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1、硅、硅烷和二氧化硅硅、硅烷和二氧化硅第13章 碳族元素作者：GN硅硅(Si)silicon二氧化硅二氧化硅 silica目录四氢化硅四氢化硅 silicon hydride单晶硅性质；单晶硅具有金刚石晶格。晶体硬而脆具有金属光泽。单晶硅具有准金属的物理性质，有较弱的导电性，其电导率随温度的升高而增加，有显著的半导电性（但导电率不及金属）。单晶硅是重要的半导体材料，可以做成太阳能电池。将辐射能转变为电能。在开发电能方面是一种很有前途的材料。多晶硅，是单质硅的一种形态。熔融的单质硅在过冷条件下凝固时，硅原子以金刚石晶格形态排列成许多晶核，如这些晶核长成晶面取向不同的晶粒，则这些晶粒结合起来，就结晶
2、成多晶硅。利用价值：从目前国际太阳电池的发展过程可以看出其发展趋势为单晶硅、多晶硅、带状硅、薄膜材料（包括微晶硅基薄膜、化合物基薄膜及染料薄膜）。硅硅 旧称“矽”。在自然界中，没游离态的硅，以化合态存在，例如：硅酸盐等，在地壳中含量居第二位。硅有两种晶型无定形及晶形两种同素异体。前者为深灰黑色粉末，后者为银灰色。图图13.1 13.1 晶体硅（左二单晶硅，右二多晶硅）晶体硅（左二单晶硅，右二多晶硅）晶体硅结构与金刚石相同，属原子晶体，熔、沸点高，硬而脆，有金属光泽，能导电，但导电率不及金属，且随温度的升高而增加，可用作半导体。常温下，硅的化学性质不活泼，除氟气、氢氟酸和强碱外，硅不跟其他物质，
3、如氧气、氯气、硫酸、硝酸等起反应。在加热条件下，硅能跟一些金属和非金属反应。图图13.2 13.2 晶体硅的结构晶体硅的结构 每个硅原子均以sp3杂化状态与相邻的四个硅原子结合成键，形成正四面体构型、空间网状结构的原子型晶体。(1)在通常情况下，硅非常惰性，但加热时与许多非金属单质化合，还能与某些金属反应。2Mg+SiMg2Si(2)硅遇到氧化性的酸发生钝化性(passivation),它可溶于HFHNO3的混合酸中：3Si+4HNO3+18HF3H2SiF6+4NO+8H2OSiF4+2H2，SiF4+2HFH2SiF6硅与氢氟酸反应：Si+4HFK2SiO3+2H2(3)硅溶于碱并放出H2
4、：Si+2KOH+H2OH2SiO3+2H2(4)硅在高温下与水蒸气反应：Si+2H2O(g)有关其性质的反应如下：有关其性质的反应如下：生产硅的原料为SiO2，其存在极为广泛，在电炉中获得1800的高温以碳还原之；SiO2+2C=Si+2CO 上述反应制得的是粗硅，生产纯度较高的柜式需提纯，首先在加热条件下使硅与氯气反应得到液态SiCl4；Si+2Cl2(g)=SiCl4(l)然后通过精馏来提纯SiCl4，最后用活泼金属锌或镁来还原SiCl4的纯度较高的硅。SiCl4+2Zn=Si+2ZnCl2 用途：用途：高纯硅主要用于制作半导体，可用于制作半导体器件和集成电路。掺杂磷，磷成键后还多一个电
5、子n型半导体；掺杂硼，硼成键后还缺少一个电子p型半导体。单单质质硅硅的的生生产产与与纯纯化化单晶硅即硅的单晶体单晶硅即硅的单晶体，是具有基本完整的点阵结构的晶体。不同的方向具有不同的性质，是一种良好的半导材料。纯度要求达到99.9999，甚至达到99.9999999以上。单晶硅是一种比较活泼的非金属元素，是晶体材料的重要组成部分，处于新材料发展的前沿；是制造半导体硅器件的原料，用于半导体材料和利用太阳能光伏发电、供热等。单晶硅圆片按其直径分为6英寸、8英寸、12英寸（300毫米）及18英寸（450毫米）等。硅片直径越大，技术要求越高，越有市场前景，价值也就越高。单晶硅按晶体伸长方法的不同，分为
6、直拉法（CZ）、区熔法（FZ）和外延法。直拉法、区熔法伸长单晶硅棒材，外延法伸长单晶硅薄膜。直拉法伸长的单晶硅主要用于半导体集成电路、二极管、外延片衬底、太阳能电池。目前晶体直径可控制在38英寸。区熔法单晶主要用于高压大功率可控整流器件领域，广泛用于大功率输变电、电力机车、整流、变频、机电一体化、节能灯、电视机等系列产品。目前晶体直径可控制在36英寸。外延片主要用于集成电路领域。【扩展知识：单晶硅及其应用扩展知识：单晶硅及其应用】现在，我们的生活中处处可见“硅”的身影和作用：半导体芯片集成电路的应用范围覆盖了军工、民用的几乎所有的电子设备，晶体硅太阳能电池有着其它电源无法比拟的巨大优势 硅与碳
7、相似有一系列氢化物，不过由于硅自相结合的能力比碳差，生成的氢化物要少得多。到目前为止，已制得的硅烷不到12种，其中有其中有SiH4、Si2H6、Si3H8、Si4H10、Si5H12以及Si6H14等。即一硅烷到六硅烷，可以用通式SiH2n+2(7n1)来表示。硅烷的结构与烷烃相似。一硅烷又称为甲硅烷。四氢化硅四氢化硅(硅烷硅烷)（1）物理性质：）物理性质：硅烷为无色无臭的气体或液体。它们能溶于有机溶剂，熔点、沸点都很低。b.硅烷在纯水中不发生水解作用。硅烷在纯水中不发生水解作用。但当水中有微量碱存在时，由于碱的催化作用，水解反应即激烈地进行。SiH4+(n+2)H2OSiO2H2O+4H2能
8、与一般氧化剂反应。如：SiH4+2KMnO4a.还原性强，能与还原性强，能与O2或共它氧化剂猛烈反应。或共它氧化剂猛烈反应。它们在空气中自燃，燃烧时放出大量的热，产物为SiO2。如：SiH4+2O2SiH4+8AgNO3+3H2OSiO2+2H2O 2MnO2+K2SiO3+H2+H2O8Ag+SiO2+8HNO3这二个反应可用于检验硅烷。（2）化学性质）化学性质比相应的烷烃活泼，表现在以下几方面：c.所有硅烷的热稳定性部很差。所有硅烷的热稳定性部很差。分子量大的稳定性更差。将高硅烷适当地加热，它们即分解为低硅烷。低硅烷(如SiH4)在温度高于773K即分解为单质硅和氢气。SiH4=Si+2H
9、2（3）制备方法）制备方法 硅烷常用金属硅化物与酸反应来制取。Mg2Si+4HCl或者用强还原剂LiAlH4还原硅的卤化物。2Si2Cl6(l)+3LiAlH4(s)2Si2H6(g)+3LiCl(s)+3AlCl3(s)SiH4+2MgCl2（4）用途：）用途：光导纤维，光学仪器，玻璃原料及材料制造等。硅烷气是太阳能电池生产过程中不可或缺的材料，因为它是将硅分子附着于电池表面的最有效方式。在高于400的环境下，硅烷气分解成气态硅和氢气。氢气燃烧后，剩下的就是纯硅了。此外，硅烷气可以说是无处不在。除了光伏产业外，还有很多制造工厂需要用到硅烷气，如平板显示器、半导体、甚至镀膜玻璃生产厂。会引起窒
10、息的气体！（1）结构）结构：空间网状结构的原子晶体。Si原子和O原子以硅氧四面体（SiO4）的形式连接在一起，1个Si原子同4 个O原子形成共价键，1个O原子同2个Si原子形成共价键。1mol SiO2晶体中约含4NA个SiO共价键，构成一个最小的环需要12个原子。二氧化硅二氧化硅（2）物理性质：）物理性质：也叫硅石，无色晶体，熔沸点高（熔沸点分别为1713、2230)，硬度大。从地面往下16公里几乎有65%的二氧化硅的矿石。天然的二氧化硅分为晶体和无定形两大类。晶态二氧化硅主要存在于石英矿中，有石英、鳞石英和方石英三种变体。纯石英为无色的晶体，大而透明的棱体状石状石英称为水晶。紫水晶、玛瑙和
11、碧玉都是含杂质的有色晶体。砂子也是混有杂质的石英细粒。硅藻土则是无定形二氧化硅。动植物体内也含有少是的二氧化硅。一般说来，植物中结实的茎和穗，含二氧化硅也较多，如麦杆灰中含SiO2就很多。将石英在1873K熔融，冷却时，它不再成为晶体，只是缓慢地硬化，成为石英玻璃，达实际上是一种过冷液体。无论是熔刚的SiO2或是石英玻璃，它们仍然SiO4四面体所组成，只不过排列不象在石英晶体那么整齐。缟玛瑙缟玛瑙紫晶紫晶石英盐石英盐水晶水晶黑曜石黑曜石玛瑙玛瑙二氧化硅晶体砂状二氧化硅砂状二氧化硅硅胶硅胶很很纯纯的的石石英英（水水晶晶）（3）化学性质：）化学性质：二氧化硅的化学性质不活泼，不与水反应，难溶于普通
12、酸，但能溶于热碱和氢氟酸中：可与熔融的Na2CO3反应：SiO2+Na2CO3与热碱反应：SiO2+2NaOH=2NaSiO3+H2O与氢氟酸反应：SiO2+6HF=H2SiF6+2H2O SiO2+4HFSiF4+2H2O NaSiO3+CO2因此玻璃容器不能盛放浓碱溶液和氢氟酸。（3）化学性质：）化学性质：二氧化硅的化学性质不活泼，不与水反应，难溶于普通酸，但能溶于热碱和氢氟酸中：可与熔融的Na2CO3反应：SiO2+Na2CO3与热碱反应：SiO2+2NaOH=2NaSiO3+H2O与氢氟酸反应：SiO2+6HF=H2SiF6+2H2O SiO2+4HFSiF4+2H2O NaSiO3+
13、CO2因此玻璃容器不能盛放浓碱溶液和氢氟酸。（4 4）用途：）用途：二氧化硅是制造玻璃、石英玻璃、水玻璃、光导纤维、电子工业的重要部件、光学仪器、工艺品和耐火材料的原料。当二氧化硅结晶完美时就是水晶；二氧化硅胶化脱水后就是玛瑙；二氧化硅含水的胶体凝固后就成为蛋白石；二氧化硅晶粒小于几微米时，就组成玉髓、燧石、次生石英岩。石英块又名硅石，主要是生产石英砂(又称硅砂)的原料，也是石英耐火材料和烧制硅铁的原料。熔化的石英在1700左右变成粘稠液体，冷却时不易再结晶，变成石英玻璃，其中硅氧四面体是杂乱排列的，故其结构呈无定形。石英玻璃可用于制造光学仪器和高级化学器皿。SiO2还有一类与石英、石英玻璃等极不相同的存在形式硅胶。向一定浓度的NaSiO3溶液中加酸，当体系的pH降低时，硅氧四面体单元之间开始缩合，生成硅酸胶体溶液和盐。将胶体静置老化24h，使缩合反应进行完全，形成凝胶。然后用热水洗去反应生成的盐，将洗净的凝胶在低于100的件下烘干，脱去与二氧化硅结合的水以及硅氧骨架空隙间的水，即得到多孔性硅胶。从组成上，硅胶属于SiO2，只是内部的硅氧四面体是杂乱无序的。在300下活化后，硅胶就成为一种具有物理吸附作用的吸附剂。二二氧氧化化硅硅的的各各种种用用途途Thank youBY GN The end