硅(Silicon),是一種化學元素,化學符號是Si,原子序數是14,屬于元素周期表上IVA族的類金屬元素。硅原子有四個外圍電子,與同族的碳相比,硅的化學性質更為穩定。硅在宇宙中的儲量排在第八位。硅以化合物形式存在于在地殼中,是含量僅次于氧的第二豐富元素。硅的應用領域廣泛,從中國最早的陶瓷工藝到現代光纖通信、宇航、電子等領域都有硅材料的應用。
硅
康熙字典
◎ 康熙字典解釋【午集下】【石字部】 硅; 康熙筆畫:11; 頁碼:頁829第40(點擊查看原圖)
【廣韻】虎伯切,音剨。硅破也。【正字通】砉字之譌。
化學元素解釋:
發現
1787年,拉瓦錫首次發現硅存在于巖石中。
1800年,戴維將其錯認為一種化合物。
1811年,蓋·呂薩克和Thénard通過將單質鉀和四氟化硅混合加熱的方法制備了不純的無定形硅。
1823年,硅首次作為一種元素被貝采利烏斯發現,并于一年后提煉出了無定形硅,其方法與蓋·呂薩克使用的方法大致相同。他隨后還用反復清洗的方法將單質硅提純。
名稱由來
英文中的silicon一詞,來自拉丁文的silex, silicis,意思為燧石(即火石,富含硅元素)。
民國初期,學者原將此元素音譯為“硅”而令其讀為“xì(圭旁確可讀xi音,如畦字)”(又,實際上“硅”字本為“砉”字之異體,讀作huò)。由于當時漢語拼音方案尚未推廣普及,一般大眾多誤讀為guī。由于化學元素譯詞除中國原有命名者,多用音譯,化學學會注意到此問題,于是又創“矽”字避免誤讀。臺灣沿用“矽”字至21世紀。
1953年2月,中國科學院召開了一次全國性的化學物質命名擴大座談會,有學者以“矽”與另外的化學元素“錫”和“硒”同音易混淆為由,通過并公布改回原名字“硅”并讀“guī”,但并未意識到其實“硅”字本亦應讀xì音。矽肺與矽鋼片等民間常用詞匯至今仍用矽字。
在香港,兩用法皆有,但“矽”較通用。
日文與韓文中則稱之為“硅素”,也可寫成“珪素”。
理化性質
同素異形體
有無定型和晶體兩種同素異形體:
1、一種為暗棕色無定形粉末,用鎂使二氧化硅還原而得,性質比較活潑,能夠在空氣中燃燒,稱為無定形硅;
2、另一種為性質穩定的晶體(結晶硅),是用炭在電爐中使二氧化硅還原而得。
物理性質
性狀:具有明顯的金屬光澤,呈灰色。結晶型的硅是暗黑藍色的,很脆,是典型的半導體。具有金剛石的晶體結構,
汽化熱 384.22 kJ/mol
熔化熱 50.55 kJ/mol
蒸氣壓 4.77 帕(1683K)
電負性 1.90(鮑林標度)
比熱 700 J/(kg·K)
電導率 2.52×10-4 /(米歐姆)
熱導率 148 W/(m·K)
電離能:8.151電子伏特。
第一電離能 786.5 kJ/mol
第二電離能 1577.1 kJ/mol
第三電離能 3231.6 kJ/mol
第四電離能 4355.5 kJ/mol
第五電離能 16091 kJ/mol
第六電離能 19805 kJ/mol
第七電離能 23780 kJ/mol
第八電離能 29287 kJ/mol
第九電離能 33878 kJ/mol
第十電離能 38726 kJ/mol
化學性質
穩定性:非常穩定。在常溫下,除氟化氫以外,很難與其他物質發生反應。
反應性:加熱下能同單質的鹵素、氮、碳等非金屬作用,也能同某些金屬如Mg、Ca、Fe、Pt等作用。生成硅化物。
溶解性:不溶于一般無機酸中,可溶于堿溶液中,并有氫氣放出,形成相應的堿金屬硅酸鹽溶液,于赤熱溫度下,與水蒸氣能發生作用。[1]
同位素
已發現的硅的同位素共有12種,包括硅25至硅36,其中只有硅28,硅29,硅30是穩定的,其他同位素都帶有放射性。
分布
硅在自然界分布極廣,地殼中約含27.6%,硅主要以化合物的形式,作為僅次于第一位的氧(49.4%)的最豐富元素存在于地殼中,約占地表巖石的四分之一。
硅在自然界中沒有單質狀態存在,都存在于化合物中,因此不存在“硅礦”的說法。硅的化合物主要是二氧化硅(硅石)和硅酸鹽。例如,花崗巖是由石英、長石、云母混合組成的,石英即是二氧化硅的一種形式,長石和云母是硅酸鹽。砂子和砂巖是不純硅石的變體,是天然硅酸鹽巖石風化后的產物。
二氧化硅(硅石)是最普遍的化合物,在自然界中分布極廣,構成各種礦物和巖石。最重要的晶體硅石是石英。
化合物
1、碳化硅:用于半導體、避雷針、電路元件、高溫應用、紫外光偵檢器、結構材料、天文、碟剎、離合器、柴油微粒濾清器、細絲高溫計、陶瓷薄膜、裁切工具、加熱元件、核燃料、珠寶、鋼、護具、觸媒擔體等領域。
2、二氧化硅:是沙和石英的主要成分。在半導體和太陽能板等應用中,是主要的原料。
3、硅烷:在醫學和工業領域有著廣泛的應用。
4、四氯化硅:應用在半導體工業和光電池中。[3]
制備
工業上,通常是在電爐中由碳還原二氧化硅而制得。
化學反應方程式:
SiO2 + 2C → Si + 2CO
這樣制得的硅純度為97~98%,叫做純硅。再將它融化后重結晶,用酸除去雜質,得到純度為99.7~99.8%的純硅。如要將它做成半導體用硅,還要將其轉化成易于提純的液體或氣體形式,再經蒸餾、分解過程得到多晶硅。如需得到高純度的硅,則需要進行進一步的提純處理。[4]
用途
1、高純的單晶硅是重要的半導體材料。
在單晶硅中摻入微量的第IIIA族元素,形成p型硅半導體;摻入微量的第VA族元素,形成n型和p型半導體結合在一起,就可做成太陽能電池,將輻射能轉變為電能。
2、金屬陶瓷、宇宙航行的重要材料。
將陶瓷和金屬混合燒結,制成金屬陶瓷復合材料,它耐高溫,富韌性,可以切割,既繼承了金屬和陶瓷的各自的優點,又彌補了兩者的先天缺陷。 可應用于軍事武器的制造。
3、光導纖維通信。
用純二氧化硅拉制出高透明度的玻璃纖維,激光在玻璃纖維的通路里,無數次的全反射向前傳輸,代替了笨重的電纜。光纖通信容量高,,不受電、磁干擾,不怕竊聽,具有高度的保密性。
4、硅有機化合物。
(1)、有機硅塑料:是極好的防水涂布材料,在地下鐵道四壁噴涂有機硅,可以一勞永逸地解決滲水問題。在古文物、雕塑的外表,涂一層薄薄的有機硅塑料,可以防止青苔滋生,抵擋風吹雨淋和風化。天安門廣場上的人民英雄紀念碑,便是經過有機硅塑料處理表面的,因此永遠潔白、清新。
(2)、硅橡膠:具有良好的絕緣改組,長期不龜裂、不老化,沒有毒性,還可以作為醫用高分子材料。
(3)、硅油:是一種很好的潤滑劑,由于它的粘度受溫度變化的影響小,流動性好,蒸氣壓低,在高溫或寒冷的環境中都能使用。[5]
5、生活和裝飾品
工藝師利用鹽酸刻蝕石英制作藝術品;水晶項鏈和餐桌上的瓷盤都是硅酸鹽制品