Els orgànics a base de silicona són un gran grup de compostos. El segon nom més comú per a ells és silicones. L'abast dels compostos organosilici està en constant creixement. S'utilitzen en gairebé totes les àrees de l'activitat humana, des de l'astronàutica fins a la medicina. Els materials basats en ells tenen qualitats tècniques i de consum elevats.
Concepte general
Els compostos organosilici són compostos en què hi ha un enllaç entre el silici i el carboni. També poden contenir altres elements químics addicionals (oxigen, halògens, hidrogen i altres). En aquest sentit, aquest grup de substàncies es distingeix per una gran varietat de propietats i aplicacions. A diferència d' altres compostos orgànics, els compostos organosilicínics tenen millors característiques de rendiment i una major seguretat per a la salut humana tant quan s'obtenen com quan s'utilitzen articles.fet d'ells.
El seu estudi va començar al segle XIX. El tetraclorur de silici va ser la primera substància sintetitzada. En el període dels anys 20 als 90 del mateix segle es van obtenir molts compostos d'aquest tipus: silans, èters i èsters substituïts d'àcid ortosilícic, alquilclorosilans, entre d' altres. La similitud d'algunes de les propietats del silici i les substàncies orgàniques ordinàries ha portat a la formació d'una idea falsa que els compostos de silici i de carboni són completament idèntics. El químic rus D. I. Mendeleiev va demostrar que això no és així. També va establir que els compostos de silici-oxigen tenen una estructura polimèrica. Això no és típic de les substàncies orgàniques, en què hi ha un enllaç entre l'oxigen i el carboni.
Classificació
Els compostos organosilici ocupen una posició intermèdia entre els orgànics i els organometàl·lics. Entre ells, es distingeixen 2 grans grups de substàncies: baix pes molecular i alt pes molecular.
Al primer grup, els hidrògens de silici serveixen com a compostos inicials, i la resta són els seus derivats. Aquestes inclouen les substàncies següents:
- silans i els seus homòlegs (disilà, trisilà, tetrasilà);
- silans substituïts (butilsilà, terc-butilsilà, isobutisilà);
- Èters de l'àcid ortosilícic (tetrametoxisilà, dimetoxidietoxisilà);
- haloèsters d'àcid ortosilícic (trimetoxiclorosilà, metoxietoxidiclorosilà);
- èsters substituïts d'àcid ortosilícic (metiltrietoxisilà, metilfenildietoxisilà);
- alquil-(aril)-halosilans (feniltriclorosilà);
- derivats hidroxil d'organosilans(dihidroxiddietilsilà, hidroximetiletilfenilsilà);
- alquil-(aril)-aminosilà (diaminometilfenilsilà, metilaminotrimetilsilà);
- alcoxi-(ariloxi)-aminosilans;
- alquil-(aril)-aminohalosilans;
- alquil-(aril)-iminosilans;
- isocianats, tioisocianats i tioeters de silici.
Compostos organosilicícs d' alt pes molecular
La base per a la classificació dels compostos orgànics macromoleculars és l'hidrogen de silici polimèric, el diagrama estructural del qual es mostra a la figura següent.
Les substàncies següents pertanyen a aquest grup:
- alquil-(aril)-polisilans;
- organopolialquil-(poliaril)-silans;
- poliorganosiloxans;
- poliorganoalquilen-(fenilen)-siloxans;
- poliorganometalosiloxans;
- polímers de cadena de metalloidsilà.
Propietats químiques
Com que aquestes substàncies són molt diverses, és difícil establir patrons generals que caracteritzen l'enllaç entre silici i carboni.
Les propietats més característiques dels compostos organosilici són:
- La resistència a temperatures elevades està determinada pel tipus i la mida del radical orgànic o d' altres grups associats a l'àtom de Si. Els silans tetrasubstituïts tenen la més alta estabilitat tèrmica. La seva descomposició comença a una temperatura de 650-700 °C. Els polidimetilsiloxilans es destrueixen a una temperatura de 300 °C. El tetraetilsilà i l'hexaetildisilà es descomponen amb un escalfament prolongat a una temperatura de 350 ° C,en aquest cas, s'elimina el 50% del radical etílic i s'allibera etan.
- La resistència química als àcids, àlcalis i alcohols depèn de l'estructura del radical, que està associat a l'àtom de silici, i de tota la molècula de la substància. Per tant, l'enllaç del carboni amb el silici en èsters substituïts alifàtics no es destrueix quan s'exposa a àcid sulfúric concentrat, mentre que en èsters substituïts amb alquil-(aril) mixtes, en les mateixes condicions, el grup fenil es trenca. Els enllaços de siloxà també tenen una gran resistència.
- Els compostos de organosilici són relativament resistents als àlcalis. La seva destrucció només es produeix en condicions dures. Per exemple, en els polidimetilsiloxans, la divisió dels grups metil només s'observa a temperatures superiors a 200 °C i sota pressió (en un autoclau).
Característiques dels compostos macromoleculars
Hi ha diversos tipus de substàncies macromoleculars a base de silici:
- monofuncional;
- difuncional;
- trifuncional;
- quadrifuncional.
En combinar aquests compostos, obtindreu:
- derivats del disiloxà, que sovint són compostos líquids;
- polímers cíclics (líquids oliosos);
- elastòmers (polímers amb una estructura lineal formada per diverses desenes de milers de monòmers i un gran pes molecular);
- polímers d'estructura lineal, en què s'agrupen els extremsbloquejat pels radicals orgànics (olis).
Les resines amb una proporció de radical metil a silici d'1,2-1,5 són sòlids incolors.
Les propietats següents són típiques dels compostos de silici orgànic de molècula alta:
- resistència a la calor;
- hidrofobicitat (resistència a la penetració d'aigua);
- alt rendiment dielèctric;
- mantenir un valor de viscositat constant en un ampli rang de temperatures;
- estabilitat química fins i tot en presència d'oxidants forts.
Propietats físiques dels silans
Com que aquestes substàncies són molt heterogènies en estructura i composició, ens limitem a descriure compostos organosilicínics d'un dels grups més comuns: els silans.
Monosilà i disilà (SiH4 i Si2H4 respectivament) amb normalitat condicions són gasos que tenen una olor desagradable. En absència d'aigua i oxigen, són bastant estables químicament.
El tetrasilà i el trisilà són líquids tòxics volàtils. El pentasilà i l'hexasilà també són tòxics i químicament inestables.
Aquestes substàncies es dissolen bé en alcohols, gasolina, disulfur de carboni. Aquest darrer tipus de solucions té un alt risc d'explosió. El punt de fusió dels compostos anteriors oscil·la entre -90 °C (tetrasilà) i -187 °C (trisilà).
Rebre
L'addició de radicals a Si procedeix de manera diferent i depèn de les propietats del material de partida i de les condicions en què es produeix la síntesi. Algunsels compostos de silici amb substàncies orgàniques només es poden fer en condicions dures, mentre que altres reaccionen més fàcilment.
L'obtenció de compostos organosilicínics basats en enllaços de silà es realitza per hidròlisi d'alquil (o aril)-cloroxisilans (o alcoxisilans) seguida de policondensació de silanols. A la figura següent es mostra una reacció típica.
La policondensació pot procedir en tres direccions: amb la formació de compostos lineals o cíclics, amb l'obtenció de substàncies d'una estructura de xarxa o espacial. Els polímers cíclics tenen una densitat i una viscositat més grans que els seus homòlegs lineals.
Síntesi de compostos macromoleculars
Les resines orgàniques i els elastòmers a base de silici es produeixen mitjançant la hidròlisi de monòmers. Els productes d'hidròlisi s'escalfen posteriorment i s'afegeixen catalitzadors. Com a resultat de les transformacions químiques, s'allibera aigua (o altres substàncies) i es formen polímers complexos.
Els compostos de organosilici que contenen oxigen són més propensos a la polimerització que els seus corresponents compostos basats en carboni. El silici, en canvi, és capaç de contenir 2 o més grups hidroxil. La possibilitat de formar molècules de polímers reticulats a partir de molècules cícliques depèn principalment de la mida del radical orgànic.
Anàlisi
L'anàlisi de compostos organosilicínics es realitza en diverses direccions:
- Determinació de constants físiques (punt de fusió, punt d'ebullició i altres característiques).
- Anàlisi qualitativa. Per detectar compostos d'aquest tipus en vernissos, olis i resines, la mostra de prova es fusiona amb carbonat de sodi, s'extreu amb aigua i després es tracta amb molibdat d'amoni i benzidina. Si hi ha organosilici, la mostra es torna blava. Hi ha altres maneres de detectar.
- Anàlisi quantitativa. Tant per a estudis qualitatius com quantitatius de compostos organosilici, s'utilitzen mètodes d'espectroscòpia d'infrarojos i d'emissió. També s'utilitzen altres mètodes: anàlisi sol-gel, espectroscòpia de masses, ressonància magnètica nuclear.
- Estudi físic i químic detallat.
Preprodueix l'aïllament i la purificació de la substància. Per a les composicions sòlides, la separació dels compostos es fa en funció de la seva diferent solubilitat, punt d'ebullició i cristal·lització. L'aïllament de compostos de silici orgànic químicament pur es realitza sovint per destil·lació fraccionada. Les fases líquides es separen mitjançant un embut de separació. Per a mescles de gasos, s'utilitza l'absorció o la liqüefacció a baixes temperatures i el fraccionament.
Aplicació
L'abast dels compostos organosilici és molt gran:
- producció de fluids tècnics (olis lubricants, fluids de treball per a bombes de buit, vaselina, pastes, emulsions, antiespumantes i altres);
- indústria química: s'utilitza com a estabilitzadors, modificadors, catalitzadors;
- indústria de pintures i vernissos: additius per a la fabricació de recobriments anticorrosius i resistents a la calor per a metall, formigó, vidre i altres materials;
- enginyeria aeroespacial: materials de premsa, fluids hidràulics, refrigerants, compostos antigel;
- enginyeria elèctrica - producció de resines i vernissos, materials per a la protecció de circuits integrats;
- indústria d'enginyeria: producció de productes de cautxú, compostos, lubricants, segelladors, adhesius;
- indústria lleugera - modificadors de fibres tèxtils, cuir, pell; antiespumantes;
- indústria farmacèutica: producció de materials per a pròtesis, immunoestimulants, adaptògens, cosmètics.
Els avantatges d'aquestes substàncies inclouen el fet que es poden utilitzar en una varietat de condicions: en climes tropicals i freds, a alta pressió i al buit, a altes temperatures i radiació. Els recobriments anticorrosió basats en ells funcionen en el rang de temperatures de -60 a +550 °С.
Ramaderia
L'ús de compostos organosilicínics en la ramaderia es basa en el fet que el silici participa activament en la formació d'ossos i teixits connectius, processos metabòlics. Aquest oligoelement és vital per al creixement i desenvolupament de les mascotes.
Com mostraestudis, la introducció d'additius amb substàncies organosilicífiques a la dieta d'aus i bestiar contribueix a un augment del pes viu, una disminució de la mortalitat i els costos d'alimentació per unitat de creixement, un augment del metabolisme del nitrogen, el calci i el fòsfor. L'ús d'aquests fàrmacs a les vaques també ajuda a la prevenció de mal alties obstètriques.
Producció a Rússia
L'empresa líder en el desenvolupament de compostos organosilicínics a Rússia és GNIIChTEOS. Es tracta d'un centre científic integrat que es dedica a la creació de tecnologies industrials per a la fabricació de compostos basats en silici, alumini, bor, ferro i altres elements químics. Els especialistes d'aquesta organització han desenvolupat i introduït més de 400 materials organosilicícs. L'empresa té una planta pilot per a la seva producció.
No obstant això, Rússia en la dinàmica global del desenvolupament de la producció de compostos orgànics a base de silici és molt inferior a altres països. Així, durant els darrers 20 anys, la indústria xinesa ha augmentat gairebé 50 vegades la producció d'aquestes substàncies i l'Europa occidental 2 vegades. Actualment, la producció de compostos organosilicínics a Rússia es realitza a KZSK-Silicon, JSC Altaihimprom, a la planta pilot Redkinsky, JSC Khimprom (República de Txuvaix), JSC Silan.
