Силан водородные связи с водой

Летучие водородные соединения

Соединения водорода с неметаллами — летучие водородные соединения. Это метан, силан, аммиак, фосфин, арсин, сероводород, вода, галогеноводороды. Способы получения и химические свойства.

Строение и физические свойства

Все летучие водородные соединения — газы (кроме воды) при нормальных условиях.

CH4 — метан	NH3 — аммиак	H2O — вода	HF –фтороводород
SiH4 — силан	PH3 — фосфин	H2S — сероводород	HCl –хлороводород
AsH3 — арсин	H2Se — селеноводород	HBr –бромоводород
H2Te — теллуроводород	HI –иодоводород

Способы получения силана

Силан образуется при взаимодействии соляной кислоты с силицидом магния:

Видеоопыт получения силана из силицида магния можно посмотреть здесь.

Способы получения аммиака

В лаборатории аммиак получают при взаимодействии солей аммония с щелочами. Поск ольку аммиак очень хорошо растворим в воде, для получения чистого аммиака используют твердые вещества.

Например , аммиак можно получить нагреванием смеси хлорида аммония и гидроксида кальция. При нагревании смеси происходит образование соли, аммиака и воды:

Тщательно растирают ступкой смесь соли и основания и нагревают смесь. Выделяющийся газ собирают в пробирку (аммиак — легкий газ и пробирку нужно перевернуть вверх дном). Влажная лакмусовая бумажка синеет в присутствии аммиака.

Видеоопыт получения аммиака из хлорида аммония и гидроксида кальция можно посмотреть здесь.

Еще один лабораторный способ получения аммиака – гидролиз нитридов.

Например , гидролиз нитрида кальция:

В промышленности аммиак получают с помощью процесса Габера: прямым синтезом из водорода и азота.

Процесс проводят при температуре 500-550 о С и в присутствии катализатора. Для синтеза аммиака применяют давления 15-30 МПа. В качестве катализатора используют губчатое железо с добавками оксидов алюминия, калия, кальция, кремния. Для полного использования исходных веществ применяют метод циркуляции непрореагировавших реагентов: не вступившие в реакцию азот и водород вновь возвращают в реактор.

Более подробно про технологию производства аммиака можно прочитать здесь.

Способы получения фосфина

В лаборатории фосфин получают водным или кислотным гидролизом фосфидов – бинарных соединений фосфора и металлов.

Например , фосфин образуется при водном гидролизе фосфида кальция:

Или при кислотном гидролизе, например , фосфида магния в соляной кислоте:

Еще один лабораторный способ получения фосфина – диспропорционирование фосфора в щелочах.

Например , фосфор реагирует с гидроксидом калия с образованием гипофосфита калия и фосфина:

Способы получения сероводорода

1. В лаборатории сероводород получают действием минеральных кислот на сульфиды металлов, расположенных в ряду напряжений левее железа.

Например , при действии соляной кислоты на сульфид железа (II):

FeS + 2HCl → FeCl₂ + H₂S↑

Еще один способ получения сероводорода – прямой синтез из водорода и серы:

Еще один лабораторный способ получения сероводорода – нагревание парафина с серой.

Видеоопыт получения и обнаружения сероводорода можно посмотреть здесь.

2. Также сероводород образуется при взаимодействии растворимых солей хрома (III) и алюминия с растворимыми сульфидами. Сульфиды хрома (III) и алюминия необратимо гидролизуются в водном растворе.

Например: х лорид хрома (III) реагирует с сульфидом натрия с образованием гидроксида хрома (III), сероводорода и хлорида натрия:

Химические свойства силана

1. Силан — неустойчивое водородное соединение (самовоспламеняется на воздухе). При сгорании силана на воздухе образуется оксид кремния (IV) и вода:

Видеоопыт сгорания силана можно посмотреть здесь.

2. Силан разлагается водой с выделением водорода:

3. Силан разлагается (окисляется) щелочами :

4. Силан при нагревании разлагается :

Химические свойства фосфина

1. В водном растворе фосфин проявляет очень слабые основные свойства (за счет неподеленной электронной пары). Принимая протон (ион H + ), он превращается в ион фосфония. Основные свойства фосфина гораздо слабее основных свойств аммиака. Проявляются при взаимодействии с безводными кислотами .

Например , фосфин реагирует с йодоводородной кислотой:

Соли фосфония неустойчивые, легко гидролизуются.

2. Фосфин PH₃ – сильный восстановитель за счет фосфора в степени окисления -3. На воздухе самопроизвольно самовоспламеняется:

3. Как сильный восстановитель, фосфин легко окисляется под действием окислителей.

Например , азотная кислота окисляет фосфин. При этом фосфор переходит в степень окисления +5 и образует фосфорную кислоту.

Серная кислота также окисляет фосфин:

С фосфином также реагируют другие соединения фосфора, с более высокими степенями окисления фосфора.

Например , хлорид фосфора (III) окисляет фосфин:

2PH₃ + 2PCl₃ → 4P + 6HCl

Химические свойства сероводорода

1. В водном растворе сероводород проявляет слабые кислотные свойства. Взаимодействует с сильными основаниями, образуя сульфиды и гидросульфиды:

Например , сероводород реагирует с гидроксидом натрия:

H₂S + 2NaOH → Na₂S + 2H₂O
H₂S + NaOH → NaНS + H₂O

2. Сероводород H₂S – очень сильный восстановитель за счет серы в степени окисления -2. При недостатке кислорода и в растворе H₂S окисляется до свободной серы (раствор мутнеет):

В избытке кислорода:

3. Как сильный восстановитель, сероводород легко окисляется под действием окислителей.

Например, бром и хлор окисляют сероводород до молекулярной серы:

H₂S + Br₂ → 2HBr + S↓

H₂S + Cl₂ → 2HCl + S↓

Под действием избытка хлора в водном растворе сероводород окисляется до серной кислоты:

Например , азотная кислота окисляет сероводород до молекулярной серы:

При кипячении сера окисляется до серной кислоты:

Прочие окислители окисляют сероводород, как правило, до молекулярной серы.

Например , оксид серы (IV) окисляет сероводород:

Соединения железа (III) также окисляют сероводород:

H₂S + 2FeCl₃ → 2FeCl₂ + S + 2HCl

Бихроматы, хроматы и прочие окислители также окисляют сероводород до молекулярной серы:

Серная кислота окисляет сероводород либо до молекулярной серы:

Либо до оксида серы (IV):

4. Сероводород в растворе реагирует с растворимыми солями тяжелых металлов : меди, серебра, свинца, ртути, образуя черные сульфиды, нерастворимые ни в воде, ни в минеральных кислотах.

Например , сероводород реагирует в растворе с нитратом свинца (II). при этом образуется темно-коричневый (почти черный) осадок, нерастворимый ни в воде, ни в минеральных кислотах:

Взаимодействие с нитратом свинца в растворе – это качественная реакция на сероводород и сульфид-ионы.

Видеоопыт взаимодействия сероводорода с нитратом свинца можно посмотреть здесь.

Химические свойства прочих водородных соединений

Кислоты образуют в водном растворе: водородные соединения VIA (кроме воды) и VIIA подгрупп.

Прочитать про химические свойства галогеноводородов вы можете здесь.

Источник

Силан (соединение)

Тетрагидрид кремния, моносилан, силикан, гидрид кремния

Силан
Структура силана.
Идентификация
Название ИЮПАК	силан
Синонимы
Н о CAS	7803-62-5
N о ИК	100 029 331
N о ЕС	232-263-4
N о RTECS	VV1400000
PubChem	23953
ЧЭБИ	29389
Улыбки
Появление	бесцветный пирофорный газ с неприятным запахом
Химические свойства
Грубая формула	H 4 Si SiH 4
Молярная масса	32,1173 ± 0,0006 г / моль H 12,55%, Si 87,45%,
Физические свойства
Т ° плавления	−185 ° С
T ° кипения	-112 ° С
Растворимость	S’ гидролиза быстро в воде
Объемная масса	1,44 кг / м 3 при 0 ° C
Пределы взрываемости в воздухе	1,4% к объему, 19 г / м 3
Давление насыщающего пара	29 бар при −22 ° C 40,8 бар при −10 ° C 48 бар при −3,5 ° C
Критическая точка	0,242 г / см 3 при -3,5 ° C при 48,4 бар
Тройная точка	−186,4 ° С
Термохимия
Δ vap H °	12,1 кДж · моль -1 ( 1 атм , -111,9 ° C )
Электронные свойства
1 повторно энергия ионизации	11,00 ± 0,02 эВ (газ)
Меры предосторожности
SGH
Раскрытие на уровне 1,0% в соответствии со списком раскрытия ингредиентов
Единицы СИ и СТП, если не указано иное.
редактировать

Силан представляет собой химическое соединение по формуле SiH ₄ . Он выглядит как бесцветный пирофорный газ с отталкивающим запахом. Кремний аналог из CH ₄ метана , это простейший из гидридов кремния и простейшее из соединений ряда силана общей формулы Si _n H _{2 n +2} , которые сами по себе являются кремниевыми аналогами C _n H _{2 n +2} алканов .

В более широком смысле, мы также можем говорить о силанах для обозначения различных замещенных производных силана, таких как тетраметилортосиликат Si (OCH ₃ ) _4. , тетраэтилортосиликат Si (OCH ₂ CH ₃ ) ₄ или трихлорсилан SiHCl ₃ , или кремнийорганические соединения, такие как диметилсиландиол Si (OH) ₂ (CH ₃ ) ₂ или тетраметилсилан Si (CH ₃ ) ₄ .

Резюме

Свойства и реакции

Так как водород является более электроотрицательным , чем кремний (2,2 против 1,9 на шкале Полинга ), то поляризация из Si — Н связи является противоположностью , что из C — H связи (электроотрицательность углерода . Составляет 2,55 по шкале Полинга) . Это имеет несколько последствий, в частности, склонность силана к образованию комплексов с переходными металлами или тот факт, что он самовоспламеняется на воздухе без необходимости воспламенения (он пирофорен ). Данные продукты сгорания силан, однако , часто противоречат друг другу , потому что сам силан достаточно стабилен , а его воспламеняемость будет обусловлено главным образом наличием примесей , таких как образование высших силанов в процессе ее производства, в присутствии следов влаги. И по каталитических эффектов из поверхность емкостей, в которых он находится.

Уменьшение силана с помощью щелочного металла , растворенного в растворителе , дает производную силильное соответствующую щелочь. В зависимости от растворителя могут иметь место две конкурирующие реакции, например, только первая реакция в гексаметилфосфорамиде [(CH ₃ ) ₂ N] ₃ PO. (HMPA) и оба одновременно в диметоксиэтане CH ₃ OCH ₂ CH ₂ OCH ₃ , например, здесь с калием дает силанид калия KSiH ₃ :

Энергия Si — Н связи составляет около 384 кДж / моль , что составляет около 20% меньше , чем у Н — Н — связи в водородной молекулы Н _2. . Отсюда следует, что соединения, содержащие такие связи Si — H, более реакционноспособны, чем H _2. . Энергия Si — Н — связи мало влияет наличие заместителей на атоме кремния: это , таким образом , составит 419 кДж / моль для trifluorosilane SIHF ₃ , 382 кДж / моль для трихлорсилана SiHCl ₃ и 398 кДж / моль для триметилсилана SiH (CH ₃ ) ₃ .

Силан — сильный восстановитель, который горит в кислороде , взрывается в хлоре и быстро гидролизуется в щелочной воде ( pH > 7 ) в соответствии с реакциями:

С другой стороны, реакция с чистой водой протекает очень медленно: ей способствует присутствие основных следов или сильной кислоты .

Производство

Промышленные методы

Силан синтезируют несколькими методами. Обычно образуется при реакции хлороводорода HCl с силицидом магния Mg ₂ Si. :

Его также можно получить из металлургического кремния в два этапа. Кремний сначала обрабатывают хлористым водородом при температуре около 300 ° C для получения трихлорсилана SiHCl _3. с водородом H ₂ :

Затем трихлорсилан превращается в смесь кремния и тетрахлорида кремния SiCl _4. в присутствии катализатора :

Наиболее часто используемыми катализаторами в этом процессе являются галогениды металлов , особенно хлорид алюминия AlCl _3. . Это перераспределение , которое также можно рассматривать как диспропорционирование, хотя степень окисления кремния не меняется (это +4 для силана, трихлорсилана и тетрахлорида кремния); однако, поскольку хлор более электроотрицателен, чем водород (3,16 против 2,2 по шкале Полинга ), атом кремния SiCl ₄ проявляет более высокую формальную степень окисления, чем SiH ₄ .

Альтернативный способ производства относится к силану очень высокой чистоты, предназначенному для производства кремния электронного качества для полупроводниковой промышленности . В этом процессе также используется металлургический кремний, а также четыреххлористый водород и кремний. Он включает в себя серию перераспределений с побочными продуктами, которые рециркулируют в реакциях и дистилляциях , которые можно резюмировать следующим образом:

Образованный таким образом силан можно термически разложить с получением кремния и водорода высокой чистоты за один проход .

Другие методы производства силана включают восстановление тетрафторида кремния SiF _4. с помощью гидрида натрия NaH или восстановления тетрахлорида кремния SiCl ₄ от лития алюминия гидрид LiAlH ₄ . Также возможно восстановление диоксида кремния SiO _2. под алюминия путем водорода H ₂ в смеси хлорида натрия NaCl и хлорида алюминия AlCl ₃ при высоком давлении:

В лабораторном масштабе

Немецкие химики Генрих Бафф и Фридрих Вёлер обнаружили в 1857 году силан среди других продуктов, образующихся при взаимодействии соляной кислоты HCl с силицидом алюминия Al ₄ Si _3. ; они назвали это соединение силицидом водорода .

Для демонстрации в классе силан можно получить путем нагревания смеси песка и порошка магния с получением силицида магния Mg ₂ Si. , который затем можно вылить в соляную кислоту. Силицид магния реагирует с кислотой с образованием силана SiH _4. , который образует пузырьки, которые поднимаются на поверхность и самопроизвольно воспламеняются при контакте с воздухом за счет пирофорности , что свидетельствует о треске небольших взрывов. Мы можем рассмотреть эту реакцию в виде гетерогенной реакции кислотно-щелочной постольку , поскольку силицид анион Si 4- из антифлю- структуры (о) из Mg ₂ Si может служить базой Бренстеда, принимающей четыре протона .

Наконец, способ производства силана в малых масштабах состоит из реакции амальгамы натрия с дихлорсиланом SiH ₂ Cl _2. , что дает, помимо силана, полимеризованные гидриды кремния (SiH) _x .

Приложения

В то время как органосиланы имеют различные приложения, сам силан используется почти исключительно в качестве предшественника из чистого кремния , в частности , для полупроводниковой промышленности . Производство недорогих фотоэлектрических солнечных модулей привело к значительному потреблению силана для осаждения гидрогенизированного аморфного кремния (a-Si: H) с помощью плазменного химического осаждения из паровой фазы ( PECVD ) на различные подложки, такие как стекло , кристаллы, металлы или пластмассы. .

Осаждение кремния с помощью PECVD относительно неэффективно, поскольку используется только около 15% силана, остальное теряется. Для повышения эффективности процесса и уменьшения воздействия на окружающую среду были разработаны различные методы рециркуляции .

безопасность

Поскольку силан пирофорен , утечки этого газа воспламеняются самопроизвольно, поэтому на заводах происходит много несчастных случаев со смертельным исходом в результате пожаров и взрывов. Сгорания силана при низкой концентрации будет происходить в два этапа, с окислением из водорода , происходящих после образования диоксида кремния , тем конденсации , которые бы ускорить образование воды под действием тепловой обратной связи . Силан, разбавленный инертными газами, такими как азот или аргон, с большей вероятностью воспламеняется на воздухе, чем чистый силан: даже смесь 1% силана в чистом азоте легко воспламеняется. Разбавление силана в водороде позволяет снизить промышленные риски при производстве солнечных элементов из аморфного кремния, а также имеет преимущество в стабилизации фотоэлектрических солнечных модулей, полученных таким образом, путем ограничения эффекта Штеблера-Вронски ( WSE ).

Источник