硅的特性

化学特性:
硅(Silicon)的原子序数为14,元素符号是Si,旧称矽。相对原子质量28.0855,有无定形硅和晶体硅两种同素异形体,是元素周期表上第三周期IVA族的类金属元素。化学性质不活泼,不易被酸、碱、氧化剂等化学物质侵蚀,对大多数化学物质都具有较好的稳定性。

物理特性:
晶体硅为灰黑色,硬而有金属光泽,有很高的熔沸点,熔点1410℃,沸点2355℃,晶体硅属于原子晶体。温度升高晶体硅的导电性明显增强,硅是典型的半导体材料。

硅的发现

瑞典化学家贝采里乌斯

1787年:法国化学家拉瓦锡认识到岩石中有一种新元素的存在;
1811年:法国人的盖·吕萨克和泰纳尔分别通过加热钾和四氟化硅的混合物得到了比较粗糙的无定形硅,于是根据拉丁文Silex(火石)将其命名为Silicon;
1823年:瑞典化学家贝采里乌斯改进了实验,将氟硅酸钾与过量的钾混合加热,并多次清洗棕黑色沉淀物,最终提炼出了高纯度的无定形硅;
1854年:法国化学家德维尔电解熔融的硅土与冰晶石混合物时,在阴极得到一种灰色的金属,当这种金属物体冷却后,表面析出了具有金属光泽的片状晶体,这就是晶体硅。

硅的来源

硅石

硅是地球的主要构成元素,是地壳中第二丰富的元素,构成地壳总质量的26.4%,仅次于第一位的氧(49.4%),但在自然界几乎没有单质,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。长石、云母、黏土、水晶、玛瑙、石英、砂子以及燧石等等都是含有硅。硅在宇宙中的储量排在第八位。

多彩的玛瑙,海岸边的沙子,美丽的水晶,亮晶晶的蛋白石,奇特的碧石,致密坚硬的燧石等等。这些东西的本质或是在成分上都是二氧化硅。天然的二氧化硅组成的矿物晶体的变种有几百个名字。在地质学家眼中的二氧化硅可能是石英,燧石、砾石、沙子、柯石英等。在热爱珠宝的人面前,它可以是紫水晶、蛋白石、玛瑙、灰色玉髓、碧石等。

硅的用途

硅在工业、电子、建筑、化工方面的应用都非常广泛。硅是支撑现代社会的重要元素!
半导体材料:硅的原子结构决定了硅有一定的导电性,但硅中并没有明显的自由电子,导电率不如金属。然而随着温度升高,硅的导电性会逐渐增强,因此硅具有半导体的性质。这样的硅常用来制作高纯半导体和耐高温材料,被广泛应用在航天航空、电子等行业。
工艺品:天然存在的结晶二氧化硅,如水晶、玛瑙等可以作为工艺品。
耐高温材料:以硅化物为基质的金属陶瓷,是一种集合了金属和陶瓷优势的复合材料,既有一定的韧性,又能够耐高温。美国的航天飞机上就安装这样的金属陶瓷外壳,抵挡住了飞机穿越浓密大气层时与之摩擦放出的巨大热量。
光学仪器:当我们在享受百兆宽带带来的超愉悦体验——观看高清大片、聆听无损音乐、好友无卡顿视频聊天...这一切互联网带来的高速信息传输都得益于光导纤维,这也是纯净的二氧化硅最重要的用途。这种通信方式代替了笨重的电缆,通信容量高,不受电磁干扰,具有高保密性。光导纤维通信的问世,让人类的生活发生了革命性的巨变。
硅氧树脂:是一种具有高度交联结构的热固性聚硅氧烷聚合物。硅氧树脂材料包括硅油、硅胶、硅氧树脂等。所有材料都具有出色的耐热性、耐药性、防水性、绝缘性、耐老性,其中硅胶被用于制作填充剂和牙医用的某些工具等等。食品和药品中的干燥剂也经常使用硅胶。
陶瓷、玻璃、水泥:二氧化硅和硅酸盐被用于土木工程项目,制造混凝土和水泥以及制造搪瓷,陶器,瓷器和其他陶瓷材料。
耐火材料:如石英坩埚。通过加热软化并制成玻璃器皿。可用作磨料(如石英砂)以及由玻璃或塑料制成的纤维和用于隔热的玻璃棉。
硅酸钠:通常被称为水玻璃,用于制作肥皂,用于木材的防腐处理,用于保存鸡蛋。
碳化硅:是重要的磨料,也用于激光。大多数用于制造合金,包括铝硅和铁硅。它们被用来制造发电机和变压器板、发动机缸体、缸盖和机床以及脱氧钢。
硅酮:俗称硅油或二甲基硅油,是带有甲基的硅氧聚合物。硅油是一种润滑剂,被添加到一些化妆品和护发素中。硅橡胶被用作浴室、窗户、管道和屋顶周围的防水密封胶。

生物领域,硅可以促进植物增强光合作用,促进生长发育。同时,如果在作物生长过程中适当施用硅,能够减轻虫害、病害、旱害、冻害等对于作物产量的影响。很多国家已经把硅肥列为氮、磷、钾之后的第四个肥料品种。
对我们来说,硅是身体必需的微量元素之一,占人体体重的0.026%。可别小瞧这一点点的硅,它在结缔组织、软骨形成中是必不可少的存在。一旦体内的硅元素减少,身体就会出现相应的变化,包括指甲断裂、皮肤失去弹性、头发脱落、骨头变脆等。
硅本身难溶于水,不能以人工形式添加到饮用水中。雨水从天而降,经历滴水穿石,水溶滤了石头中的硅,硅以“偏硅酸”的形式存在于水中。
偏硅酸:是国家鉴定矿泉水7项微量元素标准中的一项。也被称为水中黄金,是世界各国评价矿泉水质量最常用、最重要的指标之一。

硅的危害

如果人长时间待在含有硅及含硅的粉尘中,会对人体的肺部造成不可逆的严重损害,引起硅肺——这是一种严重的职业病,因此我们呼吁矿工、石材加工者以及其他在含有硅粉尘场所的工人应采取必要的防护措施。


结语

硅在地壳中含量仅次于氧,与氧等其他元素结合在一起,共同构成了地壳的基础。


Tips:硅元素名称由来
最初,我国化学启蒙先驱徐寿在《化学鉴原》中将硅元素依照“Silicon”的发音译作“矽”。到20世纪初,日本学者翻译的名称“珪土”也传入中国。为了统一名称,1933年民国教育部《化学命名原则》确认以“矽”为准确名称。但后来有学者认为“矽”与化学元素“锡”和“硒”同音,且锡与矽还是同族元素,极易混淆,于是在1953年召开的中科院学术会议通过并公布将其改为“硅”,并读“gui”。像矽肺、矽钢等相关词汇也改为了硅肺、硅钢,但至今仍有不少场合习惯使用原来的旧称。


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