硅
   硅
  
  硅guī(台湾香港称矽xī)是一种化学元素,它的化学符号是Si,旧称矽。原子序数14,相对原子质量28.09,有无定形硅和晶体硅两种同素异形体,属于元素周期表上IVA族的类金属元素。硅也是极为常见的一种元素,然而它极少以单质的形式在自然界出现,而是以复杂的硅酸盐或二氧化硅的形式,广泛存在于岩石、砂砾、尘土之中。硅在宇宙中的储量排在第八位。在地壳中,它是第二丰富的元素,构成地壳总质量的26.4%,仅次于第一位的氧(49.4%)。
  

基本信息

  中文名称:硅
  英文名称:Silicon
  元素符号:Si
  原子序数:14
  原子量:28.086  

总体特性  

·元素属性

  名称:硅
元素性质数据
     元素性质数据
  符号:Si
  序号:14
  系列:类金属
  族:14族
  周期: 3
  元素分区: p区
  原子核外电子排布:1s2 2s22p6 3s23p2
  密度:2330 kg/m3   硬度:36.5
  颜色和外表: 深灰色、带蓝色调
  地壳含量: 25.7%
  弹性模量:19GPa(有些文献中为这个值)
  采用纳米压入法测得单晶硅(100)的E为140~150GPa  

·原子属性

  原子量:28.0855u
  原子半径:(计算值)110(111)pm
  共价半径:111 pm
  范德华半径:210 pm
  价电子排布:[氖]3s2 3p2
  电子在每个能级的排布:2,8,4
  氧化性(氧化物):4(两性的)
  晶体结构:面心立方 

·物理属性

  物质状态:固态
  熔点:1687K(1414℃)
  沸点:3173K(2900℃)
  摩尔体积:12.06×10-6m3/mol
  汽化热:384.22kJ/mol
  熔化热:50.55kJ/mol
  蒸气压:4.77Pa(1683K) 

·化学性质

  低温时单质硅不活泼,不跟空气、水和酸反应。室温下表面被氧化形成1000皮米二氧化硅保护膜。高温时能跟所有卤素反应,生成四卤化硅,跟氧气在700℃以上时燃烧生成二氧化硅。跟氯化氢气在500℃时反应,生成三氯氢硅siHCl3和氢气。高温下能跟某些金属(等)反应,生成硅化物。
  赤热时跟水蒸气反应生成二氧化硅和氢气。跟强碱溶液反应生成硅酸盐放出氢气。跟氢氟酸反应生成四氟化硅。用于制造合金如高硅铸铁、硅钢等,还用于制造有机硅化合物如硅酮树脂、硅油和硅橡胶等。
  分类:纯净物—单质—非金属单质
  (1)与单质反应:
  Si + O2 == SiO2,条件:加热
  Si + 2F2 == SiF4
  Si + 2Cl2 == SiCl4,条件:高温
  (2)不与其它氧化物反应;
  (3)与氧化性酸反应:
  只与氢氟酸反应:Si + 4HF == SiF4↑ + 2H2
  (4)与碱反应:
  Si + 2OH- + H2O == SiO32- + 2H2↑(如NaOH)  

·其他性质

  电负性:1.90(鲍林标度)
  比热:700 J/(kg·K)
  电导率:硅的电导率与其温度有很大关系,随着温度升高,电导率增大,在1480℃左右达到最大,而温度超过1600℃后又随温度的升高而减小。电导率范围:0~5500 Ωm   热导率:148 W/(m·K)
  第一电离能:786.5 kJ/mol
  第二电离能 :1577.1 kJ/mol
  第三电离能 :3231.6 kJ/mol
  第四电离能 :4355.5 kJ/mol
  第五电离能 :16091 kJ/mol
  第六电离能 :19805 kJ/mol
  第七电离能 :23780 kJ/mol
  第八电离能 :29287 kJ/mol
  第九电离能 :33878 kJ/mol
  第十电离能 :38726 kJ/mol 

元素介绍  

·硅名称的由来

  英文silicon,来自拉丁文的silex,silicis,意思为燧石(火石)。 民国初期,学者原将此元素译为“硅”而令其读为“xi(圭旁确可读xi音,如畦字)”(又,“硅”字本为“砉”字之异体,读huo)。然而在当时的时空下,由于拼音方案尚未推广普及,一般大众多误读为gui。由于化学元素译词除中国原有命名者,多用音译,化学学会注意到此问题,于是又创 “矽”字避免误读。台湾沿用“矽”字至今。 中国大陆在1953年2月,中国科学院召开了一次全国性的化学物质命名扩大座谈会,有学者以“矽”与另外的化学元素“锡”和“硒”同音易混淆为由,通过并公布改回原名字“硅”并读“gui”,但并未意识到其实“硅”字本亦应读xi音。有趣的是,矽肺与矽钢片等词汇至今仍用矽字。在香港,两用法皆有,但“矽”较通用。  

·硅的发现史

  1787年,拉瓦锡首次发现硅存在于岩石中。然而在1800年,戴维将其错认为一种化合物。1811年,盖-吕萨克和Thénard可能已经通过将单质钾和四氟化硅混合加热的方法制备了不纯的无定形硅。1823年,硅首次作为一种元素被贝采利乌斯发现,并于一年后提炼出了无定形硅,其方法与盖-吕萨克使用的方法大致相同。他随后还用反复清洗的方法将单质硅提纯。  

·硅的部分化合物

  二氧化硅、硅胶、硅酸盐、硅酸、原硅酸、硅烷、二氯硅烷、三氯硅烷、四氯硅烷等。 

·元素硅

  由无定型和晶体两种同素异形体。具有明显的金属光泽,呈灰色,密度2.32-2.34克/厘米3,熔点1410℃,沸点2355℃,具有金刚石的晶体结构,电离能8.151电子伏特。加热下能同单质的卤素、氮、碳等非金属作用,也能同某些金属如Mg、Ca、Fe、Pt等作用。生成硅化物。不溶于一般无机酸中,可溶于碱溶液中,并有氢气放出,形成相应的碱金属硅酸盐溶液,于赤热温度下,与水蒸气能发生作用。硅在自然界分布很广,在地壳中的原子百分含量为16.7%。是组成岩石矿物的一个基本元素,以石英砂和硅酸盐出现。
  元素来源
  用镁还原二氧化硅可得无定形硅。用碳在电炉中还原二氧化硅可得晶体硅。电子工业中用的高纯硅则是用氢气还原三氯氢硅或四氯化硅而制得。
  元素用途:
  用于制造高硅铸铁、硅钢等合金,有机硅化合物和四氯化硅等,是一种重要的半导体材料,掺有微量杂质得硅单晶可用来制造大功率的晶体管,整流器和太阳能电池等。
  元素辅助资料:
  硅在地壳中的含量是除氧外最多的元素。如果说碳是组成一切有机生命的基础,那么硅对于地壳来说,占有同样的位置,因为地壳的主要部分都是由含硅的岩石层构成的。这些岩石几乎全部是由硅石和各种硅酸盐组成。   
  长石、云母、黏土、橄榄石、角闪石等等都是硅酸盐类;水晶、玛瑙、碧石、蛋白石、石英、砂子以及燧石等等都是硅石。但是,硅与氧、碳不同,在自然界中没有单质状态存在。这就注定它的发现比碳和氧晚。   
  拉瓦锡曾把硅土当成不可分割的物质——元素。1823年,贝齐里乌斯将氟硅酸钾(K2SiF6)与过量金属钾共热制得无定形硅。尽管之前也有不少科学家也制得过无定形硅,但直到贝齐里乌斯将制得的硅在氧气中燃烧,生成二氧化硅——硅土,硅才被确定为一种元素。硅被命名为silicium,元素符号是Si。
  常用方程式:
  Si+O2=SiO2(高温)
  Si + 2OH- + H2O == SiO32- + 2H2
  Si+2F2==SiF4
  Si+4HF==SiF4↑+2H2
  Si+2NaOH+H2O==Na2SiO3+2H2
  SiO32- + 2NH4+ + H2O == H4SiO4↓ + 2NH3
  SiO32- + CO2 + 2H2O == H4SiO4↓+ CO32-
  SiO32- + 2H+ == H2SiO3
  H4SiO4 == H2SiO3 + H2O
  3SiO32- + 2Fe 3+ == Fe2(SiO3)3
  3SiO32- + 2Al 3+ == Al2(SiO3)3
  Na2CO3 + SiO2 == Na2SiO3 + CO2 (条件:高温)  

·原子硅

  硅原子位于元素周期表第IV主族,它的原子序数为Z=14,核外有14个电子。电子在原子核外,按能级由低到高,由里到外,层层环绕,这称为电子的壳层结构。硅原子的核外电子第一层有2个电子,第二层有8个电子,达到稳定态。最外层有4个电子即为价电子,它对硅原子的导电性等方面起着主导作用。
  正因为硅原子有如此结构,所以有其一些特殊的性质:最外层的4个价电子让硅原子处于亚稳定结构,这些价电子使硅原子相互之间以共价键结合,由于共价键比较结实,硅具有较高的熔点和密度;化学性质比较稳定,常温下很难与其他物质(除氟化氢和碱液以外)发生反应;硅晶体中没有明显的自由电子,能导电,但导电率不及金属,且随温度升高而增加,具有半导体性质。  

·晶体硅

  晶体硅为灰黑色,无定形硅为黑色,密度2.32-2.34克/立方厘米,熔点1414℃,沸点2900℃,晶体硅属于原子晶体,硬而有金属光泽,有半导体性质。硅的化学性质比较活泼,在高温下能与氧等多种元素化合,不溶于水、硝酸和盐酸,溶于氢氟酸和碱液,用于制造合金如硅铁、硅钢等,单晶硅是一种重要的半导体材料,用于制造大功率晶体管、整流器、太阳能电池等。室温下,本征载流子浓度为1.5x10^15/cm^3。硅在自然界分布极广,地壳中约含27.6%,含量仅次于氧,居第二位。结晶型的硅是暗黑蓝色的,很脆,是典型的半导体。化学性质非常稳定。在常温下,除氟化氢以外,很难与其他物质发生反应。
  化学反应方程式:   SiO2 + 2C =高温= Si(粗硅) + 2CO ↑    Si(粗硅) + 2Cl2 =△= SiCl4    SiCl4 +2H2=△= Si + 4HCl  

应用

  单晶硅作为半导体器件的核心材料,大大地促进了信息技术的革命。自20世纪中叶以来,单晶硅随着半导体工业的需要而迅速发展。到1996年全球半导体产业销售额达到1 410亿美元,而其中单晶硅材料的销售达到74亿美元。中国消耗的大部分集成电路及其硅片主要依赖进口。但我国科技人员正迎头赶上,于1998年成功地制造出了12英寸单晶硅,标志着我国单晶硅生产进入了新的发展时期。
  ①高纯的单晶硅是重要的半导体材料。在单晶硅中掺入微量的第IIIA族元素,形成p型硅半导体;掺入微量的第VA族元素,形成n型和p型半导体结合在一起,就可做成太阳能电池,将辐射能转变为电能。在开发能源方面是一种很有前途的材料。另外广泛应用的二极管、三极管、晶闸管和各种集成电路(包括我们计算机内的芯片和CPU)都是用硅做的原材料。
  ②金属陶瓷、宇宙航行的重要材料。将陶瓷和金属混合烧结,制成金属陶瓷复合材料,它耐高温,富韧性,可以切割,既继承了金属和陶瓷的各自的优点,又弥补了两者的先天缺陷。 可应用于军事武器的制造。第一架航天飞机“哥伦比亚号”能抵挡住高速穿行稠密大气时摩擦产生的高温,全靠它那三万一千块硅瓦拼砌成的外壳。
  ③光导纤维通信,最新的现代通信手段。用纯二氧化硅可以拉制出高透明度的玻璃纤维。激光可在玻璃纤维的通路里,发生无数次全反射而向前传输,代替了笨重的电缆。光纤通信容量高,一根头发丝那么细的玻璃纤维,可以同时传输256路电话;而且它还不受电、磁的干扰,不怕窃听,具有高度的保密性。光纤通信将会使21世纪人类的生活发生革命性巨变。
  ④性能优异的硅有机化合物。例如有机硅塑料是极好的防水涂布材料。在地下铁道四壁喷涂有机硅,可以一劳永逸地解决渗水问题。在古文物、雕塑的外表,涂一层薄薄的有机硅塑料,可以防止青苔滋生,抵挡风吹雨淋和风化。天安门广场上的人民英雄纪念碑,便是经过有机硅塑料处理表面的,因此永远洁白、清新。
  有机硅化合物,是指含有Si-O键、且至少有一个有机基是直接与硅原子相连的化合物,习惯上也常把那些通过氧、硫、氮等使有机基与硅原子相连接的化合物也当作有机硅化合物。其中,以硅氧键(-Si-0-Si-)为骨架组成的聚硅氧烷,是有机硅化合物中为数最多,研究最深、应用最广的一类,约占总用量的90%以上。
  ⑤有机硅材料具有独特的结构:
  (1) Si原子上充足的甲基将高能量的聚硅氧烷主链屏蔽起来;
  (2) C-H无极性,使分子间相互作用力十分微弱;
  (3) Si-O键长较长,Si-O-Si键键角大。
  (4) Si-O键是具有50%离子键特征的共价键(共价键具有方向性,离子键无方向性)。
  由于有机硅独特的结构,兼备了无机材料与有机材料的性能,具有表面张力低、粘温系数小、压缩性高、气体渗透性高等基本性质,并具有耐高低温、电气绝缘、耐氧化稳定性、耐候性、难燃、憎水、耐腐蚀、无毒无味以及生理惰性等优异特性,广泛应用于航空航天、电子电气、建筑、运输、化工、纺织、食品、轻工、医疗等行业,其中有机硅主要应用于密封、粘合、润滑、涂层、表面活性、脱模、消泡、抑泡、防水、防潮、惰性填充等。随着有机硅数量和品种的持续增长,应用领域不断拓宽,形成化工新材料界独树一帜的重要产品体系,许多品种是其他化学品无法替代而又必不可少的。
  有机硅材料按其形态的不同,可分为:硅烷偶联剂(有机硅化学试剂)、硅油(硅脂、硅乳液、硅表面活性剂)、高温硫化硅橡胶、液体硅橡胶、硅树脂、复合物等。  

制备

  工业上制备高纯单晶硅的化学反应原理:
  一般来说,工业制取高纯单晶硅主要采用以下方法:
  ①首先由石英砂和焦炭在电弧炉中制取纯度较低的粗硅:
  SiO2+2C==(3273K)Si+2CO↑
  ②然后将粗硅转化为有挥发性并易提纯的四氯化硅或三氯氢硅:
  Si+2Cl2==(723~773K)SiCl4   Si+3HCl==(523~573K)SiHCl3+H2
  ③再用精馏法提纯SiCl4或SiHCl3,在电炉中用氢气还原,得到纯度较高的硅:
  SiCl4+2H2==(加热)Si+4HCl
  ④最后我们用区域熔融法进一步提纯并制成高纯单晶硅。