Compuestos de hidrógeno del silicio (Silanos)
El átomo de silicio es capaz de formar compuestos con la fórmula general $SiX_4$, interactuando con halógenos e hidrógeno, así como de formar estructuras con cadenas de enlaces $Si-Si$.
Los compuestos de hidrógeno forman una serie homóloga, de manera similar a los alcanos:
- El silano ($SiH_4$) es el análogo estructural del metano ($CH_4$).
- El disilano ($Si_2H_6$) representa el análogo del etano ($C_2H_6$).
A pesar de su similitud estructural, la actividad química de los silanos es significativamente mayor que la de los hidrocarburos correspondientes. Por ejemplo, el silano puede inflamarse espontáneamente al entrar en contacto con el aire. Además, reacciona de forma sumamente activa con el agua, mientras que el metano interactúa únicamente con el vapor de agua y solo en condiciones muy drásticas.
Reacción de hidrólisis del silano: $SiH_4 + 3H_2O = H_2SiO_3 + 2H_2\uparrow$
Esta reacción es interesante por sus propiedades redox. El proceso transcurre a través de un mecanismo de desproporción (conproporción), donde el hidrógeno actúa simultáneamente como agente oxidante y reductor:
- En la molécula de silano ($SiH_4$), el estado de oxidación del hidrógeno es -1.
- En la molécula de agua ($H_2O$), el estado de oxidación del hidrógeno es +1.
- Como resultado, se forma hidrógeno molecular ($H_2$) con un estado de oxidación de 0.
Halogenuros de silicio y su hidrólisis
Los halogenuros de silicio también muestran una alta reactividad. Prácticamente todos estos compuestos sufren una hidrólisis completa en medio acuoso. La única excepción en esta serie es el fluoruro de silicio ($SiF_4$), que se comporta de manera diferente.
Consideremos el proceso tomando como ejemplo la interacción del cloruro de silicio con el agua: $SiCl_4 + 4H_2O = H_4SiO_4 + 4HCl$
Durante esta reacción se produce la destrucción completa de la molécula inicial con la formación de ácido ortosilícico ($H_4SiO_4$) y la liberación del halogenuro de hidrógeno correspondiente (en este caso, cloruro de hidrógeno).
Mecanismo de reactividad: Silicio frente a Carbono
La actividad química de los halogenuros de silicio supera colosalmente a la de los halogenuros de carbono. Por ejemplo, el tetraclorometano ($CCl_4$) es absolutamente estable frente a la acción del agua.
La causa de la alta actividad del silicio radica en la estructura de su capa electrónica. El átomo de silicio tiene orbitales $3d$ libres en su nivel de valencia, gracias a lo cual es capaz de actuar como aseptor (aceptor) de pares de electrones.
El mecanismo de hidrólisis de los halogenuros de silicio transcurre según el siguiente esquema:
- Adición: La molécula de agua actúa como donante de un par de electrones (a través del átomo de oxígeno) y ataca al átomo de silicio, alojando los electrones en su orbital $d$ libre.
- Eliminación: Del complejo formado se desprende una molécula de halogenuro de hidrógeno ($HCl$).
- Producto intermedio: Se forma una partícula en la cual uno de los átomos de halógeno es sustituido por un grupo hidroxilo ($OH$).
- Ciclicidad: El proceso de adición de nuevas moléculas de agua y eliminación de $HCl$ se repite sucesivamente hasta que todos los átomos de cloro sean reemplazados (hidrólisis completa).
¿Por qué el carbono no puede hacer esto? El átomo de carbono carece de orbitales libres en su nivel de valencia (no existe el subnivel $2d$). En consecuencia, la molécula de agua físicamente no puede transferirle su par de electrones para iniciar la reacción. Precisamente esta imposibilidad de llevar a cabo el mecanismo de «adición-eliminación» explica la completa inercia del $CCl_4$ frente a la hidrólisis.
En resumen: respuestas a preguntas sobre el tema
¿Qué ácido específico se forma en la reacción del silano con el agua?
En la reacción del silano con el agua se forma ácido silícico. El proceso se describe mediante la ecuación: $SiH_4 + 3H_2O = H_2SiO_3 + 2H_2\uparrow$. En esta reacción de conproporción, el hidrógeno actúa simultáneamente como agente oxidante y reductor. El estado de oxidación del hidrógeno en el silano es -1, en el agua es +1 y en el producto gaseoso resultante es 0. El silano reacciona activamente con el agua, a diferencia del metano, que solo interactúa con el vapor de agua en condiciones drásticas.
¿Qué compuestos organosilícicos se utilizan en medicina y farmacia?
En medicina, farmacia y odontología se utilizan los siguientes compuestos organosilícicos:
- Simeticona (Disflatyl) es un compuesto organosilícico sintético del grupo de las dimetilpolisiloxanas. Reduce la tensión superficial de las burbujas de gas y se utiliza para el meteorismo, así como en la preparación para ecografías y estudios radiológicos del intestino.
- Silanos: garantizan la adhesión química del relleno inorgánico con la matriz orgánica en los composites dentales.
- Materiales de silicona a base de compuestos organosilícicos de alto peso molecular se emplean en instrumentos dentales para el acabado y pulido de esmalte, cerámica, metales y restauraciones de composite y amalgama, así como en forma de membranas y rodillos de silicona en la vestibuloplastia quirúrgica.
Recordar la reacción del silano con el agua es sencillo: el hidrógeno con carga negativa (-1 procedente del silano) se encuentra con el hidrógeno con carga positiva (+1 procedente del agua), se «neutralizan» mutuamente y se desprenden en forma de gas neutro $H_2$ (0).
Preguntas de clases y exámenes
¿Por qué el tetraclorometano no reacciona con el agua, mientras que el tetracloruro de silicio se hidroliza?
El átomo de carbono no tiene orbitales $d$ libres, por lo que la molécula de agua no puede unirse a él. El silicio posee orbitales $3d$ vacíos que aceptan el par de electrones del oxígeno del agua, poniendo en marcha la reacción.
¿Cuál es el papel del hidrógeno en la reacción de hidrólisis del silano?
El hidrógeno participa en una reacción de conproporción, actuando simultáneamente como oxidante (con un estado de oxidación de +1 en el agua) y como reductor (con un estado de oxidación de -1 en el silano).
¿Se descomponen completamente por el agua todos los halogenuros de silicio?
No, todos los halogenuros de silicio sufren una hidrólisis completa, a excepción del fluoruro de silicio ($SiF_4$).
Qué más repasar sobre el tema
- Reacciones redox con participación de silanos
- Mecanismo escalonado de la hidrólisis de halogenuros
- Propiedades y estructura de las estructuras con enlaces $Si-Si$
- Ácidos ortosilícico y metasilícico: condiciones de formación
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