Читать книгу Silicium- und Nanotechnologie für Lacksysteme - Frank Groß - Страница 12

Abbildung 4.1: Tetrahydrosilan oder Monosilan

Silicium bildet wie Kohlenstoff eine große Anzahl Wasserstoffverbindungen der allgemeinen Zusammensetzung

SinH2n+2

Diese können unverzweigt oder verzweigt kettenförmig sowie als zyklische Strukturen vorliegen. Die ringförmigen Siliciumwasserstoff-Verbindungen nennt man Cyclosilane (allgemeine Summenformel: SinH2n) [1].

Die Namensgebung erfolgt analog zu den Alkanen. Jeder Name endet mit dem Suffix -an. Die Zahl der Silicium-Atome geht als griechisches Zahlwort in die Benennung mit ein: Monosilan (ein Silicium-Atom), Disilan (zwei Silicium-Atome), Trisilan usw.

Enthält ein Silan vier oder mehr Silicium-Atome, so sind unterschiedliche Anordnungen, genauer Konstitutionen, denkbar. Man spricht von Konstitutionsisomerie.

Silane sind zwar 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, unverzweigten Silane ergibt sich aus der allgemeinen Formel H-(SiH2)n-H mit n = 1, 2, 3, ... . Die einfachste Verbindung ist das so genannte Tetrahydrosilan oder Monosilan (SiH4), ein farbloses Gas, welches an Luft spontan zu SiO2 verbrennt.

Tabelle 4.1: Beispiele für lineare, unverzeigte Silane [2]
Silan	Summenformel	Schmelzpunkt in [°C]	Siedepunktin [°C]	Dichtein [g/cm³]	Molare Massein [g/mol]	Zahl derIsomeren
Monosilan	SiH4	-184,7	-112,1	0,00135	32,12	0
Disilan	Si2H6	-129,4	-14,8	0,00266	62,22	0
Trisilan	Si3H8	-116,9	52,9	0,739	92,3200	0
Tetrasilan	Si4H10	-91,6	108,4	0,795	122,4214	2
Pentasilan	Si5H12	-72,2	+153,2	0,827	152,5228	3
Hexasilan	Si6H14	-44,7	+193,6	0,847	182,6242	5
Heptasilan	Si7H16	-30,1	+226,8	0,859	212,7255	9

[2]Die niedrigsten Silane – Monosilan und Disilan (Si2H6) – sind gasförmig. Ab Trisilan (Si3H8) nehmen die Silane einen flüssigen Aggregatzustand ein. Dekasilan (Si10H22) ist ein Feststoff.

Silane 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 Silicium-Atomen, sind sehr unbeständig und können sich an der Luft selbst entzünden, explodieren und spontan zu Siliciumdioxid und Wasser verbrennen.

Abbildung 4.2: Reaktion von Tetrahydrosilan mit Wasser und Sauerstoff unter Bildung von SiO2

Die Reaktivität beim Monosilan ist sehr hoch, nimmt aber mit zunehmender Kettenlänge ab. Schon Pentasilan reagiert nicht mehr selbstständig mit dem Sauerstoffanteil der Luft. Ab Heptasilan sind Silane nicht mehr spontan selbstentzündlich.

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 [3].

In Wasser bei einem pH-Wert oberhalb von 7 zersetzen sich Silane zu Kieselsäure und Wasserstoff, siehe Abbildung 4.3.

Abbildung 4.3: Reaktion von Tetrahydrosilan mit Wasser bei pH > 7 unter Bildung von Kieselsäure und Wasserstoff

Im alkalischen Medium reagiert Monosilan hingegen spontan zu Alkalisilikaten.

Silane sind ähnlich wie Chlorsilane Ausgangspunkt und Rohstoff der Alkoxysilane. Sie können auch zur Synthese von speziellen Silanen oder für silanterminierte Polymere („Silixane“) eingesetzt werden. Die wichtigste Rohstoffgruppe zur Synthese der Alkoxysilane stellen neben den Silanen die Chlorsilane dar.