硅单质及其化合物性质

关于硅单质及其化合物性质1.1硅元素1.2硅单质及其性质1.2.1硅的物理性质1.2.2硅的化学性质1.2.3硅的分类硅的用途硅的生长方法1.3硅化合物及其性质1.3.1二氧化硅1.3.2一氧化硅1.3.3硅的卤化物1.3.4硅烷1.4太阳电池的发展目录第2页,共25页，2024年2月25日，星期天第3页,共25页，2024年2月25日，星期天

硅元素原子序数14，在自然界有三种同位素分别为质子数为28，29，30的原子。所占比例分别为92.23%，4.67%，3.10%，硅的原子量为28.025。硅元素在元素周期表第三周期IVA族,价电子数目与价电子轨道数相等,被称为等电子原子，电负性为1.90，原子的共价半径为117pm，硅主要氧化数为+4和+2。硅在地壳中的丰度为25.90%，仅次于氧，硅的含量在所有元素中居第二位，硅在自然界主要以氧化物形式（如硅酸盐矿石和石英砂）存在，不存在单质。1.1硅元素第4页,共25页，2024年2月25日，星期天1.2贵单质及其性质1.2.1硅的物理性质

硅晶体是原子晶体，是深灰色而带有金属光泽的晶体，它的熔点为1420℃，沸点为2355℃，莫氏硬度为6.5。硅晶体为脆性，密度为2.329克每立方厘米,比热为0.7J/(g.K)。硅晶体形成过程是硅原子中的价电子进行杂化，形成四个杂化轨道，相邻硅原子的杂化轨道相互重叠，以共价键结合，形成硅晶体。在常压下硅晶体具有金刚石型结构。硅单质是半导体，介于导体与绝缘体之间。硅晶体的共价键中电子在正常情况下是束缚在成键两原子周围，它们不会参与导电。因此在绝对温度零度（T=0K）和无外界激发的条件下，硅晶体没有自由电子存在。硅的电导率对外界因素（如光、热、磁等）高度敏感。室温下硅无延展性，属脆性材料。但在温度高于700℃时的硅具有热塑性，在应力作用下会呈现塑性形变,其内部存在的位错才开始移动或攀移。第5页,共25页，2024年2月25日，星期天第6页,共25页，2024年2月25日，星期天1.2.2硅的化学性质硅单质在常温下化学性质十分稳定，但在高温下，硅几乎与所有物质发生化学反应。硅容易同氧、氮物质发生作用，硅材料的一个重要优点就是硅表面很容易氧化，形成结构高度稳定的二氧化硅氧化层。它可以在400℃与氧发生反应,在1000℃与氮进行反应。硅在300℃与氯发生反应。在2273-2773K时硅能与碳反应。在1673K与氨反应：在高温下硅能与一些氧化物反应，如在1400℃以上能与二氧化硅反应：

在1000℃能与水蒸汽反应：在常温下硅对多数酸是稳定的，硅不溶于盐酸、硫酸、硝酸、氢氟酸及王水。但硅却很容易被HF-HNO3混合液所溶解。因而，通常使用此类混合酸作为硅的腐蚀液。第7页,共25页，2024年2月25日，星期天硅的一些化学方程式：Si＋SiO2＝2SiO高温Si＋2F2＝SiF4Si＋4HF＝SiF4↑＋2H2↑Si＋2NaOH＋H2O＝Na2SiO3＋2H2↑第8页,共25页，2024年2月25日，星期天1.2.3硅的分类及应用

硅根据其杂质含量分为粗硅和高纯硅。粗硅的纯度约为95%-99%，又称为冶金级硅，其中含有各种杂质，如Fe、C、B、P等。主要用于铝硅合金(如作汽车发动机)。用来制备硅氧烷和有机硅化学品的也是这种规格。“冶金硅”的其它用途还包括炼钢、高温合金、铜合金和电接触材料，还是高纯硅的原料。高纯硅一般要求纯度达到小数点后面6个“9”至8个“9”的范围，一般用作半导体和太阳能电池。根据高纯硅掺入杂质不同又分为P型硅半导体和N型硅半导体。高纯硅根据晶型的不同又分为单晶硅、多晶硅和无定形硅。高纯硅根据用途不同可分为电子级硅和太阳能级硅。硅含量为99.9999%（6个9）的为太阳能级硅（SG），主要用于太阳能电池芯片的生产制造。纯度在99.999999999%（11个9）的为电子级硅（EG），主要用于半导体芯片制造。经过研究，人们发现，金属钽、钼、铌、钛、钒等即使在硅中含量极微，也会对电池的效率产生影响。，也不会对电池的转换效率产生明显影响，这就比对半导体级硅的要求放宽了100倍，因而人们可以尝试用成本较低的方法来制造太阳能电池级硅材料。第9页,共25页，2024年2月25日，星期天

硅材料科学与技术的卓有成效的发展在20世纪世界材料科学领域中无可非议地占据了极为重要的地位。1948年发明的半导体晶体管，导致电子设备小型、轻量、节能、低成本，并提高设备可靠性及寿命；1958年出现的集成电路，使计算机及各种电子设备发生一次飞跃。进入20世纪90年代，集成电路的集成度进一步提高到微米、亚微米以及深亚微米水平。下面简单介绍高纯硅的主要用途：硅的用途第10页,共25页，2024年2月25日，星期天①整流器按容量分两类：大容量电力用整流器和小容量整流器。大容量的用于电气铁道、电化学及电冶金工业、机械制造工业，代替直流电源---直流发电机、水银整流器、硒整流器等。小容量整流器且用于电报接收机、收音机、通讯没备及其他电气仪器的直流电供电装置，用以代替硒整流器与真空管。②二极管晶体二极管即能整流又能检波。可分为点接触型和面结型晶体二极管。定电压二极管用电气测定仪器、电子计算机、载波装置及其他电子仪器中的定电压回路中。其它二极管，用于微波通讯装置、雷达及其它无线电设备等。③三极管有信号放大和开关作用。与二极管通常称为小功率器件。④集成电路这是将成千上万个分立的晶体管、电阻、电容等元件，采用掩蔽、光刻、扩散等工艺，把它们集成在一个或几个很小的硅晶片上集结成一个或几个完整的电路。微机的出现就是集成电路发展的结果，随着集成电路的不断发展，我们的微型计算机可以体积更小、速度更快、功能更强大。⑤原子能方面应用原子能电池与太阳能电池结构一样，可以把原子堆废料中放出的射线转变为电能。容量小，效率低，但寿命和效率在几年内不会降低。⑥硅可以作成红外探测器，广泛用于照相机、人造卫星、火箭和红外强聚焦等设备上。⑦光电池利用硅材料可以把光能转化成电能。尤其是把太阳能转化成电能，常用的是光伏发电。第11页,共25页，2024年2月25日，星期天电子集流器太阳能电池板光导纤维第12页,共25页，2024年2月25日，星期天硅的生长方法直拉法区域融化法布里奇曼法枝蔓生长法气相沉积生长发第13页,共25页，2024年2月25日，星期天1.3硅化合物及其性质1、二氧化硅二氧化硅是制造冶金硅的主要原料之一，SiO2的同质多晶变体很多，其中最常见的、在地球上分布最广的是低温石英，即β-石英，一般称为石英。而高温石英(α-石英)则少见，SiO2的高温变体(鳞石英、方石英等)在自然界少见，而多存在于人造硅酸盐制品中。石英是分布很广的矿物。在地壳中石英成分占百分之十二，仅次于长石。纯净的石英又称为水晶，它是一种坚硬、脆性、难溶的无色透明的固体。第14页,共25页，2024年2月25日，星期天第15页,共25页，2024年2月25日，星期天第16页,共25页，2024年2月25日，星期天1、药用二氧化硅：主要用作润滑剂、抗粘剂、助流剂.

2、食品、饮料用二氧化硅：流动助剂、抗结块性能。3、橡胶用二氧化硅：消除内张力、分层和开裂现象.

4、油漆、涂料用二氧化硅：控制流变、防亮光、抗流挂、抗紫外线、防沉降、提高耐腐蚀性。

5、造纸用二氧化硅：吸墨速度快、白度高、打印图象清晰、鲜艳。

6、模具用二氧化硅：具有优异分散性、相溶性、高透明性、高白度。7、还生产其他二氧化硅用于石油、食用油脱色剂、牙膏研磨剂、皮革专用消光剂等。

二氧化硅的作用第17页,共25页，2024年2月25日，星期天二氧化硅在自然界中的存在形态石英水晶玛瑙第18页,共25页，2024年2月25日，星期天2、一氧化硅SiO

硅和二氧化硅的均匀混合物在低压下加热到1450K以上，生成挥发性物质一氧化硅。但对一氧化硅的固态形式是否存在还有争论，实验资料表明一氧化硅在1470K以下是热力学不稳定比，它按等摩尔比生成硅石和硅歧化回来。

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3、硅的卤化物

硅的卤化物都是无色的，常温下SiF4是气体，SiCl4和SiBr4是液体，SiI4是固体。硅的卤化物都是共价化合物，熔点、沸点都比较低，氟化物、氯化物的挥发性更大，易于用蒸馏的方法提纯它们，常被用作制备其它含硅化合物的原料，SiF4是无色而有刺激性气味的气体，由于它在水中强烈水解，因而在潮湿的空气中会发烟，无水的SiF4很稳定。通常制备SiF4是用萤石粉和石英砂的混合物与浓硫酸加热，常温下，SiCl4是无色而有刺鼻气味的液体。分子量169.90，蒸汽压55.99kPa(37.8℃)。熔点-70℃，沸点57.6℃。可混溶于苯、氯仿、石油醚等多数有SiCl4易水解，因而在潮湿空气中与水蒸气发生水解作用会产生烟雾，可以吸入、食入、经皮吸收，对眼睛及上呼吸道有强烈刺激作用。高浓度可引起角膜混浊，呼吸道炎症，甚至肺水肿。皮肤接触后可引起组织坏死。在氯气气流内加热硅（或SiO2和焦碳的混合物）可生成SiCl4,SiBr4和SiI4在水中也易水解。第20页,共25页，2024年2月25日，星期天4、三氯氢硅三氯氢硅是无色透明液体，熔点-128℃，沸点31.5℃。三氯氢硅由硅粉与氯化氢合成而得。化学方程式为：Si+3HCl=SiHCl3+H2上述反应要加热到所需温度才能进行，反应是放热反应。反应除了生成三氯氢硅外，有四氯化硅或SiH2Cl2等氯硅烷以及其他杂质氯化物。也可以在高温高压下用氢还原四氯硅生成三氯氢硅：SiCl4+H2→SiHCl3+HCl。但该反应的一次转化率低。三氯氢硅能在1100-1200℃被氢还原为单质硅，其反应方程式为：SiHCl3+H2=Si+3HCl第21页,共25页，2024年2月25日，星期天5、硅烷

硅和碳一样能和氢生成一系列氢化物，但硅与氢不能生成与烯烃、炔烃类似的不饱和化合物，所以硅的氢化物又称为硅烷。硅烷的通式可以写作SinH2n+2，硅烷的结构与烷烃相似。迄今为止，已制得的硅烷也只有二十几种。最重要和最简单的硅烷是甲硅烷。由于硅和氢不能直接作用生成甲硅烷，我们只能用间接法制备。在所得产物中有不到一半的甲硅烷，其余为高级硅烷和氢气。80年代美国联合碳化物公司成功采用催化剂，使氯硅烷产生歧化反应生成甲硅烷：该法大大降低了甲硅烷的制备成本，已进行大规模生产。甲硅烷是无色、无臭的气体。熔点-185℃，沸点-111.8℃。硅烷都是共价型化合物，能溶于有机溶剂。甲硅烷比甲烷的化学性质更活泼。甲烷在常温下不会与氧气反应，而甲硅烷在空气中能自燃生成二氧化硅和水甲硅烷有强的还原性，可将高锰酸钾还原成二氧化锰：甲硅烷对碱十分敏感，溶液有微量的碱便可以引起甲硅烷迅速水解，生成硅酸和氢。甲硅烷的热稳定性差，在高温下会分解为硅和氢甲硅烷的标准摩尔生成焓为正值，反应是放热的。SiH4被大量地用于制高纯硅。硅的纯度越高，大规模集成电路的性能就越好。

第22页,共25页，2024年2月25日，星期天1.4太阳能级硅材料发展前景今后光伏产业将迅猛增长，对多晶硅的需求将超过电子工业。光伏产业是拉动多晶硅生产的主要动力。化石资源日渐匮乏、原油价格持续上涨促进行业快速增长。根据“哈伯特峰值”理论，石油开采接近全球产量储备一半后产量将逐年下降，替代能源开发成为趋势；油价高引发各政府对可再生能源的重视，采用补贴方式致使近年光伏行业发展复合增长率高达45%以上。光伏市场未来5年复合增长率至少超过30%。EPIA根据现有各国政策驱动，预计未来国家发展和改革委员会能源局副处长周篁指出，据国务院发布的可再生能源中长期发展规划显示，预计2020年，中国太阳能电池装机容量将达到1800MW。按照生产1兆瓦太阳能电池需要11吨多