硅及一些硅的化合物的物理及化學(xué)性質(zhì)

【專家解說】：科名片 硅guī（臺(tái)灣、香港稱矽xī）是一種化學(xué)元素，它的化學(xué)符號(hào)是Si，舊稱矽。原子序數(shù)14，相對(duì)原子質(zhì)量28.09，有無定形硅和晶體硅兩種同素異形體，屬于元素周期表上IVA族的類金屬元素。硅也是極為常見的一種元素，然而它極少以單質(zhì)的形式在自然界出現(xiàn)，而是以復(fù)雜的硅酸鹽或二氧化硅的形式，廣泛存在于巖石、砂礫、塵土之中。硅在宇宙中的儲(chǔ)量排在第八位。在地殼中，它是第二豐富的元素，構(gòu)成地殼總質(zhì)量的25.7%，僅次于第一位的氧（49.4%）。 [編輯本段]硅的部分化合物 二氧化硅、硅膠、硅酸鹽、硅酸、原硅酸、硅烷、二氯硅烷、三氯硅烷、四氯硅烷、 另參考：氣相二氧化硅（俗稱氣相白碳黑）為人工合成物無定形白色流動(dòng)性粉末，具有各種比表面積和容積嚴(yán)格的粒度分布。本產(chǎn)品是一種白色、松散、無定形、無毒、無味、無嗅，無污染的非金屬氧化物。其原生粒徑介于7～80nm之間，比表面積一般大于100㎡/g。由于其納米效應(yīng)，在材料中表現(xiàn)出卓越的補(bǔ)強(qiáng)、增稠、觸變、絕緣、消光、防流掛等性質(zhì)，因而廣泛的應(yīng)用于橡膠、塑料、涂料、膠粘劑、密封膠等高分子工業(yè)領(lǐng)域。 [編輯本段]晶體硅 硅(矽) 晶體硅為灰黑色，無定形硅為黑色，密度2.32-2.34克／立方厘米，熔點(diǎn)1410℃，沸點(diǎn)2355℃，晶體硅屬于原子晶體，硬而有金屬光澤，有半導(dǎo)體性質(zhì)。硅的化學(xué)性質(zhì)比較活潑，在高溫下能與氧氣等多種元素化合，不溶于水、硝酸和鹽酸，溶于氫氟酸和堿液，用于制造合金如硅鐵、硅鋼等，單晶硅是一種重要的半導(dǎo)體材料，用于制造大功率晶體管、整流器、太陽能電池等。硅在自然界分布極廣，地殼中約含27.6％，含量?jī)H次于氧，居第二位。 結(jié)晶型的硅是暗黑藍(lán)色的，很脆，是典型的半導(dǎo)體?；瘜W(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定。在常溫下，除氟化氫以外，很難與其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)[2]。 化學(xué)反應(yīng)方程式： SiO2 + 2C =高溫= Si + 2CO ↑ [編輯本段]原子硅 硅原子位于元素周期表第IV主族，它的原子序數(shù)為Z=14，核外有14個(gè)電子。電子在原子核外，按能級(jí)由低硅原子到高，由里到外，層層環(huán)繞，這稱為電子的殼層結(jié)構(gòu)。硅原子的核外電子第一層有2個(gè)電子，第二層有8個(gè)電子，達(dá)到穩(wěn)定態(tài)。最外層有4個(gè)電子即為價(jià)電子，它對(duì)硅原子的導(dǎo)電性等方面起著主導(dǎo)作用。 正因?yàn)楣柙佑腥绱私Y(jié)構(gòu)，所以有其一些特殊的性質(zhì)：最外層的4個(gè)價(jià)電子讓硅原子處于亞穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，這些價(jià)電子使硅原子相互之間以共價(jià)鍵結(jié)合，由于共價(jià)鍵比較結(jié)實(shí)，硅具有較高的熔點(diǎn)和密度；化學(xué)性質(zhì)比較穩(wěn)定，常溫下很難與其他物質(zhì)（除氟化氫和堿液以外）發(fā)生反應(yīng)；硅晶體中沒有明顯的自由電子，能導(dǎo)電，但導(dǎo)電率不及金屬，且隨溫度升高而增加，具有半導(dǎo)體性質(zhì)[3]。 [編輯本段]元素硅 元素描述： 元素性質(zhì)數(shù)據(jù) 由無定型和晶體兩種同素異形體。具有明顯的金屬光澤，呈灰色，密度2.32-2.34克/厘米3，熔點(diǎn)1410℃，沸點(diǎn)2355℃，具有金剛石的晶體結(jié)構(gòu)，電離能8.151電子伏特。加熱下能同單質(zhì)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。不溶于一般無機(jī)酸中，可溶于堿溶液中，并有氫氣放出，形成相應(yīng)的堿金屬硅酸鹽溶液，于赤熱溫度下，與水蒸氣能發(fā)生作用。硅在自然界分布很廣，在地殼中的原子百分含量為16.7%。是組成巖石礦物的一個(gè)基本元素，以石英砂和硅酸鹽出現(xiàn)。 元素來源： 用鎂還原二氧化硅可得無定形硅。用碳在電爐中還原二氧化硅可得晶體硅。電子工業(yè)中用的高純硅則是用氫氣還原三氯氫硅或四氯化硅而制得。 元素用途： 用于制造高硅鑄鐵、硅鋼等合金，有機(jī)硅化合物和四氯化硅等，是一種重要的半導(dǎo)體材料，摻有微量雜質(zhì)得硅單晶可用來制造大功率的晶體管，整流器和太陽能電池等。 元素輔助資料： 硅在地殼中的含量是除氧外最多的元素。如果說碳是組成一切有機(jī)生命的基礎(chǔ)，那么硅對(duì)于地殼來說，占有同樣的位置，因?yàn)榈貧さ闹饕糠侄际怯珊璧膸r石層構(gòu)成的。這些巖石幾乎全部是由硅石和各種硅酸鹽組成。 長(zhǎng)石、云母、黏土、橄欖石、角閃石等等都是硅酸鹽類；水晶、瑪瑙、碧石、蛋白石、石英、砂子以及燧石等等都是硅石。但是，硅與氧、碳不同，在自然界中沒有單質(zhì)狀態(tài)存在。這就注定它的發(fā)現(xiàn)比碳和氧晚。 拉瓦錫曾把硅土當(dāng)成不可分割的物質(zhì)——元素。 1823年，貝齊里烏斯將氟硅酸鉀（K2SiF6）與過量金屬鉀共熱制得無定形硅。盡管之前也有不少科學(xué)家也制得過無定形硅，但直到貝齊里烏斯將制得的硅在氧氣中燃燒，生成二氧化硅——硅土，硅才被確定為一種元素。硅被命名為silicium，元素符號(hào)是Si。 常用方程式 Si + 2OH- + H2O == SiO32- + 2H2↑ SiO2 + 2OH- == SiO32- + H2O SiO32- + 2NH4+ + H2O == H4SiO4↓ + 2NH3↑ SiO32- + CO2 + 2H2O == H4SiO4↓+ CO32- SiO32- + 2H+ == H2SiO3↓ SiO32- + 2H+ + H2O == H4SiO4↓ H4SiO4 == H2SiO3 + H2O 3SiO32- + 2Fe3+ == Fe2(SiO3)3↓ 3SiO32- + 2Al3+ == Al2(SiO3)3↓ Na2CO3 + SiO2 == Na2SiO3 + CO2 （條件：高溫） [編輯本段]總體特性 元素屬性 名稱：硅 符號(hào)：Si 序號(hào)：14 系列：類金屬 族：14族 周期： 3 元素分區(qū)： p區(qū) 密度：2330 kg/m3 硬度：36.5 顏色和外表： 深灰色、帶藍(lán)色調(diào) 地殼含量： 25.7% [2] 彈性模量：19GPa（有些文獻(xiàn)中為這個(gè)值） 采用納米壓入法測(cè)得單晶硅（100）的E為140~150GPa 來源文獻(xiàn)：Nanoscale mechanical property measurements using modified atomic force microscopy 原子屬性 原子量：28.0855u 原子半徑：（計(jì)算值）110（111）pm 共價(jià)半徑：111 pm 范德華半徑：210 pm 價(jià)電子排布：[氖]3s2 3p2 電子在每個(gè)能級(jí)的排布：2，8，4 氧化性（氧化物）：4（兩性的） 晶體結(jié)構(gòu)：面心立方[2] 物理屬性 物質(zhì)狀態(tài)：固態(tài) 熔點(diǎn)：1687K（1414℃） 沸點(diǎn)：3173K（2900℃） 摩爾體積：12.06×10-6m3/mol 汽化熱：384.22kJ/mol 熔化熱：50.55kJ/mol 蒸氣壓：4.77Pa（1683K） [2] 化學(xué)性質(zhì) 分類：純凈物—單質(zhì)—非金屬單質(zhì) （1）與單質(zhì)反應(yīng)： Si + O2 == SiO2，條件：加熱 Si + 2F2 == SiF4 Si + 2Cl2 == SiCl4，條件：高溫 （2）不與其它氧化物反應(yīng)； （3）與氧化性酸反應(yīng)： 只與氫氟酸反應(yīng) Si + 4HF == SiF4↑ + H2↑ （4）與堿反應(yīng)：Si + 2OH- + H2O == SiO32- + 2H2↑（如NaOH） 其他性質(zhì) 電負(fù)性：1.90（鮑林標(biāo)度） 比熱：700 J/(kg·K) 電導(dǎo)率：2.52×10 -4 /(m·Ω) 熱導(dǎo)率：148 W/(m·K) 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 [2] [編輯本段]硅的用途 ①高純的單晶硅是重要的半導(dǎo)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(dǎo)體；摻入微量的第VA族元素，形成n型和p型半導(dǎo)體結(jié)合在一起，就可做成太陽能電池，將輻射能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。在開發(fā)能源方面是一種很有前途的材料。另外廣泛應(yīng)用的二極管、三極管、晶閘管和各種集成電路（包括我們計(jì)算機(jī)內(nèi)的芯片和CPU)都是用硅做的原材料。[2] ②金屬陶瓷、宇宙航行的重要材料。將陶瓷和金屬混合燒結(jié)，制成金屬陶瓷復(fù)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(yōu)點(diǎn)，又彌補(bǔ)了兩者的先天缺陷。 可應(yīng)用于軍事武器的制造。第一架航天飛機(jī)“哥倫比亞號(hào)”能抵擋住高速穿行稠密大氣時(shí)摩擦產(chǎn)生的高溫，全靠它那三萬一千塊硅瓦拼砌成的外殼。[2] ③光導(dǎo)纖維通信，最新的現(xiàn)代通信手段。用純二氧化硅可以拉制出高透明度的玻璃纖維。激光可在玻璃纖維的通路里，發(fā)生無數(shù)次全反射而向前傳輸，代替了笨重的電纜。光纖通信容量高，一根頭發(fā)絲那么細(xì)的玻璃纖維，可以同時(shí)傳輸256路電話；而且它還不受電、磁的干擾，不怕竊聽，具有高度的保密性。光纖通信將會(huì)使21世紀(jì)人類的生活發(fā)生革命性巨變。[2] ④性能優(yōu)異的硅有機(jī)化合物。例如有機(jī)硅塑料是極好的防水涂布材料。在地下鐵道四壁噴涂有機(jī)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(jī)硅塑料，可以防止青苔滋生，抵擋風(fēng)吹雨淋和風(fēng)化。天安門廣場(chǎng)上的人民英雄紀(jì)念碑，便是經(jīng)過有機(jī)硅塑料處理表面的，因此永遠(yuǎn)潔白、清新。 有機(jī)硅化合物，是指含有Si-O鍵、且至少有一個(gè)有機(jī)基是直接與硅原子相連的化合物，習(xí)慣上也常把那些通過氧、硫、氮等使有機(jī)基與硅原子相連接的化合物也當(dāng)作有機(jī)硅化合物。其中，以硅氧鍵（-Si-0-Si-）為骨架組成的聚硅氧烷，是有機(jī)硅化合物中為數(shù)最多，研究最深、應(yīng)用最廣的一類，約占總用量的90%以上。[2] ⑤有機(jī)硅材料具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)： （1） Si原子上充足的甲基將高能量的聚硅氧烷主鏈屏蔽起來； （2） C-H無極性，使分子間相互作用力十分微弱；用途 （3） Si-O鍵長(zhǎng)較長(zhǎng)，Si-O-Si鍵鍵角大。 （4） Si-O鍵是具有50％離子鍵特征的共價(jià)鍵（共價(jià)鍵具有方向性，離子鍵無方向性）。 由于有機(jī)硅獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，兼?zhèn)淞藷o機(jī)材料與有機(jī)材料的性能，具有表面張力低、粘溫系數(shù)小、壓縮性高、氣體滲透性高等基本性質(zhì)，并具有耐高低溫、電氣絕緣、耐氧化穩(wěn)定性、耐候性、難燃、憎水、耐腐蝕、無毒無味以及生理惰性等優(yōu)異特性，廣泛應(yīng)用于航空航天、電子電氣、建筑、運(yùn)輸、化工、紡織、食品、輕工、醫(yī)療等行業(yè)，其中有機(jī)硅主要應(yīng)用于密封、粘合、潤(rùn)滑、涂層、表面活性、脫模、消泡、抑泡、防水、防潮、惰性填充等。隨著有機(jī)硅數(shù)量和品種的持續(xù)增長(zhǎng)，應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬，形成化工新材料界獨(dú)樹一幟的重要產(chǎn)品體系，許多品種是其他化學(xué)品無法替代而又必不可少的。 有機(jī)硅材料按其形態(tài)的不同，可分為：硅烷偶聯(lián)劑（有機(jī)硅化學(xué)試劑）、硅油（硅脂、硅乳液、硅表面活性劑）、高溫硫化硅橡膠、液體硅橡膠、硅樹脂、復(fù)合物等。 [2] [編輯本段]與硅有關(guān)的病癥 硅攝入量過低 飼料中缺少硅可使動(dòng)物生長(zhǎng)遲緩。動(dòng)物試驗(yàn)結(jié)果顯示，喂飼致動(dòng)脈硬化飲料的同時(shí)補(bǔ)充硅，有利于保護(hù)動(dòng)物的主動(dòng)脈的結(jié)構(gòu)。另外，已確定血管壁中硅含量與人和動(dòng)物粥樣硬化程度呈反比。在心血管疾病長(zhǎng)期發(fā)病率相差兩部的人群中，其飲用水中硅的含量也相差約兩倍，飲用硅含量高的水的人群患病較少。同時(shí)，其它已知的危險(xiǎn)因素都不能充分解釋這種不同。 高硅癥 高硅飲食的人群中曾發(fā)現(xiàn)局灶性腎小球腎炎，腎組織中含硅量明顯增高的個(gè)體。也有報(bào)道有人大量服用硅酸鎂（含硅抗酸劑）可能誘發(fā)人類的尿路結(jié)石。 硅肺病 經(jīng)呼吸道長(zhǎng)期吸入大量含硅的粉塵，可引起矽肺。