Սիլիցիումի վրա հիմնված օրգանական նյութերը միացությունների մեծ խումբ են: Նրանց համար երկրորդ, ավելի տարածված անվանումը սիլիկոններ են: Սիլիցիումի օրգանական միացությունների շրջանակը անընդհատ աճում է: Դրանք օգտագործվում են մարդու գործունեության գրեթե բոլոր ոլորտներում՝ տիեզերագնացությունից մինչև բժշկություն: Դրանց վրա հիմնված նյութերն ունեն բարձր տեխնիկական և սպառողական որակներ։
Ընդհանուր հայեցակարգ
Օրգանոսիլիցիումային միացությունները միացություններ են, որոնցում կա կապ սիլիցիումի և ածխածնի միջև: Նրանք կարող են պարունակել նաև այլ լրացուցիչ քիմիական տարրեր (թթվածին, հալոգեններ, ջրածին և այլն): Այս առումով նյութերի այս խումբն առանձնանում է հատկությունների և կիրառությունների լայն տեսականիով: Ի տարբերություն այլ օրգանական միացությունների, սիլիցիումի օրգանական միացություններն ունեն ավելի լավ կատարողական բնութագրեր և ավելի բարձր անվտանգություն մարդու առողջության համար և՛ երբ դրանք ձեռք են բերվում, և՛ իրեր օգտագործելիս,պատրաստված դրանցից։
Նրանց ուսումնասիրությունը սկսվել է XIX դ. Սիլիցիումի տետրաքլորիդը առաջին սինթեզված նյութն էր։ Նույն դարի 20-90-ական թվականներին ստացվել են այս տեսակի բազմաթիվ միացություններ՝ սիլաններ, եթերներ և օրթոսիլիկաթթվի փոխարինված եթերներ, ալկիլքլորոսիլաններ և այլն։ Սիլիցիումի և սովորական օրգանական նյութերի որոշ հատկությունների նմանությունը հանգեցրել է այն կեղծ գաղափարի ձևավորմանը, որ սիլիցիումի և ածխածնի միացությունները լիովին նույնական են: Ռուս քիմիկոս Դ. Ի. Մենդելեևն ապացուցեց, որ դա այդպես չէ։ Նա նաև հաստատեց, որ սիլիցիում-թթվածնային միացություններն ունեն պոլիմերային կառուցվածք։ Սա բնորոշ չէ օրգանական նյութերին, որոնցում կապ կա թթվածնի և ածխածնի միջև։
Դասակարգում
Օրգանոսիլիցիումային միացությունները միջանկյալ դիրք են զբաղեցնում օրգանական և մետաղական օրգանական միացությունների միջև: Դրանցից առանձնանում են նյութերի 2 մեծ խմբեր՝ ցածր մոլեկուլային և բարձր մոլեկուլային զանգված։
Առաջին խմբում սիլիցիումի ջրածինները ծառայում են որպես սկզբնական միացություններ, իսկ մնացածը դրանց ածանցյալներն են։ Դրանք ներառում են հետևյալ նյութերը՝
- սիլաններ և դրա հոմոլոգները (դիսիլան, տրիսիլան, տետրասիլան);
- փոխարինված սիլաններ (բութիլսիլան, տերտ-բուտիլսիլան, իզոբուտիսիլան);
- Օրթոսիլիկաթթվի եթերներ (տետրամեթօքսիսիլան, դիմեթօքսիդիէթօքսիսիլան);
- օրթոսիլիկ թթվի հալոէսթեր (տրիմեթօքսիքլորոսիլան, մեթօքսիեթօքսիդիքլորսիլան);
- Օրթոսիլիկ թթվի փոխարինված եթերներ (մեթիլտրիէթօքսիսիլան, մեթիլֆենիլդիէթօքսիսիլան);
- ալկիլ-(արիլ)-հալոսիլաններ (ֆենիլտրիքլորոսիլան);
- Օրգանսիլանների հիդրօքսիլ ածանցյալներ(դիհիդրօքսիդիէթիլսիլան, հիդրօքսիմեթիլէթիլֆենիլսիլան);
- ալկիլ-(արիլ)-ամինոսիլաններ (դիամինոմեթիլֆենիլսիլան, մեթիլամինոտրիմեթիլսիլան);
- ալկօքսի-(արիլօքսի)-ամինոսիլաններ;
- ալկիլ-(արիլ)-ամինոհալոսիլաններ;
- ալկիլ-(արիլ)-իմինոսիլաններ;
- իզոցիանատներ, թիոիզոցիանատներ և սիլիցիումի թիոեթերներ։
Բարձր մոլեկուլային քաշի սիլիցիումի օրգանական միացություններ
Մակրոմոլեկուլային օրգանական միացությունների դասակարգման հիմքը պոլիմերային սիլիցիումի ջրածինն է, որի կառուցվածքային դիագրամը ներկայացված է ստորև նկարում։
Այս խմբին են պատկանում հետևյալ նյութերը՝
- ալկիլ-(արիլ)-պոլիսիլաններ;
- օրգանոպոլիալկիլ-(պոլիարիլ)-սիլաններ;
- պոլիօրգանասիլոքսաններ;
- պոլիօրգանալկիլեն-(ֆենիլեն)-սիլոքսաններ;
- պոլիօրգանոմետալոսիլոքսաններ;
- մետալոիդսիլանային շղթայի պոլիմերներ.
Քիմիական հատկություններ
Քանի որ այս նյութերը շատ բազմազան են, դժվար է ընդհանուր օրինաչափություններ հաստատել, որոնք բնութագրում են սիլիցիումի և ածխածնի կապը:
Սիլիցիումի օրգանական միացությունների ամենաբնորոշ հատկություններն են՝
- Բարձր ջերմաստիճանի նկատմամբ դիմացկունությունը որոշվում է օրգանական ռադիկալի կամ այլ խմբերի տեսակով և չափերով, որոնք կապված են Si ատոմի հետ: Տետրափոխարինված սիլաններն ունեն ամենաբարձր ջերմային կայունությունը: Նրանց քայքայումը սկսվում է 650-700 °C ջերմաստիճանում։ Պոլիդիմեթիլսիլոքսիլանները ոչնչացվում են 300 °C ջերմաստիճանում։ Տետրաէթիլսիլանը և հեքսաէթիլդիսիլանը քայքայվում են 350 ° C ջերմաստիճանում երկարատև տաքացման ժամանակ,այս դեպքում էթիլային ռադիկալի 50%-ը վերանում է և էթանն արտազատվում։
- Թթուների, ալկալիների և սպիրտների նկատմամբ քիմիական դիմադրությունը կախված է ռադիկալի կառուցվածքից, որը կապված է սիլիցիումի ատոմի և նյութի ամբողջ մոլեկուլի հետ։ Այսպիսով, ալիֆատիկ փոխարինված էսթերներում ածխածնի կապը սիլիցիումի հետ չի քայքայվում, երբ ենթարկվում է խտացված ծծմբաթթվի, մինչդեռ խառը ալկիլ-(արիլ)-փոխարինված եթերներում, նույն պայմաններում, ֆենիլ խումբը ճեղքվում է: Սիլոքսանային կապերը նույնպես բարձր ամրություն ունեն։
- Օրգանոսիլիցիումային միացությունները համեմատաբար դիմացկուն են ալկալիների նկատմամբ: Նրանց ոչնչացումը տեղի է ունենում միայն ծանր պայմաններում։ Օրինակ, պոլիդիմեթիլսիլոքսաններում մեթիլ խմբերի ճեղքումը դիտվում է միայն 200 °C-ից բարձր ջերմաստիճանի և ճնշման տակ (ավտոկլավում):
Մակրոմոլեկուլային միացությունների բնութագրերը
Սիլիցիումի վրա հիմնված մակրոմոլեկուլային նյութերի մի քանի տեսակներ կան.
- միաֆունկցիոնալ;
- դիֆունկցիոնալ;
- եռաֆունկցիոնալ;
- քառաֆունկցիոնալ.
Միավորելով այս միացությունները՝ կստանաք՝
- դիսիլոքսանի ածանցյալներ, որոնք առավել հաճախ հեղուկ միացություններ են;
- ցիկլային պոլիմերներ (յուղային հեղուկներ);
- էլաստոմերներ (գծային կառուցվածքով պոլիմերներ, որոնք բաղկացած են մի քանի տասնյակ հազար մոնոմերներից և մեծ մոլեկուլային քաշով);
- պոլիմերներ գծային կառուցվածքով, որոնցում վերջավոր խմբերարգելափակված է օրգանական ռադիկալներով (յուղերով):
Խեժերը մեթիլ ռադիկալ-սիլիցիումի հարաբերակցությամբ 1,2-1,5 անգույն պինդ նյութեր են:
Հետևյալ հատկությունները բնորոշ են բարձր մոլեկուլային օրգանական սիլիցիումի միացություններին.
- ջերմակայունություն;
- հիդրոֆոբություն (դիմադրություն ջրի ներթափանցմանը);
- բարձր դիէլեկտրական կատարողականություն;
- մածուցիկության կայուն արժեքի պահպանում ջերմաստիճանի լայն տիրույթում;
- քիմիական կայունություն նույնիսկ ուժեղ օքսիդանտների առկայության դեպքում:
Սիլանների ֆիզիկական հատկություններ
Քանի որ այս նյութերը կառուցվածքով և կազմով շատ տարասեռ են, մենք սահմանափակվում ենք ամենատարածված խմբերից մեկի՝ սիլանների օրգանական սիլիցիումային միացությունների նկարագրությամբ:
Մոնոսիլան և դիզիլան (SiH4 և Si2H4 համապատասխանաբար) նորմալ վիճակում պայմանները գազեր են, որոնք ունեն տհաճ հոտ: Ջրի և թթվածնի բացակայության դեպքում դրանք բավականին քիմիապես կայուն են։
Տետրասիլանը և տրիսիլանը ցնդող թունավոր հեղուկներ են: Պենտասիլանը և հեքսասիլանը նույնպես թունավոր են և քիմիապես անկայուն։
Այս նյութերը լավ են լուծվում սպիրտների, բենզինի, ածխածնի դիսուլֆիդի մեջ։ Վերջին տեսակի լուծույթներն ունեն բարձր պայթյունավտանգ վտանգ: Վերոնշյալ միացությունների հալման ջերմաստիճանը տատանվում է -90 °C (տետրասիլան) մինչև -187 °C (տրիսիլան):
Ստանալ
Ռադիկալների ավելացումը Si-ին տարբեր կերպ է ընթանում և կախված է սկզբնական նյութի հատկություններից և այն պայմաններից, որոնցում տեղի է ունենում սինթեզը: Մի քանիՍիլիցիումի միացությունները օրգանական նյութերի հետ կարող են առաջանալ միայն ծանր պայմաններում, մինչդեռ մյուսներն ավելի հեշտ են արձագանքում:
Սիլանային կապերի հիման վրա սիլիցիումի օրգանական միացությունների ստացումն իրականացվում է ալկիլ (կամ արիլ)-քլորօքսիսիլանների (կամ ալկօքսիսիլանների) հիդրոլիզով, որին հաջորդում է սիլանոլների պոլիկոնդենսացումը: Տիպիկ ռեակցիան ներկայացված է ստորև նկարում:
Պոլիկոնդենսացիան կարող է ընթանալ երեք ուղղություններով՝ գծային կամ ցիկլային միացությունների առաջացմամբ, ցանցային կամ տարածական կառուցվածքի նյութերի ստացմամբ։ Ցիկլային պոլիմերներն ունեն ավելի մեծ խտություն և մածուցիկություն, քան իրենց գծային նմանակները։
Մակրոմոլեկուլային միացությունների սինթեզ
Օրգանական խեժերը և սիլիցիումի հիմքով էլաստոմերները արտադրվում են մոնոմերների հիդրոլիզից: Հետագայում հիդրոլիզի արտադրանքները տաքացվում են և կատալիզատորները ավելացվում են: Քիմիական փոխակերպումների արդյունքում ազատվում է ջուր (կամ այլ նյութեր) և առաջանում բարդ պոլիմերներ։
Օրգանոսիլիցիումային միացությունները, որոնք պարունակում են թթվածին, ավելի հակված են պոլիմերացման, քան դրանց համապատասխան ածխածնի վրա հիմնված միացությունները: Սիլիցիումը, ի հակադրություն, կարող է պահել 2 կամ ավելի հիդրօքսիլ խմբեր։ Ցիկլային պոլիմերային մոլեկուլների ձևավորման հնարավորությունը հիմնականում կախված է օրգանական ռադիկալի չափից։
Վերլուծություն
Սիլիցիումի օրգանական միացությունների անալիզն իրականացվում է մի քանի ուղղություններով.
- Ֆիզիկական հաստատունների որոշում (հալման կետ, եռման կետ և այլ բնութագրեր).
- Որակական վերլուծություն. Լաքերի, յուղերի և խեժերի մեջ այս տեսակի միացությունները հայտնաբերելու համար փորձանմուշը միաձուլվում է նատրիումի կարբոնատով, արդյունահանվում ջրով, այնուհետև մշակվում է ամոնիումի մոլիբդատով և բենզիդինով: Եթե առկա է օրգանոսիլիցիում, նմուշը դառնում է կապույտ: Կան հայտնաբերելու այլ եղանակներ։
- Քանակական վերլուծություն. Սիլիցիումի օրգանական միացությունների և՛ որակական, և՛ քանակական ուսումնասիրությունների համար օգտագործվում են ինֆրակարմիր և արտանետումների սպեկտրոսկոպիայի մեթոդներ: Օգտագործվում են նաև այլ մեթոդներ՝ սոլ-գելային անալիզ, զանգվածային սպեկտրոսկոպիա, միջուկային մագնիսական ռեզոնանս։
- Մանրամասն ֆիզիկական և քիմիական ուսումնասիրություն.
Նախապատրաստում է նյութի մեկուսացումը և մաքրումը: Պինդ կոմպոզիցիաների համար միացությունների տարանջատումը կատարվում է նրանց տարբեր լուծելիության, եռման կետի և բյուրեղացման հիման վրա։ Քիմիապես մաքուր օրգանական սիլիցիումի միացությունների մեկուսացումը հաճախ իրականացվում է կոտորակային թորման միջոցով: Հեղուկ փուլերը բաժանվում են բաժանարար ձագարի միջոցով: Գազերի խառնուրդների համար օգտագործվում են ներծծում կամ հեղուկացում ցածր ջերմաստիճաններում և մասնատում:
Դիմում
Սիլիցիումի օրգանական միացությունների շրջանակը շատ մեծ է.
- տեխնիկական հեղուկների արտադրություն (քսայուղեր, վակուումային պոմպերի աշխատանքային հեղուկներ, նավթային ժելե, մածուկներ, էմուլսիաներ, փրփրազերծողներ և այլն);
- քիմիական արդյունաբերություն - օգտագործել որպես կայունացուցիչներ, փոփոխիչներ, կատալիզատորներ;
- ներկերի և լաքի արդյունաբերություն - հավելումներ մետաղի, բետոնի, ապակու և այլ նյութերի ջերմակայուն, հակակոռոզիոն ծածկույթների արտադրության համար;
- օդատիեզերական ճարտարագիտություն - մամլիչ նյութեր, հիդրավլիկ հեղուկներ, հովացուցիչ նյութեր, հակասառցակալման միացություններ;
- էլեկտրատեխնիկա - խեժերի և լաքերի արտադրություն, ինտեգրալ սխեմաների պաշտպանության համար նյութեր;
- ինժեներական արդյունաբերություն - ռետինե արտադրատեսակների, միացությունների, քսանյութերի, հերմետիկ նյութերի, սոսինձների արտադրություն;
- թեթև արդյունաբերություն - տեքստիլ մանրաթելերի, կաշվի, կաշվե մանրաթելերի ձևափոխիչներ; փրփրազերծիչներ;
- դեղագործական արդյունաբերություն - պրոթեզավորման, իմունոստիմուլյատորների, ադապտոգենների, կոսմետիկայի համար նյութերի արտադրություն։
Նման նյութերի առավելությունները ներառում են այն փաստը, որ դրանք կարող են օգտագործվել տարբեր պայմաններում. Դրանց հիման վրա հակակոռոզիոն ծածկույթները գործում են -60-ից +550 °С ջերմաստիճանի միջակայքում։
Անասնաբուծություն
Անասնաբուծության մեջ սիլիցիումի օրգանական միացությունների օգտագործումը հիմնված է այն փաստի վրա, որ սիլիցիումը ակտիվորեն մասնակցում է ոսկորների և շարակցական հյուսվածքների ձևավորմանը, նյութափոխանակության գործընթացներին: Այս հետագծային տարրը կենսական նշանակություն ունի ընտանի կենդանիների աճի և զարգացման համար:
Ինչպես ցույց է տրվածՈւսումնասիրությունները, սիլիցիումի օրգանական նյութերով հավելումների ներմուծումը թռչնաբուծության և անասունների սննդակարգում նպաստում է կենդանի քաշի ավելացմանը, մահացության և կերերի ծախսերի նվազմանը մեկ միավոր աճի համար, ազոտի, կալցիումի և ֆոսֆորի նյութափոխանակության բարձրացմանը: Կովերի մոտ նման դեղամիջոցների օգտագործումն օգնում է նաև մանկաբարձական հիվանդությունների կանխարգելմանը։
Արտադրություն Ռուսաստանում
Ռուսաստանում սիլիցիումի օրգանական միացությունների մշակման առաջատար ձեռնարկությունը GNIIChTEOS-ն է: Սա ինտեգրված գիտական կենտրոն է, որը զբաղվում է սիլիցիումի, ալյումինի, բորի, երկաթի և այլ քիմիական տարրերի հիման վրա միացությունների արտադրության արդյունաբերական տեխնոլոգիաների ստեղծմամբ։ Այս կազմակերպության մասնագետները մշակել և ներմուծել են ավելի քան 400 սիլիցիումի օրգանական նյութեր։ Ընկերությունն ունի դրանց արտադրության փորձնական գործարան։
Սակայն Ռուսաստանը սիլիցիումի հիման վրա օրգանական միացությունների արտադրության զարգացման գլոբալ դինամիկայով շատ զիջում է այլ երկրներին։ Այսպիսով, վերջին 20 տարիների ընթացքում չինական արդյունաբերությունն ավելացրել է այդ նյութերի արտադրությունը գրեթե 50 անգամ, իսկ Արևմտյան Եվրոպան՝ 2 անգամ։ Ներկայումս Ռուսաստանում սիլիցիումի օրգանական միացությունների արտադրությունն իրականացվում է KZSK-Silicon, JSC Altaihimprom, Redkinsky Pilot Plant, JSC Khimprom (Chuvash Republic), JSC Silan.:
