Anorganische Technologie

Chemie Prüf der Uni Wien

Chemie Prüf der Uni Wien


B. T.
Diese Lernkarten bieten einen umfassenden Überblick über anorganische Technologien auf Universitätsniveau. Sie behandeln die Herstellung und Eigenschaften von Glasfasern, Textilglasfasern, Asbestfasern sowie silikatischen Produkten wie verschiedenen Gläsern. Die Karteikarten beleuchten auch die Verwendung von Metallcarbiden, metallischen und nichtmetallischen Hartstoffen sowie die Darstellung und Eigenschaften von Metallen wie Blei und Zinn. Sie richtet sich an Studierende und Fachleute, die sich mit Materialwissenschaften und anorganischer Chemie beschäftigen.
Flashcards
42
Students
1
Language
German
Category
Chemistry
Level
University
Created / Updated
18.08.2016 / 18.08.2016

Flashcards

Quarz

SiO2 (Siliciumoxid)

Vorkommen von Silicium? (2)

- Silicate (Erdalkali- Alkali-, Fe-, Al-, ...)

- SiO2 (Quarz, Quarzsand, Bergkristall) 

Eigenschaften von Silicium?

- typischer Halbleiter 

- kristallisiert in der Diamantstruktur (KZ=4) 

- Verändern der elektr. Eig. durch Dotieren (Einbringen von Fremdatomen) 

    * n-Leiter (Zusatz eines Elements mit einem Valenze- mehr) - freibewegliche negative      Ladung  -> + P, As, Sb (Überschussleiter)

    *p-Leiter (Zusatz eines Elements mit einem Valenze- weniger) - positive freibewegliche Lücke -> +B, Ga, In (Defektleiter) 

Drei kommerzielle Formen von Silicium:

- Legierungsbestandteil (Ferrosilicium - Stahlindustrie 

- als technisches Si (98,5-99,7%) - Al-Industrie, chem. Industrie 

- als Reinstsilicium (99,9%) - Elektronik, Photovoltaik 

Herst. von Silicium (98%) / Ferrosilicium / Reinstsilicium (99,9%):

Si: durch Red. von Quarz im Lichtbogenofen: 

SiO2 + 2C -> Si (98% rein) + 2CO (bei 2000°C) 

Stufen: SiO2 -> SiO -> SiC -> Si 

Ferrosilicium: Fe2O3 + Fe + SiO2 + C -> Ferrosilicium 

Reinstsi: Si + 3HCl -> HSiCl3 + H2 (300°) 

fraktionierte Dest., dann HSiCl3 + H2 -> Si + 3HCl (1100°) 

 

Si-Verbindungen: Organosiliciumverbindungen (Silane) 

Si-Si Polysilane 

Si-C-Si Carbosilane 

Si-N-Si Silazane 

Si-O-Si Siloxane 

Herst. und Weiterverarbeitung von Siliconen (Rochow Synthese) 

6 RCl + 3 Si -> RSiCl3 + R2SiCl2 + R3SiCl 

-----> Hydrolyse ---->

Silantriole: RSi(OH)3

Silandiole: R2Si(OH)2

Silanole: R3Si(OH) 

----> Kondensation ----> 

 Öle, Harze, Elastomere 

P - haltige Dünger: 

Superphosphate 20% P2O5 - 2 Ca5[(PO4)3F] + 7 H2SO4 → 3 Ca(H2PO4)2 + 7 CaSO4·2H2O + 2 HF  

Doppelsuperphosphate 35% Ca3(PO4)2 + 4 H3PO4 → 3 Ca(H2PO4)2

Trippelsuperphosphate >40% mit ReinstH3PO4

Ammoniumphosphate (NH4)H2PO4)(MAP) | (NH4)2HPO4(DAP) - durch Neutralisierung von H3PO4 mit NH3 Feststoffdünger, lagerbeständig.

Ammoniumpolyphosphate [NH4PO3]n(APP) - PolyH3PO4 Neutralisieren mit NH3 und verdünnen mit H2O (Lsg: 11%N, 37%P2O5); flüssig, in USA

Nitrophosphate Ca5[(PO4)3F] + HNO3 

N-haltige Dünger: 

- (NH4)2SO4: Nebenprodukt in Metallurgie, bei Entschwefelung v. Rauchgasen, durch Abfallsäuren der org. Chemie, durch Ammoniak in der Kokerei; Herstellung: 2NH3 + H2SO4 -> (NH4)2SO4 

- NH4NO3: NH3 + HNO3 -> NH4NO3 (180°, Druck); Explosiv, Mischdünger, Sprengstoff

- Harnstoff: bevorzugter N-Dünger, größtes Produktionsvolumen, Verw: Düngemittel, Tiernahrung, Harze und Kleber; 2NH3 + CO2 -> NH2COONH4; NH2COONH4 <-> NH2CONH2 + H2O 

K-haltige Düngemittel

KCl, KNO3, K2SO4 

Typische Salzlager: 

Steinsalz (NaCl)

Sylvin (KCl)
Carnallit (KMgCl3·6H
2O)

Kieserit (MgSO4·H2O)

Kainit (KCl·MgSO4·nH2O)

Anhydrit (CaSO4) 

Gewinnung aus Abraumsalzen, durch Schachtabbau, Aussolung

 

K2SO4 und KNO3 nur bei Pflanzen die Chloride nicht vertragen (Gurke, Spinat, Tabak) 

Magnesit

MgCO3

Dolomit

MgCO3*CaCO3

Carnallit

MgCl2*KCl*6H2O

Glaubersalz

Na2SO4*10H2O - Abführmittel 

Borax

Na2B4O7*10H2O 

 

Trona

Mineral für Natriumcarbonat (Soda) 

Na2CO3*NaHCO3*2H2O 

-> calcinieren -> in H2O lösen -> filtrieren -> eindampfen zu Na2CO3*H2O -> calcinieren 

Kalkstein, Kreide, Marmor...

CaCO3

Gips

CaSO4*2H2O 

Anhydrit

CaSO4

 

Apatit

Ca5(PO4)3 (F,OH,Cl) 

Fluorit

CaF2

Vorkommen Calcium

CaCO3 (Kalkstein, Kreide, Marmor; Muschelkalk)

MgCO3·CaCO3 (Dolomit)

CaSO4·2H2O (Gips)

CaSO4 (Anhydrit)

Ca5(PO4)3(F,OH,Cl) (Apatit)
CaF
2 (Fluorit) 

Darstellung Calcium

CaCO3 -> CaO + CO2

6 CaO + 2 Al → 3 Ca(g) ↑ + 3 CaO·Al2O3 

Kaolinit

Al4[Si4O10](OH)8 

Feldspat

[AlSi3O8]–  (Aluminiumvorkommen)

Vorkommen Aluminium

  • Aluminium- und Alumosilicate, z.B.
    Feldspat ( [AlSi3O8]– ), Glimmer ( [AlSi3O10](OH)27– ), Tone (z.B. Kaolinit, Al4[Si4O10](OH)8 ), Lehm

  • Al2O3 („Tonerde“) als Korund (rein) und Schmirgel (+Fe2O3, SiO2);

in Form von Edelsteinen (Rubin, Saphir)

  • Kryolith Na3AlF6

  • Bauxit als Ausgangsmaterial für Al-Gewinnung (ca. AlO(OH), Al(OH)3; +Tonmineralien, + Fe2O3) 

Kryolith

  • Na3AlF6  

Zinn (Vorkommen / Darstellung / Eig / Verw.) 

Vork: im Zinnstein SnO2 

Darst: 

● SnO2 +2C→Sn+2CO
● oder Wiedergewinnung aus Weißblech 

Eig: weiche, niedrigschmelzende Metalle Fp: 232° / silberweiß / zwei Arten: (unter 13,2° - Zinnpest) α-Sn ⇌ β-Sn (über 13,2°C)

Verw: 

ca. 1/3 für Lötmaterialien (Zinnlote)

ca. 1/3 für Verzinnen von Weißblech

ca. 1/3 für Legierungen, u.a. (Bronze (Cu/Sn) (z.B. Lagermetalle, Glocken, Federn, ...)  Britanniametall (90 % Sn, 8 % Sb, 2 % Cu) Letternmetalle, Lagermetalle 

Blei (Vork. / Darst. / Verw. / Eig) 

PbS - Bleiglanz 

PbCO3 Weißbleierz 

PbCrO4 Krokoit, Rotbleierz 

PbMoO4 Gelbbleierz 

 

Darst: 

• Röst-Reduktions-Verfahren

1.) Rösten zu PbO
PbS+3/2O
2 →PbO+SO2↑

2.) Reduktion
PbO + C
→ Pb + CO

• Röst-Reaktions-Verfahren

1.) unvollständiges Rösten
3PbS+3O
2 →PbS+2PbO+2SO2↑

2.) Reaktion unter Luftabschluss PbS + 2 PbO → 3 Pb + SO2↑ 

 

Eig: bläulich-grau; dehnbar, aber geringe Zugfestigkeit  

Pb+1⁄2 O2 +H2O→Pb(OH)2

Pb+1⁄2 O2 +H2O+2CO2 →Pb(HCO3)2

gegenüber verdünnter H2SO4 und HCl beständig (PbSO4 und PbCl2 sind schwerlöslich) 

Kriterien für bleifreie Lote 

Eigenschaften, die für die Bearbeitung wichtig sind:

  • Schmelztemperatur

  • Umweltverträglichkeit

  • gute Benetzung

  • leicht wieder aufarbeitbar

  • ausreichendes Vorkommen

  • für den laufenden Prozess verwendbar

  • Preis

  •  Eigenschaften, die für die Zuverlässigkeit wesentlich sind:

  • elektrische Leitfähigkeit

  • thermische Leitfähigkeit

  • Korrosionsbeständigkeit

  • Bildung intermetallischer Verbindungen mit Substratmaterial

  • thermischer Ausdehnungskoeffizient

  • mechanische Eigenschaften

  • Kriechbeständigkeit 

Flussmittel (auswahlkriterien / verwendete Flussmittel) 

Auswahlkriterien

  • gute Benetzung und Ausbreitung auf Metalloxiden

  • Oberflächenoxide müssen reduziert werden

  • Arbeitstemperatur des Lotes im Wirkungsbereich des Flussmittels

  • hohes Lösungsvermögen für Metalloxide

  • im Wirkungsbereich dünnflüssig

  • leicht entfernbar

    verwendete Flussmittel

  • Kollophonium

  • Milch-, Öl-, und Stearinsäuren

  • (halogenierte Kohlenwasserstoffe)

  • Amide und Amine

  • Borsäure, Salzsäure, Phosphorsäuren

  • diverse Salze (Borate, Chloride, Fluoride, Silicate, ...)

    eventuell Löten unter Schutzgas

Wichtige Eisenerze 

Magneteisenstein (Magnetit): Fe3O4

Roteisenstein (Hämatit):Fe2O3

Spateisenstein (Siderit):FeCO3

Eisenkies (Pyrit):FeS2 

 

Nichtmetallische Hartstoffe

Diamant, Korund, Siliciumcarbid, Borcarbid 

Metallische Hartstoffe: 

Carbide, Nitride, Boride, Silicide der Elemente

Ti V Cr Zr Nb Mo Hf Ta W

sowie Th und U 

Metallische Hartstoffe - Vorteile 

  • können Legierungen mit Eisenmetallen bilden

  • große Härte (9-10 nach Mohs)

  • gute elektrische und Wärmeleitfähigkeit

  • hoher Schmelzpunkt und hohe chemische Beständigkeit 

Metallcarbide -Herstellung 

  • Carburierung in fester Phase (wichtigstes Verfahren)

  • Carburierung in Metallschmelzen (kohlenstoffhaltige Metallbäder,

    z.B. Ferrolegierungen, Nickel-, Aluminiumschmelzen)

  • Carburierung mit kohlenstoffhaltigen Gasen (z.B. CH4)

  • CVD (Metallhalogenid + Wasserstoff + Methan) 

 

  1. verschiedene Typen von Öfen:

    • gasbeheizter Ofen: Heizgas = Schutzgas

    • elektrischer Widerstandsofen (meist „Kohlerohrkurzschlussofen“); Graphitrohr unter H2 als Schutzgas

    • Hochfrequenzinduktionsofen mit Graphittiegel als Suszeptor; unter Hochvakuum; Temperaturen bis 2800°C möglich 

Rohstoffe Glas & Herstellung

Rohstoffe: Sand, Dolomit, Borax, Kalk, Soda, Feldspäte, Glasscherben 

Herst: Aufschmelzen bei 780°, Läutern bei 1200-1600°C, Homogenisierung, Formgebung 

Flachglas: flüssiges Glas unter Schutzgas auf flüssiges Sn, dann kühlen und schneiden. (Wannen >50m lang, Dicke ca. 7 cm bei 1000°C 

Hohlglas: Press & Blasverfahren 

Silikatische Produkte (versch. Gläser) 

- Glas: Flach 40% Hohlglas 60% - amorpher Feststoff; bei Abkühlung starker Viskositätsanstieg, Nahordnung der Atome 

- Spezialgläser: 

*Bor-Tonerde-Glas - stabil gegen chemikalien und T-Differenzen (in Labor, chem. Verfahrenstechnik, Haushalt): SiO2, B2O3, Alkalioxide, Al2O3, Erdalkalioxide, Dichte 2,27g/cm3, max. T 500° Name: Duran, Jenaer, Pyrex, Rasotherm 

* Supramax Glas - T stabil bis 1000° 

* Bleikristallglas - Lüster, Linsen, Gläser 

- Quarzglas - einziges technisches Einkomponentenglas (SiO2)

- Quarzgut - Luftblasen eingeschlossen - billiger 

-Silikatgläser - Netzwerbildner (SiO2, B2O3, Al2O3) & Netzwerkwandler (Li2O, Na2O, CaO, K2O, Al2O3) 

-Mehrkomponentengläser: *Kali-KalkGläser, Natron-Kalk-Gläser 

- Glaskeramik: aus Glasschmlezne hergestellt bei speziellen Temperaturbehandlungen in teils polykristallinen und teils glasig/keramischen Zustand; Wichtigstes System: Li2O*Al2O3*3,5 SiO2; geringe Ausdehnung wegen β-Eukryptit-Phase (β-LiAlSiO4) Verw: Kochplatten (Ceran), Kochgeschirr, Schutzglas kamin, Teleskopspiegel 

Asbestfasern 

Typen:
z.B. Hornblendeasbest [Ca2(Fe,Mg)5(OH,F)2][Si8O22]

• Schichtsilicate (Serpentinasbest), gerollte Schichten (Hohlfasern),
z.B.
Chrysotil [Mg6(OH)6][Si4O11]·H2O

Eigenschaften:
• nicht brennbar, thermisch beständig, chemisch stabil, verrottungsfest

Verwendung:
• Dachbeläge, Fußbodenbeläge, Asbestzement (Eternit®), Rohre, Kupplungen,Bremsen, Dichtungen

Gesundheitsgefährdung:
• Fasern (< 5 μm, Ø < 3 μm) können in die Alveolen der Lunge gelangen → Asbestose → Lungenkrebs

Textilglasfasern 

  • Glasfasern mit Ø 10-25 μm

  • verschiedenste Sorten je nach Zusammensetzung (in %) (55-75 SiO2, < 13 Alkalien, < 21 MgO + CaO, < 25 B2O3 + Al2O3; außerdem Fe, Ba, Ti, Zr)

    wichtigste Faser „E-Glas“
    (72,5 SiO2, 0-1,5 Al2O3 + Fe2O3, 9,0 CaO, 3,5 MgO, 13,0 Na2O)

  • Weltproduktion 3-4 Mio. t

  • Darstellung:

Kaolin (Aluminiumsilicat), Quarzsand, Colemanit (Calciumborat), Borsäure, Kalkstein, Dolomit, Flussspat

  •  Aufschmelzen bei 1350oC (mehrere Tage)

  •  bei 1250oC durch Spinndüse aus Pt/Rh Legierung

  •  mit Geschwindigkeit bis zu 200 km/h auf Wickelmaschinen aufgewickelt

• Verwendung:

80 % zur Verstärkung von Polymeren (bessere Zug-Druck-Festigkeit, höhere Temperaturbeständigkeit);
im Bauwesen, Elektroindustrie, Fahrzeugbau, Bootsbau, Rückseite von Teppichen, unbrennbare Textilien (Vorhänge) 

Study