Silane | |||
![]() ![]() |
|||
Struktur av silan. | |||
Identifikasjon | |||
---|---|---|---|
IUPAC-navn | silan | ||
Synonymer |
Silisiumtetrahydrid, monosilan, silisium, silisiumhydrid |
||
N o CAS | |||
N o ECHA | 100.029.331 | ||
N o EC | 232-263-4 | ||
N o RTECS | VV1400000 | ||
PubChem | 23953 | ||
ChEBI | 29389 | ||
SMIL |
[SiH4] , |
||
InChI |
Std. InChI: InChI = 1S / H4Si / h1H4 Std. InChIKey: BLRPTPMANUNPDV-UHFFFAOYSA-N |
||
Utseende | fargeløs pyrofor gass med en ubehagelig lukt | ||
Kjemiske egenskaper | |||
Brute formel | SiH 4 | ||
Molarmasse | 32,1173 ± 0,0006 g / mol H 12,55%, Si 87,45%, |
||
Fysiske egenskaper | |||
T ° fusjon | −185 ° C | ||
T ° kokende | −112 ° C | ||
Løselighet | s hydrolyse raskt i vann | ||
Volumisk masse | 1,44 kg / m 3 ved 0 ° C | ||
Eksplosjonsgrenser i luft | 1,4 volum%, 19 g / m 3 | ||
Mettende damptrykk |
29 bar ved −22 ° C 40,8 bar ved −10 ° C 48 bar ved -3,5 ° C |
||
Kritisk punkt | 0,242 g / cm 3 ved -3,5 ° C under 48,4 bar | ||
Trippel punkt | −186,4 ° C | ||
Termokjemi | |||
Δ vap H ° | 12,1 kJ · mol -1 ( 1 atm , -111,9 ° C ) | ||
Elektroniske egenskaper | |||
1 re ioniseringsenergi | 11,00 ± 0,02 eV (gass) | ||
Forholdsregler | |||
SGH | |||
![]() ![]() Fare H220, H280, P210, P377, P381, P403, H220 : Ekstremt brannfarlig gass H280 : Inneholder gass under trykk; kan eksplodere ved oppvarming P210 : Holdes borte fra varme / gnister / åpen ild / varme overflater. - Røyking forbudt. P377 : Lekkasje på antennet gass: Ikke slukk hvis lekkasje ikke kan stoppes trygt. P381 : Fjern alle antenningskilder hvis det kan gjøres uten risiko. P403 : Oppbevares på et godt ventilert sted. |
|||
WHMIS | |||
![]() ![]() A, B6, A : Kritisk kompresjonsgass kritisk temperatur = -3,45 ° C B6 : Reaktivt materiale brannfarlig spontant brennbart i kontakt med luft Avsløring ved 1,0% i henhold til listen over ingredienser |
|||
Transportere | |||
23 : brannfarlig gass FN-nummer : 2203 : SILANE KOMPRIMERT Klasse: 2.1 Etikett: 2.1 : Brennbare gasser (tilsvarer gruppene betegnet med store bokstaver F); Emballasje: - ![]() |
|||
Enheter av SI og STP med mindre annet er oppgitt. | |||
Den silan er en kjemisk forbindelse med formelen SiH 4. Det fremstår som en fargeløs pyrofor gass med avstøtende lukt. Silisium analog av CH 4- metan, Er det den enkleste av de silisium hydrider , og den enkleste av forbindelsene av silan -serien , med den generelle formelen Si n H 2 n 2, Som i seg selv silisium analoger av C n H 2 n +2 alkaner.
I forlengelsen kan vi også snakke om silaner for kollektivt å betegne forskjellige substituerte derivater av silan, slik som tetrametylortosilikat Si (OCH 3 ) 4, Tetraetylortosilikat Si (OCH 2 CH 3 ) 4eller triklorsilan SiHCl 3Eller organosilisiumforbindelser såsom dimethylsilanediol Si (OH) 2 (CH 3 ) 2eller tetrametylsilan Si (CH 3 ) 4.
Da hydrogen er mer elektronegativt enn silisium (2,2 mot 1,9 på Pauling-skalaen ), idet polariseringen av den Si - H -binding er den motsatte av den for C - H -binding (elektronegativiteten av karbon . Er på 2,55 på Pauling-skalaen) . Dette har flere konsekvenser, særlig silanens tilbøyelighet til å danne komplekser med overgangsmetaller eller det faktum at det antennes spontant i luft uten å måtte antennes (det er pyroforisk ). Forbrenningsdataene for silan er imidlertid ofte motstridende fordi silanen i seg selv er ganske stabil, mens dens pyroforisitet hovedsakelig vil være på grunn av urenheter, slik som dannelsen av høyere silaner under produksjonen, ved tilstedeværelse av spor av fuktighet, og av de katalytiske effektene av beholderen som inneholder den.
I mangel av oksygen og fuktighet, spaltes silan over 400 ° C i silisium og hydrogen, som kan brukes til å avsette tynne lag med silisium ved kjemisk dampavsetning ( CVD ).
SiH 4⟶ Si + 2 H 2over 400 ° C .Den reduksjon av silanet med et alkalimetall oppløses i et oppløsningsmiddel gir den deriverte silyl tilsvarende alkali. Avhengig av oppløsningsmidlet, kan to konkurrerende reaksjoner finner sted, for eksempel den første reaksjon alene i heksametylfosforamid [(CH 3 ) 2- N] 3 PO(HMPA), og begge samtidig i dimetoksyetan CH 3 OCH 2 CH 2 OCH 3, for eksempel her med kalium som gir kaliumsilanid KSiH 3 :
2 SiH 4+ 2 K ⟶ 2 KSiH 3+ H 2 ; SiH 4+ 2 K ⟶ KSiH 3+ KH .Den energi av Si - H -binding er omtrent 384 kJ / mol , som er omtrent 20% mindre enn den for H - H-bindingen i den hydrogenmolekylet H 2.. Det følger at forbindelser som inneholder en slik Si - H-bindinger er mer reaktive enn H 2. Energien til Si-H-bindingen påvirkes lite av tilstedeværelsen av substituenter på silisiumatomet: den er altså lik 419 kJ / mol for trifluorsilan SiHF 3, 382 kJ / mol for triklorsilan SiHCl 3og 398 kJ / mol for trimetylsilan SiH (CH 3 ) 3.
Silan er et sterkt reduksjonsmiddel som brenner i oksygen , eksploderer i klor og hydrolyserer raskt i basisk vann ( pH > 7 ) i henhold til reaksjonene:
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.På den annen side er reaksjonen med rent vann veldig treg: det tilrettelegges i nærvær av basiske spor eller av en sterk syre .
Silanen syntetiseres etter flere metoder. Det dannes vanligvis ved omsetning av hydrogenklorid HC1 med magnesiumsilicid Mg 2 Si :
Mg 2 Si+ 4 HCl ⟶ 2 MgCl 2+ SiH 4.Det kan også produseres av metallurgisk silisium i to trinn. Silisiumet blir først behandlet med hydrogenklorid på rundt 300 ° C for å fremstille triklorsilan SiHCl 3med hydrogen H 2 :
Si + 3 HCl ⟶ SiHCl 3+ H 2.Triklorsilan blir så omdannet til en blanding av silisium og silisium -tetraklorid SiCl 4i nærvær av en katalysator :
4 SiHCl 3⟶ SiH 4+ 3 SiCl 4.De mest vanlig brukte katalysatorer ved denne fremgangsmåte er metallhalogenider , særlig aluminiumklorid AlCl 3. Dette er en omfordeling , som også kan sees på som en proporsjonering, selv om oksidasjonstilstanden til silisium ikke varierer (det er +4 for både silan, triklorsilan og silisiumtetraklorid); imidlertid, ettersom klor er mer elektronegativt enn hydrogen (3,16 vs. 2,2 på Pauling-skalaen ), den silisiumatom av SiCl 4oppviser en høyere oksidasjonstilstand enn den for SiH 4.
En alternativ produksjonsmetode vedrører silan med høy renhet beregnet på produksjon av silisium av elektronisk kvalitet for halvlederindustrien . Denne prosessen bruker også metallurgisk silisium, så vel som hydrogen og silisiumtetraklorid. Det innebærer en serie omfordelinger, med biprodukter som resirkuleres i reaksjonene og destillasjonene , som kan oppsummeres som følger:
Hvis + 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-.Den således dannede silanen kan nedbrytes termisk for å gi silisium og hydrogen med høy renhet i en enkelt passasje .
Andre silan-produksjonsmetoder involverer reduksjon av silisiumtetrafluorid SiF 4av natriumhydrid NaH eller reduksjon av silisiumtetraklorid SiCl 4av litiumaluminiumhydrid LiAlH 4. Det er også mulig å gå frem ved reduksjon av silisiumdioksid SiO 2i henhold til aluminium av hydrogen H 2i en blanding av natriumklorid NaCl og aluminiumklorid AlCl 3 ved høyt trykk:
3 SiO 2+ 6 H 2+ 4 Al ⟶ 3 SiH 4+ 2 Al 2 O 3.Tyske kjemikere Heinrich Buff og Friedrich Woehler oppdaget silan i 1857 blant andre produkter dannet ved å reagere saltsyre HCl med aluminiumsilicid Al 4 Si 3 ; de kalte forbindelsen hydrogensilicid .
For demonstrasjoner i klasserommet kan silan produseres ved å varme opp en blanding av sand og magnesiumpulver for å oppnå magnesiumsilicid Mg 2 Si, som deretter kan helles i saltsyre. Magnesiumsilicid reagerer med syre og produserer silan SiH 4, som danner bobler som stiger opp til overflaten og antennes spontant ved kontakt med luft ved pyroforisitet , noe som tyder på en knitring av små eksplosjoner. Vi kan betrakte denne reaksjonen som en heterogen syre-base-reaksjon i den grad det silisidet anionet Si 4- til antifluorite struktur (en) Mg 2 Si kan tjene som en Brønsted-base som aksepterer fire protoner .
4 HC1 + Mg 2 Si⟶ SiH 4+ 2 MgCl 2.Generelt danner jordalkalimetallene silisider med støkiometriene M II 2 Si, M II Si og M II Si 2. I alle tilfeller reagerer disse stoffene med Brønsted-syrer for å produsere silisiumhydrider, hvis art avhenger av bindingene til Si-anionet i silisidet. For eksempel kan silan SiH4 dannes., tyngre silaner av den homologe serien med generell formel Si n H 2 n +2, polymere silisiumhydrider eller kiselsyre [SiO x (OH) 4−2 x ] n. Således gir M II Si, som inneholder en sikksakkende kjede av Si 2 - anioner hvor hver Si har to ikke-bindende dubletter som er i stand til å akseptere protoner, det polymere hydrid (SiH 2 ) x.
Til slutt består en fremgangsmåte for å produsere silan i liten skala av å omsette et natriumamalgam med diklorsilan SiH 2 Cl 2., som i tillegg til silanet gir polymeriserte silisiumhydrider (SiH) x.
Mens organosilaner har varierte anvendelser, brukes silanen i seg selv nesten utelukkende som en forløper for rent silisium , spesielt for halvlederindustrien . Produksjonen av billige solcellemoduler har ført til et betydelig forbruk av silan for avsetning av hydrogenert amorft silisium (a-Si: H) plasmaassistert kjemisk dampavsetning ( PECVD ) på forskjellige underlag som glass , krystaller etc. metaller eller plast .
Avsetningen av silisium av PECVD er relativt ineffektiv siden den bare bruker omtrent 15% av silanen, resten går tapt. Ulike resirkuleringsmetoder er utviklet for å forbedre prosessens effektivitet og redusere dens miljøavtrykk .
Siden silan er pyroforisk , antennes lekkasjer av denne gassen spontant, slik at mange dødsulykker har funnet sted i fabrikker som et resultat av branner og eksplosjoner. Den forbrenning av silanet ved lav konsentrasjon som ville finne sted i to trinn, med det oksidasjon av hydrogen finner sted etter dannelsen av silikondioksid , det kondensering av noe som ville akselerere dannelsen av vann under påvirkning av termiske tilbakemelding . Silan fortynnet i inerte gasser som nitrogen eller argon, vil enda mer sannsynlig antennes i luft enn ren silan: selv en blanding av 1% silan i rent nitrogen antennes lett. Fortynningen av silanen i hydrogen gjør det mulig å redusere den industrielle risikoen under produksjon av solceller i amorf silisium, og har også fordelen av å stabilisere solcellemodulene som således produseres ved å begrense Staebler-Wronski ( WSE ) -effekten.
I motsetning til metan er silan ganske giftig: Median dødelig dose i laboratorierotter er 0,96% (9600 ppm ) over fire timer. I tillegg kan kontakt med øyet danne kiselsyrer som kan forårsake øyeirritasjon. US National Institute for Occupational Safety and Health anbefaler ikke å overskride en yrkeseksponering for silan på 5 ppm , eller 7 mg / m 3 , med et vektet gjennomsnitt på åtte timer.