硅是金属吗

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简介

硅是一种具有蓝灰色金属光泽的晶体结构，坚硬而易碎。在元素周期表中，它属于第 14 族；碳位于其上方，锗、锡、铅和钫位于其下方。尽管硅是地球上按质量计算第八丰富的元素，但它很少以纯元素的形式出现在地壳中。工业上使用的硅大部分未分离，天然矿物通常经过非常轻微的加工。

什么是硅？

硅是一种化学元素，原子序数为 14，符号为 Si。硅是七种被称为**准金属**的元素之一。这仅仅是描述一些物质的一种创造性方法，这些物质**不完全**像**金属或非金属**那样运作。它具有四价，是一种准金属，也是一种半导体，具有**蓝灰色**的金属光泽，是**粗糙、晶体和易碎的固体**。

自然界中的存在

• 硅在地球**地壳中的含量为 27.2%。**

• 由于**硅酸盐矿物**构成了地球地壳的**90% 以上**，因此硅是继氧之后地壳中**第二丰富的元素**。

• 自然元素硅在世界海洋中似乎具有**400 年的停留时间**，前提是它尚未存在于那里。

• **地球总质量的 68.1%** 由地幔构成，地幔主要由密度更大的**硅酸盐和氧化物**构成，例如（Mg，Fe）₂ SiO₄，称为**橄榄石**。

• 大陆岩石的化学风化、河流迁移、陆源碎屑硅酸盐的溶解以及海底玄武岩与热液的反应（释放出结合的硅）是硅通量进一步进入海洋的四个主要贡献者。

硅的性质

硅的物理性质

• 硅原子有**14 个电子**。

• 硅是一种明亮的**半导体**，在标准压力和温度下具有蓝灰色的金属光泽，与半导体常见的情况一样，其电阻随着温度升高而降低。

• 电子与否一样可能存在的能量称为**费米能级**。因此，在环境温度下，纯硅基本上充当**绝缘体**。

• 在正常情况下，**硅结晶**成巨大的**共价结构，特别是金刚石立方晶格**。

硅的化学性质

• 硅的 14 个电子在初始状态下排列在电子构型**[Ne]3s² 3p² 中。**

• 它可以通过产生**sp³ 杂化**轨道来耗尽其八隅体并达到氩的理想惰性气体构型，它包含与价轨道相同的价电子数。

• 硅具有很高的**熔点 1414 °C。**

• 硅的**沸点约为 3265 °C。**

• 硅的汽化能力低于碳，这表明**Si-Si 键比 C-C 键弱。**

• 天然产生的硅的三个稳定同位素是永久同位素²⁸Si、²⁹Si 和³⁰Si。其中只有²⁹Si 可用于 EPR 和 NMR 光谱研究。

硅的化合物/聚合物（硅材料）

已知硅有多种化合物。其中一些在下面讨论 -

硅化物

许多金属硅化物具有从**金属键到离子键到共价键**的键。M₅ Si、M₆ Si、M₁₅ Si₄、M₃ Si、M₅ Si₂、M₅ Si₃、MSi、M₂ Si₃、MSi₂ 等是已知硅化物化学计量的例子。

硅烷

硅烷构成了硅氢化物的同系物序列，其**通式为 Si_n H_2n+2**。它们都是强还原剂。除了环状 Si₅ H₁₀ 和 Si₆ H₁₂ 之外，还已知**高达 n=8** 的长链和支链。

硅烷的最简单形式。

卤化物

所有四个稳定的卤素都可以轻松地与**硅和碳化硅**结合，形成无色、不稳定和易爆的四卤化硅。**卤代聚硅烷** Si_n X_2n+2类似于硅烷，并且同样众所周知。卤代聚硅烷已发现，至少达到 Si₆ Cl₁₄、Si₁₄ F₃₀ 和 Si₄ Br₁₀。

二氧化硅

仅次于水的研究量是二氧化硅，有时也称为**二氧化硅**（SiO₂）。二氧化硅共有 12 种已知的晶体变体，其中**石英**最为常见。大多数二氧化硅的晶体结构由无限的 SiO₄ 四面体组成。

二氧化硅结构。

有机硅化合物

有机硅化合物通常表现出显着的热稳定性和化学稳定性，这是由于**Si-C 键的强度接近于 C-C 键**。例如，**四苯基硅烷**，即 SiPh₄。

硅树脂

与矿物硅酸盐相比，**硅酮**可以被视为类似物，因为它们的甲基与硅酸盐的**等电子**（O-）部分相匹配。它们提供重要的**防粘、消泡特性和介电特性**，并且对高温、氧化和水具有很强的抵抗力。

硅的用途

• 许多硅化合物，包括**硅砂、粘土和大多数建筑石材**，都具有直接的商业应用。

• 硅主要用于**结构化合物**，以二氧化硅、硅酸盐或矿物形式。

• **硅片**由单晶硅制成，用于电子、半导体行业。

• **耐火砖**，一种陶瓷，由二氧化硅制成。**白瓷陶瓷**也包括硅酸盐矿物。

有趣的事实

• 尽管有些人可能认为，**硅和硅酮**完全不同。硅酮是一种由硅氧聚合物组成的**人工物质**。**硅是一种天然存在的元素。**

• **纯硅**的晶格与**金刚石**（由碳构成，碳是硅在第 14 族中的上方元素）的晶格相同。

结论

硅主要以不同类型的**二氧化硅或硅酸盐的形式广泛分布在宇宙尘埃、小行星和行星**的空间中。按质量计算，硅是宇宙中**第八丰富的元素**，但它很少以纯元素的形式出现在地壳中。在**技术和电子行业**，硅是最重要的半导体。

常见问题

1. 为什么硅被称为硅？

硅的名称源于拉丁语**silex**，通常称为 silicis，意为**“坚硬的石头”或“燧石”**。

2. 硅金属有毒吗？

以元素或其任何原始形式（包括二氧化硅和硅酸盐）存在时，这些都是最普遍的，**硅无毒。**

3. 你可以在人体中找到硅吗？

大多数**生物组织、骨骼组织和软组织**都含有大量的硅。

4. 硅可以形成有限数量的键吗？

是的，与碳一样，硅是四价的。因此，它可以轻松地与某些其他原子共享其所有四个轨道电子，从而与它们形成共价键。

5. 硅可以同时形成多个键吗？

由于 p-d 键重叠不足，硅**无法形成 Si=Si**。由于其尺寸，Si 几乎没有倾向于与自身形成双键。