硅和二氧化硅简介

硅（Si） 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%）。 目录 · 原子硅 · 元素硅 · 元素描述： · 元素来源： · 元素用途： · 元素辅助资料： · 常用方程式 · 总体特性 · 元素属性 · 原子属性 · 物理属性 · 化学性质 · 其他性质 · 硅的用途 · 缺乏症 · 高硅症 · 工业制取纯硅 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]。高纯硅电子转移.MP4 元素硅 　　 元素描述： · 晶体硅为灰黑色，无定形硅为黑色 · 密度2.32-2.34g/cm3 · 熔点1410℃，沸点2355℃ · 属于原子晶体，硬而有金属光泽，有半导体性质 · 具有金刚石的晶体结构，电离能8.151电子伏特。 晶体硅的结构.flv · 化学性质：在常温下，除氟化氢以外，很难与其他物质发生反应，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。[2]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。 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；单晶硅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。 阳光屋顶可发电.mp4 　　 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，贝采里乌斯将氟硅酸钾（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，但直到贝采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↑ 硅与氢氧化钠反应.mp4 　　SiO2 + 2OH- == SiO32- + H2O 　　SiO32- + 2NH4+ + H2O == H4SiO4↓ + 2NH3↑ 　　SiO32- + CO2 + 2H2O == H4SiO4↓+ CO32- 　　SiO32- + 2H+ ==H2SiO3↓ 　　SiO32- + 2H+ + H2O == H4SiO4↓ 硅酸的制取.flv 　　H4SiO4 ==H2SiO3 + H2O 　　3SiO32- + 2Fe3+ == Fe2(SiO3)3↓ 　　3SiO32- + 2Al3+ == Al2(SiO3)3↓ 　　Na2CO3 + SiO2 =高温= Na2SiO3 + CO2 总体特性 　　 元素属性 　　名称：硅 　　符号：Si 　　序号：14 　　系列：类金属 　　族：IVA族 　　周期：3 　　元素分区：p 　　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] 　　 原子属性 　　原子量 ：28.0855 原子量单位 　　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： 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）[2] 　　 化学性质 　　分类：纯净物—化合物—氧化物—非金属氧化物—酸性氧化物 　　性质：可与氧气反应：Si+O2==(△)SiO2 　　只与氢氟酸反应：Si+4HF==SiF4↑+H2 ↑ 　　可与碱反应：Si + 2OH-+H2O== SiO32- + 2H2↑ 　　 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 /(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 　　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] 硅的用途 硅的用途.mp4 　　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。 [2] 光导纤维.MP4 　　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。 有机硅制品.FLV 　　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； 　　（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。 有机硅制造厨具用品.FLV 　　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] 缺乏症 　　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，饮用水硅含量高的人群患病较少，并且已知的危险因素都不能充分解释这种不同。 高硅症 　　高硅饮食的人群曾发现局灶性肾小球肾炎，肾组织中含硅量明显增高。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。经呼吸道长期吸入大量含硅的粉尘，可引起矽肺。 工业制取纯硅 制取高纯硅.mp4 工业上由二氧化硅制取纯硅有以下反应： ①SiO2 + 2C == Si + 2CO ↑       　　②Si (s) + 3HCl (g)  ==（300℃）   SiHCl3 (g) + H2 (g) ；△H=-381kJ/mol  　　③SiHCl3 (g) + H2 (g)  = (950℃) =    Si (s) + 3HCl (g)  参考资料： 1. 2. 3. 二氧化硅 SiO2又称硅石。在自然界分布很广，如石英、石英砂等。白色或无色，含铁量较高的是淡黄色。密度2.2 ～2.66g/cm3。熔点1670℃（鳞石英）；1710℃（方石英）。沸点2230℃，相对介电常数为3.9。不溶于水微溶于酸，呈颗粒状态时能和熔融碱类起作用。用于制玻璃、水玻璃、陶器、搪瓷、耐火材料、硅铁、型砂、单质硅等。 二氧化硅.flv 目录 · 物理性质 · 化学性质 · 晶体结构 · 应用 · 玻璃 · 冶金 · 化工 · 机械 · 电子 · 橡胶、塑料 · 涂料 · 填料 · 危害 二氧化硅 (SiO2) · silicon dioxide · CAS号：7631-86-9 · 分子形状：四方晶系 · 摩尔质量:60.1 g/mol-1 · 式量60.08 气相二氧化硅（俗称气相白碳黑）产品（翔正)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，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100m2／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。 自然状态下称硅石，是一种坚硬难溶的固体。它常以石英、鳞石英、方石英三种变体出现。从地面往下16千米，几乎65％为二氧化硅的矿石。天然的二氧化硅分为晶态和无定形两大类，晶态二氧化硅主要存在于石英矿中。纯石英为无色晶体，大而透明的棱柱状石英为水晶。若含有微量杂质的水晶带有不同颜色，有紫水晶、茶晶、墨晶等。普通的砂是细小的石英晶体，有黄砂(较多的铁杂质)和白砂(杂质少、较纯净)。 自然界存在的硅藻土是无定形二氧化硅，是低等水生植物硅藻的遗体，为白色固体或粉末状，多孔、质轻、松软的固体，吸附性强。 二氧化硅是硅原子跟四个氧原子形成的四面体结构的原子晶体，整个晶体又可以看作是一个巨大分子，SiO2是最简式，并不表示单个分子。 物理性质 　　密度2.32g/cm3，熔点1723±5℃，沸点2230℃。无定形二氧化硅为白色固体或粉末。 化学性质 二氧化硅的化学性质.flv 化学性质很稳定。不溶于水也不跟水反应。是酸性氧化物，不跟一般酸反应。气态氟化氢或氢氟酸跟二氧化硅反应生成气态四氟化硅。跟热的强碱溶液或熔化的碱反应生成硅酸盐和水。跟多种金属氧化物在高温下反应生成硅酸盐。用于制造石英玻璃、光学仪器、化学器皿、普通玻璃、耐火材料、光导纤维，陶瓷等。二氧化硅的性质不活泼，它不与除氟、氟化氢和氢氟酸以外的卤素、卤化氢和氢卤酸以及硫酸、硝酸、高氯酸作用。 · 氟化氢(氢氟酸)是唯一可使二氧化硅溶解的酸，生成易溶于水的氟硅酸： 氢氟酸与玻璃反应.flv 　　SiO2 ＋ 4HF = SiF4↑ ＋ 2H2O · 二氧化硅与碱性氧化物： 　　SiO2 ＋ CaO =（高温） CaSiO3 · 二氧化硅能溶于浓热的强碱溶液： 　　SiO2 ＋ 2NaOH = Na2SiO3 ＋ H2O（盛碱的试剂瓶不能用玻璃塞而用橡胶塞的原因） · 在高温下，二氧化硅能被碳、镁、铝还原： 　　SiO2＋2C＝（高温）Si＋2CO↑ 晶体结构 二氧化硅晶体中，硅原子的4个价电子与4个氧原子形成4个共价键，硅原子位于正四面体的中心，4个氧原子位于正四面体的4个顶角上，整个晶体是一个巨型分子，SiO2是表示组成的最简式不表示单个二氧化硅分子，仅是表示二氧化硅晶体中硅和氧的原子个数之比。 应用 二氧化硅的用途.flv 　　二氧化硅是制造玻璃、石英玻璃、水玻璃、光导纤维、电子工业的重要部件、光学仪器、工艺品和耐火材料的原料。 　　当二氧化硅结晶完美时就是水晶；二氧化硅胶化脱水后就是玛瑙；二氧化硅含水的胶体凝固后就成为蛋白石；二氧化硅晶粒小于几微米时，就组成玉髓、燧石、次生石英岩。 　　石英块又名硅石，主要是生产石英砂(又称硅砂)的原料，也是石英耐火材料和烧制硅铁的原料。　 玻璃 各种玻璃.flv 　　平板玻璃、浮法玻璃、玻璃制品（玻璃罐、玻璃瓶、玻璃管等）、光学玻璃、玻璃纤维、玻璃仪器、导电玻璃、玻璃布及防射线特种玻璃等的主要原料 　　陶瓷及耐火材料 陶瓷.flv 　　瓷器的胚料和釉料，窑炉用高硅砖、普通硅砖以及碳化硅等的原料 冶金 　　硅金属、硅铁合金和硅铝合金等的原料或添加剂、熔剂 　　建筑 水泥.flv 混凝土、胶凝材料、筑路材料、人造大理石、水泥物理性能检验材料（即水泥砂）等 化工 　　硅化合物和水玻璃等的原料，硫酸塔的填充物，无定形二氧化硅微粉 机械 　　铸造型砂的主要原料，研磨材料（喷砂、硬研磨纸、砂纸、砂布等） 电子 高纯度金属硅、通讯用光纤等 橡胶、塑料（可提高耐磨性） 涂料 填料（可提高涂料的耐候性） 危害 　　二氧化硅在日常生活、生产和科研等方面有着重要的用途，但有时也会对人体造成危害。 　　二氧化硅的粉尘极细，比表面积达到100m2/g以上可以悬浮在空气中，如果人长期吸入含有二氧化硅的粉尘，就会患硅肺病（因硅旧称为矽，硅肺旧称为矽肺）。 　　硅肺是一种职业病，它的发生及严重程度，取决于空气中粉尘的含量和粉尘中二氧化硅的含量，以及与人的接触时间等。长期在二氧化硅粉尘含量较高的地方，如采矿、翻砂、喷砂、制陶瓷、制耐火材料等场所工作的人易患此病。 　　因此，在这些粉尘较多的工作场所，因采取严格的劳动保护措施，采用多种技术和设备控制工作场所的粉尘含量，以保证工作人员的身体健康。 参考资料： 1.《微电子制造科学原理与工程技术 》 曾莹 严利人 王纪民 张伟 等译 2.《The Science and Engineering of Microelectronic Fabrication》 美 Stephen A. Campbell高级中学教科书 3.http://www.talcumpowder.cn/silicon_dioxide.html 4.www.66mt.com 太阳能电池 硅钢合金 有机硅制品 石英 茶晶 墨晶 紫水晶 氢氟酸试剂瓶为塑料瓶 PAGE 5