Binární sloučeniny křemíku a vodíku - Binary silicon-hydrogen compounds

Chemická struktura disilane, který je strukturálně podobný etanu.

Binární sloučeniny křemíku a vodíku jsou nasycený chemické sloučeniny s empirickým vzorcem Si_XH_y. Všechny obsahují čtyřboká křemík a koncové hydridy. Mají pouze jednoduché vazby Si – H a Si – Si. The délky vazby jsou 146,0 pm pro vazbu Si – H a 233 pm pro vazbu Si – Si. Struktury silanů jsou analogiemi alkany, začínání s silan, SiH
₄, analog z metan, pokračování s disilane Si
₂H
₆, analog z etan atd. Jedná se hlavně o teoretický nebo akademický zájem.^[1]

Inventář

Cyklopentasilan je strukturálně podobný cyklopentan, prostě větší.

Nejjednodušší izomer silanu je ten, ve kterém jsou atomy křemíku uspořádány do jednoho řetězce bez větví. Tento izomer se někdy nazývá n-izomer (n pro „normální“, i když to nemusí být nutně nejběžnější). Řetězec atomů křemíku však může být také rozvětvený v jednom nebo více bodech. Počet možných izomerů se rychle zvyšuje s počtem atomů křemíku. Členové série (z hlediska počtu atomů křemíku) sledují:

silan, SiH
₄ - jeden křemík a čtyři vodík

disilane, Si
₂H
₆ - dva křemík a šest vodíku, struktura podobná etanu

trisilan, Si
₃H
₈ - tři křemík a 8 vodíku, struktura podobná propanu

tetrasilan, Si
₄H
₁₀ - čtyři křemík a 10 vodíku (dva izomery: tetrasilan a isotetrasilan, analogicky s butanem a isobutanem)

pentasilan, Si
₅H
₁₂ - pět křemíku a 12 vodíku (tři izomery: pentasilan, isopentasilan a neopentasilan)

Silany jsou pojmenovány přidáním přípona -silan k příslušnému číselný multiplikátor předpona. Proto disilane, Si
₂H
₆; trisilan Si
₃H
₈; tetrasilan Si
₄H
₁₀; pentasilan Si
₅H
₁₂; atd. Předpona je obecně řecká, s výjimkou nonasilanu, který má a latinský prefix a undecasilane a tridecasilane, které mají prefixy ve více jazycích. Polymerní křemíkové hydridy na pevné fázi zvané polysilikonové hydridy jsou také známé. Když je vodík v lineárním polysilenovém polykrystalickém hydridu nahrazen alkyl nebo aryl vedlejší skupiny, termín polysilan se používá.

3-Silylhexasilan (H₃SiSiH₂SiH (SiH₃) SiH₂SiH₂SiH₃, je nejjednodušší chirální binární necyklický hydrid křemíku.

Existují také cyklosilany. Jsou strukturálně analogické s cykloalkany, se vzorcem Si_nH_2n, n > 2.

Data pro malé silany^[1]
Silane	Vzorec	Bod varu [° C]	Bod tání [° C]	Hustota [g cm⁻³] (při 25 ° C)
Silane	SiH ₄	−112	−185	plyn
Disilane	Si ₂H ₆	−14	−132	plyn
Trisilan	Si ₃H ₈	53	−117	0.743
cyklotrisilan [el ]	Si ₃H ₆
Tetrasilan [de; ru ]	Si ₄H ₁₀	108	−90	0.793
n-Pentasilan [de; ru ]	Si ₅H ₁₂	153	−72.8	0.827
cyklopentasilan	Si ₅H ₁₀	194	−10.5	0.963
n-Hexasilan [de; ru ]	Si ₆H ₁₄	193.6	−44.7	0.847

Výroba

Počáteční práce byla provedena Alfred Stock a Carl Somiesky.^[2] Ačkoli monosilany a disilany byly již známy, Stock a Somiesky objevili, počínaje rokem 1916, další čtyři členové Si_nH_{2n + 2} série, až n = 6. Rovněž dokumentovali tvorbu polymerních hydridů křemíku na pevné fázi.^[3] Jednou z jejich metod syntézy byla hydrolýza kovu silicidy. Tato metoda produkuje směs silanů, které vyžadovaly separaci na a vedení vysokého vakua.^[4]^[5]^[6]

Silani (Si_nH_{2n + 2}) jsou tepelně méně stabilní než alkany (C_nH_{2n + 2}). Mají tendenci podstoupit dehydrogenace, čímž se získá vodík a polysilany. Z tohoto důvodu se izolace silanů vyšších než heptasilan ukázala jako obtížná.^[7]

Schlesingerův proces se používá k přípravě silanů reakcí perchlorsilany s lithiumaluminiumhydrid.

Aplikace

Jediná, ale významná aplikace pro SiH₄ je v mikroelektronika průmysl. Podle kovová organická chemická depozice z plynné fáze, silan se převádí na křemík tepelným rozkladem:

SiH₄ → Si + 2 H₂

Pro kontrolu hrubé mikrobiální kolonizace se používají retenční silany se širokospektrými antimikrobiálními aktivitami, nízkou cytotoxicitou, neumožňující patogeny.

Nebezpečí

Silan je ve směsi se vzduchem výbušný (1 - 98% SiH₄). Jiné nižší silany mohou také tvořit výbušné směsi se vzduchem. Lehčí kapalné silany jsou vysoce hořlavé, ale toto riziko klesá s délkou křemíkového řetězce, jak objevil Peter Plichta. Silany nad Heptasilanem nereaguj spontánně a lze je skladovat jako benzín. Vyšší silany proto mají potenciál nahradit uhlovodíky jako skladovatelný zdroj energie s výhodou reagovat nejen s kyslíkem, ale také s dusíkem.

Pokyny pro detekci / řízení rizik:

Silane je o něco hustší než vzduch (možnost sdružování na úrovni terénu / jámy)
Disilane je hustší než vzduch (možnost sdružování na úrovni terénu / jámy)
Trisilan je hustší než vzduch (možnost sdružování na úrovni terénu / jámy)

Nomenklatura

Názvosloví IUPAC (systematický způsob pojmenování sloučenin) pro silany je založeno na identifikaci hydrosilikonových řetězců. Nerozvětvené, nasycené hydrosilikonové řetězce jsou pojmenovány systematicky s řeckou číselnou předponou označující počet křemíků a příponou „-silane“.

K vytvoření systematického názvu lze použít konvence pojmenování IUPAC.

Klíčové kroky při pojmenovávání složitějších rozvětvených silanů jsou následující:

Určete nejdelší souvislý řetězec atomů křemíku
Pojmenujte tento nejdelší kořenový řetězec pomocí standardních pravidel pojmenování
Pojmenujte každý postranní řetězec změnou přípony názvu silanu z „-ane“ na „-anyl“, kromě „silanu“, který se změní na „silyl“
Očíslovejte kořenový řetězec tak, aby součet čísel přiřazených jednotlivým skupinám stran byl co nejnižší
Číslo a název postranních řetězců před názvem kořenového řetězce

Nomenklatura se vyrovná té alkyl radikály.

Silany lze také pojmenovat jako kterákoli jiná anorganická sloučenina; v tomto systému pojmenování je pojmenován silane tetrahydrid křemíku. U delších silanů se to však stává těžkopádným.

Reference

^ ^A ^b Greenwood, Norman N.; Earnshaw, Alan (1997). Chemie prvků (2. vyd.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-08-037941-8.
^ E. Wiberg, Alfred Stock a renesance anorganické chemie," Pure Appl. Chem., Sv. 49 (1977), str. 691-700.
^ J. W. Mellor, "Komplexní pojednání o anorganické a teoretické chemii", sv. VI, Longman, Green and Co. (1947), s. 223 - 227.
^ Hydridy boru a křemíku. Ithaca (USA) 1933.
^ Stock, A .; Stiebeler, P .; Zeidler, F. (1923). „Siliciumwasserstoffe, XVI. Die höheren siliciumhydrid“. Ber. Dtsch. Chem. Ges. B. 56B: 1695-1705. doi:10,1002 / cber.19230560735.
^ P. W. Schenk (1963). „Silanes SiH₄ (Si₂H₆Si₃H₈) ". In G. Brauer (ed.). Handbook of Preparative Anorganic Chemistry, 2. vyd. 1. NY, NY: Academic Press. 679–680.
^ W. W. Porterfield „Anorganická chemie: jednotný přístup“, Academic Press (1993), str. 219.

[G&E-1] A ^b Greenwood, Norman N.; Earnshaw, Alan (1997). Chemie prvků (2. vyd.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-08-037941-8.

[2] E. Wiberg, Alfred Stock a renesance anorganické chemie," Pure Appl. Chem., Sv. 49 (1977), str. 691-700.

[3] J. W. Mellor, "Komplexní pojednání o anorganické a teoretické chemii", sv. VI, Longman, Green and Co. (1947), s. 223 - 227.

[4] Hydridy boru a křemíku. Ithaca (USA) 1933.

[5] Stock, A .; Stiebeler, P .; Zeidler, F. (1923). „Siliciumwasserstoffe, XVI. Die höheren siliciumhydrid“. Ber. Dtsch. Chem. Ges. B. 56B: 1695-1705. doi:10,1002 / cber.19230560735.

[6] P. W. Schenk (1963). „Silanes SiH₄ (Si₂H₆Si₃H₈) ". In G. Brauer (ed.). Handbook of Preparative Anorganic Chemistry, 2. vyd. 1. NY, NY: Academic Press. 679–680.

[7] W. W. Porterfield „Anorganická chemie: jednotný přístup“, Academic Press (1993), str. 219.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]