Фторид кремния: свойства, производство и применение соединения
Фторид кремния - удивительное вещество, обладающее уникальными химическими и физическими свойствами. Это бинарное соединение кремния и фтора с формулой SiF4. Давайте подробно разберемся, как оно устроено, откуда берется, чем полезно.
Строение и физико-химические свойства фторида кремния
По строению фторид кремния представляет собой бесцветный газ без запаха. В твердом состоянии это белые кристаллы кубической сингонии, устойчивые при комнатной температуре. Вещество обладает высокой термической стабильностью, легко сублимируется при нагревании.
Основные физико-химические характеристики фторида кремния:
- Температура плавления -90°C
- Температура кипения -86°C
- Плотность 1,14 г/см3 (твердое вещество)
- Растворимость: в воде - реагирует с образованием кремниевой кислоты и фтороводорода в органических растворителях - хорошо растворяется
Главная особенность фторида кремния - высокая химическая активность. Он бурно взаимодействует с водой и влажным воздухом, легко гидролизуется. При этом выделяется крайне токсичный и едкий фтороводород.
Получение фторида кремния
Фторид кремния можно получить несколькими способами:
- Пропускание паров тетрафторида кремния через раскаленный до 1150-1200°C кремний с быстрым последующим охлаждением:
SiF4 + Si → 2 SiF2
- Реакция взаимодействия дифторид-дибромида кремния с магнием:
SiBr2F2 + Mg → SiF2 + MgBr2
- Пиролиз гексафторида дикремния при 700°C:
Si2F6 → SiF2 + SiF4
Промышленные масштабы производства фторида кремния связаны со сложностью получения и высокой реакционной способностью этого вещества. Основной проблемой является необходимость работы в условиях глубокого охлаждения и в инертной атмосфере.
Для синтеза фторида кремния в лаборатории часто используют реакцию взаимодействия тетрафторида кремния в парах с раскаленным кремнием. Этот метод позволяет получить фторид кремния высокой чистоты. Дальнейшая работа с полученным веществом ведется в условиях низких температур в инертной атмосфере азота или аргона.
Химические реакции фторида кремния
Помимо реакции гидролиза, фторид кремния легко вступает в химические реакции с образованием различных неорганических соединений кремния.
Одни из наиболее характерных реакций фторида кремния:
Взаимодействие с водой и щелочами
Как уже упоминалось, фторид кремния активно гидролизуется водой с выделением фтороводорода:
SiF4 + 2H2O → SiO2 + 4HF
Аналогичная реакция протекает в щелочной среде, например с гидроксидом натрия:
SiF4 + 2NaOH → Na2SiO3 + 4HF
При этом образуется силикат натрия - растворимая соль кремниевой кислоты.
Оксид кремния / фторид кремния и его свойства
Продуктом гидролиза фторида кремния является оксид кремния - белое твердое вещество, плохо растворимое в воде и обладающее кислотными свойствами.
Характерной реакцией оксида кремния является взаимодействие с щелочами и образование силикатов:
SiO2 + 2NaOH → Na2SiO3 + H2O
Кремний фторид натрия
Кроме гидроксида натрия, фторид кремния может реагировать и с другими солями натрия, например фторидом натрия:
SiF4 + 2NaF → Na2SiF6
При этом образуется гексафторосиликат натрия - бесцветные кристаллы, растворимые в воде с частичным гидролизом.
Кристаллическая решетка фторида кремния
В твердом состоянии фторид кремния кристаллизуется в кубическую кристаллическую решетку с пространственной группой I43m или I23. Параметры ячейки составляют:
- Ребро a = 0,542 нм
- Координационное число Z = 2
Знание особенностей кристаллической решетки важно при изучении физических свойств фторида кремния в конденсированном состоянии, а также для моделирования химических реакций с его участием.
Применение фторида кремния
Фторид кремния благодаря своим уникальным свойствам находит применение в различных областях науки и техники.
Применение в полупроводниковой промышленности
Благодаря высокой химической активности, фторид кремния используется в полупроводниковой промышленности для травления кремния и получения заданного рельефа на поверхности пластин.
По сравнению с жидкими травителями на основе кислот, фторид кремния в газообразном состоянии обеспечивает более высокую скорость процесса, лучшее качество поверхности и экологичность.
Применение в органическом эмиссионном диоде (OLED)
Тонкие пленки на основе фторида кремния перспективны для использования в качестве транспортного и инжектирующего слоя в органических светодиодах (OLED).
Благодаря высокой электропроводности такие пленки улучшают инжекцию носителей заряда в органический эмиссионный слой, что приводит к повышению яркости и эффективности OLED.
Катализаторы на основе фторида кремния
Наночастицы фторида кремния, стабилизированные в мезопористых матрицах, активно изучаются в качестве гетерогенных кислотных катализаторов.
Такие катализаторы проявляют высокую активность в реакциях органического синтеза: гидрировании, изомеризации, циклизации.
Фторид кремния в аналитической химии
Благодаря химической устойчивости и низкой летучести, фторид кремния широко используется в качестве газа-носителя при анализе состава твердых и жидких образцов методом газовой хроматографии.
По сравнению с гелием и водородом, фторид кремния дешевле, удобнее в работе и обеспечивает лучшее разделение сложных смесей органических соединений.