| Предыдущая задача | Содержание | Следующая задача | 38-ая Международная Химическая Олимпиада Тренировочные задачи |
Химия улучшает и обогащает нашу жизнь. Тысячелетиями люди использовали песок. Из песка изготовляли стекло. Из стекла изготовлялись линзы для телескопов, микроскопов, очков, а также химическая посуда.
Позднее песок стали использовать как сырье для производства полупроводников. Кремний – один из самых распространенных элементов в земной коре – на ее поверхности представлен исключительно соединениями, содержащими связь Si-O. Самое распространенное соединение кремния – кремнезем SiO2.
Рис.17-1. β-кристобалит, одна из разновидностей кремнезема.
17-1. Сколько атомов кремния и кислорода содержится в элементарной ячейке β-кристобалита?
17-2. Укажите тип гибридизации орбиталей атома кремния и предположите значение валентного угла O-Si-O.
SiO2 весьма инертен, но тем не менее реагирует с HF. Эта реакция может быть использована для травления стекла и производства полупроводников:
SiO2(тв) + 6HF(р-р) → A(р-р) + 2H+(р-р) + 2H2O(ж)
17-3. Изобразите молекулярную структуру А.
Кремний может быть получен нагреванием смеси оксида кремния и кокса в электродуговой печи при 3000 oС.
17-4. Напишите уравнение реакции SiO2 с углем. Предположите, что в реакции образуется только одно газообразное вещество, в льюисовской структуре которого есть формальные заряды.
17-5. Нарисуйте схему молекулярных орбиталей молекулы этого газа.
Для получения сверхчистого кремния неочищенный кремний обрабатывают хлором (при этом образуется вещество В) или хлороводородом (получается вещество С).
17-6. Напишите уравнение реакции кремния с хлором.
17-7. Предскажите молекулярную структуру В.
17-8. Является ли продукт реакции (1) полярным? Нарисуйте трехмерную структуру С и укажите направление дипольного момента, если он имеется.
Si(тв) + 3HCl(г) → “C” (г) + H2(г) (1)
При 1000 oС реакция (1) протекает в обратном направлении, давая сверхчистый кремний. Последняя стадия очистки осуществляется с использованием зонной плавки. Этот процесс основан на том, что примеси гораздо лучше растворимы в жидкой фазе, чем в твердой (рис. 17-2). Зонную плавку повторяют несколько раз до достижения нужной чистоты (обычно 0.1 ppb). [Примечание. 1 ppb - одна часть на миллиард (partperbillion).]
Рис. 17-2. Зонная плавка кремния.
17-9. Сколько атомов вытеснено примесями из одного грамма кремния, если степень загрязнения кремния составляет 0.1 ppb?
Как все полупроводники, кремний высокой чистоты не проводит электрический ток до тех пор, пока приложенное напряжение не превысит некоторой величины. Полупроводниковые свойства кремния могут быть значительно улучшены допированием, т.е. добавлением небольшого количества другого элемента к сверхчистому основному компоненту.
17-10. Что будет являться переносчиком тока в кремнии, допированном бором? Как называется такой тип полупроводников?
17-11. Нарисуйте зонную диаграмму для чистого и допированного кремния и объясните улучшение проводимости после допирования. На рисунке отметьте запрещенную зону.
Ответ
17-1. 8 Si, 16 O.
17-9. 1.9×1012.