硅(Silicon),是一种化学元素,化学符号是Si,原子序数是14,属于元素周期表上IVA族的类金属元素。硅原子有四个外围电子,与同族的碳相比,硅的化学性质更为稳定。硅在宇宙中的储量排在第八位。硅以化合物形式存在于在地壳中,是含量仅次于氧的第二丰富元素。硅的应用领域广泛,从中国最早的陶瓷工艺到现代光纤通信、宇航、电子等领域都有硅材料的应用。
- 目录
- 1、发现
- 2、名称由来
- 3、理化性质
- 4、分布
- 5、化合物
- 6、制备
- 7、用途
康熙字典
◎ 康熙字典解释【午集下】【石字部】 硅; 康熙笔画:11; 页码:页829第40(点击查看原图)
【廣韻】虎伯切,音剨。硅破也。【正字通】砉字之譌。
化学元素解释:
发现
1787年,拉瓦锡首次发现硅存在于岩石中。
1800年,戴维将其错认为一种化合物。
1811年,盖·吕萨克和Thénard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。
名称由来
英文中的silicon一词,来自拉丁文的silex, silicis,意思为燧石(即火石,富含硅元素)。
民国初期,学者原将此元素音译为“硅”而令其读为“xì(圭旁确可读xi音,如畦字)”(又,实际上“硅”字本为“砉”字之异体,读作huò)。由于当时汉语拼音方案尚未推广普及,一般大众多误读为guī。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21世纪。
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“guī”,但并未意识到其实“硅”字本亦应读xì音。矽肺与矽钢片等民间常用词汇至今仍用矽字。
在香港,两用法皆有,但“矽”较通用。
日文与韩文中则称之为“硅素”,也可写成“珪素”。
理化性质
同素异形体
有无定型和晶体两种同素异形体:
1、一种为暗棕色无定形粉末,用镁使二氧化硅还原而得,性质比较活泼,能够在空气中燃烧,称为无定形硅;
2、另一种为性质稳定的晶体(结晶硅),是用炭在电炉中使二氧化硅还原而得。
物理性质
性状:具有明显的金属光泽,呈灰色。结晶型的硅是暗黑蓝色的,很脆,是典型的半导体。具有金刚石的晶体结构,
汽化热 384.22 kJ/mol
熔化热 50.55 kJ/mol
蒸气压 4.77 帕(1683K)
电负性 1.90(鲍林标度)
比热 700 J/(kg·K)
电导率 2.52×10-4 /(米欧姆)
热导率 148 W/(m·K)
电离能:8.151电子伏特。
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
化学性质
稳定性: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。
反应性: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。
溶解性: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。[1]
同位素
已发现的硅的同位素共有12种,包括硅25至硅36,其中只有硅28,硅29,硅30是稳定的,其他同位素都带有放射性。
分布
硅在自然界分布极广,地壳中约含27.6%,硅主要以化合物的形式,作为仅次于第一位的氧(49.4%)的最丰富元素存在于地壳中,约占地表岩石的四分之一。
硅在自然界中没有单质状态存在,都存在于化合物中,因此不存在“硅矿”的说法。硅的化合物主要是二氧化硅(硅石)和硅酸盐。例如,花岗岩是由石英、长石、云母混合组成的,石英即是二氧化硅的一种形式,长石和云母是硅酸盐。砂子和砂岩是不纯硅石的变体,是天然硅酸盐岩石风化后的产物。
二氧化硅(硅石)是最普遍的化合物,在自然界中分布极广,构成各种矿物和岩石。最重要的晶体硅石是石英。
化合物
1、碳化硅:用于半导体、避雷针、电路元件、高温应用、紫外光侦检器、结构材料、天文、碟刹、离合器、柴油微粒滤清器、细丝高温计、陶瓷薄膜、裁切工具、加热元件、核燃料、珠宝、钢、护具、触媒担体等领域。
2、二氧化硅:是沙和石英的主要成分。在半导体和太阳能板等应用中,是主要的原料。
3、硅烷:在医学和工业领域有着广泛的应用。
4、四氯化硅:应用在半导体工业和光电池中。[3]
制备
工业上,通常是在电炉中由碳还原二氧化硅而制得。
化学反应方程式:
SiO2 + 2C → Si + 2CO
这样制得的硅纯度为97~98%,叫做纯硅。再将它融化后重结晶,用酸除去杂质,得到纯度为99.7~99.8%的纯硅。如要将它做成半导体用硅,还要将其转化成易于提纯的液体或气体形式,再经蒸馏、分解过程得到多晶硅。如需得到高纯度的硅,则需要进行进一步的提纯处理。[4]
用途
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。
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。
3、光导纤维通信。
用纯二氧化硅拉制出高透明度的玻璃纤维,激光在玻璃纤维的通路里,无数次的全反射向前传输,代替了笨重的电缆。光纤通信容量高,,不受电、磁干扰,不怕窃听,具有高度的保密性。
4、硅有机化合物。
(1)、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。
(2)、硅橡胶:具有良好的绝缘改组,长期不龟裂、不老化,没有毒性,还可以作为医用高分子材料。
(3)、硅油:是一种很好的润滑剂,由于它的粘度受温度变化的影响小,流动性好,蒸气压低,在高温或寒冷的环境中都能使用。[5]
5、生活和装饰品
工艺师利用盐酸刻蚀石英制作艺术品;水晶项链和餐桌上的瓷盘都是硅酸盐制品