硅及一些硅的化合物的物理及化学性质

【专家解说】：科名片 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25.7%，仅次于第一位的氧（49.4%）。 [编辑本段]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、 另参考：气相二氧化硅（俗称气相白碳黑）为人工合成物无定形白色流动性粉末，具有各种比表面积和容积严格的粒度分布。本产品是一种白色、松散、无定形、无毒、无味、无嗅，无污染的非金属氧化物。其原生粒径介于7～80nm之间，比表面积一般大于100㎡/g。由于其纳米效应，在材料中表现出卓越的补强、增稠、触变、绝缘、消光、防流挂等性质，因而广泛的应用于橡胶、塑料、涂料、胶粘剂、密封胶等高分子工业领域。 [编辑本段]晶体硅 硅(矽) 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1410℃，沸点2355℃，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，在高温下能与氧气等多种元素化合，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。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[2]。 化学反应方程式： SiO2 + 2C =高温= Si + 2CO ↑ [编辑本段]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，按能级由低硅原子到高，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[3]。 [编辑本段]元素硅 元素描述： 元素性质数据 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 + 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 （条件：高温） [编辑本段]总体特性 元素属性 名称：硅 符号：Si 序号：14 系列：类金属 族：14族 周期： 3 元素分区： p区 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% [2] 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 来源文献：Nanoscale mechanical property measurements using modified atomic force microscopy 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[2] 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） [2] 化学性质 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↑ + H2↑ （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：2.52×10 -4 /(m·Ω) 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 [2] [编辑本段]硅的用途 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。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] 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。[2] 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。[2] 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。[2] 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；用途 （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。 [2] [编辑本段]与硅有关的病症 硅摄入量过低 饲料中缺少硅可使动物生长迟缓。动物试验结果显示，喂饲致动脉硬化饮料的同时补充硅，有利于保护动物的主动脉的结构。另外，已确定血管壁中硅含量与人和动物粥样硬化程度呈反比。在心血管疾病长期发病率相差两部的人群中，其饮用水中硅的含量也相差约两倍，饮用硅含量高的水的人群患病较少。同时，其它已知的危险因素都不能充分解释这种不同。 高硅症 高硅饮食的人群中曾发现局灶性肾小球肾炎，肾组织中含硅量明显增高的个体。也有报道有人大量服用硅酸镁（含硅抗酸剂）可能诱发人类的尿路结石。 硅肺病 经呼吸道长期吸入大量含硅的粉尘，可引起矽肺。