पुनरावृत्ती मार्गदर्शक: सिलिकॉनची (Si) महत्त्वाची संयुगे

सिलिकॉनच्या (Silicon) प्रमुख संयुगांची ओळख

सिलिकॉन (Si), गट 14 मधील एक धातूसदृश मूलद्रव्य (metalloid element), पृथ्वीच्या कवचातील (Earth’s crust) दुसरे सर्वात मुबलक मूलद्रव्य आहे, जे प्रामुख्याने सिलिकॉन डायऑक्साइड (silicon dioxide) आणि सिलिकेट्स (silicates) म्हणून आढळते. त्याच्या चतुःसंयुजी (tetravalency) गुणधर्मामुळे ते मजबूत सहसंयुज बंध (covalent bonds) तयार करण्यास सक्षम होते, ज्यामुळे भूगर्भशास्त्र (geology), उद्योग आणि पदार्थ विज्ञानामध्ये (material science) महत्त्वपूर्ण असलेल्या विविध प्रकारच्या संयुगे तयार होतात. हे मार्गदर्शक उच्च माध्यमिक रसायनशास्त्रात (high school chemistry) सर्वाधिक विचारल्या जाणाऱ्या सिलिकॉन संयुगांवर लक्ष केंद्रित करते.

सिलिकॉन डायऑक्साइड (SiO₂)

• रासायनिक सूत्र: SiO₂
• सामान्य नाव: सिलिका (प्रमुख स्फटिकमय स्वरूपांमध्ये क्वार्ट्झ (quartz), क्रिस्टोबलाइट (cristobalite), ट्रायडिमाइट (tridymite) यांचा समावेश होतो)

प्रयोगशाळेतील तयारी

सिलिका निसर्गात मुबलक प्रमाणात असले तरी, शुद्ध किंवा विशिष्ट प्रकार तयार केले जाऊ शकतात. अनेकदा उल्लेखित एका पद्धतीमध्ये सिलिकॉन टेट्राक्लोराईडचे जलीय अपघटन (hydrolysis) समाविष्ट असते.

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

गुणधर्म

1. भौतिक स्वरूप: स्फटिकमय स्थायू (crystalline solid), अत्यंत कठीण (extremely hard) आणि ठिसूळ (brittle). याची रचना एका मोठ्या सहसंयुज जाळ्यासारखी (giant covalent network) आहे, हिऱ्यासारखीच, जिथे प्रत्येक सिलिकॉन अणू चार ऑक्सिजन अणूंशी चतुष्फलकीय (tetrahedrally) पद्धतीने जोडलेला असतो आणि प्रत्येक ऑक्सिजन अणू दोन सिलिकॉन अणूंशी जोडलेला असतो.
2. उत्कलन बिंदू (Melting Point): जाळ्यामध्ये असलेल्या मजबूत Si-O सहसंयुज बंधांमुळे खूप उच्च (~1710 °C).
3. द्राव्यता (Solubility): पाण्यात आणि बहुतेक आम्लांमध्ये (acids) अद्राव्य (insoluble).
4. रासायनिक स्वरूप: आम्लधर्मी ऑक्साईड (acidic oxide).
5. अभिक्रियाशीलता (Reactivity):
   • हायड्रोजन फ्लोराईड (HF) सह अभिक्रिया: सिलिका हायड्रोफ्लोरिक आम्लासोबत (hydrofluoric acid) अभिक्रिया करून सिलिकॉन टेट्राफ्लोराईड (silicon tetrafluoride) तयार करते. ही अभिक्रिया काच कोरण्यासाठी (etching glass) वापरली जाते. SiO₂(s) + 4HF(aq) → SiF₄(g) + 2H₂O(l)
   • गरम, तीव्र अल्कली (Hot Concentrated Alkalis) सह अभिक्रिया: मजबूत क्षारांसोबत (strong bases) अभिक्रिया करून विद्राव्य सिलिकेट्स (soluble silicates) तयार करते. SiO₂(s) + 2NaOH(aq) → Na₂SiO₃(aq) + H₂O(l) (सोडियम मेटासिलिकेट)
   • मेटल ऑक्साईड्स (उच्च तापमानावर) सह अभिक्रिया: काच (glass) आणि सिरेमिक (ceramic) उत्पादनाचा आधार. SiO₂(s) + CaO(s) --(heat)--> CaSiO₃(s) (कॅल्शियम मेटासिलिकेट)

सिलिकॉन्स (Silicones)

सिलिकॉन्स (Silicones) हे कृत्रिम ऑर्गनोसिलिकॉन पॉलिमरचा (synthetic organosilicon polymers) एक वर्ग आहे, ज्यामध्ये पॉलिसिलोक्सेन बॅकबोन (Si-O-Si-O-…) असतो आणि सिलिकॉन अणूंना ऑरगॅनिक गट (R) जोडलेले असतात. त्यांचे सामान्य सूत्र (R₂SiO)n आहे.

तयारी प्रक्रिया

सिलिकॉन्स अनेक टप्प्यांमध्ये तयार केले जातात, ज्याची सुरुवात अल्काइल हॅलाइड्सपासून (alkyl halides) होते.

पायरी 1: अल्काइल क्लोरोसिलान्सचे (Alkyl Chlorosilanes) संश्लेषण अल्काइल हॅलाइड्स सिलिकॉन पावडरसोबत तांब्याच्या उत्प्रेरकाच्या (copper catalyst) उपस्थितीत उच्च तापमानावर (रोचो प्रक्रिया - Rochow process) अभिक्रिया करतात. मुख्य उत्पादन डायअल्काइल डायक्लोरोसिलान (dialkyl dichlorosilane) असते.

2RCl(g) + Si(s) --(Cu catalyst, heat)--> R₂SiCl₂(g) मिथाइल क्लोराईडचे उदाहरण: 2CH₃Cl(g) + Si(s) --(Cu, 300°C)--> (CH₃)₂SiCl₂(g) (डायमिथाइल डायक्लोरोसिलान) RSiCl₃ आणि R₃SiCl सारखे इतर क्लोरोसिलान्स देखील तयार होतात आणि ते आंशिक ऊर्ध्वपातनाने (fractional distillation) वेगळे केले जातात.

पायरी 2: अल्काइल क्लोरोसिलान्सचे जलीय अपघटन (Hydrolysis) अल्काइल क्लोरोसिलान्सचे जलीय अपघटन होते, जिथे क्लोरीन अणूंच्या जागी हायड्रॉक्सिल (-OH) गट येतात आणि सिलानॉल्स (silanols) तयार होतात.

• डायअल्काइल डायक्लोरोसिलानपासून: डायऑल (diol) तयार होते. R₂SiCl₂(l) + 2H₂O(l) → R₂Si(OH)₂(aq) + 2HCl(aq)
• अल्काइल ट्रायक्लोरोसिलानपासून: ट्रायऑल (triol) तयार होते. RSiCl₃(l) + 3H₂O(l) → RSi(OH)₃(aq) + 3HCl(aq)
• ट्रायअल्काइल क्लोरोसिलानपासून: मोनो-ऑल (mono-ol) तयार होते. R₃SiCl(l) + H₂O(l) → R₃SiOH(aq) + HCl(aq)

पायरी 3: पॉलिमेरीकरण (संघनन - Polymerization (Condensation)) सिलानॉल मोनोमर्स संघनित (condense) होतात, पाण्याची रेणू (water molecules) काढून टाकतात, आणि Si-O-Si दुवे (linkages) तयार करतात, ज्यामुळे सिलिकॉन पॉलिमर (silicone polymers) तयार होतात.

• रेषीय सिलिकॉन्स (Linear Silicones): R₂Si(OH)₂ एककांपासून तयार होतात. n R₂Si(OH)₂ → [-O-Si(R)₂-]n + n H₂O जलीय अपघटन दरम्यान R₃SiCl घालून साखळीची लांबी नियंत्रित केली जाते, कारण R₃SiOH एकके साखळी थांबवणारे (chain terminators) म्हणून कार्य करतात.

• क्रॉस-लिंक्ड सिलिकॉन्स (Cross-linked Silicones): RSi(OH)₃ एककांपासून तयार होतात, ज्यामुळे शाखा असलेले (branched) किंवा जाळे असलेले (networked) पॉलिमर (सिलिकॉन रेझिन्स - silicone resins) तयार होतात.

गुणधर्म आणि उपयोग

1. औष्णिक स्थिरता (Thermal Stability): तापमानाच्या विस्तृत श्रेणीत उत्कृष्ट स्थिरता.
2. रासायनिक निष्क्रियता (Chemical Inertness): ऑक्सिडेशन (oxidation), यूव्ही किरणोत्सर्ग (UV radiation) आणि अनेक रसायनांना (chemicals) प्रतिरोधक.
3. जल-प्रतिरोधकता (Water Repellency): जलविरोधी (hydrophobic) स्वरूपामुळे ते चांगले वॉटरप्रूफिंग एजंट्स बनतात.
4. विद्युतरोधक (Electrical Insulators): चांगले डायलेक्ट्रिक गुणधर्म.
5. उपयोग: उच्च-तापमान वंगण (high-temperature lubricants), सीलंट (sealants), चिकट पदार्थ (adhesives), कपड्यांसाठी जलरोधक लेप (waterproof coatings for fabrics), वैद्यकीय रोपण (medical implants), डीफोमिंग एजंट्स (defoaming agents).

सिलिकेट्स (Silicates)

सिलिकेट्स ही सिलिकॉन, ऑक्सिजन आणि एक किंवा अधिक धातूंचे मूलद्रव्ये (metallic elements) असलेली संयुगे आहेत. ते मूलभूत SiO₄⁴⁻ चतुष्फलकीय (tetrahedral) एककावर आधारित असतात, जिथे एक मध्यवर्ती सिलिकॉन अणू चार ऑक्सिजन अणूंशी जोडलेला असतो. हे चतुष्फलक (tetrahedra) विविध मार्गांनी सामान्य ऑक्सिजन अणू सामायिक करून एकमेकांशी जोडले जाऊ शकतात, ज्यामुळे विविध संरचना (diverse structures) तयार होतात.

सिलिकेट्सचे संरचनात्मक वर्गीकरण

1. ऑर्थोसिलिकेट्स (नेसोसिलिकेट्स - Orthosilicates (Nesosilicates)): यामध्ये स्वतंत्र, वेगळे SiO₄⁴⁻ चतुष्फलक (tetrahedra) असतात.
   • उदाहरण: झिरकॉन (ZrSiO₄), फोर्स्टेराइट (Mg₂SiO₄)
   • संरचनात्मक एकक: SiO₄⁴⁻
2. पायरोसिलिकेट्स (सोरोसिलिकेट्स - Pyrosilicates (Sorosilicates)): दोन SiO₄⁴⁻ चतुष्फलक एक ऑक्सिजन अणू सामायिक करतात.
   • उदाहरण: हेमिमॉर्फाइट (Zn₄(Si₂O₇)(OH)₂·H₂O)
   • संरचनात्मक एकक: Si₂O₇⁶⁻
3. चक्रीय सिलिकेट्स (रिंग सिलिकेट्स - Cyclic Silicates (Ring Silicates)): तीन किंवा अधिक SiO₄ चतुष्फलक प्रत्येक चतुष्फलकामधून दोन ऑक्सिजन अणू सामायिक करून बंद कड्या (closed rings) तयार करतात.
   • उदाहरण: बेरिल (Be₃Al₂(Si₆O₁₈))
   • संरचनात्मक एकके: (SiO₃)n²ⁿ⁻ (उदा. Si₃O₉⁶⁻, Si₆O₁₈¹²⁻)
4. साखळी सिलिकेट्स (इनोसिलिकेट्स - Chain Silicates (Inosilicates)): चतुष्फलक प्रत्येक चतुष्फलकामधून अनुक्रमे दोन किंवा तीन ऑक्सिजन अणू सामायिक करून एकल किंवा दुहेरी साखळीत जोडले जातात.
   • एकल साखळी (पायरोक्सेन्स - Single Chain (Pyroxenes)): (SiO₃)n²ⁿ⁻, उदा. एन्सटॅटाइट (MgSiO₃)
   • दुहेरी साखळी (अँफिबोल्स - Double Chain (Amphiboles)): (Si₄O₁₁)n⁶ⁿ⁻, उदा. ट्रेमोलाइट (Ca₂Mg₅(Si₄O₁₁)₂(OH)₂)
5. शीट सिलिकेट्स (फायलोसिलिकेट्स - Sheet Silicates (Phyllosilicates)): चतुष्फलक प्रत्येक चतुष्फलकामधून तीन ऑक्सिजन अणू सामायिक करून अनंत द्वि-आयामी शीट्स (two-dimensional sheets) तयार करतात.
   • उदाहरण: टॅल्क (Mg₃(Si₂O₅)₂(OH)₂), अभ्रक (Mica)
   • संरचनात्मक एकक: (Si₂O₅)n²ⁿ⁻
6. त्रिमितीय सिलिकेट्स (टेक्टोसिलिकेट्स - Three-dimensional Silicates (Tectosilicates)): प्रत्येक SiO₄ चतुष्फलकाचे सर्व चार ऑक्सिजन अणू शेजारच्या चतुष्फलकांशी सामायिक केले जातात, ज्यामुळे 3D जाळे (3D network) तयार होते.
   • उदाहरण: क्वार्ट्झ (SiO₂, शुद्ध सिलिका), फेल्डस्पार्स (Feldspars), झिओलाइट्स (Zeolites) (खुली रचना असलेली अॅल्युमिनोसिलिकेट्स - aluminosilicates with open framework structures).

परीक्षेसाठी महत्त्वाच्या अभिक्रिया

• सोडियम सिलिकेटची (वॉटर ग्लास) निर्मिती: डिटर्जंट्स (detergents), चिकट पदार्थांमध्ये (adhesives) आणि अग्निरोधक (fire-proofing) एजंट म्हणून वापरले जाते. SiO₂(s) + Na₂CO₃(s) --(heat)--> Na₂SiO₃(l) + CO₂(g) पर्यायाने, सिलिका गरम, तीव्र सोडियम हायड्रॉक्साईडमध्ये विरघळवून: SiO₂(s) + 2NaOH(aq) → Na₂SiO₃(aq) + H₂O(l)
• विद्राव्य सिलिकेट्सचे जलीय अपघटन (Hydrolysis): विद्राव्य सिलिकेट्सची जलीय द्रावणे (aqueous solutions) सिलिकेट आयनच्या जलीय अपघटनामुळे अल्कधर्मी (alkaline) असतात. Na₂SiO₃(aq) + 2H₂O(l) ⇌ H₂SiO₃(aq) + 2NaOH(aq)
• सिलिकिक आम्लाचे अवक्षेपण (Precipitation of Silicic Acid): विद्राव्य सिलिकेट द्रावणात आम्ल (acid) मिसळल्यास सिलिकिक आम्ल अवक्षेपित (precipitates) होते, जे नंतर निर्जलीकरण (dehydrates) होऊन सिलिका जेल (silica gel) तयार करते. Na₂SiO₃(aq) + 2HCl(aq) → H₂SiO₃(s) + 2NaCl(aq) सिलिका जेल ((SiO₂)ₓ(H₂O)y) एक सच्छिद्र शुष्कक (porous desiccant) आहे.

प्रमुख सिलिकॉन संयुगांचे तुलनात्मक गुणधर्म

गुणधर्म	सिलिकॉन डायऑक्साइड (SiO₂)	सिलिकॉन्स (R₂SiO)n	विद्राव्य सिलिकेट्स (उदा. Na₂SiO₃)
संरचनेचा प्रकार	विशाल सहसंयुज जाळे (Giant covalent network)	पॉलिमेरिक (साखळी, चक्रीय, क्रॉस-लिंक्ड)	आयनिक स्फटिक किंवा द्रावणातील जाळे (प्रकारानुसार)
बंध (Bonding)	सहसंयुज (Si-O)	सहसंयुज (Si-O-Si, Si-C)	आयनिक (M-O) आणि सहसंयुज (Si-O)
भौतिक अवस्था	कठीण, ठिसूळ स्थायू	तेल, जेल, इलास्टोमर्स, रेझिन्स	स्फटिकमय स्थायू (निर्जल), चिकट द्रावण (जलीय)
पाण्यातील द्राव्यता	अद्राव्य	अद्राव्य (जलविरोधी)	द्राव्य (जलीय द्रावणे अल्कधर्मी असतात)
उत्कलन बिंदू	खूप उच्च (~1710 °C)	भिन्न, साधारणपणे SiO₂ पेक्षा कमी	उच्च (निर्जल लवणांसाठी)
रासायनिक अभिक्रियाशीलता	तुलनेने निष्क्रिय; HF आणि गरम, तीव्र अल्कलींसोबत अभिक्रिया करते	अत्यंत निष्क्रिय, चांगली औष्णिक आणि रासायनिक स्थिरता	आम्लांसोबत अभिक्रिया करून सिलिकिक आम्ल अवक्षेपित करते
प्रमुख उपयोग	काच, सिरेमिक्स, अपघर्षक, ऑप्टिकल फायबर	वंगण, सीलंट, जल-प्रतिरोधक, वैद्यकीय रोपण	डिटर्जंट्स, चिकट पदार्थ, अग्निरोधक, शुष्कक (सिलिका जेल)