Anorganische Technologie
Chemie Prüf der Uni Wien
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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 (KMgCl3·6H2O)
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)
CaF2 (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 ), LehmAl2O3 („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+3/2O2 →PbO+SO2↑
2.) Reduktion
PbO + C → Pb + CO
• Röst-Reaktions-Verfahren
1.) unvollständiges Rösten
3PbS+3O2 →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)
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)