硅及其化合物的性质和(硅酮)应用

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1、硅及其化合物的性质和(硅酮)应用硅及其化合物的性质和(硅酮)应用作者：童丹璐【摘要】硅及其化合物在物理性质及化学性质方面均具有其明显的特点，从而使其在电子、汽车、电气、建筑、纤维产业直至日常生活中均具有广泛应用。本文将从硅及其化合物的性质和应用等方面进行全面的介绍，使读者对它们有更深入的了解。【关键词】硅二氧化硅硅酸盐硅酸硅酮硅（Silicon）的学名来自拉丁文Silex,意为燧石。地壳中硅的含量极为丰富，其元素丰度在20%以上。居地壳元素丰度第二位。常温下硅的化学性质非常稳定，但在自然界中它却从不以单质形式出现。自然界硅的存在

2、形式主要是硅酸盐和二氧化硅。硅酸盐在地壳的分布极广，其中包括云母石、长石、沸石及石榴石等矿物。而遍布地表的粘土则是多种硅酸盐的集合体。自然界的二氧化硅通常以晶体的形态出现。花岗岩、正长岩、纹岩、石英岩、碧玉、红玉髓、蛋白石及燧石等的主要成分都是二氧化硅，并且几乎所有变质岩中都混有硅石。此外，二氧化硅也是常见砂石的主要成分。尽管硅的化合物（如硅酸盐和二氧化硅）早已为人们所熟知，但直到1823年，Berzelins才用钾还原氧硅酸钾：，得到了硅单质。是什么原因导致硅元素的提取如此困难？答案大致可分为以下两方面：其一，天然硅酸盐具有高

3、度化学惰性，几乎不为一般化学试剂所侵蚀；其二，这类硅酸盐的组成与结构十分复杂，不易认识。种种原因导致对硅元素的研究迟迟未能展开。因此，严格地说，硅化学应属于近代化学之范畴。天然硅由28Si,29Si及30Si三种稳定同位素组成，它们的同位素丰度分别为：28Si92.23%;29Si4.67%;30Si3.1%，平均原子量为28.086。此外，已经发现的硅同位素还有25Si、26Si、27Si、31Si、32Si、33Si、35Si和36Si等八种放射性同位素。自然界并不存在硅的放射性同位素，都是人工合成的。基于硅的核稳定性，天然

4、硅平均热中子吸收截面只有0.16靶。由于硅的这一特性，核反应堆工艺中常利用硅合金作为铀棒与保护铝罐的焊接材料，借以增强铀棒的抗腐蚀性能。常温下，硅单质的唯一存在形式是晶态固体，硅晶体属于立方晶系并具有金刚石型晶体结构。这种晶体结构的特征是晶格中任一硅原子的周围都对称而等距的分布着另四个硅原子，这是硅单质常温下存在的唯一晶型。硅单晶的颜色灰黑具有闪亮金属光泽。由于所属晶型的牢固性及晶格中Si—Si共价键的强度，硅晶体质地坚硬而有脆性（硅晶粒的硬度约与普通砂粒相当）。硅晶粒在重击下容易碎裂，与金刚石的行为相近。由于结构上的原因，硅单

5、质的熔融与蒸发都比较困难，故相应的熔点及沸点很高。硅同时兼有本征导体与非本征导体的性质。所谓本征导体乃指高纯硅本身，即为一种半导体。非本征半导体是指硅材料中由于掺入外来杂质而成为半导体，即所谓“外赋”半导体。常用的掺杂元素有B，Ga，Al与In（p型杂质）以及As，P与Sb（n型杂质）。杂质浓度N（单位体积内杂原子数）与半导体导电率α=eNμ。此处e为电子电荷，μ为截流子迁移率。—13—硅及其化合物的性质和(硅酮)应用常温下硅的化学性质极其稳定，纯硅或熔结的工业用硅可经久储存而不变质。超纯硅样品虽经多年应用，仍能保持其闪亮，蓝灰

6、色外观，不留刻痕，也不失去光泽。然而处于高温，硅的性质立即变得十分活泼，它可以同空气中的氧甚至氮发生反应，生成相应的氧化物和氮化物。当硅处于熔态时，它几乎能跟所有金属氧化物、硅酸盐以及铝酸盐发生反应，夺取这些化合物中的氧。熔态硅与碳的反应也十分剧烈，且能与金属碳化物反应以夺取其中的碳。熔态硅与氮以及大多数氮化物的反应也能顺利进行。总之，熔态硅几乎能腐蚀所有常见耐温材料。用不同方法制备的硅单质，由于所含杂质及硅自身分散度的不同，它们所表现出的化学性质也有明显的差别。这些差别在硅跟无机酸的反应上尤为明显。氢氟酸与硅的反应具有特殊重要

7、性。极纯的硅晶体几乎不跟包括氢氟酸在内的所有无机酸发生反应。但是，以镁还原二氧化硅所获得的硅与氢氟酸反应剧烈（由硅—铝低共熔合金析出的硅甚至与浓硝酸也发生剧烈反应）。盐酸与硅的反应取决于硅的纯度。纯硅与盐酸无作用，但硅试样中如含有金属硅化物杂质（如Mg2Si），反应按下式进行：Mg2Si+4HCl=2MgCl2+SiH4硅可与各种金属、非金属反应生成化合物。在所有金属元素中，仅有个别金属（如Hg和Ti）与硅不发生作用，有一部分金属（如Al、Ga、Zn、Sn、Sb、Ag与Au）与硅生成低共熔合金，而绝大多数金属（主要是过渡金属Ti

8、、Zr、Hf、V，Nb、Ta、Cr、Mo、W、Mn、Re、Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Th、U、Np、Pn等）可与硅生成具有金属外观的金属间化合物。此外，碱金属和碱土金属也易与硅形成金属化合物。但这些金属硅化合物缺乏金属特征，而在某种程度上与硼化物和碳化物