Schwerpunktforum: Stöchiometrie und Redoxgleichungen
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Alt 13.04.2019, 15:38   #1   Druckbare Version zeigen
Mickjo Männlich
Mitglied
Themenersteller
Beiträge: 4
Beitrag Redox-Gleichung für MOS-Gassensoren aufstellen

Moin alle zusammen,


ich könnte Hilfe für das aufstellen einer Reaktionsgleichung benötigen. Ich komme aus der Elektrotechnik und tue mich mit dem Sachverhalt wirklich schwer.


Hier eine Beschreibung zu der Funktionsweise von metal-oxid-semiconductor Gassenoren:


Eine Gassensitive Paste reagiert mit z.B. NO2 aus der Umgebungsluft und ändert dadurch seinen Leitwert, sprich es bildet sich eine Raumladungszone in der sensitiven Schicht. Meine Frage ist wie diese zu stande kommt?


Die Gassensitive Schicht besteht aus SnO2 und soll mit NO2 regaieren. Dies geschieht bei Temperaturen um 300°C.


In vorliegenden Texten steht, dass das SnO2 negativen Sauerstoff aus der Luft adsorbiert (warum auch immer). Dadurch kann das ganze wohl mit anderen Gasen Oxidieren oder Reduzieren.


Ich würde mich freuen wenn ihr mir weiter helfen könnt


Schöne Grüße
Mickjo
Mickjo ist offline   Mit Zitat antworten
Alt 13.04.2019, 22:20   #2   Druckbare Version zeigen
Nobby Männlich
Mitglied
Beiträge: 14.871
AW: Redox-Gleichung für MOS-Gassensoren aufstellen

Zinndioxid ist ein p-Halbleiter, also hat Lochdefekte.

Stickstoffdioxid kann adsorbiert werden durch Redoxreaktion zu Nitrat oder Nitrit und Sauerstoff. Zinn ändert dabei seine Oxidationstufe von +4 auf +2.

SnO2+ 2 NO2 => Sn(NO3)2

oder SnO2 + 2 NO2 => Sn(NO2)2 + O2

https://www.google.com/search?q=sno2+gas+sensor+mechanismus&client=firefox-b-d&tbm=isch&source=iu&ictx=1&fir=LqiL11MzqOZfqM%253A%252CTfAhgNdn5DVeIM%252C_&vet=1&usg=AI4_-kQkXNVHklLeJE5RomgX98tZliofuQ&sa=X&ved=2ahUKEwjLqO746s3hAhVGBGMBHeuRCqYQ9QEwA3oECAkQCA#imgrc=LqiL11MzqOZfqM:
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Vena lausa moris pax drux bis totis
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Alt 13.04.2019, 23:39   #3   Druckbare Version zeigen
cg Männlich
Mitglied
Beiträge: 1.390
AW: Redox-Gleichung für MOS-Gassensoren aufstellen

Ja, soweit die Chemie. Und jetzt noch bißchen Halbleiterphysik:
p-Halbleiter bedeutet, dass in den Kristallen des Materials (hier SnO2) Plätze für Elektronen frei sind. Die Barrieren, die das Kristallgitter für Elektronen aufbaut sind bei den meisten Kristallen so hoch, dass Elektronen, wenn sie in solche Freistellen springen erheblich Energie brauchen, um da wieder raus zu kommen. (Analog: Auto im Straßengraben) Der Kristall leitet den Strom folglich nicht.

Halbleiterkristalle zeichnen sich hingegen dadurch aus, dass diese Barrieren ungewöhnlich niedrig sind. Folglich können Elektronen diese relativ leicht überwinden. (Analog: Auto im Schlagloch) Deshalb können Elektronen von einer Freistelle zur nächsten springen. Der Kristall leitet also den elektrischen Strom.

Findet nun an der Oberfläche des Halbleiterkristalls eine chemische Reaktion statt, bei der Elektronen auf das p-Halbleitermaterial übertragen werden, bewirken diese Elektronen eine Zunahme der Leitfähigkeit, die man messen kann. Je mehr reaktionsfähige Moleküle in der Gasphase vorhanden sind umso mehr pro Zeiteinheit erreichen die Kristalloberfläche (per Diffusion), umso mehr Elektronen springen durch den Kristall, umso stärker steigt die Leitfähigkeit an.

Die chemische Reaktion hier ist Sn(II) -> Sn(VI) + 2 e^- Diese Elektronen bewirken die Leifähigkeit. An anderer Stelle der Kristalloberfläche reduzieren diese Elektronen dann den Luftsauerstoffs: Formal O2 + 2 e^- -> 2 O^- und O^- + NO2 -> NO3^-
( Zusammen: 2 NO2 + O2 + 2 e^- -> 2 NO3^- )
Dazu muss man wissen, dass SnO2 im Kristall immer auch etwas SnO enthält. Deswegen auch die Freistellen.

Nur zur Ergänzung: Bei Metallen sind die Barrieren so niedrig, dass der Strom fast ungehindert fließen kann. (Analog: Auto auf der intakten Straße)
cg ist offline   Mit Zitat antworten
Alt 15.04.2019, 14:32   #4   Druckbare Version zeigen
Mickjo Männlich
Mitglied
Themenersteller
Beiträge: 4
Beitrag

Herlichen dank ihr beiden
Ihr habt mir auf jeden Fall schon deutlich weiter geholfen.
Dennoch ist mir das ganze noch nicht zu 100% ersichtlich, deshalb nocheinmal Fragen bezogen auf eure Antworten:


1)zu Nobby:
Was bedeutet die zusätzliche 2 unten bei dieser Formel?
SnO2+ 2 NO2 => Sn(NO3)2
Wäre es nicht schlauer die Formel würde so aussehen, wenn nicht warum?
SnO2+ 2 NO2 => SnNO3
Wie verhält es sich in deinen Formel mit den Ladungen?


2) zu cg
Deine Formeln kann ich gut nachvollziehen.
Ich verstehe aber leider nicht warum überhaupt Sn(II) zu Sn(VI) + 2 e^- wird.
Es liegt ja auch kein Sn in reiner Form vor, was passiert mit dem Reaktionspartner. Beziehst du dich dabei auf die oben genannten Formeln von Nobby?


3) Eine Zusatzfrage
Welchen Einfluss hat die Temperatur bei dem ganzen, würde die Reaktion auch bei Zimmertemperatur stattfinden?


Tut mir Leid das ich mich etwas blöd anstelle, aber ich würde das gerne jetzt koplett kapieren.


Dankeschon schonmal im voraus für jede Antwort
Mickjo ist offline   Mit Zitat antworten
Alt 15.04.2019, 14:40   #5   Druckbare Version zeigen
Nobby Männlich
Mitglied
Beiträge: 14.871
AW: Redox-Gleichung für MOS-Gassensoren aufstellen

Zinn kann in der Oxidationsstufe +2 und +4 auftreten.

Im SnO2 ist Zinn +4. Die Ladungen werden durch je ein Sauerstoff mit -2 ausgeglichen.

Bei der Redoxreaktion wandelt sich Zinn-IV in Zinn-II um

Sn4+ + 2 e- => Sn2+

Das Stickstoffdioxid reagiert im Gegenzug NO2 + e- => NO2-

oder mit den Oxidteilchen zu:

NO2 + O2- => NO3- + e-

Damit die Ladungen wieder stimmen muß das Produkt Sn(NO2)2 oder Sn(NO3)2 heißen.

Das sollte beide Fragen beantworten.

Die Temperatur hat auch einen Einfluß. Die Reaktion braucht eine gewisse Aktivierungsenergie. Bei RT wird vermutlich nicht viel passieren oder die Reaktion ganz langsam ablaufen.
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Vena lausa moris pax drux bis totis

Geändert von Nobby (15.04.2019 um 14:53 Uhr)
Nobby ist offline   Mit Zitat antworten
Alt 15.04.2019, 14:48   #6   Druckbare Version zeigen
Mickjo Männlich
Mitglied
Themenersteller
Beiträge: 4
AW: Redox-Gleichung für MOS-Gassensoren aufstellen

Und was passiert bevor die Oberfläche mit NO2 in Kontakt kommt, also nur mit Sauerstoff. Warum absorbiert die Oberfläche Sauerstoff mit negativer Ladung? Diese Formulierung ist mir auch nicht ganz klar.
Mickjo ist offline   Mit Zitat antworten
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Alt 15.04.2019, 14:51   #7   Druckbare Version zeigen
Mickjo Männlich
Mitglied
Themenersteller
Beiträge: 4
Beitrag AW: Redox-Gleichung für MOS-Gassensoren aufstellen

Danke Nobby die Antwort ist super, ich habs kapiert


Einzig die Frage mit dem absorbierten Sauerstoff bleibt noch offen.
Mickjo ist offline   Mit Zitat antworten
Alt 15.04.2019, 14:52   #8   Druckbare Version zeigen
Nobby Männlich
Mitglied
Beiträge: 14.871
AW: Redox-Gleichung für MOS-Gassensoren aufstellen

Durch die Struktur im Halbleiter kann Sauerstoff adsorbiert werden und negative Ladungen tragen.
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Vena lausa moris pax drux bis totis
Nobby ist offline   Mit Zitat antworten
Alt 15.04.2019, 18:26   #9   Druckbare Version zeigen
cg Männlich
Mitglied
Beiträge: 1.390
AW: Redox-Gleichung für MOS-Gassensoren aufstellen

Der Sauerstoff hat keine negative Ladung. Sorry. Er hat ein Oxidationspotential, das qualitativ durch die Oxidationszahl dargestellt wird. (In meinem Bild: Durch Autos, die auf dem Parklatz stehen, entsteht kein zusätzlicher Verkehrsfluß auf der mäßig befahrenen Strasse. Erst wenn sie vom Parkplatz losfahren, dann wird der Verkehr dichter.)
Deshalb schrieb ich:"Formal O2 + 2 e^- -> 2 O^- und O^- + NO2 -> NO3^-" Das ist stark vereinfacht.

Genauer ist die Betrachtung des chemischen Gleichgewichts zwischen 2 SnO + O2 <=> 2 SnO2 . Dei einem bestimmten O2-Druck liegt nachdem sich das chemische Gleichgewicht eingestellt hat, im Kristall ein dadurch definiertes Mengenverhältnis von SnO und SnO2 vor. Das ist so durch die Potentiale der Reaktanden bestimmt.
Tritt nun NO2 dazu reagiert es wie schon erläutert. Dadurch bewegen sich im Kristall plötzlich Elektronen, die bis dahin noch nicht in dem Kristall waren. Der Kristall leitet dadurch den elektrischen Strom besser. (Analog: Die Schlaglöcher werden aufgefüllt. Der Verkehr wird flüssiger.)


Freundliche Grüße
cg
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Stichworte
gassensor, hilfe, no2, sn02

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