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硅(Silicon)是一種化學元素,化學符號是Si,原子序數是14,屬於元素周期表上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於在地殼中,是含量僅次於氧的第二豐富元素。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。

1 硅 -發現歷史

硅硅石

1787年,拉瓦錫首次發現硅存在於岩石中。

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製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,並於一年後提煉出了無定形硅,其方法與蓋·呂薩克使用的方法大致相同。他隨後還用反覆清洗的方法將單質硅提純。

2 硅 -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)。由於當時漢語拼音方案尚未推廣普及,一般大眾多誤讀為guī。由於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,於是又創「矽」字避免誤讀。台灣沿用「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,通過並公布改回原名字「硅」並讀「guī」,但並未意識到其實「硅」字本亦應讀xì音。矽肺與矽鋼片等民間常用辭彙至今仍用矽字。

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」。

3 硅 -理化性質

同素異形體

硅

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:不溶於一般無機酸中,可溶於鹼溶液中,並有氫氣放出,形成相應的鹼金屬硅酸鹽溶液,於赤熱溫度下,與水蒸氣能發生作用。

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。 

4 硅 -分佈

硅在自然界分佈極廣,地殼中約含27.6%,硅主要以化合物的形式,作為僅次於第一位的氧(49.4%)的最豐富元素存在於地殼中,約佔地表岩石的四分之一。 

硅在自然界中沒有單質狀態存在,都存在於化合物中,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,花崗岩是由石英、長石、雲母混合組成的,石英即是二氧化硅的一種形式,長石和雲母是硅酸鹽。砂子和砂岩是不純硅石的變體,是天然硅酸鹽岩石風化后的產物。

二氧化硅(硅石)是最普遍的化合物,在自然界中分佈極廣,構成各種礦物和岩石。最重要的晶體硅石是石英。

5 硅 -化合物

硅二氧化硅結構

1、碳化硅:用於半導體、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。

6 硅 -製備

工業上,通常是在電爐中由碳還原二氧化硅而製得。

化學反應方程式:

SiO2 + 2C → Si + 2CO

這樣製得的硅純度為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,還要將其轉化成易於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。

7 硅 -用途

硅硅太陽能電池

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,製成金屬陶瓷複合材料,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製造。  
 
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:是極好的防水塗布材料,在地下鐵道四壁噴塗有機硅,可以一勞永逸地解決滲水問題。在古文物、雕塑的外表,塗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,由於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、生活和裝飾品

工藝師利用鹽酸刻蝕石英製作藝術品;水晶項鏈和餐桌上的瓷盤都是硅酸鹽製品。

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