硅（化学元素）

硅

化学元素

硅（Silicon），是一种化学元素，化学符号是Si，旧称矽。原子序数14，相对原子质量28.0855，有无定形硅和晶体硅两种同素异形体，属于元素周期表上第三周期，IVA族的类金属元素。

硅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。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%）。

发现历史

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。

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。

名称由来

英文中的silicon一词，来自拉丁文的silex, silicis，意思为燧石（即火石，富含硅元素）。

民国初期，学者原将此元素音译为“硅”而令其读为“xì（圭旁确可读xi音，如畦字）”（又，实际上“硅”字本为“砉”字之异体，读作huò）。由于当时汉语拼音方案尚未推广普及，一般大众多误读为guī。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21世纪。

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“guī”，但并未意识到其实“硅”字本亦应读xì音。矽肺与矽钢片等民间常用词汇至今仍用矽字。

在香港，两用法皆有，但“矽”较通用。

日文与韩文中则称之为“硅素”，也可写成“珪素”。

理化性质

同素异形体

有无定型和晶体两种同素异形体：

1、一种为暗棕色无定形粉末，用镁使二氧化硅还原而得，性质比较活泼，能够在空气中燃烧，称为无定形硅；

2、另一种为性质稳定的晶体（结晶硅），是用炭在电炉中使二氧化硅还原而得。

物理性质

性状：具有明显的金属光泽，呈灰色。结晶型的硅是暗黑蓝色的，很脆，是典型的半导体。具有金刚石的晶体结构，

汽化热 384.22 kJ/mol  

熔化热 50.55 kJ/mol  

蒸气压 4.77 帕（1683K）  

电负性 1.90（鲍林标度） 

比热 700 J/（kg·K）  

电导率 2.52×10-4 /（米欧姆） 

热导率 148 W/（m·K）  

电离能：8.151电子伏特。 

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  

化学性质

氟化氢以外，很难与其他物质发生反应。

反应性：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。

溶解性：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。

同位素

已发现的硅的同位素共有12种，包括硅25至硅36，其中只有硅28，硅29，硅30是稳定的，其他同位素都带有放射性。 

分布

硅在自然界分布极广，地壳中约含27.6％，硅主要以化合物的形式，作为仅次于第一位的氧（49.4%）的最丰富元素存在于地壳中，约占地表岩石的四分之一。 

硅在自然界中没有单质状态存在，都存在于化合物中，因此不存在“硅矿”的说法。硅的化合物主要是二氧化硅（硅石）和硅酸盐。例如，花岗岩是由石英、长石、云母混合组成的，石英即是二氧化硅的一种形式，长石和云母是硅酸盐。砂子和砂岩是不纯硅石的变体，是天然硅酸盐岩石风化后的产物。

二氧化硅（硅石）是最普遍的化合物，在自然界中分布极广，构成各种矿物和岩石。最重要的晶体硅石是石英。

化合物

1、碳化硅：用于半导体、避雷针、电路元件、高温应用、紫外光侦检器、结构材料、天文、碟刹、离合器、柴油微粒滤清器、细丝高温计、陶瓷薄膜、裁切工具、加热元件、核燃料、珠宝、钢、护具、触媒担体等领域。

2、二氧化硅：是沙和石英的主要成分。在半导体和太阳能板等应用中，是主要的原料。

3、硅烷：在医学和工业领域有着广泛的应用。

4、四氯化硅：应用在半导体工业和光电池中。

制备

工业上，通常是在电炉中由碳还原二氧化硅而制得。

化学反应方程式：SiO2 + 2C → Si + 2CO

这样制得的硅纯度为97~98%，叫做纯硅。再将它融化后重结晶，用酸除去杂质，得到纯度为99.7~99.8%的纯硅。如要将它做成半导体用硅，还要将其转化成易于提纯的液体或气体形式，再经蒸馏、分解过程得到多晶硅。如需得到高纯度的硅，则需要进行进一步的提纯处理。

用途

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。

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。 

3、光导纤维通信。

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，，不受电、磁干扰，不怕窃听，具有高度的保密性。

4、硅有机化合物。

（1）、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。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。 

（2）、硅橡胶：具有良好的绝缘改组，长期不龟裂、不老化，没有毒性，还可以作为医用高分子材料。 

（3）、硅油：是一种很好的润滑剂，由于它的粘度受温度变化的影响小，流动性好，蒸气压低，在高温或寒冷的环境中都能使用。

5、生活和装饰品

工艺师利用盐酸刻蚀石英制作艺术品；水晶项链和餐桌上的瓷盘都是硅酸盐制品。

生理功能

硅是人体不可缺少的微量元素。占体重的0.026%。硅及含硅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硅粉尘场所的工人应采取必要的防护措施。

硅在结缔组织、软骨形成中硅是必需的，硅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；硅参与骨的钙化作用，在钙化初始阶段起作用，食物中的硅能增加钙化的速度，尤其当钙摄入量低时效果更为明显；胶原中氨基酸约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硅；通过对不同来源的胶原分析，结果显示硅是胶原组成成分之一。

参考摄入量：由于没有人体硅需要量的实验资料，因此难以提出合适的人体每日硅的需求量，由动物实验推算，硅若易吸收，每天人体的需要量可能为2～5mg。但膳食中大部分的硅不易被吸收，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：高硅症，高硅饮食的人群中曾发现局灶性肾小球肾炎，肾组织中含硅量明显增高的个体。也有报道有人大量服用硅酸镁（含硅抗酸剂）可能诱发人类的尿路结石。

硅肺病，经呼吸道长期吸入大量含硅的粉尘，可引起矽肺。

矽肺（silicosis）又称硅肺，是尘肺中最为常见的一种类型，主要是由于长期吸入大量含有游离二氧化硅粉尘，引起的以肺间质纤维化，严重者可以影响肺功能，丧失劳动能力，甚至发展为肺心病，心衰及呼吸衰竭。此病多见于粉尘接触者，因此，矽肺病每年都有不同程度发展，但是，只要大家在井下维护好、使用好防尘设施，落实好防尘管理制度，完全可以杜绝或避免矽肺病或煤肺病的发生。

不足表现：饲料中缺少硅可使动物生长迟缓、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硅，有利于保护动物的主动脉的结构。另外，已确定血管壁中硅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，其饮用水中硅的含量也相差约两倍，饮用水硅含量高的人群患病较少。

硅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硅胶，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，硅都以含氧化合物形式存在。

驳斥：自然界存在天然的硅单质且早有报道，下为文献报道节选

本文对自然硅进行了矿相学、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。自然硅呈亮灰银白色、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%。

参考资料

1.金属硅·中国铁合金在线

2.加强防尘治理 预防矽肺病发生·安全管理网

3.硅是人体不可缺少的微量元素·网易新闻