Силан

редактировать
Силан
Стереоструктурная формула силана с неявными атомами водорода Модель заполнения пространства силана
Имена
Название IUPAC Силан
Другие имена
  • Моносилан
  • Силикан
  • Гидрид кремния
  • Тетрагидрид кремния
Идентификаторы
Номер CAS
3D-модель (JSmol )
ChEBI
ChemSpider
ECHA InfoCard 100.029.331 Измените это на Wikidata
Справочник Gmelin 273
PubChem CID
номер RTECS
  • VV1400000
UNII
номер ООН 2203
CompTox Dashboard (EPA )
InChI
Свойства
Химическая формула H4Si
Молярная масса 32,117 г · моль
Внешний видБесцветный газ
Запах Отталкивающая
Плотность 1,313 г / л
Точка плавления −185 ° C (−301,0 ° F; 88,1 K)
Температура кипения −111,9 ° C (−169 0,4 ° F; 161,2 K)
Растворимость в воде Реагирует медленно
Давление пара >1 атм (20 ° C)
Конъюгированная кислота Силан (иногда пишется силоний)
Структура
Форма молекулы Тетраэдр. r (Si-H) = 1,4798 Å
Дипольный момент 0 D
Термохимия
Теплоемкость (C)42,81 Дж / моль · K
Стандартная молярная. энтропия (S 298)204,61 Дж / моль · K
Стандартная энтальпия образования. (ΔfH298)34,31 кДж / моль
свободная энергия Гиббса (ΔfG˚)56,91 кДж / моль
Опасности
Основные опасности Чрезвычайно легковоспламеняющийся, пирофорный в воздухе
Паспорт безопасности ICSC 0564
NFPA 704 (огненный алмаз)NFPA 704 четырехцветный алмаз 4 2 3
Температура вспышки Неприменимо, пирофорный газ
Самовоспламенение. Температура ~ 18 ° C (64 ° F; 291 K)
Пределы взрываемости 1,37–100%
NIOSH (пределы воздействия на здоровье в США):
PEL (Допустимо)Нет
REL (Рекомендуется)TWA 51 ppm (71 мг / м3)
IDLH (непосредственная опасность)ND
Родственные соединения
Родственный тетрагидрид c соединенияМетан. Герман. Станнан. Плюмбан
Родственные соединенияФенилсилан. Винилсилан. Дисилан. Трисилан
Если не указано иное, данные приводятся для материалы в их стандартном состоянии (при 25 ° C [77 ° F], 100 кПа).
☑ Y (что такое ?)
Ссылки на ink

Силан представляет собой неорганическое соединение с химической формулой, Si H 4, что делает его гидридом группы 14. Это бесцветный пирофорный, токсичный газ с резким отталкивающим запахом, чем-то напоминающий запах уксусной кислоты. Силан представляет практический интерес как предшественник элементарного кремния.

"Силаны »относится ко многим соединениям с четырьмя заместителями на кремнии, включая кремнийорганическое соединение. Примеры включают трихлорсилан (SiHCl 3), тетраметилсилан (Si (CH 3)4) и тетраэтоксисилан (Si (OC 2H5)4).

Содержание

  • 1 Производство
    • 1.1 Маршруты промышленного масштаба
    • 1.2 Маршруты лабораторного масштаба
  • 2 Свойства
  • 3 Области применения
  • 4 Безопасность и меры предосторожности
  • 5 См. Также
  • 6 Ссылки
  • 7 Цитированные источники
  • 8 Внешние ссылки

Производство

Способы промышленного производства

Силан может производиться несколькими способами. Как правило, он возникает в результате реакции хлористого водорода с силицид магния :

Mg2Si + 4 HCl → 2 MgCl 2 + SiH 4

Его также получают из кремния металлургического сорта в двухстадийном процессе. Сначала кремний обрабатывают хлористый водород при температуре около 300 ° C для получения трихлорсилана, HSiCl 3, наряду с водородом газообразным, в соответствии с химическим уравнением :

Si + 3 HCl → HSiCl 3 + H 2

Тогда трихлорсилан является превращается в смесь силана и тетрахлорида кремния. Эта реакция перераспределения требует катализатора:

4 HSiCl 3 → SiH 4 + 3 SiCl 4

Наиболее часто используемые катализаторы для этого процесса: галогениды металлов , в частности хлорид алюминия. Это называется реакцией перераспределения , которая представляет собой двойное смещение с участием одного и того же центрального элемента. Это также можно рассматривать как реакцию диспропорционирования , даже если нет изменения степени окисления кремния (Si имеет номинальную степень окисления IV во всех трех разновидностях). Однако полезность концепции степени окисления для ковалентной молекулы, даже для полярной ковалентной молекулы, неоднозначна. Атом кремния может быть рассмотрен как имеющий наивысшую формальную степень окисления и частичный положительный заряд в SiCl 4 и самую низкую формальную степень окисления в SiH 4, поскольку Cl намного более электроотрицателен, чем H.

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

Si + 2 H 2 + 3 SiCl 4 → 4 SiHCl 3
2 SiHCl 3 → SiH 2Cl2+ SiCl 4
2 SiH 2Cl2 → SiHCl 3 + SiH 3Cl
2 SiH 3Cl → SiH 4 + SiH 2Cl2

Силан, полученный этим способом, может быть термически разлагается с получением кремния и водорода высокой чистоты за один проход.

Другие промышленные пути получения силана включают восстановление SiF 4 с помощью гидрида натрия (NaH) или восстановление SiCl 4 с помощью лития. гидрид алюминия (LiAlH 4).

Другое промышленное производство силана включает восстановление диоксида кремния (SiO 2) в атмосфере Al и газообразного H 2 в смеси NaCl и хлорид алюминия (AlCl 3) при высоких давлениях:

3 SiO 2 + 6 H 2 + 4 Al → 3 SiH 4 + 2 Al 2O3

Маршруты лабораторного масштаба

В 1857 году немецкие химики и Фридрих Вёлер обнаружили силан среди образовавшихся продуктов. действием соляной кислоты на силицид алюминия, который они получили ранее. Они назвали это соединение силициюретированным водородом.

Для демонстрации в классе силан можно получить путем нагревания песка с порошком магния, чтобы получить силицид магния ( Mg 2 Si), затем выливают смесь в соляную кислоту. Силицид магния реагирует с кислотой с образованием газообразного силана, который горит при контакте с воздухом и вызывает крошечные взрывы. Это может быть классифицировано как гетерогенная кислотно-основная химическая реакция, поскольку изолированный ион Si в структуре Mg 2 Si антифторита может служить как основание Бренстеда – Лоури, способное принимать четыре протона. Его можно записать как:

4 HCl + Mg 2 Si → SiH 4 + 2 MgCl 2

В общем, щелочноземельные металлы образуют силициды со следующими стехиометрии : M 2 Si, MSi и MSi 2. Во всех случаях эти вещества реагируют с кислотами Бренстеда-Лоури с образованием гидрида кремния определенного типа, который зависит от связности анионов Si в силициде. Возможные продукты включают молекулы SiH 4 и / или более высокие в гомологическом ряду Si nH2n + 2, полимерный гидрид кремния или кремниевую кислоту. Следовательно, MSi с их зигзагообразными цепочками анионов Si (содержащими две неподеленные пары электронов на каждом анионе Si, который может принимать протоны) дает полимерный гидрид (SiH 2)x.

Еще один мелкомасштабный способ производства силана основан на действии амальгамы натрия на дихлорсилане, SiH 2Cl2, чтобы получить моносилан вместе с некоторым желтым полимеризованным гидридом кремния (SiH) x.

Свойства

Силан - это кремний аналог метана. Из-за большей электроотрицательности водорода по сравнению с кремнием полярность связи Si – H противоположна что в связях C – H метана. Одним из следствий этой обратной полярности является большая склонность силана образовывать комплексы с переходными металлами. Второе следствие - то, что силан пирофорен - он самовозгорается на воздухе, без необходимости внешнего воспламенения. Однако трудности с объяснением имеющихся (часто противоречивых) данных о горении являются Это объясняется тем фактом, что силан сам по себе стабилен и что естественное образование более крупных силанов во время производства, а также чувствительность горения к примесям, таким как влага, и к каталитическому эффекту поверхностей контейнера вызывают его пирофорность. Выше 420 ° C силан разлагается на кремний и водород ; поэтому его можно использовать в химическом осаждении из паровой фазы кремния.

Прочность связи Si – H составляет около 384 кДж / моль, что примерно на 20% слабее, чем связь H – H в H 2. Следовательно, соединения, содержащие связи Si – H, гораздо более реакционноспособны, чем H 2. Прочность связи Si – H незначительно зависит от других заместителей: прочность связи Si – H составляет: SiHF 3 419 кДж / моль, SiHCl 3 382 кДж / моль и SiHMe 3 398 кДж / моль.

Области применения

Транспортные контейнеры для моносиланового газа в Японии.

Хотя органосиланы применяются в различных областях, сам силан имеет один преобладающее применение в качестве предшественника элементарного кремния, особенно в полупроводниковой промышленности. Высшие силаны, такие как ди- и трисилан, представляют только академический интерес. В конце 1990-х годов потреблялось около 300 метрических тонн силана в год. Производство недорогих солнечных фотоэлектрических модулей привело к значительному потреблению силана для нанесения (PECVD) гидрогенизированного аморфного кремния (a-Si: H) на стекло и другие подложки, такие как металл и пластик. Процесс PECVD относительно неэффективен при использовании материалов, поскольку теряется около 85% силана. Чтобы уменьшить эти отходы и экологический след солнечных элементов на основе a-Si: H, был разработан ряд дополнительных мер по переработке.

Безопасность и меры предосторожности

Ряд Сообщалось о несчастных случаях на производстве со смертельным исходом, вызванных возгоранием и детонацией просочившегося силана в воздухе.

Силан - пирофорный газ (способный к самовоспламенению при температурах ниже 54 ° C / 130 ° F).

SiH 4 + 2 O 2 → SiO 2 + 2 H 2 O с ΔH = –1517 k J /моль = - 47,23 кДж / g
SiH 4 + O 2 → SiO 2 + 2 H 2
SiH 4 + O 2 → SiH 2 O + H 2O
2 SiH 4 + O 2 → 2 SiH 2 O + 2H 2
SiH 2 O + O 2 → SiO 2 + H 2O

Для бедных смесей был предложен двухстадийный процесс реакции, который состоит из процесса потребления силана и процесса окисления водорода. Теплота конденсации SiO 2 (с) увеличивает скорость горения из-за тепловой обратной связи.

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

В Японии, чтобы уменьшить Из-за опасности силана для производства солнечных элементов из аморфного кремния несколько компаний начали разбавлять силан газом водородом. Это привело к симбиотическому преимуществу создания более стабильных солнечных фотоэлектрических элементов, поскольку это уменьшило эффект Стаблера-Вронски.

В отличие от метана, силан довольно токсичен: смертельная концентрация в воздухе для крыс (LC50 ) составляет 0,96% (9600 частей на миллион) за 4 часа воздействия. Кроме того, при контакте с глазами может образоваться кремниевая кислота с последующим раздражением.

Что касается профессионального воздействия силана на рабочих, то Национальный институт безопасности и гигиены труда США установил рекомендуемый предел воздействия 5 частей на миллион (7 мг / м3) за восемь часов, взвешенное по времени.

См. также

Ссылки

Цитированные источники

Внешние ссылки

Последняя правка сделана 2021-06-08 08:45:23
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте