Силаны (кремневодороды, гидриды кремния) — соединения кремния с водородом общей формулы Si _n H _{2 n +2} .

Получение

Наиболее распространённый способ получения — разложение кислотами силицидов металлов . Например, силицида магния :

${\displaystyle {\mathsf {Mg_{2}Si+4H^{+}\to 2Mg^{2+}+SiH_{4}\uparrow }}}$

Для синтеза моносилана используют разложение в присутствии натрия , при t = 80 °C:

${\displaystyle {\mathsf {4SiH(OC_{2}H_{5})_{3}{\xrightarrow[{80\ ^{\circ }C}]{Na}}SiH_{4}+3Si(OC_{2}H_{5})_{4}}},}$

либо реакцией алюмогидрида лития с тетрахлоридом кремния :

${\displaystyle {\mathsf {LiAlH_{4}+SiCl_{4}\to SiH_{4}+LiCl+AlCl_{3}}}}$

Физические свойства

По физическим свойствам силаны сходны с углеводородами . Моносилан SiH ₄ и дисилан Si ₂ Н ₆ являются бесцветными газами с неприятным запахом, трисилан Si ₃ Н ₈ — бесцветная, ядовитая, летучая жидкость. Высшие члены гомологического ряда — твёрдые вещества. Силаны растворяются в этаноле , бензине , , CS ₂ . Силаны, бораны и алканы имеют аналогичную структуру, но разные свойства.

Химические свойства

Силаны воспламеняются на воздухе, Si ₂ Н ₆ взрывается при контакте с воздухом. Наиболее термически устойчивым является моносилан (энергия связи Si−H 364 кДж/моль).

Силаны чрезвычайно легко окисляются. Моносилан в присутствии кислорода может самовозгораться. В зависимости от условий реакции, продуктом окисления является либо SiO ₂ , либо промежуточные вещества:

${\displaystyle {\mathsf {SiH_{4}+2O_{2}\to SiO_{2}+2H_{2}O}},\quad \Delta H_{298}^{\circ }=-1357~{\text{кДж}}}$

Силаны являются хорошими восстановителями, они переводят КМnО ₄ в MnO ₂ , Hg(II) в Hg(I), Fe(III) в Fe(II) и т. д. Силаны устойчивы в нейтральной и кислой средах, но легко гидролизуются даже в присутствии малейших следов ОН ⁻ -ионов:

${\displaystyle {\mathsf {SiH_{4}+4OH^{-}\to SiO_{4}^{4-}+4H_{2}\uparrow }}}$

${\displaystyle {\mathsf {SiH_{4}+2H_{2}O\to SiO_{2}+4H_{2}\uparrow }}}$

${\displaystyle {\mathsf {SiH_{4}+2NaOH+H_{2}O\to Na_{2}SiO_{3}+4H_{2}\uparrow }}}$

Реакция протекает количественно и может использоваться для количественного определения силана. Под действием щёлочи возможно также расщепление связи Si−Si:

${\displaystyle {\mathsf {Si_{2}H_{6}+4H_{2}O\to 2SiO_{2}+7H_{2}\uparrow }}}$

С галогенами силаны реагируют со взрывом, при низких температурах образуются галогениды кремния.

Критическая точка моносилана достигается примерно при −4 °C и давлении 50 атм.

Отличия от алканов

Поскольку связи Si−Si и Si−H слабее связей C−C и C−H, силаны отличаются от углеводородов меньшей устойчивостью и повышенной реакционноспособностью. Плотность, температуры кипения и плавления силанов выше, чем у соответствующих углеводородов.

Отличия от боранов

Гомологический ряд и изомерия

Гомологический ряд силанов (первые 10 членов)
Моносилан	SiH 4	SiH 4
Дисилан	SiH 3 — SiH 3	Si 2 H 6
Трисилан	SiH 3 — SiH 2 — SiH 3	Si 3 H 8
Тетрасилан	SiH 3 — SiH 2 — SiH 2 — SiH 3	Si 4 H 10
Пентасилан	SiH 3 — SiH 2 —SiH 2 —SiH 2 —SiH 3	Si 5 H 12
Гексасилан	SiH 3 —SiH 2 —SiH 2 —SiH 2 —SiH 2 —SiH 3	Si 6 H 14
Гептасилан	SiH 3 — SiH 2 — SiH 2 —SiH 2 —SiH 2 —SiH 2 —SiH 3	Si 7 H 16
	SiH 3 — SiH 2 — SiH 2 —SiH 2 —SiH 2 —SiH 2 —SiH 2 —SiH 3	Si 8 H 18
	SiH 3 — SiH 2 —SiH 2 —SiH 2 — SiH 2 —SiH 2 —SiH 2 — SiH 2 —SiH 3	Si 9 H 20
	SiH 3 — SiH 2 —SiH 2 —SiH 2 — SiH 2 —SiH 2 —SiH 2 — SiH 2 —SiH 2 —SiH 3	Si 10 H 22

В связи с малой устойчивостью связи Si−Si с увеличением числа атомов кремния в цепи устойчивость силанов падает. Поэтому гомологический ряд силанов ограничен восемью членами: Si ₈ H ₁₈ является высшим известным силаном.

Применение

Применяют в различных реакциях кремний органического синтеза (получение ценных кремнийорганических полимеров и др.), как источник чистого кремния для микроэлектронной промышленности. Моносилан широко используется в микроэлектронике и получает всё большее применение при изготовлении кристаллических и тонкоплёночных фотопреобразователей на основе кремния, ЖК-экранов , подложек и технологических слоёв интегральных схем. В основном моносилан производится для дальнейшего получения сверхчистого поликремния , ввиду того, что этот метод себя зарекомендовал как наиболее экономически целесообразный. Также силаны используют для связи между органической матрицей и неорганическим наполнителем ( диоксидом кремния ) в композиционных материалах: стеклопластики , , стоматологические материалы .

Производство

По данным на 2008 год, мировое производство моносилана оценивается в 24000 тонн.

3 компании, производящие основное количество моносилана в мире:

• (США/Норвегия) >50 % рынка
• (США/Италия)
• (ранее Degussa ) (Германия)

Однако эти компании производят моносилан для собственного производства поликремния . Лишь небольшая часть попадает в свободную продажу.

Основные поставщики на рынок:

• Air Liquide
• Mitsui Chemicals
• .

Литература

• Б. Д. Степин, А. А. Цветков. Неорганическая химия: Учебник для химических и химико-технологических специальных вузов. — М. — ISBN 5-06-001740-0 .

Ссылки

См. также

• Кремнийорганические соединения