పునశ్చరణ మార్గదర్శిని: సిలికాన్ (Si) యొక్క ముఖ్యమైన సమ్మేళనాలు

సిలికాన్ యొక్క ప్రధాన సమ్మేళనాలకు పరిచయం

సిలికాన్ (Si), గ్రూప్ 14లోని ఒక మెటలాయిడ్ మూలకం, భూమి యొక్క పైపొరలో సిలికాన్ డయాక్సైడ్ మరియు సిలికేట్‌ల రూపంలో రెండవ అత్యంత సమృద్ధిగా లభించే మూలకం. దీని టెట్రావలెన్సీ బలమైన సమయోజనీయ బంధాలను ఏర్పరచడానికి వీలు కల్పిస్తుంది, ఇది భూగర్భ శాస్త్రం, పరిశ్రమ మరియు పదార్థ విజ్ఞానంలో కీలకమైన విభిన్న శ్రేణి సమ్మేళనాలకు దారితీస్తుంది. ఈ మార్గదర్శిని ఉన్నత పాఠశాల రసాయన శాస్త్రంలో సాధారణంగా పరీక్షించబడే సిలికాన్ సమ్మేళనాలపై దృష్టి సారిస్తుంది.

సిలికాన్ డయాక్సైడ్ (SiO₂)

• రసాయన ఫార్ములా: SiO₂
• సాధారణ పేరు: సిలికా (ప్రధాన స్ఫటికాకార రూపాలలో క్వార్ట్జ్, క్రిస్టోబలైట్, ట్రిడిమైట్ ఉన్నాయి)

ప్రయోగశాల తయారీ

సిలికా ప్రకృతిలో సమృద్ధిగా ఉన్నప్పటికీ, స్వచ్ఛమైన లేదా నిర్దిష్ట రూపాలను తయారు చేయవచ్చు. తరచుగా సూచించబడే ఒక పద్ధతి సిలికాన్ టెట్రాక్లోరైడ్ యొక్క జలవిశ్లేషణను కలిగి ఉంటుంది.

సమతుల్య రసాయన సమీకరణం: SiCl₄(l) + 2H₂O(l) → SiO₂(s) + 4HCl(g)

ధర్మాలు

1. భౌతిక స్వభావం: స్ఫటికాకార ఘనపదార్థం, చాలా గట్టిగా మరియు పెళుసుగా ఉంటుంది. దీని నిర్మాణం వజ్రం లాగా ఒక పెద్ద సమయోజనీయ నెట్‌వర్క్, ఇక్కడ ప్రతి సిలికాన్ అణువు నాలుగు ఆక్సిజన్ అణువులకు టెట్రాహెడ్రల్‌గా బంధించబడి ఉంటుంది మరియు ప్రతి ఆక్సిజన్ అణువు రెండు సిలికాన్ అణువులకు బంధించబడి ఉంటుంది.
2. ద్రవీభవన స్థానం: నెట్‌వర్క్ అంతటా బలమైన Si-O సమయోజనీయ బంధాల కారణంగా చాలా ఎక్కువ (~1710 °C).
3. ద్రావణీయత: నీటిలో మరియు చాలా ఆమ్లాలలో కరగదు.
4. రసాయన స్వభావం: ఆమ్ల ఆక్సైడ్.
5. చర్యశీలత:
   • హైడ్రోజన్ ఫ్లోరైడ్ (HF) తో చర్య: సిలికా హైడ్రోఫ్లోరిక్ ఆమ్లంతో చర్య జరిపి సిలికాన్ టెట్రాఫ్లోరైడ్‌ను ఏర్పరుస్తుంది. ఈ చర్య గాజును చెక్కడానికి ఉపయోగించబడుతుంది. SiO₂(s) + 4HF(aq) → SiF₄(g) + 2H₂O(l)
   • వేడి గాఢ క్షారాలతో చర్య: బలమైన క్షారాలతో చర్య జరిపి కరిగే సిలికేట్‌లను ఏర్పరుస్తుంది. SiO₂(s) + 2NaOH(aq) → Na₂SiO₃(aq) + H₂O(l) (సోడియం మెటాసిలికేట్)
   • లోహ ఆక్సైడ్‌లతో చర్య (అధిక ఉష్ణోగ్రతల వద్ద): గాజు మరియు సిరామిక్ ఉత్పత్తికి ఆధారం. SiO₂(s) + CaO(s) --(heat)--> CaSiO₃(s) (కాల్షియం మెటాసిలికేట్)

సిలికోన్‌లు

సిలికోన్‌లు సింథటిక్ ఆర్గానోసిలికాన్ పాలిమర్‌ల తరగతి, ఇవి పాలిసిలోక్సేన్ బ్యాక్‌బోన్ (Si-O-Si-O-…) మరియు సిలికాన్ అణువులకు అనుసంధానించబడిన కర్బన సమూహాలు (R) కలిగి ఉంటాయి. వీటి సాధారణ ఫార్ములా (R₂SiO)n.

తయారీ ప్రక్రియ

ఆల్కైల్ హాలైడ్‌ల నుండి ప్రారంభించి, సిలికోన్‌లు అనేక దశలలో తయారు చేయబడతాయి.

దశ 1: ఆల్కైల్ క్లోరోసిలేన్‌ల సంశ్లేషణ ఆల్కైల్ హాలైడ్‌లు సిలికాన్ పౌడర్‌తో రాగి ఉత్ప్రేరకం సమక్షంలో అధిక ఉష్ణోగ్రతల వద్ద (రోచోవ్ ప్రక్రియ) చర్య జరుపుతాయి. ప్రధాన ఉత్పత్తి డైఆల్కైల్ డైక్లోరోసిలేన్.

2RCl(g) + Si(s) --(Cu catalyst, heat)--> R₂SiCl₂(g) మిథైల్ క్లోరైడ్‌తో ఉదాహరణ: 2CH₃Cl(g) + Si(s) --(Cu, 300°C)--> (CH₃)₂SiCl₂(g) (డైమిథైల్ డైక్లోరోసిలేన్) RSiCl₃ మరియు R₃SiCl వంటి ఇతర క్లోరోసిలేన్‌లు కూడా ఏర్పడతాయి మరియు భిన్న స్వేదనం ద్వారా వేరు చేయబడతాయి.

దశ 2: ఆల్కైల్ క్లోరోసిలేన్‌ల జలవిశ్లేషణ ఆల్కైల్ క్లోరోసిలేన్‌లు జలవిశ్లేషణకు గురవుతాయి, ఇక్కడ క్లోరిన్ అణువులు హైడ్రాక్సిల్ (-OH) సమూహాల ద్వారా భర్తీ చేయబడతాయి, సిలానోల్‌లను ఏర్పరుస్తాయి.

• డైఆల్కైల్ డైక్లోరోసిలేన్ నుండి: డైయోల్‌ను ఏర్పరుస్తుంది. R₂SiCl₂(l) + 2H₂O(l) → R₂Si(OH)₂(aq) + 2HCl(aq)
• ఆల్కైల్ ట్రైక్లోరోసిలేన్ నుండి: ట్రైయోల్‌ను ఏర్పరుస్తుంది. RSiCl₃(l) + 3H₂O(l) → RSi(OH)₃(aq) + 3HCl(aq)
• ట్రైఆల్కైల్ క్లోరోసిలేన్ నుండి: మోనో-యోల్‌ను ఏర్పరుస్తుంది. R₃SiCl(l) + H₂O(l) → R₃SiOH(aq) + HCl(aq)

దశ 3: పాలిమరైజేషన్ (సాంద్రీకరణ) సిలానోల్ మోనోమర్‌లు సాంద్రీకరించి, నీటి అణువులను తొలగించి, Si-O-Si బంధాలను ఏర్పరుస్తాయి, ఇది సిలికాన్ పాలిమర్‌ల ఏర్పాటుకు దారితీస్తుంది.

• సరళ సిలికోన్‌లు: R₂Si(OH)₂ యూనిట్ల నుండి ఏర్పడతాయి. n R₂Si(OH)₂ → [-O-Si(R)₂-]n + n H₂O జలవిశ్లేషణ సమయంలో R₃SiCl ను జోడించడం ద్వారా గొలుసు పొడవు నియంత్రించబడుతుంది, ఎందుకంటే R₃SiOH యూనిట్లు గొలుసు టెర్మినేటర్‌లుగా పనిచేస్తాయి.

• క్రాస్-లింక్డ్ సిలికోన్‌లు: RSi(OH)₃ యూనిట్ల నుండి ఏర్పడతాయి, ఇది శాఖలు లేదా నెట్‌వర్క్ పాలిమర్‌లకు (సిలికాన్ రెసిన్‌లు) దారితీస్తుంది.

ధర్మాలు మరియు ఉపయోగాలు

1. ఉష్ణ స్థిరత్వం: విస్తృత శ్రేణి ఉష్ణోగ్రతల వద్ద అద్భుతమైన స్థిరత్వం.
2. రసాయన జడత్వం: ఆక్సీకరణ, UV వికిరణం మరియు అనేక రసాయనాలకు నిరోధకత.
3. నీటి నిరోధకత: హైడ్రోఫోబిక్ స్వభావం వాటిని మంచి వాటర్‌ఫ్రూఫింగ్ ఏజెంట్‌లుగా చేస్తుంది.
4. విద్యుత్ అవాహకాలు: మంచి డైఎలక్ట్రిక్ లక్షణాలు.
5. ఉపయోగాలు: అధిక-ఉష్ణోగ్రత కందెనలు, సీలెంట్లు, సంసంజనాలు, బట్టల కోసం వాటర్‌ఫ్రూఫ్ కోటింగ్‌లు, వైద్య ఇంప్లాంట్‌లు, డిఫోమింగ్ ఏజెంట్లు.

సిలికేట్‌లు

సిలికేట్‌లు సిలికాన్, ఆక్సిజన్ మరియు ఒకటి లేదా అంతకంటే ఎక్కువ లోహ మూలకాలను కలిగి ఉన్న సమ్మేళనాలు. ఇవి ప్రాథమిక SiO₄⁴⁻ టెట్రాహెడ్రల్ యూనిట్‌పై ఆధారపడి ఉంటాయి, ఇక్కడ ఒక కేంద్ర సిలికాన్ అణువు నాలుగు ఆక్సిజన్ అణువులకు బంధించబడి ఉంటుంది. ఈ టెట్రాహెడ్రాలు సాధారణ ఆక్సిజన్ అణువులను వివిధ మార్గాల్లో పంచుకోవడం ద్వారా కలిసిపోతాయి, విభిన్న నిర్మాణాలను ఏర్పరుస్తాయి.

సిలికేట్‌ల నిర్మాణ వర్గీకరణ

1. ఆర్థోసిలికేట్‌లు (నెసోసిలికేట్‌లు): వివిక్త, విడివిడి SiO₄⁴⁻ టెట్రాహెడ్రాలను కలిగి ఉంటాయి.
   • ఉదాహరణ: జిర్కాన్ (ZrSiO₄), ఫోర్‌స్టెరైట్ (Mg₂SiO₄)
   • నిర్మాణ యూనిట్: SiO₄⁴⁻
2. పైరోసిలికేట్‌లు (సోరోసిలికేట్‌లు): రెండు SiO₄⁴⁻ టెట్రాహెడ్రాలు ఒక ఆక్సిజన్ అణువును పంచుకుంటాయి.
   • ఉదాహరణ: హెమిమోర్ఫైట్ (Zn₄(Si₂O₇)(OH)₂·H₂O)
   • నిర్మాణ యూనిట్: Si₂O₇⁶⁻
3. చక్రీయ సిలికేట్‌లు (రింగ్ సిలికేట్‌లు): మూడు లేదా అంతకంటే ఎక్కువ SiO₄ టెట్రాహెడ్రాలు ప్రతి టెట్రాహెడ్రన్‌కు రెండు ఆక్సిజన్ అణువులను పంచుకోవడం ద్వారా మూసిన వలయాలను ఏర్పరచడానికి కలిసిపోతాయి.
   • ఉదాహరణ: బెరిల్ (Be₃Al₂(Si₆O₁₈))
   • నిర్మాణ యూనిట్లు: (SiO₃)n²ⁿ⁻ (ఉదా., Si₃O₉⁶⁻, Si₆O₁₈¹²⁻)
4. గొలుసు సిలికేట్‌లు (ఇనోసిలికేట్‌లు): టెట్రాహెడ్రాలు ప్రతి టెట్రాహెడ్రన్‌కు వరుసగా రెండు లేదా మూడు ఆక్సిజన్ అణువులను పంచుకోవడం ద్వారా సింగిల్ లేదా డబుల్ గొలుసులలో కలిసిపోతాయి.
   • సింగిల్ చైన్ (పైరోక్సేన్‌లు): (SiO₃)n²ⁿ⁻, ఉదా., ఎన్‌స్టాటైట్ (MgSiO₃)
   • డబుల్ చైన్ (ఆంఫిబోల్‌లు): (Si₄O₁₁)n⁶ⁿ⁻, ఉదా., ట్రెమోలైట్ (Ca₂Mg₅(Si₄O₁₁)₂(OH)₂)
5. షీట్ సిలికేట్‌లు (ఫైలోసిలికేట్‌లు): టెట్రాహెడ్రాలు ప్రతి టెట్రాహెడ్రన్‌కు మూడు ఆక్సిజన్ అణువులను పంచుకోవడం ద్వారా అనంతమైన రెండు-డైమెన్షనల్ షీట్‌లను ఏర్పరచడానికి కలిసిపోతాయి.
   • ఉదాహరణ: టాల్క్ (Mg₃(Si₂O₅)₂(OH)₂), మైకా
   • నిర్మాణ యూనిట్: (Si₂O₅)n²ⁿ⁻
6. త్రి-డైమెన్షనల్ సిలికేట్‌లు (టెక్టోసిలికేట్‌లు): ప్రతి SiO₄ టెట్రాహెడ్రన్ యొక్క నాలుగు ఆక్సిజన్ అణువులు పక్కన ఉన్న టెట్రాహెడ్రాలతో పంచుకోబడతాయి, ఇది 3D నెట్‌వర్క్‌ను ఏర్పరుస్తుంది.
   • ఉదాహరణ: క్వార్ట్జ్ (SiO₂, స్వచ్ఛమైన సిలికా), ఫెల్డ్‌స్పార్‌లు, జియోలైట్‌లు (ఓపెన్ ఫ్రేమ్‌వర్క్ నిర్మాణాలతో కూడిన అల్యూమినోసిలికేట్‌లు).

పరీక్షకు సంబంధించిన చర్యలు

• సోడియం సిలికేట్ (వాటర్ గ్లాస్) ఏర్పడటం: డిటర్జెంట్లు, సంసంజనాలు మరియు అగ్ని నిరోధక ఏజెంట్‌గా ఉపయోగించబడుతుంది. SiO₂(s) + Na₂CO₃(s) --(heat)--> Na₂SiO₃(l) + CO₂(g) ప్రత్యామ్నాయంగా, సిలికాను వేడి గాఢ సోడియం హైడ్రాక్సైడ్‌లో కరిగించడం ద్వారా: SiO₂(s) + 2NaOH(aq) → Na₂SiO₃(aq) + H₂O(l)
• కరిగే సిలికేట్‌ల జలవిశ్లేషణ: సిలికేట్ అయాన్ యొక్క జలవిశ్లేషణ కారణంగా కరిగే సిలికేట్‌ల జల ద్రావణాలు ఆల్కలైన్‌గా ఉంటాయి. Na₂SiO₃(aq) + 2H₂O(l) ⇌ H₂SiO₃(aq) + 2NaOH(aq)
• సిలిసిక్ ఆమ్లం యొక్క అవక్షేపణ: కరిగే సిలికేట్ ద్రావణానికి ఆమ్లం జోడించడం వలన సిలిసిక్ ఆమ్లం అవక్షేపించబడుతుంది, ఇది అప్పుడు నిర్జలీకరణం చెంది సిలికా జెల్‌ను ఏర్పరుస్తుంది. Na₂SiO₃(aq) + 2HCl(aq) → H₂SiO₃(s) + 2NaCl(aq) సిలికా జెల్ ((SiO₂)ₓ(H₂O)y) ఒక సచ్ఛిద్ర డెసికెంట్.

కీలక సిలికాన్ సమ్మేళనాల తులనాత్మక ధర్మాలు

ధర్మం	సిలికాన్ డయాక్సైడ్ (SiO₂)	సిలికోన్‌లు (R₂SiO)n	కరిగే సిలికేట్‌లు (ఉదా., Na₂SiO₃)
నిర్మాణ రకం	భారీ సమయోజనీయ నెట్‌వర్క్	పాలిమెరిక్ (గొలుసు, చక్రీయ, క్రాస్-లింక్డ్)	ద్రావణంలో అయానిక్ స్ఫటికం లేదా నెట్‌వర్క్ (రకం ప్రకారం)
బంధం	సమయోజనీయ (Si-O)	సమయోజనీయ (Si-O-Si, Si-C)	అయానిక్ (M-O) మరియు సమయోజనీయ (Si-O)
భౌతిక స్థితి	గట్టి, పెళుసుగా ఉండే ఘనపదార్థం	నూనెలు, జెల్‌లు, ఎలాస్టోమర్‌లు, రెసిన్‌లు	స్ఫటికాకార ఘనపదార్థం (నిర్జలీకరణ), జిగురు ద్రావణం (జల)
నీటిలో ద్రావణీయత	కరగదు	కరగదు (హైడ్రోఫోబిక్)	కరుగుతుంది (జల ద్రావణాలు ఆల్కలైన్)
ద్రవీభవన స్థానం	చాలా ఎక్కువ (~1710 °C)	మారుతుంది, సాధారణంగా SiO₂ కంటే తక్కువ	ఎక్కువ (నిర్జలీకరణ లవణాలకు)
రసాయన చర్యశీలత	సాపేక్షంగా జడత్వం; HF మరియు వేడి గాఢ క్షారాలతో చర్య జరుపుతుంది	అత్యంత జడత్వం, మంచి ఉష్ణ మరియు రసాయన స్థిరత్వం	సిలిసిక్ ఆమ్లాన్ని అవక్షేపించడానికి ఆమ్లాలతో చర్య జరుపుతుంది
ప్రధాన ఉపయోగాలు	గాజు, సిరామిక్స్, అబ్రాసివ్‌లు, ఆప్టికల్ ఫైబర్‌లు	కందెనలు, సీలెంట్లు, నీటి నిరోధకాలు, వైద్య ఇంప్లాంట్‌లు	డిటర్జెంట్లు, సంసంజనాలు, అగ్ని నిరోధకాలు, డెసికెంట్లు (సిలికా జెల్)