Polokovy

1. Polokovy

2. Polokovy

3. Vlastnosti polokovů • „metaloidy“ • Prvky s vlastnostmi na rozhraní kovů a nekovů • B, Si, As, Te

4. 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

5. 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

6. 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

7. 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

8. 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

9. 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-

10. Použití křemíku • Integrované obvody (čipy) • Příměsové polovodiče • Výroba skla (sloučeniny, ne elementární)

11. 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

12. 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.)

13. 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): modrýrůžový

14. Křemičitany a jejich využití • Hlíny, jíly, břidlice • Deriváty kyseliny křemičité • Výroba silikátových materiálů (sklo, keramika, maltoviny)

15. 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)

16. 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!

17. 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

18. 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)