Piipohjaiset orgaaniset aineet ovat suuri joukko yhdisteitä. Toinen, yleisempi nimi niille on silikonit. Organopiiyhdisteiden valikoima kasvaa jatkuvasti. Niitä käytetään lähes kaikilla ihmisen toiminnan aloilla - astronautiikasta lääketieteeseen. Niihin perustuvilla materiaaleilla on korkeat tekniset ja kuluttajaominaisuudet.
Yleinen käsite
Organopiiyhdisteet ovat yhdisteitä, joissa piin ja hiilen välillä on sidos. Ne voivat sisältää myös muita kemiallisia lisäelementtejä (happea, halogeeneja, vetyä ja muita). Tässä suhteessa tälle aineryhmälle on ominaista laaja valikoima ominaisuuksia ja sovelluksia. Toisin kuin muilla orgaanisilla yhdisteillä, piiorgaanisilla yhdisteillä on paremmat suorituskykyominaisuudet ja suurempi turvallisuus ihmisten terveydelle sekä niitä hankittaessa että käytettäessä.niistä tehty.
Heidän tutkimuksensa alkoi XIX-luvulla. Piitetrakloridi oli ensimmäinen syntetisoitu aine. Saman vuosisadan 20-90-luvun aikana saatiin monia tämän tyyppisiä yhdisteitä: silaaneja, eettereitä ja ortopiihapon substituoituja estereitä, alkyylikloorisilaaneja ja muita. Piin ja tavallisten orgaanisten aineiden joidenkin ominaisuuksien samank altaisuus on johtanut väärään käsitykseen pii- ja hiiliyhdisteiden olevan täysin identtisiä. Venäläinen kemisti D. I. Mendelejev osoitti, että näin ei ole. Hän totesi myös, että pii-happiyhdisteillä on polymeerinen rakenne. Tämä ei ole tyypillistä orgaanisille aineille, joissa hapen ja hiilen välillä on sidos.
Luokittelu
Organopiiyhdisteet ovat orgaanisten ja organometallisten välissä. Niistä erotetaan kaksi suurta aineryhmää: pieni molekyylipaino ja suuri molekyylipaino.
Ensimmäisessä ryhmässä piivedyt toimivat alkuyhdisteinä, ja loput ovat niiden johdannaisia. Näitä ovat seuraavat aineet:
- silaanit ja sen homologit (disilaani, trisilaani, tetrasilaani);
- substituoidut silaanit (butyylisilaani, tert-butyylisilaani, isobutyylisilaani);
- Ortospiihapon eetterit (tetrametoksisilaani, dimetoksidietoksisilaani);
- ortopiihapon haloesterit (trimetoksikloorisilaani, metoksietoksidikloorisilaani);
- ortopiihapon substituoidut esterit (metyylitrietoksisilaani, metyylifenyylidietoksisilaani);
- alkyyli-(aryyli)halosilaanit (fenyylitrikloorisilaani);
- organosilaanien hydroksyylijohdannaiset(dihydroksidietyylisilaani, hydroksimetyylietyylifenyylisilaani);
- alkyyli-(aryyli)aminosilaanit (diaminometyylifenyylisilaani, metyyliaminotrimetyylisilaani);
- alkoksi-(aryylioksi)aminosilaanit;
- alkyyli-(aryyli)aminohalosilaanit;
- alkyyli-(aryyli)-iminosilaanit;
- isosyanaatit, tioisosyanaatit ja piitioeetterit.
Suurimolekyylipainoiset orgaaniset piiyhdisteet
Makromolekyylisten orgaanisten yhdisteiden luokittelun perustana on polymeeripiivety, jonka rakennekaavio on esitetty alla olevassa kuvassa.
Seuraavat aineet kuuluvat tähän ryhmään:
- alkyyli-(aryyli)polysilaanit;
- organopolyalkyyli-(polyaryyli)silaanit;
- polyorganosiloksaanit;
- polyorganoalkyleeni-(fenyleeni)siloksaanit;
- polyorganometallosiloksaanit;
- metalloidsilaaniketjupolymeerit.
Kemialliset ominaisuudet
Koska nämä aineet ovat hyvin erilaisia, on vaikea määrittää yleisiä kuvioita piin ja hiilen väliselle sidokselle.
Orgaanisten piiyhdisteiden tunnusomaisimmat ominaisuudet ovat:
- Kohotettujen lämpötilojen kestävyys määräytyy orgaanisen radikaalin tai muiden Si-atomiin liittyvien ryhmien tyypin ja koon mukaan. Tetrasubstituoiduilla silaaneilla on paras lämpöstabiilisuus. Niiden hajoaminen alkaa 650-700 °C:n lämpötilassa. Polydimetyylisiloksylaanit tuhoutuvat 300 °C:n lämpötilassa. Tetraetyylisilaani ja heksaetyylidisilaani hajoavat kuumennettaessa pitkään 350 °C:n lämpötilassa,tässä tapauksessa 50 % etyyliradikaalista eliminoituu ja etaania vapautuu.
- Kemiallinen kestävyys happoja, emäksiä ja alkoholeja vastaan riippuu piiatomiin liittyvän radikaalin rakenteesta ja aineen koko molekyylistä. Siten hiilen sidos piin kanssa alifaattisissa substituoiduissa estereissä ei tuhoudu, kun se altistetaan väkevälle rikkihapolle, kun taas sekaalkyyli-(aryyli)substituoiduissa estereissä samoissa olosuhteissa fenyyliryhmä lohkeaa. Siloksaanisidoksilla on myös suuri lujuus.
- Pii-orgaaniset yhdisteet kestävät suhteellisen emäksiä. Niiden tuhoutuminen tapahtuu vain ankarissa olosuhteissa. Esimerkiksi polydimetyylisiloksaaneissa metyyliryhmien pilkkoutumista havaitaan vain yli 200 °C:n lämpötiloissa ja paineen alaisena (autoklaavissa).
Makromolekyyliyhdisteiden ominaisuudet
Piipohjaisia makromolekyylisiä aineita on useita tyyppejä:
- monofunktionaalinen;
- difunktionaalinen;
- kolmitoiminen;
- nelitoiminen.
Yhdistämällä nämä yhdisteet, saat:
- disiloksaanijohdannaiset, jotka ovat useimmiten nestemäisiä yhdisteitä;
- sykliset polymeerit (öljyiset nesteet);
- elastomeerit (polymeerit, joiden lineaarinen rakenne koostuu useista kymmenistä tuhansista monomeereistä ja joilla on suuri molekyylipaino);
- polymeerejä, joilla on lineaarinen rakenne, jossa päätyryhmiäorgaanisten radikaalien (öljyjen) estämä.
Hartsit, joiden metyyliradikaalin ja piin suhde on 1,2-1,5, ovat värittömiä kiinteitä aineita.
Seuraavat ominaisuudet ovat tyypillisiä suurimolekyylisille orgaanisille piiyhdisteille:
- lämmönkesto;
- hydrofobisuus (veden tunkeutumiskestävyys);
- korkea dielektrinen suorituskyky;
- vakioviskositeettiarvon ylläpitäminen laajalla lämpötila-alueella;
- kemiallinen stabiilisuus jopa voimakkaiden hapettimien läsnä ollessa.
Silaanien fysikaaliset ominaisuudet
Koska nämä aineet ovat rakenteeltaan ja koostumukseltaan hyvin heterogeenisia, rajoitamme kuvaamaan yhteen yleisimmistä ryhmistä eli silaaneista kuuluvia organopiiyhdisteitä.
Monosilane ja disilane (SiH4 ja Si2H4) normaalisti olosuhteet ovat kaasuja, joilla on epämiellyttävä haju. Veden ja hapen puuttuessa ne ovat kemiallisesti melko stabiileja.
Tetrasilaani ja trisilaani ovat haihtuvia myrkyllisiä nesteitä. Pentasilaani ja heksasilaani ovat myös myrkyllisiä ja kemiallisesti epävakaita.
Nämä aineet liukenevat hyvin alkoholeihin, bensiiniin ja hiilidisulfidiin. Jälkimmäisen tyyppisillä ratkaisuilla on suuri räjähdysvaara. Yllä olevien yhdisteiden sulamispiste vaihtelee välillä -90 °C (tetrasilaani) -187 °C (trisilaani).
Vastaanota
Radikaalien lisääminen Si:hen etenee eri tavalla ja riippuu lähtöaineen ominaisuuksista ja olosuhteista, joissa synteesi tapahtuu. Jonkin verranpiin yhdisteitä orgaanisten aineiden kanssa voidaan valmistaa vain ankarissa olosuhteissa, kun taas toiset reagoivat helpommin.
Silaanisidoksiin perustuvien orgaanisten piiyhdisteiden saaminen suoritetaan hydrolysoimalla alkyyli- (tai aryyli)kloorioksisilaaneja (tai alkoksisilaaneja), mitä seuraa silanolien polykondensaatio. Tyypillinen reaktio on esitetty alla olevassa kuvassa.
Polykondensaatio voi edetä kolmeen suuntaan: muodostamalla lineaarisia tai syklisiä yhdisteitä, saamalla verkostomaisia tai spatiaalisia rakenteita. Syklisilla polymeereillä on suurempi tiheys ja viskositeetti kuin niiden lineaarisilla vastineilla.
Makromolekyyliyhdisteiden synteesi
Orgaaniset hartsit ja piipohjaiset elastomeerit valmistetaan monomeerien hydrolyysillä. Tämän jälkeen hydrolyysituotteet kuumennetaan ja katalyyttejä lisätään. Kemiallisten muutosten seurauksena vapautuu vettä (tai muita aineita) ja muodostuu monimutkaisia polymeerejä.
Happea sisältävät orgaaniset piiyhdisteet ovat alttiimpia polymeroitumiselle kuin vastaavat hiilipohjaiset yhdisteet. Pii sitä vastoin pystyy pitämään sisällään 2 tai useampia hydroksyyliryhmiä. Mahdollisuus muodostaa silloitettuja polymeerimolekyylejä syklisistä riippuu pääasiassa orgaanisen radikaalin koosta.
Analyysi
Orgaanisten piiyhdisteiden analyysiä suoritetaan useisiin suuntiin:
- Fysikaalisten vakioiden (sulamispiste, kiehumispiste ja muut ominaisuudet) määrittäminen.
- Laadullinen analyysi. Tämän tyyppisten yhdisteiden havaitsemiseksi lakoista, öljyistä ja hartseista testinäyte sulatetaan natriumkarbonaatin kanssa, uutetaan vedellä ja käsitellään sitten ammoniummolybdaatilla ja bentsidiinillä. Jos organopiitä on läsnä, näyte muuttuu siniseksi. On muitakin tapoja havaita.
- Kvantitatiivinen analyysi. Organopiiyhdisteiden kvalitatiivisissa ja kvantitatiivisissa tutkimuksissa käytetään infrapuna- ja emissiospektroskopiamenetelmiä. Myös muita menetelmiä käytetään - sooli-geelianalyysi, massaspektroskopia, ydinmagneettinen resonanssi.
- Yksityiskohtainen fysikaalinen ja kemiallinen tutkimus.
Valmistetaan aineen eristäminen ja puhdistus. Kiinteissä koostumuksissa yhdisteiden erottelu tapahtuu niiden erilaisen liukoisuuden, kiehumispisteen ja kiteytymisen perusteella. Kemiallisesti puhtaiden orgaanisten piiyhdisteiden eristys suoritetaan usein jakotislauksella. Nestefaasit erotetaan erotussuppilolla. Kaasuseoksille käytetään absorptiota tai nesteyttämistä matalissa lämpötiloissa ja fraktiointia.
Hakemus
Orgaanisten piiyhdisteiden valikoima on erittäin laaja:
- teknisten nesteiden valmistus (voiteluöljyt, tyhjiöpumppujen käyttönesteet, vaseliini, tahnat, emulsiot, vaahdonestoaineet ja muut);
- kemianteollisuus - käyttö stabilointiaineina, modifiointiaineina, katalyytteinä;
- maali- ja lakkateollisuus - lisäaineet lämpöä kestävien, korroosionestopinnoitteiden valmistukseen metallille, betonille, lasille ja muille materiaaleille;
- ilmailutekniikka - puristusmateriaalit, hydraulinesteet, jäähdytysnesteet, jäänestoaineet;
- sähkötekniikka - hartsien ja lakkojen, integroitujen piirien suojamateriaalien valmistus;
- koneteollisuus - kumituotteiden, -yhdisteiden, voiteluaineiden, tiivisteiden, liimojen tuotanto;
- kevyt teollisuus - tekstiilikuitujen modifiointiaineet, nahka, keinonahka; vaahdonestoaineet;
- lääketeollisuus - materiaalien valmistus proteeseihin, immunostimulantteihin, adaptogeeneihin, kosmetiikkaan.
Tällaisten aineiden etuja ovat se, että niitä voidaan käyttää erilaisissa olosuhteissa: trooppisessa ja kylmässä ilmastossa, korkeassa paineessa ja tyhjiössä, korkeissa lämpötiloissa ja säteilyssä. Niihin perustuvia korroosionestopinnoitteita käytetään lämpötila-alueella -60 - +550 °С.
Karja
Organopiiyhdisteiden käyttö karjanhoidossa perustuu siihen, että pii osallistuu aktiivisesti luiden ja sidekudosten muodostumiseen, aineenvaihduntaprosesseihin. Tämä hivenaine on elintärkeä lemmikkien kasvulle ja kehitykselle.
Kuten näyttääTutkimusten mukaan orgaanisia piiaineita sisältävien lisäaineiden lisääminen siipikarjan ja karjan ruokavalioon lisää elopainoa, pienentää kuolleisuutta ja rehukustannuksia kasvuyksikköä kohti sekä lisää typen, kalsiumin ja fosforin aineenvaihduntaa. Tällaisten lääkkeiden käyttö lehmillä auttaa myös ehkäisemään synnytyssairauksia.
Tuotanto Venäjällä
Johtava orgaanisten piiyhdisteiden kehittäjä Venäjällä on GNIIChTEOS. Tämä on integroitu tieteellinen keskus, joka harjoittaa teollisten teknologioiden luomista piin, alumiinin, boorin, raudan ja muiden kemiallisten alkuaineiden valmistukseen perustuvien yhdisteiden valmistamiseksi. Tämän organisaation asiantuntijat ovat kehittäneet ja ottaneet käyttöön yli 400 organopiimateriaalia. Yrityksellä on niiden tuotantoa varten koetehdas.
Venäjä on kuitenkin piipohjaisten orgaanisten yhdisteiden tuotannon globaalissa kehitysdynamiikassa paljon muita maita huonompi. Joten viimeisen 20 vuoden aikana Kiinan teollisuus on lisännyt näiden aineiden tuotantoa lähes 50 kertaa ja Länsi-Eurooppa - 2 kertaa. Tällä hetkellä orgaanisten piiyhdisteiden tuotantoa Venäjällä harjoittaa KZSK-Silicon, JSC Altaihimprom, Redkinsky Pilot Plant, JSC Khimprom (Chuvash Republic), JSC Silan.
