硅：历史，特性，结构，获得，用途 - 化学 - 2025

所述硅是一种非 - 金属和准金属的同时元件由化学符号的Si表示。它是半导体，是计算机，计算器，手机，太阳能电池，二极管等的重要组成部分；实际上，它是允许建立数字时代的主要组成部分。

石英和硅酸盐中一直存在硅，这两种矿物质约占整个地壳质量的28％。因此，它是地球表面第二丰富的元素，广阔的沙漠和海滩为人们提供了丰富的视角。

沙漠是二氧化硅颗粒或花岗岩以及其他矿物质的丰富天然来源。资料来源：Pxhere。

硅属于元素周期表的第14组，与碳相同，位于其下方。这就是为什么将该元素视为四价准金属的原因。它具有四个价电子，理论上它可以失去所有这些电子而形成Si ⁴⁺阳离子。

它与煤炭共享的一项特性是其相互连接的能力。也就是说，它们的原子共价连接以定义分子链。同样，硅可以形成自己的“碳氢化合物”，称为硅烷。

自然界中硅的主要化合物是著名的硅酸盐。以其纯净形式可以显示为单晶，多晶或无定形固体。它是一种相对惰性的固体，因此不会带来很大的风险。

历史

硅石

硅也许是人类历史上影响最大的元素之一。

这个元素是石器时代的主角，也是数字时代的主角。它的起源可以追溯到文明曾经使用石英制造自己的眼镜的时代。如今，它已成为计算机，笔记本电脑和智能手机的主要组件。

实际上，硅已经成为我们历史上两个明确定义的时代的基石。

隔离

由于硅石含量如此之高，以火石岩石而得名，因此它在地壳中一定含有极其丰富的元素。这是对安东尼·拉瓦锡（Antoine Lavoisier）的正确怀疑，他在1787年试图减少锈蚀而失败。

一段时间后，在1808年，汉弗莱·戴维（Humphry Davy）做出了自己的尝试，并给该元素起了一个名字：“硅”，其译为“火石金属”。即，由于缺乏表征，到那时硅被认为是金属。

然后，在1811年，法国化学家约瑟夫·盖·卢萨克（Joseph L. Gay-Lussac）和路易·雅克·塞纳德（Louis JacquesThénard）首次成功制备了非晶硅。为此，他们使四氟化硅与金属钾反应。但是，他们没有纯化或表征获得的产品，因此他们没有得出结论，这是新的元素硅。

直到1823年，瑞典化学家雅各布·贝泽留斯（Jacob Berzelius）才获得了纯度足以识别为硅的无定形硅。苏格兰化学家托马斯·汤姆森（Thomas Thomson）在1817年将其视为非金属元素时使用的名称。Berzelius进行了氟硅酸钾和熔融钾之间的反应，以生产这种硅。

结晶硅

晶体硅由法国化学家亨利·德维尔（Henry Deville）于1854年首次制备。为此，Deville对铝和氯化钠的混合物进行了电解，从而获得了一层硅化铝覆盖的硅晶体，他用水洗（显然）将硅晶体除去。

物理和化学特性

外观

元素硅具有金属光泽，但实际上是准金属。来源：化学元素的高分辨率图像

纯或元素形式的硅由灰或蓝黑色固体（顶部图像）组成，虽然不是金属，但其表面看起来像真的一样。

它是一种坚硬而又易碎的固体，如果它是由多晶体组成的，则它还会显示出片状表面。另一方面，非晶硅看起来像深棕色粉末状固体。因此，很容易将一种硅（晶体或多晶硅）与另一种（非晶硅）区别开来。

摩尔质量

28.085克/摩尔

原子序数（Z）

14（₁₄是）

熔点

1414摄氏度

沸点

3265摄氏度

密度

-室温下：2.33克/毫升

-熔点：2.57 g / mL

注意，液态硅比固态硅致密。这意味着它的晶体会像在冰水系统中一样漂浮在相同的液相上。该解释是由于以下事实：其晶体中的Si原子之间的原子间空间比液体中相应的硅原子之间的原子间空间大（密度较小）（密度更大）。

熔化热

50.21 kJ /摩尔

汽化热

383 kJ /摩尔

摩尔热容

19.789 J /（摩尔K）

电负性

鲍林标度为1.90

电离能

-第一：786.5 kJ / mol

第二：1577.1 kJ / mol

第三：3231.6 kJ / mol

原子无线电

111 pm（根据各自的钻石晶体测量）

导热系数

149瓦/（m K）

电阻率

2.3·10 ³ Ω·m，在20℃

莫氏硬度

6.5

级联

硅原子具有形成简单的Si-Si键的能力，这些键最终定义为一条链（Si-Si-Si…）。

碳和硫也表现出这种特性。然而，与其他两个元素相比，硅的sp ³杂交较差，而且它们的3p轨道更分散，因此，所得sp ³轨道的重叠较弱。

Si-Si和CC共价键的平均能量分别为226 kJ / mol和356 kJ / mol。因此，Si-Si键较弱。因此，硅不是生命的基石（硫也不是）。实际上，硅可以形成的最长链或骨架通常是四元（Si ₄）。

氧化数

硅可以具有以下任意一个氧化数，前提是每个硅中均存在带有各自电荷的离子：-4（Si ^4-），-3（Si ^3-），-2（Si ^2-），-1（Si ^-），+ 1（Si ⁺），+ 2（Si 2 ⁺），+ 3（Si ³⁺）和+4（Si ⁴⁺）。在所有这些参数中，-4和+4是最重要的。

例如，在硅化物（Mg ₂ Si或Mg ₂ ²⁺ Si ^4-）中假定为-4 ；而+4对应于二氧化硅（SiO ₂或Si ⁴⁺ O ₂ ^2-）。

反应性

硅完全不溶于水以及强酸或强碱。但是，它溶解在硝酸和氢氟酸（HNO ₃ -HF）的浓混合物中。同样，它溶解在热的碱性溶液中，发生以下化学反应：

Si（s）+ 2NaOH（aq）+ H ₂ O（l）=> Na ₂ SiO ₃（aq）+ 2H ₂（g）

当硅溶解在熔融碳酸钠中时，也会形成偏硅酸钠盐Na ₂ SiO ₃：

Si（s）+ Na ₂ CO ₃（l）=> Na ₂ SiO ₃（l）+ C（s）

在室温下，当开始形成SiO ₂保护性玻璃体层时，它甚至不会与氧气发生反应，甚至在900ºC下也不会与氧气发生反应。然后在1400ºC下，硅与空气中的氮反应形成氮化物SiN和Si ₃ N ₄的混合物。

硅还会在高温下与金属反应形成金属硅化物：

2Mg（s）+ Si（s）=> Mg ₂ Si（s）

2Cu（s）+硅（s）=> Cu ₂ Si（s）

在室温下，它会与卤素直接发生爆炸性反应（没有SiO ₂层可以防止这种情况发生）。例如，我们有SiF ₄的形成反应：

Si（s）+ 2F ₂（g）=> SiF ₄（g）

尽管硅不溶于水，但它会与蒸气流产生红热反应：

Si（s）+ H ₂ O（g）=> SiO ₂（s）+ 2H ₂（g）

结构和电子配置

以球形和棒状模型表示的硅晶体结构或晶胞。资料来源：Benjah-bmm27

上图显示了用于硅晶体的与钻石相同的面心立方结构（fcc）。灰色的球体对应于Si原子，可以看到它们彼此共价键合。此外，它们又具有沿晶体复制的四面体环境。

硅晶体为fcc，是因为观察到Si原子位于立方体的每个面上（6×1/2）。同样，在立方体的顶点处有八个Si原子（8×1/8），在立方体的顶点处有四个Si原子（那些在其周围显示出明确的四面体，为4×1）。

也就是说，每个晶胞共有八个硅原子（上段中所示的3 + 1 + 4个数字）；纯硅是像钻石一样的共价晶体，有助于解释其高硬度和高刚度的特性。

共价字符

此共价特征是由于以下事实：硅与碳一样，根据其电子构型具有四个价电子：

3s ² 3p ²

对于键合，纯3s和2p轨道是无用的。这就是为什么该原子产生四个sp ³杂化轨道，与之形成四个Si-Si共价键并以此方式完成两个硅原子的价八位位组的原因。

然后将硅晶体可视化为由相互连接的四面体组成的三维共价晶格。

然而，这种网络并不是完美的，因为它具有缺陷和晶界，它们将一个晶体与另一个晶体分开并定义了一个晶体。当此类晶体非常小且众多时，我们将其称为多晶固体，由其异质光泽（类似于银色马赛克或鳞片状表面）来识别。

电导率

硅-硅键及其位置良好的电子原理上与金属的预期不同：一堆电子``润湿''其原子; 至少在室温下是如此。

但是，当温度升高时，硅开始导电，因此表现得像金属。即，它是半导体准金属元素。

非晶硅

四面体硅并不总是采用结构图案，而是可以无序排列。甚至与杂化似乎不是sp ³而是sp ^2的硅原子一起，也有助于进一步增加无序度。因此，我们说的是非晶硅和非晶硅。

在非晶硅中，存在电子空位，其中一些原子具有不成对电子的轨道。因此，它的固体可以被氢化，从而形成氢化的非晶硅。也就是说，它具有Si-H键，四面体通过Si-H键在无序和任意位置完成。

然后，本节的结论是，硅可以以三种固体形式存在（不提纯度）：晶体，多晶和非晶态。

他们每个人都有自己的生产方法或过程，以及在决定使用三种方法中的哪一种时都知道其优点和缺点，并有自己的应用和取舍。

在哪里找到和获得

石英（石英）晶体是发现硅的主要也是最特殊的矿物之一。资料来源：詹姆斯·圣约翰（James St.John）（https://www.flickr.com/photos/jsjgeology/22437758830）

硅是宇宙中第七大最丰富的元素，在地壳中是第二大元素，它还以其丰富的矿物质家族丰富了地球的地幔。这种元素与氧气的结合极好，形成了多种氧化物。其中包括二氧化硅，SO ₂和硅酸盐（具有不同的化学组成）。

由于沙子主要由SiO ₂组成，因此可以在沙漠和海滩上肉眼看到二氧化硅。反过来，这种氧化物可以以几种多晶型物的形式出现，最常见的是：石英，紫水晶，玛瑙，方石英，三方晶，堇青石，辉石和鳞石英。另外，它可以在无定形固体中发现，例如蛋白石和硅藻土。

同时，硅酸盐的结构和化学含量甚至更高。一些硅酸盐矿物包括：石棉（白色，棕色和蓝色），长石，粘土，云母，橄榄石，硅铝酸盐，沸石，闪石和辉石。

几乎所有岩石均由硅和氧组成，具有稳定的Si-O键，其二氧化硅和硅酸盐与金属氧化物和无机物混合。

-二氧化硅的还原

获得硅的问题打破了所述的Si-O键，为此需要特殊的熔炉和良好的还原策略。该过程的原料是石英形式的二氧化硅，将其预先研磨成细粉。

用这种磨碎的二氧化硅可以制备非晶硅或多晶硅。

非晶硅

在实验室以适当的措施进行的小规模试验中，将二氧化硅与镁粉在坩埚中混合，并在没有空气的情况下进行焚烧。然后发生以下反应：

SiO ₂（s）+ Mg（s）=> 2MgO（s）+ Si（s）

用稀盐酸溶液除去镁及其氧化物。然后，将剩余的固体用氢氟酸处理，使过量的SiO ₂完成反应。否则，过量的镁有利于形成其各自的硅化物Mg ₂ Si，这是该工艺所不希望的化合物。

SiO ₂转化为挥发性气体SiF ₄，将其回收用于其他化学合成。最后，在氢气流下干燥非晶硅物质。

获得非晶硅的另一种相似方法包括使用先前生产的相同SiF ₄或SiCl ₄（先前获得）。这些卤化硅的蒸气在惰性气氛中通过液态钠，因此可以在不存在氧气的情况下还原气体：

SiCl ₄（g）+ 4Na（l）=> Si（s）+ 4NaCl（l）

有趣的是，非晶硅被用来制造高能效的太阳能电池板。

结晶硅

再次从粉状二氧化硅或石英开始，将它们带入电弧炉，在此处与焦炭反应。这样，还原剂不再是金属，而是高纯度的碳质材料：

SiO ₂（s）+ 2C（s）=> Si（s）+ 2CO（g）

该反应还产生碳化硅SiC，该碳化硅用过量的SiO ₂（再次是石英过量）中和：

2SiC（s）+ SiO ₂（s）=> 3Si（s）+ 2CO（g）

制备晶体硅的另一种方法是使用铝作为还原剂：

3SiO ₂（s）+ 4Al（l）=> 3Si（s）+ 2Al ₂ O ₃（s）

从六氟硅酸钾盐K _2开始，它还与金属铝或钾反应生成相同的产物：

K ₂（l）+ 4Al（l）=> 3Si（s）+ 6KF（l）+ 4AlF ₃（g）

硅立即溶解在熔融铝中，当系统冷却时，第一个结晶并与第二个分离；第二个结晶析出。也就是说，形成了硅晶体，其呈现灰色。

多晶硅

与其他合成或生产方法不同，要获得多晶硅，首先要使用硅烷气相SiH ₄。该气体在高于500℃的温度下进行热解，从而发生热分解，因此，从其初始蒸气中，硅多晶最终沉积在半导体表面上。

以下化学方程式举例说明了发生的反应：

SiH ₄（g）=> Si（s）+ H ₂（g）

显然，腔室内应该没有氧气，因为氧气会与SiH ₄反应：

SiH ₄（g）+ 2O ₂（g）=> SiO ₂（s）+ 2H ₂ O（g）

正是这种燃烧反应的自发性，使得它在室温下迅速发生，而硅烷很少暴露于空气中。

生产这种类型的硅的另一种合成途径是从晶体硅作为原材料开始的。它们使它在300℃左右的温度下与氯化氢反应，从而形成三氯硅烷：

Si（s）+ 3HCl（g）=> SiCl ₃ H（g）+ H ₂（g）

然后，SiCl ₃ H在1100ºC下反应以再生硅，但现在是多晶的：

4SiCl ₃ H（g）=> Si（s）+ 3SiCl ₄（g）+ 2H ₂（g）

只需看一下方程即可了解必须考虑的工作和严格的生产参数。

同位素

硅自然存在，主要以²⁸ Si 同位素形式存在，其丰度为92.23％。

除此之外，还有另外两个稳定的同位素，因此不会发生放射性衰变：²⁹ Si，丰度为4.67％；和³⁰对，与丰富的3.10％。²⁸ Si 如此丰富，硅的原子量为28.084 u也就不足为奇了。

硅还可以在各种放射性同位素中发现，其中包括³¹ Si（t _1/2 = 2.62小时）和³² Si（t _1/2 = 153年）。其他的（²² Si- ⁴⁴ Si）具有非常短或短暂的t _1/2（不到百分之一秒）。

风险性

纯硅是一种相对惰性的物质，因此，只要暴露于低水平的硅，它通常不会积聚在任何器官或组织中。以粉末形式，它会刺激眼睛，引起流水或发红，而触摸它会引起皮肤不适，瘙痒和脱皮。

当暴露量很高时，硅会损害肺部；但没有后遗症，除非用量足以引起窒息。但是，石英并非如此，石英与肺癌以及诸如支气管炎和肺气肿等疾病有关。

同样，纯硅在自然界中非常稀有，地壳中如此丰富的化合物不会对环境构成任何风险。

现在，对于有机硅而言，它们可能是有毒的。但是由于它们很多，因此取决于要考虑的是哪一个，以及其他因素（反应性，pH，作用机理等）。

应用领域

建造业

硅矿物构成了建筑，房屋或纪念碑所用的“石头”。例如，水泥，混凝土，灰泥和耐火砖由基于硅酸盐的固体混合物组成。通过这种方法，可以想象该元素在城市和建筑中的效用。

玻璃和陶瓷

光学设备中使用的晶体可以由二氧化硅制成，可以用作绝缘体，分光光度计的样品池，压电晶体或单纯的透镜。

同样，当该材料由多种添加剂制成时，最终会转变为无定形固体，即玻璃。沙地通常是生产二氧化硅或石英所必需的。另一方面，用硅酸盐制造陶瓷材料和瓷器。

相互交织的想法中，硅还存在于手工艺和装饰品中。

合金类

硅原子可以凝聚，并且可以与金属基质混溶，使其成为许多合金或金属的添加剂。例如，钢铁制造磁芯；青铜，用于制造电话线；铝和铝，用于轻型汽车零部件的生产。

因此，它不仅可以在建筑物的“石头”中找到，而且可以在其柱子的金属中找到。

干燥剂

胶状二氧化硅球，用作干燥剂。资料来源：干燥剂

呈凝胶或无定形形式的二氧化硅可以捕获进入容器的水分子并保持其内部干燥，从而制造出充当干燥剂的固体。

电子业

多晶硅和非晶硅用于制造太阳能电池板。资料来源：Pxhere。

不同厚度和颜色的硅层是计算机芯片的一部分，因为它们具有固态（晶体或非晶态），集成电路和太阳能电池，因此已被设计出来。

作为半导体，它结合了具有更少（Al，B，Ga）或更多电子（P，As，Sb）的原子，分别将其转变为pon型半导体。通过两个硅酮（一个为n，另一个为p）的结，制成了发光二极管。

有机硅聚合物

著名的有机硅胶水由有机聚合物组成，该有机聚合物由Si-O-Si键的链的稳定性所支撑。如果这些链非常长，短或交联，则有机硅聚合物的性质及其最终应用会发生变化。 。

在下面列出的用途中，可以提及以下内容：

-胶水或胶水，不仅用于连接纸张，而且还用于建筑砖，橡胶，玻璃板，岩石等。

-液压制动系统中的润滑剂

-增强涂料强度并提高其颜色的亮度和强度，同时使它们承受温度变化而不会破裂或被侵蚀

-它们用作防水喷雾剂，可保持某些表面或物体干燥

-使个人卫生用品（牙膏，洗发水，凝胶，剃须膏等）具有丝般的感觉

-它的涂层可以保护诸如微处理器之类的精密设备的电子组件免受高温和潮湿的影响

-使用有机硅聚合物制成的几个橡胶球，一旦掉落到地板上就会反弹。

参考文献

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