硅的性质、制备及用途.docVIP

学号：20105051242 学年论文 （本科）系（院） 化学化工学院 专 业 化学 年 级 2010级 姓 名 郑晓丽 论文（设计）题目 硅的性质、制备及用途 指导教师 王岩 职称 副教授 成 绩 2011 年 6 月 6 日- 1 -目 录摘要1关键词1Abstracts1Key words 1引 言11. 硅的结构和性质12. 常见的化学反应23. 硅的制备24.硅的用途4参考文献5硅的性质、制备及用途姓名：郑晓丽 学号：20105051242化学化工学院 化学专业指导老师：王岩 职称：副教授摘要：本文主要介绍硅的物理性质，化学性质及其制备方法。与此同时硅在工业生产、科技中也有极其重要的作用，文章列出了硅的一些比较重要的用途。关键词：硅；晶体；制备；用途Abstract: This paper describes the physical properties of silicon, chemical properties and preparation methods. At the same time silicon in industrial production, technology also has an important role, the article lists some of the more important of silicon useKey words: silicon; crystal; preparation; use引言随着我国工业、科技的发展，对硅的需求越来越多，从而促使硅产业的发展，使硅的产量逐年增高。与此同时高科技对硅纯度要求也越来越高，这就要求我国致力于硅的研究，打开硅产业的广阔前景。近几年我国硅产业不断发展，也带动了科技的新的飞跃。本文主要就其性质，制备及用途作简要说明。1 硅的性质 1.1硅的发现1823年，瑞典的贝采利乌斯，用氟化硅或氟硅酸钾与钾共热，得到粉状硅1.2硅的结构 硅：原子序数14，原子结构示意图如下：1.3硅的含量及其存在形式含量：在地壳中，它的含量仅次于氧，居第二位。存在形式：在自然界中，没有游离态的硅，只有化和态的硅。1.4硅的物理性质晶体硅为钢灰色，无定形硅为黑色，密度2.4gcm3，熔点1420，沸点23551.5硅的化学性质晶体硅属于原子晶体，硬而有光泽，有半导体性质。硅的化学性质比较活泼，在高温下能与氧气等多种元素化合，不溶于水、硝酸和盐酸，溶于氢氟酸和碱液，用于造制合金如硅铁、硅钢等，单晶硅是一种重要的半导体材料，用于制造大功率晶体管、整流器、太阳能电池等。结晶型的硅是暗黑蓝色的，很脆，是典型的半导体。化学性质非常稳定。在常温下，除氟化氢以外，很难与其他物质发生反应。2 常见的化学反应(1)与非金属作用 常温下Si只能与F2反应，在F2中瞬间燃烧，生成SiF4Si+F2 = SiF4 加热时，能与其它卤素反应生成卤化硅，与氧反应生成SiO2 Si+2X2= SiX4 (X=Cl，Br，I) Si+O2 =SiO2 (SiO2的微观结构) 在高温下，硅与碳、氮、硫等非金属单质化合，分别生成碳化硅SiC、氮化硅Si3N4和硫化硅SiS2等。Si+C= SiC 3Si+2N2 = Si3N4 Si+2S =SiS2 (2)与酸作用 Si在含氧酸中被钝化，但与氢氟酸及其混合酸反应，生成SiF4或H2SiF6Si+4HF =SiF4+2H2 3Si+4HNO3+18HF = 3H2SiF6+4NO+8H2O (3)与碱作用 无定形硅能与碱猛烈反应生成可溶性硅酸盐，并放出氢气Si+2NaOH+H2O = Na2SiO3+2H2 (4)与金属作用 硅还能与钙、镁、铜、铁、铂、铋等化合，生成相应的金属硅化物。3 硅的制备1.1 金属热还原法 在实验室中，可将金属镁与二氧化硅的为细粉末混合加热而制得纯硅，其主要反映式SiO2 + 2 MgSi + 2MgO反应得到一种多孔的块状物体，用盐酸来处理，将氧化镁转化为氟化镁：2MgO + 4HClMgCl2+2H2O洗涤，过滤分离后，滤渣（不容于盐酸的固态物）即是硅和未反应的二氧化硅。用氢氟酸处理此滤渣，氢氟酸与二氧化硅起作用形成四氟化硅与水SiO2+4HFSiF4+2H2O四氟化硅是无色的气体，很易挥发，剩下的暗褐色的残渣即是无定形硅另外，用铝、锌还原二氧化硅也可以制得无定型硅，其原理与镁热还原二氧化硅基本相同。德国Heliotronic/Wacker公司引入CaO-SiO2液相助熔剂，在1600-1700.C下进行铝热还原石英砂：3SiO2+4Al3Si+2Al2O3 CaO-SiO2液相助熔剂既可以溶解副产物氧化铝，又可以作为液-液萃取介质，助熔剂与硅不互溶，从而可将硅分离开来。该方法多用于实验室，其成分主要取决于原料成本，而镁、铝、锌金属粉的价格较高，资源能效较低，经济效益不明显，故难以实现工业化。1.2非金属热还原法工业上，以含SiO2的矿物（硅石或石英等）为原料，以碳质物（木炭，石焦油，煤等）为还原剂，在矿热炉内熔炼制得工业硅，通常称为碳热还原法或电热法。复杂Si-O-C体质由Si、O、C这三种元素构成，主要存在SiO2、SiO、Si、SiC、C、CO等六种物质，副反应较多，主要反应式为SiO2+2CSi+2CO生产的工艺流程都大致可以分为原料准备、配料、熔炼、出炉铸锭、产品破碎包装、回收硅灰等几个部分。该法多用于工业生产，工艺相对成熟，原料易得且成本较低，产品纯度较高，通常硅的质量分数可达97.00%-99.00%，但能耗较大，属高能耗产业。20世纪70年代起，德国Simens、挪威Elkem、Sintef等公司分别改良碳热还原法制得纯硅。复杂Si-O-H体系由Si、O、H这三种元素构成，主要存在SiO2、SiO、Si、O2、H2O、H2等这六种物质，副反应较多，主要反应式SiO2+2H2Si+2H2O与碳热法相比，该方法没用中间产物SiC的生成，硅的收率较高；采用氢气做还原剂，氧化产物清洁无污染，环境效益好；可以直接制备高纯太阳能硅，不需要纯化过程，生产成本低，市场潜力较好。4 硅的用途1.1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。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、晶闸管和各种集成电路（包括我们计算机内的芯片和CPU)都是用硅做的原材料1.2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磨擦产生的高温，全靠它那三万一千块硅瓦拼砌成的外壳。1.3光导纤维通信，最新的现代通信手段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，一根头发丝那么细的玻璃纤维，可以同时传输256路电话，它还不受电、磁干扰，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。 1.4在冶金方面硅以硅铁（硅铁合金）形式作为铸铁式的脱氧剂。也制造高硅铁合金（硅的含量从14%94%不等），增强铁的抗腐蚀性能。1.5大量应用于化学工业用以合成硅酮化合物、硅酮油、硅酮树脂和硅酮胶。适合这一用途的硅的材料要求有相当高的纯度。其中硅的含量要求达到98.53%。生产这一类硅材料需要采用较严格的工艺流程。1.6在硅胶方面天然橡胶和合成橡胶的使用温度，般都在150以下，否则就会老化变质。20世纪40年代发展起来的硅橡胶，是以硅一氧一硅为主链的半无机高分子弹性体，兼有无机材料和有机材料的某些特点，使用温度范围广。硅橡胶还具有优异的耐臭氧、生理惰性和电气性能。某些特殊结构的硅橡胶，更具有优良的耐油、耐溶剂、耐辐射等特性，因此，硅橡胶广泛用于航空、字宙航行技术、电气及电子工业部门。另外，硅是同位素电池中换能器的主要材料；也是一种便宜而轻巧的太阳能电池材料。还是制航天飞机用的耐热而极轻的硅瓦的材料。由于硅是微电子技术的关键材料,所以有人称现在为“以硅片为代表的电子材料时代”。当然硅的作用还远不止这些，它更多的作用还有待开发。参考文献 1 社何允平,王恩慧.工业硅生产M.北京:冶金工业出版,1996.2 于站良,马文会,戴永年,等.太阳能级硅制备新工艺研究进展J.轻金属,2006（3）:43-47.3 实用工业硅技术编写组.实用工业硅技术M.北京：化学工业出版社，2005.4 陈肇友.化学热力学与