王者“硅”來

張凱強　　　王++秋

摘要：硅及其化合物對人類的牛活、牛產(chǎn)和經(jīng)濟發(fā)展有著非常重要的影響。在高中化學課程中，硅及其化合物是元素化學的重要內(nèi)容。為了能給中學教師在選擇與組織教學素材時提供一些借鑒，結(jié)合實例介紹了硅單質(zhì)以及二氧化硅、硅酸鹽、有機硅等硅的化合物在生活和生產(chǎn)中的重要應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：硅元素；硅單質(zhì)；硅化合物；知識介紹

文章編號：1005 - 6629（2015）5 - 0089 - 04

中圖分類號：G633.8

文獻標識碼：B

作為僅次于氧的元素，硅廣泛存在于自然界中。作為無機非金屬材料的主角，硅對人類的生活、生產(chǎn)和經(jīng)濟發(fā)展有著重要的影響。在高中化學課程中，硅及其化合物是元素化學的重要內(nèi)容之一，要求學生了解其主要性質(zhì)，認識其在信息技術(shù)、材料科學等領(lǐng)域的應(yīng)用，是學生認識物質(zhì)世界與感受化學魅力的重要窗口。關(guān)于硅和硅酸鹽的知識在人教版高中化學教材中的出處和教學目標如表1所示：

由表1可知，硅及其化合物的知識在高中化學教學中起著非常重要的作用。但是在實際教學中，教師往往因這類知識內(nèi)容相對簡單、不是考試的重點等原因，疏于對相關(guān)教學素材特別是教材之外素材的組織與利用，也就不能充分挖掘這一內(nèi)容的教育價值。在這部分知識的教學中，教師應(yīng)該融合科學素養(yǎng)和人文素養(yǎng)的熏陶，讓學生真切感受到硅世界的神奇。本文結(jié)合實例介紹了硅及其化合物的重要應(yīng)用，希望能為教師合理選擇與組織教學素材提供借鑒。

自人類文明伊始，天然的硅酸鹽就為人類所熟知和利用，是人類生活中不可缺少的物質(zhì)。早期人類利用天然的硅酸鹽石塊做成最初的勞動、狩獵工具以及對付猛獸的武器，利用燧石（一種白生的硅質(zhì)礦物）作為點火的工具。隨著科技的發(fā)展，人們對硅酸鹽進一步加工，制成了陶瓷和玻璃，在人類的發(fā)展史上開辟出了新紀元。

傳統(tǒng)意義上對硅及其化合物的利用大多是直接取材于白然界，是對自然界資源的簡單加工利用。進入21世紀以來，伴隨著科學技術(shù)，特別是材料科學及其實驗技術(shù)的發(fā)展，硅元素及其化合物以其獨特的結(jié)構(gòu)和理化特性在信息、材料、能源、生命科學等領(lǐng)域的重要作用益發(fā)凸顯。如今，硅及其化合物已經(jīng)影響到了我們生活的方方面面，在人類文明史上寫下輝煌篇章的硅義一次展現(xiàn)出了青春的風彩。

1 硅單質(zhì)

硅單質(zhì)分為晶體硅和無定形硅兩種。其中，晶體硅的導電性介于導體和半導體之間，是良好的半導體材料。這一性質(zhì)也決定了硅在科技方面的重要應(yīng)用。

在半導體方面，硅材料是當今產(chǎn)量最大、應(yīng)用最廣的半導體材料，是集成電路產(chǎn)業(yè)和光伏產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)。主要有以下原因：在成本方面，硅在自然界中廣泛存在且容易開采；在電路原理方面，晶體硅中易摻雜其他物質(zhì)，能制造出質(zhì)量較高的晶體管；在工藝方面，硅晶體更容易實施氧化、光刻等工藝，更方便集成，性能也更容易得到控制。

20世紀中葉，人類發(fā)明了半導體單晶硅材料和半導體晶體管，直接導致了電子工業(yè)的革命。半導體集成材料不僅改變了人類的生活方式，而且對當時世界的政治、經(jīng)濟等格局有重要影響。

太陽能電池是人類利用太陽能的有效途徑之一，而晶體硅良好的半導體特性決定了硅系太陽能電池在太陽能電池中的主導地位。

硅系太陽能電池的原理主要利用了硅半導體材料的光電效應(yīng)。硅的分子結(jié)構(gòu)排布如圖1所示，圖中正電荷表示硅原子，負電荷表示圍繞在硅原子旁邊的四個電子。當硅晶體中摻人其他雜質(zhì)時，晶體就會有相應(yīng)的變化。

當摻人硼時，由于硼最外層只有三個電子，硅晶體中就會形成一個空穴，這個空穴因為沒有電子而變得很不穩(wěn)定，容易吸收電子而中和，形成P（ positive）型半導體。

當摻入磷時，因為磷原子有五個電子，就會有一個電子變得非?；钴S，形成N （negative）型半導體。

當P型和N型半導體結(jié)合在一起時，在兩種半導體的交界面區(qū)域里會形成一個特殊的薄層。由于P型半導體多空穴，N型半導體多白由電子，兩邊的電子出現(xiàn)濃度差時，就會導致界面的P型一側(cè)帶負電，N型一側(cè)帶正電。這時N區(qū)的電子會擴散到P區(qū)，P區(qū)的空穴會擴散到N區(qū)，一旦擴散就形成了_一個由N指向P的“內(nèi)電場”，從而阻止擴散進行。達到平衡后，這樣一個特殊的薄層就會形成電勢差，從而形成PN結(jié)（如圖2）。當品片受光后，PN結(jié)中N型半導體的空穴往P區(qū)移動，而P區(qū)中的電子往N區(qū)移動，從而形成從N區(qū)到P區(qū)的電流。然后在PN結(jié)中形成電勢差，這就形成了電源。

單晶硅太陽能電池和多晶硅太陽能電池由于其轉(zhuǎn)換效率高、壽命長、成本低、原料豐富等特點已經(jīng)成為目前最理想的太陽能電池。據(jù)調(diào)查，在2010年的光伏組件市場中，晶硅電池組件可以達到總量的85%—90%。據(jù)歐洲光伏協(xié)會（EPIA）預測：至少在2020年以前，晶硅光伏組件將仍然占據(jù)光伏技術(shù)的統(tǒng)治地位。因此晶硅電池仍將是未來光伏市場的主流產(chǎn)品[1]。

另外，硅系太陽能電池在宇宙探索等方面也有重要運用。目前光電池仍然被用作人造衛(wèi)星、登月車、火星探測器等的動力，是在太空中提供能源的主要設(shè)備。

2 二氧化硅

二氧化硅是原子晶體，在其晶體中，硅原子的4個價電子與4個氧原子分別形成共價鍵，硅原子位于正四面體的中心，氧原子則位于其4個頂角上（如圖3）。二氧化硅的這種結(jié)構(gòu)決定了其性質(zhì)和用途，用二氧化硅原料制作的玻璃和儀器耐高溫、耐腐蝕且能經(jīng)受住溫度的劇變。

二氧化硅是制造石英玻璃、光導纖維和耐火實驗儀器的原料，是科學研究的重要材料。

在通信技術(shù)領(lǐng)域，以晶體二氧化硅為主材料的光導纖維能將光的明暗變化等信號從一端傳送到另一端。前香港中文大學校長高錕于1965年在一篇論文中提出以石英基玻璃纖維作長程信息傳遞，將帶來一場通訊業(yè)的革命。隨后，在70年代初，康寧公司最先發(fā)明并制造出世界第一根可用于光通信的光導纖維。隨著人類的不斷實踐，光導纖維技術(shù)得到了迅速的發(fā)展并逐步形成了高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，促使人類進入了信息時代[2]。高錕也因此被國際公認為“光纖之父”，并也因此獲得了2009年諾貝爾物理學獎。

除了通信技術(shù)領(lǐng)域外，光導纖維還廣泛應(yīng)用于醫(yī)學、照明、軍事等其他領(lǐng)域。在醫(yī)學領(lǐng)域中，光導纖維可以用于食道、膀胱、胃等深部探查內(nèi)窺鏡的光學組件。在照明和光能傳送領(lǐng)域，光導纖維可以用于不宜架設(shè)電線和電氣照明的地方作為安全光源。

3 硅酸鹽

硅酸鹽是硅、氧與其他元素結(jié)合而成的化合物的總稱，其在自然界中分布非常廣泛，是構(gòu)成巖石和土壤的主要成分。大多數(shù)硅酸鹽化學性質(zhì)穩(wěn)定且難溶于水。

從古到今，人類創(chuàng)造性地生產(chǎn)出了幾大類硅酸鹽產(chǎn)品一一陶瓷、玻璃、水泥等，它們是使用量最大的無機非金屬材料[3]。

近年來，隨著材料科學的迅速發(fā)展，人們又為硅酸鹽產(chǎn)品找到了新的用途——燒制新型陶瓷。

新型陶瓷主要采用高純度的無機化合物作為燒結(jié)原料，是新型材料的一種。它們的性能比傳統(tǒng)陶瓷更加優(yōu)良，一般都具有很高的硬度和強度，而且在熱、光、聲、電、化學、生物等方面具有卓越的功能。

金屬陶瓷就是一種非常典型的新型陶瓷，它是由陶瓷硬質(zhì)相與金屬或合金粘結(jié)相組成的非均質(zhì)復合材料。金屬陶瓷兼具陶瓷和金屬的優(yōu)點，既有陶瓷的耐磨損、耐高溫、抗氧化等特性，又有較好的金屬韌性和可塑性。如今，金屬陶瓷已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于耐高溫材料、陶瓷涂料、膜材料等領(lǐng)域。

碳化硅陶瓷也是一種重要的新型陶瓷，其化學結(jié)構(gòu)和金剛石類似，具有化學性能穩(wěn)定、硬度高、導熱系數(shù)高、熱膨脹系數(shù)小、耐磨性能好等優(yōu)點。其用途主要體現(xiàn)在民用和軍用兩個方面。在工業(yè)上，由于其硬度高、耐磨性好，可制備成各類磨料，如磨削用的砂輪、砂布、砂紙等[4]。在軍事方面，由于碳化硅具有密度小、硬度高、彈性模量高、成本低的特點，常用于制備防彈防刺衣、裝甲車等設(shè)備。

此外，新型陶瓷在生物、醫(yī)療方面也有重要的作用。例如：用新型陶瓷做的假牙，外觀逼真，色澤穩(wěn)定，耐磨性強，不會變形。這種假牙無論是在外觀上還是使用功能上，都能與真牙相媲美。

4 有機硅化合物

有機硅化合物是各種含硅高分子化合物的總稱，一般指聚硅氧烷。它具有（-Si-O-Si-）主鏈，義有有機基團側(cè)鏈，是一種典型的半無機高分子材料。這種物質(zhì)的主鏈中含有“無機結(jié)構(gòu)”而側(cè)鏈中含有“有機基團”，因此它既有高分子材料易加工的特點，又有無機物的無毒、無污染、使用壽命長、耐高低溫等優(yōu)點。

有機硅義被稱作“工業(yè)味精”，應(yīng)用十分廣泛。有機硅下游行業(yè)市場前景廣闊，其產(chǎn)品廣泛運用于電子、電氣、建筑、化工、紡織、輕工、醫(yī)療等行業(yè)，并且隨著有機硅產(chǎn)品數(shù)量和品種的持續(xù)增長，其應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷拓寬。

在紡織工業(yè)中用到的很多產(chǎn)品如表面活性劑、防粘劑、消泡劑等都含有大量的有機硅化合物。例如：在染色過程中，漿液中經(jīng)常產(chǎn)生泡沫，泡沫的存在造成紗線的上漿不均勻，出出的布料達不到要求。這時，就需要消泡劑進行消泡作用，除掉漿液中的泡沫。目前市場上采用的大部分是成本低、質(zhì)量好、應(yīng)用范圍廣的有機硅類消泡劑。這類消泡劑現(xiàn)在已經(jīng)成功取代傳統(tǒng)消泡劑，成為紡織工業(yè)最重要的產(chǎn)品之一。

在醫(yī)療領(lǐng)域中，有機硅同樣因其獨有的特性而備受關(guān)注。有機硅材料因其種類繁多，生物兼容性良好而成為醫(yī)療器械的主要材料。有機硅材料既可以作為長期的代用器官長埋于人體內(nèi)，義可以作為短期醫(yī)療器械作用于人體。例如：用硅橡膠制作的輸液管輸送各種液體藥物進入人體，其特性明顯優(yōu)于其他材料。近年來，有機硅材料甚至被應(yīng)用于某些精密的醫(yī)療設(shè)備中，例如心肺導管、蠕動泵管等[5]。

在藥物合成方面，用硅取代藥物中的碳以后往往使得藥物具有更強的效果和更低的人體傷害性。人T合成現(xiàn)有藥物的含硅類似物（“硅替代”）是合成和改造藥物的重要途徑之一[6]。

硅及其化合物不但應(yīng)用廣泛，而且在多個領(lǐng)域都有良好的發(fā)展前景。在信息技術(shù)方面，硅作為地球上最豐富的元素半導體，性質(zhì)優(yōu)越而工藝技術(shù)成熟，已經(jīng)成為固態(tài)電子器件的主要原料。而無定形硅和多品硅太陽能電池的成功將大大增加硅材料的市場需求量。在材料科學方面，有機硅和無機硅產(chǎn)品作為基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)和高新技術(shù)領(lǐng)域中重要的結(jié)構(gòu)和功能材料，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空航天工業(yè)、電氣工業(yè)以及醫(yī)療、生物等領(lǐng)域。在植物生長中，硅元素被科學家稱為植物生長的第四大營養(yǎng)元素。施加硅肥可以使植物的莖葉挺直，果實勻稱，產(chǎn)量增加。鑒于硅對農(nóng)作物生長的神奇效果，在未來的一段時間內(nèi)，硅肥的生產(chǎn)和應(yīng)用必然會有大規(guī)模的發(fā)展。

我們有理由相信，隨著科學發(fā)展和技術(shù)進步，硅及其化合物將更好地服務(wù)于人類，人類生活的許多方面會因硅而改變。

參考文獻：

[1]周濤，陸曉東，張明.晶硅太陽能電池發(fā)展狀況及趨勢[J].激光與光電子學進展，2013，（3）：1～11

[2]王占國.半導體材料研究的新進展[J].半導體技術(shù)，2002，（3）：8～12，14

[3]宋心琦主編.普通高中課程標準實驗教科書·化學1（必修）[M].北京：人民教育出版社，2007： 78

[4]李纓，黃鳳萍，梁振海.碳化硅陶瓷的性能與應(yīng)用[J]陶瓷，2007，（5）：36～41

[5]倪克釩，王益鋒，武玉斌.有機硅橡膠在醫(yī)療領(lǐng)域中的應(yīng)用[J].中國醫(yī)療器械信息，2008，（8）：1～3，25

[6]吳虹.有機硅化合物的生物合成與轉(zhuǎn)化研究進展[J]生物加工過程，2005，（8）：18～23