Кіріспе
Кремний қосылыстары - элемент кремнийді (Si) құрайтын қосылыстар. Көміртек тобының элементі ретінде кремний көбінесе +4 тотығу күйінде қосылыстар түзеді, бірақ көптеген ерекше қосылыстар табылды, олар оның валентті электрондарына негізделген күтуден ерекшеленеді, соның ішінде силицидтер мен кейбір силандар. Металл силицидтерін, кремний галоидтарын және ұқсас органикалық емес қосылыстарды элементтік кремнийді немесе кремний диоксидін тұрақты металдармен немесе галогендермен тікелей реакциялай отырып дайындауға болады. Силион мен сутегінің қосылыстары силандар жиі күшті редуктор ретінде қолданылады және алюминий-силион қорытпалары мен тұз қышқылынан дайындалуы мүмкін. Кремний және күкірт пен азот сияқты басқа да металл емес заттардан бірнеше органикалық емес қосылыстар пайда болды; бұл қосылыстардың көпшілігі сумен өте үйлеспейді. Силицил карбиді ең пайдалы және сәтті сатылатын органикалық емес кремний қосылыстарының бірі болып табылады. Табиғи түрде кремний силикат және алюминосиликат минералдарда кездеседі. Жер қыртысында кездесетін ең көп таралған кремний қосылыстарының бірі кремний диоксиді немесе кремний қышқылы, ол көбінесе кварц түрінде кездеседі. Органосиликатты қосылыстар СиС байланысының СС байланысына ұқсастығы бойынша өте тұрақты. Органосиликаттарға силикон полимерлері жатады.
Silicon compounds are compounds containing the element silicon (Si). As a carbon group element, silicon often forms compounds in the +4 oxidation state, though many unusual compounds have been discovered that differ from expectations based on its valence electrons, including the silicides and some silanes. Metal silicides, silicon halides, and similar inorganic compounds can be prepared by directly reacting elemental silicon or silicon dioxide with stable metals or with halogens. Silanes, compounds of silicon and hydrogen, are often used as strong reducing agents, and can be prepared from aluminum–silicon alloys and hydrochloric acid. Several inorganic compounds have been formed with silicon and other nonmetals such as sulfur and nitrogen; most of these compounds are highly incompatible with water. One of the most useful and successfully marketed inorganic silicon compounds is silicon carbide. Naturally occurring silicon is found in silicate and aluminosilicate minerals. One of the most common silicon compounds found in the Earth's crust is silicon dioxide or silica, which often occurs as quartz. Organosilicon compounds are fairly stable due to the similarity in strength of the Si–C bond to the C–C bond. Organosilicates include silicone polymers.
Галоидтар
Кремний және кремний карбиді барлық төрт тұрақты галогендермен тез реакцияға түсіп, түссүз, реактивті және ұшқыш кремний тетрахалидтерін құрайды. Кремний тетрафторлы да басқа кремний галоидтарын фторлау арқылы жасалуы мүмкін және гидрофтор қышқылының шыныға шабуылдауымен алынады. Кремний тетрафторлы қышқылының гидрофтор қышқылының артық мөлшеріне реакциясы SiF62 октаэдрлік гексафторсиликат анионын береді. Таза кремний кристалдары табиғатта өте сирек кездеседі, бірақ ерекше ерекшелігі - Курил аралдарының бірі Итуруптағы Кудрявы жанартауынан газды іріктеу кезінде 0,3 мм диаметрдегі кристалдар. Силикат және алюминосиликат минералдарының құрылымы әр түрлі және стехиометриясы әр түрлі, бірақ оларды кейбір жалпы принциптерге сәйкес жіктеуге болады. Тетраэдрлі SiO2 элементтері 4 осы қосылыстардың бәріне бірдей, я дискретті құрылым ретінде, не бұрыштағы оттегі атомдарын бөлісу арқылы үлкен бірліктермен біріктірілген. Оларды незосиликаттарға (дискретті SiO2уақыт4 бірліктері) бөлуге болады, оларда оттегі атомдары жоқ, серосиликаттар (дискретті SiO2уақыт7 бірліктері) бір атомды бөліседі, циклосиликаттар (жабық сақиналы құрылымдар) және иносиликаттар (толықсыз тізбекті немесе таспалы құрылымдар) екеуі де екі атомды бөліседі, филосиликаттар (толықсыз табақтар) үш атомды бөліседі және тектосиликаттар (толықсыз үш өлшемді құрылымдар) төрт атомды бөліседі. Нәтижесінде пайда болатын оттегі атомдарының торлары әдетте тығыз жиналған немесе оған жақын болады, ал зарядты өлшемге сәйкес әртүрлі көпбұрышты жерлерде басқа катиондар тепе-теңдейді. Ортосиликаттар MSiO (M = Be, Mg, Mn, Fe, Zn) және незосиликаттар болып табылады. (фенацит) ерекше, өйткені BeII және SiIV тетраэдрлік төрт координаттанған орындарды алады; басқа дивалентті катиондар алты координаттанған октаэдрлік орындарды алады және жиі оливин, циркон, , стехиометрияға байланысты және олардың үлкен иондық радиусы (84 pm) болғандықтан ZrIV катиондарының сегіз координациясын талап етеді. Сонымен қатар, [MM ((SiO)) ] гранат та маңызды, онда еківалентті катиондар (мысалы, Ca, Mg, Fe) сегіз үйлестірілген, ал үшваленттілер алты үйлестірілген (мысалы, Al, Cr, Fe). Тұрақты үйлестіру әрқашанда кездеспейді: мысалы, ол CaII үшін алты және сегіз координаттық сайттарды араластыратын , табылмайды. Дискретті қос немесе үш тетраэдрлік бірліктерді қамтитын соросиликаттар өте сирек кездеседі: бұрыштағы тетраэдрлердің циклдік 2n− бірліктерін қамтитын метасиликаттар да белгілі. Сиоксидті метасиликаттар тізбекті, {SiO}, байланысты SiO4 тетраэдрлердің шексіз тізбектерін бөлісу арқылы қалыптасады. Көптеген айырмашылықтар тетраэдр сызығы бойынша конформацияның қайталану қашықтығының әртүрлі болуына байланысты пайда болады. Пироксен минералдарының көпшілігінде сияқты екі қайталану арақашықтығы жиі кездеседі, бірақ бір, үш, төрт, бес, алты, жеті, тоғыз және он екі қайталану арақашықтығы да белгілі. Бұл тізбектер бір-бірімен қос тізбектер мен ленталар құрауы мүмкін, мысалы асбест минералдарында циклдік тетраэдрлік сақиналардың қайталанатын тізбектері бар. Сатылы силикаттар, мысалы, балшық минералдар мен микалар өте кең таралған және көбінесе метасиликат тізбектерінің көлденең қиылысуымен немесе кішігірім бірліктердің жазықтықтағы конденсациясы арқылы қалыптасады. Мысал ретінде каолинитті аламыз []; көптеген осы минералдарда катион мен анион алмасуы жиі кездеседі, мысалы, тетраэдрлік SiIV-ді AlIII, октаэдрлік AlIII-ді MgII және үш өлшемді аллюминосиликаттармен алмастыруға болады. Олар құрылымы жағынан өте күрделі; оларды құрылымнан бастау ретінде қарастыруға болады, бірақ SiIV атомдарының жартысына дейін AlIII-мен алмастырылғаннан кейін, олар зарядты теңестіру үшін құрылымына көбірек катиондарды қосуды талап етеді. Мысалы, фельдспаттар (Жер бетіндегі ең көп таралған минералдар), цеолиттер және ультрамариндар. Көптеген фельдспаттарды үштік жүйенің бөлігі ретінде қарастыруға болады. Олардың торлары жоғары қысыммен жойылады, бұл AlIII-ді төрт координациядан гөрі алты координацияға ұшырауға мәжбүр етеді. Фельдспаттарды жоятын бұл реакция Мохоровичич үздіксіздігінің себебі болуы мүмкін, бұл қабық пен мантияның химиялық құрамы бірдей, бірақ торлары әртүрлі, бірақ бұл жалпыға бірдей көзқарас емес. Зеолиттерде көп полиэдрлі қуыстар бар (кесілген кубоктаэдрлер ең көп таралған, бірақ басқа полиэдрлер де зеолит қуыстары деп аталады), бұл оларға құрылымына су сияқты еріген байланған молекулаларды қосуға мүм...
Органикалық кремний қосылыстары
SiC байланысының беріктігі CC байланысына жақын болғандықтан, органосиликатты қосылыстар термикалық және химиялық жағынан тұрақты болады. Мысалы, тетрафенилсилан 428 °C қайнау температурасында да, оның орнына 378 °C және 305 °C қайнау температурасында қайнаған Ph3SiCl және , демалыстары ауада дистильденуі мүмкін. Сонымен қатар, көміртек пен кремний химиялық конгенерлер болғандықтан, органосиликандар химиясы көміртек химиясымен кейбір маңызды ұқсастықтарды көрсетеді, мысалы, мұндай қосылыстардың катенцияға бейімдігі және бірнеше байланыстарды қалыптастыруы. Алайда, маңызды айырмашылықтар да пайда болады: кремний көміртекке қарағанда электропозитивті болғандықтан, көбірек электронегативті элементтермен байланыстар кремнийге қарағанда көміртекке қарағанда күштірек болады және керісінше. Осылайша SiF байланысы CF байланысынан әлдеқайда күшті және ең күшті жеке байланыстардың бірі, ал SiH байланысы CH байланысынан әлдеқайда әлсіз және оңай бұзылады. Сонымен қатар, кремнийдің октетті кеңейту қабілеті көміртекпен бөліспейді, сондықтан кейбір органосиликаттық реакциялардың органикалық аналогтары жоқ. Мысалы, кремнийге нуклеофильдік шабуыл SN2 немесе SN1 процестері арқылы жүргізілмейді, бірақ керісінше теріс зарядталған шынайы пентакоординат аралық арқылы өтеді және кедергі келтірілген үшінші атомдағы алмастыру сияқты көрінеді. Бұл көміртекке қарағанда кремний үшін жұмыс істейді, өйткені ұзын SiC байланыстары стерикалық кедергілерді азайтады және нуклеофилдік шабуыл үшін геометриялық шектеулер жоқ, мысалы CO σ* антибайланыс орбиталынан айырмашылығы. Дегенмен, осы айырмашылықтарға қарамастан, тетікті қарапайымдылық үшін "силицинде SN2" деп атайды. Кремнийді құрайтын ең пайдалы топтардың бірі - триметилсилил, Me3Si. Силицидті молекуланың қалған бөлігімен байланыстыратын SiC байланысы жеткілікті күшті, ол молекуланың қалған бөлігі реакцияға ұшыраған кезде қалады, бірақ қажет болған кезде оны арнайы алып тастауға болмайды, мысалы, фтор ионымен, ол көміртек қосылыстары үшін өте әлсіз нуклеофил, бірақ органосилицидтік қосылыстар үшін өте күшті. Оны қышқыл протондармен салыстыруға болады; триметилсилил негіздердің орнына қатты нуклеофилдер арқылы алынады, екі алу да әдетте жоюды ынталандырады. Жалпы ереже бойынша, қаныққан көміртекке нейтралды қосылыстар, периодтық кестеде төменгі металл емес заттарға негізделгендер (мысалы, күкірт, селен немесе йод) немесе тіпті екеуі де, силиконға ең жақсы зарядталған нуклеофилдер, әсіресе оттегі, фтор немесе хлор сияқты жоғары электронегативті металл емес заттар қатысатын нуклеофилдер шабуыл жасайды. Мысалы, энолаттар галоалкандардағы көміртекте, бірақ силилхлоридтердегі оттекте реакцияға түседі; және триметилсилилді гидроксидті нуклеофил ретінде пайдалана отырып, органикалық молекуладан алып тастағанда, реакция нәтижесі силанол емес, өйткені көміртегі химиясын аналогия ретінде пайдаланудан күтуге болады, өйткені силоксид қатты нуклеофилді және бастапқы молекулаға шабуыл жасап, силил эфирі гексаметилдизилоксанын береді. Керісінше, SN2 реакциясына көміртектегі оң зарядтың (δ+) жартылай болуы әсер етпейді, ал кремнийдегі ұқсас "SN2" реакциясы әсер етеді. Мысалы, силил трифлаттары электрофилді болып, силил хлоридтерінен 108 - 109 есе тез оттегі бар нуклеофилдермен реакцияға түседі. Триметилсилил трифлат, әсіресе, өте жақсы Льюис қышқылы болып табылады және карбонил қосылыстарын ацеталдар мен силилэнол эфирлеріне айналдыру үшін қолданылады, оларды альдоль реакциясына ұқсас реакцияға енгізеді. SiC байланыстары әдетте үш жолмен қалыптасады. Зертханада дайындалу көбінесе тетрахлорозиланды (силикон тетрахлориді) органолитий, Гринард немесе органоалюминий реагенттерімен немесе SiH-ны C=C қос байланыстары арқылы каталитикалық қосу арқылы реакцияға қосу арқылы жүргізіледі. Екінші жолдың ең маңызды силандарға, метил және фенил силандарға қолданылмайтын кемшілігі бар. Органосиландар өнеркәсіптік түрде, катализатор ретінде 10% салмақты металл мыс қосылған, алкил немесе арил галоидтарын кремниймен тікелей реакциялай отырып жасалады. Стандартты органикалық реакциялар көптеген туындыларды өндіруге жеткілікті; алынған органосиландар көбінесе көміртек конгенерлеріне қарағанда айтарлықтай реактивті, гидролиз, аммонолиз, алкоголиз және конденсациядан тез өтіп, циклдік олигомерлер немесе сызықтық полимерлер түзеді.
Силикон полимерлері
"Силикон" сөзін алғаш рет Фредерик Киппинг 1901 жылы қолданған. Ол Ph2SiO және бензофенон, Ph2CO арасындағы химиялық формулалардың ұқсастығын көрсету үшін сөзді ойлап тапты, бірақ ол Ph2SiO-ның полимерлік құрылысына байланысты химиялық ұқсастықтың жоқтығын атап өтті, ол Ph2CO-да жоқ. Силиконды минералды силикаттарға ұқсас деп қарастыруға болады, онда силиконның метил топтары силикаттардың изоэлектрондық <-ға сәйкес келеді. Олар экстремалды температураға, тотығуға және суға өте тұрақты, сондай-ақ пайдалы диэлектрлік, жабысқақ және көбікке қарсы қасиеттерге ие. Сонымен қатар, олар ультрафиолет сәулеленуіне және ауа райына ұзақ уақыт бойы төзімді, сондай-ақ физиологиялық тұрғыдан инертті. Олар реакцияға мүлдем қатысы жоқ, бірақ гидроксид ионын және фторландыратын заттарды қамтитын концентрацияланған ерітінділермен реакцияға түседі және кейде тіпті селективті синтездер үшін жұмсақ реагенттер ретінде қолданылуы мүмкін. Мысалы, молибден және вольфрам оксигалидтерінің туындыларын дайындау үшін құнды, дихлороэтан ерітіндісіндегі вольфрам гексахлоридінің суспензиясын бөлме температурасында бір сағаттан аз уақыт ішінде, содан кейін жеңіл мұнайда 100 °C-да сары түске айналдырып, бір түн ішінде 95% өнімділікке айналдырады.