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第19章 无机世界的“主角”——硅

硅,在稍微老一点的化学书上都写作矽。因为矽与锡同音,“二氧化矽”和“二氧化锡”读起来使人不易分辨,这样,我国化学界在1953年一致同意把矽改称为硅。

如果说碳是有机世界的“主角”,那么,无机世界的“主角”该是算硅了。硅是地壳中第二个含量最多的元素,占地壳总重量的26%,仅次于氧;而在地壳中,绝大部分硅是以二氧化硅SiO2的形式存在的,据统计,二氧化硅占地壳总重量的87%,这也就是说,硅和氧这两种最多的元素所形成的无机化合物,几乎“垄断”了地壳。重要的岩石,如长石类、辉石类、角闪石类和云母类,都含有二氧化硅(或以其他形式存在的硅的化合物)。砂子中也含有大量的二氧化硅。最纯净的二氧化硅要算是石英了。具有六面角柱形,头上带有六面角锥的透明无色的石英结晶,便是水晶。水晶硬而透明,特别是能很好的透过紫外线,折光率大,在光学上具有重要用途。水晶眼镜,便是用水晶磨成的。水晶图章,美观而耐用。水晶中如含有一些杂质,则带有颜色,如紫水晶、烟水晶。在大自然中,大的水晶不多,最大的有一米多高。

所有的植物都含有硅,特别是马尾草和竹子中含硅最多。动物中含硅较少。在海绵、鸟的羽毛、动物的毛发中含有硅。人体中含硅量约为万分之一。

人们早在远古时代便和硅的化合物打交道。但是,纯净的硅直到1811年才第一次被制得。到1823年,硅才被确定为化学元素。粉末状的纯硅,是棕褐色的,在空气中可燃烧变成二氧化硅。

如果把粉末状硅溶解在熔化了的金属(如锌、镁、银)中,慢慢冷却,可制得以完整的八面体析出的结晶硅。结晶硅具有钢灰色的金属光泽,熔点为1414℃,具有显著的导电性。纯净的结晶硅(含硅量达99.9999%以上),是现在最重要的半导体材料之一,与锗Ge齐名。但是,随着提炼技术的改进,硅将会比锗更重要,因为硅的原料比锗要普遍易得。现在,我国已大量生产半导体硅。

硅和碱作用,能析出大量的氢气。制备1立方米的氢气只需0.63千克硅,如果改用金属的话,却需2.9千克的锌或2.7千克的铁。在工业上,用焦炭在电路中还原二氧化硅SiO2(石英)来制取纯硅。

纯硅的用途并不太广,最重要的硅的化合物是二氧化硅,它是重要的工业原料。玻璃工业每年消耗几百万吨的砂子,因为玻璃是用砂子(主要成分二氧化硅SiO2)、苏打(碳酸钠Na2CO3)和石灰石(主要成分碳酸钙CaCO3)作原料熔炼成得。用纯二氧化硅——石英制成的石英玻璃,能耐高温,即使剧烈灼烧后立即浸到水里也不会破裂。由于石英玻璃能很好的透过紫外线,所以常用来制造光学仪器。纯净的玻璃是无色的。加入不同的化学元素,可使玻璃产生不同的颜色:电焊工人所戴的蓝色护目镜片,是加了氧化铈或氧化钕。加入氧化铁Fe2O3,玻璃呈黄色。若加入氧化亚铁FeO,则变成红色。若加入极细的金粉Au、铜粉Cu或硒粉Se,玻璃呈红色。若加入极细的银粉Ag,则呈黄色。

粘土的主要成分是水化硅酸铝。粘土大量被用来和石灰石一起煅烧,制成水泥。粘土也被用来烧制砖、瓦等建筑材料。纯净的粘土——高岭土,是制造瓷器、陶器最重要的原料。玻璃、水泥、陶瓷、建筑材料等工业,均以硅为“主角”,被合称为“硅酸盐工业”。

硅和碳的化合物——碳化硅,俗称金刚砂,是无色的晶体,含有杂质时为钢灰色,它非常坚硬,硬度和金刚石相近。在工业上,常用金刚砂制造砂轮和磨石。它还很耐高温,用来做耐火的炉壁。

硅和氯的化合物——四氯化硅SiCl4,是无色的液体,很易挥发,在57℃就沸腾。在军事上用来作烟雾剂,因为它一遇水,便水解生成硅酸和氯化氢SiCl4+3H2O→H2SiO3+4HCl,产生极浓的白烟。特别是海战时,水蒸气多,烟雾更浓。四氯化硅的成本比白磷P4低廉的多。

硅虽然是无机世界的“主角”,但是近年来,它在有机世界中也成为引人注目的角色——人们制成了一系列有机硅化合物。有机硅有个特性——防水。一些药品瓶的内壁,如青霉素瓶,便常涂着一层有机硅。这样,在使用后瓶壁上就不会留有药液。巍立在首都天安门广场上的人民英雄纪念碑,表面也涂着一层有机硅,这样可以防尘防潮,保护那精美的浮雕。有机硅塑料具有很好的绝缘性能,如果用它作为电动机的绝缘材料,可以使电动机的体积和重量都减少一半,而使用寿命却可以延长八倍多,并且在高温、潮湿的情况下都能使用。有机硅橡胶,在冰天雪地之中(甚至低到-90℃),或在烈日酷晒之下(甚至高达350℃),都不龟裂、不老化、保持弹性,用它来制造汽车轮胎非常合适。

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