シラン (化合物)

シラン：性質、危険性、用途、そして関連化合物

シラン(SiH4)は、[ケイ素]]と水素からなる無機化合物です。メタン]の炭素を[[ケイ素に置き換えた構造を持つことから、ケイ素のアナログとも呼ばれます。特徴的な臭気を持つ無色の気体で、液化ガスとして流通しています。

シランの性質

シランは、空気中で容易に酸化され、二酸化ケイ素と水に分解します。さらに、高濃度では着火源がなくても自然発火する危険性があります。燃焼時には二酸化ケイ素の微粒子が発生するため、吸入には十分注意が必要です。また、強い刺激性があり、吸入すると肺気腫などの健康被害を引き起こす可能性があります。

シラン分子では、水素原子がケイ素原子を中心とした正四面体の頂点に位置しています。極性が低いため、ヘキサンやエーテルなどの有機溶媒によく溶解します。一方、アルコール類とはゆっくりと反応します。

シランのSi-H結合は、メタンのC-H結合と異なり、ケイ素よりも水素の電気陰性度が高いため、逆の極性を示します。このため、シランは遷移金属と錯体を形成しやすく、自然発火性を示す原因の一つと考えられています。

シランの沸点は-112℃と低く、臨界点は-3.5℃、47.8 atmと比較的温和な条件です。420℃以上に加熱すると、ケイ素と水素に分解します。この性質は、シリコンの化学蒸着(CVD)に利用されています。Si-H結合エネルギーは約384 kJ/molで、水素分子(H2)のH-H結合(約436 kJ/mol)より弱いため、反応性が高い点が特徴です。

シランの危険性と取り扱い

シランは空気中で自然発火し、水やハロゲンとも反応するため、取り扱いには細心の注意が必要です。消火には、大量の水による冷却が有効ですが、ハロゲン系消火剤の使用は避けるべきです。二酸化炭素や粉末消火剤が適切な消火剤となります。

過去には、シランガスの爆発事故も発生しており、その危険性が改めて認識されています。そのため、シランは特定高圧ガスに指定され、数量に関わらず届け出が必要となっています。近年では、より安全な前駆体を用いることで、シランの取り扱いを簡便かつ安全にする技術開発も進められています。

シランの製造方法

実験室レベルでは、ケイ化マグネシウムと塩酸または塩化アンモニウムを反応させることでシランを合成できます。しかし、この方法では副生物としてジシランが生成されるため、現在ではジシランの製造に利用されることが多いです。工業的には、ケイ素と水素を原料とした不均化反応法が主流となっています。

関連化合物：ポリシランと有機シラン

ポリシラン

ポリシランは、一般式SinH2n+2 (n>2) で表されるケイ素の重合体です。ケイ素数が比較的少ないものはオリゴシランと呼ばれます。アルカンと異なり、低い最低遷移エネルギーを持つなど、興味深い性質を示します。しかし、空気中で爆発的に酸化され、自発的に燃焼するため、取り扱いが困難です。そのため、ケイ素上にアルキル基やアリール基を導入した誘導体の研究が盛んに行われています。ポリシランも特定高圧ガスに指定されています。

有機シラン

有機シランは、シランの水素原子が有機基で置換された化合物の総称です。多くの誘導体が合成されており、例えばテトラメチルシランは、核磁気共鳴分光法における標準物質として広く用いられています。有機化学では、一般式をRR1R2R3Si（RはHまたは有機基）で表すことが多いです。

まとめ

シランは、半導体製造をはじめ様々な分野で重要な役割を果たす一方で、その高い反応性と自然発火性から、取り扱いには十分な注意が必要です。本記事で紹介した性質、危険性、製造方法、そして関連化合物に関する情報を理解することで、シランの安全な取り扱いと有効活用に繋がるでしょう。

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