Кремний негізіндегі органикалық заттар қосылыстардың үлкен тобы болып табылады. Олардың екінші, кең таралған атауы - силикондар. Кремнийорганикалық қосылыстардың қолданылу аясы үнемі өсіп келеді. Олар адам қызметінің барлық дерлік салаларында - астронавтикадан медицинаға дейін қолданылады. Олардың негізінде жасалған материалдар жоғары техникалық және тұтынушылық сапаға ие.
Жалпы түсінік
Кремнийорганикалық қосылыстар - кремний мен көміртек арасында байланыс болатын қосылыстар. Олардың құрамында басқа да қосымша химиялық элементтер болуы мүмкін (оттегі, галогендер, сутегі және т.б.). Осыған байланысты заттардың бұл тобы қасиеттері мен қолданылуының алуан түрлілігімен ерекшеленеді. Басқа органикалық қосылыстардан айырмашылығы, кремнийорганикалық қосылыстар жақсы өнімділік сипаттамаларына ие және олар алынған кезде де, заттарды пайдаланған кезде де адам денсаулығы үшін жоғары қауіпсіздікке ие,олардан жасалған.
Оларды зерттеу XIX ғасырда басталды. Кремний төртхлориді алғашқы синтезделген зат болды. Сол ғасырдың 20-90 жылдары аралығында осы тектес көптеген қосылыстар алынды: силандар, эфирлер және ортокремний қышқылының алмастырылған күрделі эфирлері, алкилхлоросиландар және т.б. Кремний мен қарапайым органикалық заттардың кейбір қасиеттерінің ұқсастығы кремний мен көміртегі қосылыстары толығымен бірдей деген жалған түсініктің қалыптасуына әкелді. Бұлай емес екенін орыс химигі Д. И. Менделеев дәлелдеді. Ол сондай-ақ кремний-оттегі қосылыстарының полимерлі құрылымға ие екенін анықтады. Бұл оттегі мен көміртегі арасында байланыс бар органикалық заттарға тән емес.
Жіктеу
Органикалық кремний қосылыстары органикалық және металлорганикалық арасында аралық орынды алады. Олардың ішінде заттардың 2 үлкен тобы ажыратылады: төмен молекулалық және жоғары молекулалық салмақ.
Бірінші топта кремний сутегілері бастапқы қосылыстар қызметін атқарады, ал қалғандары олардың туындылары болып табылады. Оларға келесі заттар кіреді:
- силандар және оның гомологтары (дизилан, трисилан, тетрасилан);
- алмастырылған силандар (бутилсилан, терт-бутилсилан, изобутизилан);
- Ортокремний қышқылының эфирлері (тетраметоксисилан, диметоксидиетоксисилан);
- ортокремний қышқылының галоэфирлері (триметоксихлоросилан, метоксиэтоксидихлоросилан);
- ортокремний қышқылының алмастырылған күрделі эфирлері (метилтриэтоксисилан, метилфенилдиэтоксисилан);
- алкил-(арил)-галосиландар (фенилтрихлоросилан);
- органосиландардың гидроксил туындылары(дигидроксидиэтилсилан, гидроксиметилэтилфенилсилан);
- алкил-(арил)-аминосиландар (диаминомитилфенилсилан, метиламинотриметилсилан);
- алкокси-(арилокси)-аминозиландар;
- алкил-(арил)-аминогалосиландар;
- алкил-(арил)-имосиландар;
- изоцианаттар, тиоизоцианаттар және кремний тиоэфирлері.
жоғары молекулалық кремнийорганикалық қосылыстар
Макромолекулалық органикалық қосылыстарды жіктеу үшін негіз болып полимер кремний сутегі табылады, оның құрылымдық диаграммасы төмендегі суретте көрсетілген.
Келесі заттар осы топқа жатады:
- алкил-(арил)-полисиландар;
- органополиалкил-(полиарил)-силандар;
- полиорганосилоксандар;
- полиорганоалкилен-(фенилен)-силоксандар;
- полиорганометаллозилоксандар;
- металлоидсиланды тізбекті полимерлер.
Химиялық қасиеттері
Бұл заттар өте әртүрлі болғандықтан, кремний мен көміртегі арасындағы байланысты сипаттайтын жалпы заңдылықтарды анықтау қиын.
Кремнийорганикалық қосылыстардың ең тән қасиеттері:
- Жоғары температураға төзімділік органикалық радикалдың немесе Si атомымен байланысты басқа топтардың түрі мен өлшемімен анықталады. Тетра алмастырылған силандар ең жоғары термиялық тұрақтылыққа ие. Олардың ыдырауы 650-700 °С температурада басталады. Полидиметилсилоксиландар 300 °C температурада жойылады. Тетраэтилсилан мен гексаэтилдисилан 350°С температурада ұзақ қыздырғанда ыдырайды,бұл жағдайда этил радикалының 50% жойылады және этан бөлінеді.
- Қышқылдарға, сілтілерге және спирттерге химиялық тұрақтылық кремний атомымен байланысқан радикалдың құрылымына және заттың бүкіл молекуласына байланысты. Сонымен, алифатты алмастырылған күрделі эфирлерде көміртектің кремниймен байланысы концентрлі күкірт қышқылымен әсер еткенде бұзылмайды, ал аралас алкил-(арил) алмастырылған күрделі эфирлерде бірдей жағдайда фенил тобы ыдырайды. Силоксан байланыстары да жоғары беріктікке ие.
- Кремний органикалық қосылыстар сілтілерге салыстырмалы түрде төзімді. Олардың жойылуы тек ауыр жағдайларда ғана жүреді. Мысалы, полидиметилсилоксандарда метил топтарының бөлінуі тек 200 °C жоғары температурада және қысымда (автоклавта) байқалады.
Макромолекулалық қосылыстардың сипаттамалары
Кремний негізіндегі жоғары молекулалық заттардың бірнеше түрі бар:
- монофункционалды;
- дифункционалды;
- үш функционалды;
- төрт функционалды.
Осы қосылыстарды біріктіргенде, сіз аласыз:
- дизилоксан туындылары, олар көбінесе сұйық қосылыстар;
- циклді полимерлер (майлы сұйықтықтар);
- эластомерлер (бірнеше ондаған мың мономерлерден тұратын сызықтық құрылымы және үлкен молекулалық массасы бар полимерлер);
- соңғы топтары бар сызықтық құрылымы бар полимерлерорганикалық радикалдар (майлар) арқылы бөгелген.
Метил радикалына кремнийге қатынасы 1,2-1,5 болатын шайырлар түссіз қатты заттар болып табылады.
Келесі қасиеттер жоғары молекулалы органикалық кремний қосылыстарына тән:
- ыстыққа төзімділік;
- гидрофобтылық (судың өтуіне төзімділік);
- жоғары диэлектрлік өнімділік;
- кең температура диапазонында тұрақты тұтқырлық мәнін сақтау;
- химиялық тұрақтылық тіпті күшті тотықтырғыштар болған кезде де.
Силандардың физикалық қасиеттері
Бұл заттар құрылымы мен құрамы бойынша өте гетерогенді болғандықтан, біз ең көп таралған топтардың бірі – силандардың кремнийорганикалық қосылыстарын сипаттаумен шектелеміз.
Моносилан және дисилан (сәйкесінше SiH4 және Si2H4) қалыпты жағдайда жағдайлар - жағымсыз иісі бар газдар. Су мен оттегі болмаған кезде олар химиялық тұрғыдан айтарлықтай тұрақты.
Тетрасилан және трисилан ұшқыш улы сұйықтықтар. Пентасилан мен гексосилан да улы және химиялық тұрақсыз.
Бұл заттар спирттерде, бензинде, күкіртті көміртекте жақсы ериді. Ерітінділердің соңғы түрі жоғары жарылыс қаупіне ие. Жоғарыда аталған қосылыстардың балқу температурасы -90 °C (тетрасилан) пен -187 °C (трисилан) аралығында болады.
Алу
Si-ге радикалдардың қосылуы басқаша жүреді және бастапқы материалдың қасиеттеріне және синтездің жүру жағдайларына байланысты. Кейбіркремнийдің органикалық заттармен қосылыстарын тек ауыр жағдайларда жасауға болады, ал басқалары оңайырақ әрекеттеседі.
Силандық байланыстар негізінде кремнийорганикалық қосылыстарды алу алкил (немесе арил)-хлороксисиландардың (немесе алкоксисиландардың) гидролизі, содан кейін силанолдардың поликонденсациялануы арқылы жүзеге асырылады. Әдеттегі реакция төмендегі суретте көрсетілген.
Поликонденсация үш бағытта жүруі мүмкін: сызықтық немесе циклдік қосылыстардың түзілуімен, желілік немесе кеңістіктік құрылымның заттарын алумен. Циклдік полимерлер сызықтық аналогтарына қарағанда жоғары тығыздық пен тұтқырлыққа ие.
Макромолекулалық қосылыстардың синтезі
Органикалық шайырлар мен кремний негізіндегі эластомерлер мономерлердің гидролизі арқылы өндіріледі. Гидролиз өнімдері кейін қыздырылады және катализаторлар қосылады. Химиялық өзгерістер нәтижесінде су (немесе басқа заттар) бөлініп, күрделі полимерлер түзіледі.
Құрамында оттегі бар кремнийорганикалық қосылыстар көміртегі негізіндегі сәйкес қосылыстарға қарағанда полимерленуге бейім. Кремний, керісінше, 2 немесе одан да көп гидроксил тобын ұстай алады. Циклдік молекулалардан айқас байланысқан полимер молекулаларын құру мүмкіндігі негізінен органикалық радикалдың мөлшеріне байланысты.
Талдау
Кремнийорганикалық қосылыстарды талдау бірнеше бағытта жүргізіледі:
- Физикалық тұрақтыларды анықтау (балқу температурасы, қайнау температурасы және басқа сипаттамалар).
- Сапалық талдау. Лактардағы, майлардағы және шайырлардағы осы түрдегі қосылыстарды анықтау үшін зерттелетін үлгіні натрий карбонатымен балқытады, сумен экстракциялайды, содан кейін аммоний молибдатымен және бензидинмен өңдейді. Егер кремнийорганикалық бар болса, үлгі көк түске боялады. Анықтаудың басқа жолдары бар.
- Сандық талдау. Кремнийорганикалық қосылыстардың сапалық және сандық зерттеулері үшін инфрақызыл және эмиссиялық спектроскопия әдістері қолданылады. Басқа әдістер де қолданылады - золь-гельді талдау, масс-спектроскопия, ядролық магниттік резонанс.
- Толық физикалық және химиялық зерттеу.
Заттың оқшаулануын және тазартылуын алдын ала дайындаңыз. Қатты композициялар үшін қосылыстарды бөлу олардың әртүрлі ерігіштігі, қайнау температурасы және кристалдануы негізінде жүзеге асырылады. Химиялық таза органикалық кремний қосылыстарын оқшаулау көбінесе фракциялық айдау арқылы жүзеге асырылады. Сұйық фазалар бөлу шұңқырының көмегімен бөлінеді. Газдар қоспалары үшін төмен температурадағы абсорбция немесе сұйылту және фракциялау қолданылады.
Қолданба
Кремнийорганикалық қосылыстардың қолданылу аясы өте үлкен:
- техникалық сұйықтықтарды өндіру (майлау майлары, вакуумдық сорғыларға арналған жұмыс сұйықтықтары, вазелин, пасталар, эмульсиялар, көбік кетіргіштер және т.б.);
- химия өнеркәсібі - тұрақтандырғыштар, модификаторлар, катализаторлар ретінде пайдалану;
- бояу және лак өнеркәсібі - металл, бетон, шыны және басқа материалдар үшін ыстыққа төзімді, коррозияға қарсы жабындарды өндіруге арналған қоспалар;
- аэроғарыштық техника - пресс материалдары, гидравликалық сұйықтықтар, салқындатқыштар, мұздануға қарсы қоспалар;
- электротехника - шайырлар мен лактарды, интегралдық схемаларды қорғауға арналған материалдарды өндіру;
- машина жасау өнеркәсібі - резеңке бұйымдарын, қоспаларды, майлау материалдарын, тығыздағыштарды, желімдерді өндіру;
- жеңіл өнеркәсіп – тоқыма талшықтарын, былғары, былғарыдан жасалған модификаторлар; көбік кетіргіштер;
- фармацевтика өнеркәсібі - протездеуге, иммуностимуляторларға, адаптогендерге, косметикаға арналған материалдар өндірісі.
Мұндай заттардың артықшылығына әртүрлі жағдайларда: тропикалық және суық климатта, жоғары қысымда және вакуумда, жоғары температурада және радиацияда қолдануға болатындығы жатады. Олардың негізіндегі коррозияға қарсы жабындар -60 пен +550 °С температура диапазонында жұмыс істейді.
Мал
Кремнийорганикалық қосылыстарды мал шаруашылығында қолдану кремнийдің сүйек пен дәнекер тіндердің түзілуіне, зат алмасу процестеріне белсенді қатысуына негізделген. Бұл микроэлемент үй жануарларының өсуі мен дамуы үшін өте маңызды.
Көрсетілгендейзерттеулерге сәйкес, құс пен малдың рационына кремнийорганикалық заттары бар қоспаларды енгізу тірі салмақтың ұлғаюына, өлім-жітім мен өсу бірлігіне азықтық шығынның төмендеуіне, азот, кальций, фосфор алмасуының жоғарылауына ықпал етеді. Мұндай препараттарды сиырға қолдану акушерлік аурулардың алдын алуға да көмектеседі.
Ресейдегі өндіріс
Ресейдегі кремнийорганикалық қосылыстарды жасау бойынша жетекші кәсіпорын – GNIIChTEOS. Бұл кремний, алюминий, бор, темір және басқа да химиялық элементтер негізіндегі қосылыстарды өндірудің өнеркәсіптік технологияларын жасаумен айналысатын біріктірілген ғылыми орталық. Бұл ұйымның мамандары 400-ден астам кремнийорганикалық материалдарды әзірлеп, енгізді. Компанияда оларды өндіруге арналған тәжірибелік зауыт бар.
Алайда Ресей кремний негізіндегі органикалық қосылыстар өндірісін дамытудың жаһандық динамикасы бойынша басқа елдерден әлдеқайда төмен. Мәселен, соңғы 20 жылда Қытай өнеркәсібі бұл заттардың өндірісін шамамен 50 есеге, ал Батыс Еуропа 2 есеге арттырды. Қазіргі уақытта Ресейде кремнийорганикалық қосылыстарды өндіру KZSK-Silicon, «Алтайхимпром» АҚ, Редкинск пилоттық зауытында, «Химпром» АҚ (Чуваш Республикасы), «Силан» АҚ-да жүзеге асырылады.
