પુનરાવર્તન માર્ગદર્શિકા: સિલિકોન (Si) ના મહત્વપૂર્ણ સંયોજનો

સિલિકોન (Si) ના મુખ્ય સંયોજનોનો પરિચય

સિલિકોન (Si), ગ્રુપ 14 માં એક મેટલોઇડ તત્વ, પૃથ્વીના પોપડામાં બીજું સૌથી વધુ વિપુલ પ્રમાણમાં જોવા મળતું તત્વ છે, જે મુખ્યત્વે સિલિકોન ડાયોક્સાઇડ અને સિલિકેટ્સ તરીકે જોવા મળે છે. તેની ચતુર્સંયોજકતા તેને મજબૂત સહસંયોજક બંધ બનાવવામાં સક્ષમ બનાવે છે, જેના કારણે ભૂસ્તરશાસ્ત્ર, ઉદ્યોગ અને સામગ્રી વિજ્ઞાનમાં મહત્ત્વપૂર્ણ એવા વિવિધ સંયોજનો બને છે. આ માર્ગદર્શિકા ઉચ્ચ શાળા રસાયણ વિજ્ઞાનમાં સૌથી વધુ પરીક્ષણ કરાયેલા સિલિકોન સંયોજનો પર ધ્યાન કેન્દ્રિત કરે છે.

સિલિકોન ડાયોક્સાઇડ (SiO₂)

• રાસાયણિક સૂત્ર: SiO₂
• સામાન્ય નામ: સિલિકા (મુખ્ય સ્ફટિકમય સ્વરૂપોમાં ક્વાર્ટ્ઝ, ક્રિસ્ટોબેલાઇટ, ટ્રાઈડિમાઈટ શામેલ છે)

પ્રયોગશાળામાં બનાવટ

જ્યારે સિલિકા પ્રકૃતિમાં વિપુલ પ્રમાણમાં જોવા મળે છે, ત્યારે શુદ્ધ અથવા વિશિષ્ટ સ્વરૂપો તૈયાર કરી શકાય છે. એક પદ્ધતિ જેનો વારંવાર ઉલ્લેખ કરવામાં આવે છે તેમાં સિલિકોન ટેટ્રાક્લોરાઇડનું જળવિભાજન શામેલ છે.

સંતુલિત રાસાયણિક સમીકરણ: SiCl₄(l) + 2H₂O(l) → SiO₂(s) + 4HCl(g)

ગુણધર્મો

1. ભૌતિક પ્રકૃતિ: સ્ફટિકમય ઘન, અત્યંત કઠિન અને બરડ. તેની રચના એક વિશાળ સહસંયોજક નેટવર્ક છે, જે હીરા જેવું જ છે, જ્યાં દરેક સિલિકોન પરમાણુ ચાર ઓક્સિજન પરમાણુઓ સાથે ટેટ્રાહેડ્રલી રીતે જોડાયેલું હોય છે, અને દરેક ઓક્સિજન પરમાણુ બે સિલિકોન પરમાણુઓ સાથે જોડાયેલું હોય છે.
2. ગલનબિંદુ: નેટવર્કમાં મજબૂત Si-O સહસંયોજક બંધને કારણે ખૂબ ઊંચું (~1710 °C).
3. દ્રાવ્યતા: પાણી અને મોટાભાગના એસિડમાં અદ્રાવ્ય.
4. રાસાયણિક પ્રકૃતિ: એસિડિક ઓક્સાઇડ.
5. પ્રતિક્રિયાત્મકતા:
   • હાઇડ્રોજન ફ્લોરાઇડ (HF) સાથે પ્રતિક્રિયા: સિલિકા હાઇડ્રોફ્લોરિક એસિડ સાથે પ્રતિક્રિયા કરીને સિલિકોન ટેટ્રાફ્લોરાઇડ બનાવે છે. આ પ્રતિક્રિયાનો ઉપયોગ કાચને કોતરવા (etching glass) માટે થાય છે. SiO₂(s) + 4HF(aq) → SiF₄(g) + 2H₂O(l)
   • ગરમ સાંદ્ર આલ્કલીસ સાથે પ્રતિક્રિયા: દ્રાવ્ય સિલિકેટ્સ બનાવવા માટે પ્રબળ બેઇઝ સાથે પ્રતિક્રિયા કરે છે. SiO₂(s) + 2NaOH(aq) → Na₂SiO₃(aq) + H₂O(l) (સોડિયમ મેટાસિલિકેટ)
   • ધાતુ ઓક્સાઇડ્સ સાથે પ્રતિક્રિયા (ઊંચા તાપમાને): કાચ અને સિરામિક ઉત્પાદનનો આધાર. SiO₂(s) + CaO(s) --(heat)--> CaSiO₃(s) (કેલ્શિયમ મેટાસિલિકેટ)

સિલિકોન્સ

સિલિકોન્સ એ કૃત્રિમ ઓર્ગેનોસિલિકોન પોલિમરનો એક વર્ગ છે જે પોલિસિલોક્સેન બેકબોન (Si-O-Si-O-…) દ્વારા વર્ગીકૃત થયેલ છે જેમાં સિલિકોન પરમાણુઓ સાથે કાર્બનિક જૂથો (R) જોડાયેલા હોય છે. તેમનું સામાન્ય સૂત્ર (R₂SiO)n છે.

બનાવટ પ્રક્રિયા

સિલિકોન્સનું ઉત્પાદન આલ્કિલ હેલાઇડ્સથી શરૂ કરીને, અનેક પગલાઓમાં થાય છે.

પગલું 1: આલ્કિલ ક્લોરોસિલેન્સનું સંશ્લેષણ આલ્કિલ હેલાઇડ્સ સિલિકોન પાઉડર સાથે કોપર ઉત્પ્રેરકની હાજરીમાં ઊંચા તાપમાને (રોચો પ્રક્રિયા) પ્રતિક્રિયા આપે છે. મુખ્ય ઉત્પાદન ડાયલ્કિલ ડાયક્લોરોસિલેન છે.

2RCl(g) + Si(s) --(Cu catalyst, heat)--> R₂SiCl₂(g) મિથાઈલ ક્લોરાઈડ સાથે ઉદાહરણ: 2CH₃Cl(g) + Si(s) --(Cu, 300°C)--> (CH₃)₂SiCl₂(g) (ડાયમિથાઈલ ડાયક્લોરોસિલેન) અન્ય ક્લોરોસિલેન્સ જેવા કે RSiCl₃ અને R₃SiCl પણ બને છે અને તેમને આંશિક નિસ્યંદન દ્વારા અલગ કરવામાં આવે છે.

પગલું 2: આલ્કિલ ક્લોરોસિલેન્સનું જળવિભાજન આલ્કિલ ક્લોરોસિલેન્સ જળવિભાજનમાંથી પસાર થાય છે, જ્યાં ક્લોરિન પરમાણુઓને હાઈડ્રોક્સિલ (-OH) જૂથો દ્વારા બદલવામાં આવે છે, જે સિલેનોલ્સ બનાવે છે.

• ડાયલ્કિલ ડાયક્લોરોસિલેનમાંથી: ડાયોલ બનાવે છે. R₂SiCl₂(l) + 2H₂O(l) → R₂Si(OH)₂(aq) + 2HCl(aq)
• આલ્કિલ ટ્રાયક્લોરોસિલેનમાંથી: ટ્રાયોલ બનાવે છે. RSiCl₃(l) + 3H₂O(l) → RSi(OH)₃(aq) + 3HCl(aq)
• ટ્રાયલ્કિલ ક્લોરોસિલેનમાંથી: મોનો-ઓલ બનાવે છે. R₃SiCl(l) + H₂O(l) → R₃SiOH(aq) + HCl(aq)

પગલું 3: પોલીમરાઈઝેશન (સંઘનન) સિલેનોલ મોનોમર્સ સંઘનન પામે છે, પાણીના અણુઓને દૂર કરે છે, Si-O-Si કડીઓ બનાવે છે, જે સિલિકોન પોલિમરની રચના તરફ દોરી જાય છે.

• રેખીય સિલિકોન્સ: R₂Si(OH)₂ એકમોમાંથી બને છે. n R₂Si(OH)₂ → [-O-Si(R)₂-]n + n H₂O શૃંખલાની લંબાઈને જળવિભાજન દરમિયાન R₃SiCl ઉમેરીને નિયંત્રિત કરવામાં આવે છે, કારણ કે R₃SiOH એકમો શૃંખલા સમાપ્તિ કરનાર (chain terminators) તરીકે કાર્ય કરે છે.

• ક્રોસ-લિંક્ડ સિલિકોન્સ: RSi(OH)₃ એકમોમાંથી બને છે, જેના પરિણામે શાખાયુક્ત અથવા નેટવર્કવાળા પોલિમર (સિલિકોન રેઝિન) બને છે.

ગુણધર્મો અને ઉપયોગો

1. ઉષ્મીય સ્થિરતા: તાપમાનની વિશાળ શ્રેણી પર ઉત્તમ સ્થિરતા.
2. રાસાયણિક નિષ્ક્રિયતા: ઓક્સિડેશન, UV વિકિરણ અને ઘણા રસાયણો સામે પ્રતિરોધક.
3. જળ પ્રતિકારકતા: હાઈડ્રોફોબિક સ્વભાવ તેમને સારા વોટરપ્રૂફિંગ એજન્ટ બનાવે છે.
4. વિદ્યુત અવાહક: સારા ડાઇલેક્ટ્રિક ગુણધર્મો.
5. ઉપયોગો: ઊંચા તાપમાનના લુબ્રિકન્ટ્સ, સીલન્ટ્સ, એડહેસિવ્સ, કાપડ માટે વોટરપ્રૂફ કોટિંગ્સ, મેડિકલ ઇમ્પ્લાન્ટ્સ, ડિફોમિંગ એજન્ટ્સ.

સિલિકેટ્સ

સિલિકેટ્સ એ સિલિકોન, ઓક્સિજન અને એક અથવા વધુ ધાતુ તત્વો ધરાવતા સંયોજનો છે. તેઓ મૂળભૂત SiO₄⁴⁻ ટેટ્રાહેડ્રલ એકમ પર આધારિત છે, જ્યાં કેન્દ્રીય સિલિકોન પરમાણુ ચાર ઓક્સિજન પરમાણુઓ સાથે જોડાયેલું હોય છે. આ ટેટ્રાહેડ્રા વિવિધ રીતે સામાન્ય ઓક્સિજન પરમાણુઓને શેર કરીને એકસાથે જોડાઈ શકે છે, વિવિધ રચનાઓ બનાવે છે.

સિલિકેટ્સનું સંરચનાત્મક વર્ગીકરણ

1. ઓર્થોસિલિકેટ્સ (નેસ્રોસિલિકેટ્સ): અલગ, વિખરાયેલા SiO₄⁴⁻ ટેટ્રાહેડ્રા ધરાવે છે.
   • ઉદાહરણ: ઝિર્કોન (ZrSiO₄), ફોર્સ્ટરાઇટ (Mg₂SiO₄)
   • સંરચનાત્મક એકમ: SiO₄⁴⁻
2. પાયરોસિલિકેટ્સ (સોરોસિલિકેટ્સ): બે SiO₄⁴⁻ ટેટ્રાહેડ્રા એક ઓક્સિજન પરમાણુને શેર કરે છે.
   • ઉદાહરણ: હેમિમોર્ફાઇટ (Zn₄(Si₂O₇)(OH)₂·H₂O)
   • સંરચનાત્મક એકમ: Si₂O₇⁶⁻
3. ચક્રીય સિલિકેટ્સ (રિંગ સિલિકેટ્સ): ત્રણ કે તેથી વધુ SiO₄ ટેટ્રાહેડ્રા, પ્રત્યેક ટેટ્રાહેડ્રન દીઠ બે ઓક્સિજન પરમાણુઓને શેર કરીને, બંધ રિંગ્સ બનાવવા માટે જોડાય છે.
   • ઉદાહરણ: બેરીલ (Be₃Al₂(Si₆O₁₈))
   • સંરચનાત્મક એકમો: (SiO₃)n²ⁿ⁻ (દા.ત., Si₃O₉⁶⁻, Si₆O₁₈¹²⁻)
4. ચેઇન સિલિકેટ્સ (ઇનોસિલિકેટ્સ): ટેટ્રાહેડ્રા અનુક્રમે પ્રત્યેક ટેટ્રાહેડ્રન દીઠ બે અથવા ત્રણ ઓક્સિજન પરમાણુઓને શેર કરીને સિંગલ અથવા ડબલ ચેઇનમાં જોડાય છે.
   • સિંગલ ચેઇન (પાયરોક્સેન્સ): (SiO₃)n²ⁿ⁻, દા.ત., એન્સ્ટેટાઈટ (MgSiO₃)
   • ડબલ ચેઇન (એમ્ફિબોલ્સ): (Si₄O₁₁)n⁶ⁿ⁻, દા.ત., ટ્રેમોલાઇટ (Ca₂Mg₅(Si₄O₁₁)₂(OH)₂)
5. શીટ સિલિકેટ્સ (ફાયલોસિલિકેટ્સ): ટેટ્રાહેડ્રા, પ્રત્યેક ટેટ્રાહેડ્રન દીઠ ત્રણ ઓક્સિજન પરમાણુઓને શેર કરીને, અનંત દ્વિ-પરિમાણીય શીટ્સ બનાવવા માટે જોડાય છે.
   • ઉદાહરણ: ટેલ્ક (Mg₃(Si₂O₅)₂(OH)₂), માઇકા
   • સંરચનાત્મક એકમ: (Si₂O₅)n²ⁿ⁻
6. ત્રિ-પરિમાણીય સિલિકેટ્સ (ટેક્ટોસિલિકેટ્સ): દરેક SiO₄ ટેટ્રાહેડ્રનના તમામ ચાર ઓક્સિજન પરમાણુઓ પડોશી ટેટ્રાહેડ્રા સાથે શેર કરવામાં આવે છે, જે 3D નેટવર્ક બનાવે છે.
   • ઉદાહરણ: ક્વાર્ટ્ઝ (SiO₂, શુદ્ધ સિલિકા), ફેલ્ડસ્પાર્સ, ઝીઓલાઇટ્સ (ખુલ્લી માળખાકીય ફ્રેમવર્કવાળા એલ્યુમિનોસિલિકેટ્સ).

પરીક્ષા-સંબંધિત પ્રતિક્રિયાઓ

• સોડિયમ સિલિકેટ (વોટર ગ્લાસ) ની રચના: ડિટર્જન્ટ, એડહેસિવ્સ અને અગ્નિશામક એજન્ટ તરીકે ઉપયોગ થાય છે. SiO₂(s) + Na₂CO₃(s) --(heat)--> Na₂SiO₃(l) + CO₂(g) વૈકલ્પિક રીતે, ગરમ સાંદ્ર સોડિયમ હાઇડ્રોક્સાઇડમાં સિલિકા ઓગાળીને: SiO₂(s) + 2NaOH(aq) → Na₂SiO₃(aq) + H₂O(l)
• દ્રાવ્ય સિલિકેટ્સનું જળવિભાજન: દ્રાવ્ય સિલિકેટ્સના જલીય દ્રાવણો સિલિકેટ આયનના જળવિભાજનને કારણે આલ્કલાઇન હોય છે. Na₂SiO₃(aq) + 2H₂O(l) ⇌ H₂SiO₃(aq) + 2NaOH(aq)
• સિલિકિક એસિડનું અવક્ષેપન: દ્રાવ્ય સિલિકેટ દ્રાવણમાં એસિડ ઉમેરવાથી સિલિકિક એસિડનું અવક્ષેપન થાય છે, જે પછી નિર્જલીકરણ પામીને સિલિકા જેલ બનાવે છે. Na₂SiO₃(aq) + 2HCl(aq) → H₂SiO₃(s) + 2NaCl(aq) સિલિકા જેલ ((SiO₂)ₓ(H₂O)y) એક છિદ્રાળુ સૂકવનાર (desiccant) છે.

મુખ્ય સિલિકોન સંયોજનોના તુલનાત્મક ગુણધર્મો

ગુણધર્મ	સિલિકોન ડાયોક્સાઇડ (SiO₂)	સિલિકોન્સ (R₂SiO)n	દ્રાવ્ય સિલિકેટ્સ (દા.ત., Na₂SiO₃)
રચનાનો પ્રકાર	વિશાળ સહસંયોજક નેટવર્ક	પોલિમરીક (શૃંખલા, ચક્રીય, ક્રોસ-લિંક્ડ)	દ્રાવણમાં આયોનિક સ્ફટિક અથવા નેટવર્ક (પ્રકાર પર આધાર રાખીને)
બંધન	સહસંયોજક (Si-O)	સહસંયોજક (Si-O-Si, Si-C)	આયોનિક (M-O) અને સહસંયોજક (Si-O)
ભૌતિક અવસ્થા	કઠિન, બરડ ઘન	તેલ, જેલ, ઇલાસ્ટોમર્સ, રેઝિન	સ્ફટિકમય ઘન (નિર્જળ), ચીકણું દ્રાવણ (જલીય)
પાણીમાં દ્રાવ્યતા	અદ્રાવ્ય	અદ્રાવ્ય (હાઈડ્રોફોબિક)	દ્રાવ્ય (જલીય દ્રાવણો આલ્કલાઇન હોય છે)
ગલનબિંદુ	ખૂબ ઊંચું (~1710 °C)	બદલાય છે, સામાન્ય રીતે SiO₂ કરતા નીચું	ઊંચું (નિર્જળ ક્ષારો માટે)
રાસાયણિક પ્રતિક્રિયાત્મકતા	પ્રમાણમાં નિષ્ક્રિય; HF અને ગરમ સાંદ્ર આલ્કલીસ સાથે પ્રતિક્રિયા આપે છે	અત્યંત નિષ્ક્રિય, સારી ઉષ્મીય અને રાસાયણિક સ્થિરતા	સિલિકિક એસિડને અવક્ષેપિત કરવા એસિડ સાથે પ્રતિક્રિયા આપે છે
મુખ્ય ઉપયોગો	કાચ, સિરામિક્સ, ઘર્ષક, ઓપ્ટિકલ ફાઇબર	લુબ્રિકન્ટ્સ, સીલન્ટ્સ, જળ પ્રતિકારક, મેડિકલ ઇમ્પ્લાન્ટ્સ	ડિટર્જન્ટ્સ, એડહેસિવ્સ, અગ્નિશામક, સૂકવનાર (સિલિકા જેલ)