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

4

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)

6

• 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

9

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