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) 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 Diboran – B2H6 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 Nitrid boritý – BN 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

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 a destilace 2. krok: 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 Oxid křemičitý – SiO2 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 Příprava: Stacionární fáze pro chromatografii Sušidlo (vlhkost lze detekovat CoCl2): 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)