पुनरीक्षण मार्गदर्शिका: सिलिकॉन (Si) के महत्वपूर्ण यौगिक

Introduction to the Major Compounds of Silicon

सिलिकॉन (Si), समूह 14 का एक मेटालॉयड तत्व है, जो पृथ्वी की पपड़ी में दूसरा सबसे प्रचुर मात्रा में पाया जाने वाला तत्व है, मुख्य रूप से सिलिकॉन डाइऑक्साइड और सिलिकेट के रूप में मौजूद है। इसकी चतुःसंयोजकता इसे मजबूत सहसंयोजक बंध बनाने में सक्षम बनाती है, जिससे भूविज्ञान, उद्योग और सामग्री विज्ञान में महत्वपूर्ण यौगिकों की एक विविध श्रृंखला बनती है। यह मार्गदर्शिका उच्च विद्यालय रसायन विज्ञान में सबसे अधिक परीक्षण किए जाने वाले सिलिकॉन यौगिकों पर केंद्रित है।

Silicon Dioxide (SiO₂)

सिलिकॉन डाइऑक्साइड (SiO₂)

रासायनिक सूत्र: SiO₂
सामान्य नाम: सिलिका (प्रमुख क्रिस्टलीय रूपों में क्वार्ट्ज, क्रिस्टोबलाइट, ट्राइडीमाइट शामिल हैं)

Laboratory Preparation

प्रयोगशाला में तैयारी

जबकि सिलिका प्रकृति में प्रचुर मात्रा में पाया जाता है, शुद्ध या विशिष्ट रूपों को तैयार किया जा सकता है। अक्सर संदर्भित एक विधि में सिलिकॉन टेट्राक्लोराइड का जल-अपघटन शामिल होता है।

संतुलित रासायनिक समीकरण: SiCl₄(l) + 2H₂O(l) → SiO₂(s) + 4HCl(g)

Properties

गुणधर्म

भौतिक प्रकृति: क्रिस्टलीय ठोस, अत्यंत कठोर और भंगुर। इसकी संरचना एक विशाल सहसंयोजक नेटवर्क है, जो हीरे के समान है, जहाँ प्रत्येक सिलिकॉन परमाणु चार ऑक्सीजन परमाणुओं से चतुष्फलकीय रूप से बंधा होता है, और प्रत्येक ऑक्सीजन परमाणु दो सिलिकॉन परमाणुओं से बंधा होता है।
गलनांक: बहुत उच्च (~1710 °C) मजबूत Si-O सहसंयोजक बंधों के कारण पूरे नेटवर्क में।
विलेयता: पानी और अधिकांश अम्लों में अविलेय।
रासायनिक प्रकृति: अम्लीय ऑक्साइड।
अभिक्रियाशीलता:
- हाइड्रोजन फ्लोराइड (HF) के साथ अभिक्रिया: सिलिका हाइड्रोफ्लोरिक अम्ल के साथ अभिक्रिया करके सिलिकॉन टेट्राफ्लोराइड बनाता है। इस अभिक्रिया का उपयोग कांच के नक्काशी के लिए किया जाता है। SiO₂(s) + 4HF(aq) → SiF₄(g) + 2H₂O(l)
- गर्म सांद्रित क्षारकों के साथ अभिक्रिया: मजबूत क्षारकों के साथ अभिक्रिया करके घुलनशील सिलिकेट बनाता है। SiO₂(s) + 2NaOH(aq) → Na₂SiO₃(aq) + H₂O(l) (सोडियम मेटासिलिकेट)
- धातु ऑक्साइड के साथ अभिक्रिया (उच्च तापमान पर): कांच और सिरेमिक उत्पादन का आधार। SiO₂(s) + CaO(s) --(heat)--> CaSiO₃(s) (कैल्शियम मेटासिलिकेट)

Silicones

सिलिकोन

सिलिकोन सिंथेटिक ऑर्गनोसिलिकॉन पॉलीमर का एक वर्ग है जिनकी विशेषता एक पॉलीसिलोक्सेन रीढ़ (Si-O-Si-O-…) होती है जिसमें सिलिकॉन परमाणुओं से जुड़े कार्बनिक समूह (R) होते हैं। उनका सामान्य सूत्र (R₂SiO)n है।

Preparation Process

तैयारी प्रक्रिया

सिलिकोन का निर्माण कई चरणों में किया जाता है, जिसकी शुरुआत अल्काइल हैलाइड्स से होती है।

चरण 1: अल्काइल क्लोरोसिलेंस का संश्लेषण अल्काइल हैलाइड्स उच्च तापमान पर कॉपर उत्प्रेरक की उपस्थिति में सिलिकॉन पाउडर के साथ अभिक्रिया करते हैं (रोचो प्रक्रिया)। मुख्य उत्पाद डाइअल्काइल डाइक्लोरोसिलन है।

2RCl(g) + Si(s) --(Cu catalyst, heat)--> R₂SiCl₂(g) मिथाइल क्लोराइड के साथ उदाहरण: 2CH₃Cl(g) + Si(s) --(Cu, 300°C)--> (CH₃)₂SiCl₂(g) (डाइमिथाइल डाइक्लोरोसिलन) अन्य क्लोरोसिलेंस जैसे RSiCl₃ और R₃SiCl भी बनते हैं और प्रभाजी आसवन द्वारा अलग किए जाते हैं।

चरण 2: अल्काइल क्लोरोसिलेंस का जल-अपघटन अल्काइल क्लोरोसिलेंस का जल-अपघटन होता है, जहाँ क्लोरीन परमाणुओं को हाइड्रॉक्सिल (-OH) समूहों द्वारा प्रतिस्थापित किया जाता है, जिससे सिलानोल बनते हैं।

डाइअल्काइल डाइक्लोरोसिलन से: एक डायोल बनाता है। R₂SiCl₂(l) + 2H₂O(l) → R₂Si(OH)₂(aq) + 2HCl(aq)
अल्काइल ट्राइक्लोरोसिलन से: एक ट्रायोल बनाता है। RSiCl₃(l) + 3H₂O(l) → RSi(OH)₃(aq) + 3HCl(aq)
ट्राइअल्काइल क्लोरोसिलन से: एक मोनो-ओल बनाता है। R₃SiCl(l) + H₂O(l) → R₃SiOH(aq) + HCl(aq)

चरण 3: बहुलकीकरण (संघनन) सिलानोल मोनोमर जल के अणुओं को हटाकर संघनित होते हैं, जिससे Si-O-Si लिंकेज बनते हैं, जिसके परिणामस्वरूप सिलिकोन पॉलीमर का निर्माण होता है।

रैखिक सिलिकोन: R₂Si(OH)₂ इकाइयों से बनते हैं। n R₂Si(OH)₂ → [-O-Si(R)₂-]n + n H₂O R₃SiCl को जल-अपघटन के दौरान जोड़कर श्रृंखला की लंबाई को नियंत्रित किया जाता है, क्योंकि R₃SiOH इकाइयाँ श्रृंखला समाप्ति के रूप में कार्य करती हैं।
क्रॉस-लिंक्ड सिलिकोन: RSi(OH)₃ इकाइयों से बनते हैं, जिससे शाखित या नेटवर्क पॉलीमर (सिलिकोन रेजिन) बनते हैं।

Properties and Uses

गुणधर्म और उपयोग

ताप स्थायित्व: तापमान की एक विस्तृत श्रृंखला पर उत्कृष्ट स्थायित्व।
रासायनिक निष्क्रियता: ऑक्सीकरण, यूवी विकिरण और कई रसायनों के प्रति प्रतिरोधी।
जल प्रतिकर्षण: हाइड्रोफोबिक प्रकृति उन्हें अच्छे जलरोधी एजेंट बनाती है।
विद्युत इन्सुलेटर: अच्छे ढांकता हुआ गुण (dielectric properties)।
उपयोग: उच्च तापमान वाले स्नेहक, सीलेंट, चिपकने वाले पदार्थ, कपड़ों के लिए जलरोधी कोटिंग्स, मेडिकल इम्प्लांट्स, डिफोमिंग एजेंट।

Silicates

सिलिकेट

सिलिकेट सिलिकॉन, ऑक्सीजन और एक या अधिक धात्विक तत्वों वाले यौगिक हैं। वे मौलिक SiO₄⁴⁻ चतुष्फलकीय इकाई पर संरचनात्मक रूप से आधारित होते हैं, जहाँ एक केंद्रीय सिलिकॉन परमाणु चार ऑक्सीजन परमाणुओं से बंधा होता है। ये चतुष्फलक विभिन्न तरीकों से सामान्य ऑक्सीजन परमाणुओं को साझा करके एक साथ जुड़ सकते हैं, जिससे विविध संरचनाएँ बनती हैं।

Structural Classification of Silicates

सिलिकेट्स का संरचनात्मक वर्गीकरण

ऑर्थोसिलिकेट्स (नेसोसिलिकेट्स): इनमें असतत, पृथक SiO₄⁴⁻ चतुष्फलक होते हैं।
- उदाहरण: ज़िरकॉन (ZrSiO₄), फोर्स्टराइट (Mg₂SiO₄)
- संरचनात्मक इकाई: SiO₄⁴⁻
पाइरोसिलिकेट्स (सोरोसिलिकेट्स): दो SiO₄⁴⁻ चतुष्फलक एक ऑक्सीजन परमाणु साझा करते हैं।
- उदाहरण: हेमिमॉर्फाइट (Zn₄(Si₂O₇)(OH)₂·H₂O)
- संरचनात्मक इकाई: Si₂O₇⁶⁻
चक्रीय सिलिकेट्स (रिंग सिलिकेट्स): तीन या अधिक SiO₄ चतुष्फलक प्रति चतुष्फलक दो ऑक्सीजन परमाणुओं को साझा करके बंद वलय बनाते हैं।
- उदाहरण: बेरिल (Be₃Al₂(Si₆O₁₈))
- संरचनात्मक इकाइयाँ: (SiO₃)n²ⁿ⁻ (जैसे, Si₃O₉⁶⁻, Si₆O₁₈¹²⁻)
श्रृंखला सिलिकेट्स (इनोसिलिकेट्स): चतुष्फलक क्रमशः प्रति चतुष्फलक दो या तीन ऑक्सीजन परमाणुओं को साझा करके एकल या दोहरी श्रृंखलाओं में जुड़ते हैं।
- एकल श्रृंखला (पाइरोक्सीन): (SiO₃)n²ⁿ⁻, जैसे, एनस्टेटाइट (MgSiO₃)
- दोहरी श्रृंखला (एम्फीबोल): (Si₄O₁₁)n⁶ⁿ⁻, जैसे, ट्रेमोलाइट (Ca₂Mg₅(Si₄O₁₁)₂(OH)₂)
परत सिलिकेट्स (फाइलोसिलिकेट्स): चतुष्फलक प्रति चतुष्फलक तीन ऑक्सीजन परमाणुओं को साझा करके अनंत द्वि-आयामी परतें बनाते हैं।
- उदाहरण: टैल्क (Mg₃(Si₂O₅)₂(OH)₂), मीका
- संरचनात्मक इकाई: (Si₂O₅)n²ⁿ⁻
त्रि-आयामी सिलिकेट्स (टेक्टोसिलिकेट्स): प्रत्येक SiO₄ चतुष्फलक के सभी चार ऑक्सीजन परमाणु आसन्न चतुष्फलकों के साथ साझा किए जाते हैं, जिससे एक 3D नेटवर्क बनता है।
- उदाहरण: क्वार्ट्ज (SiO₂, शुद्ध सिलिका), फेल्डस्पार्स, जिओलाइट्स (खुली ढाँचागत संरचनाओं वाले एलुमिनोसिलिकेट्स)।

Exam-Relevant Reactions

परीक्षा-संबंधी अभिक्रियाएँ

सोडियम सिलिकेट का निर्माण (वाटर ग्लास): डिटर्जेंट, चिपकने वाले पदार्थ और अग्नि-रोधी एजेंट के रूप में उपयोग किया जाता है। SiO₂(s) + Na₂CO₃(s) --(heat)--> Na₂SiO₃(l) + CO₂(g) वैकल्पिक रूप से, गर्म सांद्रित सोडियम हाइड्रॉक्साइड में सिलिका को घोलकर: SiO₂(s) + 2NaOH(aq) → Na₂SiO₃(aq) + H₂O(l)
घुलनशील सिलिकेट्स का जल-अपघटन: घुलनशील सिलिकेट्स के जलीय विलयन सिलिकेट आयन के जल-अपघटन के कारण क्षारीय होते हैं। Na₂SiO₃(aq) + 2H₂O(l) ⇌ H₂SiO₃(aq) + 2NaOH(aq)
सिलिसिक अम्ल का अवक्षेपण: एक घुलनशील सिलिकेट विलयन में अम्ल मिलाने से सिलिसिक अम्ल अवक्षेपित होता है, जो तब निर्जलीकरण होकर सिलिका जेल बनाता है। Na₂SiO₃(aq) + 2HCl(aq) → H₂SiO₃(s) + 2NaCl(aq) सिलिका जेल ((SiO₂)ₓ(H₂O)y) एक सरंध्र निर्जलीकारक है।

Comparative Properties of Key Silicon Compounds

प्रमुख सिलिकॉन यौगिकों के तुलनात्मक गुणधर्म

गुणधर्म	सिलिकॉन डाइऑक्साइड (SiO₂)	सिलिकोन (R₂SiO)n	घुलनशील सिलिकेट्स (उदा. Na₂SiO₃)
संरचना प्रकार	विशाल सहसंयोजक नेटवर्क	बहुलक (श्रृंखला, चक्रीय, क्रॉस-लिंक्ड)	आयनिक क्रिस्टल या विलयन में नेटवर्क (प्रकार के आधार पर)
बंध	सहसंयोजक (Si-O)	सहसंयोजक (Si-O-Si, Si-C)	आयनिक (M-O) और सहसंयोजक (Si-O)
भौतिक अवस्था	कठोर, भंगुर ठोस	तेल, जेल, इलास्टोमर्स, रेजिन	क्रिस्टलीय ठोस (निर्जल), श्यान विलयन (जलीय)
जल में विलेयता	अविलेय	अविलेय (जल-प्रतिकर्षी)	विलेय (जलीय विलयन क्षारीय होते हैं)
गलनांक	बहुत उच्च (~1710 °C)	भिन्न-भिन्न, आमतौर पर SiO₂ से कम	उच्च (निर्जल लवणों के लिए)
रासायनिक अभिक्रियाशीलता	अपेक्षाकृत निष्क्रिय; HF और गर्म सांद्रित क्षारकों के साथ अभिक्रिया करता है	अत्यधिक निष्क्रिय, अच्छा ताप और रासायनिक स्थायित्व	सिलिसिक अम्ल को अवक्षेपित करने के लिए अम्लों के साथ अभिक्रिया करता है
मुख्य उपयोग	कांच, सिरेमिक, अपघर्षक, ऑप्टिकल फाइबर	स्नेहक, सीलेंट, जल प्रतिकर्षी, मेडिकल इम्प्लांट्स	डिटर्जेंट, चिपकने वाले पदार्थ, अग्नि-रोधी, निर्जलीकारक (सिलिका जेल)