硅（Silicon），元素周期表第三周期第14族非金属元素，元素符号Si，原子序数14，相对原子质量28.086。单质有晶态和无定形两种，晶态硅为蓝灰色，16相对密度为2.32~2.34g/cm3，熔点1414℃，沸点2355℃。无定形硅是灰黑色粉末，不溶于水和氟化氢溶液，溶于碱以及氟化氢和硝酸混合液。晶态硅有明显导电性，电导率小于金属，且随温度升高而增加，高纯硅掺微量磷可制备n型半导体，掺微量硼可制备p型半导体。常温下不活泼，与空气、水和酸（氢氟酸及其混合酸除外）等都没有明显作用。能缓慢溶解于浓碱溶液，生成可溶性硅酸盐并释放出氢气。在加热下能与卤素反应生成四卤化硅。在高温下能与氧、碳、氮、硫等非金属单质反应。也能与钙、镁等金属反应生成相应的金属硅化物。能溶于浓硝酸和氢氟酸的混合酸，生成二氧化硅，进而溶解成四氟化硅。1

硅也是极为常见的一种元素，在自然界通常以复杂的硅酸盐或二氧化硅的形式，广泛存在于岩石、砂砾、尘土之中。硅在宇宙中的储量排在第八位。它以各种形式的二氧化硅（硅酸盐）或硅酸盐广泛分布在尘埃，沙粒，类行星和行星中。硅在地壳中的含量仅次于氧，位居第二位。但硅单质在自然界中却很少见，仅在福建某地矽卡岩型硫、多金属矿床中找到了自然硅，呈亮灰银白色、强金属光泽、性脆。18

因为硅优异的半导体性能，使其成为制作计算机芯片的主要元素，在电子工业、计算机业、光导纤维通信和太阳能领域里不可或缺。18

研究简史

1787年，拉瓦锡首先发现了存在于岩石中的硅。

1800年，戴维将其错认为一种化合物。2

1811年，盖·吕萨克和泰纳尔，加热钾和四氟化硅制得了不纯的无定形硅，并根据拉丁文silex（燧石）将硅命名为Silicon，其含义为“坚硬之石”。同年，Gay-Lussac和Thenard用硅的四氟化物与碱土金属反应时发现，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硅）。8

1823年，瑞典化学家贝采利乌斯（Jins Berzelius）首次制得高纯度硅。15

1824年，在斯德哥尔摩，贝采利乌斯通过加热氟硅酸钾和钾获取了硅。这个产物被硅酸钾污染，但他把它放在水中搅拌，由于水会与之反应，因此得到了相对纯净的硅粉末，因此发现硅的荣誉归属于贝采利乌斯。8

1824年，J.J.贝采利乌斯用同样的方法，经过反复洗涤除去其中的氟硅酸，得到纯无定形硅。8

1854年，结晶的硅才被提炼出来；同年H.S.C.德维尔也第一次制得晶态硅。2

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“硅”并读“gui”，但并未意识到其实“硅”字本亦应读xi音。在香港，两用法皆有，但“矽”较通用。

1998年，哈佛大学的马祖尔团队还报道了利用飞秒激光脉冲，在含硫气体存在的情况下照射硅晶片，会使其光滑的表面形成一个尖峰林立的微观森林，大大增强了其对可见光的吸收，从而形成了“黑硅”，这一性质使硅元素在太阳能电池中的应用更有前景。

理化性质

物理性质

单质硅有晶体硅和无定形硅两种同素异形体，晶体硅为硬而有光泽的银灰色晶体，粉末为灰黑色，无定形硅为黑色。单质硅的密度为2.32~2.34g/cm3，熔点为1414℃，沸点为2355℃。晶体硅为原子晶体，有金属光泽，硬度大而脆，熔沸点高。14

|| || 硅的物理性质

原子属性

原子核外电子排布：1s22s22p63s23p2

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：111pm；

范德华半径：210pm；

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；

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。4

|| || 硅的电离能

化学性质

常温下硅的化学性质极其稳定。纯硅或熔结的工业用硅（99%）经久贮存而不变质。例如，一块在空气中暴露有十年之久的99%硅的表面，与从其上击落下来的碎片的新鲜表面相比，无论光泽或颜色，两者毫无差异。超纯硅样品虽经多年应用，仍能保持其闪亮蓝灰色外观，不留刻痕，也不失去光泽。然而，一旦处于高温，硅的性质立即变得十分活泼，当硅处于熔态时，它几乎能跟所有金属氧化物，硅酸盐以及铝酸盐发生反应，夺取这些化合物中的氧。熔态硅与碳的反应也十分剧烈，且能与金属碳化物反应以夺取其中的碳。熔态硅与氮及大多数氮化物的反应也能顺利进衍。总之，熔态硅几乎能够腐蚀所有常见耐温材料。因此，盛放熔态硅的容器必须由经过专门选择的材料（最好选用二氧化锆或第IV至第VI周期过渡金属的硼化物）所制成。16

• 硅与空气的反应

硅块的表面有一层很薄的二氧化硅，这使得硅在一定程度上可以免于被继续氧化，在空气中甚至加热至900℃时也是如此。而当超过这个温度之后，硅就同氧气反应生成二氧化硅。在大约1400℃时，硅同氮气（N2）反应（如果在空气中也会同时与氧气反应），生成氮化物SiN和Si3N4。13

• 硅与卤素单质的反应

硅同所有的卤素单质的反应都很迅速，其反应产物是四卤化硅。硅与氟气（F2）、氯气（Cl2）、溴单质（Br2）、碘单质（I2）分别反应生成氟化硅（Ⅳ）（SiF4）、氯化硅（Ⅳ）（SiCl4）、溴化硅（Ⅳ）（SiBr4）和碘化硅（Ⅳ）（SiI4）。硅同氟的反应可以在室温下进行，但是其他的反应需要在超过300℃时才能发生。13

• 硅与酸的反应

在通常条件下，硅并不与绝大多数的酸发生反应。硅只溶解在氢氟酸（HF）中，这显然是由Si（Ⅳ）的氟配合物SiF62-的稳定性所导致的。13

但极纯的硅晶体几乎不跟包括氢氟酸在内的所有无机酸发生反应。以镁还原二氧化硅所获得的棕色粉末状硅易溶于氢氟酸中。从低共熔合金中析出的硅也与氢氟酸反应剧烈。在硅与氢氟酸反应体系中，如果还有硝酸、高锰酸钾、三氧化铬、三氯化铁或过氧化氢等氧化剂存在，反应将更加剧烈。16

盐酸与硅的反应取决于硅的纯度。纯硅与盐酸无作用，但硅试样中如含有金属硅化物杂质（如硅化镁Mg2Si），反应将生成甲硅烷。稀硝酸与硅的反应状况与盐酸的相似。稀硝酸对不含硅化物杂质的纯硅基本上无反应，然而浓硝酸或发烟硝酸与粉末状硅剧烈反应，其结果是硅被氧化为二氧化硅。浓硫酸对硅的作用比较温和，过程中粉末状硅被缓慢氧化。室温时磷酸对不纯的粉末状硅（如97%硅）也无明显反应，但当反应物被加热至230℃时，90%磷酸使可使硅粉缓慢溶解，生成胶状沉淀物。16

• 硅与碱的反应

硅同诸如氢氧化钠溶液等碱反应，生成硅酸盐。硅酸盐不仅仅包含阴离子SiO44-，是高度复杂的物质。13不论硅属于何种“形态”，均易溶于苛性碱溶液，过程中有氢气放出，反应方程式可写为：16

反应中生成的SiO44-与水进一步反应，生成原硅酸：16

总的结果相当于硅在氢氧根离子的催化下溶解于水。这一结论已为实验事实所验证，盛放于铂或石英器皿中的纯水长时期对粉末状还原硅无腐蚀作用，而在普通玻璃器皿中的水仅因含有从玻璃中溶出的微量碱便可使粉末状硅在其中缓慢溶解。水中含氧的多少也影响水与硅的作用。室温时去氧的纯水在一年时间内可溶解小颗粒晶态硅2%和溶解“无定形”硅6%，但同一条件下含有溶解氧的水能在相同时间内溶解同类晶态的硅12%。16

制备方法

实验室制备

实验室里可用镁粉在赤热下还原粉状二氧化硅，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硅，即得单质硅。这种方法制得的都是不够纯净的无定形硅，为棕黑色粉末。

工业制备

工业上通过使用碳电极在电炉中将二氧化硅与碳（焦炭）一起加热来生产单质硅：

所得产物的纯度约为96-98％。重复浸出形成约99.7％的纯化产物。或者，将低级硅转化为其卤化物或卤代硅烷，然后用高纯度还原剂将其还原。可以通过几种方法来制造用于半导体应用的超纯硅。这些过程包括用高纯锌还原四氯化硅：

或在1150 ℃的温度下用氢还原三氯硅烷6：

或将甲硅烷或四碘化硅加热至高温：

或通过用钠还原四氟化硅：

应用领域

工业用途

• 钢铁领域

硅可以对铁水进行脱氧，具有净化铁水的作用。此外，硅还可以降低铸铁的共晶反应温度，提高铁水的流动性，改善铸造性能，有利于提高铸件的外观质量。当成分中的硅含量增加时，共晶点左

来源: 百度百科

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