Силан

Силанот — неорганско соединение со хемиска формула, . Тоа е безбоен, пирофорен, токсичен гас со остар, одбивен мирис, нешто сличен на оној на оцетната киселина. Силанот е од практичен интерес како претходник на елементарниот силициум. Силаните со алкилни групи се ефективни водоотпорни за минерални површини како бетон и ѕидање. Силаните со органски и неоргански додатоци се користат како средства за спојување.
1 Производство
1.1 Комерцијално производство
Силан може да се произведува на неколку начини. Обично, тоа произлегува од реакцијата на хлороводород со магнезиум силицид:
:Si + 3 HCl -> HSiCl3 + H2
Се подготвува и од силициум од металуршки квалитет во процес во два чекора. Прво, силициумот се третира со хлороводород на околу 300 °C за да се произведе трихлоросилан, HSiCl3, заедно со водороден гас, според хемиската равенка
:Si + 3 HCl -> HSiCl3 + H2
Потоа, трихлоросиланот се претвора во мешавина од силикон и силициум тетрахлорид:
:4 HSiCl3 -> + 3 SiCl4
Оваа реакција на прераспределба бара катализатор.
Најчесто користени катализатори за овој процес се метални халиди, особено алуминиум хлорид. Ова се нарекува реакција на редистрибуција, што е двојно поместување кое го вклучува истиот централен елемент. Може да се смета и како реакција на несразмерност, иако нема промена во бројот на оксидација за силициумот (Si има номинален оксидационен број IV кај сите три вида). Сепак, корисноста на концептот на оксидационен број за ковалентна молекула, дури и поларна ковалентна молекула, е двосмислена. Силиконскиот атом може да се рационализира дека има највисока формална оксидациска состојба и делумно позитивен полнеж во SiCl4 и најниската формална оксидациска состојба во , бидејќи Cl е многу поелектронегативен од H.
Алтернативен индустриски процес за подготовка на силикон со многу висока чистота, погоден за употреба во производството на силициум од полупроводничка класа, започнува со металуршки силициум, водород и силициум тетрахлорид и вклучува сложена серија на реакции на прераспределба (произведувајќи нуспроизводи кои се рециклираат во процесот) и дестилации. Реакциите се сумирани подолу:
:Si + 2 H2 + 3 SiCl4 -> 4 SiHCl3:2 SiHCl3 -> SiH2Cl2 + SiCl4:2 SiH2Cl2 -> SiHCl3 + SiH3Cl:2 SiH3Cl -> + SiH2Cl2
Силанот произведен на овој пат може топлински да се разложи за да произведе силициум и водород со висока чистота во еден премин.
Сепак, други индустриски патишта до силинот вклучуваат редукција на силициум тетрафлуорид (SiF4) со натриум хидрид (NaH) или редукција на SiCl4 со литиум алуминиум хидрид (LiAlH4).
Друго комерцијално производство на силин вклучува намалување на силициум диоксид (SiO2) под Al и H2 гас во мешавина од NaCl и алуминиум хлорид (AlCl3) при високи притисоци:
:3 SiO2 + 6 H2 + 4 Al -> 3 + 2 Al2O3
1.2 Патеки во лабораториски размери
Во 1857 година, германските хемичари Хајнрих Буф и Фридрих Волер откриле силин меѓу производите формирани од дејството на хлороводородна киселина на алуминиум силицид, кои тие претходно го подготвиле. Тие го нареклр соединението силициран водород.
За демонстрации во училницата, силинот може да се произведе со загревање на песок со магнезиум во прав за да се произведе магнезиум силицид (Mg2Si), потоа се истура смесата во хлороводородна киселина. Магнезиумовиот силицид реагира со киселината за да произведе силилански гас, кој гори при контакт со воздух и произведува мали експлозии. Ова може да се класифицира како хетерогено киселинско-базна хемиска реакција, бидејќи изолираната Si4− јон во Mg2Si антифлуоритната структура може да послужи како Бренстед-Лауриева база способна да прифати четири протони. Може да се напише како
:4 HCl + Mg2Si -> + 2 MgCl2
Општо земено, алкално-земјените метали формираат силициди со следните стехиометрии: , , and . Во сите случаи, овие супстанции реагираат со Бренстед-Лауриевите киселини за да произведат некој тип на хидрид на силициум кој зависи од поврзаноста на Si анјонот во силицидот. Можните производи вклучуваат и/или повисоки молекули во хомологната серија SinH2n+2, полимерен силициум хидрид или силициумска киселина. Оттука, со нивните цик-цак синџири на Si2− анјони (содржат два поединечни пара електрони на секој анјон Si кои можат да прифатат протони) го даваат полимерниот хидрид .
Уште еден мал пат за производство на силин е од дејството на натриумовиот амалгам на дихлоросилан, SiH2Cl2, за да се добие моносилан заедно со малку жолт полимеризиран силициум хидрид ..
2 Својства
Силанот е силиконски аналог на метанот. Поради поголемата електронегативност на водородот во споредба со силициумот, овој поларитет на врската Si-H е спротивен од оној во C-H врските на метанот. Една последица на овој обратен поларитет е поголемата тенденција на силинот да формира комплекси со преодните метали. Втора последица е тоа што силинот е пирофорен — се подложува на спонтано согорување во воздух, без потреба од надворешно палење. Сепак, тешкотиите во објаснувањето на достапните (често контрадикторни) податоци за согорувањето се припишуваат на фактот дека самиот силин е стабилен и дека природното формирање на поголеми силини за време на производството, како и чувствителноста на согорувањето на нечистотии како што се влагата и каталитичките ефекти на површините на контејнерите предизвикуваат нејзина пирофорност. Над 420 °C, силинот се распаѓа на силициум и водород; затоа може да се користи при хемиско таложење на пареа на силициум.
Јачината на врската Si–H е околу 384 kJ/mol, што е околу 20% послаба од H–H врската во H2. Следствено, соединенијата што содржат Si-H врски се многу пореактивни отколку H2. Јачината на врската Si–H е скромно под влијание на други супституенти: јачината на врската SiHF<sub>3</sub> 419 kJ/mol, SiHCl<sub>3</sub> 382 kJ/mol, and SiHMe<sub>3</sub> 398 kJ/mol.
3 Апликации
Иако постојат различни апликации за органосиланите, самиот силин има една доминантна примена, како претходник на елементарниот силициум, особено во индустријата за полупроводници. Повисоките силини, како што се ди- и трисилан, се само од академски интерес. Околу 300 метрички тони годишно силин биле потрошени во доцните 1990-ти. Евтиното производство на сончеви фотоволтаични модули довело до значителна потрошувачка на силин за таложење (PECVD) хидрогенизиран аморфен силициум (a-Si:H) на стакло и други подлоги како метал и пластика. Процесот на PECVD е релативно неефикасен при искористување на материјалите, при што приближно 85% од силинот се троши. За да се намали тој отпад и еколошкиот отпечаток на сончеви ќелии базирани на a-Si:H, биле развиени дополнителни неколку напори за рециклирање.
4 Безбедност и мерки на претпазливост
Пријавени се голем број фатални индустриски несреќи предизвикани од согорување и детонација на истечениот силин во воздухот.
Поради слабите врски и водород силинот е пирофорен гас (способен за автозапалување на температури под 54 °C (129 °F)):SiH4 + 2 O2 -> SiO2 + 2 H2O<math>\Delta H = -1517 \text{ kJ/mol } = -47.23 \text{ kJ/g}</math>:SiH4 + O2 -> SiO2 + 2 H2:SiH4 + O2 -> SiH2O + H2O:2 SiH4 + O2 -> 2 SiH2O + 2H2:SiH2O + O2 -> SiO2 + H2O
За посни мешавини е предложен процес на реакција во две фази, кој се состои од процес на потрошувачка на силилан и процес на оксидација на водород. Топлината на кондензацијата ја зголемува брзината на горење поради топлинска повратна информација.
Разредените силински мешавини со инертни гасови, како што се азот или аргон, имаат уште поголема веројатност да се запалат кога се испуштаат на отворено, во споредба со чистиот силин: дури и 1% мешавина од силиан во чист азот лесно се запали кога е изложена на воздух.
Во Јапонија, со цел да се намали опасноста од силин за производство на аморфни силициумски сончеви ќелии, неколку компании почнале да го разредуваат силинот со водороден гас. Ова резултирало со симбиотска придобивка од правење постабилни сончеви фотоволтаични ќелии бидејќи го намалува ефектот Штајблер-Вронски.
За разлика од метанот, силинот е прилично токсичен: смртоносната концентрација во воздухот за стаорци (LC 50) е 0,96% (9.600 ppm) во текот на 4-часовна изложеност. Дополнително, контактот со очите може да формира силициумска киселина со резултат на иритација.
Во однос на професионалната изложеност на силин на работниците, Националниот институт за безбедност и здравје при работа на САД поставил препорачана граница на изложеност од 5 ppm (7 mg/m 3 ) преку временски пондериран просек од осум часа.