矽

化學元素
矽(台灣、香港稱矽xī)是一種化學元素,它的化學符号是Si,舊稱矽。原子序數14,相對原子質量28.0855,有無定形矽和晶體矽兩種同素異形體,屬于元素周期表上第三周期,IVA族的類金屬元素。矽也是極為常見的一種元素,然而它極少以單質的形式在自然界出現,而是以複雜的矽酸鹽或二氧化矽的形式,廣泛存在于岩石、砂礫、塵土之中。矽在宇宙中的儲量排在第八位。在地殼中,它是第二豐富的元素,構成地殼總質量的26.4%,僅次于第一位的氧(49.4%)。
    中文名:矽 外文名: 别名: 英文名:Silicon 符号:Si 序号:14 族:14族(IVA) 周期:3 元素分區:p 原子質量:28.0855 原子量單位 密度:2330 kg/m3 外觀:深灰色、帶藍色調的固體 熔點:1414℃ 沸點:2900℃

發現曆史

1787年,拉瓦錫首次發現矽存在于岩石中。

1800年,戴維将其錯認為一種化合物。

1811年,蓋·呂薩克和Thénard通過将單質鉀和四氟化矽混合加熱的方法制備了不純的無定形矽。

1823年,矽首次作為一種元素被貝采利烏斯發現,并于一年後提煉出了無定形矽,其方法與蓋·呂薩克使用的方法大緻相同。他随後還用反複清洗的方法将單質矽提純。

名稱由來

英文中的silicon一詞,來自拉丁文的silex, silicis,意思為燧石(即火石,富含矽元素)。

民國初期,學者原将此元素音譯為“矽”而令其讀為“xì(圭旁确可讀xi音,如畦字)”(又,實際上“矽”字本為“砉”字之異體,讀作huò)。由于當時漢語拼音方案尚未推廣普及,一般大衆多誤讀為guī。由于化學元素譯詞除中國原有命名者,多用音譯,化學學會注意到此問題,于是又創“矽”字避免誤讀。台灣沿用“矽”字至21世紀。

1953年2月,中國科學院召開了一次全國性的化學物質命名擴大座談會,有學者以“矽”與另外的化學元素“錫”和“硒”同音易混淆為由,通過并公布改回原名字“矽”并讀“guī”,但并未意識到其實“矽”字本亦應讀xì音。矽肺與矽鋼片等民間常用詞彙至今仍用矽字。

在香港,兩用法皆有,但“矽”較通用。

日文與韓文中則稱之為“矽素”,也可寫成“珪素”。

理化性質

同素異形體

有無定型和晶體兩種同素異形體:

1、一種為暗棕色無定形粉末,用鎂使二氧化矽還原而得,性質比較活潑,能夠在空氣中燃燒,稱為無定形矽;

2、另一種為性質穩定的晶體(結晶矽),是用炭在電爐中使二氧化矽還原而得。

物理性質

性狀:具有明顯的金屬光澤,呈灰色。結晶型的矽是暗黑藍色的,很脆,是典型的半導體。具有金剛石的晶體結構,

汽化熱 384.22 kJ/mol  

熔化熱 50.55 kJ/mol  

蒸氣壓 4.77 帕(1683K)  

電負性 1.90(鮑林标度) 

比熱 700 J/(kg·K)  

電導率 2.52×10-4 /(米歐姆) 

熱導率 148 W/(m·K)  

電離能:8.151電子伏特。 

第一電離能 786.5 kJ/mol  

第二電離能 1577.1 kJ/mol  

第三電離能 3231.6 kJ/mol  

第四電離能 4355.5 kJ/mol  

第五電離能 16091 kJ/mol  

第六電離能 19805 kJ/mol  

第七電離能 23780 kJ/mol  

第八電離能 29287 kJ/mol  

第九電離能 33878 kJ/mol  

第十電離能 38726 kJ/mol  

化學性質

氟化氫以外,很難與其他物質發生反應。

反應性:加熱下能同單質的鹵素、氮、碳等非金屬作用,也能同某些金屬如Mg、Ca、Fe、Pt等作用。生成矽化物。

溶解性:不溶于一般無機酸中,可溶于堿溶液中,并有氫氣放出,形成相應的堿金屬矽酸鹽溶液,于赤熱溫度下,與水蒸氣能發生作用。

同位素

已發現的矽的同位素共有12種,包括矽25至矽36,其中隻有矽28,矽29,矽30是穩定的,其他同位素都帶有放射性。 

分布

矽在自然界分布極廣,地殼中約含27.6%,矽主要以化合物的形式,作為僅次于第一位的氧(49.4%)的最豐富元素存在于地殼中,約占地表岩石的四分之一。 

矽在自然界中沒有單質狀态存在,都存在于化合物中,因此不存在“矽礦”的說法。矽的化合物主要是二氧化矽(矽石)和矽酸鹽。例如,花崗岩是由石英、長石、雲母混合組成的,石英即是二氧化矽的一種形式,長石和雲母是矽酸鹽。砂子和砂岩是不純矽石的變體,是天然矽酸鹽岩石風化後的産物。

二氧化矽(矽石)是最普遍的化合物,在自然界中分布極廣,構成各種礦物和岩石。最重要的晶體矽石是石英。

化合物

1、碳化矽:用于半導體、避雷針、電路元件、高溫應用、紫外光偵檢器、結構材料、天文、碟刹、離合器、柴油微粒濾清器、細絲高溫計、陶瓷薄膜、裁切工具、加熱元件、核燃料、珠寶、鋼、護具、觸媒擔體等領域。

2、二氧化矽:是沙和石英的主要成分。在半導體和太陽能闆等應用中,是主要的原料。

3、矽烷:在醫學和工業領域有着廣泛的應用。

4、四氯化矽:應用在半導體工業和光電池中。

制備

工業上,通常是在電爐中由碳還原二氧化矽而制得。

化學反應方程式:SiO2 + 2C → Si + 2CO

這樣制得的矽純度為97~98%,叫做純矽。再将它融化後重結晶,用酸除去雜質,得到純度為99.7~99.8%的純矽。如要将它做成半導體用矽,還要将其轉化成易于提純的液體或氣體形式,再經蒸餾、分解過程得到多晶矽。如需得到高純度的矽,則需要進行進一步的提純處理。

用途

1、高純的單晶矽是重要的半導體材料。

在單晶矽中摻入微量的第IIIA族元素,形成p型矽半導體;摻入微量的第VA族元素,形成n型和p型半導體結合在一起,就可做成太陽能電池,将輻射能轉變為電能。

2、金屬陶瓷、宇宙航行的重要材料。

将陶瓷和金屬混合燒結,制成金屬陶瓷複合材料,它耐高溫,富韌性,可以切割,既繼承了金屬和陶瓷的各自的優點,又彌補了兩者的先天缺陷。 可應用于軍事武器的制造。 

3、光導纖維通信。

用純二氧化矽拉制出高透明度的玻璃纖維,激光在玻璃纖維的通路裡,無數次的全反射向前傳輸,代替了笨重的電纜。光纖通信容量高,,不受電、磁幹擾,不怕竊聽,具有高度的保密性。

4、矽有機化合物。

(1)、有機矽塑料:是極好的防水塗布材料,在地下鐵道四壁噴塗有機矽,可以一勞永逸地解決滲水問題。在古文物、雕塑的外表,塗一層薄薄的有機矽塑料,可以防止青苔滋生,抵擋風吹雨淋和風化。廣場上的人民英雄紀念碑,便是經過有機矽塑料處理表面的,因此永遠潔白、清新。 

(2)、矽橡膠:具有良好的絕緣改組,長期不龜裂、不老化,沒有毒性,還可以作為醫用高分子材料。 

(3)、矽油:是一種很好的潤滑劑,由于它的粘度受溫度變化的影響小,流動性好,蒸氣壓低,在高溫或寒冷的環境中都能使用。

5、生活和裝飾品

工藝師利用鹽酸刻蝕石英制作藝術品;水晶項鍊和餐桌上的瓷盤都是矽酸鹽制品。

生理功能

矽是人體必需的微量元素之一。占體重的0.026%。矽及含矽的粉塵對人體最大的危害是引起矽肺。矽肺是嚴重的職業病之一,礦工、石材加工工人以及其他在含有矽粉塵場所的工人應采取必要的防護措施。

矽在結締組織、軟骨形成中矽是必需的,矽能将粘多糖互相連結,并将粘多糖結合到蛋白質上,形成纖維性結構,從而增加結締組織的彈性和強度,維持結構的完整性;矽參與骨的鈣化作用,在鈣化初始階段起作用,食物中的矽能增加鈣化的速度,尤其當鈣攝入量低時效果更為明顯;膠原中氨基酸約21%為羟脯氨酸,脯氨酰羟化酶使脯氨酸羟基化,此酶顯示最大活力時需要矽;通過對不同來源的膠原分析,結果顯示矽是膠原組成成分之一。

參考攝入量:由于沒有人體矽需要量的實驗資料,因此難以提出合适的人體每日矽的需求量,由動物實驗推算,矽若易吸收,每天人體的需要量可能為2~5mg。但膳食中大部分的矽不易被吸收,推薦攝入量每天約為5~10mg,可以認為每日攝入20~50mg是适宜的。

過量表現:高矽症,高矽飲食的人群中曾發現局竈性腎小球腎炎,腎組織中含矽量明顯增高的個體。也有報道有人大量服用矽酸鎂(含矽抗酸劑)可能誘發人類的尿路結石。

矽肺病,經呼吸道長期吸入大量含矽的粉塵,可引起矽肺。

矽肺(silicosis)又稱矽肺,是塵肺中最為常見的一種類型,是由于長期吸入大量含有遊離二氧化矽粉塵所引起,以肺部廣泛的結節性纖維化為主的疾病。矽肺病人由于兩肺發生廣泛性纖維組織增生肺組織的微血管循環受到障礙,抵抗力下降,因而容易合并其他疾病,導緻病情惡化,甚至死亡。

不足表現:飼料中缺少矽可使動物生長遲緩、缺乏導緻頭發、指甲易斷裂,皮膚失去光澤。動物試驗結果顯示,喂飼緻動脈硬化飲料的同時補充矽,有利于保護動物的主動脈的結構。另外,已确定血管壁中矽含量與人和動物粥樣硬化程度呈反比。在心血管疾病長期發病率相差兩部的人群中,其飲用水中矽的含量也相差約兩倍,飲用水矽含量高的人群患病較少。

矽是一種非常安全的物質,本身不予免疫系統反應,也不會被細胞吞噬,更不會滋生細菌或與化學物質發生反應,同時還可以有針對皮膚傷口所開發生産的矽膠,可以用來保護傷口,是安全性非常高的材料,受各國衛生機關許可使用。

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