硅的性质及其作用

硅的性质及其作用马锐5071109033F0511002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28Si92.23%，29Si4.67%，30Si3.1%。以下是硅的一些性质。原子半径（计算值）：110（111）pm，共价半径：111pm，范德华半径：210pm，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：700J/(kg·K)，电导率：2.52×10-4/(米欧姆)，热导率：148W/(m·K)，第一电离能：786.5kJ/mol，第二电离能：1577.1kJ/mol。核磁公振特性：核自旋为1/2。密度：2330kg/m3，硬度：6.5。颜色：深灰色、带蓝色调，熔点：1687K（1414°C），沸点：3173K（2900°C），摩尔体积：12.06×10-6m3/mol，汽化热：384.22kJ/mol，熔化热：50.55kJ/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===SiC3Si+2N2===Si3N4Si+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786.5kJ/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，满带被电子充满，导带是空的，但这种能带结构中，禁带宽度很窄（Eg≤3eV）。在一般情况下，完整的硅晶体，一般是不导电的，因为满带上的电子不能进入导带。但当光照在外电场作用下，由于Eg很小，使满带上的电子，很容易跃迁到导带上去，使原来空的导带填充部分电子，同时在满带上留下空位，因此使导带与原来的满带均未充满电子，故能导电。结构决定性质，而不一样的性质又会有不一样的作用，要合理的运用一种物质，就要从它的性质去进一步探索。