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( 2) 与酸作用
Si在含氧酸中被钝化, 但与氢氟酸及其混合酸反应, 生成SiF4或H2SiF6:
( 3) 与碱作用
无定形硅能与碱猛烈反应生成可溶性硅酸盐, 并放出氢气:
( 4) 与金属作用
硅还能与钙、 镁、 铜、 铁、 铂、 铋等化合, 生成相应的金属硅化物。
1.4. 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型半导体, 将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
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属陶瓷复合材料, 它耐高温, 富韧性, 能够切割, 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。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, 能够同时传输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, 能够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, 能够防止青苔滋生, 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。
硅橡胶具有良好的绝缘改组, 长期不龟裂、 不老化, 没有毒性, 还能够作为医用高分子材料。
硅油, 是一种很好的润滑剂, 由于它的粘度受温度变化的影响小, 流动性好, 蒸气压低, 在高温或寒冷的环境中都能使用。
硅元素进入有机世界, 将它优异的无机性质揉进有机物里, 使有机硅化合物别具一格, 开辟了新的领域。
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1.5. 硅的制备
工业上用焦炭在电炉中将石英砂还原, 先得到粗Si:
然后, 将粗Si再转变成化合物提纯, 再还原成高纯度硅, 或者采用物理冶炼的方法得到高纯硅, 这将在以后论述。
1.6. 硅烷
硅与碳相似, 有一系列氢化物, 不过由于硅-硅健的健能远小于碳-碳键, 因此没有很长的硅链存在, 这就决定了硅的氢化物无论在种类和数量上都远不如碳的氢化物多。硅的氢化物中最具有代表性的是甲硅烷SiH4。
甲硅烷SiH4是无色无臭的气体, 熔点88K, 沸点161K。其分子结构类似于甲烷。由于H的电负性大小介于C和Si之间, 因此CH4中碳氢键的共用电子对靠近碳, 而SiH4中共用电子对靠近H, 因此使得SiH4的还原性比CH4强。Si由于有空的d轨道能够在反应中被利用, 因此SiH4能够水解, 比CH4活泼等得多。
SiH4被大量地用于制高纯Si。硅的纯度越高, 大规模集成电路的性能就越好。
1.7. 硅的氯化物
硅的氯化物主要介绍SiCl4、 SiHCl3等, 它们和碳的卤化物CF4和
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CCl4相似, 都是四面体的非极性分子, 共价化合物, 熔沸点都比较低, 挥发性也比较大, 易于用蒸馏的方法提纯它们。
在常温下, 纯净的SiHCl3、 SiCl4是无色透明的易挥发液体。 1.7.1. 氯硅烷简介 ( 1) 氯硅烷的物理性质
在常温下, 纯净的SiHCl3、 SiCl4是无色透明挥发性的液体, SiHCl3
比SiCl4具有更强的刺鼻气味, 其物理性质见下表:
表1-4. 三氯氢硅、 四氯化硅、 二氯二氢硅主要性能参数
序号 1 2 3 4 5 6 7 8 物理参数 分子式 状态( 常温态) 分子量 沸点, Tb, ℃ 溶点, Tm, ℃ 临界温度, Tc, ℃ 临界压力, Pc,atm 临界体积, Vc cm3 / g·mol 9 10 液体密度, g / cm3 气体密度, g / cm3 三氯氢硅 SiHCl3 液体 135.453 31.8 －126.6 206 40.01 四氯化硅 SiCl4 液体 169.9 57.3 －69.4 234 37.0 二氯二氢硅 SiH2Cl2 气体 101.01 8.4 －122 15℃-1bar时, 1升液体可蒸发成268 326.3 290升气体 1.261 0.00494 1.191 00C-0.529 氯化氢 HCl 气体 36.5 -85.1 －114.2 51.4 81.5 1.32 0.0055 1.47 0.0063 14
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11 比热, kcal / kg℃ 液态0.23 气态0.132 46.8 液态0.19 气态 41.1 液态 气态 59.6 气态0.202 105.9 12
潜热, kcal / kg ( 2) 氯硅烷的化学性质
1) 易水解、 潮解, 在空气中强烈发烟
易水解、 潮解: SiCl4 +( n+2) H2O → SiO2 ·nH2O + 4HCl
SiHCl3 + nH2O → SiO2· nH2O + 3HCl
三氯氢硅的蒸汽燃烧时, 具有天兰色火焰, 氧在不足的情况下产生浓的白烟。
2) 易挥发、 易汽化、 易制备、 易还原。
3) SiHCl3易着火, 发火点28℃, 燃烧时产生HCl 和 Cl2, 着火点为220℃。
4) 对金属极为稳定, 甚至对金属钠也不起反应。
5) 其蒸汽具有弱毒性, 与无水醋酸及二氮乙烯的毒性程度极为相同。
SiHCl3还原制备超纯硅的方法, 在生产中被广泛的应用和迅速发展。因为它容易制得, 解决了原料问题, 容易还原成单质硅, 沉积速度块, 解决了产量问题, 它的沸点低, 化学结构的弱极性, 使得容易提纯, 产品质量高, 利用它对金属得稳定性, 在生产中常见不锈钢作为材质。但SiHCl3有较大得爆炸危险, 因此在操作过程中应保持设备的干燥和管道的密封性, 如果发现微量漏气, 而不知道在什么地方时, 可用浸有
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多晶硅生产工艺和反应原理模板
