Хлорид кремния(IV)

Хлорид кремния​(IV)​
Общие
Систематическое наименование	тетрахлорид кремния
Традиционные названия	четырёххлористый кремний
Хим. формула	SiCl4
Внешний вид	прозрачная летучая жидкость, дымящая на влажном воздухе
Физические свойства
Состояние	жидкость
Примеси	Si2Cl6 При контакте с атмосферным воздухом: HCl, nSiO2·mH2O
Молярная масса	169,90 г/моль
Плотность	1,483 г/см^3 (при 20 ℃)
Поверхностное натяжение	1,971·10^−2 Н/м
Энергия ионизации	11,79 эВ[1]
Скорость звука в веществе	766,2 м/с
Термические свойства
Температура
• плавления	−68,74 °C
• кипения	+57,65 °C
Критическая точка
• температура	+233 °C
• давление	3,75 МПа
Мол. теплоёмк.	90,4 Дж/(моль·К)
Теплопроводность	0,099 ± 0,001 Вт/(м·K)[2]
Энтальпия
• образования	−687,8 кДж/моль
• плавления	7,71 кДж/моль
• кипения	28,62 кДж/моль
Давление пара	25,9 кПа (при 20 ℃)
Химические свойства
Растворимость
• в воде	гидролизуется
• в жидком хлоре	40,45 г/100 мл (при 0 ℃)
• в бензоле	неограниченно растворим
• в хлороформе	неограниченно растворим
Диэлектрическая проницаемость	2,4
Оптические свойства
Показатель преломления	1,412 (при 20 ℃)
Структура
Координационная геометрия	4
Кристаллическая структура	тетрагональная
Дипольный момент	0 (при 20 ℃)
Классификация
Рег. номер CAS	10026-04-7
PubChem	24816
Рег. номер EINECS	233-054-0
SMILES	[Si](Cl)(Cl)(Cl)Cl
InChI	InChI=1S/Cl4Si/c1-5(2,3)4 FDNAPBUWERUEDA-UHFFFAOYSA-N
RTECS	VW0525000
Номер ООН	1818
ChemSpider	23201
Безопасность
NFPA 704	0 3 2 W
Приведены данные для стандартных условий (25 °C, 100 кПа), если не указано иное.
Медиафайлы на Викискладе

Хлори́д кре́мния(IV) (тетрахлори́д кре́мния, четырёххло́ристый кре́мний, тетрахлорсила́н) — бинарное неорганическое соединение кремния и хлора с формулой SiCl₄, один из хлоридов кремния. При стандартных условиях представляет собой бесцветную летучую жидкость, дымящуюся на влажном воздухе. Соединение используется для производства кремния и диоксида кремния с высокой степенью чистоты для коммерческого применения.

Получение

Тетрахлорид кремния обычно получают хлорированием различных соединений кремния, таких как ферросилиций, карбид кремния или смеси диоксида кремния и углерода. Способ получения из ферросилиция является наиболее распространённым в промышленности[3].

${\displaystyle {\ce {2Fe3Si2 + 15Cl2->[t] 2FeCl3 + 4FeCl2 + 4SiCl4 ^}}}$

Поскольку тетрахлорид кремния достаточно летучий, он легко отделяется при высокой температуре от смеси хлоридов железа.

В лаборатории тетрахлорид кремния можно получить, пропуская хлор над чистым размельчённым кремнием при температуре свыше 600 ℃:

${\displaystyle {\ce {Si + 2Cl2->[t] SiCl4 ^}}}$

Именно таким способом его впервые получил Якоб Берцелиус в 1823 году[4]. Однако в данном процессе также образуются гомологичные соединения, такие как Si₃Cl₈ (октахлортрисилан) и Si₂Cl₆ (гексахлордисилан) и другие, которые можно разделить с помощью фракционной перегонки.

Химические свойства

Гидролиз и схожие реакции

Тетрахлорид кремния очень бурно реагирует с водой с выделением большого количества тепла, поэтому даже при контакте со слегка влажным воздухом наблюдается дымление:

${\displaystyle {\ce {x SiCl4 + y H2O -> xSiO2*(y-z)H2O + zHCl}}}$

Выделяющиеся пары концентрированной соляной кислоты обладают коррозионными свойствами и сильно раздражают кожу и дыхательные пути, а выделяющиеся гидраты оксида кремния(IV) в виде аэрозоля создают задымление.

Примечательно, что гомологичное углеродистое соединение CCl₄ (четырёххлористый углерод) не подвергается гидролизу в аналогичных условиях.

Со спиртами реагирует с образованием тетраалкилоксисиланов:

${\displaystyle {\ce {SiCl4 + 4ROH -> Si(OR)4 + 4HCl}}}$

Образование хлорангидридов поликремния

При достаточно высоких температурах образуются гомологи тетрахлорида кремния:

${\displaystyle {\ce {2SiCl4 + Si -> Si3Cl8}}}$

Фактически само хлорирование кремния сопровождается образованием гексахлордисилана Si₂Cl₆ и других производных. Ряд соединений, содержащих до шести атомов кремния в цепи, можно выделить из образующейся смеси с помощью фракционной перегонки.

Электрофильное замещение

Тетрахлорид кремния является классическим электрофильным соединением. Он образует различные кремнийорганические соединения при реакции с реактивами Гриньяра и другими литийорганическими соединениями:

${\displaystyle {\ce {SiCl4 + 4RLi -> R4Si + 4LiCl}}}$

Восстановление алкилсилана гидридами приводит к образованию моносилана:

${\displaystyle {\ce {R4Si + 4H- X^+ -> SiH4 + 4XR}}}$

Применение

Тетрахлорид кремния используется в качестве промежуточного продукта при производстве поликристаллического кремния (поликремния) и сверхчистого кремния[3], поскольку он имеет температуру кипения, удобную для высокой очистки путём многократной фракционной перегонки. После перегонки его обычно восстанавливают сначала до трихлорсилана (HSiCl₃) газообразным водородом (гидрирование) или непосредственно используют в процессе Сименса, либо дополнительно восстанавливают до силана (SiH₄) и вводят в реактор с псевдоожиженным слоем.

Получаемый таким способом поликремний в больших количествах используется в фотоэлектронной промышленности в качестве пластин для обычных солнечных элементов, изготовленных из кристаллического кремния, а также в полупроводниковой промышленности.

Тетрахлорид кремния также можно использовать для получения коллоидного диоксида кремния. С этой целью тетрахлорид кремния высокой чистоты используется при производстве оптических волокон для оптоволоконных кабелей. В таком случае тетрахлорид кремния не должен содержать водородсодержащих примесей, таких как трихлорсилан. Оптические волокна изготавливаются в таких процессах, где тетрахлорид кремния окисляется до чистого оксида кремния(IV) под действием кислорода.

Тетрахлорид кремния используют в качестве сырья для изготовления кварцевого стекла.

Опасность и токсичность

Хотя сам четырёххлористый кремний является негорючим и термически стойким веществом, он чрезвычайно бурно реагирует с водой с образованием опасных высококонцентрированных паров соляной кислоты. Поэтому пары четырёххлористого кремния очень сильно раздражают верхние дыхательные пути и слизистые оболочки.

ПДК в рабочей зоне — 1 мг/м³; ЛД50 на крысах (ингаляция) — 102 мг/кг. В соответствии с ГОСТ 12.1.007-76 тетрахлорид кремния относится ко II классу опасности.

Примечания

1. David R. Lide, Jr. Basic laboratory and industrial chemicals (англ.): A CRC quick reference handbook — CRC Press, 1993. — ISBN 978-0-8493-4498-5
2. CRC Handbook of Chemistry and Physics (англ.) / David R. Lide, Jr. — 78 — United States: CRC Press, 1997. — P. 6—203. — ISBN 978-0-8493-0478-1
3. Walter Simmler. Silicon Compounds, Inorganic (англ.) // Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry / Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA. — Weinheim, Germany: Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2000-06-15. — ISBN 978-3-527-30673-2. — doi:10.1002/14356007.a24_001.. Архивировано 30 октября 2022 года.
4. Jöns Jakob Berzelius [Йёнс Якоб Берцелиус]. Undersökning af flusspatssyran och dess märkvärdigaste föreningar [Исследование плавиковой кислоты и её наиболее важных соединений]. — Stockholm [Стокгольм]: Kongliga Vetenskapsakademiens Nya Handlingar [Новые труды Королевской академии наук], 1824. — С. 57—58. — 509 с. Архивировано 24 апреля 2023 года.