Silane (7803-62-5) Physikalische und Chemische Eigenschaften
Silane
Ein farbloses, brennbares Siliziumhydrid-Gas, das industriell als reaktives Ausgangsmaterial für Siliziumabscheidungen und die Synthese von Spezialmaterialien verwendet wird.
| CAS Nummer | 7803-62-5 |
| Familie | Silane (Siliziumhydride) |
| Übliche Form | Farbloses Gas (komprimiert) |
| Gängige Qualitäten | EP |
Silane ist das einfachste Siliziumhydrid (chemische Formel H4Si oder SiH4), ein mononukleares anorganisches Hydrid und das Muttermolekül der Silane-Familie. Strukturell handelt es sich um ein tetraedrisches Molekül mit einem einzelnen Siliziumatom, das an vier Wasserstoffatome gebunden ist; die Geometrie und Bindung sind formal analog zu Methan, jedoch mit größeren, stärker polarisierbaren Si–H-Bindungen. Die elektronische Struktur ist durch überwiegend sigma-Bindungen zwischen Silizium-sp³-Orbitalen und Wasserstoff-1s-Orbitalen gekennzeichnet; das Molekül ist zentrosymmetrisch und daher insgesamt unpolar, mit einer vernachlässigbaren permanenten Dipolmoment und einer berechneten topologischen polaren Oberfläche von 0.
Unter Umgebungsbedingungen ist Silane ein leichtes, niedrigmolekulares Gas mit sehr hoher Flüchtigkeit und geringer zwischenmolekularer Kohäsion. Es besitzt keine Wasserstoffbrücken-Donor- oder Akzeptorfunktionalität, keine rotierbaren Bindungen und eine molare Masse von 32,117 (siehe molekulare Parameter unten). Chemisch ist es ein starkes Reduktionsmittel und wird leicht oxidiert oder zersetzt; es kann in Luft spontan entzünden (pyrophores Verhalten) und reagiert mit Oxidationsmitteln, Halogenen und einigen kovalenten Chloriden. Silane hydrolysiert langsam mit Wasser unter Bildung von Wasserstoff und hydratisierten Siliziumoxiden; thermische Zersetzung bei erhöhten Temperaturen erzeugt Wasserstoff und scheidet hochreines Silizium ab.
Die industrielle Relevanz ergibt sich hauptsächlich aus der Rolle von Silane als gasförmige Siliziumquelle: Es ist ein primäres Ausgangsmaterial für die chemische Dampfabscheidung (CVD) und epitaktisches Wachstum von Silizium- und siliziumhaltigen Schichten (einschließlich amorphem und polykristallinem Silizium), die in der Halbleiter- und Photovoltaikfertigung eingesetzt werden. Die Kombination aus Flüchtigkeit und sauberer Zersetzung zu Silizium macht es zu einem Standard-Ausgangsstoff in der Elektronik- und Photovoltaikverarbeitung.
Gängige kommerzielle Qualitäten dieses Stoffs umfassen: EP.
Grundlegende Physikalische Eigenschaften
Dichte
- Flüssigkeitsdichte: 0,68 bei \(-185\,^\circ\mathrm{C}\) (flüssig).
- Gemeldete Gas-/relative Dichten: 1,11 (relative Gasdichte) und relative Dampfdichte (Luft = 1): 1,3.
- Spezifisches Gewicht (Gas): 1,44 \(\mathrm{g}\,\mathrm{L}^{-1}\) (gemeldet als gas-spezifisches Gewicht).
Erklärung: Silane ist ein sehr leichtes Gas unter Normalbedingungen; gemeldete relative Dampfdichten leicht über eins weisen darauf hin, dass Dämpfe je nach Bedingungen und Messmethode mit Luft vergleichbar oder leicht schwerer sein können. Die Flüssigkeitsdichte wird bei kryogenen Temperaturen angegeben, bei denen Silane kondensiert.
Schmelzpunkt
- Gemeldeter Schmelzpunkt: \(-185\,^\circ\mathrm{C}\) (ebenfalls angegeben als \(-301\,^\circ\mathrm{F}\)).
Bei der Handhabung von verflüssigtem Silane geben diese kryogenen Phasenübergänge den Temperaturbereich für Erstarren/Verflüssigung an.
Siedepunkt
- Gemeldeter Siedepunkt: \(-112\,^\circ\mathrm{C}\) (auch als \(-169\,^\circ\mathrm{F}\); ein Eintrag spezifiziert \(-169\,^\circ\mathrm{F}\) bei \(760\,\mathrm{mmHg}\)).
Der sehr niedrige Siedepunkt von Silane erklärt sein Vorkommen als Gas bei Umgebungstemperatur sowie die Notwendigkeit von Druckgasflaschen oder kryogener Lagerung zur Speicherung in kondensierter Form.
Dampfdruck
- Gemeldeter Dampfdruck: \(>1\,\mathrm{atm}\).
Qualitativ: Der Eintrag zum Dampfdruck spiegelt wider, dass Silane bei normalen Temperaturen gasförmig ist und einen erheblichen Dampfdruck ausübt; die Lagerung in Flaschen ist Standardpraxis.
Entzündungspunkt
- Gemeldet: Nicht anwendbar (Gas).
Silane wird als extrem entzündliches/pyrophores Gas klassifiziert; ein Entzündungspunkt ist für komprimierte oder gasförmige Umgebung nicht anwendbar.
Chemische Eigenschaften
Löslichkeit und Phasenverhalten
- Löslichkeit: Beschrieben als zerfallsbehaftet in Wasser; "zersetzt sich langsam in Wasser"; "Löslichkeit in Wasser: langsame Reaktion".
- Phase bei Umgebung: Gas oder Dampf; farbloses Gas mit charakteristischem (unangenehmem) Geruch.
Interpretation: Silane löst sich nicht stabil als molekularer Stoff in gängigen organischen Lösungsmitteln (praktisch unlöslich in Alkohol, Ether, Benzol, Chloroform etc. laut Berichten) und reagiert chemisch in wässrigen Medien, wobei es langsam hydrolysiert zu silizischen Spezies und Wasserstoff. Im Prozesskontext dominiert das Phasenverhalten von Silane der Gasphasen-Transport und schnelle Dispersion; kondensiertes (flüssiges) Silane existiert nur unter Druck- oder kryogenen Bedingungen.
Reaktivität und Stabilität
- Gemeldete Stabilität: Stabil bei normalen Temperaturen, aber zersetzt sich bei erhöhten Temperaturen (vollständige Zersetzung nahe \(\sim 400\,^\circ\mathrm{C}\)); Zersetzung setzt Wasserstoff frei und scheidet Silizium ab. Berichte weisen auf schnelle Zersetzung bei \(500\,^\circ\mathrm{C}\) und vollständige Zersetzung nahe \(400\,^\circ\mathrm{C}\) hin.
- Selbstentzündung / Pyrophorie: Als pyrophor beschrieben; Silane kann sich in Luft spontan entzünden und besitzt eine niedrige Zündenergie.
- Reaktivitätswarnungen / Unverträglichkeiten: Starkes Reduktionsmittel; wasserreaktiv (besonders in Gegenwart von Basen), reagiert heftig oder entzündet sich bei Kontakt mit Halogenen (Brom, Chlor) oder bestimmten kovalenten Chloriden; reagiert mit Oxidationsmitteln; Gemische mit Stickstoffoxiden und Lachgas können leicht detonieren.
- Zersetzungsverhalten: Zersetzt sich beim Erhitzen oder Verbrennen in Silizium und Wasserstoff; Zersetzung kann unter beengten Bedingungen explosiv sein.
Betriebliche Anmerkung: Systeme, die Silane handhaben, erfordern Maßnahmen zur Vermeidung von Kontakt mit Oxidationsmitteln und Halogenen, Eliminierung von Zündquellen sowie technische Sicherheitseinrichtungen, um Ansammlungen und unbeabsichtigte Freisetzungen zu vermeiden. Selbst Spuren von Verunreinigungen oder anderen Silanen in Mischungen können das Zündverhalten verändern.
Thermodynamische Daten
Standardenthalpien und Wärmekapazität
Für diese Eigenschaft liegen im aktuellen Datenkontext keine experimentell gesicherten Werte vor.
Kommentar: Während aggregierte Listen und Datenbanken thermodynamische Tabellen für kleine Hydride enthalten können, sind keine spezifischen numerischen Werte zur Standardbildungsenthalpie oder Wärmekapazität für Silane hier verfügbar.
Molekulare Parameter
Molekülgewicht und Formel
- Molekulare Formel: H4Si (auch angegeben als SiH4).
- Molekulargewicht: 32,117 (Einheiten \(\mathrm{g}\,\mathrm{mol}^{-1}\) für molare Masse verwenden).
Berechnete Deskriptoren: - Exakte Masse / monoisotopische Masse: 32,008226662. - Anzahl schwerer Atome: 1. - Formalladung: 0. - Anzahl kovalent gebundener Einheiten: 1. - Verbindung ist kanonisch: Ja.
LogP und Polarität
- Topologische polare Oberfläche (TPSA): 0.
- Anzahl Wasserstoffbrücken-Donoren: 0.
- Anzahl Wasserstoffbrücken-Akzeptoren: 0.
- Anzahl rotierbarer Bindungen: 0.
- Komplexität: 0.
Interpretation: Silan ist im Wesentlichen unpolar und besitzt keine polaren funktionellen Gruppen; klassische Verteilungskennzahlen wie logP sind für ein gasförmiges, anorganisches Hydrid nicht sehr aussagekräftig. Das Fehlen einer polaren Oberfläche und der Fähigkeit zur Wasserstoffbrückenbindung entspricht einer geringen intermolekularen Polarität im molekularen Sinne; jedoch bestimmen die hohe Polarisierbarkeit der Si–H-Bindungen und die Gasphasenreaktivität viele physikalische und chemische Eigenschaften.
Strukturelle Merkmale
Silan ist eine tetraedrische SiH4-Spezies (Si in nominaler sp3-Hybridisierung). Die Si–H-Bindungen sind stärker polarisierbar und länger als C–H-Bindungen; der größere Atomradius und die geringere Elektronegativität von Silizium im Vergleich zu Kohlenstoff führen zu Bindungen, die leichter polarisierbar und anfälliger für oxidative oder radikalische Angriffe sind. Die Symmetrie des Moleküls (Td) führt zu keinem permanenten Dipolmoment, jedoch wird die Reaktivität durch den reduzierenden Charakter der Si–H-Bindung sowie durch die leichte Homolyse oder Heterolyse der Si–H-Bindung unter geeigneten energetischen oder katalytischen Bedingungen dominiert. Gasphasen- und Oberflächenreaktionen (z. B. pyrolytische Zersetzung auf heißen Substraten) sind zentral für die Verwendung als Siliziumquelle.
Identifikatoren und Synonyme
Registernummern und Codes
- CAS-Nummer: 7803-62-5
- EG-Nummer: 232-263-4
- UN-Nummer / Versand: 2203
- UN/NA Versandbeschreibung: UN 2203; Silan
- UN ID (DOT): UN2203
- UN-Gefahrenklasse: 2.1 (entflammbares Gas)
- UNII: 5J076063R1
- RTECS-Nummer: VV1400000
- ChEBI: CHEBI:29389
- DSSTox Substance ID: DTXSID6052534
- ICSC-Nummer: 0564
- Nikkaji- und weitere Registernummern, gelistet in Lieferantenverzeichnissen (im Quellmaterial angegeben)
- InChI: InChI=1S/H4Si/h1H4
- InChIKey: BLRPTPMANUNPDV-UHFFFAOYSA-N
- SMILES: [SiH4]
(Die oben genannten Identifikatoren stammen aus gemeldeten Registern und strukturellen Deskriptoraufstellungen.)
Synonyme und Strukturbezeichnungen
Berichtete Synonyme (ausgewählt, wie geliefert): - Monosilan - Silican - Siliciumtetrahydrid - SILAN - Silican - Monosilan - Siliciumhydrid - SiH4 - Tetrahydridosilicium - H4Si - Siliciumhydrid (SiH4) - [SiH4] - Siliciumtetrahydrid
Diese alternativen Namen und Codes werden in Lieferanten-, behördlichen und wissenschaftlichen Kommunikationen austauschbar verwendet; die oben genannte CAS-Nummer ist die primäre numerische Registrierung.
Industrielle und kommerzielle Anwendungen
Vertreter der Verwendung und Branchenbereiche
- Hauptanwendung: gasförmiger Vorläufer zur Abscheidung von Silizium in der Halbleiter- und Photovoltaikherstellung; Quelle von hochreinem Silizium für CVD und epitaktisches Schichtwachstum.
- Weitere Prozessanwendungen: Dotiermittel in der Fertigung von Halbleiterbauelementen; Ausgangsstoff für die Herstellung von amorphem Silizium und bestimmten organischen Siliziumderivaten durch kontrollierte Addition oder Pyrolyse.
- Industriezweige: Halbleiterfertigung, elektronische Werkstoffe, Herstellung von Solarzellen, Lieferung von Spezialgasen.
Die Flüchtigkeit von Silan und seine saubere Zersetzung zu elementarem Silizium und Wasserstoff bilden die Grundlage für die Auswahl als Prozessgas, wenn hochreine Siliziumschichten benötigt werden.
Rolle in Synthese und Formulierungen
- Silan ist ein fundamentaler Baustein für die Herstellung höherer Silane und Organosilane durch Additionsreaktionen oder kontrollierte Kohlenwasserstofffunktionalisierung. In der industriellen Praxis wird es häufig in Gasphasenprozessen (CVD, Niederdruck-CVD) und als Reduktionsmittel in bestimmten Syntheseschritten eingesetzt.
- Die pyrolytische Zersetzung von Silan auf beheizten Substraten führt zur Abscheidung von Siliziumfilmen; durch selektive thermische Zersetzung können Filmmorphologie und Reinheit gesteuert werden.
Wo flüssige Handhabung oder Lagerung erforderlich ist, können Mischungen und höhere Silane formuliert werden; in kommerziellen Gasen gemeldete Verunreinigungen können flüchtige Hydride wie Phosphan oder Arsanhaltige Spuren enthalten und müssen für Halbleiteranwendungen kontrolliert werden.
Sicherheits- und Handhabungsübersicht
Akute und berufliche Toxizität
- Akute Inhalationstoxizitätsdaten (gemeldet): LC50 (Ratte) Werte wurden mit 9.600 \(\mathrm{ppm}\) / 4 h bzw. alternativ 4.000 \(\mathrm{ppm}\) / 4 h in unterschiedlichen Studien angegeben. Berichtet wurde Mortalität bei Mäusen bei hohen Konzentrationen (z. B. 10.000 \(\mathrm{ppm}\) für 4 h). Gemeldete LD50 (Kaninchen, subkutan): 3540 \(\mathrm{mg}\,\mathrm{kg}^{-1}\).
- Zielorgane / Effekte: Augen, Haut, Atmungssystem und zentrales Nervensystem. Anzeichen und Symptome einer Exposition umfassen Husten, Kopfschmerzen, Übelkeit, Halsschmerzen; Kontakt mit Flüssigkeit kann Erfrierungen verursachen; reizend für Haut und Augen.
- Berufliche Grenzwerte (gemeldet): TWA \(5\,\mathrm{ppm}\) (entspricht \(7\,\mathrm{mg}\,\mathrm{m}^{-3}\)); Empfehlungen für Ausnahmewerte und länderspezifische Grenzwerte können abweichen.
- AEGL (vorläufige) Werte (gemeldet, Einheiten ppm):
- 10 min: \(100,\ 170,\ 300\) (AEGL‑1, AEGL‑2, AEGL‑3)
- 30 min: \(100,\ 170,\ 300\)
- 60 min: \(100,\ 130,\ 270\)
- 4 h: nicht empfohlen (NR), \(80,\ 170\)
- 8 h: NR, \(42,\ 80\)
(NR = nicht empfohlen aufgrund unzureichender Daten.)
Gefahrenübersicht: Silan ist ein extrem entzündliches und pyrophores Gas, das sich in Luft spontan entzünden kann. Primäre akute Gefahren sind Feuer, Explosion, chemische Erstickung in engen Räumen und Reizungen der Atemwege. Überwachung der Exposition und technische Schutzmaßnahmen sind in Prozessumgebungen unerlässlich.
Lagerungs- und Handhabungshinweise
- Lagerung: Lagerung von Druckgasflaschen und Prozessgassystemen an kühlen, trockenen, gut belüfteten Orten, getrennt von Oxidationsmitteln, Halogenen und Basen. Verwendung feuerfester, belüfteter Lagerungen und Sicherung gegen Stöße; Gasversorgungssysteme erden, um statische Aufladung zu vermeiden.
- Handhabung: Zündquellen in Handhabungsbereichen eliminieren; explosionsgeschützte elektrische Geräte und eigensichere Messtechnik verwenden. Geschlossene Systeme und lokale Abluft verwenden, wo Silan eingesetzt wird. Gaserkennung und automatische Abschaltvorrichtungen zur Prozesssicherheit einsetzen. Rückfluss und Kreuzkontamination von Gasleitungen verhindern.
- Persönliche Schutzausrüstung (PSA): Bei möglichen Freisetzungen oder Brandbekämpfung: Überdruckatemsystem (SCBA) und vollflächige Schutzbekleidung. Für Routinearbeiten geeignete PSA für Gashandhabung, Augenschutz und kälteisolierende Handschuhe bei Handhabung von kryogenem oder verflüssigtem Silan.
- Brandbekämpfung und Maßnahmen bei Freisetzung: Versuch, einen brennenden Silangasaustritt nicht zu löschen, solange die Leckquelle nicht gestoppt ist; wenn möglich, Gaszufuhr abschalten und das brennende Material verbrennen lassen. Bei kleinen Bränden trockenes Pulver oder CO2 verwenden; bei größeren Bränden Wassernebel oder Sprühstrahl zur Kühlung von Behältern und zum Schutz von Personen aus sicherer Entfernung einsetzen. Wasser nicht direkt auf punktuelle Lecks richten; Wassersprühnebel kann die Dampfkonzentrationen reduzieren, aber Vereisung verursachen. Bereiche unterhalb des Windes bei größeren Freisetzungen isolieren und evakuieren.
- Entsorgung und Notfallplanung: Bei unkontrollierten Freisetzungen Bereich evakuieren und isolieren; Zutritt in enge Räume verhindern, in denen sich Dämpfe ansammeln können. Produktspezifische Sicherheitsunterlagen und lokale Vorschriften für zulässige Entsorgungs- und Dekontaminationsmaßnahmen konsultieren.
Für detaillierte Gefahren-, Transport- und Regulierungsinformationen sollten Anwender die produktspezifische Sicherheitsdatenblatt (SDS) und geltende lokale Gesetzgebungen heranziehen.
