Силаны

Силаны (кремневодороды, гидриды кремния) — соединения кремния с водородом общей формулы SinH2n+2.

Получение

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

M g 2 S i + 4 H + → 2 M g 2 + + S i H 4 ↑ {displaystyle {mathsf {Mg_{2}Si+4H^{+} o 2Mg^{2+}+SiH_{4}uparrow }}}

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

4 S i H ( O C 2 H 5 ) 3 → 80   ∘ C N a S i H 4 + 3 S i ( O C 2 H 5 ) 4 , {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:

L i A l H 4 + S i C l 4 → S i H 4 + L i C l + A l C l 3 {displaystyle {mathsf {LiAlH_{4}+SiCl_{4} o SiH_{4}+LiCl+AlCl_{3}}}}

Физические свойства

По физическим свойствам силаны сходны с углеводородами. Моносилан SiH4 и дисилан Si2Н6 являются бесцветными газами с неприятным запахом, трисилан Si3Н8 — бесцветная, ядовитая, летучая жидкость. Высшие члены гомологического ряда — твёрдые вещества. Силаны растворяются в этаноле, бензине, органосиланах, CS2. Силаны, бораны и алканы имеют аналогичную структуру, но разные свойства.

Химические свойства

Силаны воспламеняются на воздухе, Si2Н6 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 SiO2, либо промежуточные вещества:

S i H 4 + 2 O 2 → S i O 2 + 2 H 2 O , Δ H 298 ∘ = − 1357   кДж {displaystyle {mathsf {SiH_{4}+2O_{2} o SiO_{2}+2H_{2}O}},quad Delta H_{298}^{circ }=-1357~{ ext{кДж}}}

Силаны являются хорошими восстановителями, они переводят КМnО4 в MnO2, 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:

S i H 4 + 4 O H − → S i O 4 4 − + 4 H 2 ↑ {displaystyle {mathsf {SiH_{4}+4OH^{-} o SiO_{4}^{4-}+4H_{2}uparrow }}} S i H 4 + 2 H 2 O → S i O 2 + 4 H 2 ↑ {displaystyle {mathsf {SiH_{4}+2H_{2}O o SiO_{2}+4H_{2}uparrow }}} S i H 4 + 2 N a O H + H 2 O → N a 2 S i O 3 + 4 H 2 ↑ {displaystyle {mathsf {SiH_{4}+2NaOH+H_{2}O o 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:

S i 2 H 6 + 6 H 2 O → 3 S i O 2 + 9 H 2 ↑ {displaystyle {mathsf {Si_{2}H_{6}+6H_{2}O o 3SiO_{2}+9H_{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.

Гомологический ряд

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: октасилан Si8H18 является высшим известным силаном.

Применение

Применяют в различных реакциях кремнийорганического 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, базальтопластики, стоматологические материалы.

Производство

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

3 компании, производящие основное количество моносилана в мире:

• REC Group (США/Норвегия) >50 % рынка
• MEMC Electronic Materials (США/Италия)
• Evonik (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
• Sodiff.