Jump to content

Силан

Силан
Стереоструктурная формула силана
Шаровидная модель силана.
Ball-and-stick model of silane
Модель заполнения пространства силаном
Spacefill model of silane
Имена
Название ИЮПАК
Силан
Систематическое название ИЮПАК
Силикан
Другие имена
  • Моносилан
  • Гидрид кремния(IV)
  • Тетрагидрид кремния
Идентификаторы
3D model ( JSmol )
ЧЭБИ
ХимическийПаук
Информационная карта ECHA 100.029.331 Отредактируйте это в Викиданных
273
номер РТЭКС
  • ВВ1400000
НЕКОТОРЫЙ
Число 2203
Характеристики
Н 4 Да
Молярная масса 32.117  g·mol −1
Появление Бесцветный газ
Запах Отталкивающий [1]
Плотность 1,313   г/л [2]
Температура плавления -185 ° C (-301,0 ° F; 88,1 К) [2]
Точка кипения -111,9 ° C (-169,4 ° F; 161,2 К) [2]
Реагирует медленно [2]
Давление пара >1   атм (20 °C) [1]
Конъюгатная кислота Силаний (иногда пишется как силониум)
Структура
Тетраэдрический
r(Si-H) = 1,4798   Å [3]
0   Д
Термохимия [4]
42,81   Дж/моль·К
204,61   Дж/моль К
34,31   кДж/моль
56,91   кДж/моль
Опасности
Безопасность и гигиена труда (OHS/OSH):
Основные опасности
Чрезвычайно легковоспламеняющийся, пирофорный на воздухе.
СГС Маркировка :
GHS02: ЛегковоспламеняющиесяGHS04: Сжатый газ
Опасность
Х220 , Х280
П210 , П222 , П230 , П280 , П377 , П381 , П403 , П410+П403
NFPA 704 (огненный алмаз)
точка возгорания Неприменимо, пирофорный газ
~ 18 ° C (64 ° F; 291 К)
Взрывоопасные пределы 1.37–100%
NIOSH (пределы воздействия на здоровье в США):
МЕХ (Допускается)
Никто [1]
РЕЛ (рекомендуется)
СВВ 5   частей на миллион (7   мг/м 3 ) [1]
IDLH (Непосредственная опасность)
без даты [1]
Паспорт безопасности (SDS) КМГС 0564
Родственные соединения
Родственные тетрагидридные соединения
Метан
немецкий
Станнан
Отвес
Родственные соединения
Фенилсилан
Винилсилан
Дисилан
Трисилан
Если не указано иное, данные приведены для материалов в стандартном состоянии (при 25 °C [77 °F], 100 кПа).

Силан ( Силикан ) — неорганическое соединение с химической формулой. СиХ 4 . Это бесцветный пирофорный токсичный газ с резким, отталкивающим, резким запахом, чем-то похожим на запах уксусной кислоты . [5] Силан представляет практический интерес как предшественник элементарного кремния . Силаны с алкильными группами являются эффективными водоотталкивающими средствами для минеральных поверхностей, таких как бетон и каменная кладка. силаны как с органическими , так и с неорганическими В качестве связующих агентов используются связями. Их обычно используют для нанесения покрытий на поверхности или в качестве усилителя адгезии. [6]

Производство

[ редактировать ]

Маршруты коммерческого масштаба

[ редактировать ]

Силан можно производить несколькими способами. [7] Обычно он возникает в результате реакции хлористого водорода с силицидом магния :

Его также получают из металлургического кремния в двухэтапном процессе. Сначала кремний обрабатывают хлористым водородом при температуре около 300 °C для получения трихлорсилана HSiCl3 вместе с газообразным водородом в соответствии с химическим уравнением

Затем трихлорсилан превращают в смесь силана и тетрахлорида кремния :

Эта реакция перераспределения требует катализатора.

Наиболее часто используемыми катализаторами этого процесса являются металлов галогениды , особенно хлорид алюминия . Это называется реакцией перераспределения, которая представляет собой двойное смещение с участием одного и того же центрального элемента. Ее также можно рассматривать как реакцию диспропорционирования , хотя степень окисления кремния не изменяется (Si имеет номинальную степень окисления IV во всех трех видах). Однако полезность концепции степени окисления для ковалентной молекулы [ нечеткий ] , даже полярная ковалентная молекула, неоднозначна. [ нужна ссылка ] Атом кремния можно рационализировать как имеющий высшую формальную степень окисления и частичный положительный заряд в SiCl 4 и низшая формальная степень окисления в SiH 4 , поскольку Cl гораздо более электроотрицательен, чем H. [ нужна ссылка ]

Альтернативный промышленный процесс получения силана очень высокой чистоты, подходящего для использования в производстве кремния полупроводникового качества, начинается с кремния металлургического качества, водорода и тетрахлорида кремния и включает сложную серию реакций перераспределения (с образованием побочных продуктов, перерабатываются в процессе) и дистилляции. Реакции суммированы ниже:

Силан, полученный этим способом, можно термически разложить с получением кремния и водорода высокой чистоты за один проход.

Другие промышленные пути получения силана включают восстановление тетрафторида кремния ( SiF 4 ) гидридом натрия (NaH) или восстановлением SiCl 4 с литийалюминийгидридом ( LiAlH 4 ).

Другое коммерческое производство силана включает восстановление диоксида кремния ( SiO 2 ) под Al и Газ H 2 в смеси NaCl и хлорида алюминия ( AlCl 3 ) при высоких давлениях: [8]

Маршруты лабораторного масштаба

[ редактировать ]

В 1857 году немецкие химики Генрих Буфф и Фридрих Велер среди продуктов, образующихся при действии соляной кислоты на заранее приготовленный ими силицид алюминия, обнаружили силан. Они назвали это соединение силикатным водородом . [9]

Для демонстраций в классе силан можно получить путем нагревания песка с порошком магния для получения силицида магния ( Mg 2 Si ), затем выливают смесь в соляную кислоту. Силицид магния реагирует с кислотой с образованием силана, который горит при контакте с воздухом и производит крошечные взрывы. [10] Его можно отнести к гетерогенному [ нужны разъяснения ] кислотно-основная химическая реакция, поскольку изолированные И 4− ион в Mg 2 Si Структура антифлюорита может служить основанием Бренстеда–Лоури, способным принять четыре протона. Это можно записать как

Обычно щелочноземельные металлы образуют силициды со следующей стехиометрией : М II 2 Си , М II Си и М II Си 2 . Во всех случаях эти вещества реагируют с кислотами Бренстеда-Лоури с образованием некоторого типа гидрида кремния, который зависит от анионной связи Si в силициде. Возможные продукты включают в себя SiH 4 и/или более высокие молекулы гомологического ряда Si n H 2 n +2 , полимерный гидрид кремния или кремниевая кислота . Следовательно, М II Си с их зигзагообразными цепочками И 2− анионы (содержащие две неподеленные пары электронов на каждом анионе Si, который может принимать протоны) дают полимерный гидрид (SiH 2 ) х .

Еще один мелкомасштабный путь производства силана — воздействие амальгамы натрия на дихлорсилан . SiH 2 Cl 2 с получением моносилана вместе с некоторым количеством желтого полимеризованного гидрида кремния. (СиХ) х . [11]

Характеристики

[ редактировать ]

Силан кремниевый аналог метана . — Все четыре Связи Si-H равны, их длина составляет 147,98 пм . [12] Из-за большей электроотрицательности водорода по сравнению с кремнием полярность связи Si–H противоположна полярности связей C–H метана. Одним из следствий этой обратной полярности является большая склонность силана образовывать комплексы с переходными металлами. Вторым следствием является то, что силан пирофорен — он самовозгорается на воздухе без необходимости внешнего воспламенения. [13] Однако трудности в объяснении имеющихся (часто противоречивых) данных о сжигании объясняются тем фактом, что силан сам по себе стабилен и что естественное образование более крупных силанов в процессе производства, а также чувствительность горения к примесям, таким как влага и каталитическое воздействие поверхности контейнера обуславливает его пирофорность. [14] [15] При температуре выше 420 °C силан разлагается на кремний и водород ; поэтому его можно использовать при химическом осаждении кремния из паровой фазы.

Si–H Прочность связи составляет около 384 кДж/моль, что примерно на 20 % слабее связи H–H в H 2 . Следовательно, соединения, содержащие связи Si–H, гораздо более реакционноспособны, чем H 2 . На прочность связи Si–H слабо влияют другие заместители: силы связи Si–H составляют: SiHF 3 419 кДж/моль, SiHCl 3 382 кДж/моль и SiHMe 3 398 кДж/моль. [16] [17]

Приложения

[ редактировать ]
Контейнеры для транспортировки моносиланового газа в Японии.

существуют в различных областях применения Хотя органосиланы , сам силан имеет одно доминирующее применение — в качестве предшественника элементарного кремния, особенно в полупроводниковой промышленности. Высшие силаны, такие как ди- и трисилан, представляют лишь академический интерес. около 300 тонн силана в год. В конце 1990-х годов потреблялось [ нужно обновить ] [15] Производство недорогих солнечных фотоэлектрических модулей привело к значительному потреблению силана для осаждения (PECVD) гидрогенизированного аморфного кремния (a-Si:H) на стекло и другие подложки, такие как металл и пластик. Процесс PECVD относительно неэффективен при использовании материалов: около 85% силана теряется. Чтобы сократить эти отходы и экологический след солнечных элементов на основе a-Si:H, было разработано несколько проектов по переработке. [18] [19]

Безопасность и меры предосторожности

[ редактировать ]

Сообщалось о ряде несчастных случаев на производстве со смертельным исходом, вызванных возгоранием и детонацией утечек силана в воздухе. [20] [21] [22]

Из-за слабых связей и водорода силан является пирофорным газом (способным к самовоспламенению при температуре ниже 54 °C или 129 °F). [23]

     

Для бедных смесей предложен двухстадийный процесс реакции, состоящий из процесса расхода силана и процесса окисления водорода. Жара Конденсация SiO 2 (s) увеличивает скорость горения за счет тепловой обратной связи. [24]

Разбавленные смеси силана с инертными газами, такими как азот или аргон, даже более склонны к возгоранию при утечке на открытый воздух, чем чистый силан: даже 1%-ная смесь силана в чистом азоте легко воспламеняется на воздухе. [25]

В Японии, чтобы снизить опасность использования силана при производстве солнечных элементов из аморфного кремния, несколько компаний начали разбавлять силан газообразным водородом . Это привело к симбиотическому преимуществу создания более стабильных солнечных фотоэлектрических элементов, поскольку это уменьшило эффект Штеблера-Вронского. [ нужна ссылка ] .

В отличие от метана, силан достаточно токсичен: смертельная концентрация в воздухе для крыс ( LC 50 ) составляет 0,96% (9600 ppm) при 4-часовом воздействии. Кроме того, при попадании в глаза может образоваться кремниевая кислота , вызывающая раздражение. [26]

Что касается профессионального воздействия силана на работников, Национальный институт охраны труда США установил рекомендуемый предел воздействия в размере 5 частей на миллион (7 мг/м2). 3 ) в течение восьмичасового средневзвешенного значения. [27]

См. также

[ редактировать ]
  1. ^ Jump up to: а б с д и Карманный справочник NIOSH по химическим опасностям. «#0556» . Национальный институт охраны труда и здоровья (NIOSH).
  2. ^ Jump up to: а б с д Хейнс, с. 4,87
  3. ^ Хейнс, с. 9.29
  4. ^ Хейнс, с. 5.14
  5. ^ Гринвуд, Норман Н .; Эрншоу, Алан (1997). Химия элементов (2-е изд.). Баттерворт-Хайнеманн . ISBN  978-0-08-037941-8 .
  6. ^ Лондон, Габор; Кэрролл, Грегори Т.; Феринга, Бен Л. (2013). «Силанизация поверхностей кварца, кремния и слюды с помощью световых молекулярных двигателей: создание связанных с поверхностью фотоактивных нанослоев» . Органическая и биомолекулярная химия . 11 (21): 3477–3483. дои : 10.1039/c3ob40276b . ISSN   1477-0520 . ПМИД   23592007 . S2CID   33920329 .
  7. ^ Зиммлер, В. «Неорганические соединения кремния». Энциклопедия промышленной химии Ульмана . Вайнхайм: Wiley-VCH. дои : 10.1002/14356007.a24_001 . ISBN  978-3527306732 .
  8. ^ Шрайвер и Аткинс. Неорганическая химия (5-е издание). WH Freeman and Company, Нью-Йорк, 2010 г., с. 358.
  9. ^ Меллор, Дж.В. «Всеобъемлющий трактат по неорганической и теоретической химии», том. VI, Лонгманс, Грин и Ко (1947), с. 216.
  10. ^ «Изготовление кремния из песка» . Популярная наука . Архивировано из оригинала 29 ноября 2010 г. – через Теодора Грея. .
  11. ^ Меллор, Дж.В. «Всеобъемлющий трактат по неорганической и теоретической химии», том. VI. Лонгманс, Грин и компания (1947), стр. 970–971.
  12. ^ "Обслуживание" . НИСТ . 17 октября 2019 г.
  13. ^ Эмелеус, Х.Дж. и Стюарт, К. (1935). «Окисление гидридов кремния». Журнал Химического общества : 1182–1189. дои : 10.1039/JR9350001182 .
  14. ^ Кода, С. (1992). «Кинетические аспекты окисления и горения силана и родственных соединений». Прогресс в области энергетики и науки о горении . 18 (6): 513–528. Бибкод : 1992PECS...18..513K . дои : 10.1016/0360-1285(92)90037-2 .
  15. ^ Jump up to: а б Тиммс, Польша (1999). «Химия летучих отходов переработки кремниевых пластин». Журнал Химического общества, Dalton Transactions (6): 815–822. дои : 10.1039/a806743k .
  16. ^ М. А. Брук «Кремний в органической, металлоорганической и полимерной химии», 2000, Дж. Уайли, Нью-Йорк. ISBN   0-471-19658-4 .
  17. ^ «Стандартные энергии облигаций» . Органическая химия Мичиганского государственного университета.
  18. ^ Брайнд П., Албан Б., Шеврел Х., Джахан Д. American Air, Liquide Inc. (2009) «Метод переработки силана (SiH 4 )». US20110011129 , EP2252550A2 .
  19. ^ Крейгер, Массачусетс; Шоннард, доктор медицинских наук; Пирс, Дж. М. (2013). «Анализ жизненного цикла переработки силана в производстве солнечных фотоэлектрических систем на основе аморфного кремния» . Ресурсы, сохранение и переработка . 70 : 44–49. Бибкод : 2013RCR....70...44K . дои : 10.1016/j.resconrec.2012.10.002 . S2CID   3961031 . Архивировано из оригинала 12 ноября 2017 г.
  20. ^ Чен, младший (2002). «Характеристики пожара и взрыва в процессах производства полупроводников». Прогресс в области технологической безопасности . 21 (1): 19–25. дои : 10.1002/прс.680210106 . S2CID   110162337 .
  21. ^ Чен, младший; Цай, HY; Чен, СК; Пан, HR; Ху, Южная Каролина; Шен, CC; Куан, СМ; Ли, Ю.К. и Ву, CC (2006). «Анализ силанового взрыва на заводе по производству фотоэлектрических элементов». Прогресс в области технологической безопасности . 25 (3): 237–244. дои : 10.1002/прс.10136 . S2CID   111176344 .
  22. ^ Чанг, ГГ; Пэн, диджей; Ву, ХК; Цаур, СС; Шен, CC; Цай, Х.И. и Чен, младший (2007). «Возвращаясь к взрыву силана на заводе по производству фотоэлектрических элементов». Прогресс в области технологической безопасности . 26 (2): 155–158. дои : 10.1002/прс.10194 . S2CID   110741985 .
  23. ^ Паспорт безопасности силана. Архивировано 19 мая 2014 г. в Wayback Machine.
  24. ^ В.И. Бабушок (1998). «Численное исследование низко- и высокотемпературного горения силана». Институт горения . 27 (2): 2431–2439. дои : 10.1016/S0082-0784(98)80095-7 .
  25. ^ Кондо, С.; Токухаши, К.; Нагай, Х.; Ивасака М. и Кайсе М. (1995). «Пределы самовоспламенения силана и фосфина». Горение и пламя . 101 (1–2): 170–174. Бибкод : 1995CoFl..101..170K . дои : 10.1016/0010-2180(94)00175-Р .
  26. ^ «Паспорт безопасности силана» (PDF) . vngas.com . Архивировано из оригинала 20 февраля 2009 г. {{cite web}}: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка )
  27. ^ «Тетрагидрид кремния» . Карманный справочник NIOSH по химическим опасностям . Центры по контролю и профилактике заболеваний. 4 апреля 2011. Архивировано из оригинала 26 июля 2014 года . Проверено 18 ноября 2013 г.

Цитируемые источники

[ редактировать ]
[ редактировать ]
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 0136fece5bfbd0a73f1423792aec9f43__1717856640
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/01/43/0136fece5bfbd0a73f1423792aec9f43.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Silane - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)