Silano

Il silano, o tetraidruro di silicio, è il più semplice composto chimico del silicio con l'idrogeno, avente formula chimica SiH₄, analoga a quella del metano CH₄. Da esso deriva il gruppo funzionale silile, –SiH₃, analogo al metile –CH₃. Questo gruppo compare in chimica organometallica, come pure il suo derivato trimetilsilile –Si(CH₃)₃, e compare anche nella cosiddetta chimica inorganometallica.

A temperatura ambiente il silano si presenta come un gas incolore (T_eb. = -112 °C; T_critica = -3 °C), dall'odore intenso e molto sgradevole, diversamente dal metano che è inodore; è molto tossico per inalazione e fortemente irritante per la pelle; è facilmente infiammabile e si presume anche essere anche piroforico: subisce spontaneamente la combustione in aria senza necessità di venire acceso. Tuttavia, alcuni sostengono che il silano puro sia stabile e che sia la presenza in esso di impurezze di silani omologhi superiori, formatisi durante la sua produzione, a causarne la piroforicità.

Struttura e proprietà

La molecola del silano è isoelettronica di valenza con quella del metano, del quale prende il nome per analogia, ed ha analoga forma tetraedrica: l'atomo di silicio, ibridato sp³, è al centro di un tetraedro regolare ai cui vertici si trovano i quattro atomi di idrogeno; la simmetria della molecola è quindi T_d e il suo momento dipolare è nullo.

Il legame Si–H, da indagini di spettroscopia infrarossa e Raman, risulta essere lungo 148,06 pm, notevolmente più lungo del C–H in CH₄ (108,70 pm), e ciò in accordo qualitativo con l'andamento dei raggi covalenti: 76 pm per C e 111 pm per Si, con una leggera elongazione di 6 pm in quest'ultimo caso.

Una differenza di rilievo rispetto al metano è che l'atomo di silicio nel silano è allo stato di ossidazione 4 (il massimo per Si), invece del -4 del carbonio nel metano; questo perché H è un po' più elettronegativo di Si. Il silano è un composto endotermico (ΔH_ƒ° = 34,70 kJ/mol), altra differenza con il metano, che invece è esotermico (ΔH_ƒ° = -74,60 kJ/mol).

Il tetraidruro di silicio è anche il più semplice dei silani, idruri di silicio contenenti anche legami Si–Si, del tutto analoghi formalmente agli idrocarburi saturi e aventi formula generale Si_nH_{2n 2}, del tutto simile a quella degli alcani.

Sintesi

Il silano può essere prodotto su piccola scala dalla reazione con l'acido cloridrico di siliciuri di metalli attivi, in particolare quello di magnesio:

Mg₂Si 4 HCl → 2 MgCl₂ SiH₄

Su scala industriale il silano è prodotto a partire dallo stato metallurgico del silicio in un processo in due tappe:

Dapprima, il silicio in polvere reagisce con acido cloridrico a circa 300 °C per produrre il triclorosilano, SiHCl₃, e l'idrogeno gassoso:

{\ce {Si   3HCl -> SiHCl3   H2}}

Poi, il triclorosilano è riscaldato a riflusso su una base resinosa che contiene un catalizzatore; viene così promossa la redistribuzione spontanea degli atomi di idrogeno in modo da stare tutti insieme sullo stesso atomo di silicio e altrettanto per quelli di cloro, per dare quindi tetracloruro di silicio e tetraidruro di silicio; questo in ossequio al fenomeno detto di simbiosi, il quale si verifica parimenti con il carbonio al posto del silicio, sebbene in altre condizioni di reazione:

{\ce {4SiHCl3 -> SiH4   3SiCl4}}

I catalizzatori più comunemente usati per questo processo sono alogenuri metallici con apprezzabile acidità di Lewis, specialmente il cloruro di alluminio.

Applicazioni

Sopra i 690 K (417 °C), il silano si decompone in silicio ed idrogeno; può quindi essere usato per le deposizioni chimiche di silicio da fase vapore (tecnica CVD) nell'industria dei semiconduttori.