Compușii organici pe bază de siliciu sunt un grup mare de compuși. Al doilea nume, mai comun pentru ei este siliconi. Domeniul de aplicare al compușilor organosiliciului este în continuă creștere. Sunt utilizate în aproape toate domeniile activității umane - de la astronautică la medicină. Materialele bazate pe acestea au calități tehnice și de consum în alte.
Concept general
Compușii organosiliciului sunt compuși în care există o legătură între siliciu și carbon. Ele pot conține, de asemenea, alte elemente chimice suplimentare (oxigen, halogeni, hidrogen și altele). În acest sens, acest grup de substanțe se distinge printr-o mare varietate de proprietăți și aplicații. Spre deosebire de alți compuși organici, compușii organosiliciului au caracteristici de performanță mai bune și o siguranță mai mare pentru sănătatea umană atât atunci când sunt obținuți, cât și atunci când se utilizează articole,făcut din ele.
Studiul lor a început în secolul al XIX-lea. Tetraclorura de siliciu a fost prima substanță sintetizată. În perioada anilor 20-90 ai aceluiași secol s-au obținut mulți compuși de acest fel: silani, eteri și esteri substituiți ai acidului ortosilicic, alchilclorosilani și alții. Asemănarea unora dintre proprietățile siliciului și ale substanțelor organice obișnuite a condus la formarea unei idei false că siliciul și compușii de carbon sunt complet identici. Chimistul rus D. I. Mendeleev a demonstrat că nu este așa. El a stabilit, de asemenea, că compușii de siliciu-oxigen au o structură polimerică. Acest lucru nu este tipic pentru substanțele organice, în care există o legătură între oxigen și carbon.
Clasificare
Compușii organosiliciului ocupă o poziție intermediară între organic și organometalic. Dintre acestea, se disting 2 mari grupe de substanțe: greutate moleculară mică și greutate moleculară mare.
În primul grup, hidrogenii de siliciu servesc ca compuși inițiali, iar restul sunt derivații lor. Acestea includ următoarele substanțe:
- silani și omologii săi (disilan, trisilan, tetrasilan);
- silani substituiți (butilsilan, terț-butilsilan, izobutilsilan);
- Eteri ai acidului ortosilicic (tetrametoxisilan, dimetoxidietoxisilan);
- haloesteri ai acidului ortosilicic (trimetoxiclorosilan, metoxietoxidiclorosilan);
- esteri substituiți ai acidului ortosilic (metiltrietoxisilan, metilfenildietoxisilan);
- alchil-(aril)-halosilani (feniltriclorosilan);
- derivați hidroxil ai organosilanilor(dihidroxidietilsilan, hidroximetiletilfenilsilan);
- alchil-(aril)-aminosilani (diaminometilfenilsilan, metilaminotrimetilsilan);
- alcoxi-(ariloxi)-aminosilani;
- alchil-(aril)-aminohalosilani;
- alchil-(aril)-iminosilani;
- izocianați, tioizocianați și tioeteri de siliciu.
Compuși organosiliciici cu greutate moleculară mare
Baza clasificării compușilor organici macromoleculari este hidrogenul de siliciu polimeric, a cărui diagramă structurală este prezentată în figura de mai jos.
Următoarele substanțe aparțin acestui grup:
- alchil-(aril)-polisilani;
- organopolialchil-(poliaril)-silani;
- poliorganosiloxani;
- poliorganoalchilen-(fenilen)-siloxani;
- poliorganometalosiloxani;
- polimeri cu lanț de metaloidsilan.
Proprietăți chimice
Deoarece aceste substanțe sunt foarte diverse, este dificil să se stabilească modele generale care să caracterizeze legătura dintre siliciu și carbon.
Cele mai caracteristice proprietăți ale compușilor organosiliciului sunt:
- Rezistent la temperaturi ridicate este determinat de tipul și dimensiunea radicalului organic sau a altor grupări care sunt asociate cu atomul de Si. Silanii tetrasubstituiți au cea mai mare stabilitate termică. Descompunerea lor începe la o temperatură de 650-700 °C. Polidimetilsiloxilanii sunt distruși la o temperatură de 300 °C. Tetraetilsilanul și hexaetildisilanul se descompun la încălzire prelungită la o temperatură de 350 ° C,în acest caz, 50% din radicalul etil este eliminat și se eliberează etan.
- Rezistența chimică la acizi, alcalii și alcooli depinde de structura radicalului, care este asociat cu atomul de siliciu, și de întreaga moleculă a substanței. Deci, legătura carbonului cu siliciul în esterii substituiți alifatici nu este distrusă atunci când este expus la acid sulfuric concentrat, în timp ce în esteri alchil-(aril)-substituiți în amestec, în aceleași condiții, gruparea fenil este scindată. Legăturile siloxanice au, de asemenea, rezistență ridicată.
- Compușii organosiliciului sunt relativ rezistenți la alcalii. Distrugerea lor are loc numai în condiții grele. De exemplu, în polidimetilsiloxani, scindarea grupărilor metil este observată numai la temperaturi peste 200 °C și sub presiune (în autoclavă).
Caracteristicile compușilor macromoleculari
Există mai multe tipuri de substanțe macromoleculare pe bază de siliciu:
- monofuncțional;
- difuncțional;
- trifuncțional;
- quadrifunctional.
Combinând acești compuși, obțineți:
- derivați de disiloxan, care sunt cel mai adesea compuși lichizi;
- polimeri ciclici (lichide uleioase);
- elastomeri (polimeri cu o structură liniară constând din câteva zeci de mii de monomeri și o greutate moleculară mare);
- polimeri cu structură liniară, în care se grupează finalblocat de radicalii organici (uleiuri).
Rășinile cu un raport radical metil la siliciu de 1,2-1,5 sunt solide incolore.
Următoarele proprietăți sunt tipice pentru compușii organici de siliciu cu molecul mare:
- rezistență la căldură;
- hidrofobicitate (rezistența la pătrunderea apei);
- performanță dielectrică ridicată;
- menținerea unei valori constante a vâscozității pe o gamă largă de temperaturi;
- stabilitate chimică chiar și în prezența oxidanților puternici.
Proprietățile fizice ale silanilor
Deoarece aceste substanțe sunt foarte eterogene ca structură și compoziție, ne limităm la a descrie compuși organosiliciți din una dintre cele mai comune grupe - silani.
Monosilan și disilan (SiH4 și Si2H4) în mod normal condiţiile sunt gaze care au un miros neplăcut. În absența apei și a oxigenului, acestea sunt destul de stabile din punct de vedere chimic.
Tetrasilanul și trisilanul sunt lichide toxice volatile. Pentasilane și hexasilane sunt, de asemenea, toxice și instabile chimic.
Aceste substanțe se dizolvă bine în alcooli, benzină, disulfură de carbon. Ultimul tip de soluții prezintă un risc ridicat de explozie. Punctul de topire al compușilor de mai sus variază de la -90 °C (tetrasilan) la -187 °C (trisilan).
Primire
Adăugarea de radicali la Si are loc diferit și depinde de proprietățile materiei prime și de condițiile în care are loc sinteza. nistecompușii de siliciu cu substanțe organice pot fi fabricați numai în condiții dure, în timp ce alții reacționează mai ușor.
Obținerea compușilor organosilicici pe bază de legături silan se realizează prin hidroliza alchil (sau aril)-cloroxisilani (sau alcoxisilani) urmată de policondensarea silanolilor. O reacție tipică este prezentată în figura de mai jos.
Policondensarea poate decurge în trei direcții: cu formarea de compuși liniari sau ciclici, cu obținerea de substanțe de rețea sau structură spațială. Polimerii ciclici au o densitate și o vâscozitate mai mari decât omologii lor liniari.
Sinteza compușilor macromoleculari
Rășinile organice și elastomerii pe bază de siliciu sunt produși prin hidroliza monomerilor. Produsele de hidroliză sunt ulterior încălzite și se adaugă catalizatori. Ca urmare a transformărilor chimice, se eliberează apă (sau alte substanțe) și se formează polimeri complecși.
Compușii organosiliciului care conțin oxigen sunt mai predispuși la polimerizare decât compușii lor corespunzători pe bază de carbon. Siliciul, în schimb, este capabil să dețină 2 sau mai multe grupări hidroxil. Posibilitatea de a forma molecule de polimer reticulat din cele ciclice depinde în principal de mărimea radicalului organic.
Analiză
Analiza compușilor organosilicici se efectuează în mai multe direcții:
- Determinarea constantelor fizice (punctul de topire, punctul de fierbere și alte caracteristici).
- Analiza calitativă. Pentru a detecta compuși de acest tip în lacuri, uleiuri și rășini, proba de testat este topită cu carbonat de sodiu, extrasă cu apă și apoi tratată cu molibdat de amoniu și benzidină. Dacă organosiliciul este prezent, proba devine albastră. Există și alte moduri de a detecta.
- Analiza cantitativă. Pentru studiile calitative și cantitative ale compușilor organosiliciului se folosesc metode de spectroscopie în infraroșu și emisie. Sunt folosite și alte metode - analiză sol-gel, spectroscopie de masă, rezonanță magnetică nucleară.
- Studiu fizic și chimic detaliat.
Preproduceți izolarea și purificarea substanței. Pentru compozițiile solide, separarea compușilor se face pe baza diferitelor solubilități, punct de fierbere și cristalizare. Izolarea compușilor de siliciu organic pur din punct de vedere chimic este adesea efectuată prin distilare fracționată. Fazele lichide sunt separate folosind o pâlnie de separare. Pentru amestecurile de gaze se utilizează absorbția sau lichefierea la temperaturi scăzute și fracționarea.
Aplicație
Domeniul de aplicare al compușilor organosiliciului este foarte mare:
- producția de fluide tehnice (uleiuri lubrifiante, fluide de lucru pentru pompe de vid, vaselina, paste, emulsii, antispumante și altele);
- industrie chimică - utilizați ca stabilizatori, modificatori, catalizatori;
- industria vopselelor și lacurilor - aditivi pentru fabricarea de acoperiri rezistente la căldură, anticorozive pentru metal, beton, sticlă și alte materiale;
- ingineria aerospațială - materiale de presare, fluide hidraulice, lichide de răcire, compuși antigivrare;
- inginerie electrică - producție de rășini și lacuri, materiale pentru protecția circuitelor integrate;
- industrie de inginerie - producția de produse din cauciuc, compuși, lubrifianți, etanșanți, adezivi;
- industria ușoară - modificatori ai fibrelor textile, piele, piele; antispumante;
- industria farmaceutica - productie de materiale pentru protetica, imunostimulante, adaptogene, cosmetice.
Avantajele unor astfel de substanțe includ faptul că pot fi folosite într-o varietate de condiții: în climat tropical și rece, la presiune mare și în vid, la temperaturi și radiații ridicate. Acoperirile anticorozive pe baza acestora sunt operate în intervalul de temperatură de la -60 la +550 °С.
Zeptel
Utilizarea compușilor organosiliciului în creșterea animalelor se bazează pe faptul că siliciul este implicat activ în formarea oaselor și a țesuturilor conjunctive, în procesele metabolice. Acest oligoelement este vital pentru creșterea și dezvoltarea animalelor de companie.
Așa cum aratăstudii, introducerea aditivilor cu substanțe organosilicice în alimentația păsărilor și animalelor contribuie la creșterea greutății în viu, la scăderea mortalității și a costurilor de hrană pe unitatea de creștere, la o creștere a metabolismului azotului, calciului și fosforului. Utilizarea unor astfel de medicamente la vaci ajută și la prevenirea bolilor obstetrice.
Producție în Rusia
Intreprinderea lider în dezvoltarea compușilor organosiliciului în Rusia este GNIIChTEOS. Acesta este un centru științific integrat care este angajat în crearea de tehnologii industriale pentru fabricarea de compuși pe bază de siliciu, aluminiu, bor, fier și alte elemente chimice. Specialiștii acestei organizații au dezvoltat și introdus peste 400 de materiale organosilicice. Compania are o fabrică pilot pentru producția lor.
Cu toate acestea, Rusia în dinamica globală a dezvoltării producției de compuși organici pe bază de siliciu este mult inferioară altor țări. Deci, în ultimii 20 de ani, industria chineză a crescut producția acestor substanțe de aproape 50 de ori, iar Europa de Vest - de 2 ori. În prezent, producția de compuși organosiliciți în Rusia se desfășoară la KZSK-Silicon, JSC Altaihimprom, la Uzina pilot Redkinsky, JSC Khimprom (Republica Ciuvaș), JSC Silan.
