OH
O SiR
OH
OH
O R (H2SiO3)n
4. Kieselsäure und Silicate
Na2SiO3(l) + 2 HCl (aq) 2 Na+
(aq) + 2 Cl-(aq) + "H2SiO3"(s)
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• 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
Polykieselsäuren
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• 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
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Demo 2:Der chemische Garten
4. Kieselsäure und Silicate
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• 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
Auswertung: Demo 2
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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]
[SiO4]-4
[Si2O7]-6
4. Kieselsäure und Silicate
[Si6O18]-12
[Si3O9]-6
[Si2O6]-4
[Si4O10]-4
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Zeolithe• kristalline, hydratisierte Aluminosilicate
• enthalten Alkali- bzw. Erdalkalimetallkationen
• in den Hohlräumen befinden sich Wasser und Kationen
• Zeolith A „Sasil“:
4. Kieselsäure und Silicate
Na12[Al12Si12O48] * 27 H2O
Quelle: www.chemieunterricht.de
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4. Kieselsäure und Silicate
Versuch 4:Die Ionenaustauschwirkung
von Zeolithen
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Auswertung: Versuch 4
• Methylenblau
• Methylorange
MB+Cl
- + Na
+Zeo
-MB
+Zeo
- + Na
+ + Cl
-
4. Kieselsäure und Silicate
N
NN
S
O
O
O-
CH3
CH3
Na+
MO-Na
+ + Na
+Zeo
-
N
S+ NN
CH3
CH3
CH3
CH3Cl-
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5. Silcone
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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
5. Silicone
Si O Si
CH3 CH3
CH3CH3
OH CH3Si OH
OH
CH3
CH3
+
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Versuch 5:Simethicon wirkt
Schaumbildung entgegen
5. Silicone
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Auswertung: Versuch 5
• Dimethicon + SiO2 = Simethicon
• wasserlösliches Silicon• erhöht Oberflächenspannung von Wasser /
Seifenlauge – Schaumblasen zerplatzen– neuer Schaumbildung wird entgegen gewirkt
5. Silicone
Si OOH Si O Si O Si OH
CH3
CH3
CH3
CH3
CH3
CH3
CH3
CH3
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6. Schulrelevanz
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Chemikalien6. Schulrelevanz
Versuch: Chemikalien: Einstufung:1 Siliciumscheibe S1
2 MagnesiumsilicidSalzsäure c = 2 mol/L
LV
3 WasserglasSalzsäure c = 2 mol/L
S1
4 Zeolith AMethylorange, Methylenblau
S1
5 Simethicon S1
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Themen6. Schulrelevanz
Thema Schulstufe
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
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7. Literatur
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• 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.
Literatur