硅的性质及其作用

硅的性质及其作用

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摘要：介绍了硅的很多物理和化学性质，还有当前硅的一些主要应用方面和硅在当今社会发展中的作用。

关键词：硅，晶体，化合物，反应。

正文：1823年，瑞典化学家贝采利乌斯用金属钾还原四氟化硅，得到了一种单质——硅。因为这种单质才让我们的生活发生了翻天覆地的变化。

硅，元素符号Si，源自英文silica，原子序数14，相对原子质量28.09，有无定形和晶体两种同素异形体，主要以化合物（二氧化硅和硅酸盐）的形式存在，硅约占地壳总重量的27.72％，其丰度仅次于氧。

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，其中28Si 92.23 %，29Si 4.67 %，30Si 3.1 %。

以下是硅的一些性质。

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]3s23p2 ，电子在每能级的排布2，8，4 ，氧化价（氧化物）：4（两性），晶体结构：面心立方。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)，第一电离能：786.5 kJ/mol ，第二电离能：1577.1 kJ/mol。核磁公振特性：核自旋为1/2。密度：2330 kg/m3，硬度：6.5 。颜色：深灰色、带蓝色调，熔点：1687 K（1414 °C），沸点：3173 K（2900 °C），摩尔体积：12.06×10-6m3/mol ，汽化热：384.22 kJ/mol ，熔化热：50.55 kJ/mol，蒸气压：4.77 帕（1683K）。

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 === SiF4

加热时，能与其它卤素反应生成卤化硅，与氧反应生成SiO2:

Si+2X2=== SiX4 (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。

硅的作用及用途。

自然界中的无定形的硅，叫做硅藻土，常用作甘油炸药（硝化甘油）的吸附体，也可作绝热、隔音材料。

但更普遍使用的是单晶硅和硅的化合物。

①硅是比锗更经得起当今器件工艺发展考验的半导体材料。在1966年已经生产40000千克半导体级硅(单晶超纯硅杂质含量小于1／109)，从而制造出40亿个元件，由硅晶体管和其他元件可组成集成电路，集成度越来越高，规模越来越大，而元件则愈做愈小。如一个直径为75毫米的硅片，可集成几万至几十万甚至几百万个元件，因而出现了微型计算机、微处理机等。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。

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。

⑤天然橡胶和合成橡胶的使用温度，——般都在150℃以下，否则就会老化变质。20世纪40年代发展起来的硅橡胶，是以硅一氧一硅为主链的半无机高分子弹性体，兼有无机材料和有机材料的某些特点，使用温度范围广。硅橡胶还具有优异的耐臭氧、生理惰性和电气性能。某些特殊结构的硅橡胶，更具有优良的耐油、耐溶剂、耐辐射等特性，因此，硅橡胶广泛用于航空、字宙航行技术、电气及电子工业部门。

另外，硅是同位素电池中换能器的主要材料；也是一种便宜而轻巧的太阳能电池材料。还是制航天飞机用的耐热而极轻的硅瓦的材料。

由于硅是微电子技术的关键材料,所以有人称现在为“以硅片为代表的电子材料时代”。

当然硅的作用还远不止这些，它更多的作用还有待开发。

硅为什么有以上这些性质呢？这很大程度上决定于硅的物理以及化学性质。

硅的化学性质不活泼，那是因为硅的结构为，价电子数为四，原子半径为110（111）pm，相对比较大，电负性为1.90，相对偏小，第一电离能为786.5 kJ/mol，相对偏大，所以它得失电子的能力都不强，才使得它的化学性质不活泼。

硅是良好的半导体材料。根据金属能带理论解释如下：硅的能带结构如图，