5.9.2010
Polokovy
Polokovy
1
5.9.2010
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
2
5.9.2010
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 – Nízká teplota tání – 450 °C – Použití ve sklářství
• Nitrid boritý – BN – Velmi stálý a nereaktivní – Tvrdost blízká diamantu – Strukturu podobná grafitu – Kovoobráběcí nástroje
• Kyselina boritá – H3BO3 – Slabá kyselina – Použití v očním lékařství jako borová voda
• Borax Na2[B4O5(OH)4].8H2O – Universální tavidlo – Ochrana proti oxodaci – Metalurgie
3
5.9.2010
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 → 2 Si( l ) + CO( g )
Si( s ) + Cl2 ( g ) → SiCl4 ( g ) SiO2 ( s ) + 2Cl 2 + 2C( s ) → SiCl 4 ( g ) +2CO( g )
a destilace
– 2. krok:
SiCl 4( g ) + 2 H 2( g ) → Si( s ) + 4 HCl( 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
4
5.9.2010
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)
5
5.9.2010
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.)
6
5.9.2010
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 )
+
+
Na 2 SiO3( aq ) + 2 H 3O ( aq ) → SiO2 ( s ) + 2 Na( aq ) + 3H 2O(l ) – Příprava: – Stacionární fáze pro chromatografii → CoCl2 .6 H 2O( s ) – Sušidlo (vlhkost lze detekovat CoCl2): CoCl2 ( s ) + 6 H 2O( l ) modrý růžový
Křemičitany a jejich využití • Hlíny, jíly, břidlice • Deriváty kyseliny křemičité • Výroba silikátových materiálů (sklo, keramika, maltoviny)
7
5.9.2010
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!
8
5.9.2010
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)
9
