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标题 王者“硅”来
范文 张凯强　　　王++秋






摘要：硅及其化合物对人类的牛活、牛产和经济发展有着非常重要的影响。在高中化学课程中，硅及其化合物是元素化学的重要内容。为了能给中学教师在选择与组织教学素材时提供一些借鉴，结合实例介绍了硅单质以及二氧化硅、硅酸盐、有机硅等硅的化合物在生活和生产中的重要应用。
关键词：硅元素；硅单质；硅化合物；知识介绍
文章编号：1005 - 6629（2015）5 - 0089 - 04
中图分类号：G633.8
文献标识码：B
作为仅次于氧的元素，硅广泛存在于自然界中。作为无机非金属材料的主角，硅对人类的生活、生产和经济发展有着重要的影响。在高中化学课程中，硅及其化合物是元素化学的重要内容之一，要求学生了解其主要性质，认识其在信息技术、材料科学等领域的应用，是学生认识物质世界与感受化学魅力的重要窗口。关于硅和硅酸盐的知识在人教版高中化学教材中的出处和教学目标如表1所示：
由表1可知，硅及其化合物的知识在高中化学教学中起着非常重要的作用。但是在实际教学中，教师往往因这类知识内容相对简单、不是考试的重点等原因，疏于对相关教学素材特别是教材之外素材的组织与利用，也就不能充分挖掘这一内容的教育价值。在这部分知识的教学中，教师应该融合科学素养和人文素养的熏陶，让学生真切感受到硅世界的神奇。本文结合实例介绍了硅及其化合物的重要应用，希望能为教师合理选择与组织教学素材提供借鉴。
自人类文明伊始，天然的硅酸盐就为人类所熟知和利用，是人类生活中不可缺少的物质。早期人类利用天然的硅酸盐石块做成最初的劳动、狩猎工具以及对付猛兽的武器，利用燧石（一种白生的硅质矿物）作为点火的工具。随着科技的发展，人们对硅酸盐进一步加工，制成了陶瓷和玻璃，在人类的发展史上开辟出了新纪元。
传统意义上对硅及其化合物的利用大多是直接取材于白然界，是对自然界资源的简单加工利用。进入21世纪以来，伴随着科学技术，特别是材料科学及其实验技术的发展，硅元素及其化合物以其独特的结构和理化特性在信息、材料、能源、生命科学等领域的重要作用益发凸显。如今，硅及其化合物已经影响到了我们生活的方方面面，在人类文明史上写下辉煌篇章的硅义一次展现出了青春的风彩。
1 硅单质
硅单质分为晶体硅和无定形硅两种。其中，晶体硅的导电性介于导体和半导体之间，是良好的半导体材料。这一性质也决定了硅在科技方面的重要应用。
在半导体方面，硅材料是当今产量最大、应用最广的半导体材料，是集成电路产业和光伏产业的基础。主要有以下原因：在成本方面，硅在自然界中广泛存在且容易开采；在电路原理方面，晶体硅中易掺杂其他物质，能制造出质量较高的晶体管；在工艺方面，硅晶体更容易实施氧化、光刻等工艺，更方便集成，性能也更容易得到控制。
20世纪中叶，人类发明了半导体单晶硅材料和半导体晶体管，直接导致了电子工业的革命。半导体集成材料不仅改变了人类的生活方式，而且对当时世界的政治、经济等格局有重要影响。
太阳能电池是人类利用太阳能的有效途径之一，而晶体硅良好的半导体特性决定了硅系太阳能电池在太阳能电池中的主导地位。
硅系太阳能电池的原理主要利用了硅半导体材料的光电效应。硅的分子结构排布如图1所示，图中正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子。当硅晶体中掺人其他杂质时，晶体就会有相应的变化。
当掺人硼时，由于硼最外层只有三个电子，硅晶体中就会形成一个空穴，这个空穴因为没有电子而变得很不稳定，容易吸收电子而中和，形成P（ positive）型半导体。
当掺入磷时，因为磷原子有五个电子，就会有一个电子变得非常活跃，形成N （negative）型半导体。
当P型和N型半导体结合在一起时，在两种半导体的交界面区域里会形成一个特殊的薄层。由于P型半导体多空穴，N型半导体多白由电子，两边的电子出现浓度差时，就会导致界面的P型一侧带负电，N型一侧带正电。这时N区的电子会扩散到P区，P区的空穴会扩散到N区，一旦扩散就形成了_一个由N指向P的“内电场”，从而阻止扩散进行。达到平衡后，这样一个特殊的薄层就会形成电势差，从而形成PN结（如图2）。当品片受光后，PN结中N型半导体的空穴往P区移动，而P区中的电子往N区移动，从而形成从N区到P区的电流。然后在PN结中形成电势差，这就形成了电源。
单晶硅太阳能电池和多晶硅太阳能电池由于其转换效率高、寿命长、成本低、原料丰富等特点已经成为目前最理想的太阳能电池。据调查，在2010年的光伏组件市场中，晶硅电池组件可以达到总量的85%—90%。据欧洲光伏协会（EPIA）预测：至少在2020年以前，晶硅光伏组件将仍然占据光伏技术的统治地位。因此晶硅电池仍将是未来光伏市场的主流产品[1]。
另外，硅系太阳能电池在宇宙探索等方面也有重要运用。目前光电池仍然被用作人造卫星、登月车、火星探测器等的动力，是在太空中提供能源的主要设备。
2 二氧化硅
二氧化硅是原子晶体，在其晶体中，硅原子的4个价电子与4个氧原子分别形成共价键，硅原子位于正四面体的中心，氧原子则位于其4个顶角上（如图3）。二氧化硅的这种结构决定了其性质和用途，用二氧化硅原料制作的玻璃和仪器耐高温、耐腐蚀且能经受住温度的剧变。
二氧化硅是制造石英玻璃、光导纤维和耐火实验仪器的原料，是科学研究的重要材料。
在通信技术领域，以晶体二氧化硅为主材料的光导纤维能将光的明暗变化等信号从一端传送到另一端。前香港中文大学校长高锟于1965年在一篇论文中提出以石英基玻璃纤维作长程信息传递，将带来一场通讯业的革命。随后，在70年代初，康宁公司最先发明并制造出世界第一根可用于光通信的光导纤维。随着人类的不断实践，光导纤维技术得到了迅速的发展并逐步形成了高新技术产业，促使人类进入了信息时代[2]。高锟也因此被国际公认为“光纤之父”，并也因此获得了2009年诺贝尔物理学奖。
除了通信技术领域外，光导纤维还广泛应用于医学、照明、军事等其他领域。在医学领域中，光导纤维可以用于食道、膀胱、胃等深部探查内窥镜的光学组件。在照明和光能传送领域，光导纤维可以用于不宜架设电线和电气照明的地方作为安全光源。
3 硅酸盐
硅酸盐是硅、氧与其他元素结合而成的化合物的总称，其在自然界中分布非常广泛，是构成岩石和土壤的主要成分。大多数硅酸盐化学性质稳定且难溶于水。
从古到今，人类创造性地生产出了几大类硅酸盐产品一一陶瓷、玻璃、水泥等，它们是使用量最大的无机非金属材料[3]。
近年来，随着材料科学的迅速发展，人们又为硅酸盐产品找到了新的用途——烧制新型陶瓷。
新型陶瓷主要采用高纯度的无机化合物作为烧结原料，是新型材料的一种。它们的性能比传统陶瓷更加优良，一般都具有很高的硬度和强度，而且在热、光、声、电、化学、生物等方面具有卓越的功能。
金属陶瓷就是一种非常典型的新型陶瓷，它是由陶瓷硬质相与金属或合金粘结相组成的非均质复合材料。金属陶瓷兼具陶瓷和金属的优点，既有陶瓷的耐磨损、耐高温、抗氧化等特性，又有较好的金属韧性和可塑性。如今，金属陶瓷已经广泛地应用于耐高温材料、陶瓷涂料、膜材料等领域。
碳化硅陶瓷也是一种重要的新型陶瓷，其化学结构和金刚石类似，具有化学性能稳定、硬度高、导热系数高、热膨胀系数小、耐磨性能好等优点。其用途主要体现在民用和军用两个方面。在工业上，由于其硬度高、耐磨性好，可制备成各类磨料，如磨削用的砂轮、砂布、砂纸等[4]。在军事方面，由于碳化硅具有密度小、硬度高、弹性模量高、成本低的特点，常用于制备防弹防刺衣、装甲车等设备。
此外，新型陶瓷在生物、医疗方面也有重要的作用。例如：用新型陶瓷做的假牙，外观逼真，色泽稳定，耐磨性强，不会变形。这种假牙无论是在外观上还是使用功能上，都能与真牙相媲美。
4 有机硅化合物
有机硅化合物是各种含硅高分子化合物的总称，一般指聚硅氧烷。它具有（-Si-O-Si-）主链，义有有机基团侧链，是一种典型的半无机高分子材料。这种物质的主链中含有“无机结构”而侧链中含有“有机基团”，因此它既有高分子材料易加工的特点，又有无机物的无毒、无污染、使用寿命长、耐高低温等优点。
有机硅义被称作“工业味精”，应用十分广泛。有机硅下游行业市场前景广阔，其产品广泛运用于电子、电气、建筑、化工、纺织、轻工、医疗等行业，并且随着有机硅产品数量和品种的持续增长，其应用领域也在不断拓宽。
在纺织工业中用到的很多产品如表面活性剂、防粘剂、消泡剂等都含有大量的有机硅化合物。例如：在染色过程中，浆液中经常产生泡沫，泡沫的存在造成纱线的上浆不均匀，出出的布料达不到要求。这时，就需要消泡剂进行消泡作用，除掉浆液中的泡沫。目前市场上采用的大部分是成本低、质量好、应用范围广的有机硅类消泡剂。这类消泡剂现在已经成功取代传统消泡剂，成为纺织工业最重要的产品之一。
在医疗领域中，有机硅同样因其独有的特性而备受关注。有机硅材料因其种类繁多，生物兼容性良好而成为医疗器械的主要材料。有机硅材料既可以作为长期的代用器官长埋于人体内，义可以作为短期医疗器械作用于人体。例如：用硅橡胶制作的输液管输送各种液体药物进入人体，其特性明显优于其他材料。近年来，有机硅材料甚至被应用于某些精密的医疗设备中，例如心肺导管、蠕动泵管等[5]。
在药物合成方面，用硅取代药物中的碳以后往往使得药物具有更强的效果和更低的人体伤害性。人T合成现有药物的含硅类似物（“硅替代”）是合成和改造药物的重要途径之一[6]。
硅及其化合物不但应用广泛，而且在多个领域都有良好的发展前景。在信息技术方面，硅作为地球上最丰富的元素半导体，性质优越而工艺技术成熟，已经成为固态电子器件的主要原料。而无定形硅和多品硅太阳能电池的成功将大大增加硅材料的市场需求量。在材料科学方面，有机硅和无机硅产品作为基础产业和高新技术领域中重要的结构和功能材料，已经广泛应用于航空航天工业、电气工业以及医疗、生物等领域。在植物生长中，硅元素被科学家称为植物生长的第四大营养元素。施加硅肥可以使植物的茎叶挺直，果实匀称，产量增加。鉴于硅对农作物生长的神奇效果，在未来的一段时间内，硅肥的生产和应用必然会有大规模的发展。
我们有理由相信，随着科学发展和技术进步，硅及其化合物将更好地服务于人类，人类生活的许多方面会因硅而改变。
参考文献：
[1]周涛，陆晓东，张明.晶硅太阳能电池发展状况及趋势[J].激光与光电子学进展，2013，（3）：1～11
[2]王占国.半导体材料研究的新进展[J].半导体技术，2002，（3）：8～12，14
[3]宋心琦主编.普通高中课程标准实验教科书·化学1（必修）[M].北京：人民教育出版社，2007： 78
[4]李缨，黄凤萍，梁振海.碳化硅陶瓷的性能与应用[J]陶瓷，2007，（5）：36～41
[5]倪克钒，王益锋，武玉斌.有机硅橡胶在医疗领域中的应用[J].中国医疗器械信息，2008，（8）：1～3，25
[6]吴虹.有机硅化合物的生物合成与转化研究进展[J]生物加工过程，2005，（8）：18～23
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更新时间：2025/3/14 23:48:10