Оксид кремния - Silicon monoxide

Оксид кремния
Кремний монооксид.jpg
Кремний-монооксид-3D-шары.png
Имена
Предпочтительное название IUPAC
Оксид кремния
Идентификаторы
3D модель (JSmol )
ЧЭБИ
ChemSpider
ECHA InfoCard100.030.198 Отредактируйте это в Викиданных
Номер ЕС
  • 233-232-8
382
MeSHКремний + монооксид
UNII
Характеристики
SiO
Молярная масса44,08 г / моль
Внешностькоричнево-черное стеклообразное твердое вещество
Плотность2,13 г / см3
Температура плавления 1702 ° С (3096 ° F, 1975 К)
Точка кипения 1880 ° С (3420 ° F, 2150 К)
нерастворимый
Опасности
NFPA 704 (огненный алмаз)
точка возгоранияНегорючий
Родственные соединения
Другой анионы
Сульфид кремния
Селенид кремния
Теллурид кремния
Другой катионы
Монооксид углерода
Оксид германия (II)
Оксид олова (II)
Оксид свинца (II)
Связанный кремний оксиды
Диоксид кремния
Если не указано иное, данные для материалов приводятся в их стандартное состояние (при 25 ° C [77 ° F], 100 кПа).
☒N проверять (что проверитьY☒N ?)
Ссылки на инфобоксы

Оксид кремния представляет собой химическое соединение формулы SiO, в котором кремний находится в степени окисления +2. В паровой фазе это двухатомная молекула.[1]. Он был обнаружен в звездных объектах.[2] и он был описан как самый распространенный оксид кремния во Вселенной.[3]

Твердая форма

Когда газ SiO быстро охлаждается, он конденсируется с образованием коричнево-черного полимерного стеклянный материал, (SiO)п, который имеется в продаже и используется для нанесения пленок SiO. Стекловидный (SiO)п чувствителен к воздуху и влаге.

Окисление

Его поверхность легко окисляется на воздухе при комнатной температуре, давая SiO2 поверхностный слой, который защищает материал от дальнейшего окисления. Однако (SiO)п необратимо непропорционально в SiO2 и Si за несколько часов между 400 и 800 ° C и очень быстро между 1000 и 1440 ° C, хотя реакция не доходит до завершения.[4]

Образование SiO

Первое точное сообщение об образовании SiO было в 1887 г.[5] химиком Чарльз Ф. Мэйбери (1850–1927) на Кейс школа прикладных наук в Кливленд. Мэйбери утверждал, что SiO образуется в виде аморфного зеленовато-желтого вещества со стекловидным блеском, когда кремнезем восстанавливали древесным углем в отсутствие металлов в электрической печи.[6] Вещество всегда находилось на границе раздела между частицами древесного угля и кремнезема. Изучив некоторые химические свойства вещества, его удельный вес и анализ горения, Мэйбери пришел к выводу, что это вещество должно быть SiO. Уравнение частичного химического восстановления SiO2 с C можно представить как:

SiO
2+ C ⇌ SiO + CO

Полное восстановление SiO2 с удвоенным количеством углерода дает элементарный кремний и вдвое больше окиси углерода. В 1890 году немецкий химик Клеменс Винклер (первооткрыватель германия) был первым, кто попытался синтезировать SiO путем нагревания диоксида кремния с кремнием в печи для сжигания.[7]

SiO
2+ Si ⇌ 2 SiO

Однако Винклер не смог получить монооксид, поскольку температура смеси составляла всего около 1000 ° C. Эксперимент был повторен в 1905 г. Генри Ноэль Поттер (1869–1942), а Westinghouse инженер. Используя электрическую печь, Поттер смог достичь температуры 1700 ° C и наблюдать образование SiO.[5] Поттер также исследовал свойства и применение твердой формы SiO.[8][9]

Из-за летучести SiO кремнезем можно удалить из руд или минералов путем их нагревания с кремнием для получения таким образом газообразного SiO.[1] Однако из-за трудностей, связанных с точным измерением давления пара, а также из-за зависимости от специфики экспериментального плана, в литературе приводятся различные значения давления пара SiO (г). Для рSiO над расплавленным кремнием в кварце (SiO2) тигель при температуре плавления кремния, одно исследование дало значение 0,002 атм.[10] Сообщалось о прямом испарении чистого аморфного твердого SiO, 0,001 атм.[11] Для системы покрытия на границе раздела фаз SiO2 и силицид 0,01 атм.[12]

Сам кремнезем или огнеупоры, содержащие SiO2, можно уменьшить с помощью H2 или CO при высоких температурах, например:[13]

SiO
2(s) + H
2(г) ⇌ SiO (г) + H
2O (г)

Когда продукт SiO улетучивается (удаляется), равновесие смещается вправо, что приводит к продолжающемуся потреблению SiO.2. Исходя из зависимости скорости потери веса кремнезема от скорости потока газа, нормального к границе раздела, скорость этого снижения, по-видимому, контролируется конвективной диффузией или массопереносом от реагирующей поверхности.[14][15]

Газообразный (молекулярный) SiO

Молекулы монооксида кремния были захвачены в матрицу аргона, охлаждаемую гелием. В этих условиях длина связи SiO составляет 148,9 мкм.[3] и 151 час.[16] Эта длина связи аналогична длине двойных связей Si = O (148 пм) в матрично-изолированной линейной молекуле. SiO
2 (O = Si = O), что указывает на отсутствие тройной связи, как в монооксид углерода.[3] Однако тройная связь SiO имеет расчетную длину связи 150 пм и энергию связи 794 кДж / моль, что также очень близко к тем, которые указаны для SiO.[16] Структура двойной связи SiO является, в частности, исключением из теории Льюиса. Правило октета для молекул, состоящих из легких элементов основной группы, тогда как тройная связь SiO удовлетворяет этому правилу. Несмотря на эту аномалию, наблюдение, что мономерный SiO недолговечен и что (SiO)'п' олигомеры с n = 2,3,4,5 известны[17], все из которых имеют замкнутые кольцевые структуры, в которых атомы кремния связаны через мостиковые атомы кислорода (т.е. каждый атом кислорода однократно связан с двумя атомами кремния; нет связей Si-Si), предполагает структуру двойной связи Si = O с гиповалентным кремнием атом, скорее всего, для мономера.[3]

Конденсация молекулярного SiO2 в матрице аргона вместе с фтор, хлор или же карбонилсульфид (COS) с последующим облучением светом образуются плоские молекулы OSiF
2 (с расстоянием Si-O 148 пм) и OSiCl
2 (Si-O 149 пм), а линейная молекула OSiS (Si-O 149 вечера, Si-S 190 вечера).[3]

Изолированный от матрицы молекулярный SiO реагирует с атомами кислорода, генерируемыми микроволновым разрядом, с образованием молекулярных SiO
2 имеющий линейную структуру.

Когда атомы металлов (например, Na, Al, Pd, Ag, и Au ) соосаждение с SiO, трехатомные молекулы образуются с линейной (AlSiO и PdSiO), нелинейной (AgSiO и AuSiO) и кольцевой (NaSiO) структурами.[3]

Твердый (полимерный) SiO

Поттер сообщил, что твердый SiO имеет желтовато-коричневый цвет и является электрическим и теплоизолятором. Твердое вещество горит в кислороде и разлагает воду с выделением водорода. Растворяется в теплых гидроксидах щелочных металлов и плавиковой кислоте. Хотя Поттер сообщил, что теплота сгорания SiO на 200-800 калорий выше, чем у равновесной смеси Si и SiO.2 (что, возможно, может быть использовано как доказательство того, что SiO является уникальным химическим соединением),[18] в некоторых исследованиях коммерчески доступные твердые материалы на основе монооксида кремния были охарактеризованы как неоднородная смесь аморфных SiO2 и аморфный Si с некоторой химической связью на границе раздела Si и SiO2 фазы.[19][20] Недавние спектроскопические исследования в сочетании с отчетом Поттера показывают, что коммерчески доступные твердые материалы на основе монооксида кремния не могут рассматриваться как неоднородная смесь аморфных SiO2 и аморфный Si.[21]

Рекомендации

  1. ^ а б Холлеман, Арнольд Фредерик; Виберг, Эгон (2001), Виберг, Нильс (ред.), Неорганическая химия, переведенный Иглсоном, Мэри; Брюэр, Уильям, Сан-Диего / Берлин: Academic Press / De Gruyter, ISBN  0-12-352651-5
  2. ^ Gibb, A.G .; Davis, C.J .; Мур Т.Дж.Т., Обзор эмиссии SiO 5 → 4 в сторону истечения массивных молодых звездных объектов. Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества, 382, 3, 1213-1224. Дои:10.1111 / j.1365-2966.2007.12455.x, arXiv:0709.3088v1.
  3. ^ а б c d е ж Питер Юци и Ульрих Шуберт (2003) Химия кремния: от атома к расширенным системам. Вайли-ВЧ ISBN  3-527-30647-1.
  4. ^ В. Хертль и В. В. Пульц, Варенье. Керамический Soc. Vol. 50, выпуск 7, (1967) стр. 378-381.
  5. ^ а б Дж. У. Меллор "Комплексный трактат по неорганической и теоретической химии" Том VI, Longmans, Green and Co. (1947) с. 235.
  6. ^ К. Ф. Мэйбери Амер. Chem. Journ. 9, 11, (1887).
  7. ^ К. Винклер Бер. 23, (1890) стр. 2652.
  8. ^ Патент США 182082, 26 июля 1905 г.
  9. ^ Э. Ф. Робер, Х. К. Пармели (ред.) Электрохимическая и металлургическая промышленность. 5 (1907) стр. 442.
  10. ^ "Справочник по полупроводниковой кремниевой технологии", У. К. О'Мара, Р. Б. Херринг, Л. П. Хант, Noyes Publications (1990), с. 148
  11. ^ Дж. А. Нут III, Ф. Т. Фергюсон, Астрофизический журнал, 649, 1178-1183 (2006)
  12. ^ «Покрытия, стойкие к окислению при высоких температурах», Национальная академия наук / Национальная инженерная академия (1970), стр. 40
  13. ^ Чарльз А. (2004) Справочник Schacht Refractories. CRC Press, ISBN  0-8247-5654-1.
  14. ^ Г. Хан; H. Y. Sohn J. Am. Ceram. Soc. 88 [4] 882-888 (2005)
  15. ^ R. A. Gardner J. Solid State Chem. 9, 336-344 (1974)
  16. ^ а б Неорганическая химия, Holleman-Wiberg, Academic Press (2001), стр. 858.
  17. ^ Кристи, Робин С. М .; Джанбази, Хоссейн; Драйер, Томас; Виггерс, Хартмут; Влокас, Иренеус; Шульц, Кристоф (2019-01-01). «Сравнительное исследование синтеза наночастиц SiO2 на основе пламени из TMS и HMDSO: измерение концентрации SiO-LIF и подробное моделирование». Труды Института горения. 37 (1): 1221–1229. Дои:10.1016 / j.proci.2018.07.024. ISSN  1540-7489.
  18. ^ Дж. У. Меллор "Комплексный трактат по неорганической и теоретической химии" Том VI, Longmans, Green and Co. (1947) с. 234.
  19. ^ Friede B., Jansen M. (1996) Некоторые комментарии о так называемом монооксиде кремния. Журнал некристаллических твердых тел, 204, 2, 202-203. Дои:10.1016 / S0022-3093 (96) 00555-8.
  20. ^ Schulmeister K. и Mader W. (2003) Исследование структуры аморфного монооксида кремния методом просвечивающей электронной микроскопии. Журнал некристаллических твердых тел, 320, 1-3, 143-150. Дои:10.1016 / S0022-3093 (03) 00029-2.
  21. ^ Гундуз, Д. К., Танкут, А., Седани, С., Караман, М. и Туран, Р. (2015) Механизм кристаллизации и разделения фаз тонких пленок оксида кремния, полученных с помощью электронно-лучевого испарения монооксида кремния. Phys. Статус Solidi C, 12: 1229–1235. Дои:10.1002 / pssc.201510114.