Silane | |||
Struktura silanu. | |||
Identifikace | |||
---|---|---|---|
Název IUPAC | silan | ||
Synonyma |
Tetrahydrid křemíku, monosilan, křemičitan, hydrid křemíku |
||
N O CAS | |||
Ne o ECHA | 100 029 331 | ||
Ne o EC | 232-263-4 | ||
N O RTECS | VV1400000 | ||
PubChem | 23953 | ||
ChEBI | 29389 | ||
ÚSMĚVY |
[SiH4] , |
||
InChI |
Std. InChI: InChI = 1S / H4Si / h1H4 Std. InChIKey: BLRPTPMANUNPDV-UHFFFAOYSA-N |
||
Vzhled | bezbarvý samozápalný plyn s nepříjemným zápachem | ||
Chemické vlastnosti | |||
Hrubý vzorec | SiH 4 | ||
Molární hmotnost | 32,1173 ± 0,0006 g / mol H 12,55%, Si 87,45%, |
||
Fyzikální vlastnosti | |||
T. fúze | -185 ° C | ||
T ° vroucí | -112 ° C | ||
Rozpustnost | s' hydrolýza se rychle ve vodě | ||
Objemová hmotnost | 1,44 kg / m 3 při 0 ° C | ||
Meze výbušnosti ve vzduchu | 1,4% objemových, 19 g / m 3 | ||
Tlak nasycených par |
29 bar při −22 ° C 40,8 bar při −10 ° C 48 bar při −3,5 ° C |
||
Kritický bod | 0,242 g / cm 3 při -3,5 ° C pod 48,4 bar | ||
Trojitý bod | -186,4 ° C | ||
Termochemie | |||
Δ vap H ° | 12,1 kJ · mol -1 ( 1 atm , -111,9 ° C ) | ||
Elektronické vlastnosti | |||
1 re ionizační energie | 11,00 ± 0,02 eV (plyn) | ||
Opatření | |||
SGH | |||
Nebezpečí H220, H280, P210, P377, P381, P403, H220 : Extrémně hořlavý plyn H280 : Obsahuje plyn pod tlakem; při zahřátí může explodovat P210 : Chraňte před teplem / jiskrami / otevřeným plamenem / horkými povrchy. - Kouření zakázáno. P377 : Unikající zapálený plyn: Nehaste, pokud únik nelze bezpečně zastavit. P381 : Odstraňte všechny zdroje vznícení, pokud je to možné provést bez rizika. P403 : Uchovávejte na dobře větraném místě. |
|||
WHMIS | |||
A, B6, A : Kritická teplota stlačeného plynu = -3,45 ° C B6 : Reaktivní materiál hořlavý spontánně hořlavý při kontaktu se vzduchem Zveřejnění 1,0% podle seznamu údajů o složce |
|||
Doprava | |||
23 : hořlavý plyn UN číslo : 2203 : SILANE COMPRESSED Třída: 2.1 Štítek: 2.1 : Hořlavé plyny (odpovídá skupinám označeným velkým písmenem F); Balení: - |
|||
Jednotky SI a STP, pokud není uvedeno jinak. | |||
Silan je chemická sloučenina podle vzorce SiH 4. Vypadá to jako bezbarvý samozápalný plyn s odpudivým zápachem. Křemík analog z metanu CH 4, je to nejjednodušší z hydridů křemíku a nejjednodušší ze sloučenin řady silanů obecného vzorce Si n H 2 n + 2, Které jsou samy o sobě křemíkové analogy C n H 2 n +2 alkanů.
Rozšířením můžeme také hovořit o silanech, abychom společně označili různé substituované deriváty silanu, jako je tetramethyl ortosilikát Si (OCH 3 ) 4, Tetraethylorthosilikátu Si (OCH 2 CH 3 ) 4nebo trichlorsilan SiHCl 3Nebo organické sloučeniny křemíku , jako je dimethylsilanediol Si (OH) 2 (CH 3 ) 2nebo tetramethylsilanu Si (CH 3 ) 4.
Vzhledem k tomu, vodík je více elektronegativní než křemík (2,2 proti 1,9 na stupnici Pauling ) je polarizace z Si - H vazby , je opačný než na C - H vazby (dále elektronegativita z uhlíku . Je 2,55 na stupnici Pauling) . To má několik důsledků, zejména sklon silanu tvořit komplexy s přechodnými kovy nebo skutečnost, že se spontánně vznítí ve vzduchu, aniž by musel být zapálen (je samozápalný ). Spalovací silan údaje jsou však často protichůdné, protože silan sám o sobě je poměrně stabilní, zatímco jeho Samozápalnost by bylo způsobeno zejména nečistot, jako je například tvorba vyšších silanů během jeho výroby, podle přítomnosti stop vlhkosti. A pomocí katalytické účinky z povrch nádob, které jej obsahují.
Při absenci kyslíku a vlhkosti se silan rozkládá při teplotě nad 400 ° C na křemík a vodík, které lze použít k nanášení tenkých vrstev křemíku chemickým nanášením par ( CVD ).
SiH 4⟶ Si + 2 H 2nad 400 ° C .Snížení silanu pomocí alkalického kovu rozpuštěného v rozpouštědle, se získá derivát silyl odpovídající zásady. V závislosti na použitém rozpouštědle, mohou dvě soupeřící reakce probíhají, například první reakci sám v hexamethylfosforamidu [(CH 3 ) 2 N] 3 PO(HMPA), a oba současně v dimethoxyethanu CH 3 OCH 2 CH 2 OCH 3například zde s draslíkem poskytujícím silanid draselný KSiH 3 :
2 SiH 4+ 2 K ⟶ 2 KSiH 3+ H 2 ; SiH 4+ 2 K ⟶ KSiH 3+ KH .Energie Si - H vazby je asi 384 kJ / mol , který je o 20% menší, než je H - H vazby v vodíku molekuly H 2.. Z toho vyplývá, že sloučeniny, které obsahují takové Si - H vazby jsou reaktivnější než H 2. Energie vazby Si - H je málo ovlivněna přítomností substituentů na atomu křemíku: je tedy rovna 419 kJ / mol pro trifluorosilan SiHF 3, 382 kJ / mol na trichlorsilanu SiHCl 3a 398 kJ / mol pro trimethylsilan SiH (CH 3 ) 3,.
Silan je silné redukční činidlo, které hoří v kyslíku , exploduje v chloru a rychle hydrolyzuje v zásadité vodě ( pH > 7 ) podle reakcí:
SiH 4+ 2 O 2⟶ SiO 2+ 2 H 2 O ; SiH 4+ 2 Cl 2⟶ SiCl 4+ 2 H 2 ; SiH 4+ 4 H 2 O⟶ Si (OH) 4+ 4 H 2.Na druhé straně je reakce s čistou vodou velmi pomalá: je usnadněna v přítomnosti bazických stop nebo silné kyseliny .
Silan je syntetizován podle několika metod. To je obvykle vytvoří reakcí chlorovodíku HCl s hořečnatého silicidu Mg 2 Si :
Mg 2 Si+ 4 HCl ⟶ 2 MgCl 2+ SiH 4.Může být také vyroben z metalurgického křemíku ve dvou fázích. Křemík se nejprve působí chlorovodíkem na přibližně 300 ° C pro výrobu trichlorsilanu SiHCl 3s vodíku H 2 :
Si + 3 HCl ⟶ SiHCl 3+ H 2.Trichlorosilane se potom převede do směsi křemíku a chloridu SiCl 4v přítomnosti katalyzátoru :
4 SiHCl 3⟶ SiH 4+ 3 SiCl 4.Nejčastěji používané jako katalyzátory v tomto procesu jsou halogenidy kovů , zvláště chlorid hlinitý AlCl 3. Toto je přerozdělení , které lze také považovat za disproporcionaci, ačkoli se oxidační stav křemíku nemění (je to +4 pro silan, trichlorsilan a tetrachlorid křemičitý); Nicméně, protože chlór je elektronegativní než vodík (3,16 oproti 2,2 na Pauling měřítku ), na křemíku atomu z SiCl 4vykazuje vyšší hodnotu formálního oxidačního stavu, než je SiH 4.
Alternativní způsob výroby se týká silanu s velmi vysokou čistotou určeného k výrobě elektronického křemíku pro polovodičový průmysl . Tento proces také používá metalurgický křemík, stejně jako vodík a chlorid křemičitý. Zahrnuje řadu redistribucí s vedlejšími produkty, které se recyklují při reakcích a destilacích , které lze shrnout takto:
Pokud + 2 H 2+ 3 SiCl 4⟶ 4 SiHCl 3 ; 2 SiHCl 3⟶ SiH 2 Cl 2+ SiCl 4 ; 2 SiH 2 Cl 2⟶ SiHCl 3+ SiH 3 Cl ; 2 SiH 3 Cl⟶ SiH 4+ SiH 2 Cl 2.Takto vytvořený silan může být tepelně rozložen za vzniku vysoce čistého křemíku a vodíku v jediném průchodu .
Další způsoby výroby silan zahrnuje snížení o fluorid křemičitý SiF 4od hydridu sodného NaH nebo redukcí chloridu křemičitého SiCl 4od lithium hliníku hydrid LiAlH 4. Je také možné postupovat redukcí oxidu křemičitého SiO 2pod hliníku od vodíku H 2ve směsi chloridu sodného NaCl a chloridu hlinitého AlCl 3 při vysokém tlaku:
3 SiO 2+ 6 H 2+ 4 Al ⟶ 3 SiH 4+ 2 Al 2 O 3.Němečtí chemici Heinrich Buff a Friedrich Woehler objevili v roce 1857 silan mimo jiné produkty vytvořené reakcí kyseliny chlorovodíkové HCl s silicidem hlinitým Al 4 Si 3 ; pojmenovali sloučeninu silikát vodíku .
Pro demonstrace v učebně lze silan vyrobit zahřátím směsi písku a hořčíkového prášku, aby se získal silicid hořečnatý Mg 2 Si, který pak může být nalit do kyseliny chlorovodíkové. Silicid hořečnatý reaguje s kyselinou za vzniku silanem SiH 4, který tvoří bubliny, které vystupují na povrch a samovznícení se vznítí při kontaktu se vzduchem pyroforicitou , což naznačuje praskání malých výbuchů. Můžeme považovat tuto reakci jako heterogenní acidobazické reakce , pokud to silicidu anion Si 4- části antifluorite struktury (en) Mg 2 Si může sloužit jako Bronstedova základna přijímající čtyři protony .
4 HCl + Mg 2 Si⟶ SiH 4+ 2 MgCl 2.Obecně platí, že kovy alkalických zemin tvoří silicidy mající stechiometrie M II 2 Si, M II Si a M II Si 2. Ve všech případech tyto látky reagují s Bronstedovými kyselinami za vzniku hydridů křemíku, jejichž povaha závisí na vazbách aniontu Si v silicidu. Může být například vytvořen silan SiH4 ., těžší silany homologní řady obecného vzorce Si n H 2 n +2, polymerní hydridy křemíku nebo kyselina křemičitá [SiO x (OH) 4-2 x ] n. M II Si, který obsahuje řetězec Si 2 - klikatých aniontů, na nichž má každý Si dva nevázané dublety schopné přijímat protony, dává polymerní hydrid (SiH 2 ) x.
Konečně, způsob výroby silan v malém měřítku, se skládá z reakce amalgám sodíku s dichlorsilan SiH 2 Cl 2, který poskytuje kromě silanu polymerované hydridy křemíku (SiH) x.
Zatímco organosilany mají různé aplikace, silan samotný se používá téměř výhradně jako prekurzor z čistého křemíku , zejména pro polovodičový průmysl . Výroba levných fotovoltaických solárních modulů vedla k značné spotřebě silanu pro depozici hydrogenovaného amorfního křemíku (a-Si: H) plazmou podporovaného chemického depozice z plynné fáze ( PECVD ) na různé podklady, jako je sklo , krystaly, kovy nebo plasty. .
Depozice křemíku PECVD je relativně neúčinná, protože využívá pouze asi 15% silanu, zbytek je ztracen. Byly vyvinuty různé metody recyklace, které zlepšují efektivitu procesu a snižují jeho ekologickou stopu .
Vzhledem k tomu, že silan je samozápalný , úniky tohoto plynu se samovolně vznítí, takže v továrnách došlo k mnoha smrtelným nehodám v důsledku požárů a výbuchů. Spalování silanu při nízké koncentraci se uskuteční ve dvou stupních, přičemž oxidace z vodíku , který vznikne po vytvoření oxidu křemičitého , The kondenzace, která by se urychlilo vytváření vody za působení tepelné zpětné vazby . Silan zředěný v inertních plynech, jako je dusík nebo argon, se pravděpodobně vznítí ve vzduchu než čistý silan: snadno se vznítí i směs 1% silanu v čistém dusíku. Ředění silanu ve vodíku umožňuje snížit průmyslová rizika při výrobě solárních článků v amorfním křemíku a má také tu výhodu, že stabilizuje takto vyrobené fotovoltaické solární moduly omezením Staebler-Wronského ( WSE ) účinku.
Na rozdíl od metanu je silan docela toxický: střední smrtelná dávka u laboratorních potkanů je 0,96% (9600 ppm ) během čtyř hodin. Při kontaktu s okem mohou navíc vznikat kyseliny křemičité, které mohou způsobit podráždění očí. Americký národní institut pro bezpečnost a ochranu zdraví při práci doporučuje nepřekračovat pracovní expozici silanu 5 ppm nebo 7 mg / m 3 , na osmihodinovém váženém průměru.