Silicone-baserede organiske stoffer er en stor gruppe af forbindelser. Det andet, mere almindelige navn for dem er silikoner. Omfanget af organiske siliciumforbindelser vokser konstant. De bruges i næsten alle områder af menneskelig aktivitet - fra astronautik til medicin. Materialer baseret på dem har høje tekniske og forbrugermæssige kvaliteter.
Generelt koncept
Organosiliciumforbindelser er forbindelser, hvori der er en binding mellem silicium og kulstof. De kan også indeholde andre yderligere kemiske elementer (ilt, halogener, brint og andre). I denne henseende er denne gruppe af stoffer kendetegnet ved en lang række egenskaber og anvendelser. I modsætning til andre organiske forbindelser har organiske siliciumforbindelser bedre ydeevneegenskaber og højere sikkerhed for menneskers sundhed, både når de opnås og ved brug af genstande,lavet af dem.
Deres undersøgelse begyndte i det XIX århundrede. Siliciumtetrachlorid var det første syntetiserede stof. I perioden fra 20'erne til 90'erne af samme århundrede blev mange forbindelser af denne art opnået: silaner, ethere og substituerede estere af orthokiselsyre, alkylchlorsilaner og andre. Ligheden mellem nogle af egenskaberne ved silicium og almindelige organiske stoffer har ført til, at der er dannet en falsk idé om, at silicium og kulstofforbindelser er fuldstændig identiske. Den russiske kemiker D. I. Mendeleev beviste, at dette ikke er tilfældet. Han fastslog også, at silicium-iltforbindelser har en polymer struktur. Dette er ikke typisk for organiske stoffer, hvor der er en binding mellem ilt og kulstof.
Klassificering
Organosiliciumforbindelser indtager en mellemposition mellem organisk og organometallisk. Blandt dem skelnes der mellem 2 store grupper af stoffer: lav molekylvægt og høj molekylvægt.
I den første gruppe tjener siliciumhydrogener som startforbindelser, og resten er deres derivater. Disse omfatter følgende stoffer:
- silaner og dets homologer (disilan, trisilan, tetrasilan);
- substituerede silaner (butylsilan, tert-butylsilan, isobutysilan);
- Ethere af orthosilicic acid (tetramethoxysilan, dimethoxydiethoxysilan);
- haloestere af orthokiselsyre (trimethoxychlorsilan, methoxyethoxydichlorsilan);
- substituerede estere af orthokiselsyre (methyltriethoxysilan, methylphenyldiethoxysilan);
- alkyl-(aryl)-halosilaner (phenyltrichlorsilan);
- hydroxylderivater af organosilaner(dihydroxydiethylsilan, hydroxymethylethylphenylsilan);
- alkyl-(aryl)-aminosilaner (diaminomethylphenylsilan, methylaminotrimethylsilan);
- alkoxy-(aryloxy)-aminosilaner;
- alkyl-(aryl)-aminohalosilaner;
- alkyl-(aryl)-iminosilaner;
- isocyanater, thioisocyanater og siliciumthioethere.
Højmolekylære organosiliciumforbindelser
Grundlaget for klassificeringen af makromolekylære organiske forbindelser er polymer siliciumbrinte, hvis strukturdiagram er vist i figuren nedenfor.
Følgende stoffer tilhører denne gruppe:
- alkyl-(aryl)-polysilaner;
- organopolyalkyl-(polyaryl)-silaner;
- polyorganosiloxanes;
- polyorganoalkylen-(phenylen)-siloxaner;
- polyorganometallosiloxanes;
- metalloidsilankædepolymerer.
Kemiske egenskaber
Da disse stoffer er meget forskellige, er det vanskeligt at etablere generelle mønstre, der karakteriserer bindingen mellem silicium og kulstof.
De mest karakteristiske egenskaber ved organosiliciumforbindelser er:
- Modstandsdygtig over for forhøjet temperatur bestemmes af typen og størrelsen af det organiske radikal eller andre grupper, der er forbundet med Si-atomet. Tetrasubstituerede silaner har den højeste termiske stabilitet. Deres nedbrydning begynder ved en temperatur på 650-700 °C. Polydimethylsiloxylaner ødelægges ved en temperatur på 300 °C. Tetraethylsilan og hexaethyldisilan nedbrydes ved langvarig opvarmning ved en temperatur på 350 ° C,i dette tilfælde elimineres 50 % af ethylradikalet, og ethan frigives.
- Kemisk resistens over for syrer, alkalier og alkoholer afhænger af strukturen af radikalet, som er forbundet med siliciumatomet, og hele stoffets molekyle. Så bindingen af carbon med silicium i alifatisk substituerede estere ødelægges ikke, når de udsættes for koncentreret svovlsyre, mens phenylgruppen i blandede alkyl-(aryl)-substituerede estere sp altes under samme betingelser. Siloxanbindinger har også høj styrke.
- Organosiliciumforbindelser er relativt modstandsdygtige over for alkalier. Deres ødelæggelse sker kun under barske forhold. For eksempel i polydimethylsiloxaner observeres sp altning af methylgrupper kun ved temperaturer over 200 °C og under tryk (i en autoklave).
Karakteristika for makromolekylære forbindelser
Der er flere typer siliciumbaserede makromolekylære stoffer:
- monofunktionel;
- difunktionel;
- trifunktionel;
- quadrifunktionel.
Ved at kombinere disse forbindelser får du:
- disiloxanderivater, som oftest er flydende forbindelser;
- cykliske polymerer (olieagtige væsker);
- elastomerer (polymerer med en lineær struktur bestående af flere titusindvis af monomerer og en stor molekylvægt);
- polymerer med en lineær struktur, hvor endegrupperblokeret af organiske radikaler (olier).
Harpikser med et forhold mellem methylradikal og silicium på 1,2-1,5 er farveløse faste stoffer.
Følgende egenskaber er typiske for højmolekylære organiske siliciumforbindelser:
- varmemodstand;
- hydrofobicitet (modstand mod vandindtrængning);
- høj dielektrisk ydeevne;
- vedligeholdelse af en konstant viskositetsværdi over et bredt temperaturområde;
- kemisk stabilitet, selv ved tilstedeværelse af stærke oxidanter.
Silaners fysiske egenskaber
Da disse stoffer er meget heterogene i struktur og sammensætning, begrænser vi os til at beskrive organosiliciumforbindelser af en af de mest almindelige grupper - silaner.
Monosilan og disilan (henholdsvis SiH4 og Si2H4) ved normal forhold er gasser, der har en ubehagelig lugt. I mangel af vand og ilt er de ret kemisk stabile.
Tetrasilane og trisilane er flygtige giftige væsker. Pentasilan og hexasilan er også giftige og kemisk ustabile.
Disse stoffer opløses godt i alkoholer, benzin, kulstofdisulfid. Sidstnævnte type løsninger har en høj eksplosionsfare. Smeltepunktet for ovennævnte forbindelser varierer fra -90 °C (tetrasilan) til -187 °C (trisilan).
Modtag
Tilsætningen af radikaler til Si forløber forskelligt og afhænger af udgangsmaterialets egenskaber og de betingelser, hvorunder syntesen finder sted. Nogleforbindelser af silicium med organiske stoffer kan kun laves under barske forhold, mens andre reagerer lettere.
Opnåelse af organosiliciumforbindelser baseret på silanbindinger udføres ved hydrolyse af alkyl (eller aryl)-chloroxysilaner (eller alkoxysilaner) efterfulgt af polykondensation af silanoler. En typisk reaktion er vist i figuren nedenfor.
Polykondensation kan forløbe i tre retninger: med dannelse af lineære eller cykliske forbindelser, med opnåelse af stoffer i et netværk eller rumlig struktur. Cykliske polymerer har en højere densitet og viskositet end deres lineære modstykker.
Syntese af makromolekylære forbindelser
Organiske harpikser og siliciumbaserede elastomerer fremstilles ved hydrolyse af monomerer. Hydrolyseprodukterne opvarmes efterfølgende, og katalysatorer tilsættes. Som et resultat af kemiske omdannelser frigives vand (eller andre stoffer), og der dannes komplekse polymerer.
Organosiliciumforbindelser, der indeholder oxygen, er mere tilbøjelige til at polymerisere end deres tilsvarende kulstofbaserede forbindelser. Silicium er derimod i stand til at holde 2 eller flere hydroxylgrupper. Muligheden for at danne tværbundne polymermolekyler ud fra cykliske afhænger hovedsageligt af størrelsen af det organiske radikal.
Analyse
Analyse af organosiliciumforbindelser udføres i flere retninger:
- Bestemmelse af fysiske konstanter (smeltepunkt, kogepunkt og andre karakteristika).
- Kvalitativ analyse. For at påvise forbindelser af denne type i lakker, olier og harpikser smeltes testprøven med natriumcarbonat, ekstraheres med vand og behandles derefter med ammoniummolybdat og benzidin. Hvis organosilicium er til stede, bliver prøven blå. Der er andre måder at opdage.
- Kvantitativ analyse. Til både kvalitative og kvantitative undersøgelser af organosiliciumforbindelser anvendes metoder til infrarød og emissionsspektroskopi. Andre metoder bruges også - sol-gel analyse, massespektroskopi, kernemagnetisk resonans.
- Detaljeret fysisk og kemisk undersøgelse.
Fremstil isoleringen og oprensningen af stoffet. For faste sammensætninger sker adskillelsen af forbindelser på basis af deres forskellige opløselighed, kogepunkt og krystallisation. Isoleringen af kemisk rene organiske siliciumforbindelser udføres ofte ved fraktioneret destillation. Væskefaserne adskilles ved hjælp af en skilletragt. Til blandinger af gasser anvendes absorption eller fortætning ved lave temperaturer og fraktionering.
Application
Omfanget af organosiliciumforbindelser er meget stort:
- produktion af tekniske væsker (smøreolier, arbejdsvæsker til vakuumpumper, vaseline, pastaer, emulsioner, skumdæmpere og andre);
- kemisk industri - brug som stabilisatorer, modifikatorer, katalysatorer;
- maling- og lakindustrien - tilsætningsstoffer til fremstilling af varmebestandige, anti-korrosionsbelægninger til metal, beton, glas og andre materialer;
- luftfartsteknik - pressematerialer, hydrauliske væsker, kølemidler, anti-isningsforbindelser;
- elektroteknik - produktion af harpiks og lak, materialer til beskyttelse af integrerede kredsløb;
- ingeniørindustrien - produktion af gummiprodukter, forbindelser, smøremidler, tætningsmidler, klæbemidler;
- let industri - modifikatorer af tekstilfibre, læder, kunstlæder; skumdæmpere;
- farmaceutisk industri - produktion af materialer til proteser, immunstimulerende midler, adaptogener, kosmetik.
Fordelene ved sådanne stoffer omfatter det faktum, at de kan bruges under en række forskellige forhold: i tropiske og kolde klimaer, ved højt tryk og i vakuum, ved høje temperaturer og stråling. Anti-korrosionsbelægninger baseret på dem drives i temperaturområdet fra -60 til +550 °С.
Kvæg
Anvendelsen af organiske siliciumforbindelser i husdyrhold er baseret på det faktum, at silicium er aktivt involveret i dannelsen af knogler og bindevæv, metaboliske processer. Dette sporstof er afgørende for kæledyrs vækst og udvikling.
Som vistundersøgelser, bidrager indførelsen af tilsætningsstoffer med organiske siliciumstoffer i foderet til fjerkræ og husdyr til en stigning i levende vægt, et fald i dødelighed og foderomkostninger pr. vækstenhed, en stigning i omsætningen af nitrogen, calcium og fosfor. Brugen af sådanne lægemidler til køer hjælper også med at forebygge obstetriske sygdomme.
Produktion i Rusland
Den førende virksomhed inden for udvikling af organiske siliciumforbindelser i Rusland er GNIIChTEOS. Dette er et integreret videnskabeligt center, der er engageret i skabelsen af industrielle teknologier til fremstilling af forbindelser baseret på silicium, aluminium, bor, jern og andre kemiske elementer. Specialisterne i denne organisation har udviklet og introduceret mere end 400 organosiliciummaterialer. Virksomheden har et pilotanlæg til deres produktion.
Men Rusland i den globale dynamik i udviklingen af produktionen af organiske forbindelser baseret på silicium er meget ringere end andre lande. Så i løbet af de sidste 20 år har den kinesiske industri øget produktionen af disse stoffer med næsten 50 gange, og Vesteuropa - med 2 gange. På nuværende tidspunkt udføres produktionen af organiske siliciumforbindelser i Rusland hos KZSK-Silicon, JSC Altaihimprom, på Redkinsky Pilot Plant, JSC Khimprom (Chuvash Republic), JSC Silan.
