Silano (7803-62-5) Propiedades Físicas y Químicas
Silano
Gas incoloro e inflamable, hidruro de silicio utilizado industrialmente como precursor reactivo para la deposición de silicio y la síntesis de materiales especiales.
| Número CAS | 7803-62-5 |
| Familia | Silanos (hidruros de silicio) |
| Forma típica | Gas incoloro (comprimido) |
| Grados comunes | EP |
El silano es el hidruro de silicio más simple (fórmula química H4Si o SiH4), un hidruro inorgánico mononuclear y el compuesto progenitor de la familia de los silanos. Estructuralmente es una molécula tetraédrica con un solo átomo de silicio unido covalentemente a cuatro átomos de hidrógeno; la geometría y enlace son formalmente análogos al metano pero con enlaces Si–H más grandes y polarizables. La estructura electrónica se caracteriza por enlaces sigma predominantes entre orbitales sp3 de silicio y orbitales 1s de hidrógeno; la molécula es centrosimétrica y, por tanto, no polar en conjunto, con momento dipolar permanente despreciable y área superficial polar topológica calculada de 0.
En condiciones ambientales el silano es un gas ligero, de bajo peso molecular, con alta volatilidad y baja cohesión intermolecular. No posee función donadora ni aceptadora de enlace de hidrógeno, no tiene enlaces rotatorios y su masa molecular es 32.117 (véanse parámetros moleculares abajo). Químicamente es un agente reductor fuerte, que se oxida o descompone fácilmente; puede encenderse espontáneamente en aire (comportamiento pirofórico) y reacciona con oxidantes, halógenos y algunos cloruros covalentes. El silano se hidroliza lentamente con agua para dar hidrógeno y óxidos de silicio hidratados; su descomposición térmica a temperaturas elevadas produce hidrógeno y deposita silicio de alta pureza.
Su relevancia industrial deriva principalmente de su función como fuente gaseosa de silicio: es el precursor principal para la deposición química en fase vapor (CVD) y el crecimiento epitaxial de silicio y películas que contienen silicio (incluidos silicio amorfo y policristalino) usados en la fabricación de semiconductores y dispositivos fotovoltaicos. Su combinación de volatilidad y descomposición limpia a silicio lo convierten en una materia prima estándar en procesamiento electrónico y fotovoltaico.
Los grados comerciales comunes reportados para esta sustancia incluyen: EP.
Propiedades Físicas Básicas
Densidad
- Densidad líquida: 0.68 a \(-185\,^\circ\mathrm{C}\) (líquido).
- Densidades gas/relativas reportadas: 1.11 (densidad relativa de gas) y densidad relativa de vapor (aire = 1): 1.3.
- Gravedad específica (gas): 1.44 \(\mathrm{g}\,\mathrm{L}^{-1}\) (reportado como gravedad específica de gas).
Explicación: El silano es un gas muy ligero en condiciones estándar; las densidades relativas de vapor reportadas ligeramente mayores que la unidad indican que los vapores pueden ser comparables o un poco más pesados que el aire dependiendo de las condiciones y método de medición. La densidad líquida se reporta a temperatura criogénica donde el silano se condensa.
Punto de Fusión
- Punto de fusión reportado: \(-185\,^\circ\mathrm{C}\) (también reportado como \(-301\,^\circ\mathrm{F}\)).
Si se necesita para la manipulación de silano licuado, estas transiciones de fase criogénicas indican el régimen de temperatura para solidificación/licuefacción.
Punto de Ebullición
- Punto de ebullición reportado: \(-112\,^\circ\mathrm{C}\) (también reportado como \(-169\,^\circ\mathrm{F}\)); una entrada especifica \(-169\,^\circ\mathrm{F}\) a \(760\,\mathrm{mmHg}\).
El punto de ebullición muy bajo explica la presencia del silano como gas a temperatura ambiente y la necesidad de cilindros presurizados o contención criogénica para almacenar en forma condensada.
Presión de Vapor
- Presión de vapor reportada: >1\,\mathrm{atm}.
Cualitativo: La presión de vapor indica que a temperaturas normales el silano es gaseoso y ejerce presión de vapor significativa; el almacenamiento en cilindros es práctica estándar.
Punto de Inflamación
- Reportado: N/A (gas).
El silano está clasificado como un gas extremadamente inflamable/pirofórico; el punto de inflamación no es aplicable para la fase gaseosa comprimida o ambiental.
Propiedades Químicas
Solubilidad y Comportamiento de Fase
- Solubilidad: Descompone en agua; "descompone lentamente en agua"; "Solubilidad en agua: reacción lenta".
- Fase a temperatura ambiente: Gas o vapor; gas incoloro con olor característico (desagradable).
Interpretación: El silano no se disuelve como soluto molecular estable en disolventes orgánicos comunes (prácticamente insoluble en alcohol, éter, benceno, cloroformo, etc. según se reporta) y es químicamente reactivo en medio acuoso, sufriendo hidrolisis lenta a especies silícicas e hidrógeno. En contextos de proceso su comportamiento de fase está dominado por transporte en fase gaseosa y dispersión rápida; el silano condensado (líquido) existe solo bajo condiciones presurizadas o criogénicas.
Reactividad y Estabilidad
- Estabilidad reportada: Estable a temperatura ordinaria pero se descompone a temperaturas elevadas (descomposición completa cerca de \(\sim 400\,^\circ\mathrm{C}\)); la descomposición libera hidrógeno y deposita silicio. Informes indican descomposición rápida a \(500\,^\circ\mathrm{C}\) y descomposición total cerca de \(400\,^\circ\mathrm{C}\).
- Autoignición / piroforicidad: Descrito como pirofórico; el silano puede inflamarse espontáneamente en aire y tiene baja energía de ignición.
- Alertas de reactividad / incompatibilidades: Agente reductor fuerte; reactivo con agua (especialmente en presencia de base), reacciona violentamente o arde al contacto con halógenos (bromo, cloro) o ciertos cloruros covalentes; reacciona con materiales oxidantes; mezclas con óxidos de nitrógeno y óxido nitroso pueden detonar fácilmente.
- Comportamiento de descomposición: Se descompone en silicio e hidrógeno al calentarse o quemarse; la descomposición puede ser explosiva en condiciones confinadas.
Nota operativa: Los sistemas que manipulan silano requieren controles para prevenir el contacto con oxidantes y halógenos, eliminación de fuentes de ignición y seguridades técnicas para evitar acumulación y liberación inadvertida. Incluso trazas de impurezas u otros silanos en mezcla pueden alterar el comportamiento de ignición.
Datos Termodinámicos
Entalpías estándar y Capacidad Calorífica
No se dispone de valores experimentales establecidos para esta propiedad en el contexto de datos actual.
Comentario: Aunque bases de datos y listados agregados pueden contener tablas termodinámicas para hidruros pequeños, no se proporcionan valores numéricos específicos estándar de entalpía de formación ni capacidad calorífica en los datos disponibles para silano aquí.
Parámetros Moleculares
Peso Molecular y Fórmula
- Fórmula molecular: H4Si (también reportada como SiH4).
- Peso molecular: 32.117 (usar unidades \(\mathrm{g}\,\mathrm{mol}^{-1}\) para masa molar).
Descriptores calculados: - Masa exacta / masa monoisotópica: 32.008226662. - Conteo de átomos pesados: 1. - Carga formal: 0. - Número de unidades covalentemente enlazadas: 1. - Compuesto está canónico: Sí.
LogP y Polaridad
- Área Superficial Polar Topológica (TPSA): 0.
- Número de donadores de enlace de hidrógeno: 0.
- Número de aceptadores de enlace de hidrógeno: 0.
- Número de enlaces rotatorios: 0.
- Complejidad: 0.
Interpretación: El silano es esencialmente no polar y carece de grupos funcionales polares; las métricas clásicas de partición como el logP no son muy significativas para un hidruro inorgánico gaseoso. La ausencia de área superficial polar y capacidad de formación de enlaces de hidrógeno corresponde a una baja polaridad intermolecular en el sentido molecular; sin embargo, la alta polarizabilidad de los enlaces Si–H y la reactividad en fase gaseosa determinan muchos comportamientos físicos y químicos.
Características estructurales
El silano es una especie tetraédrica SiH4 (Si en hibridación nominal sp3). Los enlaces Si–H son más polarizables y largos que los enlaces C–H; el mayor radio atómico y la menor electronegatividad del silicio en comparación con el carbono resultan en enlaces más fácilmente polarizados y más susceptibles a ataques oxidativos o radicales. La simetría de la molécula (Td) lleva a que no posea un dipolo permanente, pero la reactividad está dominada por el carácter reductor del enlace Si–H y por la homólisis o heterólisis fácil del enlace Si–H bajo condiciones energéticas o catalíticas adecuadas. Las reacciones en fase gaseosa y en superficie (p. ej., descomposición pirolítica sobre sustratos calientes) son centrales para su uso como fuente de silicio.
Identificadores y Sinónimos
Números de registro y códigos
- Número de registro CAS: 7803-62-5
- Número EC: 232-263-4
- Número ONU / Envío: 2203
- Descripción para envío ONU/NA: UN 2203; Silane
- ID ONU (DOT): UN2203
- Clase de peligro ONU: 2.1 (gas inflamable)
- UNII: 5J076063R1
- Número RTECS: VV1400000
- ChEBI: CHEBI:29389
- ID de sustancia DSSTox: DTXSID6052534
- Número ICSC: 0564
- Códigos Nikkaji y otros registros presentes en listas de proveedores (reportados en la fuente)
- InChI: InChI=1S/H4Si/h1H4
- InChIKey: BLRPTPMANUNPDV-UHFFFAOYSA-N
- SMILES: [SiH4]
(Los identificadores anteriores son tomados de listados reportados de registros y descriptores estructurales.)
Sinónimos y nombres estructurales
Sinónimos reportados (seleccionados, según suministro): - monosilano - silicano - tetrahidruro de silicio - SILANE - Silicane - Monosilane - Hidruro de silicio - SiH4 - tetrahidridosilicio - H4Si - Hidruro de silicio (SiH4) - [SiH4] - Tetrahidruro de silicio
Estos nombres alternativos y códigos se utilizan indistintamente en comunicaciones de proveedores, regulatorias y científicas; el número CAS indicado es el registro numérico principal.
Aplicaciones industriales y comerciales
Usos representativos y sectores industriales
- Uso principal: precursor gaseoso para el depósito de silicio en la fabricación de semiconductores y fotovoltaicos; fuente de silicio hiperpuros para CVD y crecimiento de capas epitaxiales.
- Otros usos en procesos: agente dopante en la fabricación de dispositivos de estado sólido; materia prima para producción de silicio amorfo y ciertos derivados organosilícicos mediante adición controlada o pirólisis.
- Sectores industriales: fabricación de semiconductores, materiales electrónicos, producción de células fotovoltaicas, suministro de gases especiales.
La volatilidad del silano y su descomposición limpia a silicio elemental e hidrógeno sustentan su selección como gas de proceso donde se requieren capas de silicio de alta pureza.
Rol en síntesis o formulaciones
- El silano es un bloque fundamental para la generación de silanos superiores y organosilanos mediante reacciones de adición o funcionalización controlada de hidrocarburos. En la práctica industrial se usa comúnmente en procesos en fase gaseosa (CVD, CVD a baja presión) y como agente reductor en secuencias sintéticas específicas.
- La descomposición pirolítica del silano sobre sustratos calientes deposita películas de silicio; la descomposición térmica selectiva se usa para controlar la morfología y pureza de la película.
Cuando se requiere manejo o almacenamiento en forma líquida, se pueden formular mezclas y silanos superiores; las impurezas reportadas en gases comerciales pueden incluir hidruros volátiles tales como fosfina o arsina en trazas, que deben ser controladas para aplicaciones en semiconductores.
Resumen de seguridad y manipulación
Toxicidad aguda y ocupacional
- Datos de toxicidad aguda por inhalación (reportados): valores LC50 (rata) reportados en 9,600 \(\mathrm{ppm}\) / 4 h y alternativamente 4,000 \(\mathrm{ppm}\) / 4 h en diferentes estudios. Mortalidad en ratones reportada a altas concentraciones (p. ej., 10,000 \(\mathrm{ppm}\) por 4 h). LD50 reportada (conejo, subcutáneo): 3540 \(\mathrm{mg}\,\mathrm{kg}^{-1}\).
- Órganos afectados / efectos: ojos, piel, sistema respiratorio y sistema nervioso central. Signos y síntomas de exposición incluyen tos, cefalea, náuseas, irritación de garganta; el contacto con el líquido puede causar quemaduras por congelación; irritante para piel y ojos.
- Límites de exposición ocupacional (reportados): Valor medio ponderado (TWA) \(5\,\mathrm{ppm}\) (equivalente reportado \(7\,\mathrm{mg}\,\mathrm{m}^{-3}\)); las recomendaciones para excursiones y límites específicos por países pueden variar.
- Valores AEGL (interinos) reportados en ppm:
- 10 min: \(100,\ 170,\ 300\) (AEGL-1, AEGL-2, AEGL-3)
- 30 min: \(100,\ 170,\ 300\)
- 60 min: \(100,\ 130,\ 270\)
- 4 h: NR, \(80,\ 170\)
- 8 h: NR, \(42,\ 80\)
(NR = no recomendado por falta de datos suficientes.)
Resumen de peligros: el silano es un gas extremadamente inflamable y pirofórico que puede inflamarse espontáneamente en aire. Los principales peligros agudos son incendio, explosión, asfixia química en espacios confinados e irritación respiratoria. El monitoreo de la exposición y los controles de ingeniería son esenciales en ambientes de proceso.
Consideraciones para almacenamiento y manipulación
- Almacenamiento: almacenar cilindros y sistemas de gases de proceso en sitios frescos, secos y bien ventilados, aislados de agentes oxidantes, halógenos y bases. Usar almacenamiento ignífugo y ventilado, y proteger contra impactos; mantener los sistemas de suministro de gas conectados a tierra para evitar descargas estáticas.
- Manipulación: eliminar fuentes de ignición en las áreas de manejo; usar equipos eléctricos a prueba de explosión e instrumentación intrínsecamente segura. Emplear sistemas cerrados y ventilación localizada de escape donde se utilice silano. Utilizar detección de gases y sistemas automáticos de corte para la seguridad del proceso. Prevenir retroflujo y contaminación cruzada en las líneas de gas.
- Equipo de protección personal (EPP): Para posibles fugas o combate de incendios: aparato respiratorio autónomo con presión positiva (SCBA) y ropa protectora completa. Para operaciones rutinarias utilizar EPP adecuado para manipulación de gases, protección ocular y guantes aislantes contra frío al manipular silano criogénico o licuado.
- Respuesta a incendios y liberaciones: no intentar extinguir un incendio de gas silano en flujo salvo que la fuga de fuente pueda ser detenida; si es posible, cortar el suministro y permitir que la combustión consuma el material liberado. Para incendios pequeños emplear polvo químico seco o CO2; para incendios grandes usar pulverización de agua o niebla para enfriar los recipientes y proteger zonas expuestas manteniendo distancia segura. Evitar dirigir agua sobre fugas puntuales; el rocío de agua puede reducir concentración de vapores pero puede causar formación de hielo. Aislar y evacuar áreas a sotavento ante liberaciones importantes.
- Eliminación y planificación de emergencias: ante liberaciones incontroladas evacuar y aislar el área; evitar la entrada en espacios confinados donde puedan acumularse vapores. Consultar la documentación de seguridad específica del producto y la normativa local para prácticas permitidas de eliminación y descontaminación.
Para información detallada sobre peligros, transporte y aspectos regulatorios, los usuarios deben consultar la Hoja de Datos de Seguridad (SDS) específica del producto y la legislación local aplicable.
