化学元素v是什么元素 矽(化学元素)详细资料大全

矽(化学元素)详细资料大全  

矽（台湾、香港称矽xī）是一种化学元素，它的化学符号是Si，旧称矽。原子序数14，相对原子质量28.0855，有无定形矽和晶体矽两种同素异形体，属于元素周期表上第三周期，IVA族的类金属元素。矽也是极为常见的一种元素，然而它极少以单质的形式在自然界出现，而是以复杂的矽酸盐或二氧化矽的形式，广泛存在于岩石、砂砾、尘土之中。矽在宇宙中的储量排在第八位。在地壳中，它是第二丰富的元素，构成地壳总质量的26.4%，仅次于第一位的氧（49.4%）。

基本介绍

中文名：矽外文名：silicon元素符号：Si原子量：28.0855元素类型：非金属单质原子序数：14发现人：永斯·雅各布·贝采利乌斯CAS编号：7440-21-3 发现简史,矿藏分布,理化性质,物理性质,化学性质,制取方法,套用领域,生理功能,常见谣言,

发现简史

1787年，拉瓦锡首次发现矽存在于岩石中。矽 1800年，戴维将其错认为一种化合物。 1811年盖-吕萨克和泰纳尔（Thenard, Louis Jacques）加热钾和四氟化矽得到不纯的无定形矽，根据拉丁文silex（燧石）命名为silicon。 1811年，Gay-Lussac和Thenard以矽（矽）的四氟化物与碱土金属反应，发现在反应当中生成赤褐色的化合物（可能是含不纯物无定形的矽）。 1823年，矽首次作为一种元素被永斯·雅各布·贝采利乌斯发现，并于一年后提炼出了无定形矽，其方法与盖-吕萨克使用的方法大致相同。他随后还用反复清洗的方法将单质矽提纯。 1823年，Berzelius以氧化矽（矽）的粉末，加以铁，碳的混和物在高温下加热，得到矽（矽）化铁。但是为了抽取纯的矽（矽），他使用矽（矽）-氟-钙的化合物，干烧之后得到的固体，加水分解得到纯的矽（矽）。 发现矽的荣誉归属于瑞典化学家Jöns Jacob Berzelius，在斯德哥尔摩（瑞典首都）于1824年，他通过加热氟矽酸钾和钾获取了矽。这个产物被矽酸钾污染，但他把它放在水中搅拌，会与之反应，因此得到了相对纯净的矽粉末。 1824年永斯·雅各布·贝采利乌斯用同样的方法，但经过反复洗涤除去其中的氟矽酸，得到纯无定形矽。 结晶性的矽则到了1854年才被提炼出来。矽（矽）的拉丁文是silicium，意为"坚硬之石"。 1854年H·S·C·德维尔第一次制得晶态矽。 矽名称的由来：英文silicon，来自拉丁文的silex，silicis，意思为燧石（火石）。 民国初期，学者原将此元素译为“矽”而令其读为“xi（圭旁确可读xi音）”（又，“矽”字本为“砉”字之异体，读huo）。然而在当时的时空下，由于拼音方案尚未推广普及，一般大众多误读为gui。由于化学元素译词除中国原有命名者，多用音译，化学学会注意到此问题，于是又创 “矽”字避免误读。台湾沿用“矽”字至今。中国大陆在1953年2月，中国科学院召开了一次全国性的化学物质命名扩大座谈会，有学者以“矽”与另外的化学元素“锡”和“硒”同音易混淆为由，通过并公布改回原名字“矽”并读“gui”，但并未意识到其实“矽”字本亦应读xi音。有趣的是，矽肺与矽钢片等辞汇至今仍用矽字。在香港，两用法皆有，但“矽”较通用。 单晶矽及抛光矽片

矿藏分布

矽的丰度，引起早期化学家的兴趣。矽（矽）在地球表面的含量仅次于氧，占有将近28%.但是矽（矽）元素并非最早被发现的元素，那是因为从矽（矽）的氧化物中要将矽还原出来是一件非常困难的事。矽的DFT能带结构 矽约占地壳总重量的25.7%，仅次于氧。在自然界中，矽通常以含氧化合物形式存在，其中最简单的是矽和氧的化合物矽石SiO 2。石英、水晶等是纯矽石的变体。矿石和岩石中的矽氧化合物统称矽酸盐，较重要的有长石KAlSi 3O 8、高岭土Al 2Si 2O 5(OH) 4、滑石Mg 3(Si 4O 10)(OH) 2、云母KAl 2(AlSi 3O 10)(OH) 2、石棉H 4Mg 3Si 2O 9、钠沸石Na 2(Al 2Si 3O 10)· 2H 2O、石榴石Ca 3Al 2(SiO 4) 3、锆石英ZrSiO 4和绿柱石Be 3Al 2Si 6O 18等。土壤、黏土和砂子是天然矽酸盐岩石风化后的产物。 矽在自然界分布很广，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，以石英砂和矽酸盐出现。 基于矽材料的电子产品矽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，那么矽对于地壳来说，占有同样的位置，因为地壳的主要部分都是由含矽的岩石层构成的。这些岩石几乎全部是由矽石和各种矽酸盐组成。长石、云母、黏土、橄榄石、角闪石等等都是矽酸盐类；水晶、玛瑙、碧石、蛋白石、石英、砂子以及燧石等等都是矽石。

理化性质

物理性质

有无定形矽和晶体矽两种同素异形体。晶体矽为灰黑色，无定形矽为黑色，密度2.32-2.34克/立方厘米，熔点1410℃，沸点2355℃，晶体矽属于原子晶体。不溶于水、硝酸和盐酸，溶于氢氟酸和碱液。硬而有金属光泽。矽原子结构三维图 系列 类金属 族 ⅣA族 周期 3 元素分区 p区 密度 2328.3 kg/m 3 常见化合价 +4 硬度 6.5 地壳含量 25.7% 弹性模量 190GPa（有些文献中为这个值） 密度 2.33g/cm 3（18℃） 熔点 1687K（1414℃） 沸点 3173K（2900℃） 摩尔体积 12.06×10 -6m 3/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：1s 22s 22p 6 3s 23p 2； 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矽（100）的E为140～150GPa； 电导率：矽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，而用括弧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.矽（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。

化学性质

矽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）矽酸盐和氢气。Si的热力学数据（来源于JANAF表格） 矽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，按能级由低矽原子到高，由里到外，层层环绕，这称为电子的壳层结构。矽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，它对矽原子的导电性等方面起著主导作用。 正因为矽原子有如此结构，所以有其一些特殊的性质：最外层的4个价电子让矽原子处于亚稳定结构，这些价电子使矽原子相互之间以共价键结合，由于共价键比较结实，矽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；矽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。生成矽化物。不溶于一般无机酸中，可溶于碱溶液中，并有氢气放出，形成相应的碱金属矽酸盐溶液，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 + O 2 == SiO 2，条件：加热 Si + 2F 2 == SiF 4 Si + 2Cl 2 == SiCl 4，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)+SiO 2（矽热还原法炼镁） （3）与酸反应： 只与氢氟酸反应：Si + 4HF == SiF 4↑ + 2H 2↑ （4）与碱反应：Si + 2OH -+ H 2O == SiO 32-+ 2H 2↑（如NaOH，KOH） 注意：矽、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+O 2=高温= SiO 2 Si + 2OH - + H 2O == SiO 32-+ 2H 2↑ Si+2F 2== SiF 4 Si+4HF== SiF 4↑+2H 2↑ SiO 2 + 2OH -== SiO 32-+ H 2O SiO 32-+ 2NH 4++ H 2O == H 4SiO 4↓ + 2NH 3↑ SiO 32-+ CO 2 + 2H 2O == H 4SiO 3↓+ CO 32- SiO 32-+ 2H +== H 2SiO 3↓ SiO 32-+2H ++H 2O == H 4SiO 4↓ H 4SiO 4 == H 2SiO 3 + H 2O 矽原子结构二维图 3SiO 32-+ 2Fe 3+== Fe 2（SiO 3） 3↓ 3SiO 32-+2Al 3+==Al 2（SiO 3） 3↓ Na 2CO 3 + SiO 2 =高温= Na 2SiO 3 + CO 2 ↑ 相关化合物： 二氧化矽、矽胶、矽酸盐、矽酸、原矽酸、矽烷、二氯矽烷、三氯矽烷、四氯矽烷、 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：3s 23p 2；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）。

制取方法

实验室里可用镁粉在赤热下还原粉状二氧化矽，用稀酸洗去生成的氧化镁和镁粉，再用氢氟酸洗去未作用的二氧化矽，即得单质矽。这种方法制得的都是不够纯净的无定形矽，为棕黑色粉末。工业上生产矽是在电弧炉中还原矽石（SiO 2含量大于99%）。使用的还原剂为石油焦和木炭等。使用直流电弧炉时，能全部用石油焦代替木炭。石油焦的灰分低（0.3%～0.8%），采用质量高的矽石（SiO 2大于99%），可直接炼出制造矽钢片用的高质量矽。高纯的半导体矽可在1，200℃的热矽棒上用氢气还原高纯的三氯氢矽SiHCl 3或SiCl 4制得。超纯的单晶矽可通过直拉法或区域熔炼法等制备。 矽的制取装置用镁还原二氧化矽可得无定形矽。用碳在电炉中还原二氧化矽可得晶体矽。电子工业中用的高纯矽则是用氢气还原三氯氢矽或四氯化矽而制得。

套用领域

1、高纯的单晶矽是重要的半导体材料。在单晶矽中掺入微量的第IIIA族元素，形成p型矽半导体；掺入微量的第VA族元素，形成n型半导体。p型半导体和n型半导体结合在一起形成p-n结，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。另外广泛套用的二极体、三极体、晶闸管、场效应管和各种积体电路（包括人们计算机内的晶片和CPU）都是用矽做的原材料。矽晶圆片 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。可套用于军事武器的制造。第一架太空梭“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矽瓦拼砌成的外壳。 3、光导纤维通信，最新的现代通信手段。用纯二氧化矽可以拉制出高透明度的玻璃纤维。雷射可在玻璃纤维的通路里，发生无数次全反射而向前传输，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；而且它还不受电、磁的干扰，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、性能优异的矽有机化合物。例如有机矽塑胶是极好的防水涂布材料。在地下铁道四壁喷涂有机矽，可以一劳永逸地解决渗水问题。在古文物、雕塑的外表，涂一层薄薄的有机矽塑胶，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，便是经过有机矽塑胶处理表面的，因此永远洁白、清新。 5、由于有机矽独特的结构，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，广泛套用于航空航天、电子电气、建筑、运输、化工、纺织、食品、轻工、医疗等行业，其中有机矽主要套用于密封、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。随着有机矽数量和品种的持续增长，套用领域不断拓宽，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。 6、矽可以提高植物茎秆的硬度，增加害虫取食和消化的难度。尽管矽元素在植物生长发育中不是必需元素，但它也是植物抵御逆境、调节植物与其他生物之间相互关系所必需的化学元素。 矽在提高植物对非生物和生物逆境抗性中的作用很大，如矽可以提高植物对干旱、盐胁迫、紫外辐射以及病虫害等的抗性。矽可以提高水稻对稻纵卷叶螟的抗性，施用矽后水稻对害虫取食的防御反应迅速提高，矽对植物防御起到警备作用。 水稻在受到虫害袭击时，矽可以警备水稻迅速激活与抗逆性相关的茉莉酸途径，茉莉酸信号反过来促进矽的吸收，矽与茉莉酸信号途径相互作用影响着水稻对害虫的抗性。

生理功能

矽是人体必需的微量元素之一。占体重的0.026%。矽及含矽的粉尘对人体最大的危害是引起矽肺。矽肺是严重的职业病之一，矿工、石材加工工人以及其他在含有矽粉尘场所的工人应采取必要的防护措施。单晶矽棒 矽在结缔组织、软骨形成中矽是必需的，矽能将粘多糖互相连结，并将粘多糖结合到蛋白质上，形成纤维性结构，从而增加结缔组织的弹性和强度，维持结构的完整性；矽参与骨的钙化作用，在钙化初始阶段起作用，食物中的矽能增加钙化的速度，尤其当钙摄入量低时效果更为明显；胶原中胺基酸约21%为羟脯氨酸，脯氨酰羟化酶使脯氨酸羟基化，此酶显示最大活力时需要矽；通过对不同来源的胶原分析，结果显示矽是胶原组成成分之一。 参考摄入量：由于没有人体矽需要量的实验资料，因此难以提出合适的人体每日矽的需求量，由动物实验推算，矽若易吸收，每天人体的需要量可能为2～5mg。但膳食中大部分的矽不易被吸收，推荐摄入量每天约为5～10mg，可以认为每日摄入20～50mg是适宜的。 过量表现：高矽症，高矽饮食的人群中曾发现局灶性肾小球肾炎，肾组织中含矽量明显增高的个体。也有报导有人大量服用矽酸镁（含矽抗酸剂）可能诱发人类的尿路结石。 矽肺病，经呼吸道长期吸入大量含矽的粉尘，可引起矽肺。 矽肺（silicosis）又称矽肺，是尘肺中最为常见的一种类型，是由于长期吸入大量含有游离二氧化矽粉尘所引起，以肺部广泛的结节性纤维化为主的疾病。矽肺病人由于两肺发生广泛性纤维组织增生肺组织的微血管循环受到障碍，抵抗力下降，因而容易合并其他疾病，导致病情恶化，甚至死亡。 矽单晶悬浮区熔炉 不足表现：饲料中缺少矽可使动物生长迟缓、缺乏导致头发、指甲易断裂，皮肤失去光泽。动物试验结果显示，喂饲致动脉硬化饮料的同时补充矽，有利于保护动物的主动脉的结构。另外，已确定血管壁中矽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，其饮用水中矽的含量也相差约两倍，饮用水矽含量高的人群患病较少。 矽是一种非常安全的物质，本身不予免疫系统反应，也不会被细胞吞噬，更不会滋生细菌或与化学物质发生反应，同时还可以有针对皮肤伤口所开发生产的矽胶，可以用来保护伤口，是安全性非常高的材料，受各国卫生机关许可使用。

常见谣言

谣言：在自然界中，矽都以含氧化合物形式存在。驳斥：自然界存在天然的矽单质且早有报导，下为文献报导节选 本文对自然矽进行了矿相学、矿物学研究。该矿物产于福建某地矽卡岩型硫、多金属矿床中。自然矽呈亮灰银白色、强金属光泽。性脆。镜下呈浑圆粒状、乳滴状。均质。实测比重d=2.368。硬度H_M=6.76。反射率 R 470nm 37.08;546nm 33.44;589nm 31.27;650nm 29.96。经扫描电镜能谱分析、电子探针分析,Si 99.87%～99.94%。