Hydrolyse von Chlormethylsilanen

1. Experiment ist im WACKER-Schulversuchskoffer enthalten	nein
2. Versuchsvorschrift wurde modifiziert	/
3. Eigene Versuchsvorschrift wurde entwickelt	ja
4. Video-Clip verfügbar	ja (als wmv oder als mov)
5. Flash-Animation verfügbar	nein
6. Weitere Materialien: Arbeitsblätter 7, Arbeitsblätter 4, Arbeitsblätter 1, Folie DH8

1 Materialien, Chemikalien, Zeitbedarf

Reagenzglasständer
6 Reagenzgläser
3 Pipetten (2 ml)
Peleusball
Messzylinder (20 ml)
Tropfpipette
Glasstab
Saugflasche
Büchnertrichter
Gummimanschette
Wasserstrahlpumpe

Chlortrimethylsilan (M), C, F
Dichlordimethylsilan (D), Xi, F
Trichlormethylsilan (T), Xi, F
Universalindikatorpapier
Papierfilter

Der gesamte Versuch dauert etwa 15 Minuten, wovon 5 Minuten zur Vorbereitung, 3 Minuten zur Hydrolyse und 3 Minuten zum pH-Test benötigt werden. Die restliche Zeit wird zur Aufbereitung des Siliconharzpulvers benötigt.

2 Versuchsdurchführung und -beobachtung

Da die Chlormethylsilane sehr leicht hydrolysieren und dabei Chlorwasserstoff entsteht, ist der Versuch unter dem Abzug durchzuführen.
Schutzbrille, Gummihandschuhe und Laborkittel verstehen sich von selbst.

Im Abzug werden drei Reagenzgläser mit 6 ml, 12 ml und 18 ml Wasser beschickt. In drei anderen Reagenzgläsern werden je 2 ml der verschiedenen Chlormethylsilane gegeben. Danach wird wie folgt verfahren:

6 ml Wasser werden in das Reagenzglas mit dem Chlortrimethylsilan gegeben; die Reaktion wird beobachtet. Das Gemisch trübt sich zunächst und bildet dann zwei flüssige Phasen aus.
12 ml Wasser werden in das Reagenzglas mit dem Dichlordimethylsilan gegeben; die Reaktion wird beobachtet. Es kommt zu einer lebhaften Reaktion, wobei ein Gas entweicht. Die untere, zunächst trübe Phase klärt sich allmählich wie die obere Phase auf.
18 ml Wasser werden in das Reagenzglas mit dem Trichlormethylsilan gegeben; die Reaktion wird beobachtet. Unter starkem Aufbrausen entweicht ein Gas und es bildet sich ein Feststoff, der an die Wände des Reagenzglases fest klebt, von wo er recht schwer zu entfernen ist.

Nach Ablauf der Reaktion wird jeweils die wässrige Phase auf ihren pH-Wert hin geprüft. In allen drei Fällen wird ein stark saurer pH-Wert, pH = 1, gemessen.
Das Hydrolyseprodukt des Trichlormethylsilans wird mit dem Glasstab umgerührt, abgenutscht, gewaschen und trockengesaugt.

Das Foto zeigt die Hydrolyseansätze kurz nach Abschluss der Reaktionen. Das Hydrolyseprodukt des Dichlordimethylsilans (D, siehe Foto) ist eine leicht viskose Flüssigkeit, wogegen das Hydrolyseprodukt des Chlortrimethylsilans (M, siehe Foto) ähnlich niedrige Viskosität zeigt wie die drei Chlormethylsilane. Das Hydrolyseprodukt des Trichlormethylsilans (T, siehe Foto) zeigt sich nach dem Trocknen als grobkörniges, in der Hand fein zerreibbares, weißes Pulver.

3 Versuchsauswertung

Alle drei Chlormethylsilane sind gegenüber Wasser nicht beständig und hydrolysieren zu Methylsilanolen und Chlorwasserstoff. Als Beispiel sei hier die Reaktionsgleichung für Dichlordimethylsilan angegeben:

Die Methylsilanole kondensieren sofort zu größeren Molekülen. Bei dem monofunktionellen Trimethylsilanol endet die Kondensation bereits unter Bildung von Hexamethyldisiloxan, einer Siliciumverbindung, deren Moleküle ähnlich aufgebaut sind, wie die Moleküle eines Ethers. Hexamethyldisiloxan ist der einfachste Vertreter der Familie der Siliconöle und eine niedrig viskose Flüssigkeit mit relativ hohem Dampfdruck.

Dimethylsilandiol kondensiert zu größeren Molekülen, die kettenförmig oder ringförmig aufgebaut sein können. Es handelt sich dabei um Polydimethylsiloxane, oder kurz Silicone. Je länger diese Ketten sind, desto viskoser ist das Produkt. Die Bildung von kettenförmigen Silicon-Makromolekülen erfolgt nach folgendem Schema:

Methylsilantriol, das Hydrolyseprodukt von Trichlormethylsilan, kondensiert sehr schnell zu stark vernetzten Silicon-Makromolekülen.

4 Tipps und Anmerkungen

Es gibt nur wenige Beispiele, bei denen so schnell, einfach und überzeugend ein makromolekulares Material erzeugt werden kann wie bei der Hydrolyse von Trichlormethylsilan. Erfahrene Experimentatoren können dieses Beispiel als Demonstration einsetzen.
Auch die Hydrolyse von Dichlordimethylsilan und die spontane Kondensation des Produkts eignen sich gut für Demonstrationen, sowohl in Experimentalvorlesungen als auch im Schulunterricht.

5 Ergänzende Sachinformationen

Diese Versuche ergänzen die im unten angegebenen Lehrbuch dargestellten Inhalte zur nucleophilen Substitution, zur Polykondensation und zur technischen Herstellung von Siliconen.

6 Literatur

M. Tausch, M. von Wachtendonk (Hrsg.), CHEMIE S II, STOFF-FORMEL-UMWELT, C.C. Buchner, Bamberg (1993), (1998), S. 337f., S. 345f., S. 340