Установка для синтеза моноизотопного силана путем восстановления тетрафторида кремния гидридом кальция

 

Федеральное агенство по образованию

Министерство  образования и науки Российской Федерации

Нижегородский государственный университет имени  Н.И.Лобачевского

Химический  факультет

Кафедра неорганической химии 
 
 
 
 
 
 
 
 

УДК [546.28:541.44]:546.07

Установка для синтеза моноизотопного силана путем восстановления тетрафторида кремния гидридом кальция (Курсовая работа) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Заведующий  кафедрой:

д.х.н., проф., член-корр. РАН

М.Ф.Чурбанов 
 

Научный руководитель:

к.х.н., и.о. зав. лаб. ВОЧ ИХВВ РАН

А.Д.Буланов 
 

Исполнитель:

студент 4 курса дневного отделения

А.Ю.Лашков 
 
 

Нижний  Новгород, 2005 

      УДК [546.28:541.44]:546.07

      Лашков  А.Ю. Установка для синтеза моноизотопного силана по реакции взаимодействия тетрафторида кремния с гидридом кальция: Курсовая работа. – 23с., 1сх., 1рис., библ. 7источников 
 
 
 
 
 
 
 
 

Реферат

      В курсовой работе проведен литературный обзор, посвященный кремнию и его применению, методам получения гидрида кальция, свойствам, получению и применению тетрафторида кремния и силана.

      В экспериментальной части приведены схема и описание установки для синтеза силана из тетрафторида кремния и методика работы на установке.  
 
 
 
 
 

Ключевые  слова

Кремний, гидрид кальция, тетрафторид кремния, синтез силана.

Содержание

I. Литературный обзор. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

  1. Кремний  и его применение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

  2. Получение  гидрида кальция. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

  3. Тетрафторид  кремния. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

    3.1. Физические  и химические свойства. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

    3.2. Получение и применение тетрафторида кремния. . . . . . . . . . . . . . . . . .10

  4. Силан. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

    4.1. Физические  и химические свойства силана. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

      4.1.1. Термические превращения. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10

      4.1.2. Окисление. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11

      4.1.3. Взаимодействие с водой и  спиртами. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11

     4.1.4. Взаимодействие с галогенами, галогенпроизводными и

                 аммиаком. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .12                                                   

      4.1.5. Взаимодействие с органическими  соединениями. . . . . . . . . . . . . . . 12

    4.2. Получение  и применение силана. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

      4.2.1. Разложение силицидов металлов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .12

      4.2.2. Реакции диспропорционирования  триалкоксисиланов. . . . . . . . . . .13

      4.2.3. Восстановление галогенидов кремния гидридами металлов. . . . . . 13

      4.2.4. Применение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

II. Экспериментальная часть. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

1. Схема и техническое описание установки. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2. Методика работы  на установке. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17

   2.1. Загрузка  твердофазного реагента – гидрида кальция. . . . . . . . . . . . . .17

   2.2. Пуск  установки. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17

   2.3. Протекание  процесса синтеза силана. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .19

   2.4. Окончание  процесса синтеза силана. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .20

   2.5. Перегрузка  газообразного целевого продукта  из ловушек в прием- 

          ный баллон. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .20

   2.6. Выгрузка  твердофазного продукта реакции  из реактора. . . . . . . . . . . 21

III. Обсуждение результатов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

IV. Список использованных источников. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

I. Литературный обзор

1. Кремний и его  применение

     Кремний – химический элемент четвертой  группы периодической системы Д.И.Менделеева. Его порядковый номер 14, атомная масса 28.086.

     В 1811 году Гей-Люссак и Тенар выделили кремний по реакции SiF₄+4K→Si+4KF, но не изучили его свойств. Берцелиус в 1823 году получил элементный кремний из кремнефторида калия аналогичным путем по реакции K₂SiF₆+4K→6KF+Si, установил его элементную природу, изучил свойства и превратил сожжением в SiO₂, доказав сложность состава кремнезема. Берцелиус дал новому элементу название silicium, производное от латинского silex - кремень. Русское название «кремний» было принято в 1834 году.

     Кремний – второй по распространенности (после кислорода) элемент земной коры. Он не встречается в природе в элементном состоянии, а распространен главным образом в виде двуокиси, ее гидратов и силикатов и алюмосиликатов-солей кремневых и алюмокремневых кислот. SiO₂ имеет большое число кристаллических и аморфных разновидностей, из которых следует упомянуть кварц (наиболее чистая его природная разновидность -  горный хрусталь), тридимит, кристобалит, яшмы, опал. Кремний содержится во всех водах, как пресных, так и соленых; спектрально кремний обнаружен на солнце. Соединения кремния входят в состав тканей растений и животных, они содержатся в костях позвоночных животных, накапливаются в больших количествах морскими простейшими водорослями и животными организмами (диатомеи, радиолярии, кремневые губки). Состав соединений кремния, в виде которых он входит в растительные и животные организмы, а также роль их в жизнедеятельности растений и животных выяснены недостаточно.

      Элементный  кремний – кристаллическое металловидное  тело. Долгое время считалось, что кремний может быть получен в аморфном и кристаллическом состоянии. Однако «аморфный» кремний лишь мелкокристаллическая разновидность кубической модификации кремния.

     Плотность кремния 2.328 г/см³, температура плавления 1423˚C, температура кипения около 2600˚C. Твердость по шкале Мооса равна 7, по Бриннелю-240 кг/см².

     Кремний – полупроводник и используется как один из важнейших полупроводниковых материалов. Нормальный обратимый потенциал кремния не измерен из-за исключительно малой растворимости его соединений в воде. Электрические свойства кремния очень сильно зависят от наличия примесей. Дороговизна очистки кремния препятствует его использованию. Высокочистый кремний используют для солнечных батарей, для нужд радиоэлектроники и для других целей [1]. В настоящее время высокочистый кремний используется для реализации проекта «Авогадро» [2].

      Кремний окисляется при повышенных температурах, что затрудняет его введение в  сплавы. С галогенами кремний дает галогениды, причем фтор реагирует уже при комнатной температуре, с серой образует соединение SiS₂, с азотом – Si₃N₄. Соединения кремния с водородом – силаны – неустойчивы, самовоспламеняются на воздухе, высший их представитель Si₆H₁₄. Кремний образует силициды металлов состава Mg₂Si, Ca₂Si, MnSi₂, FeSi, CrSi, TiSi₂ и другие. С кислородом кремний дает один окисел SiO₂. Существование соединений, в которых кремний двухвалентен, подвергается сомнению. Однако полимеры (- SiO -)_x известны.

      Кремний растворяется в разбавленных растворах  щелочей при нагревании с выделением водорода, а также в смеси фтористоводородной и азотной кислот и анодно – в щелочах, фтористоводородной кислоте и ее солях. В присутствии органических растворителей растворение идет быстрее. При высоких температурах кремний растворяется во многих расплавленных металлах: олове, алюминии, литии, свинце, серебре и других.

      Заряд ядра атома кремния экранирован  вследствие большого радиуса атома, поэтому кремний отдает свои валентные  электроны. В соединениях кремний  четырехвалентен, по отношению к атомам и группам, имеющим большой заряд ядра и малый объем, его координационное число равно шести (OH^-, F^- и другие).

      В некоторых обменных реакциях (например, гидролиза хлорсиланов) кремний  образует промежуточные соединения, в которых он пятивалентен [1]. 

2. Получение гидрида  кальция

      Гидрид  кальция – белое кристаллическое  вещество с температурой плавления 816˚C, плотностью 1.902 г/см³, теплотой образования 45.1 ккал/моль. Технический продукт – белая пористая масса.

      Все способы получения гидрида кальция основаны на взаимодействии водорода с металлическим кальцием, который в некоторых случаях образуется в самом процессе гидрирования за счет восстановления соединений кальция. Взаимодействие кальция с водородом становится заметным при температуре 170 - 250˚C.

      Получение гидрида кальция, как правило, производится при температуре более низкой, чем температура плавления кальция (850˚C) и самого гидрида, т. е. гидрирование осуществляется в твердой фазе, тем не менее, оно проходит количественно. При более высоких температурах превращение неполное, вследствие начинающейся диссоциации гидрида. Реакция образования гидрида кальция является сильно экзотермической и сопровождается небольшим сжатием.

      Кинетика  гидрирования состоит из следующих  стадий:

      1. Индукционный период, во время которого на поверхности образуются центры кристаллизации гидрида кальция.

       2. Распространение реакции от  поверхности на некоторую глубину.

      3. Диффузия водорода через слой  образовавшегося гидрида кальция.

      Продолжительность индукционного периода уменьшается при повышении температуры, а также от некоторых добавок (например, натрия). Распространение реакции по поверхности идет с большой скоростью и зависит от величины удельной поверхности и температуры. При низких температурах, если применять крупные куски кальция, отвод тепла в глубину металла устраняет возможность перегрева; поэтому при гидрировании крупных брусков кальция спекания или же сплавления не наблюдается. При гидрировании измельченного кальция реакция на развитой поверхности идет с выделением большого количества тепла, что приводит к спеканию и плавлению кальция и гидрида.

        Скорость гидрирования зависит  от структуры кальция и наличия  примесей. Сублимированный кальций более рыхлый – он реагирует быстрее, чем сплавленный металл.

      Переплавленный  кальций в виде стружек без  добавок катализатора начинает взаимодействовать с водородом только при 400˚C. При 500˚C реакция идет быстрее; при 700˚C реакция развивается столь быстро, что происходит спекание, препятствующее дальнейшему поглощению водорода.

      Для предупреждения спекания стружек рекомендуется  разбавление водорода инертным газом (аргон, гелий), присутствие которого, помимо всего прочего, обеспечивает саморегулирование процесса, так как вблизи участков, где развивается интенсивная реакция, концентрация водорода в газовой смеси падает, что вызывает снижение скорости реакции в этом месте.