Compostos de hidrogênio do silício (Silanos)
O átomo de silício é capaz de formar compostos de fórmula geral $SiX_4$, interagindo com halogênios e hidrogênio, bem como formar estruturas com cadeias de ligações $Si-Si$.
Os compostos de hidrogênio formam uma série homóloga, semelhante aos alcanos:
- O silano ($SiH_4$) é um análogo estrutural do metano ($CH_4$).
- O disilano ($Si_2H_6$) é um análogo do etano ($C_2H_6$).
Apesar da semelhança estrutural, a reatividade química dos silanos é significativamente maior do que a dos hidrocarbonetos correspondentes. Por exemplo, o silano pode autoinflamar-se em contato com o ar. Além disso, ele reage extremamente de forma ativa com a água, enquanto o metano interage apenas com vapor de água e somente em condições muito drásticas.
Reação de hidrólise do silano: $SiH_4 + 3H_2O = H_2SiO_3 + 2H_2\uparrow$
Esta reação é interessante pelas suas propriedades redox. O processo ocorre por um mecanismo de conproporcionação, onde o hidrogênio atua simultaneamente como agente oxidante e redutor:
- Na molécula de silano ($SiH_4$), o estado de oxidação do hidrogênio é -1.
- Na molécula de água ($H_2O$), o estado de oxidação do hidrogênio é +1.
- Como resultado, forma-se hidrogênio molecular ($H_2$) com estado de oxidação 0.
Halogenetos de silício e sua hidrólise
Os halogenetos de silício também demonstram alta reatividade. Praticamente todos esses compostos sofrem hidrólise completa em meio aquoso. A única exceção nesta série é o fluoreto de silício ($SiF_4$), que se comporta de maneira diferente.
Vejamos o processo usando como exemplo a interação do cloreto de silício com a água: $SiCl_4 + 4H_2O = H_4SiO_4 + 4HCl$
Durante esta reação, ocorre a destruição completa da molécula original com a formação de ácido orto-silícico ($H_4SiO_4$) e a liberação do halogenidreto correspondente (neste caso, o cloreto de hidrogênio).
Mecanismo de reatividade: Silício vs. Carbono
A atividade química dos halogenetos de silício excede colossalmente a atividade dos halogenetos de carbono. Por exemplo, o tetracloreto de carbono ($CCl_4$) é absolutamente estável à ação da água.
A razão para a alta atividade do silício reside na estrutura de sua camada eletrônica. O átomo de silício possui orbitais $3d$ livres no nível de valência, graças aos quais é capaz de atuar como um aceptor de pares de elétrons.
O mecanismo de hidrólise dos halogenetos de silício ocorre segundo o seguinte esquema:
- Adição: A molécula de água atua como doadora de par de elétrons (através do átomo de oxigênio) e ataca o átomo de silício, posicionando os elétrons em seu orbital $d$ livre.
- Eliminação: Uma molécula de halogenidreto ($HCl$) é eliminada do complexo formado.
- Produto intermediário: Forma-se uma partícula na qual um dos átomos de halogênio é substituído por um grupo hidroxila ($OH$).
- Ciclicidade: O processo de adição de novas moléculas de água e eliminação de $HCl$ repete-se sucessivamente até que todos os átomos de cloro sejam substituídos (hidrólise completa).
Por que o carbono não consegue fazer isso? O átomo de carbono não possui orbitais livres no nível de valência (não existe subnível $2d$). Consequentemente, a molécula de água não pode fisicamente transferir seu par de elétrons para ele para iniciar a reação. É exatamente essa incapacidade de realizar o mecanismo de "adição-eliminação" que explica a completa inércia do $CCl_4$ à hidrólise.
Resumo: perguntas e respostas sobre o tema
Qual ácido exato é formado na reação do silano com a água?
Na reação do silano com a água, forma-se ácido silícico. O processo é descrito pela equação: $SiH_4 + 3H_2O = H_2SiO_3 + 2H_2\uparrow$. Nesta reação de conproporcionação, o hidrogênio atua simultaneamente como oxidante e redutor. O estado de oxidação do hidrogênio no silano é -1, na água é +1 e no produto gasoso formado é 0. O silano reage ativamente com a água, ao contrário do metano, que interage apenas com vapor de água em condições drásticas.
Quais compostos organossilícicos são usados na medicina e na farmácia?
Na medicina, farmácia e odontologia, são utilizados os seguintes compostos organossilícicos:
- Simeticona (Disflatyl) — um composto organossilícico sintético do grupo dos dimetilpolisiloxanos. Ele reduz a tensão superficial das bolhas de gás e é usado para flatulência, bem como para o preparo de ultrassonografia e exames radiológicos intestinais.
- Silanos — fornecem adesão química da carga inorgânica à matriz orgânica em compósitos odontológicos.
- Materiais de silicone à base de compostos organossilícicos de alto peso molecular são utilizados em instrumentos odontológicos para o acabamento e polimento de esmalte, cerâmica, metais e restaurações de compósitos e amálgama, bem como na forma de membranas e rolos de silicone na vestibuloplastia cirúrgica.
É fácil lembrar da reação do silano com a água: o hidrogênio com carga negativa (-1 do silano) encontra-se com o hidrogênio com carga positiva (+1 da água), eles "anulam" um ao outro e escapam na forma de gás neutro H₂ (0).
Questões de aulas e exames
Por que o tetracloreto de carbono não reage com a água, enquanto o tetracloreto de silício sofre hidrólise?
O átomo de carbono não tem orbitais d livres, portanto a molécula de água não pode se ligar a ele. O silício tem orbitais 3d vazios, que aceitam o par de elétrons do oxigênio da água, desencadeando a reação.
Qual é o papel do hidrogênio na reação de hidrólise do silano?
O hidrogênio participa da reação de conproporcionação, atuando simultaneamente como oxidante (com estado de oxidação +1 na água) e redutor (com estado de oxidação -1 no silano).
Todos os halogenetos de silício são completamente destruídos pela água?
Não, todos os halogenetos de silício sofrem hidrólise completa, com exceção do fluoreto de silício ($SiF_4$).
O que mais estudar sobre o tema
- Reações redox envolvendo silanos
- Mecanismo gradual de hidrólise de halogenetos
- Propriedades e estrutura de estruturas com ligações Si-Si
- Ácidos orto-silícico e meta-silícico: condições de formação
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