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

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Experimentalvortrag AC

„Silicium und seine Verbindungen“

SS 2009

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Gliederung

1. Einleitung

2. Silicium : Herstellung und Eigenschaften

D1, V1

3. Silane V2

4. Kieselsäure und Silicate V3, D2, V4

5. Silicone V5

6. Schulrelevanz

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1. Einleitung

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Allgemeines

• Silicium vom lateinischen „silex“ - Kieselstein

1. Einleitung

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5

• 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

Geschichte

1. 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:

SiO_2(s) + 2 Mg_(s) Si_(s) + 2 MgO_(s)

+ 2 Mg_(s)

Si_(s) Mg₂Si_(s)

MgO_(s) + 2 HCl_(aq) MgCl_2(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):

Al₂O_3(s) + 6 HCl_(aq) + 9 H₂O 2 [Al(H₂O)₆]Cl_3(aq)

Hexaqua-aluminium-(III)-chlorid

3 SiO_2(s) + 4 Al_(s) 3 Si_(s) + 2 Al₂O_3(s)

6 HCl_(aq) 2 [Al(H₂O)₆]Cl_3(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

SiO_2(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) ^SiHCl^{3 (l)} + ^H²

4 SiHCl_3(g) + H_2(g) 2 Si_(s) + SiCl_4(g) + SiCl_2(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

Chemische Eigenschaften

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Versuch 1:

Halbleitereigenschaften des Siliciums

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Auswertung: Versuch 1

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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

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3. Silane

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3. Silane

Versuch 2:

Herstellung von Monosilan

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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)

Mg₂Si_(s) + 4 HCl_(aq) 2 MgCl_2(aq) SiH+ _4(g)

3. Silane

SiH_4(g) 2 O+ _2(g) SiO_2(g) 2 H+ ₂O

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• Monosilan: farbloses Gas

• allgemeine Formel: Si_nH_2n+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

SiH_4(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 O

H

4. Kieselsäure und Silicate

Si OH OH

OH O

H Si OH

OH

OH O

H

SiO_2(s)+ 2 H₂O H₄SiO_4(aq)

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Versuch 3:

Ausfällen von Metakieselsäure aus Wasserglas

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Auswertung: Versuch 3

• die schwache Kieselsäure wird durch HCl aus ihrem Salz vertrieben

• Kondensation zu größeren Molekülen

O Si

OH

O Si

R

OH

O R (H₂SiO₃)_n

Na₂SiO_3(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)

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

Silicate

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Demo 2:

Der chemische Garten

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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

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“:

Quelle: www.chemieunterricht.de

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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

N N

S O

O O^-

C H₃

Na⁺

- + + -

N

S⁺ N

N C H₃

C H₃

CH₃ CH₃ Cl^-

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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

C H₃ CH₃

O

H CH₃

Si OH OH

C H₃

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 O O

H Si O Si O Si OH

C H₃

CH₃

C H₃

CH₃

C H₃

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6. Schulrelevanz

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Chemikalien

6. Schulrelevanz

Versuch: Chemikalien: Einstufung:

1 Siliciumscheibe S1

2 Magnesiumsilicid

Salzsäure c = 2 mol/L

LV

3 Wasserglas

Salzsäure c = 2 mol/L

S1

4 Zeolith A

Methylorange, Methylenblau

S1

5 Simethicon S1

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Themen

6. 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

(43)

• 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.