主题：【资料】元素周期表-硅

晶胞参数：
　　a = 543.09 pm
　　b = 543.09 pm
　　c = 543.09 pm
　　α = 90°
　　β = 90°
　　γ = 90°
　　莫氏硬度：6.5
　　声音在其中的传播速率：（m/S）
　　8433
　　电离能 (kJ/ mol)
　　M - M+ 786.5
　　M+ - M2+ 1577.1
　　M2+ - M3+ 3231.4
　　M3+ - M4+ 4355.5
　　M4+ - M5+ 16091
　　M5+ - M6+ 19784
　　M6+ - M7+ 23786
　　M7+ - M8+ 29252
　　M8+ - M9+ 33876
　　M9+ - M10+ 38732

晶体硅[1]为灰黑色，无定形硅为黑色，密度2.32-2.34克／立方厘米，熔点1410℃，沸点2355℃，晶体硅属于原子晶体，硬而有金属光泽，有半导体性质。硅的化学性质比较活泼，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，用于制造合金如硅铁、硅钢等，单晶硅是一种重要的半导体材料，用于制造大功率晶体管、整流器、太阳能电池等。硅在自然界分布极广，地壳中约含27.6％，含量仅次于氧，居第二位。　结晶型的硅是暗黑蓝色的，很脆，是典型的半导体。化学性质非常稳定。在常温下，除氟化氢以外，很难与其他物质发生反应。
　　硅的用途：
　　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。
　　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。
　　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。

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。

发现
　　1822年，瑞典化学家贝采里乌斯用金属钾还原四氟化硅，得到了单质硅。
　　名称由来
　　源自英文silica，意为“硅石”。
　　分布
　　硅主要以化合物的形式,作为仅次于氧的最丰富的元素存在于地壳中，约占地表岩石的四分之一，广泛存在于硅酸盐和硅石中。
　　制备
　　工业上，通常是在电炉中由碳还原二氧化硅而制得。
　　化学反应方程式：
　　SiO2 + 2C = Si + 2CO↑（高温）
　　这样制得的硅纯度为97~98%，叫做金属硅。再将它融化后重结晶，用酸除去杂质，得到纯度约为99.7~99.8%的金属硅。如要将它做成半导体用硅，还要将其转化成易于提纯的液体或气体形式，再经蒸馏、分解过程得到多晶硅。如需得到高纯度的硅，则需要进行进一步的提纯处理。
　　同位素
　　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。
　　用途
　　硅是一种半导体材料，可用于制作半导体器件和集成电路。还可以合金的形式使用(如硅铁合金)，用于汽车和机械配件。也与陶瓷材料一起用于金属陶瓷中。还可用于制造玻璃、混凝土、砖、耐火材料、硅氧烷、硅烷。
　　元素周期表
　　总体特性
　　名称 符号 序号 系列 族 周期 元素分区 密度 硬度 颜色和外表 地壳含量
　　硅 Si 14 类金属 14族(IVA) 3 p 2330千克/立方米 6.5 深灰色、带蓝色调　25.7%
　　原子属性
　　原子量 原子半径 共价半径 范德华半径 价电子排布 电子在每能级的排布　氧化价（氧化物） 晶体结构
　　28.0855u （计算值)110（111)pm 111pm 210pm [Ne]3s23p2 2，8，　4 4（两性的） 金刚石晶格
　　物理属性
　　物质状态 熔点 沸点 摩尔体积 汽化热 熔化热　蒸气压　声速
　　固态 1687 K（1414 °C） 3173 K（2900 °C） 12.06×10-6m3/mol 384.22 kJ/mol 50.55 kJ/mol 4.77 帕（1683K） 无数据
　　其他性质
　　电负性 比热　电导率 热导率 第一电离能 第二电离能 第三电离能　第四电离能
　　1.90（鲍林标度） 700 J/(kg·K) 2.52×10-4 /(米欧姆) 148 W/(m·K) 786.5 kJ/mol 1577.1 kJ/mol 3231.6 kJ/mol 4355.5kJ/mol
　　第五电离能 第六电离能　第七电离能 第八电离能 第九电离能　第十电离能
　　16091 kJ/mol 1　9805 kJ/mol 23780 kJ/mol 29287 kJ/mol 3　3878 kJ/mol 38726 kJ/mol
　　介电常数：11.9

最稳定的同位素
　　同位素 丰度 半衰期 衰变模式 衰变能量(MeV) 衰变产物
　　28Si　92.23% 稳定
　　29Si 4.67% 稳定
　　30Si 3.10% 稳定
　　32Si 人造 276年 β衰变 0.224 32P
　　29Si
　　核自旋 1/2
　　元素名称：硅
　　元素原子量：28.09
　　元素类型：非金属
　　发现人：贝采利乌斯 发现年代：1823年
　　发现过程：
　　1823年，瑞典的贝采利乌斯，用氟化硅或氟硅酸钾与钾共热，得到粉状硅。
　　元素描述：
　　由无定型和晶体两种同素异形体。具有明显的金属光泽，呈灰色，密度2.32-2.34克/厘米3，熔点1410℃，沸点2355℃，具有金刚石的晶体结构，电离能8.151电子伏特。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。不溶于一般无机酸中，可溶于碱溶液中，并有氢气放出，形成相应的碱金属硅酸盐溶液，于赤热温度下，与水蒸气能发生作用。硅在自然界分布很广，在地壳中的原子百分含量为16.7%。是组成岩石矿物的一个基本元素，以石英砂和硅酸盐出现。
　　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，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。

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，贝齐里乌斯将氟硅酸钾（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，但直到贝齐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。
　　硅是一种半导体材料，可用于制作半导体器件和集成电路。还可以合金的形式使用(如硅铁合金)，用于汽车和机械配件。也与陶瓷材料一起用于金属陶瓷中。还可用于制造玻璃、混凝土、砖、耐火材料、硅氧烷、硅烷。
　　造房子用的砖、瓦、砂石、水泥、玻璃，吃饭，喝水用的瓷碗、水杯，洗脸间的洁具，它们看上去截然不同，其实主要成分都是硅的化合物。虽然人们早在远古时代便使用硅的化合物粘土制造陶器。但直到1823年，瑞典化学家贝采利乌斯才首次分离出硅元素，并将硅在氧气中燃烧生成二氧化硅，确定硅为一种元素。中国曾称它为矽，因矽和锡同音，难于分辨，故于1953年将矽改称为硅。硅是一种非金属元素，化学符号是Si。它是构成矿物与岩石的主要元素。在自然界硅无游离状态，都存在于化合物中。硅的化合物主要是二氧化硅（硅石）和硅酸盐。例如，花岗岩是由石英、长石、云母混合组成的，石英即是二氧化硅的一种形式，长石和云母是硅酸盐。砂子和砂岩是不纯硅石的变体，是天然硅酸盐岩石风化后的产物。硅约占地壳总重量的27.72％，其丰度仅次于氧。
　　硅是非金属元素，有无定形和晶体两种同素异形体，晶体硅具有金属光泽和某些金属特性，因此常被称为准金属元素。硅是一种重要的半导体材料，掺微量杂质的硅单晶可用来制造大功率晶体管、整流器和太阳能电池等。二氧化硅（硅石）是最普遍的化合物，在自然界中分布极广，构成各种矿物和岩石。最重要的晶体硅石是石英。大而透明的石英晶体叫水晶，黑色几乎不透明的石英晶体叫墨晶。石英的硬度为7。石英玻璃能透过紫外线，可以用来制造汞蒸气紫外光灯和光学仪器。自然界中还有无定形的硅，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。普通的砂子是制造玻璃、陶瓷、水泥和耐火材料等的原料。硅酸干燥脱水后的产物为硅胶，它有很强的吸附能力，能吸收各种气体，因此常用来作吸附剂、干燥剂和部分催化剂的载体
　　这就是硅。

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。并且他已知的危险因素都不能充分解释这种不同
　　常用方程式
　　Si + 2OH- + H2O == SiO32- + 2H2↑
　　SiO2 + 2OH- == SiO32- + H2O
　　SiO32- + 2NH4+ + H2O == H4SiO4↓ + 2NH3↑
　　SiO32- + CO2 + 2H2O == H4SiO4↓+ CO32-
　　SiO32- + 2H+ ==H2SiO3↓
　　SiO32- + 2H+ + H2O == H4SiO4↓
　　H4SiO4 ==H2SiO3 + H2O
　　3SiO32- + 2Fe3+ == Fe2(SiO3)3↓
　　3SiO32- + 2Al3+ == Al2(SiO3)3↓

硅化物　　silicide
　　某些金属（如锂、钙、镁、铁等）和某些非金属（如硼等）与硅形成的二元化合物。一般是晶体，有金属光泽，硬而有高熔点。一种金属或非金属能生成多种硅化物。如铁能生FeSi、FeSi2、Fe2Si5、Fe3Si2、Fe5Si3等。可由金属（或非金属）氧化物或金属硅酸盐用硅在电炉中还原而得。

硅化物陶瓷　　silicide ceramics 　　硅和钼、钨、钽等难熔硅化物为主要成分的陶瓷。按结构特征可分为两类：一类是具有金属结构的相，硅原子置换金属原子时晶格类型不变。另一类是复杂结构的硅化物。一般硅与金属形成的化合物熔点低、硬度低，在高温下易发生蠕变。只有钼、钨、钽的硅化物熔点超过2000℃，并具有优良的高温抗氧化性能。可采用钼、钨、钽金属与硅直接化合法、上述金属氧化物的碳还原法、铝热还原法和气相沉积法等制取钼、钨、钽的硅化物粉末。然后按特种陶瓷工艺在氮气等保护气氛下烧结成陶瓷制品。主要用作高温电热元件、热交换器和某些高温零部件。

金属硅化物　　metallic silicides
　　金属与硅生成的化合物。
　　常分成两大类：(1)难熔金属硅化物，指周期表IVB、VB、VIB族元素的硅化物，如硅化钛、硅化锆、硅化钽、硅化钨等；(2)贵金属和近贵金属硅化物，如硅化钯、硅化铂、硅化钴等。其共同特点是：熔点高(大都在1500℃以上)，最低共熔温度高(大都在1000℃以上)。电阻率低(约为10-7Ω·m)，硬度高。
　　多在超大规模集成电路中使用，如用作金属栅、肖特基接触、欧姆接触等。
　　制备方法主要是用淀积金属与硅的混合物烧结而成。淀积法主要有：蒸发、溅射、电镀、化学气相淀积等。
　　金属硅化物的特性是与酸反应生成硅烷。SiH4.

硅石硅石　　quartz stone
　　是脉石英、石英岩、石英砂岩的总称。
　　主要用于冶金工业用的酸性耐火砖。纯硅石可作石英玻璃或提炼单晶硅。化学工业上用于制备硅化合物和硅酸盐，也可作硫酸塔的填充物。建材工业上用于玻璃、陶瓷、硅酸盐水泥等。
　　制备或来源：有岩浆 热液形成的或沉积形成的。
　　硅酸钠和二氧化硅是硅石化学加工得到的主要产品。硅酸钠是硅石化学加工产品中用途最广、用量最大的产品，除用于制造多种硅化合物外，还大量用作纸板、胶合板、部分金属材料及铸造工业的粘合剂，肥皂、洗涤剂的添加剂,纸张的性能改良剂,在纺织工业中作棉布煮炼和漂白助剂、织物的防火处理剂、染料的显色剂。此外，还用作水泥助凝剂、木材防腐剂及蛋类的保鲜剂等。硅酸钠经改性后还可作为内外墙涂料。硅酸铝可作玻璃、陶瓷的原料，也可作油漆颜料。硅酸锂可作防腐油漆、金属表面保护剂。
　　主要分布在梁家寨乡，榆林坪乡、上社镇和西潘乡等地。石英砂岩分布在仙人乡庄只一带。无地质勘查资料，根据各矿点矿床出露长度和宽度，估算地质储量约5000万吨。根据各矿点拣块化验分析，含二氧化硅约在96—99％之间。该矿现有开采点十处。年矿石采出量约3万吨。硅石主要用于玻璃，陶瓷、冶炼、硅铁，工业硅、硅砖等。

硅石化学加工
　　chemical processing of silica
　　硅石大量用作建筑材料的原料，也是无机盐工业的重要原料。用化学方法可将硅石加工成一系列硅化合物。硅石一般指纯度较高的天然石英砂即二氧化硅，在自然界中分布广，储藏量大，很多国家都有大型优质矿，开采量大。
　　加工方法 硅石经化学加工，除还原生产单质硅外，首先得到硅化合物的母体产品硅酸钠(俗称水玻璃)，主要有碱法和硫酸钠法两种。
　　碱法 硅石不溶于水和酸，但易与碱反应生成硅酸钠，所以碱法是硅石化学加工的主要方法。碱法又分为干法（纯碱法）和湿法（烧碱法）。
　　①干法(纯碱法)　将含二氧化硅99％以上的硅石粉碎到50～80目,与纯碱按一定比例配合,在1100～1350℃的高温下焙烧4～6h，生成熔融态物料，反应式为：
　　xSiO2＋nNa2CO3─→nNa2O·xSiO2＋nCO2
　　式中x和n的摩尔比称为硅酸钠的模数，工业用硅酸钠的模数一般为1.0～3.8。选择不同的配料比可得到不同模数的产品。在高温生产中碱易损失，故配碱量往往要稍高于模数要求的理论量。
　　得到的熔融物料除含硅酸钠外，还含有未反应的硅石等水不溶物，用水溶解分离掉熔融体中不溶物，得到无色透明的粘稠液体即硅酸钠产品。
　　干法易于制造高模数的硅酸钠产品，生产条件要求不太苛刻，易于工业生产。但能耗大，操作条件差。
　　②湿法（烧碱法）　将粉碎至120目以上的硅石粉（SiO2)含量高于99％）,与烧碱按一定比例（由产品模数而定）配合，放入带搅拌的加压反应釜中，通蒸汽加热到175℃以上,压力控制在811kPa以上，反应4～6h,冷却后过滤，除去未反应的二氧化硅，即可得到液体硅酸钠产品，反应式为：
　　xSiO2＋2nNaOH─→nNa2O·xSiO2＋nH2O
　　湿法能耗低，操作环境较好，但不易得高模数产品。
　　硫酸钠法 将含二氧化硅达98％的硅石粉碎到80目，与硫酸钠（其配比按产品的模数定）和煤粉按一定比例配合，在反射炉内反应。首先硫酸钠还原成硫化钠，后者与硅石反应得硅酸钠，同时放出二氧化硫。反应式为：
　　Na2SO4＋4C─→Na2S＋4CO
　　nNa2S＋xSiO2＋3/2nO2─→nNa2O·xSiO2＋nSO2
　　在反应中硫酸钠往往还原不完全，在高温下呈熔融态浮于硅酸钠熔体表面，称为硝水，硝水的腐蚀性极强，易腐蚀炉衬，同时遇水易爆炸。并且该反应中产生二氧化硫，污染环境，故工业上很少采用。