硅單質(zhì)及其化合物性質(zhì)

關(guān)于硅單質(zhì)及其化合物性質(zhì)第1頁，共25頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)57分，星期五1.1硅元素1.2硅單質(zhì)及其性質(zhì)1.2.1硅的物理性質(zhì)1.2.2硅的化學(xué)性質(zhì)1.2.3硅的分類硅的用途硅的生長方法1.3硅化合物及其性質(zhì)1.3.1二氧化硅1.3.2一氧化硅1.3.3硅的鹵化物1.3.4硅烷1.4太陽電池的發(fā)展目錄第2頁，共25頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)57分，星期五第3頁，共25頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)57分，星期五

硅元素原子序數(shù)14，在自然界有三種同位素分別為質(zhì)子數(shù)為28，29，30的原子。所占比例分別為92.23%，4.67%，3.10%，硅的原子量為28.025。硅元素在元素周期表第三周期IVA族,價電子數(shù)目與價電子軌道數(shù)相等,被稱為等電子原子，電負(fù)性為1.90，原子的共價半徑為117pm，硅主要氧化數(shù)為+4和+2。硅在地殼中的豐度為25.90%，僅次于氧，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（如硅酸鹽礦石和石英砂）存在，不存在單質(zhì)。1.1硅元素第4頁，共25頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)57分，星期五1.2貴單質(zhì)及其性質(zhì)1.2.1硅的物理性質(zhì)

硅晶體是原子晶體，是深灰色而帶有金屬光澤的晶體，它的熔點(diǎn)為1420℃，沸點(diǎn)為2355℃，莫氏硬度為6.5。硅晶體為脆性，密度為2.329克每立方厘米,比熱為0.7J/(g.K)。硅晶體形成過程是硅原子中的價電子進(jìn)行雜化，形成四個雜化軌道，相鄰硅原子的雜化軌道相互重疊，以共價鍵結(jié)合，形成硅晶體。在常壓下硅晶體具有金剛石型結(jié)構(gòu)。硅單質(zhì)是半導(dǎo)體，介于導(dǎo)體與絕緣體之間。硅晶體的共價鍵中電子在正常情況下是束縛在成鍵兩原子周圍，它們不會參與導(dǎo)電。因此在絕對溫度零度（T=0K）和無外界激發(fā)的條件下，硅晶體沒有自由電子存在。硅的電導(dǎo)率對外界因素（如光、熱、磁等）高度敏感。室溫下硅無延展性，屬脆性材料。但在溫度高于700℃時的硅具有熱塑性，在應(yīng)力作用下會呈現(xiàn)塑性形變,其內(nèi)部存在的位錯才開始移動或攀移。第5頁，共25頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)57分，星期五第6頁，共25頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)57分，星期五1.2.2硅的化學(xué)性質(zhì)硅單質(zhì)在常溫下化學(xué)性質(zhì)十分穩(wěn)定，但在高溫下，硅幾乎與所有物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。硅容易同氧、氮物質(zhì)發(fā)生作用，硅材料的一個重要優(yōu)點(diǎn)就是硅表面很容易氧化，形成結(jié)構(gòu)高度穩(wěn)定的二氧化硅氧化層。它可以在400℃與氧發(fā)生反應(yīng),在1000℃與氮進(jìn)行反應(yīng)。硅在300℃與氯發(fā)生反應(yīng)。在2273-2773K時硅能與碳反應(yīng)。在1673K與氨反應(yīng)：在高溫下硅能與一些氧化物反應(yīng)，如在1400℃以上能與二氧化硅反應(yīng)：

在1000℃能與水蒸汽反應(yīng)：在常溫下硅對多數(shù)酸是穩(wěn)定的，硅不溶于鹽酸、硫酸、硝酸、氫氟酸及王水。但硅卻很容易被HF-HNO3混合液所溶解。因而，通常使用此類混合酸作為硅的腐蝕液。第7頁，共25頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)57分，星期五硅的一些化學(xué)方程式：Si＋SiO2＝2SiO高溫Si＋2F2＝SiF4Si＋4HF＝SiF4↑＋2H2↑Si＋2NaOH＋H2O＝Na2SiO3＋2H2↑第8頁，共25頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)57分，星期五1.2.3硅的分類及應(yīng)用

硅根據(jù)其雜質(zhì)含量分為粗硅和高純硅。粗硅的純度約為95%-99%，又稱為冶金級硅，其中含有各種雜質(zhì)，如Fe、C、B、P等。主要用于鋁硅合金(如作汽車發(fā)動機(jī))。用來制備硅氧烷和有機(jī)硅化學(xué)品的也是這種規(guī)格?！耙苯鸸琛钡钠渌猛具€包括煉鋼、高溫合金、銅合金和電接觸材料，還是高純硅的原料。高純硅一般要求純度達(dá)到小數(shù)點(diǎn)后面6個“9”至8個“9”的范圍，一般用作半導(dǎo)體和太陽能電池。根據(jù)高純硅摻入雜質(zhì)不同又分為P型硅半導(dǎo)體和N型硅半導(dǎo)體。高純硅根據(jù)晶型的不同又分為單晶硅、多晶硅和無定形硅。高純硅根據(jù)用途不同可分為電子級硅和太陽能級硅。硅含量為99.9999%（6個9）的為太陽能級硅（SG），主要用于太陽能電池芯片的生產(chǎn)制造。純度在99.999999999%（11個9）的為電子級硅（EG），主要用于半導(dǎo)體芯片制造。經(jīng)過研究，人們發(fā)現(xiàn)，金屬鉭、鉬、鈮、鈦、釩等即使在硅中含量極微，也會對電池的效率產(chǎn)生影響。，也不會對電池的轉(zhuǎn)換效率產(chǎn)生明顯影響，這就比對半導(dǎo)體級硅的要求放寬了100倍，因而人們可以嘗試用成本較低的方法來制造太陽能電池級硅材料。第9頁，共25頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)57分，星期五

硅材料科學(xué)與技術(shù)的卓有成效的發(fā)展在20世紀(jì)世界材料科學(xué)領(lǐng)域中無可非議地占據(jù)了極為重要的地位。1948年發(fā)明的半導(dǎo)體晶體管，導(dǎo)致電子設(shè)備小型、輕量、節(jié)能、低成本，并提高設(shè)備可靠性及壽命；1958年出現(xiàn)的集成電路，使計算機(jī)及各種電子設(shè)備發(fā)生一次飛躍。進(jìn)入20世紀(jì)90年代，集成電路的集成度進(jìn)一步提高到微米、亞微米以及深亞微米水平。下面簡單介紹高純硅的主要用途：硅的用途第10頁，共25頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)57分，星期五①整流器按容量分兩類：大容量電力用整流器和小容量整流器。大容量的用于電氣鐵道、電化學(xué)及電冶金工業(yè)、機(jī)械制造工業(yè)，代替直流電源---直流發(fā)電機(jī)、水銀整流器、硒整流器等。小容量整流器且用于電報接收機(jī)、收音機(jī)、通訊沒備及其他電氣儀器的直流電供電裝置，用以代替硒整流器與真空管。②二極管晶體二極管即能整流又能檢波?？煞譃辄c(diǎn)接觸型和面結(jié)型晶體二極管。定電壓二極管用電氣測定儀器、電子計算機(jī)、載波裝置及其他電子儀器中的定電壓回路中。其它二極管，用于微波通訊裝置、雷達(dá)及其它無線電設(shè)備等。③三極管有信號放大和開關(guān)作用。與二極管通常稱為小功率器件。④集成電路這是將成千上萬個分立的晶體管、電阻、電容等元件，采用掩蔽、光刻、擴(kuò)散等工藝，把它們集成在一個或幾個很小的硅晶片上集結(jié)成一個或幾個完整的電路。微機(jī)的出現(xiàn)就是集成電路發(fā)展的結(jié)果，隨著集成電路的不斷發(fā)展，我們的微型計算機(jī)可以體積更小、速度更快、功能更強(qiáng)大。⑤原子能方面應(yīng)用原子能電池與太陽能電池結(jié)構(gòu)一樣，可以把原子堆廢料中放出的射線轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。容量小，效率低，但壽命和效率在幾年?nèi)不會降低。⑥硅可以作成紅外探測器，廣泛用于照相機(jī)、人造衛(wèi)星、火箭和紅外強(qiáng)聚焦等設(shè)備上。⑦光電池利用硅材料可以把光能轉(zhuǎn)化成電能。尤其是把太陽能轉(zhuǎn)化成電能，常用的是光伏發(fā)電。第11頁，共25頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)57分，星期五電子集流器太陽能電池板光導(dǎo)纖維第12頁，共25頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)57分，星期五硅的生長方法直拉法區(qū)域融化法布里奇曼法枝蔓生長法氣相沉積生長發(fā)第13頁，共25頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)57分，星期五1.3硅化合物及其性質(zhì)1、二氧化硅二氧化硅是制造冶金硅的主要原料之一，SiO2的同質(zhì)多晶變體很多，其中最常見的、在地球上分布最廣的是低溫石英，即β-石英，一般稱為石英。而高溫石英(α-石英)則少見，SiO2的高溫變體(鱗石英、方石英等)在自然界少見，而多存在于人造硅酸鹽制品中。石英是分布很廣的礦物。在地殼中石英成分占百分之十二，僅次于長石。純凈的石英又稱為水晶，它是一種堅硬、脆性、難溶的無色透明的固體。第14頁，共25頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)57分，星期五第15頁，共25頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)57分，星期五第16頁，共25頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)57分，星期五1、藥用二氧化硅：主要用作潤滑劑、抗粘劑、助流劑.

2、食品、飲料用二氧化硅：流動助劑、抗結(jié)塊性能。3、橡膠用二氧化硅：消除內(nèi)張力、分層和開裂現(xiàn)象.

4、油漆、涂料用二氧化硅：控制流變、防亮光、抗流掛、抗紫外線、防沉降、提高耐腐蝕性。

5、造紙用二氧化硅：吸墨速度快、白度高、打印圖象清晰、鮮艷。

6、模具用二氧化硅：具有優(yōu)異分散性、相溶性、高透明性、高白度。7、還生產(chǎn)其他二氧化硅用于石油、食用油脫色劑、牙膏研磨劑、皮革專用消光劑等。

二氧化硅的作用第17頁，共25頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)57分，星期五二氧化硅在自然界中的存在形態(tài)石英水晶瑪瑙第18頁，共25頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)57分，星期五2、一氧化硅SiO

硅和二氧化硅的均勻混合物在低壓下加熱到1450K以上，生成揮發(fā)性物質(zhì)一氧化硅。但對一氧化硅的固態(tài)形式是否存在還有爭論，實(shí)驗(yàn)資料表明一氧化硅在1470K以下是熱力學(xué)不穩(wěn)定比，它按等摩爾比生成硅石和硅歧化回來。

第19頁，共25頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)57分，星期五

3、硅的鹵化物

硅的鹵化物都是無色的，常溫下SiF4是氣體，SiCl4和SiBr4是液體，SiI4是固體。硅的鹵化物都是共價化合物，熔點(diǎn)、沸點(diǎn)都比較低，氟化物、氯化物的揮發(fā)性更大，易于用蒸餾的方法提純它們，常被用作制備其它含硅化合物的原料，SiF4是無色而有刺激性氣味的氣體，由于它在水中強(qiáng)烈水解，因而在潮濕的空氣中會發(fā)煙，無水的SiF4很穩(wěn)定。通常制備SiF4是用螢石粉和石英砂的混合物與濃硫酸加熱，常溫下，SiCl4是無色而有刺鼻氣味的液體。分子量169.90，蒸汽壓55.99kPa(37.8℃)。熔點(diǎn)-70℃，沸點(diǎn)57.6℃?？苫烊苡诒?、氯仿、石油醚等多數(shù)有SiCl4易水解，因而在潮濕空氣中與水蒸氣發(fā)生水解作用會產(chǎn)生煙霧，可以吸入、食入、經(jīng)皮吸收，對眼睛及上呼吸道有強(qiáng)烈刺激作用。高濃度可引起角膜混濁，呼吸道炎癥，甚至肺水腫。皮膚接觸后可引起組織壞死。在氯氣氣流內(nèi)加熱硅（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頁，共25頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)57分，星期五4、三氯氫硅三氯氫硅是無色透明液體，熔點(diǎn)-128℃，沸點(diǎn)31.5℃。三氯氫硅由硅粉與氯化氫合成而得?；瘜W(xué)方程式為：Si+3HCl=SiHCl3+H2上述反應(yīng)要加熱到所需溫度才能進(jìn)行，反應(yīng)是放熱反應(yīng)。反應(yīng)除了生成三氯氫硅外，有四氯化硅或SiH2Cl2等氯硅烷以及其他雜質(zhì)氯化物。也可以在高溫高壓下用氫還原四氯硅生成三氯氫硅：SiCl4+H2→SiHCl3+HCl。但該反應(yīng)的一次轉(zhuǎn)化率低。三氯氫硅能在1100-1200℃被氫還原為單質(zhì)硅，其反應(yīng)方程式為：SiHCl3+H2=Si+3HCl第21頁，共25頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)57分，星期五5、硅烷

硅和碳一樣能和氫生成一系列氫化物，但硅與氫不能生成與烯烴、炔烴類似的不飽和化合物，所以硅的氫化物又稱為硅烷。硅烷的通式可以寫作SinH2n+2，硅烷的結(jié)構(gòu)與烷烴相似。迄今為止，已制得的硅烷也只有二十幾種。最重要和最簡單的硅烷是甲硅烷。由于硅和氫不能直接作用生成甲硅烷，我們只能用間接法制備。在所得產(chǎn)物中有不到一半的甲硅烷，其余為高級硅烷和氫氣。80年代美國聯(lián)合碳化物公司成功采用催化劑，使氯硅烷產(chǎn)生歧化反應(yīng)生成甲硅烷：該法大大降低了甲硅烷的制備成本，已進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。甲硅烷是無色、無臭的氣體。熔點(diǎn)-185℃，沸點(diǎn)-111.8℃。硅烷都是共價型化合物，能溶于有機(jī)溶劑。甲硅烷比甲烷的化學(xué)性質(zhì)更活潑。甲烷在常溫下不會與氧氣反應(yīng)，而甲硅烷在空氣中能自燃生成二氧化硅和水甲硅烷有強(qiáng)的還原性，可將高錳酸鉀還原成二氧化錳：甲硅烷對堿十分敏感，溶液有微量的堿便可以引起甲硅烷迅速水解，生成硅酸和氫。甲硅烷的熱穩(wěn)定性差，在高溫下會分解為硅和氫甲硅烷的標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓為正值，反應(yīng)是放熱的。SiH4被大量地用于制高純硅。硅的純度越高，大規(guī)模集成電路的性能就越好。

第22頁，共25頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)57分，星期五1.4太陽能級硅材料發(fā)展前景今后光伏產(chǎn)業(yè)將迅猛增長，對多晶硅的需求將超過電子工業(yè)。光伏產(chǎn)業(yè)是拉動多晶硅生產(chǎn)的主要動力?；Y源日漸匱乏、原油價格持續(xù)上漲促進(jìn)行業(yè)快速增長。根據(jù)“哈伯特峰值”理論，石油開采接近全球產(chǎn)量儲備一半后產(chǎn)量將逐年下降，替代能源開發(fā)成為趨勢；油價高引發(fā)各政府對可再生能源的重視，采用補(bǔ)貼方式致使近年光伏行業(yè)發(fā)展復(fù)合增長率高達(dá)45%以上。光伏市場未來5年復(fù)合增長率至少超過30%。EPIA根據(jù)現(xiàn)有各國政策驅(qū)動，預(yù)計未來國家發(fā)展和改革委員會能源局副處長周篁指出，據(jù)國務(wù)院發(fā)布的可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃顯示，預(yù)計2020年，中國太陽能電池裝機(jī)容量將達(dá)到1800MW。按照生產(chǎn)1兆瓦太陽能電池需要1