Урок-лекция по химии. 11 Класс. Тема: «изучение кремния и его соединений»

Вид материала

Урок

Содержание Поликристаллический кремний Технологическая схема получения поликристаллического кремния Основные технологии производства поликремния солнечного кремния. Поставка кремния солнечного качества в 2004 году составила 10,600 тонн Содержание кремния в почве Чувашии и

Подобный материал:

• Урок презентация по химии в 8 классе на тему: Предмет химии. Вещества, 263.29kb.
• Программа элективного курса по химии «строение и свойства кислородсодержащих органических, 667.3kb.
• Дидык Ольга Павловна гоу гимназия 45 г. Москва Класс: 6 Тема : Гидросфера. Мировой, 72.81kb.
• Изучение химии соединений фтора и материалов на его основе непосредственно связано, 50.79kb.
• Урока по химии в 11а классе, тема «Применение кислородосодержащих соединений», 48.37kb.
• Бахман Елена Владимировна, учитель химии моу сош №54 Тема урок, 63.45kb.
• План лекций по биоорганической химии для студентов 1 курса лечебного, педиатрического, 32.07kb.
• Задачи изучения дисциплины, 16.34kb.
• Урок за курс химии 8-11 класса Тема: «Обобщение и систематизация знаний за курс химии, 164.62kb.
• Рабочей программы по химии 9 класс (2 часа в неделю, всего 70 часов, из них 2 часа, 402.67kb.

УРОК-ЛЕКЦИЯ ПО ХИМИИ.


11 КЛАСС.


ТЕМА: «ИЗУЧЕНИЕ КРЕМНИЯ И ЕГО СОЕДИНЕНИЙ ».


Введение

На сегодняшний день невозможно представить себе мир без кремния. Достаточно посмотреть вокруг, чтобы убедиться в необходимости этого элемента и его соединений. Экраны компьютеров, телевизоров, мобильные телефоны, осветительные приборы, элементарные стеклянные предметы – всё это включает в свой состав кремний. Предприятие “Химпром” выпускает ряд важных соединений кремния, которые используются в промышленности. Огромную роль кремний играет и в организме человека. Содержание кремния в почве влияет на здоровье животных и человека.

Таким образом рассматриваются две цели:

1) исследовать производство кремнесодержащих соединений на предприятии “Химпром”

2) изучить влияние содержания кремния в почве на организм человека.

Кремний стал важнейшим элементом на пороге нового тысячелетия. И его роль в развитии современных технология огромна.


Кремний-распространенный элемент на Земле. Он составляет 27,6% массы земной коры. Кремний – кристаллическое вещество темно – серого цвета, со стальным блеском. В виде простого вещества кремний был выделен лишь в XIX веке Й.Я. Берцелиусом. В начале он нагревал смесь кремнезема с порошком железа и угля до 1500 градусов, но чистый кремний получить не удавалось: в присутствии железа образуется ферросилиций – сплав, содержащий оба эти элемента. В 1823 году, когда ученый пропустил над калием пары фторида кремния, удача наконец улыбнулась ему. SiF₄ + 4K = Si + 4KF в результате этой реакции был получен порошок аморфного кремния. Является полупроводником, химически инертен и проявляет все основные свойства неметаллов. Важнейшие неорганические соединения кремния образуются при его взаимодействии с фтором, гидрооксидами щелочных металлов, с металлами, с кислородом, с основными оксидами. Кристаллический кремний – тугоплавкое (1410) вещество серого цвета с металлическим блеском. Такой кремний имеет структуру алмаза, но значительно уступает ему по твердости. Для изменения полупроводниковых свойств в него вводят донорные (мышьяк) или акцепторные (бор) связи. Кремний инертнен по отношению к кислотам. Исключением является смесь азотной и плавиковой кислот. Оксид кремния является одним из исходных веществ при производстве стекла, керамики, цемента и бетона. Это вещество выдерживает сильное нагревание, что делает его прекрасным огнеупорным материалом.


Кремний применяют для изготовления кристаллических детекторов, полупроводниковых усилителей и фотосопротивлений; селитовых высокотемпературных стержней; для раскаления металлов и получения ряда сплавов, для получения кремнийорганических соединений. В частности акционерное общество «Химпром» выпускает целый ряд кремнийорганических соединений. Рассмотрим их.


1.Готовые следующие (всего пять видов)

Их применяют при изготовлении керамических форм для точного литья; в производстве мебельных лаков для придания им матовости; в нефте - газодобыче в качестве основного компонента высокоселективных тампонажных составов; как связующее в производстве графитовых деталей.


2.Этилсиликаты (2 вида)

Их применяют в производстве моторных масел (топлив) и каучуков в качестве присадки; в медицине в качестве связующего при изготовлении зубных протезов; в строительстве для пропитки бетона с целью уменьшения его пористости и увеличения кислотно - морозостойкости; в нефте – газодобыче в качестве компонента тампонажных жидкостей; в лакокрасочной промышленности для модификации олиф и улучшения качества канифольных лаков


3.Жидкости (9 видов)

Применяется как смазочное масло в холодильных фреоновых машинах; в качестве материала для закалки стекла; в качестве смазки для трущихся поверхностей. Представители Полиэтилметилксилоксановые жидкости марки A марки В. Они применяются в химической промышленности:

1) в качестве разделительной смазки в производстве каучука и пластических масс;

2) для смазки литьевых форм

3)для рабочей жидкости в вакуум – насосах и компрессорах;

В Машино - и приборостроении:

1) в качестве смазок трущихся поверхностей

2) как компонент смазывающих, охлаждающих жидкостей в металлообработке

Их применяют также в пищевой, строительной, стекольной, керамической и текстильной промышленности.

1) в качестве смазок трущихся поверхностей

2) как компонент смазывающих, охлаждающих жидкостей в металлообработке

Представитель кремнийорганических жидкостей – пеногаситель. Он применяется для гашения пены в целлюлозно-бумажной текстильной промышленности, в производстве искусственных волокон, а также в качестве противопенной добавки к минеральным маслам. К жидкостям также относится гидролизат диметидихлорсилана , который используется в производстве линейных и циклических кремнийорганических жидкостей, каучука и различных каучуко-резиновых композиций


4. Смолы (3 вида)

Применяется в изготовлении лакокрасочного материала, кремнийорганических эмалей, эмульсий, красок общего назначения.

Представитель смол - смола полиметилоксановая. Её применяют в лакокрасочной промышленности как пленкообразующее в производстве кремнийорганических эмалей, как модификатор для алкидных лаков и смол, а также в лесоперерабатывающей промышленности, в строительной промышленности


5. Мономеры (10 видов)

Основные представители: тетраэтоксисилан технический и улучшенный и технический (применяется для получения двуокиси кремния, а также как реагент для органического синтеза и в качестве компонента пленкообразующих лакокрасочных материалов), фенилтрихлорсилан улучшенный и технический (используется для производства составных частей красок, термо - и электроизоляционных лаков, смол, смазочных масел). Остальные мономеры используются в основном для производства линейных и структурированных органополисилоксанов в производстве различных кремнийорганических жидкостей, каучука и для синтеза пластиков, смол, лаков и других композиционных составов.


6. Лаки (7 видов)

Лаки используется в основном для изготовления эмалей и красок, для пропитки стеклянной оплетки проводов и кабелей, для изоляции электрических машин и аппаратов от влаги и плесени, для производства теплостойких пластмасс антифрикционных графитопластовых материалов и для отверждения эпоксидных смол.


Трихлорсилан(SiHCl₃)


Трихлорсилан (ТХС) получают гидрохлорированием кремния хлористым водородом в реакторе «кипящего» слоя при температуре 230-350⁰ С.

При пуске реактора кремний нагревают, затем подают НСl. Количество кремния в реакторе поддерживают постоянным. Выходящая из реактора парогазовая смесь (ПГС) содержит водород, хлористый водород, пары ТХС, четыреххлористого кремния (ЧХК), дихлорсилана. После реактора ПГС подвергают сухой и мокрой очисткам. Сухая очистка заключается в очистке от твердых частиц в циклонах и фильтрации ПГС. Мокрая очистка основана на контакте ПГС с жидкими хлорсиланами, то есть происходит барботаж ПГС через слой хлорсиланов, находящихся в кубе ректификационной колонны, а затем ПГС поднимается по высоте колонны, орошаемой жидким конденсатором хлорсиланов. Очищенную ПГС охлаждают, выделяют ТХС, ЧХК и направляют на ректификацию. Ректификация является основным методом очистки от примесей, которые перешли в продукт от исходного сырья.

Почти во всех областях применения ТХС основным, предъявляемым к нему требованием, является высокая степень чистоты.

На ОАО «Химпром» по физико-химическим показателям ТХС выпускается двух марок: марка «А» и марка «Б».

ТХС марки «А» используется для получения фенилтрихлорсилана. Его получают с использованием абгазной соляной кислоты с кремнийорганических и хлорорганических производств, и в нем контролируется содержание только макропримесей.

К ТХС марки «Б» предъявляются более жесткие требования по чистоте,

Указываются содержания микропримесей в нем. Показатели представлены в табл.1

ТХС марки «Б» на ОАО «Химпром» получали с использованием синтетического хлористого водорода.

Очистку синтезированного ТХС от микропримесей, прежде всего от бора, осуществляли методом реакционной ректификации, заключающейся во внедрении паров воды в виде увлажненного азота в пары ТХС с последующей ректификацией. Также методом многократной ректификации произвели очистку ТХС от остальных примесей. Далее представлены данные по содержанию микропримесей в полученном ТХС.

Поликристаллический кремний


Для производства поликристаллических кремниевых стержней наибольшее промышленное распространение получили методы водородного восстановления хлорсиланов и термического разложения силана. Обычно стремятся проводить процесс при температуре < 1100⁰


Технологическая схема получения поликристаллического кремния




Исходный трихлорсилан очищается от микропримесей в колонне ректификации 1, далее направляется в испаритель 2. Туда же подается очищенный водород. Парогазовая смесь ТХС и Н₂ из испарителя 2 подается в реактор-восстановитель 3,где получают кремниевые стержни. Абгазы после реактора 3 направляют в блок конденсации 4, где улавливают ТХС, четыреххлористый кремний (ЧХК), которые в ректификационной колонне 5 разделяются, ТХС направляют в испаритель 2.

Основными элементами установки получения стержней поликремния является:

1. Реактор, где производят осаждение кремния на разогреваемые электрическим током стержни-подложки.

2. Газовый пульт, который обеспечивает подачу исходных реагентов - ТХС и Н_2.

3. Блок электропитания, который служит для подвода электрической мощности к стержням кремния и обеспечивает необходимую температуру осаждения.

4. Блок управления, который поддерживает оптимальные параметры процесса.

Необходимым условием получения поликристаллического кремния заданной степени чистоты является использование исходных материалов с определенными характеристиками.


Основные технологии производства поликремния солнечного кремния.


Кремний в природе залегает в форме диоксида (SiO₂) – прежде всего в кварце и песке. Для выделения кремния из диоксида используется процесс “карботермического восстановления”, в результате которого получают кремний металлургического сорта.


Промплощадка АО “Химпром” полностью обеспечена энергоресурсами и, при необходимости по увеличению энергообеспеченности предприятия.

Теплоснабжение осуществляется на ТЭЦ-3, с которой потребители обеспечиваются паром (р=13 и 20 кг/см²) и теплофикационной водой ( 70 -150 С).

Водоснабжение – по системе водопроводов:

- хозяйственно-противопожарного;

- речной воды;

- оборотного водоснабжения.

Энергоснабжение – от сетей Чувашэнерго. Газоснабжение – имеется система подачи природного газа (98-99%). Имеются также системы обеспечения сжатым воздухом и азотом.

Кроме этого предприятие имеет мощности по производству хлора и водорода. В настоящее время есть резерв по этим газам. Предприятие имеет инфраструктуру по обслуживанию и ремонту сетей коммуникаций по обеспечению энергоресурсами.

Обеспечение сырьем и основными материалами будущего производства трихлорсилана и поликристаллического кремния предполагаются:

- кремний технический покупной.

- хлор собственного производства

- хлористый водород собственного производства.

Для удовлетворения такого стремительного роста производства полупроводниковый элементной базы необходимо резкое увеличение имеющихся мощностей по производству монокристаллических кремниевых пластин и, в первую очередь, поликристаллического кремния не в состоянии удовлетворять растущий спрос на этот материал.

год	1998	1999	2000	2001	2002	2003	2004
Кремний солнечного качества	200	1,100	2,100	3,700	5,200	6,700	8,000
Отходы кремния	2,100	2,200	2,000	2,100	2,200	2,300	2,600
Суммарный объем	2,300	3,300	4,300	5,800	7,400	9,000	10,600

Поставка кремния солнечного качества в 2004 году составила 10,600 тонн




Объемы производства и рыночные доли лидирующих мировых производителей.

По результатам исследований всемирное производство солнечных элементов в 2004 году достигло 1256 МВт, что составило 167% от выпуска 2003 года – 750 МВт.

С полным производством 7600 тонн, четыре больших поставщика Hemlock, Wacker, SGS, Tokuyama в настоящее время фактически обеспечивают рынок кремния солнечного качества. Ввиду ограниченных запасов кремния естественно, что цены повышаются. Эксперты рынка ожидают, что кремниевые производители объявят о расширении производственных мощностей на 30000 тысяч тонн в следующие 12 месяцев, ведя к общему количеству 50000 тонн к 2010, из которых 36 тысяч тонн будут направлены на удовлетворение спроса промышленности.


Содержание кремния в почве Чувашии и

его влияние на здоровье человека.


Из всего сказанного, мы видим, что кремний и его органические соединения используются во многих отраслях промышленности. Кремний также широко распространен в природе, ее играет большую роль в жизни животных и человека, наряду с другими микроэлементами.

Известно, что сбалансированное, нормальное содержание микроэлементов в окружающей среде обеспечивает нормальные процессы обмена веществ в 80%-85% случаев. А резкий недостаток или резкий избыток и дисбаланс микроэлементов в окружающей среде приводит к нарушению обмена веществ, развитию различных эндемических заболеваний.

На протяжении длительного времени исследовалось содержание некоторых микроэлементов в почвах, водах, растениях на территории Чувашии. Основные разработки проводили сотрудники сельхозинститута, кафедры химии, биохимии, внутренних болезней, патаномии, гигиены Чувашского Государственного Университета.

В результате исследований установлено, что большинство районов, объединившись в группы по уровню заболеваемости, находятся в территориальной близости, где имеются определенные гидрогеологические, геологические, геохимические, климатические особенности. Таким образом, на территории Чувашии выявлены 3 субрегиона биосферы:

1) Приволжский субрегион

2) Прикубниноцивильский субрегион

3) Присурский субрегион


Приволжский субрегион биосферы занимает 0,3 территории от западной до восточной её границы вдоль правого берега реки Волги. Сюда входят Ядринский, Моргаушский, Чебоксарский, Марпосадский, Козловский и частично Цивильский, Красноармейский административные районы. Здесь распространены дерново-подзолистые почвы. Во всех звеньях биогеохимической пищевой цепи этого субрегиона наблюдается недостаток йода, кобальта, цинка, молибдена, умеренный избыток кремния и нарушенное соотношение микроэлементов к йоду и кремнию. Пониженное содержание фтора в питьевой воде из водоисточников. Эти особенности субрегиона биосферы способствуют распространению среди населения эндемического гипотиреоидного зоба (с пониженной активностью щитовидной железы), кариеса зубов, мочекаменной болезни

Прикубниноцивильский субрегион биосферы занимает 0,3 территории в центральной и восточной её части. Сюда входят Урмарский, Янтиковский, Канашский, Аликовский, Красноармейский административные районы. Здесь распространены серые лесные почвы, в юго-восточной части на небольшой площади имеются черноземные почвы. Во всех звеньях биогеохимической пищевой цепи отличается умеренный недостаток йода, кобальта, цинка, меди, молибдена, бора, марганца. Но благоприятное соотношение микроэлементов к йоду и кремнию. Эти особенности субрегиона способствуют нормальной регуляции обмена веществ, нормальной работе эндокринных органов в организмах людей и животных. Этот субрегион считают контрольным при поиске причин эндемических заболеваний. Но умеренный недостаток микроэлементов может способствовать снижению реактивности организма к возбудителям инфекционных заболеваний.

Присурский субрегион биосферы занимает 0,3 территории Чувашии в юго-западной и южной части. В этот субрегион входят Алатырский, Порецкий, Ибресинский, Шумерлинский, Шемуршинский, административные районы. Здесь распространены песчано-подзолистые почвы с участком торфяно-болотистых. Здесь обнаружены месторождения терпенов, содержащих 75,5% двуокиси кремния, более 50% растворимой кремнекислоты. В этом субрегионе в питьевых колодцах содержится кремния от 10 до 15мг/л, в то время как в восточных районах от 2,5 до 5 мг/л содержание кремния в реке Сура, которая протекает вдоль западной границы республики колеблется от 15 до 18 мг/л, а в реке Цивиль, протекающее ближе к восточной границе, в пределах 2-2,5 мг/л. Такое высокое содержание кремния в реке Суре объяснимо его высоким содержанием в песчано-подзолистых почвах, также залежью кремнистых пород (Алатырское месторождение терпенов). Биогенная миграция микроэлементов носит в Присурском районе специфический характер-кремниевый. Имеется во всех изученных звеньях биогеохимической цепи резкий избыток кремния, умеренный недостаток йода, кобальта, неблагоприятное соотношение микроэлементов к йоду и кремнию. Этот субрегион экстремальный, так как резко нарушено соотношение микроэлементов в растениях, кормах, почвах, водах. В этой зоне более высокая заболеваемость населения мочекаменной болезнью, рассеянным склерозом, раком желудка, сахарным диабетом, хроническим холестицитом, эндемические тиреотоксическим зобом, хроническим гастритом, наблюдается значительное нарушение функции почек.

Исследования установили, что в этих субрегионах биосферы наблюдается неодинаковая ответная реакция людей и животных.

Проводились экспериментальные исследования на 3 группах крыс, употреблявших в течение 9 месяцев питьевые воды и корм, регулярно доставляемые из сравнимых почвенных зон, подтвердили роль биохимических условий песчано-подзолистых почв в нарушении фосфорно-кальциевого обмена и мочекаменной болезни в организме белых крыс. Опыты на крысах, собаках выявили, что развитию мочекаменной болезни способствует повышенное содержание растворенной кремнекислоты в питьевой воде. Выявлены основные закономерности действия кремния питьевых вод на организм животных при повышенном содержании его больше 5 мг/л:

1.оказывает неблагоприятное действие на почки животных , способствует образованию мочевых камней.

2.повышает активность щитовидной железы и околощитовидных желез.

3.понижает общий белок в крови, нарушает фосфорно-кальциевый обмен.

4.вредное действие кремния питьевых вод усиливается при увеличении концентрации в них фтора, нитратов, сульфатов, хлоридов и повышении жесткости воды.


Аналогичное действие оказывает кремний на организм человека. Проводился анализ заболеваемости за 10 лет с 1981 по 1990 года по 21 району республики. Изучалось сельское население, так как городское население менее стабильное и подвержено многочисленным факторам урбанизации. В Порецком, Алатырском и Шумерлинском районах на протяжении десятков лет регистрируется более высокая частота случаев основных заболеваний человека. Таким образом, проведенные исследования выявили: во-первых, роль геохимических факторов в развитии заболеваний у людей. Во-вторых, установлено, что неблагоприятное влияние оказывает не только избыток или недостаток микроэлементов, но и их неблагоприятное соотношение.

В-третьих, доказана ведущая роль высоких концентраций кремния в развитии многих заболеваний.


Список использованной литературы:


1.Г.П.Хомченко «Пособие по химии» 1996г.

2.В.А.Филов «Неорганические соединения 1-4 групп 1988г.

3.Справочник АО «Химпром» г. Новочебоксарска

4.В.Л.Сусликов «Гигиеническая оценка роли кремния в питьевой воде» 1978 г.

5.В.Л.Сусликов «Биологическое районирование Чувашской республики

6.Е.Д.Рохов “Мир Кремния” Москва ХИМИЯ, 1990г.

7.Аванта Плюс, химия, 2001г.