Transcript ppt
Polokovy Polokovy Vlastnosti polokovů • „metaloidy“ • Prvky s vlastnostmi na rozhraní kovů a nekovů • B, Si, As, Te Prvek Kovové vlastnosti Nekovové vlastnosti Bor (B) Elektropositivní ve sloučeninách s nekovy – B4N, BN, BCl3 Nevodič Elektronegativní ve sloučeninách s kovy – TiB2 Křemík (Si) Lesklý Elektropositivní ve sloučeninách s nekovy – SiC, Si3N4, SiCl4 Elektronegativní ve sloučeninách s kovy – Mg2Si, Ni2Si Arsen (As) Kovový vzhled Vodič Elektronegativní ve sloučeninách s kovy – Ca3As2 Tellur (Te) Lesklý Elektronegativní ve sloučeninách s kovy – Cu2Te, Al2Te3 Bor • • • • Vyráběn v malých množstvích Spíše theoretické studie Elementární bor – molekuly B12 Výroba: • B2O3 + 3Mg → 2B + 3MgO • 2BBr3 + 3H2 → 2B + 6HBr (velmi čistý bor) • Využití: – – – – Přísada do borosilikátového skla Keramika – emaily, glasury Řídící tyče v reaktorech Pyrotechnika Sloučeniny boru • Borany – Boran – BH3 • Samostatný neexistuje • Možná příprava pouze ve „stabilisovaném“ stavu – navázaný na nosičovou molekulu, např. BH3.ether – Diboran – B2H6 • Třístředová dvouelektronová vazba Sloučeniny boru • Oxid boritý – B2O3 • Kyselina boritá – H3BO3 • Nitrid boritý – BN • Borax Na2[B4O5(OH)4].8H2O – Nízká teplota tání – 450 °C – Použití ve sklářství – Velmi stálý a nereaktivní – Tvrdost blízká diamantu – Strukturu podobná grafitu – Kovoobráběcí nástroje – Slabá kyselina – Použití v očním lékařství jako borová voda – Universální tavidlo – Ochrana proti oxodaci – Metalurgie Křemík • Lesklý • Polovodič • Struktura molekula shodná s diamantem • Výroba: – Redukce oxidu křemičitého koksem za vysokých teplot (nad 2000 °C): • Výroba extrémně čistého křemíku: – 1. krok: nebo C SiO2(l ) 2C( s ) 2000 2Si(l ) CO( g ) Si( s ) Cl2( g ) SiCl4( g ) SiO2( s ) 2Cl2 2C( s ) SiCl 4( g ) 2CO( g ) a destilace – 2. krok: SiCl4( g ) 2H2( g ) Si( s ) 4HCl( g ) – 3. krok: Methoda zonálního tavení Methoda zonálního tavení • Tyč čistého křemíku (průměr cca 20 cm) v trubici s inertním plynem protahována vysokoteplotní zónou (indukční ohřev) • Nečistoty se hromadí v roztaveném Si • Po ukončení procesu uříznuta část s nahromaděnými nečistotami Výroba monokrystalického Si pro polovodiče • Methoda tažení z kelímku • Na tyč se uchytí zárodek monokrystalu křemíku a ponoří se do kelímku s roztaveným křemíkem • Tyč se pomalu za protichůdného otočného pohybu kelímku a tyče s monokrystalem vytahuje • Monokrystal křemíku přenáší svoji strukturu • Produktem tyč o délce až 1 m s průměrem až 100 mm, na koncích zúžená. • Z monokrystalu se nařežou tenké asi 0,5 až 1 mm tlusté plátky • Typ vodivostí (P nebo N) se zajišťuje v plynné či kapalné fázi dotováním atomy s větším (As), nebo menším (B) počtem e- Použití křemíku • Integrované obvody (čipy) • Příměsové polovodiče • Výroba skla (sloučeniny, ne elementární) Polovodiče – vodivostní pás a druhy vodivosti • • • • • Polovodič – látka vedoucí el. Proud jen za některých podmínek (vysoká teplota, tlak, etc.) Základ polovodivosti i vodivosti – usnadněný přestup elektronů do vodivostního pásu (vlastně antivazebný orbital) Různé typy vodivosti zajišťovány dotováním – přimícháváním atomů jiných prvků Vodivost N – přimíchání atomu s vyšším počtem elektronů → přebytek elektronů ve struktuře (N = negativní) Vodivost P – přimíchání atomu s menším počtem elektronů → vznik vodivostních děr – nedostatek elektronů ve struktuře (P = positivní) Vodivost typu N Vodivost typu P Sloučeniny křemíku • Silany – Nestabilní sloučeniny (malá energie vazby Si – Si a Si – H) • Monosilan (silan) – SiH4 • Analog methanu – Využití silanů – polovodičové vrstvy Si (např. sluneční materie) • Oxid křemičitý – SiO2 – Součást skla a keramiky – Polymerní struktura (vzájemně propojené tetraedry SiO4) – Křemen – nejběžnější forma SiO2 • Součást žuly, pískovce, křemenný písek • Příměsi zbarvují (ametyst, etc.) Využití oxidu křemičitého • Křemenné sklo – – – – – Vzniká roztavením křemene a zpětným ochlazením Křehké Méně tepelně roztažné – slabší pnutí při ochlazení, nepraská Hůře tvarovatelné Drahé • Optická vlákna – Optické vlnovody – Výroba potřebného SiO2: – Přenos informací pomocí světla • Silikagel SiCl4( g ) O2( g ) SiO2( s ) Cl2( g ) Na2 SiO3(aq ) 2H3O (aq) SiO2( s) 2Na(aq) 3H2O(l ) – Příprava: – Stacionární fáze pro chromatografii CoCl2 .6H2O( s) – Sušidlo (vlhkost lze detekovat CoCl2): CoCl2( s ) 6H2O(l ) modrý růžový Křemičitany a jejich využití • Hlíny, jíly, břidlice • Deriváty kyseliny křemičité • Výroba silikátových materiálů (sklo, keramika, maltoviny) Kaolín a keramika • Kaolín: hornina složená z kaolinitu (Al2O3.SiO2.2H2O), křemene (SiO2) a živců (např. ortoklas – KAlSi3O8) – výroba porcelánu • Vypalování keramiky – proces vedoucí ke ztrátě vody a propojení jednotlivých složek (přímo, nebo prostřednictvím pojiv) • Keramické materiály – – – – – Složení: SiO2, Al2O3 a oxidy dalších prvků Odolné v běžných podmínkách Špatné vodiče tepla a el. proudu Mechanicky křehké Cihlářské výrobky, obkladové materiály, zdravotní keramika, kameninové výrobky, porcelán, žáruvzdorné materiály (šamot, dinas), tepelně isolační materiály (expandovaný perlit) Sklo • Nekrystalické, amorfní směsi oxidů o složení cca 6 SiO2.Na2O.CaO • Výroba: tavení sklářského písku (SiO2), vápence (CaCO3) a sody (Na2CO3) • Lahvové sklo – nalití taveniny do formy • Tabulové sklo – nalití taveniny na rovný povrch – roztavený cín, rtuť • Sklo = podchlazená tavenina • Závislosti závislé na složení skloviny • Přídatné látky: – B2O3 – zlepšuje odolnost vůči změnám teploty – PbO – zvyšuje index lomu a lesk – Cr2O3 – zelené zbarvení – AgCl – fotochromické sklo (= tmavne a světlá v závislosti na intensitě osvitu) • Sklo je napadáno alkalickými roztoky i vařící vodou! Maltoviny • Užití ve stavebnictví = pojiva • Ca(OH)2, sádra (CaSO4.1/2H2O), cement • Přírodní zdroje, nebo průmyslové odpady (struska – CaSiO3, odsiřování – sádra) • Cement – Křemičitany a hlinitokřemičitany vápenaté – Suroviny – vápenec, jíly, břidlice – Výroba: • • • • Rozemletí Vypálení na 1300 – 1400 °C Mletí a úprava složení Po ztuhnutí cementové směsi = beton – nová křemičitanová struktura Zeolity • Hlinitokřemičitany • Porésní struktura tvořena tetraedry [SiO4] a [AlO4] • Do pórů možno vázat kationty, nebo i celé molekuly • Použití: – Změkčování vody (vyvazují Ca2+) – Molekulová síta (vyvazují ne/žádané molekuly, např. H2O) – Katalysatory (mají v pórech navázány katalyticky aktivní částice, nebo i sami působí jako katalysatory)