硅的性质和用途?

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。

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。

发现

1822年，瑞典化学家白则里用金属钾还原四氟化硅，得到了单质硅。

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名称由来

源自英文silica，意为“硅石”。

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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。

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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

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。

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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。

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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。

硅的特性 铝 - 硅 - 磷

碳

硅

锗

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元素周期表

总体特性

名称, 符号, 序号 硅、Si、14

系列 类金属

族, 周期, 元素分区 14族(IVA), 3, p

密度、硬度 2330 kg/m3、6.5

颜色和外表 深灰色、带蓝色调

地壳含量 25.7%

原子属性

原子量 28.0855 原子量单位

原子半径（计算值） 110（111）pm

共价半径 111 pm

范德华半径 210 pm

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（两性的）

晶体结构 面心立方

物理属性

物质状态 固态

熔点 1687 K（1414 °C）

沸点 3173 K（2900 °C）

摩尔体积 12.06×10-6m3/mol

汽化热 384.22 kJ/mol

熔化热 50.55 kJ/mol

蒸气压 4.77 帕（1683K）

声速 无数据

其他性质

电负性 1.90（鲍林标度）

比热 700 J/(kg·K)

电导率 2.52×10-4 /(米欧姆)

热导率 148 W/(m·K)

第一电离能 786.5 kJ/mol

第二电离能 1577.1 kJ/mol

第三电离能 3231.6 kJ/mol

第四电离能 4355.5 kJ/mol

第五电离能 16091 kJ/mol

第六电离能 19805 kJ/mol

第七电离能 23780 kJ/mol

第八电离能 29287 kJ/mol

第九电离能 33878 kJ/mol

第十电离能 38726 kJ/mol

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 3.1 % 稳定

32Si 人造 276年 β衰变 0.224 32P

核磁公振特性

29Si

核自旋 1/2

有无定形硅和晶体硅两种同素异形体。晶体硅为灰黑色，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。不溶于水、硝酸和盐酸，溶于氢氟酸和碱液。硬而有金属光泽。 系列 类金属 族 ⅣA族 周期 3 元素分区 p区 密度 2328.3 kg/m³ 常见化合价 +4 硬度 6.5 地壳含量 25.7% d性模量 190GPa（有些文献中为这个值） 密度 2.33g/cm³（18℃） 熔点 1687K（1414℃） 沸点 3173K（2900℃） 摩尔体积 12.06×10⁻⁶m³/mol 汽化热 384.22kJ/mol 熔化热 50.55 kJ/mol 蒸气压 4.77Pa（1683K） 间接带隙 1.1eV （室温） 电导率 2.52×10⁻⁴ /（米欧姆） 电负性 1.90（鲍林标度） 比热 700 J/（kg·K） 原子核外电子排布：1s²2s²2p⁶ 3s²3p²；

晶胞类型：立方金刚石型；

晶胞参数：20℃下测得其晶胞参数a=0.543087nm；

颜色和外表： 深灰色、带蓝色调；

采用纳米压入法测得单晶硅（100）的E为140～150GPa；

电导率：硅的电导率与其温度有很大关系，随着温度升高，电导率增大，在1480℃左右达到最大，而温度超过1600℃后又随温度的升高而减小。 电负性 1.90（鲍林标度） 热导率 148 W/（m·K） 第一电离能 786.5 kJ/mol 第二电离能 1577.1 kJ/mol 第三电离能 3231.6 kJ/mol 第四电离能 4355.5 kJ/mol 第五电离能 16091 kJ/mol 第六电离能 19805 kJ/mol 第七电离能 23780 kJ/mol 第八电离能 29287 kJ/mol 第九电离能 33878 kJ/mol 第十电离能 38726 kJ/mol 同位素： 符号 Z（p） N（n） 质量（u） 半衰期 原子核自旋 相对丰度 相对丰度的变化量 22Si 14 8 22.03453（22）# 29（2）ms 0+ 23Si 14 9 23.02552（21）# 42.3（4）ms 3/2+# 24Si 14 10 24.011546（21） 140（8）ms 0+ 25Si 14 11 25.004106（11） 220（3）ms 5/2+ 26Si 14 12 25.992330（3） 2.234（13）s 0+ 27Si 14 13 26.98670491（16） 4.16（2）s 5/2+ 28Si 14 14 27.9769265325（19） 稳定 0+ 0.92223（19） 0.92205-0.92241 29Si 14 15 28.976494700（22） 稳定 1/2+ 0.04685（8） 0.04678-0.04692 30Si 14 16 29.97377017（3） 稳定 0+ 0.03092（11） 0.03082-0.03102 31Si 14 17 30.97536323（4） 157.3（3）min 3/2+ 32Si 14 18 31.97414808（5） 170（13）a 0+ 33Si 14 19 32.978000（17） 6.18（18）s （3/2+） 34Si 14 20 33.978576（15） 2.77（20） s 0+ 35Si 14 21 34.98458（4） 780（120） ms 7/2-# 36Si 14 22 35.98660（13） 0.45（6）s 0+ 37Si 14 23 36.99294（18） 90（60）ms （7/2-）# 38Si 14 24 37.99563（15） 90# ms [>1 &micro；s] 0+ 39Si 14 25 39.00207（36） 47.5（20） ms 7/2-# 40Si 14 26 40.00587（60） 33.0（10） ms 0+ 41Si 14 27 41.01456（198） 20.0（25） ms 7/2-# 42Si 14 28 42.01979（54）# 13（4） ms 0+ 43Si 14 29 43.02866（75）# 15# ms [>260 ns] 3/2-# 44Si 14 30 44.03526（86）# 10# ms 0+ 备注：1.画上#号的数据代表没有经过实验的证明，只是理论推测而已，而用括号括起来的代表数据不确定性。

2.有三种天然的稳定同位素Si（92.2%）、Si（4.7%）和Si（3.1%），还有质量数为25、26、27、31和32的人工放射性同位素。

3.硅（原子质量单位： 28.0855，共有23种同位素，其中有3种同位素是稳定的。 硅有明显的非金属特性，可以溶于碱金属氢氧化物溶液中，产生（偏）硅酸盐和氢气。

硅原子位于元素周期表第IV主族，它的原子序数为Z=14，核外有14个电子。电子在原子核外，按能级由低硅原子到高，由里到外，层层环绕，这称为电子的壳层结构。硅原子的核外电子第一层有2个电子，第二层有8个电子，达到稳定态。最外层有4个电子即为价电子，它对硅原子的导电性等方面起着主导作用。

正因为硅原子有如此结构，所以有其一些特殊的性质：最外层的4个价电子让硅原子处于亚稳定结构，这些价电子使硅原子相互之间以共价键结合，由于共价键比较结实，硅具有较高的熔点和密度；化学性质比较稳定，常温下很难与其他物质（除氟化氢和碱液以外）发生反应；硅晶体中没有明显的自由电子，能导电，但导电率不及金属，且随温度升高而增加，具有半导体性质。

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。

分类：纯净物、单质、非金属单质。

（1）与单质反应：

Si + O₂ == SiO₂，条件：加热

Si + 2F₂ == SiF₄

Si + 2Cl₂ == SiCl₄，条件：高温

（2）高温真空条件下可以与某些氧化物反应：

2MgO + Si=高温真空 =Mg(g)+SiO₂（硅热还原法炼镁）

（3）与酸反应：

只与氢氟酸反应：Si + 4HF == SiF₄↑ + 2H₂↑

（4）与碱反应：Si + 2OH⁻+ H₂O == SiO₃²⁻+ 2H₂↑（如NaOH，KOH）

注意：硅、铝是既能和酸反应，又能和碱反应，放出氢气的单质。

相关方程式：

Si+O₂=高温= SiO₂

Si + 2OH⁻ + H₂O == SiO₃²⁻+ 2H₂↑

Si+2F₂== SiF₄

Si+4HF== SiF₄↑+2H₂↑

SiO₂ + 2OH⁻== SiO₃²⁻+ H₂O

SiO₃²⁻+ 2NH₄⁺+ H₂O == H₄SiO₄↓ + 2NH₃↑

SiO₃²⁻+ CO₂ + 2H₂O == H₄SiO₃↓+ CO₃²⁻

SiO₃²⁻+ 2H⁺== H₂SiO₃↓

SiO₃²⁻+2H⁺+H₂O == H₄SiO₄↓

H₄SiO₄ == H₂SiO₃ + H₂O

3SiO₃²⁻+ 2Fe³⁺== Fe₂（SiO₃）₃↓

3SiO₃²⁻+2Al³⁺==Al₂（SiO₃）₃↓

Na₂CO₃ + SiO₂ =高温= Na₂SiO₃ + CO₂ ↑

相关化合物：

二氧化硅、硅胶、硅酸盐、硅酸、原硅酸、硅烷、二氯硅烷、三氯硅烷、四氯硅烷、

原子属性：

原子量：28.0855u；

原子核亏损质量：0.1455u；

原子半径：（计算值）110（111）pm；

共价半径：111 pm；

范德华半径：210 pm；

外围电子层排布：3s²3p²；引

电子在每个能级的排布：2，8，4；

电子层：KLM；

氧化性（氧化物）：4（两性的）。