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SilaneDie Bezeichnung Silane steht nach den IUPAC-Regeln für eine Stoffgruppe chemischer Verbindungen, die aus einem Silicium-Grundgerüst und Wasserstoff bestehen. Ähnliche Stoffgruppen sind Germane und Alkane. Silane können einen verzweigten (iso- und neo-Silane) oder unverzweigten (n-Silane) Aufbau haben. Die allgemeine Summenformel dieser unter dem Oberbegriff Catenasilane zusammengefassten Verbindungen lautet SinH2n+2. Ringförmige Siliciumwasserstoff-Verbindungen nennt man Cyclosilane (allgemeine Summenformel: SinH2n). Weiteres empfehlenswertes Fachwissen
GeschichteFriedrich Wöhler hatte 1857 durch das Zersetzen von Silicium-haltigem Aluminium in Salzsäure erstmalig ein Silan hergestellt. Er hatte beobachtet, dass das bei dieser Reaktion frei werdende Wasserstoffgas mit einem anderen Stoff verunreinigt war. Zu dieser Schlussfolgerung kam er, da das entstandene Gas heftig mit dem Luftsauerstoff reagierte bzw. explodierte. Wasserstoff selbst reagiert nur bei erhöhter Temperatur oder in der Gegenwart von Katalysatoren (siehe dazu Knallgasprobe). 1902 wurde der Gedanke der Siliciumwasserstoffe wieder aufgegriffen. Henri Moissan gelang der Nachweis von Monosilan nach der Protolyse von Lithiumsilicid. Ab 1916 befasste sich Alfred Stock, Professor für anorganische Chemie in Karlsruhe, intensiv mit der Silanwasserstoffchemie. Er erhoffte sich, durch ähnliche Zersetzungen auch längerkettige, flüssige „Siliciumbenzine“ zu gewinnen. Mit Hilfe von Magnesiumsilicid (Mg2Si) und Säure war Stock zunächst bei der Darstellung der niederen gasförmigen Silane Monosilan, Disilan, Trisilan und Tetrasilan erfolgreich. Seither werden diese Silane als „Stock′sche Silane“ bezeichnet. Stock gab der gesamten Stoffgruppe zudem den allgemeinen Namen Silane. Alfred Stock entwarf zur Darstellung der Silane eine Glasapparatur, die das Arbeiten unter völligem Luftabschluss zuließ. Er benutzte einen Glaskolben, der halb mit wässriger Schwefelsäure gefüllt war, rührte diese Säure und schüttete das gemahlene, graue Magnesiumsilicid portionsweise dazu. Dabei zersetzte sich das Silicid unter Hitzeentwicklung und Bildung von gasförmigem Wasserstoff. Das frei gewordene Silicium reagierte mit einem Teil des Wasserstoffs unter Bildung von Siliciumwasserstoffgasen. Die Gase leitete Stock nun in eine Glasapparatur, die er von außen kühlte. Die Kühlung war so eingestellt, dass der Wasserstoff und das Monosilan nicht kondensieren konnten. Er erhoffte sich durch die Kühlung, dass eventuell entstandene, längerkettige Silane aufgrund ihrer höheren Siedepunkte kondensieren. Tatsächlich gelang es ihm, eine wasserklare Flüssigkeit zu gewinnen, die sich aus drei kettenförmigen Silanen zusammensetzte. Die weitere Derivatisierung dieser Verbindungen hatte jedoch keinen Erfolg. Die längerkettigen so genannten höheren Silane wurden seither als nicht darstellbar bezeichnet, weil die Handhabung bei Raumtemperatur nicht gelang. Im Juni 1968 ereignete sich bei Experimenten mit Silanen ein Explosionsunfall in einem Labor der Universität Köln. Seit 1970 ist die Synthese der höheren Silane möglich. Peter Plichta gelang als erstem die Herstellung höherwertiger Silane. Dabei entdeckte er entgegen der gängigen Lehrmeinung, dass die höheren Silane stabil, nicht mehr selbstentzündlich und damit handhabungssicher sind. Höhere Silane sind bei Zimmertemperatur in einfachen Tanks lagerfähig und haben eine hohe volumenbezogene Energiedichte. Im Unterschied zur Verbrennung von Kohlenstoff verbrennen die Siliciumketten mit Stickstoff bei hohen Temperaturen (über 1400 °C) zu Siliciumnitrid (Si3N4). Der Fokus der Forschung liegt unter anderem auf der Nutzung dieser Verbindungen als Treibstoff (Benzin aus Sand). NomenklaturDie Namensgebung erfolgt analog zu den Alkanen. Jeder Name endet mit dem Suffix -an. Ansonsten geht die Zahl der Siliciumatome als griechisches Zahlwort in die Benennung mit ein: Monosilan (ein Siliciumatom), Disilan (zwei Siliciumatome), Trisilan usw. Zur weiteren Differenzierung stellt man je nach Aufbau des Moleküls das Präfix n-, iso-, neo- oder cyclo- dem Verbindungsnamen voran. Struktur
KonstitutionsisomerieEnthält ein Silan vier oder mehr Siliciumatome, so sind unterschiedliche Anordnungen, genauer Konstitutionen, denkbar. Man spricht von Konstitutionsisomerie. Die Isomere unterscheiden sich durch verschiedene physikalische Kenndaten wie Schmelz- und Siedepunkte. Homologe Reihe der SilaneSilane sind die Silicium-Homologen der auf einem Kohlenstoff-Gerüst beruhenden Alkane. Es sind jedoch wesentlich weniger Silane herstellbar als es Kohlenwasserstoffe gibt. Die homologe Reihe der linearen, unverzeigten Silane ergibt sich aus der allgemeinen Formel H-(SiH2)n-H mit n = 1, 2, 3, ... Die einfachste Verbindung ist das so genannte Monosilan (SiH4), ein sich an Luft selbst entzündendes Gas.
Anmerkungen:
Isomere und cyclische SilaneÄhnlich wie bei Alkanen beobachtet man ab Tetrasilan (n = 4) auch bei den Silanen das Auftreten von Konstitutionsisomerie.
Höhere Silane thermolysieren bei etwa 300 °C zu Monosilan, Wasserstoff, Polysilanen und Polymerprodukten (SiH<2)x. Bei hohen Temperaturen erfolgt die Spaltung in die Elemente. Die Silane sind gegen Luft und wässriges Alkali instabil. EigenschaftenDie niedrigsten Silane - Monosilan und Disilan (Si2H6)- sind gasförmig. Ab Trisilan (Si3H8) nehmen die Silane einen flüssigen Aggregatzustand ein. Dekasilan (Si10H22) ist ein Feststoff. Chemische ReaktionenSilane sind im Gegensatz zu den homologen Alkanen sehr instabil. Sie sind nur unter Luftabschluss synthetisierbar. Die niedrigen Silane, das heißt die Silane mit ein bis vier Siliciumatomen, sind sehr unbeständig und können sich an der Luft selbst entzünden, explodieren und spontan zu Siliciumdioxid und Wasser verbrennen.
Die Reaktivität nimmt mit zunehmender Kettenlänge ab. Schon Pentasilan reagiert nicht mehr selbstständig mit dem Sauerstoffanteil der Luft. Ab Heptasilan sind Silane nicht mehr spontan selbstentzündlich. Bei 300 °C findet bei den höheren Silanen ein Thermolyse statt. Sie zerfallen in Monosilan, Polysilane und andere Polymerprodukte ((SiH<2)x). Höhere Temperaturen führen zum Zerfall in die Elemente. Eine ungewöhnliche Eigenschaft der Silane ist, dass sie bei hohen Temperaturen von etwa 1900 °C auch mit dem Stickstoff in der Luft zu Siliciumnitrid und Wasser reagieren, wobei sehr viel Energie frei wird. Im folgenden errechneten Beispiel wird (iso- oder n)-Heptasilan verbrannt (Das Wasser der Silicium-Dispersion geht hier keine chemische Bindung ein):
Wenn man also (Iso-/n-)Heptasilan als Kraftstoff einsetzen würde, entstehen pro 100 kg Silan (+ 224,45 kg dispergiertem Silicium) 527,57 kg Siliciumnitrid und 67,75 kg Wasser (zzgl. ca. 143,97 kg Wasser aus der Dispersion). Das stöchiometrische Kraftstoffverhältnis Silan:Luft beträgt ~ 1:2,7087. In Wasser bei einem pH-Wert oberhalb von 7 zersetzen sich Silane zu Kieselsäure und Wasserstoff:
Gewinnung und DarstellungDarstellbar sind die Silane in Form des so genannten Rohsilan-Gemisches mittels Zersetzung von Magnesiumsilicid (Mg2Si) unter sauren Bedingungen und Luftausschluss. Die gezielte Synthese von Monosilan ist nach der Methode von Sundermeyer in einer Salzschmelze als Reaktionsmedium möglich. Die Ausgangssubstanzen sind Tetrachlorsilan und als Wasserstoffdonator Lithiumhydrid:
Trisilan und höhere Silane sind in guter Ausbeute aus Monosilan mit Hilfe einer elektrischen Entladung zugänglich. Je nach Synthesebedingungen entstehen unter anderem Polysilen (SiH2)∞, das Silicium-Homologe zu den Alkenen, bzw. Polysilin (SiH)∞ (vergleiche dazu Alkine). Auch Verbindungen mit dazwischen liegender Stöchiometrie ((SiHn)∞, 1 ≤ n ≤ 2) und ringförmige Oligo- sowie Polysilane sind möglich. Synthetisierung nach Müller-RochowDie modifizierte Müller-Rochow-Synthese besteht aus 4 Schritten.
Chemietechnisch wird dieses iso-Heptasilan zu einem reinen Heptasilan (Si7H16) umgewandelt.
Derivate der SilaneDerivate (Abkömmlinge) der Silane entstehen formal durch Austausch (Substitution) der Wasserstoffatome durch Halogene, Sauerstoff, Stickstoff und Kohlenstoff bzw. diese Elemente enthaltene Gruppen. Zu nennen sind hier die Chlorsilane Monochlorsilan (SiH3Cl), Dichlorsilan (SiH2Cl2), Trichlorsilan (SiHCl3) und Tetrachlorsilan (SiCl4). Ersetzt man den Wasserstoff in den Silanen durch organische Reste, so erhält man Silicium-organische-Verbindungen, die nach IUPAC als Derivate des Siliciums aufgefasst werden. Wichtige weitere Verbindungen sind substituierte Silane, wie das chemisch weitgehend inerte Tetramethylsilan, sowie die Reihe der Chlormethylsilane, insbesondere das Dichlordimethylsilan, welche als Ausgangsprodukte für die Silikon-Herstellung dienen. Im Vergleich zu den entsprechenden Kohlenstoff-Verbindungen sind nur noch die Silanole und Siloxane nennenswerte stabile Silicium-Verbindungen. VerwendungTrichlorsilan ist ein Zwischenprodukt zur Herstellung von hochreinem Silicium für integrierte Schaltkreise (Microchips). Aus Chlorsilanen und Chloralkylsilanen lassen sich durch Umsetzung in einer Knallgasflamme so genannte pyrogene Kieselsäuren erzeugen, ein wichtiger Füllstoff für Kunststoffe. Spezielle als funktionelle Organosilane bezeichnete Silane verwendet man zur Oberflächenfunktionalisierung, die auch kurz als Silanisierung bezeichnet wird. Vielleicht finden Silane in Zukunft auch Verwendung als Treibstoff. Quellen und Fußnoten
Kategorien: Stoffgruppe | Silan |
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Dieser Artikel basiert auf dem Artikel Silane aus der freien Enzyklopädie Wikipedia und steht unter der GNU-Lizenz für freie Dokumentation. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar. |