Silà (compost)

Silà
Substància química	tipus d'entitat química
Massa molecular	32,008 Da
Trobat en el tàxon	cúrcuma
Estructura química
Fórmula química	H₄Si
SMILES canònic	Model 2D; [SiH4]
Identificador InChI	Model 3D
Propietat
Moment dipolar elèctric	0 D
Punt de fusió	−185 °C ; −185 °C
Punt d'ebullició	−112 °C (a 760 Torr); −112 °C (a 101,325 kPa)
Moment dipolar elèctric	0 D
Pressió de vapor	1 atm (a 20 °C)
Perill
Límit d'exposició mitjana ponderada en el temps	7 mg/m³ (10 h, cap valor)
	NFPA 704: Standard System for the Identification of the Hazards of Materials for Emergency Response ()
Altres
	gas inflamable

El silà o tetrahidrur de silici és un compost químic la fórmula del qual és ${\ce {SiH4}}$ . És l'anàleg del metà, però derivat del silici. A temperatura ambient el silà és un gas pirofòric —entra en combustió espontàniament en la presència d'aire sense necessitat d'una font d'ignició—. Per sobre dels 420 °C el silà es descompon en silici i hidrogen i, per tant, pot ser emprat en la deposició química de vapor de silici.

Història

El 1857, els químics alemanys Johann Heinrich Buff (1805–1878) i Friedrich Wöhler (1800–1882) realitzaven experiments electroquímics amb silici que tenia alumini com impuresa, i observaren la formació d'un gas que contenia silici i hidrogen, ${\ce {SiHCl3}}$ .^[1] El següent any, Wöhler sintetitzà silà ${\ce {SiH4}}$ , fent reaccionar silicur de magnesi ${\ce {Mg2Si}}$ amb àcid clorhídric, i realitzà previsions de les seves propietats a partir de la química dels hidrocarburs.^[2]^[3] La síntesi de Wöhler fou:

${\ce {Mg2Si + 4 HCl -> SiH4 + 2 MgCl2}}$

La producció de silà agafà força durant la dècada del 1960 a causa del seu ús en la fabricació de dielèctrics per deposicions de diòxid de silici i de nitrur de silici, i en la fabricació de semiconductors. Aleshores, el silà s'obtenia per mitjà de la reacció entre el tetraclorur de silici ${\ce {SiCl4}}$ i el fluorur de liti ${\ce {LiF}}$ :^[4]

${\ce {SiCl4 + 4 LiF -> SiH4 + 4 LiCl}}$

Al Japó s'emprà una altra ruta de síntesi a partir de silicur de magnesi i clorur d'amoni. En la dècada del 1970, el govern dels EUA inicià un programa per a l'obtenció d'energia solar, per la qual cosa se cercaren rutes eficients per sintetitzar silà. Finalment, s'elegí el procés de la Union Carbide, que és l'utilitzat actualment.^[4]

Propietats

Propietats físiques

El silà és un gas incolor, inflamable i verinós, amb una forta olor repulsiva. El seu punt de fusió és de –185 °C i el d'ebullició –112 °C. És un poc més dens que l'aire, essent la seva densitat 1,44 g/L. Es descompon ràpidament a 500 °C i lentament a 250 °C alliberant hidrogen i dipositant silici pur sobre les superfícies.^[5]

${\ce {SiH4 ->[700 \, ^oC] Si + 2H2}}$

Propietats químiques

El silà és un compost que s'encén fàcilment a l'aire i reacciona amb agents oxidants. Reacciona amb l'oxigen per donar diòxid de silici ${\ce {SiO2}}$ i aigua, amb un despreniment de 1 364 kJ/mol. És una reacció que s'empra en la indústria electrònica per dipositar una fina capa de diòxid de silici, per exemple en recobriments dels panells solars:^[6]

${\ce {SiH4(g) + 2 O2(g) -> SiO2(s) + 2 H2O(g)}}$

Amb l'amoníac ${\ce {NH3}}$ el silà dona nitrur de silici ${\ce {Si3N4}}$ i hidrogen segons la reacció següent que s'empra per dipositar fines capes d'aquest compost en microelectrònica:^[7]

${\ce {3 SiH4(g) + 4 NH3(g) -> Si3N4(s) + 12 H2(g)}}$

Producció

En l'àmbit industrial el silà és fabricat mitjançant dos processos, el de la Union Carbide i el de l'Ethyl Corporation.

Procés de la Union Carbide

En aquest procés de l'empresa Union Carbide, es fa reaccionar tetraclorur de silici ${\ce {SiCl4}}$ , hidrogen ${\ce {H2}}$ i silici sòlid, emprant com a catalitzador coure. Les etapes són:^[8] ${\ce {3 SiCl4 + 2 H2 + Si -> 4 SiHCl3}}$ ${\ce {2 SiHCl3 -> SiH2Cl2 + SiCl4}}$ ${\ce {2 SiH2Cl2 -> SiH3Cl + SiHCl3}}$ ${\ce {2 SiH3Cl -> SiH4 + SiH2Cl2}}$

Procés de l'Ethyl Corporation

La indústria dels fertilitzants produeix com a subproducte l'àcid hexafluorosilícic ${\ce {H2SiF6}}$ . En el procés de l'Ethyl Corporation s'aprofita aquest compost i se'l descompon amb àcid sulfúric, que dona silà i tetrafluorur de silici ${\ce {SiF4}}$ . Seguidament, es fa reaccionar el tetrafluorur de silici amb hidrur d'alumini i sodi ${\ce {NaAlH4}}$ i s'obté el silà i fluorur d'alumini i sodi ${\ce {NaAlF4}}$ :^[9]

${\ce {H2SiF6 ->[H2SO4] SiF4 + 2 HF}}$ ${\ce {SiF4 + NaAlH4 -> SiH4 + NaAlF4}}$

Aplicacions

L'aplicació més important del silà és la formació de capes de silici policristal·lí a oblies de silici quan es fabriquen semiconductors i segelladors. La indústria dels semiconductors utilitzà unes 300 tones/any de silà a finals de la dècada de 1990. Més recentment, un creixement en la fabricació de cel·les solars fotovoltaiques de baix cost ha provocat un consum substancial de silà per dipositar mitjançant la tècnica anomenada deposició de vapor químic millorat amb plasma (PECVD) silici amorf hidrogenat sobre vidre i altres substrats com metalls i plàstics. El procés PECVD és relativament ineficient a l'hora de fer servir els materials, ja que es malbarata aproximadament el 85 % del silà. Per reduir aquests residus i la petjada ecològica de les cèl·lules solars basades en silici amorf hidrogenat, s'han desenvolupat diversos esforços de reciclatge.^[10]

El silà també s'usa en els estatoreactors de combustió supersònica per iniciar la combustió en el corrent d'aire comprimit. Com que pot cremar fent ús de diòxid de carboni com a oxidant, és un combustible candidat per als motors que operen a Mart.^[10]

El silà i compostos similars que contenen enllaços Si-H es fan servir com a agents reductors en la química orgànica i organometàl·lica.^[10]

Referències

↑ Buff, H.; Wöhler, F. «Ueber neue Verbindungen des Siliciums». Annalen der Chemie und Pharmacie, 104, 1, 1857, pàg. 94–109. DOI: 10.1002/jlac.18571040108. ISSN: 0075-4617.
↑ Hiyama, Tamejiro; Oestreich, Martin. Organosilicon chemistry: novel approaches and reactions. Weinheim, Germany: John Wiley & Sons, 2020. ISBN 978-3-527-34453-6.
↑ Wöhler, F. «Ueber das Silicium - Mangan». Annalen der Chemie und Pharmacie, 106, 1, 1858, pàg. 54–59. DOI: 10.1002/jlac.18581060107. ISSN: 0075-4617.
↑ ^4,0 ^4,1 Kenneth A. Jackson. Silicon devices: structures and processing. Weinheim: Wiley-VCH, 1998. ISBN 978-3-527-61180-5.
↑ PubChem. «Silane» (en anglès). [Consulta: 14 febrer 2022].
↑ Yoshio Nishi, Robert Doering. Handbook of semiconductor manufacturing technology. 2a edició. Boca Raton: CRC Press, 2008. ISBN 978-1-4200-1766-3.
↑ Fridman, A. Plasma Chemistry. Cambridge University Press, 2008. ISBN 9781139471732.
↑ A. K. Tyagi. Handbook on synthesis strategies for advanced materials. Volume-III, Materials specific synthesis strategies. Singapore: Springer, 2021. ISBN 978-981-16-1892-5.
↑ Seshadri Seetharaman. Treatise on process metallurgy. Volume 3, Industrial processes, 2014. ISBN 978-0-08-096989-3.
↑ ^10,0 ^10,1 ^10,2 «SiH4 Gas Silane Gas As Electronic Gases». [Consulta: 15 febrer 2022].

Enllaços externs

A Wikimedia Commons hi ha contingut multimèdia relatiu a: Silà

[1] Buff, H.; Wöhler, F. «Ueber neue Verbindungen des Siliciums». Annalen der Chemie und Pharmacie, 104, 1, 1857, pàg. 94–109. DOI: 10.1002/jlac.18571040108. ISSN: 0075-4617.

[2] Hiyama, Tamejiro; Oestreich, Martin. Organosilicon chemistry: novel approaches and reactions. Weinheim, Germany: John Wiley & Sons, 2020. ISBN 978-3-527-34453-6.

[3] Wöhler, F. «Ueber das Silicium - Mangan». Annalen der Chemie und Pharmacie, 106, 1, 1858, pàg. 54–59. DOI: 10.1002/jlac.18581060107. ISSN: 0075-4617.

[:0-4] 4,0 ^4,1 Kenneth A. Jackson. Silicon devices: structures and processing. Weinheim: Wiley-VCH, 1998. ISBN 978-3-527-61180-5.

[5] PubChem. «Silane» (en anglès). [Consulta: 14 febrer 2022].

[6] Yoshio Nishi, Robert Doering. Handbook of semiconductor manufacturing technology. 2a edició. Boca Raton: CRC Press, 2008. ISBN 978-1-4200-1766-3.

[7] Fridman, A. Plasma Chemistry. Cambridge University Press, 2008. ISBN 9781139471732.

[8] A. K. Tyagi. Handbook on synthesis strategies for advanced materials. Volume-III, Materials specific synthesis strategies. Singapore: Springer, 2021. ISBN 978-981-16-1892-5.

[9] Seshadri Seetharaman. Treatise on process metallurgy. Volume 3, Industrial processes, 2014. ISBN 978-0-08-096989-3.

[:1-10] 10,0 ^10,1 ^10,2 «SiH4 Gas Silane Gas As Electronic Gases». [Consulta: 15 febrer 2022].

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]