Силаны

Эта статья — о насыщенных бинарных соединениях водорода и кремния. О производных соединениях, где один или несколько атомов водорода замещены, см. производные силанов.

Сила́ны (кремневодоро́ды, гидри́ды кре́мния) — бинарные насыщенные соединения кремния с водородом общей формулы Si_nH_2n+2.

Силаны
Общие
Хим. формула	SinH2n+2
Химические свойства
Растворимость
• в воде	малорастворимы
Безопасность
NFPA 704	4 4 1
Приведены данные для стандартных условий (25 °C, 100 кПа), если не указано иное.
Медиафайлы на Викискладе

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 триэтоксисилана 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 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:

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

Силаны являются хорошими восстановителями, они переводят 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:

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

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

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

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.

Гомологический ряд и изомерия

Гомологический ряд силанов (первые 10 членов)
Моносилан	SiH4	SiH4
Дисилан	SiH3— SiH3	Si2H6
Трисилан	SiH3— SiH2— SiH3	Si3H8
Тетрасилан	SiH3— SiH2— SiH2— SiH3	Si4H10
Пентасилан	SiH3— SiH2—SiH2—SiH2—SiH3	Si5H12
Гексасилан	SiH3—SiH2—SiH2—SiH2—SiH2—SiH3	Si6H14
Гептасилан	SiH3— SiH2— SiH2—SiH2—SiH2—SiH2—SiH3	Si7H16
Октасилан	SiH3— SiH2— SiH2—SiH2—SiH2—SiH2—SiH2—SiH3	Si8H18
Нонасилан	SiH3— SiH2—SiH2—SiH2—SiH2—SiH2—SiH2—SiH2—SiH3	Si9H20
Декасилан	SiH3— SiH2—SiH2—SiH2— SiH2—SiH2—SiH2—SiH2—SiH2—SiH3	Si10H22

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.

Кроме линейных цепочек, существуют (как и для алканов) разнообразные разветвлённые изомеры. Например, формулу Si₆H₁₄, кроме гексасилана, имеют его изомеры, 2-силилпентасилан и 3-силилпентасилан. У пентасилана Si₅H₁₂ известны изомеры 2-силилтетрасилан и 2,2-дисилилтрисилан. У тетрасилана Si₄H₁₀ есть изомер 2-силилтрисилан (изотетрасилан).

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.

Литература

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

Ссылки

• Получение диоксида кремния, силицида магния и силана

См. также

• Кремнийорганические соединения