Kovalentní neoxidové materiály Karbidy, nitridy, hydridy, sulfidy. Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do Vaší budoucnosti

HTML
DOWNLOAD

Rozměr: px

Začít zobrazení ze stránky:

Download "Kovalentní neoxidové materiály Karbidy, nitridy, hydridy, sulfidy. Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do Vaší budoucnosti"

Václav Sedlák
před 8 lety
Počet zobrazení:

1 Kovalentní neoxidové materiály Karbidy, nitridy, hydridy, sulfidy Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do Vaší budoucnosti

2 Karbidy Klasifikace: iontové "methanidy" (Be 2 C, Al 4 C 3 ) Al 4 C 3 + H 2 O Al(OH) 3 + CH 4 "acetylidy" (CaC 2, LnC 2, Ag 2 C 2 ) CaO + 3C CaC 2 + CO Ca(liqNH 3 ) + C 2 H 2 CaC 2 + H 2 Příprava: přímé slučování (2000 C) oxid kovu a uhlíkem kov s uhlovodíkem acetylen s kovem v NH 3 CaC 2 + H 2 O Ca(OH) 2 + C 2 H 2 kovalentní SiC "karborundum" B 4 C jaderný průmysl intersticiální d a f-kovy V 2 C, WC, Mo 3 C 2, Fe 3 C (cementit) extrémně tvrdé, žáruvzdorné podíl kovové vazby CaC 2

kov s uhlovodíkem acetylen s kovem v NH 3 CaC 2 + H 2 O Ca(OH) 2 + C 2 H 2 kovalentní SiC "karborundum" B 4 C jaderný

3 Kyanamid vápenatý CaCN 2 Výroba: CaC 2 + N 2 CaCN 2 + C N C N 2 2 N C N Vlastnosti: CaCN 2 + CO 2 + H 2 O NH 2 CN + CaCO 3 NH 2 CN + H 2 S CS (NH 2 ) 2 Použit ití: hnojivo, herbicid, defoliant bavlny, výroba plastů

4 Křemík Historie paleolit - silex, silicis - pazourek T.Thomson (1831) silicon J.J.Berzelius (1823) izolace volného prvku Výskyt Minerály - 2. prvek zemské kůry (27,2 %) směsné křemičitany křemen

5 Křemík vazebné možnosti Elektronová konfigurace: [Ne] 3s 2 3p 2 3d 0 Elektronegativita: χ P =1.8 -využití orbitalů d při vazbě katenační schopnosti (můstkové atomy O) Koordinační vlastnosti:

6 Křemík - reaktivita kyslík, voda, pára s výjimkou vysokých teplot nemají účinek 500 C Si + 2H 2 0 SiO 2 + 2H 2 zředěné kyseliny - nereaguje konc. HNO 3 a HF - oxidace respektive fluorace horké roztoky alk. hydroxidů - rozpouštění Si + 4OH - SiO H 2 reakce s halogeny F 2 - za normální teploty Cl C Br 2 a I C redukční účinky - redukce kovů 3BaO + Si BaSiO 3 +2Ba Li 2 O + 2Si + 2 CaO CaSiO Li - ROZTAVENÝ Si: reaguje se vzduchem

hydroxidů - rozpouštění Si + 4OH - SiO 4 4- + 2H 2 reakce s halogeny F 2 - za normální teploty Cl 2 300 C Br 2 a

7 Elementární křemík Výroba SiO 2 + 2C Si + 2 CO (přebytek SiO 2 ) 2SiC + SiO 2 3Si + 2 CO čistý Si pro polovodiče: SiCl 4 + Mg (Zn( Zn) Si + MgCl 2 (ZnCl 2 ) rafinace zonální tavení (čistota 10 9 ) L(Si-Si) = Å Použití metalurgický průmysl ferrosilicium dezoxidace oceli korozivzdorné slitiny ferrosilit Si-oceli elektrické motory polovodičová technika

8 Klasifikace podle pás. struktury a elektrického odporu (ρ) Izolanty Ωm 1 Vodiče (kovy) Ωm 1 Polovodiče Ωm 1 Supravodiče 0 (T < T C ) vodivostní pás E g E F valenční pás Kovy Polovodič Izolant E g < 3 ev E g > 5 ev

Vodiče (kovy) 10 4 10 8 Ωm 1 Polovodiče 10-2 10 6 Ωm 1

9 Polovodiče Krystaly s úzkým zakázaným pásem E g mezi valenčním a vodivostním pásem ρ ~ 10-6 Ω.cm, ρ ~ e -Eg/kT ρ [Ω.cm] T [K]

cm, ρ ~ e -Eg/kT 100000 10000 1000 ρ [Ω.

10 Křemík jako polovodič Polovodiče vlastní (nedopované, Si, Ge, Se) příměsové typu N (dopované P, As, Sb) typu P (dopované B, Al, Ga) Elektronické polovodičové součástky diody, tranzistory, spínací prvky integrované obvody mikroprocesory nedopovaný Typ n Typ p tranzistor p n p E F E F E F vstup výstup emitor báze kolektor

součástky diody, tranzistory, spínací prvky integrované obvody mikroprocesory

11 Polovodiče A III B V A III Al, Ga, In B V N, P, As Sb wurtzit sfalerit MOVPE, MOCVD A III (CH 3 ) 3 (g) + B V H 3 (g) A III B V (s) + CH 4 (g) optoelektronika optické zesilovače, fotodetektory, fotodiody (LED), fotonásobiče, lasery mikroelektronika FET, HEMT

optické zesilovače, fotodetektory, fotodiody (LED), fotonásobiče, lasery

12 Silicidy M 6 Si, M 5 Si, M 4 Si, M 15 Si 4, M 3 Si, M 5 Si 2, M 2 Si, MSi, M 2 Si 3, MSi 2, MSi 3, MSi 6 Příprava: přímé tavení prvků společná redukce SiO 2 a Reaktivita: MO X hliníkem nebo C Na 2 Si + 3 H 2 O Na 2 SiO H 2 Mg 2 Si + 2 H 2 SO 4 MgSO 4 + SiH 4 Klasifikace: izolované Si (Cu 5 Si, M 3 Si (M=V,Cr,Mo,Fe, Mn), M 2 Si (M=Mg, Ge,Sn, Pb) páry Si 2 (U 3 Si 2 ) tetraedry Si 4 (KSi) řetězce Si (USi,TiSi, CaSi) planární a 3D sítě (USi 2, CaSi 2 )

Mg 2 Si + 2 H 2 SO 4 MgSO 4 + SiH 4 Klasifikace: izolované Si (Cu 5 Si, M 3 Si (M=V,Cr,Mo,Fe, Mn), M 2 Si (M=Mg,

13 Karbid křemíku α-sic β-sic carb(on, c)orundum >70 různých polytypů různé sekvence vrstev Výroba: SiO 2 + 3C SiC + 2CO ºC C v mírném přebytku Použití: Brusivo Konstrukční keramika Polovodič Topné elementy

+ 3C SiC + 2CO 2000 2500 ºC C v mírném přebytku

14 Sloučeniny křemíku s dusíkem Si 3 N 4 Příprava: 3Si + 2N 2 (g) Si 3 N 4 3SiO 2 + 6C +2N 2 Si 3 N 4 + 6CO Vlastnosti: "keramický materiál" mechanické vlastnosti, chemická stabilita vysoce tvrdý (9. stupeň Mohsovy stupnice) Si 2 N 2 O Příprava: 3Si + SiO 2 +N 2 2Si 2 N 2 O Vlastnosti: - žáruvzdorná hmota

mechanické vlastnosti, chemická stabilita vysoce tvrdý (9.

15 Nitridy a Fosfidy Příprava: syntéza z kovu a N 2 resp. P (zvýšen ená teplota) 3 Ca + N 2 Ca 3 N 2 n M + m P M n P m (bez přístupu vzduchu) syntéza z kovu a NH 3 resp. PH 3 2 NH Mg Mg 3 N H 2 PH Ti Ti 2 P + 3/2 H 2 termický rozklad amidů Zn(NH 2 ) 2 Zn 3 N NH 3 redukce oxidu nebo halogenidu v přítomnosti p N 2 Al 2 O C + N 2 AlN + 3 CO 2 ZrCl H 2 + N 2 ZrN + HCl redukce fosforečnanu uhlíkem Ca 3 (PO 4 ) 2 + C Ca 3 P CO elektrolýza roztavených solí (NaPO 3 ) n / NaCl / WO 3 W 3 P 2

PH 3 2 NH 3 + 3 Mg Mg 3 N 2 + 3 H 2 PH 3 + 2 Ti Ti 2 P + 3/2 H 2 termický rozklad amidů Zn(NH 2 ) 2 Zn 3 N 2 + 4 NH 3 redukce oxidu

16 Nitridy a Fosfidy klasifikace: iontové - M 2 P, M 2 N, M =alk. kov, M 3 N 2, M 3 P 2, M=Be-Ba, LnN, LnP hydrolýza: Ca 3 N 2 (Ca 3 P 2 )+ H 2 O Ca(OH) 2 + NH 3 (PH 3 ) kovalentní - S 4 N 4, P 3 N 5, (CN) 2 (molekulové), A III B V polovodiče, Si 3 N 4,... kovové MN (AnN, TiN-HfN, VN-TaN, CrN), M 2 N, M 4 N, M 2 P typ NaCl: LnN, LnP, AnN, ZrN, ZrP 0.9 typ ZnS: AlN, AlP, GaN, GaP, InP typ NiAs: MnP, CrP, FeP, WP, CoP

kovalentní - S 4 N 4, P 3 N 5, (CN) 2 (molekulové), A III B V polovodiče, Si 3 N 4,.

17 Pseudohalogenidy anionty (1 ): CN, OCN, SCN, N 3 existují: anionty X, kyseliny HX, AgX, někdy X 2, XY analogie (CN) 2 + OH CN + OCN + H 2 O KCN cyankáli, neutralizací HCN, KNH 2 + C KCN + H 2 snadná oxidace: KCN + PbO KOCN + Pb KSCN thiokyanatan, důkaz + stanovení Fe 3+ KCN + S KSCN NaN 3 stabilní iontová látka, pro airbagy příprava: NaNH 2 + N 2 O NaN 3 + H 2 O užití:10nan 3 + 2KNO 3 16N 2 (g)+ 5Na 2 O + K 2 O Pb(N 3 ) 2 třaskavina, rozbušky Např.: existuje (CN) 2, (SCN) 2, (SeCN) 2 BrCN bromkyan FN 3 fluorazid

stanovení Fe 3+ KCN + S KSCN NaN 3 stabilní iontová látka, pro airbagy příprava: NaNH 2 + N 2 O NaN 3 + H 2 O užití:10nan 3 +

18 Boridy Příprava: přímé slučov ování Cr + nb CrB n redukce oxidu borem, B 4 C Sc 2 O 3 + B ScB 2 + B 2 O 3 Eu 2 O 3 + B 4 C EuB 6 + CO koredukce oxidů uhlíkem V 2 O 5 +B 2 O 3 +C VB + CO koredukce halogenidů H 2 TiCl 4 +BCl 3 + H 2 TiB 2 + HCl elektrolytické vylučování z roztavených solí MO n + B 2 O 3 (Na 2 B 4 O 7 ) + tav.sůl C, C-katoda redukce BCl 3 kovem BCl 3 + W WB + Cl 2 + HCl Použití: - tvrdost, chemicky inertní, netěkavost, žáruvzdornost - konstrukční materiály povrchy turbín, spal. komor, raketových trysek, rotorů čerpadel reakční nádoby, elektrody

19 Boridy Klasifikace: Izolované atomy B (Mn 4 B, M 3 B, M 2 B) Izolované dimery B 2 (Cr 5 B 3, TiB 2 Cr 3 B 4 M 3 B 2 ) Pilovitéřetězce (M 3 B 4, MB) Rozvětvenéřetězce (Ru 11 B 8 ) Dvojitéřetězce (M 3 B 4 ) 2D sítě (MB 2 ) MB 12 MB 6 CaB 6 ZrB 12

Pilovitéřetězce (M 3 B 4, MB) Rozvětvenéřetězce (Ru 11 B 8 )

20 Výroba: 1600 C B 2 O 3 + C B 4 C + CO Použití: - Neutronové štíty, kontrolní tyče v jaderných reaktorech - brusivo, leštící přípravky, obložení brzd, spojky - lehké štíty, pancíře Karbid boru

21 hexagonální Nitrid boritý Příprava a výroba: Na 2 B 4 O 7 + NH 4 Cl BN + NaCl + H 2 O H 3 BO 3 + CO(NH 2 ) 2 BN + CO 2 + H 2 O 750 C 900 C NH 3 BCl 3 + NH 3 BN + HCl el. izolant, výborný tepelný vodič kubický Výroba: 1800 C BN(hex) BN (kub) extrémní tvrdost 8.5 TPa, AM, AE B C N e : r(pm): χ:

22 Hydridy Binární sloučeniny vodíku se všemi ostatními prvky (kromě vzácných plynů). Podle charakteru vazby je dělíme na: Iontové hydridy χ H > χ A A + H LiH, CaH 2,- používají se v preparativní chemii jako r.č. BeH 2, MgH 2 iontově kovalentní charakter v., elektronově deficitní, nemají el. oktety Kovalentní hydridy - se všemi nekovy, polokovy a nepřech. kovy - SiH 4, GeH 4, PbH 4, BiH 3, halogenovodíky Kovové hydridy - s přechodnými kovy, mají charakter slitin, proměnná nestechiom. složení Hydridové komplexy Li[AlH 4 ], Na[BH 4 ] redukčníčinidla, prudce reagují s vodou 4H 2 O + [MH 4 ] = 4H 2 + M(OH) 3 _ + OH Příprava: AlBr 3 + 4LiH = Li[AlH 4 ] + 3LiBr

23 Komplexní hydridy hydridoboritany Příprava a výroba: 2 LiH + B 2 H Et 6 2 O2 Li[BH 4 ] 2 NaH + B 2 H diglym 6 2Na[BH 4 ] 4 LiH + Et 2 O.BF 3 Li[BH 4 ] + 3 LiF + Et 2 O BCl NaH Al 2 EtNa[BH 6 4 ] + 3 NaCl Na 2 B 4 O SiO Na + 8 H 2 Na[BH 4 ] + 7 Na 2 SiO 3 Reaktivita: Redukčníčinidla : - selektivní redukce organických skupin CHO, CO - Na[BH 4 ] + 8 NaOH + 9 SO 2 4 Na 2 S 2 O 4 + NaBO H 2 O - bezproudové niklování kovů a nekovových předmětů NiCl 2 + NaBH 4 + NaOH + H 2 O (Ni 3 B+Ni) + NaB(OH) 4 + NaCl + H 2 Ukládání vodíku: M[BH 4 ] MH + B + H 2

24 Hydridy hliníku AlH 3 krystalická látka obsahující oktaedry AlH 6, můstkové H Et 2 O Li[AlH 4 ] + AlCl 3 [AlH 3 (Et 2 O) n ] + LiCl M[AlH 4 ] - bílá krystalická látka Et 2 O 4 LiH + AlCl 3 Li[AlH 4 ] + 3 LiCl 140 C Na + Al + 2 H 2 Na[AlH 4 ] 34MPa - snadno podléhá hydrolýze Li[AlH 4 ] + H 2 O Li[Al(OH) 4 ] + H 2 - hydrogenační činidlo v org. syntéze - ukládání vodíku M[AlH 4 ] M 3 [AlH 6 ] + Al + H 2

25 Chalkogenidy kovů

26 Molekulární chalkogenidy Sulfidy dusíku S 4 N 4 S 2 N 2 teranitrid tetrasíry, nejběžnější oranžovožlutá kineticky stabilní (s) bezbarvá explozívní (s) S 2 N 2 (SN) x (SN) x polythiazyl; bronzová (s), kovový lesk kovová vodivost, pod 0.33 K supravodič Sulfidy fosforu P 4 S 10 strukturní analogie P 4 O 10 P 4 S 3 0 C 300 C P 4 + S (nadbytek) P 4 S 10 nejstálejší 180 C P n + S P 4 S 3 zápalky C 3v P 4 S (9%), KClO 3 3 (20%), Fe 2 O 3 (11%), ZnO (7%), sklo (14%), klih (10%), voda (29%) S 4 N 4 S 2 N 2 (SN) x

27 Sirovodíkový postup klasický (překonaný) způsob děnení a důkazů kationtů založený na zbarvení a rozpustnosti sulfidů v různých činidlech didaktický význam Skup. činidlo H 2 S HCl H 2 S (H + ) (NH 4 ) 2 S (NH 4 ) 2 CO 3 Třída I.a I.b II. III.a III.b IV. V. Ag + Cu 2+ As 3+ Al 3+ Mn 2+ Ca 2+ Mg 2+ Pb 2+ Hg 2+ As 5+ Cr 3+ Ni 2+ Sr 2+ Na + Hg 2 2+ Bi 3+ Sb 3+ Fe 2+ Ba 2+ K + Kation Tl + Cd 2+ Sb 5+ Fe 3+ NH 4 + Sn 2+ Co 2+ H + Sn 4+ Zn 2+

28 Sirovodíkový postup

29 Chalkogenidy kovů Příprava přímé slučování z prvků: Fe + S FeS reakce síranů s uhlíkem: BaSO 4 + C BaS + CO srážení sulfanem z kyselého 1. a 2. analytická třída: Cu 2+ + H 2 S + 2H 2 O CuS + 2H 3 O + srážení (NH 4 ) 2 S z alkalického 3. analytická třída: Zn 2+ + S 2 ZnS Použití kvalitativní analýza akumulátory Na/S

30 Na/S akumulátory kapalné elektrody, pevný elektrolyt (β-al 2 O 3 ): 2Na(l) + xs(l) Na 2 S x (s)

Podobné dokumenty

Příklad Sestavte rovnice následujících dějů: reakce hydroxidu sodného s kyselinou tetrahydrogendifosforečnou 4NaOH + H 4 P 2 O 7 Na 4 P 2 O 7

Příklad Sestavte rovnice následujících dějů: reakce hydroxidu sodného s kyselinou tetrahydrogendifosforečnou 4NaOH + H 4 P 2 O 7 Na 4 P 2 O 7 Příklad 2.2.9. Sestavte rovnice následujících dějů: reakce hydroxidu sodného s kyselinou tetrahydrogendifosforečnou 4NaOH + H 4 P 2 O 7 Na 4 P 2 O 7 + 4H 2 O reakce dimerního oxidu antimonitého s kyselinou