Szilán
A szilán egy szervetlen vegyület, képlete SiH4. Színtelen, gyúlékony, ecetsavra emlékeztetően szúrós szagú gáz. Gyakorlati jelentősége az elemi szilícium gyártásában van.

A szilán névből más vegyületeket is lehet származtatni (pl. triklórszilán, tetrametil-szilán, szilán-metakrilát stb.), akárcsak a metán esetén. A szilánok az alkánok szilíciumhidrogén-megfelelői.

Előállítása

Ipari gyártása 
A szilánt iparilag két lépésben állítják elő kohászati minőségű szilíciumból. Először az elporított szilíciumot hidrogén-kloriddal reagáltatják 300 °C-on, ekkor a hidrogéngáz mellett triklórszilán keletkezik az alábbi egyenlet szerint:

Eztán a triklórszilánt egy gyantával bevont edényben forralják katalizátort használva. A szilícium-tetraklorid az edényben marad, a szilángázt pedig felfogják.

A leggyakrabban alkalmazott katalizátor valamilyen fém-halogenid, leggyakrabban alumínium-klorid. A reakció során dupla ligandumcsere játszódik le, bár bizonyos szempontból diszproporciónak is tekinthető (noha mindhárom vegyületben IV a szilícium oxidációs száma), mert az oxidációs szám fogalmának használata kovalens molekuláknál némileg bizonytalan, még poláris molekulák esetén is. A szilíciumatomot lehet úgy tekinteni, mint amelynek a legnagyobb parciális pozitív töltése és formális oxidációs száma a szilícium-kloridban van, míg a szilánban a legkisebb a formális oxidációs száma, mivel a klór elektronegativitása jóval nagyobb, mint a hidrogéné.

Létezik egy alternatív előállítási módja az olyan nagy tisztaságú szilánnak, amely a félvezetőkben használt nagyon tiszta szilícium gyártására is alkalmas. A kiindulási anyag ismét kohászati minőségű szilícium, ezen kívül hidrogéngáz és szilícium-tetraklorid. A reakciósorozatban többszörös ligandumcserélés és desztilláció is szerepel, a melléktermékek újrahasznosíthatóak.

Az ilyen módon gyártott szilán hőbontásával nagy tisztaságú szilícium és egyúttal hidrogéngáz állítható elő.

További gyártási eljárás a szilícium-fluorid nátrium-hidriddel való redukciója, vagy a SiCl4 és lítium-alumínium-hidrid (LiAlH4) reakciója. Egy másik, szilícium-dioxidból kiinduló folyamat magas nyomáson megy végbe alumíniummal és hidrogénnel; nátrium- és alumínium-klorid keverékében.

Laboratóriumi előállítása 
1857-ben két német kémikus, Heinrich Buff és Friedrich Wöhler fedezte fel a sósav és alumínium-szilicid reakciójában képződő szilánt.

Előadótermi demonstrációkhoz a szilán úgy állítható elő, hogy homok és magnéziumpor keverékét felhevítik, majd a keletkező magnézium-szilicidet tartalmazó porkeveréket 20%-os sósavba öntik. A Mg2Si reagál a savval, a fejlődő szilán pedig a levegővel érintkezve rögtön meggyullad és apró robbanások kíséretében elég. Ez egy heterogén sav-bázis reakcióként fogható fel, mivel a magnézium-szilicidben lévő Si4- anion antifluorit-szerkezetének köszönhetően Brønsted–Lowry-bázisként viselkedik, mely 4 proton befogadására képes.

Általánosságban egy M alkáliföldfém sztöchiometriailag háromféle szilicidet is létrehozhat: MII2Si, MIISi, és MIISi2. Mindhárom struktúra reakcióba lép Brønsted–Lowry-savakkal egyfajta szilícium-hidridet képezve a szilícium oxidációs számától függően. A lehetséges végtermék lehet SiH4 és/vagy nagyobb molekula az alkánokkal analóg SinH2n+2 általános képletű vegyületek közül, vagy lehet a kovasav egyik fajtája. Ennélfogva, a cikkcakkos Si2− anionláncokat tartalmazó MIISi vegyületből (melyben minden szilicidionon két, proton befogadására alkalmas nemkötő elektronpár van) egy (SiH2)x képletű hidrid-polimer keletkezhet.

Kis mennyiségű szilán előállítható nátriumamalgám és diklórszilán reakciójában, ekkor a szilán mellett némi polimeres szilícium-hidrid is keletkezik, mely sárga színt okoz közben.

Tulajdonságai 
A szilán a metán analóg vegyülete. A szilíciumhoz képest a hidrogén elektronegativitása nagyobb, így az Si–H kötéspolaritása ellentétes a metánban lévő C–H kötésével. Ennek a fordított polaritásnak egyik következménye az átmenetifémkomplex-képzésre való nagyobb hajlam a szilánnál. Másik következménye a szilán pirofórossága — az a tulajdonsága, hogy levegőn külső gyújtás nélkül is spontán meggyullad. A rendelkezésre álló (és gyakran ellentmondó) égési adatok alapján a szilán viszont igen stabilis, valamint ezekkel az adatokkal tanulmányozzák a nagyobb szilánok természetes előfordulását, ahogy a minimális szennyeződések (pl. nedvesség) által kiváltott nagy gyulladási hajlamát is; hogy vajon a tároló felületének katalitikus hatása okozza-e a vegyület pirofórosságát. A szilán 420 °C felett szilíciumra és hidrogénre bomlik.

A Si–H kötés erőssége megközelítőleg 384 kJ/mol, mely körülbelül 20%-kal gyengébb a hidrogéngázban lévő H–H kötésének. Következésképpen, a Si–H kötéseket tartalmazó vegyületek reakciókészsége jelentősen nagyobb, mint a H2-é. Ezt a kötéserősséget kisebb-nagyobb mértékben a többi szubsztituens is befolyásolja: A Si–H kötés erőssége a SiHF3, SiHCl3, és SiHMe3 vegyületekben 419, 382, és 398 kJ/mol.

Felhasználása 

Számos nagyipari felhasználása van a szilánoknak. Alkalmazzák a tapadórostos anyagok, például az üveggyapot és a szénrost készítésekor a kompozitanyagok stabilizálására. Használják még, mikor egy titánból készült implantátum felületére biológiailag semleges réteget akarnak felvinni. Egyéb felhasználásai közt van a víztaszítók gyártása, a kőművességi védelem biztosítása, a graffitik szabályzása, ezen kívül a félvezető és tömítőanyagok előállításánál, ahol polikristályos szilíciumréteget kell kialakítani. A félvezetőipar az 1990-es években körülbelül 300 tonna szilánt használt fel évente. Elengedhetetlen az alacsony költségű fényelektromos modulok gyártásánál, amellett ez a lépés vezetett a szilán nagy mennyiségű kereskedelmi felhasználásához a hidrogénezett amorf szilícium üvegre, fémre, műanyagra vagy más felületre való felvitele céljából. A PECVD technológia nem túl gazdaságos, mivel a szilán 85%-a kárba vész. Ennek a pazarlásnak és a ökológiai lábnyomának csökkentésére folyamatosan dolgoznak ki újrahasznosítási módszereket.

Szintén alkalmazzák a szuperszonikus égésű torlósugár-hajtóművekben az égés beindítására a sűrített levegő sugarában. Mivel szén-dioxidban is el tud égni, ez lehet az üzemanyaga a Marson működtetett motoroknak a jövőben. Mivel azonban az reakcióban szilárd termékek is keletkeznek (szilícium-dioxid és szén), csak folyékony üzemanyagú rakétákban (folyékony szén-dioxiddal) vagy torlósugár-hajtóművekben használható.

A szilánokat és az egyéb Si—H kötést tartalmazó vegyületeket redukálószerként használják a szerves és fémorganikus kémiában.

A szilán-metakrilátot a fogászatban is alkalmazzák, mint fogszínű töltőanyagot. A szilán-metakrilátok a kemény, szilikátbázisú kerámiatöltő anyagok és a szerves, gyanta alapú oligomer mátrixokat összekapcsoló szerek.

Biztonság és elővigyázatosság 
Már temérdek olyan ipari balesetről számoltak be, amelyet a kiszivárgó szilán levegőben történő elégése vagy robbanása váltott ki.

Ha egy szivárgó szilánforrást elzárnak vagy gátolnak, az égés hőkibocsátása sokkal inkább koncentrálódik egy helyen, amely a reakciósebesség és égési sebesség megnövekedéséhez vezet; a gázfázisú detonáció pedig súlyos károkat okoz. A szilán önmagától kigyulladhat akár 54 °C alatt.

Égésének veszélyes termékei 

A csekélyebb szilántartalmú keverékek elégetésére egy kétlépcsős folyamat az ajánlott, mely a szilán elhasználását és a hidrogén oxidálását is magában foglalja. A szilícium-dioxid lecsapódása némi plusz hővel támogatja a reakció mihamarabbi végbemenetelét.

A szilán inert gázokkal (nitrogén, argon stb.) keveredve sokkal készségesebben gyullad meg a nyílt levegővel érintkezve a tiszta szilánnal összehasonlítva. Akár 1%-os szilántartalom mellett is robbanhat.

Japánban az efféle balesetek elkerülésére az amorf szilíciummal működő napelemeket gyártó cégek hidrogénnel keverik a szilánt a stabilisabb fényelektromos cellák érdekében, mivel csökkenti a Staebler–Wronski-hatást.

A metánnal ellentétben a szilán meglehetősen toxikus: 4 órás kitettség esetén a halálos koncentrációja (LC50) a levegőben 0,96% ( ppm), patkányokon mérve. Továbbá, a szemmel érintkezve kovasav képződhet belőle, amely az irritációért felelős.

A szilánnak munkahelyükön kitett dolgozók érdekében a NIOSH 5 ppm-re (7 mg/m³) korlátozta az ajánlott maximális koncentrációt átlagos, 8 órás műszakkal számolva.

Fordítás

Források 

Szilíciumvegyületek
A szilán egy szervetlen vegyület , képlete SiH4. Színtelen , gyúlékony , ecetsavra emlékeztetően szúrós szagú gáz . Gyakorlati jelentősége az elemi szilícium gyártásában van . A szilán névből más vegyületeket is lehet származtatni ( pl. triklórszilán , tetrametil-szilán , szilán-metakrilát stb. ) , akárcsak a metán esetén . A szilánok az alkánok szilíciumhidrogén-megfelelői . Előállítása Ipari gyártása A szilánt iparilag két lépésben állítják elő kohászati minőségű szilíciumból . Először az elporított szilíciumot hidrogén-kloriddal reagáltatják°C-on , ekkor a hidrogéngáz mellett triklórszilán keletkezik az alábbi egyenlet szerint : Eztán a triklórszilánt egy gyantával bevont edényben forralják katalizátort használva . A szilícium-tetraklorid az edényben marad , a szilángázt pedig felfogják . A leggyakrabban alkalmazott katalizátor valamilyen fém-halogenid , leggyakrabban alumínium-klorid . A reakció során dupla ligandumcsere játszódik le , bár bizonyos szempontból diszproporciónak is tekinthető ( noha mindhárom vegyületben IV a szilícium oxidációs száma ) , mert az oxidációs szám fogalmának használata kovalens molekuláknál némileg bizonytalan , még poláris molekulák esetén is . A szilíciumatomot lehet úgy tekinteni , mint amelynek a legnagyobb parciális pozitív töltése és formális oxidációs száma a szilícium-kloridban van , míg a szilánban a legkisebb a formális oxidációs száma , mivel a klór elektronegativitása jóval nagyobb , mint a hidrogéné . Létezik egy alternatív előállítási módja az olyan nagy tisztaságú szilánnak , amely a félvezetőkben használt nagyon tiszta szilícium gyártására is alkalmas . A kiindulási anyag ismét kohászati minőségű szilícium , ezen kívül hidrogéngáz és szilícium-tetraklorid . A reakciósorozatban többszörös ligandumcserélés és desztilláció is szerepel , a melléktermékek újrahasznosíthatóak . Az ilyen módon gyártott szilán hőbontásával nagy tisztaságú szilícium és egyúttal hidrogéngáz állítható elő . További gyártási eljárás a szilícium-fluorid nátrium-hidriddel való redukciója , vagy a SiCl4 és lítium-alumínium-hidrid ( LiAlH4 ) reakciója . Egy másik , szilícium-dioxidból kiinduló folyamat magas nyomáson megy végbe alumíniummal és hidrogénnel ; nátrium- és alumínium-klorid keverékében . Laboratóriumi előállítása 1857-ben két német kémikus , Heinrich Buff és Friedrich Wöhler fedezte fel a sósav és alumínium-szilicid reakciójában képződő szilánt . Előadótermi demonstrációkhoz a szilán úgy állítható elő , hogy homok és magnéziumpor keverékét felhevítik , majd a keletkező magnézium-szilicidet tartalmazó porkeveréket-os sósavba öntik . A Mg2Si reagál a savval , a fejlődő szilán pedig a levegővel érintkezve rögtön meggyullad és apró robbanások kíséretében elég . Ez egy heterogén sav-bázis reakcióként fogható fel , mivel a magnézium-szilicidben lévő Si4- anion antifluorit-szerkezetének köszönhetően Brønsted–Lowry-bázisként viselkedik , melyproton befogadására képes . Általánosságban egy M alkáliföldfém sztöchiometriailag háromféle szilicidet is létrehozhat : MII2Si , MIISi , és MIISi2. Mindhárom struktúra reakcióba lép Brønsted–Lowry-savakkal egyfajta szilícium-hidridet képezve a szilícium oxidációs számától függően . A lehetséges végtermék lehet SiH4 és/ vagy nagyobb molekula az alkánokkal analóg SinH2n+2 általános képletű vegyületek közül , vagy lehet a kovasav egyik fajtája . Ennélfogva , a cikkcakkos Si2− anionláncokat tartalmazó MIISi vegyületből ( melyben minden szilicidionon két , proton befogadására alkalmas nemkötő elektronpár van ) egy ( SiH2) x képletű hidrid-polimer keletkezhet . Kis mennyiségű szilán előállítható nátriumamalgám és diklórszilán reakciójában , ekkor a szilán mellett némi polimeres szilícium-hidrid is keletkezik , mely sárga színt okoz közben . Tulajdonságai A szilán a metán analóg vegyülete . A szilíciumhoz képest a hidrogén elektronegativitása nagyobb , így az Si–H kötéspolaritása ellentétes a metánban lévő C–H kötésével . Ennek a fordított polaritásnak egyik következménye az átmenetifémkomplex-képzésre való nagyobb hajlam a szilánnál . Másik következménye a szilán pirofórossága — az a tulajdonsága , hogy levegőn külső gyújtás nélkül is spontán meggyullad . A rendelkezésre álló ( és gyakran ellentmondó ) égési adatok alapján a szilán viszont igen stabilis , valamint ezekkel az adatokkal tanulmányozzák a nagyobb szilánok természetes előfordulását , ahogy a minimális szennyeződések ( pl. nedvesség ) által kiváltott nagy gyulladási hajlamát is ; hogy vajon a tároló felületének katalitikus hatása okozza-e a vegyület pirofórosságát . A szilán°C felett szilíciumra és hidrogénre bomlik . A Si–H kötés erőssége megközelítőlegkJ/ mol , mely körülbelül-kal gyengébb a hidrogéngázban lévő H–H kötésének . Következésképpen , a Si–H kötéseket tartalmazó vegyületek reakciókészsége jelentősen nagyobb , mint a H2-é . Ezt a kötéserősséget kisebb-nagyobb mértékben a többi szubsztituens is befolyásolja : A Si–H kötés erőssége a SiHF3 , SiHCl3 , és SiHMe3 vegyületekben éskJ/ mol . Felhasználása Számos nagyipari felhasználása van a szilánoknak . Alkalmazzák a tapadórostos anyagok , például az üveggyapot és a szénrost készítésekor a kompozitanyagok stabilizálására . Használják még , mikor egy titánból készült implantátum felületére biológiailag semleges réteget akarnak felvinni . Egyéb felhasználásai közt van a víztaszítók gyártása , a kőművességi védelem biztosítása , a graffitik szabályzása , ezen kívül a félvezető és tömítőanyagok előállításánál , ahol polikristályos szilíciumréteget kell kialakítani . A félvezetőipar azes években körülbelültonna szilánt használt fel évente . Elengedhetetlen az alacsony költségű fényelektromos modulok gyártásánál , amellett ez a lépés vezetett a szilán nagy mennyiségű kereskedelmi felhasználásához a hidrogénezett amorf szilícium üvegre , fémre , műanyagra vagy más felületre való felvitele céljából . A PECVD technológia nem túl gazdaságos , mivel a szilán-a kárba vész . Ennek a pazarlásnak és a ökológiai lábnyomának csökkentésére folyamatosan dolgoznak ki újrahasznosítási módszereket . Szintén alkalmazzák a szuperszonikus égésű torlósugár-hajtóművekben az égés beindítására a sűrített levegő sugarában . Mivel szén-dioxidban is el tud égni , ez lehet az üzemanyaga a Marson működtetett motoroknak a jövőben . Mivel azonban az reakcióban szilárd termékek is keletkeznek ( szilícium-dioxid és szén ) , csak folyékony üzemanyagú rakétákban ( folyékony szén-dioxiddal ) vagy torlósugár-hajtóművekben használható . A szilánokat és az egyéb Si—H kötést tartalmazó vegyületeket redukálószerként használják a szerves és fémorganikus kémiában . A szilán-metakrilátot a fogászatban is alkalmazzák , mint fogszínű töltőanyagot . A szilán-metakrilátok a kemény , szilikátbázisú kerámiatöltő anyagok és a szerves , gyanta alapú oligomer mátrixokat összekapcsoló szerek . Biztonság és elővigyázatosság Már temérdek olyan ipari balesetről számoltak be , amelyet a kiszivárgó szilán levegőben történő elégése vagy robbanása váltott ki . Ha egy szivárgó szilánforrást elzárnak vagy gátolnak , az égés hőkibocsátása sokkal inkább koncentrálódik egy helyen , amely a reakciósebesség és égési sebesség megnövekedéséhez vezet ; a gázfázisú detonáció pedig súlyos károkat okoz . A szilán önmagától kigyulladhat akár°C alatt . Égésének veszélyes termékei A csekélyebb szilántartalmú keverékek elégetésére egy kétlépcsős folyamat az ajánlott , mely a szilán elhasználását és a hidrogén oxidálását is magában foglalja . A szilícium-dioxid lecsapódása némi plusz hővel támogatja a reakció mihamarabbi végbemenetelét . A szilán inert gázokkal ( nitrogén , argon stb. ) keveredve sokkal készségesebben gyullad meg a nyílt levegővel érintkezve a tiszta szilánnal összehasonlítva . Akár-os szilántartalom mellett is robbanhat . Japánban az efféle balesetek elkerülésére az amorf szilíciummal működő napelemeket gyártó cégek hidrogénnel keverik a szilánt a stabilisabb fényelektromos cellák érdekében , mivel csökkenti a Staebler–Wronski-hatást . A metánnal ellentétben a szilán meglehetősen toxikus: órás kitettség esetén a halálos koncentrációja ( LC50 ) a levegőben96 % ( ppm ) , patkányokon mérve . Továbbá , a szemmel érintkezve kovasav képződhet belőle , amely az irritációért felelős . A szilánnak munkahelyükön kitett dolgozók érdekében a NIOSHppm-remg/m³ ) korlátozta az ajánlott maximális koncentrációt átlagos,órás műszakkal számolva . Fordítás Források Szilíciumvegyületek