硅

硅1787年，拉瓦锡首次发现硅存在于岩石中。

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）加热钾和四氟化硅得到不纯的无定形硅，根据拉丁文silex（燧石）命名为silicon。

1811年，Gay-Lussac和Thenard以矽（硅）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，硅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硅，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硅提纯。

1823年，Berzelius以氧化矽（硅）的粉末，加以铁，碳的混和物在高温下加热，得到矽（硅）化铁。但是为了抽取纯的矽（硅），他使用矽（硅）-氟-钙的化合物，干烧之后得到的固体，加水分解得到纯的矽（硅）。

发现硅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，会与之反应，因此得到了相对纯净的硅粉末。

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硅酸，得到纯无定形硅。

结晶性的矽则到了1854年才被提炼出来。矽（硅）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硅。

单晶硅及抛光硅片硅名称的由来：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“硅”而令其读为“xi（圭旁确可读xi音）”（又，“硅”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“硅”并读“gui”，但并未意识到其实“硅”字本亦应读xi音。有趣的是，矽肺与矽钢片等词汇至今仍用矽字。在香港，两用法皆有，但“矽”较通用。

硅的DFT能带结构硅的丰度，引起早期化学家的兴趣。矽（硅）在地球表面的含量仅次于氧，占有将近28%.但是矽（硅）元素并非最早被发现的元素，那是因为从矽（硅）的氧化物中要将矽还原出来是一件非常困难的事。

硅约占地壳总重量的25.7%，仅次于氧。在自然界中，硅通常以含氧化合物形式存在，其中最简单的是硅和氧的化合物硅石SiO2。石英、水晶等是纯硅石的变体。矿石和岩石中的硅氧化合物统称硅酸盐，较重要的有长石KAlSi3O8、高岭土Al2Si2O5(OH)4、滑石Mg3(Si4O10)(OH)2、云母KAl2(AlSi3O10)(OH)2、石棉H4Mg3Si2O9、钠沸石Na2(Al2Si3O10)·2H2O、石榴石Ca3Al2(SiO4)3、锆石英ZrSiO4和绿柱石Be3Al2Si6O18等。土壤、黏土和砂子是天然硅酸盐岩石风化后的产物。

基于硅材料的电子产品硅在自然界分布很广，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，以石英砂和硅酸盐出现。

硅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，那么硅对于地壳来说，占有同样的位置，因为地壳的主要部分都是由含硅的岩石层构成的。这些岩石几乎全部是由硅石和各种硅酸盐组成。长石、云母、黏土、橄榄石、角闪石等等都是硅酸盐类；水晶、玛瑙、碧石、蛋白石、石英、砂子以及燧石等等都是硅石。^[4]

硅原子结构三维图有无定形硅和晶体硅两种同素异形体。晶体硅为灰黑色，无定形硅为黑色，密度2.32-2.34克/立方厘米，熔点1410℃，沸点2355℃，晶体硅属于原子晶体。不溶于水、硝酸和盐酸，溶于氢氟酸和碱液。硬而有金属光泽。

原子核外电子排布：1s²2s²2p⁶ 3s²3p²；

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硅（100）的E为140～150GPa；

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。

同位素：

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，而用括号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.硅（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。

Si的热力学数据（来源于JANAF表格）硅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）硅酸盐和氢气。

硅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，按能级由低硅原子到高，由里到外，层层环绕，这称为电子的壳层结构。硅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，它对硅原子的导电性等方面起着主导作用。

正因为硅原子有如此结构，所以有其一些特殊的性质：最外层的4个价电子让硅原子处于亚稳定结构，这些价电子使硅原子相互之间以共价键结合，由于共价键比较结实，硅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；硅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。生成硅化物。不溶于一般无机酸中，可溶于碱溶液中，并有氢气放出，形成相应的碱金属硅酸盐溶液，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 + O₂ == SiO₂，条件：加热

Si + 2F₂ == SiF₄

Si + 2Cl₂ == SiCl₄，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)+SiO₂（硅热还原法炼镁）

（3）与酸反应：

只与氢氟酸反应：Si + 4HF == SiF₄↑ + 2H₂↑

（4）与碱反应：Si + 2OH⁻+ H₂O == SiO₃²⁻+ 2H₂↑（如NaOH，KOH）

注意：硅、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+O₂=高温= SiO₂

Si + 2OH⁻ + H₂O == SiO₃²⁻+ 2H₂↑

Si+2F₂== SiF₄

Si+4HF== SiF₄↑+2H₂↑

SiO₂ + 2OH⁻== SiO₃²⁻+ H₂O

SiO₃²⁻+ 2NH₄⁺+ H₂O == H₄SiO₄↓ + 2NH₃↑

SiO₃²⁻+ CO₂ + 2H₂O == H₄SiO₃↓+ CO₃²⁻

SiO₃²⁻+ 2H⁺== H₂SiO₃↓

SiO₃²⁻+2H⁺+H₂O == H₄SiO₄↓

硅原子结构二维图H₄SiO₄ == H₂SiO₃ + H₂O

3SiO₃²⁻+ 2Fe³⁺== Fe₂（SiO₃）₃↓

3SiO₃²⁻+2Al³⁺==Al₂（SiO₃）₃↓

Na₂CO₃ + SiO₂ =高温= Na₂SiO₃ + CO₂ ↑

相关化合物：

二氧化硅、硅胶、硅酸盐、硅酸、原硅酸、硅烷、二氯硅烷、三氯硅烷、四氯硅烷、

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：3s²3p²；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）。

硅的制取装置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。工业上生产硅是在电弧炉中还原硅石（SiO2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%），采用质量高的硅石（SiO2大于99%），可直接炼出制造硅钢片用的高质量硅。高纯的半导体硅可在1，200℃的热硅棒上用氢气还原高纯的三氯氢硅SiHCl3或SiCl4制得。超纯的单晶硅可通过直拉法或区域熔炼法等制备。

用镁还原二氧化硅可得无定形硅。用碳在电炉中还原二氧化硅可得晶体硅。电子工业中用的高纯硅则是用氢气还原三氯氢硅或四氯化硅而制得。

硅晶圆片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。另外广泛应用的二极管、三极管、晶闸管、场效应管和各种集成电路（包括人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。用纯二氧化硅可以拉制出高透明度的玻璃纤维。激光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。

5、由于有机硅独特的结构，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，广泛应用于航空航天、电子电气、建筑、运输、化工、纺织、食品、轻工、医疗等行业，其中有机硅主要应用于密封、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。随着有机硅数量和品种的持续增长，应用领域不断拓宽，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、硅可以提高植物茎秆的硬度，增加害虫取食和消化的难度。尽管硅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。

硅在提高植物对非生物和生物逆境抗性中的作用很大，如硅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。硅可以提高水稻对稻纵卷叶螟的抗性，施用硅后水稻对害虫取食的防御反应迅速提高，硅对植物防御起到警备作用。

水稻在受到虫害袭击时，硅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硅的吸收，硅与茉莉酸信号途径相互作用影响着水稻对害虫的抗性。