المواد العضوية القائمة على السيليكون هي مجموعة كبيرة من المركبات. الاسم الثاني الأكثر شيوعًا بالنسبة لهم هو السيليكون. يتزايد نطاق مركبات السيليكون العضوي باستمرار. يتم استخدامها في جميع مجالات النشاط البشري تقريبًا - من الملاحة الفضائية إلى الطب. المواد التي تعتمد عليها لها صفات فنية واستهلاكية عالية.
مفهوم عام
مركبات السيليكون العضوي هي مركبات يوجد فيها ارتباط بين السيليكون والكربون. قد تحتوي أيضًا على عناصر كيميائية إضافية (الأكسجين والهالوجينات والهيدروجين وغيرها). في هذا الصدد ، تتميز هذه المجموعة من المواد بمجموعة متنوعة من الخصائص والتطبيقات. على عكس المركبات العضوية الأخرى ، تتمتع مركبات السيليكون العضوي بخصائص أداء أفضل وسلامة أعلى لصحة الإنسان عند الحصول عليها وعند استخدام العناصر ،مصنوعة منهم.
بدأت دراستهم في القرن التاسع عشر. كان رباعي كلوريد السيليكون هو أول مادة مركبة. في الفترة من العشرينيات إلى التسعينيات من القرن نفسه ، تم الحصول على العديد من المركبات من هذا النوع: السيلانات ، والإيثرات ، والإسترات البديلة لحمض الأورثوسيليك ، والألكيل كلوروسيلان ، وغيرها. أدى تشابه بعض خصائص السيليكون والمواد العضوية العادية إلى تكوين فكرة خاطئة مفادها أن مركبات السيليكون والكربون متطابقة تمامًا. أثبت الكيميائي الروسي د. آي مينديليف أن الأمر ليس كذلك. كما أثبت أن مركبات السيليكون والأكسجين لها بنية بوليمرية. هذا ليس نموذجيًا للمواد العضوية ، حيث يوجد رابط بين الأكسجين والكربون.
التصنيف
تحتل مركبات السيليكون العضوي موقعًا وسيطًا بين العضوي والفلزي العضوي. من بينها ، تتميز مجموعتان كبيرتان من المواد: الوزن الجزيئي المنخفض والوزن الجزيئي العالي.
في المجموعة الأولى ، تعمل هيدروجين السليكون كمركبات أولية ، والباقي هي مشتقاتها. وتشمل هذه المواد التالية:
- silanes ومثيلاتها (disilane ، trisilane ، tetrasilane) ؛
- السيلانات المستبدلة (بوتيل سيلان ، ثلاثي بوتيل سيلان ، أيزوبوتيسيلاني) ؛
- إيثرات حمض الأورثوسيليك (tetramethoxysilane ، dimethoxydiethoxysilane) ؛
- هالويستر لحمض أورثوسيليك (ثلاثي ميثوكسيكلوروسيلان ، ميثوكسي إيثوكسيديكلوروسيلاني) ؛
- الاسترات المستبدلة لحمض الأورثوسيليك (ميثيل ترايثوكسيسيلاني ، ميثيل فينيل ديثوكسيسيلاني) ؛
- الكيل- (أريل) -الوسيلانيس (فينيل تريكلوروسيلان) ؛
- مشتقات الهيدروكسيل من السيلانات العضوية(ثنائي هيدروكسي إيثيل سيلان ، هيدروكسي ميثيل إثيل فينيل سيلان) ؛
- alkyl- (aryl) -aminosilanes (diaminomethylphenylsilane، methylaminotrimethylsilane) ؛
- ألكوكسي- (أريلوكسي) -امينوسيلانيس ؛
- ألكيل- (أريل) -امينوهالوسيلانيس ؛
- ألكيل- (أريل) -يمينوسيلانيس ؛
- أيزوسيانات وثيو أيزوسيانات وثيوثيرات السيليكون.
مركبات السليكون العضوي ذات الوزن الجزيئي العالي
أساس تصنيف المركبات العضوية الجزيئية هو بوليمر السيليكون الهيدروجين ، ويظهر الرسم التخطيطي الهيكلي في الشكل أدناه.
المواد التالية تنتمي إلى هذه المجموعة:
- ألكيل- (أريل) -بوليسيلان ؛
- organopolyalkyl- (polyaryl) -silanes ؛
- polyorganosiloxanes ؛
- polyorganoalkylene- (فينيلين) -سيلوكسانات ؛
- polyorganometallosiloxanes؛
- بوليمرات سلسلة metalloidsilane.
الخصائص الكيميائية
نظرًا لأن هذه المواد شديدة التنوع ، فمن الصعب إنشاء أنماط عامة تميز الرابطة بين السيليكون والكربون.
أكثر الخصائص المميزة لمركبات السيليكون العضوي هي:
- يتم تحديد مقاومة درجات الحرارة المرتفعة بنوع وحجم الجذر العضوي أو المجموعات الأخرى المرتبطة بذرة Si. السيلانات المستبدلة الرباعية لديها أعلى ثبات حراري. يبدأ تحللها عند درجة حرارة 650-700 درجة مئوية. يتم تدمير Polydimethylsiloxylanes عند درجة حرارة 300 درجة مئوية. يتحلل رباعي إيثيل سيلان وهكسا إيثيل ديسيلان عند التسخين لفترات طويلة عند درجة حرارة 350 درجة مئوية ،في هذه الحالة ، يتم التخلص من 50٪ من جذر الإيثيل ويتم إطلاق الإيثان.
- تعتمد المقاومة الكيميائية للأحماض والقلويات والكحول على بنية الجذور التي ترتبط بذرة السيليكون وجزيء المادة بأكمله. لذلك ، لا يتم تدمير رابطة الكربون مع السيليكون في الإسترات الأليفاتية المستبدلة عند تعريضها لحمض الكبريتيك المركز ، بينما في الإسترات المختلطة الألكيل (أريل) المستبدلة ، تحت نفس الظروف ، يتم شق مجموعة فينيل. روابط السيلوكسان لها قوة عالية أيضًا.
- مركبات السيليكون العضوي مقاومة نسبيًا للقلويات. تدميرها يحدث فقط في ظروف قاسية. على سبيل المثال ، في polydimethylsiloxanes ، يتم ملاحظة انقسام مجموعات الميثيل فقط في درجات حرارة أعلى من 200 درجة مئوية وتحت الضغط (في الأوتوكلاف).
خصائص المركبات الجزيئية
هناك عدة أنواع من المواد الجزيئية القائمة على السيليكون:
- أحادية الوظيفة ؛
- مختلفة ؛
- ثلاثي الوظائف ؛
- رباعي.
بدمج هذه المركبات تحصل على:
- مشتقات disiloxane ، والتي غالبًا ما تكون مركبات سائلة ؛
- البوليمرات الحلقية (السوائل الزيتية) ؛
- اللدائن (بوليمرات ذات بنية خطية تتكون من عدة عشرات الآلاف من المونومرات ووزن جزيئي كبير) ؛
- بوليمرات ذات بنية خطية ، وفيها مجموعات نهائيةمحجوبة بجذور عضوية (زيوت).
الراتنجات ذات نسبة جذور الميثيل إلى السيليكون 1.2-1.5 هي مواد صلبة عديمة اللون.
الخصائص التالية نموذجية لمركبات السيليكون العضوية عالية الجزيئية:
- مقاومة الحرارة ؛
- كره الماء (مقاومة اختراق الماء) ؛
- أداء عازل عالي ؛
- الحفاظ على قيمة لزوجة ثابتة على نطاق واسع من درجات الحرارة ؛
- الاستقرار الكيميائي حتى في وجود المؤكسدات القوية
الخصائص الفيزيائية للسيلانات
نظرًا لأن هذه المواد غير متجانسة للغاية في التركيب والتركيب ، فإننا نقتصر على وصف مركبات السيليكون العضوي لواحدة من أكثر المجموعات شيوعًا - silanes.
Monosilane و disilane (SiH4و Si2H4على التوالي) في الوضع الطبيعي الظروف هي غازات لها رائحة كريهة. في حالة عدم وجود الماء والأكسجين ، فهي مستقرة كيميائيًا.
Tetrasilane و trisilane من السوائل السامة المتطايرة. Pentasilane و hexasilane سامة وغير مستقرة كيميائياً.
تذوب هذه المواد جيدًا في الكحوليات والبنزين وثاني كبريتيد الكربون. يحتوي النوع الأخير من الحلول على مخاطر شديدة الانفجار. تتراوح درجة انصهار المركبات المذكورة أعلاه من -90 درجة مئوية (تتراسيلان) إلى -187 درجة مئوية (تريسيلان).
تلقي
تتم إضافة الجذور إلى Si بشكل مختلف وتعتمد على خصائص مادة البداية والظروف التي يحدث فيها التوليف. بعضلا يمكن تصنيع مركبات السيليكون التي تحتوي على مواد عضوية إلا في ظل ظروف قاسية ، بينما يتفاعل البعض الآخر بسهولة أكبر.
يتم الحصول على مركبات السليكون العضوي على أساس روابط السيلان عن طريق التحلل المائي للألكيل (أو الأريل) - كلوروكسيسيلان (أو ألكوكسيسيلان) متبوعًا بتكثيف السيلانول المتعدد. يظهر رد فعل نموذجي في الشكل أدناه.
يمكن أن يستمر التكاثف المتعدد في ثلاثة اتجاهات: مع تكوين مركبات خطية أو حلقية ، مع الحصول على مواد شبكة أو بنية مكانية. البوليمرات الحلقية لها كثافة ولزوجة أعلى من نظيراتها الخطية.
توليف المركبات الجزيئية
يتم إنتاج الراتنجات العضوية واللدائن المصنوعة من السيليكون عن طريق التحلل المائي للمونومرات. يتم بعد ذلك تسخين منتجات التحلل المائي وإضافة المحفزات. نتيجة للتحولات الكيميائية ، يتم إطلاق الماء (أو المواد الأخرى) وتتشكل البوليمرات المعقدة.
تعتبر مركبات السيليكون العضوي التي تحتوي على الأكسجين أكثر عرضة للبلمرة من مركباتها الكربونية المقابلة. على النقيض من ذلك ، فإن السيليكون قادر على حمل مجموعتين أو أكثر من مجموعات الهيدروكسيل. تعتمد إمكانية تكوين جزيئات بوليمر متصالبة من الجزيئات الحلقية بشكل أساسي على حجم الجذر العضوي.
تحليل
يتم إجراء تحليل مركبات السيليكون العضوي في عدة اتجاهات:
- تحديد الثوابت الفيزيائية (نقطة الانصهار ، نقطة الغليان وخصائص أخرى).
- التحليل النوعي. للكشف عن مركبات من هذا النوع في الورنيش والزيوت والراتنجات ، يتم دمج عينة الاختبار مع كربونات الصوديوم ، ثم يتم استخلاصها بالماء ، ثم معالجتها بموليبدات الأمونيوم والبنيزيدين. في حالة وجود السيليكون العضوي ، تتحول العينة إلى اللون الأزرق. هناك طرق أخرى للكشف.
- التحليل الكمي. لكل من الدراسات النوعية والكمية لمركبات السيليكون العضوي ، يتم استخدام طرق الأشعة تحت الحمراء والتحليل الطيفي للانبعاثات. يتم استخدام طرق أخرى أيضًا - تحليل sol-gel ، والتحليل الطيفي الشامل ، والرنين المغناطيسي النووي.
- دراسة فيزيائية وكيميائية مفصلة.
إنتاج مسبق لعزل وتنقية المادة. بالنسبة للتركيبات الصلبة ، يتم فصل المركبات على أساس قابليتها للذوبان المختلفة ونقطة الغليان والتبلور. غالبًا ما يتم عزل مركبات السيليكون العضوية النقية كيميائياً عن طريق التقطير التجزيئي. يتم فصل المراحل السائلة باستخدام قمع الفصل. بالنسبة لمخاليط الغازات ، يتم استخدام الامتصاص أو التسييل عند درجات حرارة منخفضة والتجزئة.
التطبيق
نطاق مركبات السيليكون العضوي كبير جدًا:
- إنتاج السوائل التقنية (زيوت التشحيم ، سوائل العمل لمضخات التفريغ ، هلام البترول ، المعاجين ، المستحلبات ، مزيل الرغوة وغيرها) ؛
- صناعة كيميائية - تستخدم كمثبتات ، ومعدلات ، ومحفزات ؛
- صناعة الطلاء والورنيش - مواد مضافة لصناعة الطلاءات المقاومة للحرارة والمضادة للتآكل للمعادن والخرسانة والزجاج وغيرها من المواد ؛
- هندسة الطيران - مواد الضغط ، السوائل الهيدروليكية ، المبردات ، المركبات المضادة للجليد ؛
- الهندسة الكهربائية - إنتاج الراتنجات والورنيشات ، ومواد لحماية الدوائر المتكاملة ؛
- الصناعة الهندسية - إنتاج منتجات المطاط والمركبات ومواد التشحيم ومانعات التسرب والمواد اللاصقة ؛
- الصناعات الخفيفة - معدلات ألياف النسيج والجلود والجلد ؛ مزيل الرغوة ؛
- صناعة المستحضرات الصيدلانية - إنتاج مواد للأطراف الصناعية ، ومنشطات المناعة ، ومُحَوِلات التكيّف ، ومستحضرات التجميل.
تشمل مزايا هذه المواد حقيقة أنه يمكن استخدامها في مجموعة متنوعة من الظروف: في المناخات الاستوائية والباردة ، تحت ضغط عالٍ وفي فراغ ، في درجات حرارة عالية وإشعاع. يتم تشغيل الطلاءات المضادة للتآكل المبنية عليها في درجات حرارة تتراوح من -60 إلى +550 درجة مئوية.
الثروة الحيوانية
يعتمد استخدام مركبات السيليكون العضوي في تربية الحيوانات على حقيقة أن السيليكون يشارك بنشاط في تكوين العظام والأنسجة الضامة وعمليات التمثيل الغذائي. يعد عنصر التتبع هذا أمرًا حيويًا لنمو الحيوانات الأليفة وتطورها.
كما هو موضحالدراسات ، فإن إدخال إضافات مع مواد السليكون العضوي في النظام الغذائي للدواجن والماشية يساهم في زيادة الوزن الحي ، وانخفاض في معدل النفوق وتكاليف العلف لكل وحدة نمو ، وزيادة في التمثيل الغذائي للنيتروجين والكالسيوم والفوسفور. كما يساعد استخدام مثل هذه الأدوية في الأبقار في الوقاية من أمراض الولادة.
الإنتاج في روسيا
المؤسسة الرائدة في تطوير مركبات السيليكون العضوي في روسيا هي GNIIChTEOS. هو مركز علمي متكامل يعمل على ابتكار التقنيات الصناعية لتصنيع المركبات القائمة على السيليكون والألمنيوم والبورون والحديد وعناصر كيميائية أخرى. طور المتخصصون في هذه المنظمة وقدموا أكثر من 400 مادة من السيليكون العضوي. تمتلك الشركة مصنعًا تجريبيًا لإنتاجها.
ومع ذلك ، فإن روسيا في الديناميات العالمية لتطوير إنتاج المركبات العضوية القائمة على السيليكون هي أدنى بكثير من البلدان الأخرى. لذلك ، على مدار العشرين عامًا الماضية ، زادت الصناعة الصينية من إنتاج هذه المواد بنحو 50 ضعفًا ، وزادت أوروبا الغربية - بمقدار الضعف. في الوقت الحاضر ، يتم إنتاج مركبات السيليكون العضوي في روسيا في KZSK-Silicon ، JSC Altaihimprom ، في Redkinsky Pilot Plant ، JSC Khimprom (Chuvash Republic) ، JSC Silan.
