სილიკონზე დაფუძნებული ორგანული ნივთიერებები ნაერთების დიდი ჯგუფია. მათთვის მეორე, უფრო გავრცელებული სახელია სილიკონები. სილიციუმის ორგანული ნაერთების სპექტრი მუდმივად იზრდება. ისინი გამოიყენება ადამიანის საქმიანობის თითქმის ყველა სფეროში - ასტრონავტიკიდან მედიცინამდე. მათზე დაფუძნებულ მასალებს აქვს მაღალი ტექნიკური და სამომხმარებლო თვისებები.
ზოგადი კონცეფცია
ორგანოსილიციუმის ნაერთები არის ნაერთები, რომლებშიც არსებობს კავშირი სილიციუმსა და ნახშირბადს შორის. ისინი ასევე შეიძლება შეიცავდეს სხვა დამატებით ქიმიურ ელემენტებს (ჟანგბადი, ჰალოგენები, წყალბადი და სხვა). ამ მხრივ, ნივთიერებების ეს ჯგუფი გამოირჩევა თვისებებითა და გამოყენების მრავალფეროვნებით. სხვა ორგანული ნაერთებისგან განსხვავებით, სილიციუმის ორგანულ ნაერთებს აქვთ უკეთესი შესრულების მახასიათებლები და უფრო მაღალი უსაფრთხოება ადამიანის ჯანმრთელობისთვის, როგორც მათი მიღებისას, ასევე ნივთების გამოყენებისას.დამზადებულია მათგან.
მათი შესწავლა XIX საუკუნეში დაიწყო. სილიციუმის ტეტრაქლორიდი იყო პირველი სინთეზირებული ნივთიერება. ამავე საუკუნის 20-90-იან წლებში მიიღეს ამ სახის მრავალი ნაერთი: სილანები, ეთერები და ორთოსილის მჟავას შემცვლელი ეთერები, ალკილქლოროსილანები და სხვა. სილიციუმის და ჩვეულებრივი ორგანული ნივთიერებების ზოგიერთი თვისების მსგავსებამ გამოიწვია მცდარი წარმოდგენა იმის შესახებ, რომ სილიციუმი და ნახშირბადის ნაერთები სრულიად იდენტურია. რუსმა ქიმიკოსმა დ.ი.მენდელეევმა დაამტკიცა, რომ ეს ასე არ არის. მან ასევე დაადგინა, რომ სილიციუმ-ჟანგბადის ნაერთებს აქვთ პოლიმერული სტრუქტურა. ეს არ არის დამახასიათებელი ორგანული ნივთიერებებისთვის, რომლებშიც არსებობს კავშირი ჟანგბადსა და ნახშირბადს შორის.
კლასიფიკაცია
ორგანოსილიციუმის ნაერთები იკავებენ შუალედურ ადგილს ორგანულ და ორგანულ მეტალურს შორის. მათ შორის გამოიყოფა ნივთიერებების 2 დიდი ჯგუფი: დაბალმოლეკულური და მაღალი მოლეკულური წონა.
პირველ ჯგუფში სილიციუმის წყალბადები ემსახურება საწყის ნაერთებს, დანარჩენი კი მათი წარმოებულებია. ეს მოიცავს შემდეგ ნივთიერებებს:
- სილანები და მისი ჰომოლოგები (დისილანი, ტრისილანი, ტეტრასილანი);
- შეცვლილი სილანები (ბუტილსილანი, ტერტ-ბუტილსილანი, იზობუტიზილანი);
- ორთოსილიციუმის მჟავის ეთერები (ტეტრამეთოქსისილანი, დიმეტოქსიდიეთოქსისილანი);
- ორთოსილის მჟავას ჰალოესტერები (ტრიმეთოქსიქლოროსილანი, მეთოქსიეთოქსიდიქლოროსილანი);
- ორთოსილიციუმის მჟავის შემცვლელი ეთერები (მეთილტრიეთოქსისილანი, მეთილფენილდიეთოქსისილანი);
- ალკილ-(არილ)-ჰალოსილანი (ფენილტრიქლოროსილანი);
- ორგანოსილანების ჰიდროქსილის წარმოებულები(დიჰიდროქსიდიეთილსილანი, ჰიდროქსიმეთილეთილფენილსილანი);
- ალკილ-(არილ)-ამინოზილანები (დიამინომეთილფენილსილანი, მეთილამინოტრიმეთილსილანი);
- ალკოქსი-(არილოქსი)-ამინოსილანები;
- ალკილ-(არილ)-ამინოჰალოსილანები;
- ალკილ-(არილ)-იმინოსილანები;
- იზოციანატები, თიოიზოციანატები და სილიციუმის თიოეთერები.
მაღალმოლეკულური წონის ორგანოსილიციუმის ნაერთები
მაკრომოლეკულური ორგანული ნაერთების კლასიფიკაციის საფუძველია პოლიმერული სილიციუმის წყალბადი, რომლის სტრუქტურული დიაგრამა ნაჩვენებია ქვემოთ მოცემულ სურათზე.
ამ ჯგუფს მიეკუთვნება შემდეგი ნივთიერებები:
- ალკილ-(არილ)-პოლისილანები;
- ორგანოპოლიალკილ-(პოლიარილ)-სილანები;
- პოლიორგანოსილოქსანები;
- პოლიორგანოალკილენ-(ფენილენ)-სილოქსანები;
- პოლიორგანომეტალოზილოქსანები;
- მეტალოიდსილანის ჯაჭვის პოლიმერები.
ქიმიური თვისებები
რადგან ეს ნივთიერებები ძალიან მრავალფეროვანია, ძნელია ზოგადი შაბლონების დადგენა, რომლებიც ახასიათებს კავშირს სილიციუმსა და ნახშირბადს შორის.
ორგანოსილიციუმის ნაერთების ყველაზე დამახასიათებელი თვისებებია:
- ამაღლებული ტემპერატურისადმი გამძლეობა განისაზღვრება ორგანული რადიკალის ან სხვა ჯგუფების ტიპისა და ზომის მიხედვით, რომლებიც დაკავშირებულია Si ატომთან. ტეტრაჩანაცვლებულ სილანებს აქვთ ყველაზე მაღალი თერმული სტაბილურობა. მათი დაშლა იწყება 650-700 °C ტემპერატურაზე. პოლიდიმეთილსილოქსილანები ნადგურდება 300 °C ტემპერატურაზე. ტეტრაეთილსილანი და ჰექსაეთილდისილანი იშლება ხანგრძლივი გაცხელებისას 350°C ტემპერატურაზე,ამ შემთხვევაში ეთილის რადიკალის 50% გამოიყოფა და ეთანი გამოიყოფა.
- ქიმიური წინააღმდეგობა მჟავების, ტუტეებისა და ალკოჰოლების მიმართ დამოკიდებულია რადიკალის სტრუქტურაზე, რომელიც დაკავშირებულია სილიციუმის ატომთან და ნივთიერების მთელ მოლეკულასთან. ასე რომ, ნახშირბადის ბმა სილიკონთან ალიფატურ ჩანაცვლებულ ეთერებში არ ნადგურდება კონცენტრირებული გოგირდმჟავას ზემოქმედებისას, ხოლო შერეულ ალკილ-(არილ)-ჩანაცვლებულ ეთერებში, იმავე პირობებში, ფენილის ჯგუფი იშლება. სილოქსანურ ბმას ასევე აქვს მაღალი სიმტკიცე.
- ორგანოსილიციუმის ნაერთები შედარებით მდგრადია ტუტეების მიმართ. მათი განადგურება ხდება მხოლოდ მძიმე პირობებში. მაგალითად, პოლიდიმეთილსილოქსანებში მეთილის ჯგუფების დაშლა შეინიშნება მხოლოდ 200 °C-ზე მაღალ ტემპერატურაზე და წნევის ქვეშ (ავტოკლავში).
მაკრომოლეკულური ნაერთების მახასიათებლები
არსებობს სილიკონზე დაფუძნებული მაკრომოლეკულური ნივთიერებების რამდენიმე სახეობა:
- ერთფუნქციური;
- ფუნქციური;
- სამფუნქციური;
- ოთხფუნქციური.
ამ ნაერთების კომბინაციით, თქვენ მიიღებთ:
- დიზილოქსანის წარმოებულები, რომლებიც ყველაზე ხშირად თხევადი ნაერთებია;
- ციკლური პოლიმერები (ზეთოვანი სითხეები);
- ელასტომერები (წრფივი სტრუქტურის მქონე პოლიმერები, რომელიც შედგება რამდენიმე ათეული ათასი მონომერისგან და დიდი მოლეკულური წონისგან);
- პოლიმერები წრფივი სტრუქტურით, რომელშიც ბოლო ჯგუფებიიბლოკება ორგანული რადიკალებით (ზეთები).
ფისები მეთილის რადიკალთან სილიციუმის თანაფარდობით 1,2-1,5 არის უფერო მყარი.
შემდეგი თვისებები დამახასიათებელია მაღალმოლეკულური ორგანული სილიციუმის ნაერთებისთვის:
- სითბოგამძლეობა;
- ჰიდროფობია (წყლის შეღწევადობის წინააღმდეგობა);
- მაღალი დიელექტრიკული შესრულება;
- სიბლანტის მუდმივი მნიშვნელობის შენარჩუნება ტემპერატურის ფართო დიაპაზონში;
- ქიმიური სტაბილურობა ძლიერი ოქსიდანტების არსებობის შემთხვევაშიც კი.
სილანების ფიზიკური თვისებები
რადგან ეს ნივთიერებები ძალიან ჰეტეროგენულია სტრუქტურითა და შემადგენლობით, ჩვენ შემოვიფარგლებით ერთ-ერთი ყველაზე გავრცელებული ჯგუფის - სილანების ორგანოსილიციუმის ნაერთების აღწერით.
მონოსილანი და დიზილანი (SiH4 და Si2H4 შესაბამისად) ნორმალურად პირობები არის აირები, რომლებსაც აქვთ უსიამოვნო სუნი. წყლისა და ჟანგბადის არარსებობის შემთხვევაში ისინი საკმაოდ ქიმიურად სტაბილურია.
ტეტრასილანი და ტრისილანი არის აქროლადი ტოქსიკური სითხეები. პენტასილანი და ჰექსასილანი ასევე ტოქსიკური და ქიმიურად არასტაბილურია.
ეს ნივთიერებები კარგად იხსნება სპირტებში, ბენზინში, ნახშირბადის დისულფიდში. ამ უკანასკნელ ტიპის ხსნარებს აქვთ მაღალი ფეთქებადი საფრთხე. ზემოაღნიშნული ნაერთების დნობის წერტილი მერყეობს -90 °C-დან (ტეტრასილანი) -187 °C-მდე (ტრისილანი).
მიიღე
Si-ში რადიკალების დამატება განსხვავებულად მიმდინარეობს და დამოკიდებულია საწყისი მასალის თვისებებზე და პირობებზე, რომლებშიც ხდება სინთეზი. Ზოგიერთიორგანულ ნივთიერებებთან სილიციუმის ნაერთების დამზადება შესაძლებელია მხოლოდ მძიმე პირობებში, ხოლო სხვები უფრო ადვილად რეაგირებენ.
სილანის ბმებზე დაფუძნებული სილიციუმის ორგანული ნაერთების მიღება ხორციელდება ალკილის (ან არილ)-ქლოროქსისილანების (ან ალკოქსისილანების) ჰიდროლიზით, რასაც მოჰყვება სილანოლების პოლიკონდენსაცია. ტიპიური რეაქცია ნაჩვენებია ქვემოთ მოცემულ სურათზე.
პოლიკონდენსაცია შეიძლება მიმდინარეობდეს სამი მიმართულებით: წრფივი ან ციკლური ნაერთების წარმოქმნით, ქსელის ან სივრცითი სტრუქტურის ნივთიერებების მიღებით. ციკლურ პოლიმერებს აქვთ უფრო მაღალი სიმკვრივე და სიბლანტე, ვიდრე მათი ხაზოვანი ანალოგი.
მაკრომოლეკულური ნაერთების სინთეზი
ორგანული ფისები და სილიკონზე დაფუძნებული ელასტომერები წარმოიქმნება მონომერების ჰიდროლიზით. ჰიდროლიზის პროდუქტები შემდგომში თბება და ემატება კატალიზატორები. ქიმიური გარდაქმნების შედეგად გამოიყოფა წყალი (ან სხვა ნივთიერებები) და წარმოიქმნება რთული პოლიმერები.
ორგანოსილიციუმის ნაერთები, რომლებიც შეიცავს ჟანგბადს, უფრო მიდრეკილნი არიან პოლიმერიზაციისკენ, ვიდრე მათი შესაბამისი ნახშირბადზე დაფუძნებული ნაერთები. სილიკონს, პირიქით, შეუძლია 2 ან მეტი ჰიდროქსილის ჯგუფის შეკავება. ციკლური მოლეკულებისგან ჯვარედინი პოლიმერული მოლეკულების წარმოქმნის შესაძლებლობა ძირითადად დამოკიდებულია ორგანული რადიკალის ზომაზე.
ანალიზი
ორგანოსილიციუმის ნაერთების ანალიზი ტარდება რამდენიმე მიმართულებით:
- ფიზიკური მუდმივების განსაზღვრა (დნობის წერტილი, დუღილის წერტილი და სხვა მახასიათებლები).
- ხარისხობრივი ანალიზი. ამ ტიპის ნაერთების გამოსავლენად ლაქებში, ზეთებსა და ფისებში, ტესტის ნიმუში ერწყმის ნატრიუმის კარბონატს, ამოღებულია წყლით და შემდეგ მუშავდება ამონიუმის მოლიბდატით და ბენზიდინით. ორგანოსილიციუმის არსებობის შემთხვევაში, ნიმუში ცისფერი ხდება. გამოვლენის სხვა გზებიც არსებობს.
- რაოდენობრივი ანალიზი. სილიციუმის ორგანული ნაერთების როგორც თვისებრივი, ასევე რაოდენობრივი კვლევებისთვის გამოიყენება ინფრაწითელი და ემისიის სპექტროსკოპიის მეთოდები. ასევე გამოიყენება სხვა მეთოდები - სოლ-გელის ანალიზი, მასის სპექტროსკოპია, ბირთვული მაგნიტური რეზონანსი.
- დეტალური ფიზიკური და ქიმიური კვლევა.
აწარმოებს ნივთიერების იზოლაციას და გაწმენდას. მყარი კომპოზიციებისთვის ნაერთების გამოყოფა ხდება მათი განსხვავებული ხსნადობის, დუღილის წერტილისა და კრისტალიზაციის საფუძველზე. ქიმიურად სუფთა ორგანული სილიციუმის ნაერთების იზოლაცია ხშირად ხორციელდება ფრაქციული დისტილაციით. თხევადი ფაზები გამოყოფილია გამყოფი ძაბრის გამოყენებით. აირების ნარევებისთვის გამოიყენება აბსორბცია ან გათხევადება დაბალ ტემპერატურაზე და დანაწილება.
აპლიკაცია
ორგანოსილიციუმის ნაერთების ფარგლები ძალიან დიდია:
- ტექნიკური სითხეების წარმოება (საპოხი ზეთები, სამუშაო სითხეები ვაკუუმ ტუმბოებისთვის, ნავთობის ჟელე, პასტები, ემულსიები, ქაფის საწინააღმდეგო საშუალებები და სხვა);
- ქიმიური მრეწველობა - გამოყენება როგორც სტაბილიზატორები, მოდიფიკატორები, კატალიზატორები;
- საღებავებისა და ლაქების მრეწველობა - დანამატები ლითონის, ბეტონის, მინის და სხვა მასალებისთვის თბოგამძლე, ანტიკოროზიული საფარის დასამზადებლად;
- აეროკოსმოსური ინჟინერია - პრესის მასალები, ჰიდრავლიკური სითხეები, გამაგრილებლები, ყინვაგამძლე ნაერთები;
- ელექტროტექნიკა - ფისების და ლაქების წარმოება, მასალები ინტეგრირებული სქემების დასაცავად;
- საინჟინრო ინდუსტრია - რეზინის პროდუქტების, ნაერთების, საპოხი მასალების, დალუქვის, ადჰეზივების წარმოება;
- მსუბუქი მრეწველობა - ტექსტილის ბოჭკოების, ტყავის, ტყავის მოდიფიკატორები; ქაფის საწინააღმდეგო საშუალებები;
- ფარმაცევტული ინდუსტრია - მასალების წარმოება პროთეზირებისთვის, იმუნოსტიმულატორები, ადაპტოგენები, კოსმეტიკა.
ასეთი ნივთიერებების უპირატესობებში შედის ის ფაქტი, რომ მათი გამოყენება შესაძლებელია სხვადასხვა პირობებში: ტროპიკულ და ცივ კლიმატში, მაღალ წნევასა და ვაკუუმში, მაღალ ტემპერატურასა და რადიაციაში. მათზე დაფუძნებული ანტიკოროზიული საფარი ფუნქციონირებს ტემპერატურის დიაპაზონში -60-დან +550 °С-მდე.
მეცხოველეობა
ორგანოსილიციუმის ნაერთების გამოყენება მეცხოველეობაში ემყარება იმ ფაქტს, რომ სილიციუმი აქტიურად მონაწილეობს ძვლებისა და შემაერთებელი ქსოვილების ფორმირებაში, მეტაბოლურ პროცესებში. ეს მიკროელემენტი სასიცოცხლოდ მნიშვნელოვანია შინაური ცხოველების ზრდისა და განვითარებისთვის.
როგორც ჩვენებაკვლევებით, ფრინველისა და პირუტყვის რაციონში სილიციუმის ორგანული ნივთიერებებით დანამატების შეყვანა ხელს უწყობს ცოცხალი წონის ზრდას, სიკვდილიანობის და საკვების ხარჯების შემცირებას ზრდის ერთეულზე, აზოტის, კალციუმის და ფოსფორის მეტაბოლიზმის ზრდას. ასეთი პრეპარატების გამოყენება ძროხებში ასევე ხელს უწყობს სამეანო დაავადებების პრევენციას.
წარმოება რუსეთში
რუსეთში ორგანოსილიციუმის ნაერთების განვითარების წამყვანი საწარმო არის GNIIChTEOS. ეს არის ინტეგრირებული სამეცნიერო ცენტრი, რომელიც ეწევა სამრეწველო ტექნოლოგიების შექმნას სილიციუმის, ალუმინის, ბორის, რკინის და სხვა ქიმიურ ელემენტებზე დაფუძნებული ნაერთების წარმოებისთვის. ამ ორგანიზაციის სპეციალისტებმა შეიმუშავეს და დანერგეს 400-ზე მეტი ორგანოსილიციუმის მასალა. კომპანიას აქვს საპილოტე ქარხანა მათი წარმოებისთვის.
თუმცა, რუსეთი სილიკონზე დაფუძნებული ორგანული ნაერთების წარმოების განვითარების გლობალურ დინამიკაში ბევრად ჩამოუვარდება სხვა ქვეყნებს. ასე რომ, ბოლო 20 წლის განმავლობაში, ჩინურმა ინდუსტრიამ ამ ნივთიერებების წარმოება თითქმის 50-ჯერ გაზარდა, ხოლო დასავლეთ ევროპას - 2-ჯერ. დღეისათვის, ორგანოსილიციუმის ნაერთების წარმოება რუსეთში ხორციელდება KZSK-Silicon, JSC Altaihimprom, Redkinsky Pilot Plant, JSC Khimprom (ჩუვაშეთის რესპუბლიკა), სს Silan..
