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シラン（シリカン）は、化学式SiH 4で表される無機化合物です。無色で自然発火性のガスで、酢酸にやや似た、刺激的で不快な臭いがあります。[ 6 ]シランは、元素シリコンの前駆体として実用上重要です。アルキル基を持つシランは、コンクリートや石材などの鉱物表面の撥水剤として効果的です。有機および無機結合を持つシランは、カップリング剤として使用されます。これらは、表面にコーティングを施したり、接着促進剤として一般的に使用されます。[ 7 ]
シランはいくつかの経路で生成することができる。[ 8 ]一般的には、塩化水素とケイ化マグネシウムの反応によって生成される。
また、冶金グレードのシリコンから2段階のプロセスで製造される。まず、シリコンを約300 ℃で塩化水素と反応させ、化学反応式に従ってトリクロロシラン（HSiCl3）と水素ガスを生成する。
トリクロロシランは、その後、シランと四塩化ケイ素の混合物に変換される。
この再分配反応には触媒が必要である。
このプロセスで最も一般的に使用される触媒は金属ハロゲン化物、特に塩化アルミニウムです。これは再分配反応と呼ばれ、同じ中心元素が関与する二重置換反応です。シリコンの酸化数に変化がないにもかかわらず（3種すべてにおいてSiの名目上の酸化数はIV）、不均化反応と考えることもできます。しかし、共有結合分子、たとえ極性共有結合分子であっても、酸化数の概念の有用性は曖昧です。シリコン原子は、ClがHよりもはるかに電気陰性度が高いため、 SiCl4では最高の形式酸化状態と部分的な正電荷を持ち、SiH4では最低の形式酸化状態を持つと合理的に説明できます。[ 9 ]： 93
半導体グレードのシリコン製造に適した高純度シランを製造するための代替工業プロセスは、冶金グレードのシリコン、水素、および四塩化ケイ素を原料とし、複雑な一連の再分配反応（プロセス内でリサイクルされる副生成物を生成する）と蒸留を含む。これらの反応の概要を以下に示す。
この方法で生成されたシランは、熱分解することで、高純度シリコンと水素を一度の工程で生成することができる。
シランのその他の工業的製造方法としては、四フッ化ケイ素（SiF 4）を水素化ナトリウム（NaH）で還元する方法や、SiCl 4を水素化アルミニウムリチウム（LiAlH 4 ）で還元する方法などがある。
シランの別の商業的製造法は、 NaClと塩化アルミニウム（AlCl 3 ）の混合物中で、高圧下でAlとH 2ガスを用いて二酸化ケイ素（SiO 2 ）を還元することである。 [ 10 ]
1857年、ドイツの化学者ハインリヒ・バフとフリードリヒ・ヴェーラーは、以前に調製したケイ化アルミニウムに塩酸を作用させて生成した生成物の中にシランを発見した。彼らはこの化合物をケイ化水素と名付けた。[ 11 ]
教室でのデモンストレーションでは、砂とマグネシウム粉末を加熱してケイ化マグネシウム（Mg₂Si ）を生成し、その混合物を塩酸に注ぐことでシランを生成できます。ケイ化マグネシウムは酸と反応してシランガスを生成し、空気と接触すると燃焼して小さな爆発を起こします。 [ 12 ]これは、Mg₂Siアンチフッ化物構造中の孤立したSi⁴⁻イオンが4つのプロトンを受け入れることができるブレンステッド・ローリー塩基として機能するため、不均一酸塩基化学反応に分類できます。これは次のように書くことができます。
一般的に、アルカリ土類金属は、次の化学量論比でケイ化物を形成します: M II 2 Si、M II Si、およびM II Si 2。すべての場合において、これらの物質はブレンステッド-ローリー酸と反応して、ケイ化物中の Si アニオンの結合に依存する何らかのタイプのケイ素水素化物を生成します。可能な生成物には、SiH 4および/または同族列Si n H 2 n +2のより高い分子、ポリマー状ケイ素水素化物、またはケイ酸が含まれます。したがって、Si 2−アニオンのジグザグ鎖 (各 Si アニオンにプロトンを受け入れることができる 2 つの孤立電子対を含む) を持つM II Siは、ポリマー状水素化物(SiH 2 ) xを生成します。
シランを製造するもう一つの小規模な方法は、ジクロロシラン、SiH 2 Cl 2にナトリウムアマルガムを作用させて、モノシランと黄色の重合ケイ素水素化物(SiH) xを生成することである。[ 13 ]
シランはメタンのシリコン類似体です。4つのSi-H結合はすべて等しく、その長さは147.98 pmです。[ 14 ]シリコンと比較して水素の電気陰性度が大きいため、このSi-H結合の極性はメタンのC-H結合の極性とは逆になります。この逆極性の結果の1つは、シランが遷移金属と錯体を形成する傾向が強いことです。2つ目の結果は、シランが自然発火性であるということです。つまり、外部からの着火を必要とせずに空気中で自然発火します。[ 15 ]しかし、入手可能な（しばしば矛盾する）燃焼データを説明するのが難しいのは、シラン自体が安定していること、製造中に自然に大きなシランが生成されること、および燃焼が水分などの不純物や容器表面の触媒効果に敏感であることが原因で自然発火性が生じるためです。[ 16 ] [ 17 ] 420 °C (788 °F)を超えると、シランはシリコンと水素に分解します。そのため、シリコンの化学気相成長に使用できます。
Si–H結合の強度は約384 kJ/molで、 H 2のH–H結合よりも約20%弱い。したがって、Si–H結合を含む化合物はH 2よりもはるかに反応性が高い。Si–H結合の強度は他の置換基によってわずかに影響を受ける。Si–H結合の強度は、SiHF 3 419 kJ/mol、SiHCl 3 382 kJ/mol、SiHMe 3 398 kJ/molである。[ 18 ] [ 19 ]
有機シランには多様な用途があるが、シラン自体には、特に半導体産業において、元素シリコンの前駆体としての主要な用途が一つ存在する。ジシランやトリシランといった高位シランは、学術的な関心の対象にとどまっている。1990年代後半には、年間約300トンのシランが消費されていた。[ 17 ]低コストの太陽光発電モジュール製造により、ガラスや金属、プラスチックなどの基板上にアモルファスシリコンプラズマ強化化学気相成長法（PECVD）プロセスは、材料利用効率が比較的低く、シランの約85%が無駄になっています。a-Si:Hベースの太陽電池の廃棄物と環境負荷をさらに削減するために、いくつかのリサイクルの取り組みが開発されています。 [ 20 ] [ 21 ]
空気中に漏洩したシランの燃焼や爆発によって引き起こされた多数の致命的な産業事故が報告されている。[ 22 ] [ 23 ] [ 24 ]
シランは自然発火性ガス（54 ℃または129 °F以下の温度で自然発火する可能性がある）である。[ 25 ]
希薄混合物の場合、シラン消費プロセスと水素酸化プロセスからなる2段階反応プロセスが提案されている。SiO 2 (s)の凝縮熱は、熱フィードバックにより燃焼速度を増加させる。[ 26 ]
窒素やアルゴンなどの不活性ガスで希釈されたシラン混合物は、純粋なシランと比較して、空気中に漏れるとさらに発火しやすくなります。純粋な窒素に1％のシランを混合しただけでも、空気に触れると簡単に発火します。[ 27 ]
日本では、アモルファスシリコン太陽電池の製造におけるシランの危険性を低減するため、複数の企業がシランを水素ガスで希釈し始めた。これにより、スタブラー・ロンスキー効果が低減され、より安定した太陽光発電セルを製造できるという相乗効果が得られた。
メタンとは異なり、シランはわずかに毒性があり、ラットに対する空気中の致死濃度（LC 50）は4時間曝露で0.96%（9,600 ppm）です。さらに、目に入るとケイ酸が生成され、刺激を引き起こす可能性があります。[ 28 ]
労働者のシランへの職業曝露に関して、米国国立労働安全衛生研究所は、 8時間時間加重平均で5 ppm（7 mg/m 3 ）の推奨曝露限度を設定している。 [ 29 ]
