Szilán
Szilán | |||
A szilán szerkezeti képlete |
A szilán 3D molekulamodellje | ||
IUPAC-név | Szilán | ||
Más nevek | Monoszilán Szilikán | ||
Kémiai azonosítók | |||
---|---|---|---|
CAS-szám | 7803-62-5 | ||
PubChem | 23953 | ||
ChemSpider | 22393 | ||
ChEBI | 29389 | ||
RTECS szám | VV1400000 | ||
| |||
| |||
InChIKey | BLRPTPMANUNPDV-UHFFFAOYSA-N | ||
Gmelin | 273 | ||
Kémiai és fizikai tulajdonságok | |||
Kémiai képlet | H4Si | ||
Moláris tömeg | 32,12 g/mol | ||
Megjelenés | színtelen gáz | ||
Szag | kellemetlen, szúrós[1] | ||
Sűrűség | 1,342 g/dm³ | ||
Olvadáspont | −185 °C | ||
Forráspont | −112 °C | ||
Oldhatóság (vízben) | Reakcióba lép lassan | ||
Gőznyomás | >1 atm (20 °C)[1] | ||
Kristályszerkezet | |||
Molekulaforma | tetraéder
r(Si-H) = 1,4798 angström | ||
Dipólusmomentum | 0 D | ||
Termokémia | |||
Std. képződési entalpia ΔfH |
34,31kJ/mol | ||
Standard moláris entrópia S |
204,6 J mol−1 K−1 | ||
Veszélyek | |||
Főbb veszélyek | Rendkívül gyúlékony, levegőn pirofóros | ||
NFPA 704 | |||
Öngyulladási hőmérséklet | 18 °C | ||
Robbanási határ | 1.37–100% | ||
PEL | nincs[1] | ||
Rokon vegyületek | |||
Rokon vegyületek | Metán | ||
Ha másként nem jelöljük, az adatok az anyag standardállapotára (100 kPa) és 25 °C-os hőmérsékletre vonatkoznak. |
A szilán egy szervetlen vegyület, képlete SiH4. Színtelen, gyúlékony, ecetsavra emlékeztetően szúrós szagú gáz.[2] Gyakorlati jelentősége az elemi szilícium gyártásában van.
A szilán névből más vegyületeket is lehet származtatni (pl. triklórszilán, tetrametil-szilán, szilán-metakrilát stb.), akárcsak a metán esetén. A szilánok az alkánok szilíciumhidrogén-megfelelői.
Előállítása
[szerkesztés]Ipari gyártása
[szerkesztés]A szilánt iparilag két lépésben állítják elő kohászati minőségű szilíciumból. Először az elporított szilíciumot hidrogén-kloriddal reagáltatják 300 °C-on, ekkor a hidrogéngáz mellett triklórszilán keletkezik az alábbi egyenlet szerint:
Eztán a triklórszilánt egy gyantával bevont edényben forralják katalizátort használva. A szilícium-tetraklorid az edényben marad, a szilángázt pedig felfogják.
A leggyakrabban alkalmazott katalizátor valamilyen fém-halogenid, leggyakrabban alumínium-klorid. A reakció során dupla ligandumcsere játszódik le, bár bizonyos szempontból diszproporciónak is tekinthető (noha mindhárom vegyületben IV a szilícium oxidációs száma), mert az oxidációs szám fogalmának használata kovalens molekuláknál némileg bizonytalan, még poláris molekulák esetén is. A szilíciumatomot lehet úgy tekinteni, mint amelynek a legnagyobb parciális pozitív töltése és formális oxidációs száma a szilícium-kloridban van, míg a szilánban a legkisebb a formális oxidációs száma, mivel a klór elektronegativitása jóval nagyobb, mint a hidrogéné.
Létezik egy alternatív előállítási módja az olyan nagy tisztaságú szilánnak, amely a félvezetőkben használt nagyon tiszta szilícium gyártására is alkalmas. A kiindulási anyag ismét kohászati minőségű szilícium, ezen kívül hidrogéngáz és szilícium-tetraklorid. A reakciósorozatban többszörös ligandumcserélés és desztilláció is szerepel, a melléktermékek újrahasznosíthatóak.
Az ilyen módon gyártott szilán hőbontásával nagy tisztaságú szilícium és egyúttal hidrogéngáz állítható elő.
További gyártási eljárás a szilícium-fluorid nátrium-hidriddel való redukciója, vagy a SiCl4 és lítium-alumínium-hidrid (LiAlH4) reakciója.[3] Egy másik, szilícium-dioxidból kiinduló folyamat magas nyomáson megy végbe alumíniummal és hidrogénnel; nátrium- és alumínium-klorid keverékében.
Laboratóriumi előállítása
[szerkesztés]1857-ben két német kémikus, Heinrich Buff[4] és Friedrich Wöhler fedezte fel a sósav és alumínium-szilicid reakciójában képződő szilánt.[5]
Előadótermi demonstrációkhoz a szilán úgy állítható elő, hogy homok és magnéziumpor keverékét felhevítik, majd a keletkező magnézium-szilicidet tartalmazó porkeveréket 20%-os sósavba öntik. A Mg2Si reagál a savval, a fejlődő szilán pedig a levegővel érintkezve rögtön meggyullad és apró robbanások kíséretében elég. Ez egy heterogén sav-bázis reakcióként fogható fel, mivel a magnézium-szilicidben lévő Si4- anion antifluorit-szerkezetének köszönhetően Brønsted–Lowry-bázisként viselkedik, mely 4 proton befogadására képes.
Általánosságban egy M alkáliföldfém sztöchiometriailag háromféle szilicidet is létrehozhat: MII2Si, MIISi, és MIISi2. Mindhárom struktúra reakcióba lép Brønsted–Lowry-savakkal egyfajta szilícium-hidridet képezve a szilícium oxidációs számától függően. A lehetséges végtermék lehet SiH4 és/vagy nagyobb molekula az alkánokkal analóg SinH2n+2 általános képletű vegyületek közül, vagy lehet a kovasav egyik fajtája. Ennélfogva, a cikkcakkos Si2− anionláncokat tartalmazó MIISi vegyületből (melyben minden szilicidionon két, proton befogadására alkalmas nemkötő elektronpár van) egy (SiH2)x képletű hidrid-polimer keletkezhet.
Kis mennyiségű szilán előállítható nátriumamalgám és diklórszilán reakciójában, ekkor a szilán mellett némi polimeres szilícium-hidrid is keletkezik, mely sárga színt okoz közben.[6]
Tulajdonságai
[szerkesztés]A szilán a metán analóg vegyülete. A szilíciumhoz képest a hidrogén elektronegativitása nagyobb, így az Si–H kötéspolaritása ellentétes a metánban lévő C–H kötésével. Ennek a fordított polaritásnak egyik következménye az átmenetifémkomplex-képzésre való nagyobb hajlam a szilánnál. Másik következménye a szilán pirofórossága — az a tulajdonsága, hogy levegőn külső gyújtás nélkül is spontán meggyullad.[7] A rendelkezésre álló (és gyakran ellentmondó) égési adatok alapján a szilán viszont igen stabilis, valamint ezekkel az adatokkal tanulmányozzák a nagyobb szilánok természetes előfordulását, ahogy a minimális szennyeződések (pl. nedvesség) által kiváltott nagy gyulladási hajlamát is; hogy vajon a tároló felületének katalitikus hatása okozza-e a vegyület pirofórosságát.[8][9] A szilán 420 °C felett szilíciumra és hidrogénre bomlik.
A Si–H kötés erőssége megközelítőleg 384 kJ/mol, mely körülbelül 20%-kal gyengébb a hidrogéngázban lévő H–H kötésének. Következésképpen, a Si–H kötéseket tartalmazó vegyületek reakciókészsége jelentősen nagyobb, mint a H2-é. Ezt a kötéserősséget kisebb-nagyobb mértékben a többi szubsztituens is befolyásolja: A Si–H kötés erőssége a SiHF3, SiHCl3, és SiHMe3 vegyületekben 419, 382, és 398 kJ/mol.[10][11]
Felhasználása
[szerkesztés]Számos nagyipari felhasználása van a szilánoknak. Alkalmazzák a tapadórostos anyagok, például az üveggyapot és a szénrost készítésekor a kompozitanyagok stabilizálására. Használják még, mikor egy titánból készült implantátum felületére biológiailag semleges réteget akarnak felvinni. Egyéb felhasználásai közt van a víztaszítók gyártása, a kőművességi védelem biztosítása, a graffitik szabályzása,[12] ezen kívül a félvezető és tömítőanyagok előállításánál, ahol polikristályos szilíciumréteget kell kialakítani. A félvezetőipar az 1990-es években körülbelül 300 tonna szilánt használt fel évente.[9] Elengedhetetlen az alacsony költségű fényelektromos modulok gyártásánál, amellett ez a lépés vezetett a szilán nagy mennyiségű kereskedelmi felhasználásához a hidrogénezett amorf szilícium üvegre, fémre, műanyagra vagy más felületre való felvitele céljából. A PECVD technológia nem túl gazdaságos, mivel a szilán 85%-a kárba vész. Ennek a pazarlásnak és a ökológiai lábnyomának csökkentésére folyamatosan dolgoznak ki újrahasznosítási módszereket.[13][14]
Szintén alkalmazzák a szuperszonikus égésű torlósugár-hajtóművekben az égés beindítására a sűrített levegő sugarában. Mivel szén-dioxidban is el tud égni, ez lehet az üzemanyaga a Marson működtetett motoroknak a jövőben.[15] Mivel azonban az reakcióban szilárd termékek is keletkeznek (szilícium-dioxid és szén), csak folyékony üzemanyagú rakétákban (folyékony szén-dioxiddal) vagy torlósugár-hajtóművekben használható.
A szilánokat és az egyéb Si—H kötést tartalmazó vegyületeket redukálószerként használják a szerves és fémorganikus kémiában.[16]
A szilán-metakrilátot a fogászatban is alkalmazzák, mint fogszínű töltőanyagot. A szilán-metakrilátok a kemény, szilikátbázisú kerámiatöltő anyagok és a szerves, gyanta alapú oligomer mátrixokat összekapcsoló szerek.
Biztonság és elővigyázatosság
[szerkesztés]Már temérdek olyan ipari balesetről számoltak be, amelyet a kiszivárgó szilán levegőben történő elégése vagy robbanása váltott ki.[17][18][19]
Ha egy szivárgó szilánforrást elzárnak vagy gátolnak, az égés hőkibocsátása sokkal inkább koncentrálódik egy helyen, amely a reakciósebesség és égési sebesség megnövekedéséhez vezet; a gázfázisú detonáció pedig súlyos károkat okoz. A szilán önmagától kigyulladhat akár 54 °C alatt.[20]
Égésének veszélyes termékei
[szerkesztés]
A csekélyebb szilántartalmú keverékek elégetésére egy kétlépcsős folyamat az ajánlott, mely a szilán elhasználását és a hidrogén oxidálását is magában foglalja. A szilícium-dioxid lecsapódása némi plusz hővel támogatja a reakció mihamarabbi végbemenetelét.[21]
A szilán inert gázokkal (nitrogén, argon stb.) keveredve sokkal készségesebben gyullad meg a nyílt levegővel érintkezve a tiszta szilánnal összehasonlítva. Akár 1%-os szilántartalom mellett is robbanhat.[22]
Japánban az efféle balesetek elkerülésére az amorf szilíciummal működő napelemeket gyártó cégek hidrogénnel keverik a szilánt a stabilisabb fényelektromos cellák érdekében, mivel csökkenti a Staebler–Wronski-hatást.
A metánnal ellentétben a szilán meglehetősen toxikus: 4 órás kitettség esetén a halálos koncentrációja (LC50) a levegőben 0,96% (9600 ppm), patkányokon mérve. Továbbá, a szemmel érintkezve kovasav képződhet belőle, amely az irritációért felelős.[23]
A szilánnak munkahelyükön kitett dolgozók érdekében a NIOSH 5 ppm-re (7 mg/m³) korlátozta az ajánlott maximális koncentrációt átlagos, 8 órás műszakkal számolva.[24]
Fordítás
[szerkesztés]Ez a szócikk részben vagy egészben a Silane című angol Wikipédia-szócikk ezen változatának fordításán alapul. Az eredeti cikk szerkesztőit annak laptörténete sorolja fel. Ez a jelzés csupán a megfogalmazás eredetét és a szerzői jogokat jelzi, nem szolgál a cikkben szereplő információk forrásmegjelöléseként.
Források
[szerkesztés]- ↑ a b c d e NIOSH Pocket Guide to Chemical Hazards #0556. National Institute for Occupational Safety and Health (NIOSH)
- ↑ CFC Startec properties of Silane Archiválva 2008. március 19-i dátummal a Wayback Machine-ben. C-f-c.com. Retrieved on 2013-03-06.
- ↑ Shriver and Atkins. Inorganic Chemistry (5th Edition). W. H. Freeman and Company, New York, 2010, p. 358.
- ↑ Qwika – Heinrich Buff Archiválva 2013. szeptember 21-i dátummal a Wayback Machine-ben. Wikipedia.qwika.com. Retrieved on 2013-03-06.
- ↑ Mellor, J. W. "A Comprehensive Treatise on Inorganic and Theoretical Chemistry," Vol VI, Longmans, Green and Co. (1947), p. 216.
- ↑ Mellor, J. W. "A Comprehensive Treatise on Inorganic and Theoretical Chemistry, Vol. VI" Longmans, Green and Co. (1947) pp. 970–971.
- ↑ (1935) „The oxidation of the silicon hydrides”. Journal of the Chemical Society, 1182–1189. o. DOI:10.1039/JR9350001182.
- ↑ Koda, S. (1992). „Kinetic Aspects of Oxidation and Combustion of Silane and Related Compounds”. Progress in Energy and Combustion Science 18 (6), 513–528. o. DOI:10.1016/0360-1285(92)90037-2.
- ↑ a b Timms, P. L. (1999). „The chemistry of volatile waste from silicon wafer processing”. Journal of the Chemical Society – Dalton Transactions (6), 815–822. o. DOI:10.1039/a806743k.
- ↑ M. A. Brook "Silicon in Organic, Organometallic, and Polymer Chemistry" 2000, J. Wiley, New York. ISBN 0-471-19658-4.
- ↑ Archivált másolat. [2016. november 21-i dátummal az eredetiből archiválva]. (Hozzáférés: 2016. június 7.)
- ↑ Graffiti protection systems Archiválva 2007. október 9-i dátummal a Wayback Machine-ben. Protectosil.com. Retrieved on 2013-03-06.
- ↑ Briend P, Alban B, Chevrel H, Jahan D. American Air, Liquide Inc. (2009) "Method for Recycling Silane (SiH4)". US20110011129, EP2252550A2.
- ↑ (2013) „Life cycle analysis of silane recycling in amorphous silicon-based solar photovoltaic manufacturing”. Resources, Conservation and Recycling 70, 44. o. DOI:10.1016/j.resconrec.2012.10.002.
- ↑ Zubrin, Robert. The Case for Mars. NY: Touchstone, 203. o. (1996). ISBN 0-684-83550-9
- ↑ Reductions of organic compounds using silanes. Organic-chemistry.org. Retrieved on 2013-03-06.
- ↑ Chen, J. R. (2002). „Characteristics of fire and explosion in semiconductor fabrication processes”. Process Safety Progress 21 (1), 19–25. o. DOI:10.1002/prs.680210106.
- ↑ (2006) „Analysis of a silane explosion in a photovoltaic fabrication plant”. Process Safety Progress 25 (3), 237–244. o. DOI:10.1002/prs.10136.
- ↑ (2007) „Revisiting of a silane explosion in a photovoltaic fabrication plant”. Process Safety Progress 26 (2), 155–158. o. DOI:10.1002/prs.10194.
- ↑ Silane MSDS. (Hozzáférés: 2016. június 7.)
- ↑ V.I Babushok (1998). „Numerical Study of Low and High Temperature Silane Combustion”. The Combustion Institute 27th Symposium, 2431–2439. o.
- ↑ (1995) „Spontaneous Ignition Limits of Silane and Phosphine”. Combustion and Flame 101 (1–2), 170–174. o. DOI:10.1016/0010-2180(94)00175-R.
- ↑ MSDS for silane Archiválva 2009. február 20-i dátummal a Wayback Machine-ben. vngas.com
- ↑ Silicon tetrahydride. NIOSH Pocket Guide to Chemical Hazards. Centers for Disease Control and Prevention, 2011. április 4. (Hozzáférés: 2013. november 18.)