Органичните вещества на базата на силиций са голяма група съединения. Второто, по-често срещано име за тях е силиконите. Обхватът на органосилициевите съединения непрекъснато нараства. Използват се в почти всички области на човешката дейност – от космонавтиката до медицината. Материалите на тяхна основа имат високи технически и потребителски качества.
Обща концепция
Органосилициевите съединения са съединения, в които има връзка между силиций и въглерод. Те могат да съдържат и други допълнителни химични елементи (кислород, халогени, водород и други). В тази връзка тази група вещества се отличава с голямо разнообразие от свойства и приложения. За разлика от други органични съединения, органосилициевите съединения имат по-добри експлоатационни характеристики и по-висока безопасност за човешкото здраве както при получаване, така и при използване на артикули,направени от тях.
Изследването им започва през XIX век. Силициевият тетрахлорид е първото синтезирано вещество. В периода от 20-те до 90-те години на същия век са получени много съединения от този вид: силани, етери и заместени естери на ортосилициева киселина, алкилхлорсилани и др. Сходството на някои от свойствата на силиция и обикновените органични вещества е довело до формирането на погрешна представа, че силициевите и въглеродните съединения са напълно идентични. Руският химик Д. И. Менделеев доказа, че това не е така. Той също така установи, че силициево-кислородните съединения имат полимерна структура. Това не е характерно за органичните вещества, в които има връзка между кислород и въглерод.
Класификация
Органосилициевите съединения заемат междинна позиция между органични и органометални. Сред тях се разграничават 2 големи групи вещества: ниско молекулно тегло и високо молекулно тегло.
В първата група силициевите водороди служат като изходни съединения, а останалите са техни производни. Те включват следните вещества:
- силани и неговите хомолози (дисилан, трисилан, тетрасилан);
- заместени силани (бутилсилан, трет-бутилсилан, изобутисилан);
- Етери на ортосилициева киселина (тетраметоксисилан, диметоксидиетоксисилан);
- халоестери на ортосилициева киселина (триметоксихлоросилан, метоксиетоксидихлорсилан);
- заместени естери на ортосилициева киселина (метилтриетоксисилан, метилфенилдиетоксисилан);
- алкил-(арил)-халосилани (фенилтрихлорсилан);
- хидроксилни производни на органосилани(дихидроксидиетилсилан, хидроксиметилетилфенилсилан);
- алкил-(арил)-аминосилани (диаминометилфенилсилан, метиламинотриметилсилан);
- алкокси-(арилокси)-аминосилани;
- алкил-(арил)-аминохалосилани;
- алкил-(арил)-иминосилани;
- изоцианати, тиоизоцианати и силициеви тиоетери.
Силициеви съединения с високо молекулно тегло
Основа за класификацията на макромолекулните органични съединения е полимерният силициев водород, чиято структурна диаграма е показана на фигурата по-долу.
Следните вещества принадлежат към тази група:
- алкил-(арил)-полисилани;
- органополиалкил-(полиарил)-силани;
- полиорганосилоксани;
- полиорганоалкилен-(фенилен)-силоксани;
- полиорганометалосилоксани;
- металоидсиланови верижни полимери.
Химически свойства
Тъй като тези вещества са много разнообразни, е трудно да се установят общи модели, които характеризират връзката между силиций и въглерод.
Най-характерните свойства на органосилициевите съединения са:
- Устойчивостта на повишена температура се определя от вида и размера на органичния радикал или други групи, които са свързани с атома Si. Тетразаместените силани имат най-висока термична стабилност. Разлагането им започва при температура 650-700 °C. Полидиметилсилоксиланите се разрушават при температура от 300 °C. Тетраетилсилан и хексаетилдисилан се разлагат при продължително нагряване при температура 350 ° C,в този случай 50% от етиловия радикал се елиминира и се освобождава етан.
- Химичната устойчивост на киселини, основи и алкохоли зависи от структурата на радикала, който е свързан със силициевия атом, и цялата молекула на веществото. Така че връзката на въглерода със силиция в алифатно заместени естери не се разрушава, когато е изложена на концентрирана сярна киселина, докато в смесени алкил-(арил)-заместени естери, при същите условия, фениловата група се разцепва. Силоксановите връзки също имат висока якост.
- Органосилициевите съединения са относително устойчиви на алкали. Унищожаването им става само при тежки условия. Например, в полидиметилсилоксаните, разцепването на метиловите групи се наблюдава само при температури над 200 °C и под налягане (в автоклав).
Характеристики на макромолекулните съединения
Има няколко вида макромолекулни вещества на основата на силиций:
- монофункционален;
- дифункционален;
- трифункционален;
- четирифункционален.
Комбинирайки тези съединения, получавате:
- дисилоксанови производни, които най-често са течни съединения;
- циклични полимери (маслени течности);
- еластомери (полимери с линейна структура, състояща се от няколко десетки хиляди мономери и голямо молекулно тегло);
- полимери с линейна структура, в които крайни групиблокиран от органични радикали (масла).
Смолите със съотношение на метилов радикал към силиций 1,2-1,5 са безцветни твърди вещества.
Следните свойства са типични за високомолекулни органични силициеви съединения:
- топлоустойчивост;
- хидрофобност (устойчивост на проникване на вода);
- висока диелектрична производителност;
- поддържане на постоянна стойност на вискозитета в широк температурен диапазон;
- химическа стабилност дори в присъствието на силни окислители.
Физични свойства на силаните
Тъй като тези вещества са много разнородни по структура и състав, ние се ограничаваме до описанието на органосилициевите съединения от една от най-често срещаните групи - силани.
Моносилан и дисилан (SiH4 и Si2H4 съответно) при нормално условия са газове, които имат неприятна миризма. При липса на вода и кислород, те са доста химически стабилни.
Тетрасилан и трисилан са летливи токсични течности. Пентасиланът и хексасиланът също са токсични и химически нестабилни.
Тези вещества се разтварят добре в алкохоли, бензин, въглероден дисулфид. Последният тип разтвори има висока експлозивна опасност. Точката на топене на горните съединения варира от -90 °C (тетрасилан) до -187 °C (трисилан).
Получаване
Добавянето на радикали към Si протича по различен начин и зависи от свойствата на изходния материал и условията, при които се осъществява синтезът. някоисъединения на силиций с органични вещества могат да бъдат направени само при тежки условия, докато други реагират по-лесно.
Получаването на силициеви органични съединения на базата на силанови връзки се извършва чрез хидролиза на алкил (или арил)-хлороксисилани (или алкоксисилани), последвана от поликондензация на силаноли. Типична реакция е показана на фигурата по-долу.
Поликондензацията може да протича в три посоки: с образуване на линейни или циклични съединения, с получаване на вещества от мрежа или пространствена структура. Цикличните полимери имат по-висока плътност и вискозитет от техните линейни аналози.
Синтез на макромолекулни съединения
Органичните смоли и еластомерите на силициева основа се получават чрез хидролиза на мономери. След това продуктите от хидролизата се нагряват и се добавят катализатори. В резултат на химични трансформации се отделя вода (или други вещества) и се образуват сложни полимери.
Органосилициевите съединения, съдържащи кислород, са по-податливи на полимеризация от съответните им съединения на въглеродна основа. Силицият, за разлика от тях, е в състояние да задържи 2 или повече хидроксилни групи. Възможността за образуване на омрежени полимерни молекули от циклични зависи основно от размера на органичния радикал.
Анализ
Анализът на органосилициевите съединения се извършва в няколко посоки:
- Определяне на физически константи (точка на топене, точка на кипене и други характеристики).
- Качествен анализ. За откриване на съединения от този тип в лакове, масла и смоли, тестовата проба се слива с натриев карбонат, екстрахира се с вода и след това се третира с амониев молибдат и бензидин. Ако има органосилиций, пробата става синя. Има и други начини за откриване.
- Количествен анализ. За качествени и количествени изследвания на силициеви съединения се използват методи на инфрачервена и емисионна спектроскопия. Използват се и други методи - зол-гел анализ, мас спектроскопия, ядрено-магнитен резонанс.
- Подробно физично и химическо изследване.
Предварително производство на изолирането и пречистването на веществото. За твърдите състави разделянето на съединенията се извършва въз основа на тяхната различна разтворимост, точка на кипене и кристализация. Изолирането на химически чисти органични силициеви съединения често се извършва чрез фракционна дестилация. Течните фази се разделят с помощта на разделителна фуния. За смеси от газове се използват абсорбция или втечняване при ниски температури и фракциониране.
Заявление
Обхватът на органосилициевите съединения е много голям:
- производство на технически течности (смазочни масла, работни течности за вакуумни помпи, вазелин, пасти, емулсии, пеногасители и други);
- химическа промишленост - използване като стабилизатори, модификатори, катализатори;
- бои и лакове - добавки за производство на топлоустойчиви, антикорозионни покрития за метал, бетон, стъкло и други материали;
- авиокосмическо инженерство - материали за пресата, хидравлични течности, охлаждащи течности, съединения против заледяване;
- електротехника - производство на смоли и лакове, материали за защита на интегрални схеми;
- инженерна индустрия - производство на каучукови изделия, смеси, лубриканти, уплътнители, лепила;
- лека промишленост - модификатори на текстилни влакна, кожа, изкуствена кожа; пеногасители;
- фармацевтична индустрия - производство на материали за протези, имуностимуланти, адаптогени, козметика.
Предимствата на такива вещества включват факта, че могат да се използват при различни условия: в тропически и студен климат, при високо налягане и във вакуум, при високи температури и радиация. Антикорозионните покрития на тяхна основа се експлоатират в температурен диапазон от -60 до +550 °С.
Животновъдство
Използването на силициеви органични съединения в животновъдството се основава на факта, че силицийът участва активно във формирането на костите и съединителната тъкан, в метаболитните процеси. Този микроелемент е жизненоважен за растежа и развитието на домашните любимци.
Както е показанопроучвания, въвеждането на добавки с органосилициеви вещества в диетата на домашни птици и добитък допринася за увеличаване на живото тегло, намаляване на смъртността и разходите за фураж за единица растеж, повишаване на метаболизма на азота, калция и фосфора. Използването на такива лекарства при кравите също помага за предотвратяване на акушерски заболявания.
Производство в Русия
Водещото предприятие в разработването на силициеви органични съединения в Русия е ГНИИЧТЕОС. Това е интегриран научен център, който се занимава със създаването на индустриални технологии за производство на съединения на основата на силиций, алуминий, бор, желязо и други химични елементи. Специалистите на тази организация са разработили и въвели повече от 400 органосилициеви материали. Компанията разполага с пилотен завод за тяхното производство.
Въпреки това, Русия в глобалната динамика на развитието на производството на органични съединения на основата на силиций е много по-ниска от другите страни. Така през последните 20 години китайската индустрия е увеличила производството на тези вещества с почти 50 пъти, а Западна Европа - с 2 пъти. Понастоящем производството на силициеви органични съединения в Русия се извършва в KZSK-Silicon, JSC Altaihimprom, в пилотната фабрика Redkinsky, JSC Khimprom (Република Чуваш), JSC Silan.
