金刚石与硅的化学性质

【专家解说】：金刚石是由碳原子以共价键连接形成的正四面体空间网状结构的原子晶体 硅以大量的硅酸盐矿和石英矿存在于自然界中。如果说碳是组成生物界的主要元素，那么，硅就是构成地球上矿物界的主要元素。 硅在地壳中的丰度为27.7%，在所有的元素中居第二位，地壳中含量最多的元素氧和硅结合形成的二氧化硅SiO2，占地壳总质量的87%。 单晶硅和多晶硅的区别是，当熔融的单质硅凝固时,硅原子以金刚石晶格排列成许多晶核，如果这些晶核长成晶面取向相同的晶粒，则形成单晶硅。如果这些晶核长成晶面取向不同的晶粒，则形成多晶硅。 硅有晶态和无定形两种同素异形体。晶态硅又分为单晶硅和多晶硅，它们均具有金刚石晶格，晶体硬而脆，具有金属光泽，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。晶态硅的熔点1410C,沸点2355C,密无定形硅是一种黑灰色的粉末。 硅的化学性质 硅在常温下不活泼，其主要的化学性质如下: (1)与非金属作用 常温下Si只能与F2反应，在F2中瞬间燃烧，生成SiF4. Si+F2 === Si+F4 加热时，能与其它卤素反应生成卤化硅，与氧反应生成SiO2: Si+2F2 SiF4 (X=Cl,Br,I) Si+O2 SiO2 (SiO2的微观结构) 在高温下，硅与碳、氮、硫等非金属单质化合，分别生成碳化硅SiC、氮化硅Si3N4和硫化硅SiS2等. Si+C SiC 3Si+2N2 Si3N4 Si+2S SiS2 (2)与酸作用 Si在含氧酸中被钝化，但与氢氟酸及其混合酸反应，生成SiF4或H2SiF6: Si+4HF SiF4↑+2H2↑ 3Si+4HNO3+18HF === 3H2SiF6+4NO↑+8H2O (3)与碱作用 无定形硅能与碱猛烈反应生成可溶性硅酸盐，并放出氢气: Si+2NaOH+H2O === Na2SiO3+2H2↑ (4)与金属作用 硅还能与钙、镁、铜、铁、铂、铋等化合，生成相应的金属硅化物。 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。 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磨擦产生的高温，全靠它那三万一千块硅瓦拼砌成的外壳。 ③光导纤维通信，最新的现代通信手段。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，一根头发丝那么细的玻璃纤维，可以同时传输256路电话，它还不受电、磁干扰，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。 聚氧硅材料的应用1 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。 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。 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。硅元素进入有机世界，将它优异的无机性质揉进有机物里，使有机硅化合物别具一格，开辟了新的领域。