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.)

2

Ethanol96 %

Wasser-glas Salz-

säure

Versuch 3



Eisen(III)-chlorid

3

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).

4

Allgemeines Eigenschaften Silicate Silicone Glas

Allgemeines

5

Stellung im Periodensystem der Elemente

6

C

Si

Ge

Sn

Pb

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

7


Si: 27,2 % 2. häufigstes Element!

Häufigkeit des Elements in der Erdkruste

Vorkommen

MassenanteilOSiAlFeCaMg NaKRest

8


Vorkommen

In welcher Form?

nie elementar

zahlreiche Si-O-Verbindungen:

überwiegend als Siliciumdioxid und in Form zahlreicher Silicate

9

… wie Sand am Meer

bzw. als Sand am Meer

…

Silicate & SiO2: 90% der Erdkruste!


freies SiO2

silicatische Minerale

Vorkommen

10

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

11

… 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)

12

1800 °C

Elektroden

Edukte

CO(g)

Si(l)

Mauer & Blechmantel

Querschnitt von außen


99% rein


Reinstsilicium

0 +1 +2 0

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

13

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)

14

Einkristall

Impfkristall

Quarz

Graphit

Herausziehen

und Rotation 99,9999999% rein

Si-Schmelze


Vom Einkristall zum Wafer

schneiden

schleifen, ätzen,

polieren, reinigen


15

Einkristall

Verarbeitung

Mikrochips

Photovoltaik

…

Wafer


Versuch 1

Darstellung von Siliciumim Labormaßstab

16


V 1a Darstellung von Silicium


2 Spatel Quarzsand SiO2(s)

3 Spatel Magnesium Mg(s)

17

NaClNaClQuarz Mg-Pulver



18

Quarz

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)

19


V 1b Darstellung von Silicium


Produkt aus V 1a


20

NaClSalz-säure

Demonstration



21

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

22


Eigenschaften

23

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

24

1000 °C


0

0 0

0 +4 -2

+4 -1

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

26


D 1 Leitfähigkeit von Silicium


Kupferdraht

Glasstab

Silicium-Scheibe

27

_ +on

V

12.34Spannungsquelle

mA_ +

123.0



Kupfer

28

Glas Silicium



Messergebnisse

29

Kupfer

Glas

Silicium

leichter Abfall

konstant 0 mA

von 0 mA auf 0,1 mA

Erklärung: Das Energiebänder-Modell


0 10 20 30 40 50 600

2

4

6

8

10

12

Zeit [s]

Str

om

stä

rke [

mA

]

0 10 20 30 40 50 600

2

4

6

8

10

12

Zeit [s]

Str

om

stä

rke [

mA

]

0 10 20 30 40 50 600

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.45

0.5

Zeit [s]

Str

om

stä

rke [

mA

]

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

30


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

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

Valenzband


31

verbotene Zone

En

erg

ie

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


32

verbotene Zone

En

erg

ie

1s

2s

2p

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


33

verbotene Zone

En

erg

ie

1s

2s

2p

1s-Band mit 2n Quantenzuständen voll besetzt

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



34

En

erg

ie

Leitungsband

Valenzband

Alkalimetalle Erdalkalimetalle

Überlappung



35

En

erg

ie

Leitungsband

Valenzband

Verbotene Zone

Isolator Eigenhalbleiter


Glas Si

Kieselsäuren

und Silicate

36

Kieselsäuren

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

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

höhere Konzentrationen:

spontane Kondensation

37

Si

OH

H O

OH

Si

OH

OH

OH

Si

OH

OHH O

OH

Si

OH

OHOH

OH

0Si

OH

O

OH

Si

OH

OH

Si

OH

O

OH

Si

OH

OH- H2O - H2O


Silicate

Salze der Kieselsäuren (beständig)

Si bildet SiO4-Tetraeder – über Ecken verknüpft

Kieselgel/Silicagel

Kieselgel: hochkondensierte, wasserreiche Kieselsäure

Silicagel: entwässert Trocknungsmittel

38

Si

O-

O- O

-

O-


Versuch 2

Ausfällen von Kieselsäure aus Wasserglas-Lösung

39


V 2 Ausfällen von Kieselsäure




40

Ethanol96 %

Wasser-glas Salz-

säure



41

Wasserglas-Lösung

Zugabe von Salzsäure



Auswertung

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

Metakieselsäure

Kondensation zu Polykieselsäuren

42

Si

OH

O

OH

Si

OH

OH

Si

OH

O

OH

Si

OH

OH


Versuch 3

Ein chemischer Garten

43


V 3 Ein chemischer Garten

Chemikalien Aufbau und DurchführungWasserglas-Lösung (30%ig)

Metallsalze

44

Ethanol96 %

Wasser-glas

NaCl

NaClNaCl

NaCl NaCl NaClNiSO4CuSO4 CaCl2Ethanol

96 %NaClFeCl3glas

Wasser-CuSO4 ∙ 5 H2O

CuCl2 ∙ 2 H2O

NiSO4 ∙ 6 H2O

FeCl3

CoCl2 ∙ 2 H2O

CaCl2



45

nach 30 min

nach 2 d

nach 20 min nach 7 d



Auswertung

46

Kristall

Wasserglas

semipermeableHaut

Wasser

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

49


V 4 Eigenschaften von Zeolithen

Chemikalien Aufbau und DurchführungZeolith A

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

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

50

Ethanol96 %

on on

ZeolithNaCl

CuSO4-Lsg. NH3(aq)



51

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+

(aq)

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


52


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


53

Zeolith A


V 6 Herstellung von Glas


Glasmischung

54

5 min – 600 W

KM nO4

NaCl

AgNO 30 ,05 M

Et hanol96 %

Simon-Müller-Ofen


Silicone

55

Bau und Synthese

Müller-Rochow-Synthese (schematische Reaktion)

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

Me3SiCl (g) Me3SiOH(g)

Polykondensation

56

OSi Si O Si

O

CH3

CH3

CH3 CH3 CH3

O

O

300 – 400 °C

‹Cu/Si›

+ H2O

- HCl

SiH O

CH3

Si

CH3

OH Si

O H

OH H O

CH3

Si

CH3

OHCH3

CH3 - H2O - H2O


Silanole

Methylchlorsilane

Versuch 5

Eigenschaften von Silicon

57


V 5 Eigenschaften von Silicon


Polystyrol - PS Quellprobe Brennprobe

Silicon - SI

Ethylacetat

58

NaClEthyl-acetat

PS & SI

PS SI



59

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

60

Si O

CH3

CH3

n

n


(s)

(s)


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

61

vielfältiger Einsatz

Isoliermaterial, Dichtungen, Imprägnierungen, Schläuche …


Glas

62

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

63

amorphe, ohne Kristallisation erstarrte Schmelze


Aufbau

Netzwerkbildner SiO2

dreidimensionales Netzwerk aus eckenverknüpften Tetraedern

64

kristallines SiO2

SiO4-Tetraeder

Si


Aufbau

Trennstellenbildner

trennen Si—O—Si-Brücken

65

SiO2 mit Netzwerkbildnern

Glas ≠ Glas

SiO4-Tetraeder

Si

Kationen


Glas ≠ Glas

66

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

67




Glasmischung

68

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

NaCl

AgNO 30 ,05 M

Et hanol96 %

AST-Element Simon-Müller-Ofen



69

AST-Elementin der

Mikrowelle Glasperle

2. Durchgang



70

Tiegel Simon-Müller-Ofen Tiegel im Ofen

Schmelze



Borglasmischung Zusätze

ohne Zusatz farblos

CuSO4∙5 H2O(s) blau

Fe2O3(s)

bernsteinfarben

Cr2O3(s) grün

71

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+

(l)

Glasschmelze! 72

Si

O

O-

O

O

-O Si

O

O

O

Na+

Na+

Si

O

O Si

O

O

O

O

O(l)

(l)


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).

73


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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