Δισιλάνιο

Το δισιλάνιο (αγγλικά: disilane) είναι ανόργανη δυαδική ομοιοπολική χημική ένωση, που περιέχει πυρίτιο και υδρογόνο, και έχει μοριακό τύπο Si₂H₆. Ανήκει στα υδρίδια των χημικών στοιχείων της ομάδας 14, και ειδικότερα στα ανόργανα σιλάνια.

Δισιλάνιο
Γενικά
Όνομα IUPAC	Δισιλάνιο
Χημικά αναγνωριστικά
Χημικός τύπος	Si2H6
Μοριακή μάζα	62,2186 ± 0,001 amu
Αριθμός CAS	1590-87-0
SMILES	[SiH3][SiH3]
Δομή
Διπολική ροπή	0 D
Μήκος δεσμού	143 pm (Si-H) 222 pm (Si-Si)
Είδος δεσμού	ομοιοπολικός σ (1s-3sp3) (SiH) ομοιοπολικός σ (3sp3-3sp3) (Si-Si)
Πόλωση δεσμού	2% (Si+H-)
Γωνία δεσμού	109°28'
Μοριακή γεωμετρία	διτετραεδρική
Φυσικές ιδιότητες
Σημείο τήξης	-132,5 °C
Σημείο βρασμού	-14,5 °C
Πυκνότητα	690 kg/m³ (-25 °C) 2,66 kg/m³ (15 °C) 2,7 kg/m³
Διαλυτότητα στο νερό	Αδιάλυτο με αργή υδρόλυση
Εμφάνιση	Άχρωμο αέριο
Χημικές ιδιότητες
Εκτός αν σημειώνεται διαφορετικά, τα δεδομένα αφορούν υλικά υπό κανονικές συνθήκες περιβάλλοντος (25°C, 100 kPa).

Το χημικά καθαρό δισιλάνιο, στις «κανονικές συνθήκες περιβάλλοντος», δηλαδή σε θερμοκρασία 25 °C και υπό πίεση 1 atm, είναι άχρωμο αέριο, με ιδιαίτερα έντονη οσμή, που μάλλον μοιάζει με αυτήν της μούχλας, όπως και του σιλανίου.

Το δισιλάνιο είναι το πυριτιούχο ανάλογο του αιθανίου, με το οποίο έχει παρόμοια μοριακή δομή, παρόλο που το δισιλάνιο είναι πολύ πιο δραστικό χημικά, κυρίως εξαιτίας του ασθενούς του διαπυριτικού (Si-Si) δεσμού του. Είναι εξαιρετικά εύφλεκτο, και γι' αυτό επικίνδυνο στο χειρισμό του, εφόσον μπορεί να σχηματίζει εκρηκτικά μείγματα αν εκτεθεί στον αέρα. Επίσης, αντιδρά έντονα και με το νερό.

Μάλιστα, αντίθετα από το δομικά συγγενές του αιθάνιο, μπορεί να αναφλεγεί αυθόρμητα. Είναι επίσης ασφυκτικό αέριο. Είναι ακόμη τοξικό.

Το δισιλάνιο είναι αναγωγικό μέσο, εφόσον περιέχει υδρογόνο στην οξειδωτική βαθμίδα -1.

«Μητρικό» και «θυγατρικά» δισιλάνια

Ο όρος δισιλάνιο μπορεί, ακόμη να αναφέρεται, όχι μόνο στη «μητρική» ένωση, αλλά και σε άλλες «θυγατρικές» ενώσεις με γενικό τύπο Si₂R₆, όπου τα R, τα οποία δεν είναι αναγκαστικά τα ίδια, μπορεί να είναι υδρογόνο, αλογόνο, ή μονοσθενείς ανόργανες και οργανικές ρίζες. Επίσης δύο ή τρία R μπορεί να αντικατασταθούν από μια δισθενή ή τρισθενή ρίζα, αντιστοίχως, σχηματίζοντας έτσι και ετεροκυκλικά δισιλάνια.

Δομή

Η μοριακή δομή του ομοιάζει γεωμετρικά με αυτήν του αιθανίου. Ωστόσο, οι δεσμοί Si-Η είναι πολωμένοι κατά την έννοια Si^δ+-H^δ-, δηλαδή αντίθετα από τους δεσμούς C-Η του αιθανίου, που είναι πολωμένοι κατά την έννοια C^δ--H^δ+, γιατί το πυρίτιο έχει μικρότερη ηλεκτραρνητικότητα (1,90 κατά Paouling) από το υδρογόνο (2,20 κατά Paouling), ενώ ο άνθρακας μεγαλύτερη (2,55 κατά Paouling) από το υδρογόνο. Επίσης, ο δεσμός Si-Si είναι μακρύτερος (233 pm έναντι 154 pm) και ασθενέστερος (222 kJ/mol έναντι 346 kJ/mol) σε σύγκριση με το δεσμό C-C του αιθανίου.

Δεσμοί
Δεσμός	τύπος δεσμού	ηλεκτρονική δομή	Μήκος δεσμού	Ιονισμός	Ισχύς δεσμού
Si-H	σ	3sp³-1s	148 pm	3% Si+ H-	318 kJ/mol
Si-Si	σ	3sp³-3sp³	233 pm	0%	222 kJ/mol
Γωνίες
HSiH	109° 28'
HSiSi	109° 28'
Στατιστικό ηλεκτρικό φορτίο
Η (Si-H)	-0,03
Si	+0,09

Ιστορία

Ταυτοποιήθηκε για πρώτη φορά το 1902 από τους Χένρι Μόιζαν (Henri Moissan) και Σάμουελ Σμάιλς (Samuel Smiles). Οι επιστήμονες αυτοί ανέφεραν ότι το δισιλάνιο είναι ανάμεσα στα προϊόντα που σχηματίζονται με επίδραση διαλυμάτων οξέων σε (διάφορα) πυριτιούχα μέταλλα. Παρόλο που αυτές οι αντιδράσεις είχαν προηγουμένως ερευνηθεί από τους Φρέντριχ Βόχλερ (Friedrich Woehler) και Χάινριχ Μπουφφ (Heinrich Buff), κατά τη χρονική περίοδο 1857 - 1858, οι Χένρι Μόιζαν και Σάμουελ Σμάιλς ήταν οι πρώτοι που ταυτοποίησαν ειδικότερα το δισιλάνιο. Το ανέφεραν όμως ως «σιλικοαιθάνιο» (silicoethane). Ανώτερα μέλη της ομόλογης σειράς με γενικό τύπο Si_nH_2n+2 σχηματίστηκαν (επίσης) με τέτοιες αντιδράσεις και ακολούθως ταυτοποιήθηκαν από τους Καρλ Σομιέσκυ (Carl Somiesky) και Άλφερντ Στοκ (Alfred Stock).

Σύνθεση

1. Το δισιλάνιο συνήθως παράγεται με υδρόλυση πυριτιούχου μαγνησίου (Mg₂Si). Η αντίδραση παράγει μείγμα σιλανίου (SiH₄), δισιλανίου (Si₂H₆), ακόμη και τρισιλανίου (Si₃H₈). Η μέθοδος αυτή εγκαταλείφθηκε για την παραγωγή του σιλανίου, αλλά παραμένει (οικονομικά) βιώσιμη και για την παραγωγή του δισιλανίου:

$\mathrm {Mg_{2}Si+2H_{2}O{\xrightarrow {}}SiH_{4}+2MgO}$
$\mathrm {2Mg_{2}Si+4H_{2}O{\xrightarrow {}}Si_{2}H_{6}+4MgO+H_{2}}$
$\mathrm {3Mg_{2}Si+6H_{2}O{\xrightarrow {}}Si_{3}H_{8}+6MgO+2H_{2}}$

Η παρουσία ιχνών δισιλανίου είναι υπεύθυνη για την έντονη ευφλεκτότητα του σιλανίου που παράγεται με υδρόλυση, με την ίδια μέθοδο, κατ' αναλογία με την έντονη πυροφορικότητα της φωσφίνης όταν συμπεριέχει προμείξεις διφωσφίνης.

2. Επίσης, το δισιλάνιο παράγεται με θερμικό ή φωτοχημικό διμερισμό του σιλάνιου:

$\mathrm {2SiH_{4}{\xrightarrow[{\triangle }]{UV}}Si_{2}H_{6}+H_{2}}$

3. Η αναγωγή εξαχλωροδισιλανίου (Si₂Cl₆) από λιθιοαργιλιοϋδρίδιο αποδίδει δισιλάνιο με μέτρια απόδοση:

$\mathrm {2Si_{2}Cl_{6}+3LiAlH_{4}{\xrightarrow {0^{o}C}}2Si_{2}H_{6}+3LiCl+3AlCl_{3}}$

4. Γενικότερα, δισιλάνια, ιδιαίτερα τα «θυγατρικά», παράγονται με αναγωγικό «ζευγάρωμα» σιλυλοχλωριδίων. Για παράδειγμα:

$\mathrm {2R_{3}SiCl+2Na{\xrightarrow {}}R_{3}SiSiR_{3}+2NaCl}$

• Όπου τα R, που δεν είναι απαραίτητα ίδια, παριστάνουν διάφορες μονοσθενείς (ανόργανες ή οργανικές) ομάδες ή υδρογόνο.

Ιδιότητες και εφαρμογές

«Γκοφρέτα πυριτίου»

Το δισιλάνιο διασπάται με θέρμανση γύρω στους 640 °C (απουσία οξυγόνου), παράγοντας άμορφο πυρίτιο:

$\mathrm {Si_{2}H_{6}{\xrightarrow {>640^{o}C}}2Si+3H_{2}}$

Αυτή η διεργασία χρησιμοποιείται για την κατασκευή φωτοβολταϊκών συσκευών. Είναι ιδιαίτερα χρήσιμο για την παραγωγή «γκοφρετών πυριτίου».

Το δισιλάνιο αναφλέγεται εύκολα, σχηματίζοντας διοξείδιο του πυριτίου (SiO₂) και νερό (H₂O):

$\mathrm {Si_{2}H_{6}+{\frac {7}{2}}O_{2}{\xrightarrow {}}2SiO_{2}+3H_{2}O}$

Με την επαφή του με αλογόνα, με αλυδρογονάνθρακες, με οξυγόνο, με βάσεις και οξειδωτικά μέσα προκαλείται εκρηκτική αντίδραση.

Επίσης ανάγει διάφορα αντιδραστήρια, όπως για παράδειγμα:

1. Το υπερμαγγανικό κάλιο (KMnO₄) σε διοξείδιο του μαγγανίου (MnO₂).
2. Τα ιόντα Hg²⁺ σε Hg₂²⁺.
3. Τα ιόντα Fe³⁺ σε Fe²⁺.

Το δισιλάνιο είναι σταθερό σε ουδέτερο ή όξινο περιβάλλον, αλλά όχι και σε αλκαλικό:

$\mathrm {Si_{2}H_{6}+8OH^{-}{\xrightarrow {}}2[SiO_{4}]^{4-}+7H_{2}\uparrow }$

Το δισιλάνιο αντιδρά εκρηκτικά με τα αλογόνα, ακόμη και σε χαμηλές θερμοκρασίες, σχηματίζοντας αλογονοπαράγωγά του.