Organske snovi na osnovi silicija so velika skupina spojin. Drugo, bolj pogosto ime zanje so silikoni. Obseg organosilicijevih spojin nenehno raste. Uporabljajo se na skoraj vseh področjih človeške dejavnosti – od astronavtike do medicine. Materiali, ki temeljijo na njih, imajo visoke tehnične in potrošniške lastnosti.
Splošni koncept
Organosilicijeve spojine so spojine, v katerih obstaja vez med silicijem in ogljikom. Lahko vsebujejo tudi druge dodatne kemične elemente (kisik, halogeni, vodik in drugo). V zvezi s tem to skupino snovi odlikuje široka paleta lastnosti in uporabe. Za razliko od drugih organskih spojin imajo organosilicijeve spojine boljše lastnosti delovanja in večjo varnost za zdravje ljudi tako pri pridobivanju kot pri uporabi predmetov,narejeno iz njih.
Njihova študija se je začela v XIX stoletju. Silicijev tetraklorid je bil prva sintetizirana snov. V obdobju od 20. do 90. let istega stoletja je bilo pridobljenih veliko tovrstnih spojin: silani, etri in substituirani estri ortosilicijeve kisline, alkilklorosilani in drugi. Podobnost nekaterih lastnosti silicija in običajnih organskih snovi je povzročila nastanek napačne ideje, da sta silicijeve in ogljikove spojine popolnoma enake. Ruski kemik D. I. Mendelejev je dokazal, da temu ni tako. Ugotovil je tudi, da imajo spojine silicijevega kisika polimerno strukturo. To ni značilno za organske snovi, v katerih obstaja vez med kisikom in ogljikom.
Razvrstitev
Organosilicijeve spojine zasedajo vmesni položaj med organskimi in organokovinskimi. Med njimi ločimo 2 veliki skupini snovi: nizko molekulsko maso in visoko molekulsko maso.
V prvi skupini služijo silicijevi vodiki kot začetne spojine, ostali pa so njihovi derivati. Ti vključujejo naslednje snovi:
- silani in njihovi homologi (disilane, trisilane, tetrasilane);
- substituirani silani (butilsilan, terc-butilsilan, izobutisilan);
- Etri ortosilicijeve kisline (tetrametoksisilan, dimetoksidietoksisilan);
- haloestri ortosilicijeve kisline (trimetoksiklorosilan, metoksietoksidiklorosilan);
- substituirani estri ortosilicijeve kisline (metiltrietoksisilan, metilfenildietoksisilan);
- alkil-(aril)-halosilani (feniltriklorosilan);
- hidroksilni derivati organosilanov(dihidroksidietilsilan, hidroksimetiletilfenilsilan);
- alkil-(aril)-aminosilani (diaminometilfenilsilan, metilaminotrimetilsilan);
- alkoksi-(ariloksi)-aminosilani;
- alkil-(aril)-aminohalosilani;
- alkil-(aril)-iminosilani;
- izocianati, tioizocianati in silicijevi tioetri.
organosilicijeve spojine z visoko molekulsko maso
Osnova za razvrstitev makromolekularnih organskih spojin je polimerni silicijev vodik, katerega strukturni diagram je prikazan na spodnji sliki.
Naslednje snovi spadajo v to skupino:
- alkil-(aril)-polisilani;
- organopolialkil-(poliaril)-silani;
- poliorganosiloksani;
- poliorganoalkilen-(fenilen)-siloksani;
- poliorganometallosiloksani;
- metaloidsilanski verižni polimeri.
Kemijske lastnosti
Ker so te snovi zelo raznolike, je težko določiti splošne vzorce, ki označujejo vez med silicijem in ogljikom.
Najbolj značilne lastnosti organosilicijevih spojin so:
- Odpornost na povišano temperaturo je določena z vrsto in velikostjo organskega radikala ali drugih skupin, ki so povezane z atomom Si. Tetrasubstituirani silani imajo najvišjo toplotno stabilnost. Njihova razgradnja se začne pri temperaturi 650-700 °C. Polidimetilsiloksilani se uničijo pri temperaturi 300 °C. Tetraetilsilan in heksaetildisilan se pri daljšem segrevanju pri temperaturi 350 °C razgradita,v tem primeru se izloči 50 % etilnega radikala in sprosti se etan.
- Kemična odpornost na kisline, alkalije in alkohole je odvisna od strukture radikala, ki je povezan z atomom silicija, in celotne molekule snovi. Torej se vez ogljika s silicijem v alifatsko substituiranih estrih ne uniči, ko je izpostavljena koncentrirani žveplovi kislini, medtem ko se v mešanih alkil-(aril)-substituiranih estrih pod enakimi pogoji fenilna skupina cepi. Siloksanske vezi imajo tudi visoko trdnost.
- Organosilicijeve spojine so relativno odporne na alkalije. Njihovo uničenje se zgodi le v težkih pogojih. Na primer, pri polidimetilsiloksanih se cepitev metilnih skupin opazi le pri temperaturah nad 200 °C in pod tlakom (v avtoklavu).
Značilnosti makromolekularnih spojin
Obstaja več vrst makromolekularnih snovi na osnovi silicija:
- monofunkcionalen;
- difunkcionalno;
- trifunkcionalni;
- štirifunkcionalno.
Če združite te spojine, dobite:
- derivati disiloksana, ki so najpogosteje tekoče spojine;
- ciklični polimeri (oljne tekočine);
- elastomeri (polimeri z linearno strukturo, sestavljeni iz več deset tisoč monomerov in velike molekulske mase);
- polimeri z linearno strukturo, v kateri so končne skupineblokirajo organski radikali (olja).
Smole z razmerjem med metilnim radikalom in silicijem 1,2-1,5 so brezbarvne trdne snovi.
Naslednje lastnosti so značilne za visokomolekularne organske silicijeve spojine:
- toplotna odpornost;
- hidrofobnost (odpornost proti prodiranju vode);
- visoka dielektrična zmogljivost;
- ohranjanje konstantne vrednosti viskoznosti v širokem temperaturnem območju;
- kemijska stabilnost tudi v prisotnosti močnih oksidantov.
Fizikalne lastnosti silanov
Ker so te snovi po strukturi in sestavi zelo heterogene, se omejimo na opis organosilicijevih spojin ene najpogostejših skupin - silanov.
Monosilan in disilan (SiH4 in Si2H4 oz.) pogoji so plini, ki imajo neprijeten vonj. V odsotnosti vode in kisika so precej kemično stabilni.
Tetrasilan in trisilan sta hlapni strupeni tekočini. Pentasilan in heksasilan sta tudi strupena in kemično nestabilna.
Te snovi se dobro raztopijo v alkoholih, bencinu, ogljikovem disulfidu. Slednja vrsta raztopin ima visoko eksplozivno nevarnost. Tališče zgornjih spojin se giblje od -90 °C (tetrasilan) do -187 °C (trisilan).
Prejmi
Dodajanje radikalov Si poteka drugače in je odvisno od lastnosti izhodnega materiala in pogojev, pod katerimi poteka sinteza. nekajspojine silicija z organskimi snovmi je mogoče izdelati le v težkih pogojih, medtem ko se druge lažje odzovejo.
Pridobivanje organosilicijevih spojin na osnovi silanskih vezi poteka s hidrolizo alkil (ali aril)-kloroksisilanov (ali alkoksisilanov), ki ji sledi polikondenzacija silanolov. Tipična reakcija je prikazana na spodnji sliki.
Polikondenzacija lahko poteka v treh smereh: s tvorbo linearnih ali cikličnih spojin, s pridobivanjem snovi mreže ali prostorske strukture. Ciklični polimeri imajo višjo gostoto in viskoznost kot njihovi linearni kolegi.
Sinteza makromolekularnih spojin
Organske smole in elastomeri na osnovi silicija se proizvajajo s hidrolizo monomerov. Produkte hidrolize nato segrejemo in dodamo katalizatorje. Kot posledica kemičnih transformacij se sprosti voda (ali druge snovi) in nastanejo kompleksni polimeri.
Organosilicijeve spojine, ki vsebujejo kisik, so bolj nagnjene k polimerizaciji kot njihove ustrezne spojine na osnovi ogljika. Silicij, nasprotno, lahko zadrži 2 ali več hidroksilnih skupin. Možnost tvorbe zamreženih polimernih molekul iz cikličnih je odvisna predvsem od velikosti organskega radikala.
Analiza
Analiza organosilicijevih spojin se izvaja v več smereh:
- Določanje fizikalnih konstant (tališče, vrelišče in druge značilnosti).
- Kvalitativna analiza. Za odkrivanje tovrstnih spojin v lakih, oljih in smolah se preskusni vzorec zlije z natrijevim karbonatom, ekstrahira z vodo in nato obdela z amonijevim molibdatom in benzidinom. Če je prisoten organosilicij, se vzorec obarva modro. Obstajajo tudi drugi načini za odkrivanje.
- Kvantitativna analiza. Za kvalitativne in kvantitativne študije organosilicijevih spojin se uporabljajo metode infrardeče in emisijske spektroskopije. Uporabljajo se tudi druge metode - sol-gel analiza, masna spektroskopija, jedrska magnetna resonanca.
- Podrobna fizikalna in kemijska študija.
Predobdelajte izolacijo in čiščenje snovi. Za trdne sestavke se ločitev spojin izvaja na podlagi njihove različne topnosti, vrelišča in kristalizacije. Izolacija kemično čistih organskih silicijevih spojin se pogosto izvaja s frakcijsko destilacijo. Tekoče faze se ločijo z ločilnim lijakom. Za mešanice plinov se uporabljata absorpcija ali utekočinjanje pri nizkih temperaturah in frakcioniranje.
Prijava
Obseg organosilicijevih spojin je zelo velik:
- proizvodnja tehničnih tekočin (mazalna olja, delovne tekočine za vakuumske črpalke, vazelin, paste, emulzije, penilci in drugo);
- kemična industrija - uporaba kot stabilizatorji, modifikatorji, katalizatorji;
- industrija barv in lakov - dodatki za izdelavo toplotno odpornih, protikorozijskih premazov za kovino, beton, steklo in druge materiale;
- vesoljska tehnika - materiali za stiskanje, hidravlične tekočine, hladilne tekočine, spojine proti zmrzovanju;
- elektrotehnika - proizvodnja smol in lakov, materialov za zaščito integriranih vezij;
- inženirska industrija - proizvodnja izdelkov iz gume, zmesi, maziv, tesnil, lepil;
- lahka industrija - modifikatorji tekstilnih vlaken, usnja, usnja; penilci;
- farmacevtska industrija - proizvodnja materialov za protetiko, imunostimulansi, adaptogeni, kozmetika.
Prednosti takšnih snovi vključujejo dejstvo, da se lahko uporabljajo v različnih pogojih: v tropskem in hladnem podnebju, pri visokem tlaku in v vakuumu, pri visokih temperaturah in sevanju. Protikorozijski premazi na njihovi osnovi delujejo v temperaturnem območju od -60 do +550 °С.
živinoreja
Uporaba organosilicijevih spojin v živinoreji temelji na dejstvu, da silicij aktivno sodeluje pri tvorbi kosti in vezivnega tkiva, presnovnih procesih. Ta element v sledovih je ključnega pomena za rast in razvoj hišnih ljubljenčkov.
Kot prikazanoštudije, uvedba dodatkov z organosilicijevimi snovmi v prehrano perutnine in živine prispeva k povečanju žive teže, zmanjšanju umrljivosti in stroškov krme na enoto rasti, povečanju presnove dušika, kalcija in fosforja. Uporaba takšnih zdravil pri kravah pomaga tudi pri preprečevanju porodniških bolezni.
Proizvodnja v Rusiji
Vodilo podjetje pri razvoju organosilicijevih spojin v Rusiji je GNIIChTEOS. To je integrirani znanstveni center, ki se ukvarja z ustvarjanjem industrijskih tehnologij za proizvodnjo spojin na osnovi silicija, aluminija, bora, železa in drugih kemičnih elementov. Strokovnjaki te organizacije so razvili in uvedli več kot 400 organosilicijevih materialov. Podjetje ima pilotno tovarno za njihovo proizvodnjo.
Vendar je Rusija v svetovni dinamiki razvoja proizvodnje organskih spojin na osnovi silicija veliko slabša od drugih držav. Tako je kitajska industrija v zadnjih 20 letih povečala proizvodnjo teh snovi za skoraj 50-krat, Zahodna Evropa pa za 2-krat. Trenutno se proizvodnja organosilicijevih spojin v Rusiji izvaja v KZSK-Silicon, JSC Altaihimprom, v pilotni tovarni Redkinsky, JSC Khimprom (Čuvaška republika), JSC Silan.
