单质硅的性质、用途和制备
实验室k / 2019-03-07
硅也有无定形和晶形两类同素异性体，前者为灰黑色粉末，后者为银灰色、有金属光泽的晶体；能导电，但导电率不及金属，且随温度的升高而增加。硅在化学性质方面主要表现为非金属性。象这类性质介于金属和非金属之间的元素称为“准金属”或“类金属”或“半金属”。准金属是制半导体的材料。
高纯Si和Ge被广泛用于电子工业，它们都是重要的半导体材料，在其晶体中，价电子能带和导带之间的禁带比较狭窄（绝缘体的能量间隙Eg≥5eV，半导体的Eg≤3eV），电子受热即可激发到未被填充的高能带，于是低能带出现“空穴”），电子可在其间自由流动，两个能带都成为导带。其导电性随温度的升高而增加，因为温度愈高，电子愈容易被激发越过禁带。金属导体则相反，温度升高，金属离子的振动加剧，妨碍了电子的流动，从而使导电性下降。
在纯Si或Ge中入杂质，将极大地影响其导电性。如果接入少量ⅤA族元素（P、As、Sb、Bi），由于这些杂原子在Si、Ge中成键只需要4个价电子，因而多了1个电子，这个额外电子在晶体中流动使导电性增加，这类掺杂半导体称为n型半导体（n表示负电荷negative），倘若在Si、Ge中接入ⅢA族元素（B、Al、Ga、In），则晶体中比成键所要求的价电子数少一个电子，留下了一个带正电荷的“空穴”，价电子能带中的电子很容易激发到“空穴”的能级中去，所以导电性也增加。这类掺杂半导体称为p型半导体（p表示正电荷positive）。掺杂实际上起的作用是缩小了禁带宽度，即价电子能带与导带之间的能量间隙由于电子的释放或“空穴”的产生而减小了。例如Si的Eg＝1．1eV，在Si中掺入P原子以后，激发一个电子至导带的能量约为0．044eV。掺Al以后，激发一个“空穴”至价电子能带的能量只有0．057eV。太阳能电池将n型和p型半导体结合在一起，就可将辐射能转变为电能。非晶态硅薄膜半导体是国际上近几年研制成功的，主要用于太阳能光电转换和信息技术方面，在开发能源方面它是一种很有前途的材料。
晶态硅具有金刚石那样的结构，所以它硬而脆（硬度为7．0）、熔点高，在常温下化学性质不活泼。无定形硅比晶态硅活泼。其主要化学性质如下：
（1）与非金属作用
Si在常温下只能与F2反应，生成SiF4（Si—F键的键能比Si—Si，Si—O，Si—H的都大得多）。但在高温下能与其它卤素和一些非金属单质反应。在673K与Cl2反应，得到SiCl4；在873K与O2反应生成SiO2；1573K与N2反应得到Si3N4，2273K时与碳生成SiC。
（2）与酸作用
Si在含氧酸中被钝化。在有氧化剂（HNO3、CrO3、KMnO4、H2O2等）存在的条件下，与HF酸反应。
Si（s）＋4HF（aq）＝（加热）SiF4（g）＋2H2（g） △G°＝－327．9kJ·mol-1
若氧化剂为HNO3，则反应为：
3Si＋4HNO3＋18HF＝3H2SiF6＋4NO＋8H2O △G°＝－2133kJ·mol-1
（3）与碱作用
无定形Si能猛烈地与强碱反应，放出H2。
Si＋2NaOH＋H2O＝Na2SiO3＋2H2↑
（4）与金属作用
Si能与某些金属生成硅化物（详细内容在其它文章介绍）。
制Si的方法很多。工业上用焦炭在电炉中将石英砂还原得到粗Si：
SiO2＋2C＝（3273K）Si＋2CO↑
粗Si可通过下列反应转变为纯Si：
Si（粗）＋2Cl2（g）＝（723－773K）SiCl4（l）
SiCl4＋2H2（电炉 Mo丝）＝Si（纯）＋4HCl↑
或 Si（粗）＋3HCl（g） ⇋（523~573K）SiHCl3（l）＋H2↑
用精馏方法将SiCl4和SiHCl3提纯后再用H2还原。
制高纯Si还有许多其它的方法。将硅烷加热分解是近代用得较多的一种方法。
Si光电池用于宇宙飞船，可将光能转变为电能。冶金工业上大量使用硅铁合金。它是在电炉中用碳将氧化铁和二氧化硅同时还原得到的。硅铁用作炼钢的脱氧剂。含硅量较高的硅钢可以抗化学腐蚀，用于制某些化工设备。硅钢片（俗称矽钢片）则是制发电机和变压器不可缺少的材料。
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