A szilícium alapú szerves anyagok a vegyületek nagy csoportját alkotják. A második, gyakoribb elnevezésük a szilikonok. A szerves szilíciumvegyületek köre folyamatosan bővül. Az emberi tevékenység szinte minden területén használják - az űrhajózástól az orvostudományig. Az ezeken alapuló anyagok kiváló műszaki és fogyasztói tulajdonságokkal rendelkeznek.
Általános koncepció
A szerves szilíciumvegyületek olyan vegyületek, amelyekben kötés van a szilícium és a szén között. Egyéb további kémiai elemeket is tartalmazhatnak (oxigén, halogének, hidrogén és mások). Ebben a tekintetben az anyagoknak ezt a csoportját a tulajdonságok és alkalmazások széles skálája különbözteti meg. Más szerves vegyületektől eltérően a szerves szilíciumvegyületek jobb teljesítményjellemzőkkel és nagyobb biztonsággal rendelkeznek az emberi egészségre nézve mind beszerzésükkor, mind felhasználásukkor,belőlük készült.
Tanulmányuk a XIX. században kezdődött. A szilícium-tetraklorid volt az első szintetizált anyag. Ugyanezen század 20-as és 90-es évei között számos ilyen vegyületet kaptak: szilánokat, ortokovasav étereket és szubsztituált észtereket, alkilklór-szilánokat és másokat. A szilícium és a közönséges szerves anyagok egyes tulajdonságainak hasonlósága ahhoz a hamis elképzeléshez vezetett, hogy a szilícium és a szénvegyületek teljesen azonosak. D. I. Mengyelejev orosz kémikus bebizonyította, hogy ez nem így van. Azt is megállapította, hogy a szilícium-oxigén vegyületek polimer szerkezettel rendelkeznek. Ez nem jellemző azokra a szerves anyagokra, amelyekben kötés van az oxigén és a szén között.
Osztályozás
A szerves szilíciumvegyületek köztes helyet foglalnak el a szerves és fémorganikus között. Közülük az anyagok 2 nagy csoportját különböztetjük meg: kis molekulatömegű és nagy molekulatömegű.
Az első csoportban a szilícium-hidrogének kiindulási vegyületként szolgálnak, a többi pedig ezek származékai. Ide tartoznak a következő anyagok:
- szilánok és homológjai (diszilán, triszilán, tetraszilán);
- szubsztituált szilánok (butil-szilán, terc-butil-szilán, izobutiszilán);
- Ortokovasav éterei (tetrametoxi-szilán, dimetoxi-dietoxi-szilán);
- ortokovasav halogénészterei (trimetoxi-klór-szilán, metoxi-etoxi-diklórszilán);
- ortokovasav helyettesített észterei (metil-trietoxi-szilán, metil-fenil-dietoxi-szilán);
- alkil-(aril)-haloszilánok (fenil-triklórszilán);
- szerves szilánok hidroxilszármazékai(dihidroxi-dietil-szilán, hidroxi-metil-etil-fenil-szilán);
- alkil-(aril)-aminoszilánok (diamino-metil-fenil-szilán, metil-amino-trimetil-szilán);
- alkoxi-(aril-oxi)-amino-szilánok;
- alkil-(aril)-amino-haloszilánok;
- alkil-(aril)-iminoszilánok;
- izocianátok, tioizocianátok és szilícium-tioéterek.
Nagy molekulatömegű szerves szilíciumvegyületek
A makromolekuláris szerves vegyületek osztályozásának alapja a polimer szilícium-hidrogén, amelynek szerkezeti diagramja az alábbi ábrán látható.
A következő anyagok tartoznak ebbe a csoportba:
- alkil-(aril)-poliszilánok;
- organopolialkil-(poliaril)-szilánok;
- poliorganosziloxánok;
- poliorganoalkilén-(fenilén)-sziloxánok;
- poliorganometallosziloxánok;
- metalloidszilán lánc polimerek.
Kémiai tulajdonságok
Mivel ezek az anyagok nagyon változatosak, nehéz olyan általános mintákat megállapítani, amelyek a szilícium és a szén közötti kötést jellemzik.
A szerves szilíciumvegyületek legjellemzőbb tulajdonságai:
- A megemelt hőmérséklettel szembeni ellenállást a szerves gyökök típusa és mérete határozza meg, vagy más csoportok, amelyek a Si atomhoz kapcsolódnak. A tetraszubsztituált szilánok a legmagasabb hőstabilitásúak. Bomlásuk 650-700 °C hőmérsékleten kezdődik. A polidimetil-sziloxilánok 300 °C hőmérsékleten tönkremennek. A tetraetil-szilán és a hexaetil-diszilán hosszan tartó 350 °C-os melegítés hatására lebomlik,ebben az esetben az etilgyök 50%-a kiürül és etán szabadul fel.
- A savakkal, lúgokkal és alkoholokkal szembeni kémiai ellenállás a szilíciumatomhoz kapcsolódó gyök szerkezetétől és az anyag teljes molekulájától függ. Tehát az alifás szubsztituált észterekben a szén és a szilícium kötés nem bomlik tömény kénsav hatására, míg vegyes alkil-(aril)-szubsztituált észterekben azonos körülmények között a fenilcsoport lehasad. A sziloxán kötések is nagy szilárdságúak.
- A szerves szilíciumvegyületek viszonylag ellenállóak a lúgokkal szemben. Pusztulásuk csak zord körülmények között történik. Például a polidimetil-sziloxánokban a metilcsoportok hasadása csak 200 °C feletti hőmérsékleten és nyomás alatt (autoklávban) figyelhető meg.
Makromolekuláris vegyületek jellemzői
Többféle szilícium alapú makromolekuláris anyag létezik:
- monofunkcionális;
- difunkcionális;
- háromfunkciós;
- négyfunkciós.
Ezeket a vegyületeket kombinálva a következőket kapja:
- disziloxán-származékok, amelyek legtöbbször folyékony vegyületek;
- ciklikus polimerek (olajos folyadékok);
- elasztomerek (több tízezer monomerből álló lineáris szerkezetű és nagy molekulatömegű polimerek);
- lineáris szerkezetű polimerek, amelyekben végcsoportokszerves gyökök (olajok) blokkolják.
Az 1,2-1,5 közötti metilcsoport/szilícium arányú gyanták színtelen szilárd anyagok.
A következő tulajdonságok jellemzőek a nagy molekulatömegű szerves szilíciumvegyületekre:
- hőállóság;
- hidrofóbitás (ellenálló a víz behatolásával szemben);
- nagy dielektromos teljesítmény;
- állandó viszkozitásérték fenntartása széles hőmérséklet-tartományban;
- kémiai stabilitás erős oxidálószerek jelenlétében is.
A szilánok fizikai tulajdonságai
Mivel ezek az anyagok szerkezetükben és összetételükben nagyon heterogének, ezért az egyik legelterjedtebb csoport – a szilánok – szerves szilíciumvegyületeinek leírására szorítkozunk.
Monosilane és disilane (SiH4 és Si2H4) normál állapotban feltételek olyan gázok, amelyek kellemetlen szagúak. Víz és oxigén hiányában kémiailag meglehetősen stabilak.
A tetraszilán és a trisilán illékony, mérgező folyadékok. A pentasilane és a hexasilane is mérgező és kémiailag instabil.
Ezek az anyagok jól oldódnak alkoholokban, benzinben, szén-diszulfidban. Az utóbbi típusú megoldások nagy robbanásveszélyesek. A fenti vegyületek olvadáspontja -90 °C (tetraszilán) és -187 °C (triszilán) között van.
Fogadás
A gyökök Si-hez való hozzáadása eltérően megy végbe, és a kiindulási anyag tulajdonságaitól és a szintézis körülményeitől függ. Néhánya szilícium vegyületei szerves anyagokkal csak zord körülmények között állíthatók elő, míg mások könnyebben reagálnak.
A szilánkötéseken alapuló szerves szilíciumvegyületek előállítása alkil- (vagy aril)-klór-oxi-szilánok (vagy alkoxi-szilánok) hidrolízisével, majd a szilanolok polikondenzációjával történik. Egy tipikus reakció látható az alábbi ábrán.
A polikondenzáció három irányban mehet végbe: lineáris vagy ciklikus vegyületek képződésével, hálózatos vagy térszerkezetű anyagok kinyerésével. A ciklikus polimerek sűrűsége és viszkozitása nagyobb, mint lineáris társaiké.
Makromolekuláris vegyületek szintézise
A szerves gyantákat és a szilícium alapú elasztomereket monomerek hidrolízisével állítják elő. A hidrolízistermékeket ezután felmelegítjük, és katalizátorokat adunk hozzá. A kémiai átalakulások eredményeként víz (vagy más anyagok) szabadul fel, és összetett polimerek képződnek.
Az oxigéntartalmú szerves szilíciumvegyületek hajlamosabbak a polimerizációra, mint a megfelelő szénalapú vegyületek. Ezzel szemben a szilícium 2 vagy több hidroxilcsoportot képes megtartani. A ciklusos molekulákból térhálós polimermolekulák képzésének lehetősége elsősorban a szerves gyök méretétől függ.
Elemzés
A szerves szilíciumvegyületek elemzése több irányban történik:
- Fizikai állandók meghatározása (olvadáspont, forráspont és egyéb jellemzők).
- Kvalitatív elemzés. Az ilyen típusú vegyületek lakkokban, olajokban és gyantákban történő kimutatására a vizsgálati mintát nátrium-karbonáttal olvasztják meg, vízzel extrahálják, majd ammónium-molibdáttal és benzidinnel kezelik. Ha szerves szilícium van jelen, a minta kék színűvé válik. Vannak más módszerek is az észlelésre.
- Kvantitatív elemzés. A szerves szilíciumvegyületek kvalitatív és kvantitatív vizsgálatához infravörös és emissziós spektroszkópiai módszereket alkalmaznak. Más módszereket is alkalmaznak - szol-gél analízis, tömegspektroszkópia, mágneses magrezonancia.
- Részletes fizikai és kémiai vizsgálat.
Készítse elő az anyag izolálását és tisztítását. Szilárd kompozíciók esetén a vegyületek elválasztása eltérő oldhatóságuk, forráspontjuk és kristályosodásuk alapján történik. A vegytiszta szerves szilíciumvegyületek izolálását gyakran frakcionált desztillációval végzik. A folyékony fázisokat választótölcsér segítségével választják el. Gázkeverékeknél alacsony hőmérsékleten történő abszorpciót vagy cseppfolyósítást és frakcionálást alkalmaznak.
Alkalmazás
A szerves szilíciumvegyületek köre nagyon széles:
- műszaki folyadékok gyártása (kenőolajok, vákuumszivattyúk munkafolyadékai, vazelin, paszták, emulziók, habzásgátlók és mások);
- vegyipar - stabilizátorként, módosítóként, katalizátorként való felhasználás;
- festék- és lakkipar - adalékanyagok hőálló, korróziógátló bevonatok gyártásához fémhez, betonhoz, üveghez és egyéb anyagokhoz;
- repülőgépészet - présanyagok, hidraulikafolyadékok, hűtőfolyadékok, jéggátló keverékek;
- elektromos technika - gyanták és lakkok, integrált áramkörök védelmére szolgáló anyagok gyártása;
- mérnöki ipar - gumitermékek, keverékek, kenőanyagok, tömítőanyagok, ragasztók gyártása;
- könnyűipar - textilszálak módosítói, bőr, műbőr; habzásgátlók;
- gyógyszeripar - anyagok gyártása protézisekhez, immunstimulánsokhoz, adaptogénekhez, kozmetikumokhoz.
Az ilyen anyagok előnyei közé tartozik, hogy különféle körülmények között használhatók: trópusi és hideg éghajlaton, magas nyomáson és vákuumban, magas hőmérsékleten és sugárzáson. Az ezeken alapuló korróziógátló bevonatok -60 és +550 °С közötti hőmérséklet-tartományban üzemelnek.
Állatállomány
A szerves szilíciumvegyületek felhasználása az állattenyésztésben azon alapul, hogy a szilícium aktívan részt vesz a csontok és kötőszövetek képződésében, az anyagcsere folyamatokban. Ez a nyomelem létfontosságú a háziállatok növekedéséhez és fejlődéséhez.
Amint azt mutatjákTanulmányok szerint a szerves szilícium anyagokat tartalmazó adalékanyagok bevezetése a baromfi és haszonállatok étrendjébe hozzájárul az élősúly növekedéséhez, a mortalitás és a növekedési egységre jutó takarmányköltségek csökkenéséhez, valamint a nitrogén, kalcium és foszfor metabolizmusának növekedéséhez. Az ilyen gyógyszerek alkalmazása teheneknél a szülészeti betegségek megelőzésében is segít.
Oroszországi gyártás
A szerves szilíciumvegyületek fejlesztésének vezető vállalata Oroszországban a GNIIChTEOS. Ez egy integrált tudományos központ, amely szilícium-, alumínium-, bór-, vas- és egyéb kémiai elemek alapú vegyületek előállítására szolgáló ipari technológiák létrehozásával foglalkozik. Ennek a szervezetnek a szakemberei több mint 400 szerves szilícium anyagot fejlesztettek ki és vezettek be. A cégnek van egy kísérleti üzeme a gyártásához.
Oroszország azonban a szilícium alapú szerves vegyületek előállításának globális dinamikájában sokkal rosszabb, mint más országok. Tehát az elmúlt 20 évben a kínai ipar közel 50-szeresére, Nyugat-Európa pedig 2-szeresére növelte ezeknek az anyagoknak a termelését. Jelenleg Oroszországban a szerves szilíciumvegyületek gyártását a KZSK-Silicon, JSC Altaihimprom, a Redkinsky kísérleti üzem, a JSC Khimprom (Csuvas Köztársaság), a JSC Silan végzi.
