硅及其化合物对人类文明的贡献

硅及其化合物对人类文明的贡献

硅是一种化学元素，化学符号为Si ，旧称矽。原子序数14，相对原子质量28.09，有无定形和晶体两种同素异形体，具有明显的金属光泽，呈灰色，密度2.32-2.34克/厘米3，熔点1410℃，沸点2355℃，具有金刚石的晶体结构，电离能8.151电子伏特。属于元素周期表上IVA 族的类金属元素。在加热条件下能同单质的卤素、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（但能与氢氟酸反应），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。硅在自然界分布很广，在地壳中约含27.6％。是组成岩石矿物的一个基本元素，以石英砂和硅酸盐出现。

硅的最初发现要追溯到1810年， 由瑞典人贝采利乌斯（J.J.Berzelius ）在加热石英砂、炭和铁时，得到一种金属，根据拉丁文silex （燧石）命名为silicon 。而实际上当时得到的是硅铁，之后在1823年用金属钾还原四氟化硅或用金属钾与氟硅酸钾共热制得较纯的粉状单质硅，定为元素。

随着时间的发展，硅也逐渐显现出了它的价值，并找到了它工业上的制法。而今，硅在很多方面都有了自己的一席之地，其用途主要有如下几个方面：

(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。另外广泛应用的二极管、三极管、晶闸管和各种集成电路（包括我们计算机内的芯片和CPU) 都是用硅做的原材料。

(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摩擦产生的高温，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。

同时，其化合物也被应用在很多方面：

（1）硅-锗合金做的换能器，其工作温度可达1000℃，机械性能和抗氧化性能很好，高温下不易蒸发和中毒，无论在真空还是空气中都能工作。

（2）天然橡胶和合成橡胶的使用温度，一般都在150℃以下，否则就会老化变质。20世纪40年代发展起来的硅橡胶，是以硅一氧一硅为主链的半无机高分子弹性体，兼有无机材料和有机材料的某些特点，使用温度范围宽广。硅橡胶具有优异的耐臭氧、耐碱、生理惰性(对人机体没有不良影响，可做为某些脏器的修复材料，如人工关节) 和电气性能。某些特殊结构的硅橡胶，更具有优良的耐油、耐溶剂、耐辐射等特性，因此硅橡胶已广泛用于航空、宇宙航行技术、电气及电子工业部门。

（3）用110—2甲基乙烯基硅橡胶做生胶原料，乙炔炭黑做填料可制成导电橡胶，是电子表中连接集成电路与液晶屏的理想导电材料。

（4）硅酸在水中能形成凝胶，因此可制得一种吸附剂---硅胶。硅胶是一种极性吸附剂，对H20等极性物质都有较强的吸附能力，工业上常用做干燥剂和吸附剂。

（5）硅酸钠的水溶液叫水玻璃，工业上称做泡花碱。木材及织物浸过水玻璃后，可以防腐，不易着火。

（6）硅溶胶是以Si02为基本单位的水中分散体。在羊毛纺织过程中，它可做为轻纺上浆的胶剂，以减少羊毛纤维的断头率，在涂层中含有硅溶胶，可提高无机纤维材料的表面抗热强度。在搪瓷器皿制造业中，加进硅溶胶以后，可降低膨胀系数，以改进对四氟乙烯的粘合性，在玻璃及玻璃陶瓷中亦有同样效果。若在玻璃中掺入25—30％的硅溶胶，可制得优质的硅硼酸玻璃。某些钠硼硅酸盐玻璃(含氧化钠、氧化硼和氧化硅) 经过热处理，原子重新组合，就分为互不熔混的两部分。一部分主要含氧化硅，另一部分主要含氧化钠和氧化硼。如果再用酸处理，那么二氧化硅将不受酸的影响而留下来，而氧化钠和氧化硼则溶于酸中，剩下众多的空洞——微孔，于是就制成了用途广泛的微孔玻璃。将微孔玻璃烘干，烧结，就得到高硅氧透明玻璃。它耐高温，热稳定性好，透紫外线能力强，可在多方面代替石英玻璃，适宜做高温观察窗，比如宇宙飞船上的观察窗。迫过它去观察物体，不会发生变形，因为它的光学均匀性也很好。

（7）如果在普通的钠铝硼硅酸盐玻璃中加入少量卤化银做感光剂，微量铜做增感剂，用玻璃常规工艺熔化，退火再经适当处理，就能制成卤化银光色玻璃。它会因光的强度不同而改变颜色，在强光防护、显示装置、光信息存储、交通工具上的挡风玻璃等方面，都有重要用途。

（8）纯净的二氧化硅晶体叫做石英。石英在1600℃熔化成粘稠液体，内部变为无规则形态，再遇冷时，因为粘度大而不易再结晶，成为石英玻璃。它有很多特殊的性质，如能让可见光和紫外光通过，可用它制造紫外灯和光学仪器；它的膨胀系数小，能经受温度的剧变，而且有很好的抗酸性（除氢氟酸外），因此，常被用来制造高级化学器皿。

（9）医用激光器配置的光能传输系统是用石英光导纤维制成的，它不仅细巧轻便，灵活自如，且可将激光能量传入人体内脏器官进行医治。

（10）一种新型水泥——双快水泥，具有快凝、快硬的特点。它浇注一天后的强度，相当于普通水泥浇注7-28天的强度，可用于滑升模板施工、预应力混凝土构件、砌块的快速成型和脱模，也可用它做矿井巷道喷射混凝土或机械铸件造型自硬砂。用废轮胎等制成海绵状弹性体，与粘结性强的乳剂和水泥混和搅拌，就成为橡胶水泥。它克服了原有混凝土的缺点，能防止龟裂、剥离和吸水，既可用于铺路，又可用于建筑物上。

（11）氮化硅陶瓷的强度和硬度很高，抗热震性和耐化学腐蚀性好，摩擦系数小且有自润性，是一种优越的耐磨材料。用氮化硅陶瓷制成的机械密封圈，经过几百到几千小时的运转后，磨损较小，寿命较原用材料提高几倍到十几倍。

（12）碳化硅(SiC)，又叫金刚砂。它具有类似金刚石的结构，硬度极大，而且分解温度又很高，所以在工业上大量用作磨料。同时以碳化硅陶瓷为基板的碳化硅远红外辐射板，被加热到一定温度后，能辐射出2—15微米以上的长波红外线，它对有机物，高分子物质以及对远红外线有强烈吸收峰的含水物质等有很高的干燥效率。目前，这种碳化硅远红外辐射板巳用于自行车，缝纫机，家俱，木材，皮革，纺织，食品及粮食作物的干燥。

虽然硅及其化合物现在应用在了许多方面，但我相信，未来它会在更多方面有着独特的应用！