硅元素

引入

为什么沙子、玻璃、陶瓷的主要成分都含有硅?

硅为什么是现代电子工业的基础材料?

硅和碳同属第 14 族,为什么硅的化学性质和碳差异很大?

硅是地壳中含量第二多的元素（仅次于氧），占地壳质量约 $27.7\%$。从沙子到石英,从玻璃到芯片,硅的化合物无处不在。硅也是半导体材料的核心,没有高纯硅就没有现代计算机和智能手机。

正文

定义

硅（$\mathrm{Si}$）是第 14 族（碳族元素）元素,原子序数 14,电子排布 $[\mathrm{Ne}]3s^{2}3p^2$,常见氧化态为 $+4$。

基本性质

性质	描述
原子序数	$14$
电子排布	$1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^2$
相对原子质量	$28.09$
常见氧化态	$+4$（$+2$ 不稳定）
晶体结构	金刚石型

硅单质

物理性质:

性质	描述
颜色	灰黑色,有金属光泽
状态	固体
熔点	$1414{}^{\circ }\mathrm{C}$
沸点	$3265{}^{\circ }\mathrm{C}$
硬度	较大,质脆
导电性	半导体

晶体硅具有与金刚石类似的结构,每个硅原子与周围 4 个硅原子以共价键连接,形成正四面体网络。

化学性质:

• 常温下化学性质不活泼（表面形成致密氧化膜）
• 常温下只与 $\mathrm{F}{}_2$、$\mathrm{HF}$、强碱溶液反应
• 加热时能与 $\mathrm{O}{}_2$、$\mathrm{Cl}{}_2$ 等反应

$\mathrm{Si}+2\mathrm{NaOH}+\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}\to \mathrm{Na}{}_2\mathrm{SiO}{}_3+2\mathrm{H}{}_2\uparrow$

$\mathrm{Si}+2\mathrm{F}{}_2\to \mathrm{SiF}{}_4$

$\mathrm{Si}+\mathrm{O}{}_2\stackrel{\mathrm{\Delta }}{\to }\mathrm{SiO}{}_2$

制备:

工业上用碳在电炉中还原石英砂:

$\mathrm{SiO}{}_2+2\mathrm{C}\stackrel{高温}{\to }\mathrm{Si}+2\mathrm{CO}\uparrow$

得到的粗硅经提纯（区域熔炼法）可得高纯硅（$99.9999999\%$,即”9 个 9”）,用于半导体工业。

二氧化硅

$\mathrm{SiO}{}_2$ 是硅最重要的氧化物,也是地壳中最常见的化合物之一。

存在形式	说明
石英	结晶态 $\mathrm{SiO}{}_2$
沙子	含杂质的石英碎粒
玛瑙	含杂质的隐晶质 $\mathrm{SiO}{}_2$
硅藻土	多孔、质轻

结构:$\mathrm{SiO}{}_2$ 不是分子晶体,而是共价晶体（原子晶体）。每个硅原子与 4 个氧原子以共价键连接,每个氧原子桥接 2 个硅原子,形成三维网络结构。

物理性质:

性质	描述
熔点	$1713{}^{\circ }\mathrm{C}$
硬度	$7$（莫氏硬度）
溶解性	不溶于水
透光性	纯净石英透光性好

化学性质:

• 常温下不活泼
• 与 $\mathrm{HF}$ 反应:$\mathrm{SiO}{}_2+4\mathrm{HF}\to \mathrm{SiF}{}_4\uparrow +2\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}$（刻蚀玻璃的原理）
• 与 $\mathrm{NaOH}$ 反应:$\mathrm{SiO}{}_2+2\mathrm{NaOH}\to \mathrm{Na}{}_2\mathrm{SiO}{}_3+\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}$（碱液不能用玻璃塞,会粘住瓶口）
• 高温下与碱性氧化物反应:$\mathrm{SiO}{}_2+\mathrm{CaO}\stackrel{高温}{\to }\mathrm{CaSiO}{}_3$

**用途:**光导纤维、石英玻璃、电子元件、砂纸磨料。

硅酸与硅酸盐

硅酸 $\mathrm{H}{}_2\mathrm{SiO}{}_3$:

• 弱酸,酸性比碳酸还弱
• 不溶于水
• 可由硅酸盐与酸反应制备:$\mathrm{Na}{}_2\mathrm{SiO}{}_3+2\mathrm{HCl}\to \mathrm{H}{}_2\mathrm{SiO}{}_3\downarrow +2\mathrm{NaCl}$
• 硅胶（干燥剂）由硅酸凝胶干燥而成

硅酸盐:

硅酸盐是硅酸中的氢被金属离子取代后的产物,是构成岩石和土壤的主要成分。

硅酸盐	化学式	用途
硅酸钠（水玻璃）	$\mathrm{Na}{}_2\mathrm{SiO}{}_3$	粘合剂、防火剂、防腐剂
长石	$\mathrm{KAlSi}{}_3\mathrm{O}{}_8$ 等	陶瓷原料
云母	复杂硅酸盐	绝缘材料
石棉	纤维状硅酸盐	曾用作隔热材料（因致癌已禁用）

硅与碳的对比

对比项	碳 $\mathrm{C}$	硅 $\mathrm{Si}$
氧化物	$\mathrm{CO}{}_2$（气体,分子晶体）	$\mathrm{SiO}{}_2$（固体,共价晶体）
氢化物	$\mathrm{CH}{}_4$（稳定）	$\mathrm{SiH}{}_4$（不稳定,自燃）
单质结构	金刚石（共价晶体）或石墨	类金刚石结构（半导体）
成链能力	极强（有机物基础）	较弱（硅链不如碳链稳定）

硅不如碳活泼的原因:硅原子半径大,$\mathrm{Si}-\mathrm{Si}$ 键能（$226kJ/mol$）远低于 $\mathrm{C}-\mathrm{C}$ 键能（$348kJ/mol$）。

引出

为什么硅是半导体而不是导体或绝缘体?

芯片制造中的光刻工艺涉及哪些化学原理?

为什么地壳中硅和氧含量最高?

参考:碳族元素、无机非金属材料、碳元素