Organske materije na bazi silicijuma su velika grupa jedinjenja. Drugi, češći naziv za njih su silikoni. Opseg organosilicijumskih jedinjenja stalno raste. Koriste se u gotovo svim područjima ljudske djelatnosti - od astronautike do medicine. Materijali bazirani na njima imaju visoke tehničke i potrošačke kvalitete.
Opći koncept
Organosilicijumska jedinjenja su jedinjenja u kojima postoji veza između silicijuma i ugljenika. Mogu sadržavati i druge dodatne hemijske elemente (kiseonik, halogene, vodonik i druge). S tim u vezi, ovu grupu tvari odlikuje širok raspon svojstava i primjena. Za razliku od drugih organskih jedinjenja, organosilicijumska jedinjenja imaju bolje performanse i veću bezbednost za zdravlje ljudi kako kada se dobijaju tako i prilikom upotrebe predmeta,napravljen od njih.
Njihovo proučavanje počelo je u XIX veku. Silicijum tetrahlorid je bio prva sintetizovana supstanca. U periodu od 20-ih do 90-ih godina istog veka dobijena su mnoga jedinjenja ove vrste: silani, etri i supstituisani estri ortosilicijumske kiseline, alkilhlorosilani i dr. Sličnost nekih svojstava silicija i običnih organskih supstanci dovela je do formiranja pogrešne ideje da su spojevi silicija i ugljika potpuno identični. Ruski hemičar D. I. Mendeljejev je dokazao da to nije tako. Takođe je ustanovio da jedinjenja silicijum-kiseonik imaju polimernu strukturu. Ovo nije tipično za organske supstance, u kojima postoji veza između kiseonika i ugljenika.
Klasifikacija
Organosilicijumska jedinjenja zauzimaju srednju poziciju između organskog i organometalnog. Među njima se razlikuju 2 velike grupe supstanci: niske molekulske težine i visoke molekulske težine.
U prvoj grupi, silicijum vodonici služe kao početna jedinjenja, a ostali su njihovi derivati. To uključuje sljedeće supstance:
- silani i njegovi homolozi (disilane, trisilane, tetrasilane);
- supstituisani silani (butilsilan, terc-butilsilan, izobutisilan);
- Eteri ortosilicijske kiseline (tetrametoksisilan, dimetoksidietoksisilan);
- haloesteri ortosilicijske kiseline (trimetoksiklorosilan, metoksietoksidiklorosilan);
- supstituirani estri ortosilicijske kiseline (metiltrietoksisilan, metilfenildietoksisilan);
- alkil-(aril)-halosilani (feniltriklorosilan);
- hidroksilni derivati organosilana(dihidroksidietilsilan, hidroksimetiletilfenilsilan);
- alkil-(aril)-aminosilani (diaminometilfenilsilan, metilaminotrimetilsilan);
- alkoksi-(ariloksi)-aminosilani;
- alkil-(aril)-aminohalosilani;
- alkil-(aril)-iminosilani;
- izocijanati, tioizocijanati i silicijum tioeteri.
organosilicijum jedinjenja visoke molekularne težine
Osnova za klasifikaciju makromolekularnih organskih jedinjenja je polimer silicijum vodonik, čiji je strukturni dijagram prikazan na slici ispod.
Sljedeće supstance pripadaju ovoj grupi:
- alkil-(aril)-polisilani;
- organopolialkil-(poliaril)-silani;
- poliorganosiloksani;
- poliorganoalkilen-(fenilen)-siloksani;
- poliorganometallosiloxanes;
- metaloidsilane lančani polimeri.
Hemijska svojstva
Pošto su ove supstance veoma raznolike, teško je uspostaviti opšte obrasce koji karakterišu vezu između silicijuma i ugljenika.
Najkarakterističnija svojstva organosilicijumskih jedinjenja su:
- Otpornost na povišenu temperaturu određena je vrstom i veličinom organskog radikala ili drugih grupa koje su povezane sa atomom Si. Tetrasupstituirani silani imaju najveću termičku stabilnost. Njihovo raspadanje počinje na temperaturi od 650-700 °C. Polidimetilsiloksilani se uništavaju na temperaturi od 300 °C. Tetraetilsilan i heksaetildisilan se razlažu pri dužem zagrijavanju na temperaturi od 350°C,u ovom slučaju se eliminira 50% etil radikala i oslobađa se etan.
- Hemijska otpornost na kiseline, alkalije i alkohole zavisi od strukture radikala koji je povezan sa atomom silicijuma i celokupnim molekulom supstance. Dakle, veza ugljika sa silicijumom u alifatskim supstituisanim esterima se ne razara kada su izloženi koncentrovanoj sumpornoj kiselini, dok se u mešanim alkil-(aril)-supstituisanim esterima, pod istim uslovima, fenil grupa cepa. Siloksanske veze takođe imaju veliku čvrstoću.
- Organosilicijumska jedinjenja su relativno otporna na alkalije. Njihovo uništavanje se dešava samo u teškim uslovima. Na primjer, u polidimetilsiloksanima, cijepanje metilnih grupa se opaža samo na temperaturama iznad 200 °C i pod pritiskom (u autoklavu).
Karakteristike makromolekularnih jedinjenja
Postoji nekoliko vrsta makromolekularnih supstanci na bazi silicijuma:
- monofunkcionalni;
- difunkcionalan;
- trifunkcionalni;
- quadrifunctional.
Kombinacijom ovih jedinjenja dobijate:
- derivati disiloksana, koji su najčešće tečna jedinjenja;
- ciklički polimeri (uljane tekućine);
- elastomeri (polimeri sa linearnom strukturom koji se sastoje od nekoliko desetina hiljada monomera i velike molekulske težine);
- polimeri sa linearnom strukturom, u kojima su krajnje grupeblokiran organskim radikalima (uljima).
Smole sa omjerom metil radikala i silicijuma od 1,2-1,5 su bezbojne čvrste tvari.
Sljedeća svojstva su tipična za visokomolekularne organske silicijumske spojeve:
- otpornost na toplinu;
- hidrofobnost (otpornost na prodiranje vode);
- visoke dielektrične performanse;
- održavanje konstantne vrijednosti viskoziteta u širokom temperaturnom rasponu;
- hemijska stabilnost čak iu prisustvu jakih oksidanata.
Fizička svojstva silana
Pošto su ove supstance veoma heterogene po strukturi i sastavu, ograničavamo se na opisivanje organosilicijumskih jedinjenja jedne od najčešćih grupa - silana.
Monosilane i disilane (SiH4 i Si2H4 respektivno) uslovi su gasovi koji imaju neprijatan miris. U nedostatku vode i kiseonika, prilično su hemijski stabilni.
Tetrasilan i trisilan su isparljive otrovne tečnosti. Pentasilane i hexasilane su takođe toksični i hemijski nestabilni.
Ove supstance se dobro otapaju u alkoholima, benzinu, ugljen-disulfidu. Ova druga vrsta rješenja ima visoku opasnost od eksplozije. Tačka topljenja gornjih jedinjenja kreće se od -90 °C (tetrasilan) do -187 °C (trisilane).
Primi
Dodavanje radikala Si odvija se drugačije i zavisi od svojstava polaznog materijala i uslova pod kojima se sinteza odvija. Nekijedinjenja silicijuma sa organskim supstancama mogu se napraviti samo u teškim uslovima, dok drugi lakše reaguju.
Dobijanje organosilicijumskih jedinjenja na bazi silanskih veza vrši se hidrolizom alkil (ili aril)-hloroksisilana (ili alkoksisilana) nakon čega sledi polikondenzacija silanola. Tipična reakcija je prikazana na slici ispod.
Polikondenzacija se može odvijati u tri smjera: stvaranjem linearnih ili cikličkih spojeva, sa dobijanjem supstanci mreže ili prostorne strukture. Ciklični polimeri imaju veću gustinu i viskozitet od svojih linearnih kolega.
Sinteza makromolekularnih jedinjenja
Organske smole i elastomeri na bazi silicija proizvode se hidrolizom monomera. Produkti hidrolize se zatim zagrijavaju i dodaju katalizatori. Kao rezultat hemijskih transformacija, voda (ili druge supstance) se oslobađa i formiraju se složeni polimeri.
Organosilicijum jedinjenja koja sadrže kiseonik sklonija su polimerizaciji od odgovarajućih jedinjenja na bazi ugljenika. Silicijum, nasuprot tome, može zadržati 2 ili više hidroksilnih grupa. Mogućnost formiranja umreženih polimernih molekula od cikličkih uglavnom zavisi od veličine organskog radikala.
Analiza
Analiza organosilicijumskih jedinjenja se vrši u nekoliko pravaca:
- Određivanje fizičkih konstanti (tačka topljenja, tačka ključanja i druge karakteristike).
- Kvalitativna analiza. Da bi se otkrili spojevi ove vrste u lakovima, uljima i smolama, ispitni uzorak se fuzionira sa natrijum karbonatom, ekstrahuje vodom, a zatim se tretira amonijum molibdatom i benzidinom. Ako je prisutan organosilicij, uzorak postaje plav. Postoje i drugi načini za otkrivanje.
- Kvantitativna analiza. Za kvalitativna i kvantitativna istraživanja organosilicijumskih jedinjenja koriste se metode infracrvene i emisione spektroskopije. Koriste se i druge metode - sol-gel analiza, masena spektroskopija, nuklearna magnetna rezonanca.
- Detaljna fizička i hemijska studija.
Pripremite izolaciju i prečišćavanje supstance. Za čvrste kompozicije, razdvajanje jedinjenja se vrši na osnovu njihove različite rastvorljivosti, tačke ključanja i kristalizacije. Izolacija hemijski čistih organskih jedinjenja silicijuma često se izvodi frakcijskom destilacijom. Tečne faze se odvajaju pomoću levka za odvajanje. Za mješavine plinova koriste se apsorpcija ili ukapljivanje na niskim temperaturama i frakcioniranje.
Prijava
Obim organosilicijumskih jedinjenja je veoma velik:
- proizvodnja tehničkih tečnosti (ulja za podmazivanje, radne tečnosti za vakum pumpe, vazelin, paste, emulzije, sredstva protiv pene i ostalo);
- hemijska industrija - upotreba kao stabilizatori, modifikatori, katalizatori;
- industrija boja i lakova - aditivi za proizvodnju toplotno otpornih, antikorozivnih premaza za metal, beton, staklo i druge materijale;
- vazduhoplovstvo - materijali za presovanje, hidraulične tečnosti, rashladne tečnosti, jedinjenja protiv zaleđivanja;
- elektrotehnika - proizvodnja smola i lakova, materijala za zaštitu integrisanih kola;
- inženjerska industrija - proizvodnja gumenih proizvoda, smjesa, maziva, zaptivnih masa, ljepila;
- laka industrija - modifikatori tekstilnih vlakana, kože, kože; protivpjenušači;
- farmaceutska industrija - proizvodnja materijala za protetiku, imunostimulansa, adaptogena, kozmetike.
Prednosti ovakvih supstanci uključuju činjenicu da se mogu koristiti u raznim uslovima: u tropskim i hladnim klimama, pri visokom pritisku i u vakuumu, pri visokim temperaturama i radijaciji. Antikorozivni premazi na njihovoj bazi rade u temperaturnom opsegu od -60 do +550 °S.
Stoka
Upotreba organosilicijumskih jedinjenja u stočarstvu zasniva se na činjenici da je silicijum aktivno uključen u formiranje kostiju i vezivnog tkiva, metaboličke procese. Ovaj element u tragovima je vitalan za rast i razvoj kućnih ljubimaca.
Kao prikazanostudijama, uvođenje aditiva sa organosilicijumskim supstancama u ishranu peradi i stoke doprinosi povećanju žive težine, smanjenju mortaliteta i troškova hrane po jedinici rasta, povećanju metabolizma dušika, kalcija i fosfora. Upotreba takvih lijekova kod krava također pomaže u prevenciji akušerskih bolesti.
Proizvodnja u Rusiji
Vodeće preduzeće u razvoju organosilicijumskih jedinjenja u Rusiji je GNIIChTEOS. Ovo je integrisani naučni centar koji se bavi stvaranjem industrijskih tehnologija za proizvodnju jedinjenja na bazi silicijuma, aluminijuma, bora, gvožđa i drugih hemijskih elemenata. Stručnjaci ove organizacije razvili su i uveli više od 400 organosilicijumskih materijala. Kompanija ima pilot postrojenje za njihovu proizvodnju.
Međutim, Rusija je u globalnoj dinamici razvoja proizvodnje organskih jedinjenja na bazi silicijuma mnogo inferiorna u odnosu na druge zemlje. Dakle, u proteklih 20 godina, kineska industrija je povećala proizvodnju ovih supstanci za gotovo 50 puta, a Zapadna Europa - za 2 puta. Trenutno se proizvodnja organosilicijumskih jedinjenja u Rusiji obavlja u KZSK-Silicon, JSC Altaihimprom, u Redkinsky Pilot Plant, JSC Khimprom (Čuvaška Republika), JSC Silan.
