90后单身自救联合会创始人兼会长
硅属元素周期表第三周期Ⅳ A 族,原子序数 l4,原子量 28. 085。硅原子的电子排布
为 1s22s22p63s23p2,原子价主要为 4价,其次为 2价,因而硅的化合物有二价化合物和四 价化合物,四价化合物比较稳定。地球上硅的丰度为 25. 8%。硅在自然界的同位素及其所 占的比例分别为:282930Si 为 92. 23%, Si 为 4. 67%, Si 为 3. 10%。硅晶体中原子以共 价键结合,并具有正四面体晶体学特征。在常压下,硅晶体具有金刚石型结构,晶格常数 a=0. 5430nm ,加压至 l5GPa ,则变为面心立方型, a=0. 6636nm 。
硅是最重要的元素半导体, 是电子工业的基础材料, 它的许多重要的物理化学性质, 如表 1. 1 所示。
表 1. 1 硅的物理化学性质 (300K)[4, 6]
①本书中关于分子、原子、离子密度、浓度的单位简写为 cm-3或 cm-2。
1
3硅的性质
硅 无机非金属材料（第一课时）
【教学目的】
1、 掌握硅、二氧化硅的物理性质和化学性质以及粗硅的制法
2、 了解硅、二氧化硅作为无机非金属材料的性质及用途
【教学重点】
硅和二氧化硅的性质
【自主学习】
阅读课本107-109页，完成下列内容
一、 半导体材料和单质硅
1、 硅元素的含量和存在：
2、 硅的物理性质：
3、 硅的化学性质：
（1） 常温下硅的性质稳定，但能与F2、氢氟酸、氢氧化钠溶液反应
（2） 在加热的条件下，硅能与氧气、氯气反应
4、 硅的制取
（1） 原料：
（2） 原理：
该反应中氧化剂是 ，还原剂是
（3） 硅的精制：
5、 硅的主要用途：
二、 二氧化硅和光导纤维
1、二氧化硅的存在和物理性质
（1）存在：
（2）物理性质：
2、二氧化硅的结构：
3、二氧化硅的化学性质
（1）酸性氧化物的性质
（2）二氧化硅和氢氟酸的反应
(3) 二氧化硅的弱氧化性：制粗硅
3、 光导纤维
（1） 概念：
（2） 主要成分：
（3） 用途：
【课堂检测】
1、下列物质中可作为半导体材料的是 （ ）A.Si B.C C.Se D.SiO2
2、下列物质中，可作为制造光导纤维的原料是（ ）A.Si B.SiO2 C.CaCO3 D.Na2SiO3
3、下列关于硅和碳的比较中，正确的是（ ）
A.它们的氧化物都能与水反应生成对应的酸
B.碳和硅在自然界存在形式都是既有游离态又有化合态
C.硅元素在地壳中的含量占第二位，碳占第一位 D.碳和硅的最高正价都是+4价
4、除去氧化铁中混有的少量SiO2，下列说法正确的是 （ ）
A.加足量稀硫酸，过滤 B.加足量NaOH,过滤
C.加足量稀硝酸，过滤 D.加足量焦炭，加热
5、下列各组物质间反应时，不能生成H2的是 （ ）
A.铝片加入氢氧化钠溶液 B.铜片加入热的浓硫酸
C.晶体硅加入氢氟酸溶液 D.锌粒加入稀盐酸
6、实验室保存试剂的方法正确的是 （ ）
A.氢氟酸存放在带橡皮塞的棕色玻璃瓶中
B.氯水存放在配有磨口玻璃塞的棕色玻璃瓶中
C.碳酸钠溶液或氢氧化钙溶液存放在配有磨口玻璃塞的棕色玻璃瓶中
D.氢氧化钠固体盛放在带橡皮塞的棕色玻璃瓶中
7、下列说法正确的是 （ ）
A.硅的化学性质不活泼，但它能与氟气发生反应
B.SiO2是酸性氧化物，它不能与任何酸发生反应
C.Si是一种非金属单质，它与NaOH溶液反应不可能生成氢气 D. SiO2溶于水显酸性
8、在一定条件下，下列物质不能与二氧化硅反应的是 ( )
① 焦炭 ② 纯碱 ③ 碳酸钙 ④ 氢氟酸 ⑤ 浓硝酸 ⑥ 烧碱溶液 ⑦ 氧化钙 ⑧ 氮气
A．③ ⑤ ⑦ ⑧ B．⑤ ⑦ ⑧ C．⑤ ⑧ D．⑤
9、在地壳中，硅的含量居第位。自然界中，只有于 ，所以，晶体硅的熔点和沸点很高，硬度很大。晶体硅是良好的 材料。
二氧化硅是 性氧化物，不溶于水。它能与氢氧化钠溶液发生反应，方程式
是 。这也是不能用玻璃塞试剂瓶盛装碱液的原因。
【课堂收获】
硅的相关性质
硅的相关性质
硅，原子序数14，相对原子质量28.0855。
晶体硅为灰黑色，无定形硅为黑色，密度2.32-2.34克/立方厘米，熔点1410℃，沸点2355℃，晶体硅属于原子晶体。不溶于水、硝酸和盐酸，溶于氢氟酸和碱液。硬而有金属光泽。
原子核外电子排布：1s22s22p ? 3s23p2；
晶胞类型：立方金刚石型；[10] 晶胞参数：20℃下测得其晶胞参数a=0.543087nm；
采用纳米压入法测得单晶硅（100）的E 为140～150GPa ；
电导率：硅的电导率与其温度有很大关系，随着温度升高，电导率增大，在1480℃左右达到最大，而温度超过1600℃后又随温度的升高而减小。
原子属性：
原子量：28.0855u ；[9]
原子核亏损质量：0.1455u ；
原子半径：（计算值）110（111）pm ；[9]
共价半径：111 pm；[9]
范德华半径：210 pm；[9]
外围电子层排布：3s23p2；引
电子在每个能级的排布：2，8，4；
电子层：KLM ；
氧化性（氧化物）：4（两性的）。
硅的性质
硅的性质：
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。
硅的用途：
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。
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，既继承了金属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。
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。
④性能优异的硅有机化合物。例如有机硅塑料是极好的防水涂布材料。在地下铁道四壁喷涂有机硅，可以一劳永逸地解决渗水问题。在古文物、雕塑的外表，涂一层薄薄的有机硅塑料，可以防止青苔滋生，抵挡风吹雨淋和风化。天安门广场上的人民英雄纪念碑，便是经过有机硅塑料处理表面的，因此永远洁白、清新。
发现
1822年，瑞典化学家白则里用金属钾还原四氟化硅，得到了单质硅。
[编辑]
名称由来
源自英文silica ，意为“硅石”。
[编辑]
分布
硅主要以化合物的形式, 作为仅次于氧的最丰富的元素存在于地壳中，约占地表岩石的四分之一，广泛存在于硅酸盐和硅石中。
[编辑]
制备
工业上，通常是在电炉中由碳还原二氧化硅而制得。
化学反应方程式：
SiO2 + 2C → Si + 2CO
这样制得的硅纯度为97~98%，叫做金属硅。再将它融化后重结晶，用酸除去杂质，得到纯度为99.7~99.8%的金属硅。如要将它做成半导体用硅，还要将其转化成易于提纯的液体或气体形式，再经蒸馏、分解过程得到多晶硅。如需得到高纯度的硅，则需要进行进一步的提纯处理。
[编辑]
同位素
已发现的硅的同位素共有12种，包括硅25至硅36，其中只有硅28，硅29，硅30是稳定的，其他同位素都带有放射性。
[编辑]
用途
硅是一种半导体材料，可用于制作半导体器件和集成电路。还可以合金的形式使用(如硅铁合金) ，用于汽车和机械配件。也与陶瓷材料一起用于金属陶瓷中。还可用于制造玻璃、混凝土、砖、耐火材料、硅氧烷、硅烷。
硅的特性 铝 - 硅 - 磷
碳
硅
锗
?
元素周期表
总体特性
名称, 符号, 序号 硅、Si 、14
系列 类金属
族, 周期, 元素分区 14族(IVA), 3, p
密度、硬度 2330 kg/m3、6.5
颜色和外表 深灰色、带蓝色调
地壳含量 25.7%
原子属性
原子量 28.0855 原子量单位
原子半径（计算值） 110（111）pm
共价半径 111 pm
范德华半径 210 pm
价电子排布 [氖]3s23p2
电子在每能级的排布 2，8，4
氧化价（氧化物） 4（两性的）
晶体结构 面心立方
物理属性
物质状态 固态
熔点 1687 K（1414 °C ）
沸点 3173 K（2900 °C ）
摩尔体积 12.06×10-6m3/mol
汽化热 384.22 kJ/mol
熔化热 50.55 kJ/mol
蒸气压 4.77 帕（1683K ）
声速 无数据
其他性质
电负性 1.90（鲍林标度）
比热 700 J/(kg·K)
电导率 2.52×10-4 /(米欧姆)
热导率 148 W/(m·K)
第一电离能 786.5 kJ/mol
第二电离能 1577.1 kJ/mol
第三电离能 3231.6 kJ/mol
第四电离能 4355.5 kJ/mol
第五电离能 16091 kJ/mol
第六电离能 19805 kJ/mol
第七电离能 23780 kJ/mol
第八电离能 29287 kJ/mol
第九电离能 33878 kJ/mol
第十电离能 38726 kJ/mol
最稳定的同位素
同位素 丰度 半衰期 衰变模式 衰变能量 MeV 衰变产物
28Si 92.23 % 稳定
29Si 4.67 % 稳定
30Si 3.1 % 稳定
32Si 人造 276年 β衰变 0.224 32P
核磁公振特性
29Si
核自旋 1/2
硅的性质
[1]晶体硅为灰黑色，无定形硅为黑色，密度2.32-2.34克／立方厘米，熔点1410?，沸点2355?，晶体硅属于原子晶体，硬而有金属光泽，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，用于制造合金如硅铁、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。硅在自然界分布极广，地壳中约含27.6％，含量仅次于氧，居第二位。
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。
硅的用途：
?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。
?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，既继承了金属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摩擦产生的高温，全靠它那三万一千块硅瓦拼砌成的外壳。
?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。
?性能优异的硅有机化合物。例如有机硅塑料是极好的防水涂布材料。在地下铁
道四壁喷涂有机硅，可以一劳永逸地解决渗水问题。在古文物、雕塑的外表，涂一层
薄薄的有机硅塑料，可以防止青苔滋生，抵挡风吹雨淋和风化。天安门广场上的人民
英雄纪念碑，便是经过有机硅塑料处理表面的，因此永远洁白、清新。
有机硅化合物，是指含有Si-O键、且至少有一个有机基是直接与硅原子相连的
化合物，习惯上也常把那些通过氧、硫、氮等使有机基与硅原子相连接的化合物也当
作有机硅化合物。其中，以硅氧键（-Si-0-Si-）为骨架组成的聚硅氧烷，是有机硅化合物中为数最多，研究最深、应用最广的一类，约占总用量的90%以上。
有机硅材料具有独特的结构：
（1） Si原子上充足的甲基将高能量的聚硅氧烷主链屏蔽起来；
（2） C-H无极性，使分子间相互作用力十分微弱；
（3） Si-O键长较长，Si-O-Si键键角大。
（4） Si-O键是具有50％离子键特征的共价键（共价键具有方向性，离子键无
方向性）。
由于有机硅独特的结构，兼备了无机材料与有机材料的性能，具有表面张力低、
粘温系数小、压缩性高、气体渗透性高等基本性质，并具有耐高低温、电气绝缘、耐
氧化稳定性、耐候性、难燃、憎水、耐腐蚀、无毒无味以及生理惰性等优异特性，广
泛应用于航空航天、电子电气、建筑、运输、化工、纺织、食品、轻工、医疗等行业，
其中有机硅主要应用于密封、粘合、润滑、涂层、表面活性、脱模、消泡、抑泡、防
水、防潮、惰性填充等。随着有机硅数量和品种的持续增长，应用领域不断拓宽，形
成化工新材料界独树一帜的重要产品体系，许多品种是其他化学品无法替代而又必不
可少的。
有机硅材料按其形态的不同，可分为：硅烷偶联剂（有机硅化学试剂）、硅油（硅
脂、硅乳液、硅表面活性剂）、高温硫化硅橡胶、液体硅橡胶、硅树脂、复合物等。
发现
1822年，瑞典化学家贝采里乌斯用金属钾还原四氟化硅，得到了单质硅。
名称由来
源自英文silica，意为“硅石”。
分布
硅主要以化合物的形式,作为仅次于氧的最丰富的元素存在于地壳中，约占地表
岩石的四分之一，广泛存在于硅酸盐和硅石中。
制备
工业上，通常是在电炉中由碳还原二氧化硅而制得。
化学反应方程式：
SiO2 + 2C = Si + 2CO?（高温）
这样制得的硅纯度为97~98%，叫做金属硅。再将它融化后重结晶，用酸除去杂
质，得到纯度约为99.7~99.8%的金属硅。如要将它做成半导体用硅，还要将其转化
成易于提纯的液体或气体形式，再经蒸馏、分解过程得到多晶硅。如需得到高纯度的
硅，则需要进行进一步的提纯处理。
同位素
已发现的硅的同位素共有12种，包括硅25至硅36，其中只有硅28，硅29，
硅30是稳定的，其他同位素都带有放射性。
用途
硅是一种半导体材料，可用于制作半导体器件和集成电路。还可以合金的形式使
用(如硅铁合金)，用于汽车和机械配件。也与陶瓷材料一起用于金属陶瓷中。还可用
于制造玻璃、混凝土、砖、耐火材料、硅氧烷、硅烷。
元素周期表
总体特性
名称 符号 序号 系列 族 周期 元素分区 密度 硬度 颜色和外表 地壳含量
硅 Si 14 类金属 14族(IVA) 3 p 2330千克/立方米 6.5 深灰色、带蓝色调 25.7%
原子属性
原子量 原子半径 共价半径 范德华半径 价电子排布 电子在每能级的排布 氧化价（氧化物） 晶体结构
28.0855u （计算值)110（111)pm 111pm 210pm [Ne]3s23p2 2，8， 4 4（两性的） 金刚石晶格
物理属性
物质状态 熔点 沸点 摩尔体积 汽化热 熔化热 蒸气压 声速
固态 1687 K（1414 ?C） 3173 K（2900 ?C） 12.06×10-6m3/mol 384.22
kJ/mol 50.55 kJ/mol 4.77 帕（1683K） 无数据
其他性质
电负性 比热 电导率 热导率 第一电离能 第二电离能 第三电离能 第四电离能
1.90（鲍林标度） 700 J/(kg?K) 2.52×10-4 /(米欧姆) 148 W/(m?K) 786.5 kJ/mol 1577.1 kJ/mol 3231.6 kJ/mol 4355.5kJ/mol
第五电离能 第六电离能 第七电离能 第八电离能 第九电离能 第十电离能
16091 kJ/mol 1 9805 kJ/mol 23780 kJ/mol 29287 kJ/mol 3 3878 kJ/mol 38726 kJ/mol
介电常数：11.9
最稳定的同位素
同位素 丰度 半衰期 衰变模式 衰变能量(MeV) 衰变产物
28Si 92.23% 稳定
29Si 4.67% 稳定
30Si 3.10% 稳定
32Si 人造 276年 β衰变 0.224 32P
29Si
核自旋 1/2
元素名称：硅
元素原子量：28.09
元素类型：非金属
发现人：贝采利乌斯 发现年代：1823年
发现过程：
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。
元素描述：
由无定型和晶体两种同素异形体。具有明显的金属光泽，呈灰色，密度2.32-2.
34克/厘米3，熔点1410?，沸点2355?，具有金刚石的晶体结构，电离能8.151
电子伏特。加热下能同单质的卤素、氮、碳等非金属作用，也能同某些金属如Mg、
Ca、Fe、Pt等作用。生成硅化物。不溶于一般无机酸中，可溶于碱溶液中，并有氢
气放出，形成相应的碱金属硅酸盐溶液，于赤热温度下，与水蒸气能发生作用。硅在
自然界分布很广，在地壳中的原子百分含量为16.7%。是组成岩石矿物的一个基本元素，以石英砂和硅酸盐出现。
元素来源：
用镁还原二氧化硅可得无定形硅。用碳在电炉中还原二氧化硅可得晶体硅。电子
工业中用的高纯硅则是用氢气还原三氯氢硅或四氯化硅而制得。
元素用途：
用于制造高硅铸铁、硅钢等合金，有机硅化合物和四氯化硅等，是一种重要的半
导体材料，掺有微量杂质得硅单晶可用来制造大功率的晶体管，整流器和太阳能电池
等。
元素辅助资料：
硅在地壳中的含量是除氧外最多的元素。如果说碳是组成一切有机生命的基础，
那么硅对于地壳来说，占有同样的位置，因为地壳的主要部分都是由含硅的岩石层构
成的。这些岩石几乎全部是由硅石和各种硅酸盐组成。
长石、云母、黏土、橄榄石、角闪石等等都是硅酸盐类；水晶、玛瑙、碧石、蛋
白石、石英、砂子以及燧石等等都是硅石。但是，硅与氧、碳不同，在自然界中没有
单质状态存在。这就注定它的发现比碳和氧晚。
拉瓦锡曾把硅土当成不可分割的物质——元素。
1823年，贝齐里乌斯将氟硅酸钾（K2SiF6）与过量金属钾共热制得无定形硅。尽管之前也有不少科学家也制得过无定形硅，但直到贝齐里乌斯将制得的硅在氧气中
燃烧，生成二氧化硅——硅土，硅才被确定为一种元素。硅被命名为silicium，元素
符号是Si。
硅是一种半导体材料，可用于制作半导体器件和集成电路。还可以合金的形式使
用(如硅铁合金)，用于汽车和机械配件。也与陶瓷材料一起用于金属陶瓷中。还可用
于制造玻璃、混凝土、砖、耐火材料、硅氧烷、硅烷。
造房子用的砖、瓦、砂石、水泥、玻璃，吃饭，喝水用的瓷碗、水杯，洗脸间的
洁具，它们看上去截然不同，其实主要成分都是硅的化合物。虽然人们早在远古时代
便使用硅的化合物粘土制造陶器。但直到1823年，瑞典化学家贝采利乌斯才首次分离出硅元素，并将硅在氧气中燃烧生成二氧化硅，确定硅为一种元素。中国曾称它为
矽，因矽和锡同音，难于分辨，故于1953年将矽改称为硅。硅是一种非金属元素，化学符号是Si。它是构成矿物与岩石的主要元素。在自然界硅无游离状态，都存在于
化合物中。硅的化合物主要是二氧化硅（硅石）和硅酸盐。例如，花岗岩是由石英、
长石、云母混合组成的，石英即是二氧化硅的一种形式，长石和云母是硅酸盐。砂子
和砂岩是不纯硅石的变体，是天然硅酸盐岩石风化后的产物。硅约占地壳总重量的2
7.72％，其丰度仅次于氧。
硅是非金属元素，有无定形和晶体两种同素异形体，晶体硅具有金属光泽和某些
金属特性，因此常被称为准金属元素。硅是一种重要的半导体材料，掺微量杂质的硅
单晶可用来制造大功率晶体管、整流器和太阳能电池等。二氧化硅（硅石）是最普遍
的化合物，在自然界中分布极广，构成各种矿物和岩石。最重要的晶体硅石是石英。
大而透明的石英晶体叫水晶，黑色几乎不透明的石英晶体叫墨晶。石英的硬度为7。
石英玻璃能透过紫外线，可以用来制造汞蒸气紫外光灯和光学仪器。自然界中还有无
定形的硅，叫做硅藻土，常用作甘油炸药（硝化甘油）的吸附体，也可作绝热、隔音
材料。普通的砂子是制造玻璃、陶瓷、水泥和耐火材料等的原料。硅酸干燥脱水后的
产物为硅胶，它有很强的吸附能力，能吸收各种气体，因此常用来作吸附剂、干燥剂
和部分催化剂的载体
这就是硅。
[]
饲料中缺少硅可使动物生长迟缓。动物试验结果显示，喂饲致动脉硬化饮料的同
时补充硅，有利于保护动物的主动脉的结构。另外，已确定血管壁中硅含量与人和动
物粥样硬化程度呈反比。在心血管疾病长期发病率相差两部的人群中，其饮用水中硅
的含量也相差约两倍，饮用水硅含量高的人群患病较少。并且他已知的危险因素都不
能充分解释这种不同
常用方程式
Si + 2OH- + H2O == SiO32- + 2H2?
SiO2 + 2OH- == SiO32- + H2O
SiO32- + 2NH4+ + H2O == H4SiO4? + 2NH3?
SiO32- + CO2 + 2H2O == H4SiO4?+ CO32-
SiO32- + 2H+ + H2O == H4SiO4?
3SiO32- + 2Fe3+ == Fe2(SiO3)3?
3SiO32- + 2Al3+ == Al2(SiO3)3?
