第四章非金属及其化合物4.1无机非金属材料的主角—硅 砂中之宝一硅 当你漫步在海岸、河边,看到那些洁净的砂粒,你未必会注意它。常言道:“砂里淘金”。 可是历来人们总是毫不可惜地把砂子丢弃。但你是否知道,砂子里面还含有一种比金子有用 得多的元素呢? 这就是硅,如果说碳是有机世界的“主角”,那么,无机世界的“主角”该算是硅了 硅是地壳中第二个含量最多的元素,仅次于氧。在地壳中,绝大部分的硅是以二氧化硅的形 式存在的,据统计,二氧化硅占地壳总重量的百分之八十七!也就是说,硅和氧这两种最多 的元素形成的化合物,几乎“垄断”了地壳。大部分岩石和砂予中都含有二氧化硅 虽然硅的化合物在地球上俯拾皆是,但是硅的发现却费了一番周折。 早在十九世纪初,法国化学家就发现了不纯的无定形硅,不过,当时人们对它很不了解。 直到十多年后,人们才肯定它是一种新元素,又过了三十多年,人们才看到了硅的真面目 原来,它披一件灰色的“衣服”,能像金属一样发光。硅在常温下比较“文静”,但在熔 融状态就变得特别活泼好动,能和许多物质发生化学反应,所以在自然界中人们从来没有发 现过单独存在的硅。 对于大多数人来说,竹子并不是一种十分陌生的植物。一提起它,人们都会知道它的“身 材”十分“苗条”,可是它又长得非常高,有些人也许很替它担心,要是一股大风刮过,会 不会把它吹倒呢?对这你们不用担心,无论多大的风也吹不倒竹子,至多也只能让它东摇西 不信,你听,竹叶正”呼啦啦”地唱着胜利的歌。这正是“疾风知劲草” 竹子为什么会不怕风呢? 原来,在竹子的茎干中含有丰富的硅的化合物,它们能帮助竹子增加自己的强度和韧性,所 以竹子的茎干十分坚韧挺拔,风拿它一点办法也没有。这就使得竹子在禾本科植物中“鹤立 鸡群”。 竹子还有两个小“妹妹”,名字叫小麦和水稻,可是她们却没有一点“骨气”,一遇风就 会趴在地上,使得庄稼大量减产,这可叫农民伤透了心 怎么才能叫她们也变得不怕风呢? 现在,人们在田地里撒上一些可溶性的硅酸菌盐肥料或硅酸肥料,就能治愈她们怕风的 病根。原来,在小麦和水稻中,硅的含量是很少的,所以她们的茎干十分柔软,很容易倒伏 而这两种肥料中都含有大量的硅,植物吸收之后,就会增强体质,再也不用怕风了 后起之秀
1 第四章 非金属及其化合物 4.1 无机非金属材料的主角——硅 砂中之宝——硅 当你漫步在海岸、河边，看到那些洁净的砂粒，你未必会注意它。常言道：“砂里淘金”。 可是历来人们总是毫不可惜地把砂子丢弃。但你是否知道，砂子里面还含有一种比金子有用 得多的元素呢？ 这就是硅，如果说碳是有机世界的“主角”，那么，无机世界的“主角”该算是硅了。 硅是地壳中第二个含量最多的元素，仅次于氧。在地壳中，绝大部分的硅是以二氧化硅的形 式存在的，据统计，二氧化硅占地壳总重量的百分之八十七！也就是说，硅和氧这两种最多 的元素形成的化合物，几乎“垄断”了地壳。大部分岩石和砂予中都含有二氧化硅。 虽然硅的化合物在地球上俯拾皆是，但是硅的发现却费了一番周折。 早在十九世纪初，法国化学家就发现了不纯的无定形硅，不过，当时人们对它很不了解。 直到十多年后，人们才肯定它是一种新元素，又过了三十多年，人们才看到了硅的真面目。 原来，它披一件灰色的“衣服”，能像金属一样发光。硅在常温下比较“文静”，但在熔 融状态就变得特别活泼好动，能和许多物质发生化学反应，所以在自然界中人们从来没有发 现过单独存在的硅。 对于大多数人来说，竹子并不是一种十分陌生的植物。一提起它，人们都会知道它的“身 材”十分“苗条”，可是它又长得非常高，有些人也许很替它担心，要是一股大风刮过，会 不会把它吹倒呢？对这你们不用担心，无论多大的风也吹不倒竹子，至多也只能让它东摇西 摆。不信，你听，竹叶正”呼啦啦”地唱着胜利的歌。这正是“疾风知劲草”呀。 竹子为什么会不怕风呢？ 原来，在竹子的茎干中含有丰富的硅的化合物，它们能帮助竹子增加自己的强度和韧性，所 以竹子的茎干十分坚韧挺拔，风拿它一点办法也没有。这就使得竹子在禾本科植物中“鹤立 鸡群”。 w.w.w.k.s.5.u.c.o.m 竹子还有两个小“妹妹”，名字叫小麦和水稻，可是她们却没有一点“骨气”，一遇风就 会趴在地上，使得庄稼大量减产，这可叫农民伤透了心。 怎么才能叫她们也变得不怕风呢？ 现在，人们在田地里撒上一些可溶性的硅酸菌盐肥料或硅酸肥料，就能治愈她们怕风的 病根。原来，在小麦和水稻中，硅的含量是很少的，所以她们的茎干十分柔软，很容易倒伏， 而这两种肥料中都含有大量的硅，植物吸收之后，就会增强体质，再也不用怕风了。 后起之秀
在1948年人们发明了晶体管后的一段时间里,用来制作晶体管的主要材料是锗,因 为锗比硅更容易提纯。 但是,硅的半导体性能比锗优越得多,比如说吧,硅能在摄氏二百度下工作,而锗只能 在摄氏八十度以下工作,纯硅在室温下的本征电阻率为二十三万欧姆厘米,而锗的检征电阻 率只有四十六欧姆厘米,随着制备高纯度单晶硅工艺的提高,硅的作用已远远地超过了锗, 成为半导体材料的后起之秀 半导体硅是实现工业生产自动化的重要材料,比如,工业自动化所用的硅可控整流器中 就使用了很多晶体硅。进入七十年代以来,我国在工业上普遍采用了硅可控整流器,大大提 高了生产效率。 举例来说,电镀、电解等工厂在生产中都需要把交流电变成直流电,过去是用水银整流 器整流,不仅要浪费好多度电,可靠性差,而且容易使工人受水银毒害。现在,改用半导体 硅整流器,工作稳定、可靠、无毒,又节约了很多电力。仅上海一地的电解、电镀工厂,在 采用了硅整流器后,全年节约下来的电力就在两千万度以上 很多人都看过反映间谍活动的故事片。这些故事中的主人公有着高超的本领,即就是在 敌人的严密监视下,他们也能把情报发出去。我们看到,他没有跟自己人接头,那么,情报 又是怎么送出去的呢? 原来,奥秘就在他们胸前的纽扣上。那其实不是一个真正的纽扣,而是一只微型的发报 机,他就是利用这只不引人注意的微型发报机把情报发出去。 这种发报机就是用晶体硅制成的。有句俗话说:“麻雀虽小,五脏俱全”。别看这种发报机只 有纽扣那么大,可是上面却有着大规模的集成电路,在它上面有上万个二极管、三极管和电 阻等电子元件 人们把单晶硅切成硅片,再涂上感光药膜,再把大规模的集成电路缩小印制在它上面, 加上一些其他的元件,最后把它的外形加工得像一只纽扣,就制成了一个微型发报机 硅这种奇特的性能在制造微型电子计算机时有很大作用 当人们制造出第一台电子计算机时,由于用的是电子管,所有的设备大约要装满一幢大 楼,后来人们改用锗制成的晶体管,计算机的体积大为缩小,可是也能装满一间大房子。而 在1978年时,我国的科技人员把中小规模的集成电路缩小印制在硅片上,制成了一台只 有关导体收音机大小的电子计算机。现在,人们又把大规模、超大规模的集成电路印制在硅 片上,可以制造出像笔记本一样小的电脑。这样,只要你把它往兜里一揣,什么时候想用就 可以拿出来用,即使出了门也不会误事 2
2 在１９４８年人们发明了晶体管后的一段时间里，用来制作晶体管的主要材料是锗，因 为锗比硅更容易提纯。 但是，硅的半导体性能比锗优越得多，比如说吧，硅能在摄氏二百度下工作，而锗只能 在摄氏八十度以下工作，纯硅在室温下的本征电阻率为二十三万欧姆厘米，而锗的检征电阻 率只有四十六欧姆厘米，随着制备高纯度单晶硅工艺的提高，硅的作用已远远地超过了锗， 成为半导体材料的后起之秀。 半导体硅是实现工业生产自动化的重要材料，比如，工业自动化所用的硅可控整流器中 就使用了很多晶体硅。进入七十年代以来，我国在工业上普遍采用了硅可控整流器，大大提 高了生产效率。 举例来说，电镀、电解等工厂在生产中都需要把交流电变成直流电，过去是用水银整流 器整流，不仅要浪费好多度电，可靠性差，而且容易使工人受水银毒害。现在，改用半导体 硅整流器，工作稳定、可靠、无毒，又节约了很多电力。仅上海一地的电解、电镀工厂，在 采用了硅整流器后，全年节约下来的电力就在两千万度以上。 很多人都看过反映间谍活动的故事片。这些故事中的主人公有着高超的本领，即就是在 敌人的严密监视下，他们也能把情报发出去。我们看到，他没有跟自己人接头，那么，情报 又是怎么送出去的呢？ 原来，奥秘就在他们胸前的纽扣上。那其实不是一个真正的纽扣，而是一只微型的发报 机，他就是利用这只不引人注意的微型发报机把情报发出去。 这种发报机就是用晶体硅制成的。有句俗话说：“麻雀虽小，五脏俱全”。别看这种发报机只 有纽扣那么大，可是上面却有着大规模的集成电路，在它上面有上万个二极管、三极管和电 阻等电子元件。 人们把单晶硅切成硅片，再涂上感光药膜，再把大规模的集成电路缩小印制在它上面， 加上一些其他的元件，最后把它的外形加工得像一只纽扣，就制成了一个微型发报机。 硅这种奇特的性能在制造微型电子计算机时有很大作用。 当人们制造出第一台电子计算机时，由于用的是电子管，所有的设备大约要装满一幢大 楼，后来人们改用锗制成的晶体管，计算机的体积大为缩小，可是也能装满一间大房子。而 在１９７８年时，我国的科技人员把中小规模的集成电路缩小印制在硅片上，制成了一台只 有关导体收音机大小的电子计算机。现在，人们又把大规模、超大规模的集成电路印制在硅 片上，可以制造出像笔记本一样小的电脑。这样，只要你把它往兜里一揣，什么时候想用就 可以拿出来用，即使出了门也不会误事
美国有一位推销员讲了这样一个故事:有一次他到一家工厂去推销产品,生意已经谈成 了,只需要双方签订合同就大功告成了,可是这家工厂里的电脑出了一些问题,于是他只好 回到自己的公司,打印好了合同。可是,当他返回那家工厂时,那个经理却说他已经同别人 签订了同样的合同,因此不需要再买他的东西了。 其实,在这个推销员走后,那个经理经过再三考虑后觉得,这个合同对他们厂的好处不 很多,于是就反悔了 这个推销员最后说,要是当时有一台笔记本大小的电脑带在身上,在那个经理已经同意 鉴定合同时就打印出合同来,不给他深思熟虑的时间,那么他的推销活动就成功了 作为一种性能优越的半导体材料,硅在其它方面也有重要的应用。 太阳能是一种用之不尽取之不竭的廉价的能源,人们虽然制造出了很多种利用太阳能的 材料和装置,可是价格都比较昂贵,有的装置结构复杂,制造起来很不方便 而用硅和铝做成的太阳能电池,就避免了这些缺点。只要把铝板作为衬底,在它上面覆 盖十至二十五微米厚的多晶硅薄膜,就是一种便宜而轻巧的太阳能电池材料,不但地面上可 以使用,放在太空中它照样能发出电来。 硅还是同位素电池中换能器的主要材料。换能器是将同位素热源发出的热能转变为电能 的装置。用硅和锗的合金做的换能器,不怕高温,不但机械强度高,而且耐蚀本领也超出 般的换能器,无论在真空还是空气中都可以工作 如果有人问你们,汽车的轮胎是用什么制成的?很多人会一口答出:是橡胶。 的确,几乎所有的汽车轮胎都是用天然橡胶和合成橡胶制成的。然而,它们的使用温度, 一般都在摄氏一百五十度以下,否则就会变质老化,而现代汽车的速度很快,因此轮胎与地 面的摩擦力增大,摩擦带来的热量会使轮胎的温度变得很高,这就大大缩短了轮胎的寿命。 那怎么才能既不降低汽车的速度又能延长轮胎的使用寿命呢? 人们发现,在橡胶中加入一些硅进去,就能延长轮胎的使用时间。硅橡胶“一身兼二任”, 既有无机材料耐磨、耐高温的本领,又有有机材料的弹性。特别是一些有机硅橡胶,在冰天 雪地或烈日酷晒下(甚至高达摄氏三百五十度),都不龟裂、不老化、保持弹性,用它来制 造汽车轮胎是再合适不过的了 玻璃是大家常见的物质,它一般是透明的固体,如果加进一些稀土元素进去,它就会带 上各种各样的颜色。 可是水玻璃又是一种什么样的物质呢? 原来,它是硅酸钠的水溶液。从远处来看,硅酸钠的水溶液真是跟玻璃一般无二,简直
3 美国有一位推销员讲了这样一个故事：有一次他到一家工厂去推销产品，生意已经谈成 了，只需要双方签订合同就大功告成了，可是这家工厂里的电脑出了一些问题，于是他只好 回到自己的公司，打印好了合同。可是，当他返回那家工厂时，那个经理却说他已经同别人 签订了同样的合同，因此不需要再买他的东西了。 其实，在这个推销员走后，那个经理经过再三考虑后觉得，这个合同对他们厂的好处不 很多，于是就反悔了。 这个推销员最后说，要是当时有一台笔记本大小的电脑带在身上，在那个经理已经同意 鉴定合同时就打印出合同来，不给他深思熟虑的时间，那么他的推销活动就成功了。 作为一种性能优越的半导体材料，硅在其它方面也有重要的应用。 太阳能是一种用之不尽取之不竭的廉价的能源，人们虽然制造出了很多种利用太阳能的 材料和装置，可是价格都比较昂贵，有的装置结构复杂，制造起来很不方便。 而用硅和铝做成的太阳能电池，就避免了这些缺点。只要把铝板作为衬底，在它上面覆 盖十至二十五微米厚的多晶硅薄膜，就是一种便宜而轻巧的太阳能电池材料，不但地面上可 以使用，放在太空中它照样能发出电来。 硅还是同位素电池中换能器的主要材料。换能器是将同位素热源发出的热能转变为电能 的装置。用硅和锗的合金做的换能器，不怕高温，不但机械强度高，而且耐蚀本领也超出一 般的换能器，无论在真空还是空气中都可以工作。 如果有人问你们，汽车的轮胎是用什么制成的？很多人会一口答出：是橡胶。 的确，几乎所有的汽车轮胎都是用天然橡胶和合成橡胶制成的。然而，它们的使用温度， 一般都在摄氏一百五十度以下，否则就会变质老化，而现代汽车的速度很快，因此轮胎与地 面的摩擦力增大，摩擦带来的热量会使轮胎的温度变得很高，这就大大缩短了轮胎的寿命。 那怎么才能既不降低汽车的速度又能延长轮胎的使用寿命呢？ 人们发现，在橡胶中加入一些硅进去，就能延长轮胎的使用时间。硅橡胶“一身兼二任”， 既有无机材料耐磨、耐高温的本领，又有有机材料的弹性。特别是一些有机硅橡胶，在冰天 雪地或烈日酷晒下（甚至高达摄氏三百五十度），都不龟裂、不老化、保持弹性，用它来制 造汽车轮胎是再合适不过的了。 玻璃是大家常见的物质，它一般是透明的固体，如果加进一些稀土元素进去，它就会带 上各种各样的颜色。 可是水玻璃又是一种什么样的物质呢？ 原来，它是硅酸钠的水溶液。从远处来看，硅酸钠的水溶液真是跟玻璃一般无二，简直
像极了,所以人们常把它叫做“水玻璃”。 水玻璃不但外表很奇特,它的作用也很特别。 大家知道,很多家俱都是用木材做成的,但木材是一种容易着火的材料,这样就很不安 怎么才能让木制家俱不易着火呢? 玻璃可以帮助人们解决这个难题。只要把木材在水玻璃中浸泡一段时间,用它制成的家 俱就不易着火,而且还可以防止木材受到空气的腐蚀。 现在,人们把一些有特别要求的纺织产品也浸泡在水玻璃中,这样,加工出来的产品就 可以防火
4 像极了，所以人们常把它叫做“水玻璃”。 水玻璃不但外表很奇特，它的作用也很特别。 大家知道，很多家俱都是用木材做成的，但木材是一种容易着火的材料，这样就很不安 全。 怎么才能让木制家俱不易着火呢？ 玻璃可以帮助人们解决这个难题。只要把木材在水玻璃中浸泡一段时间，用它制成的家 俱就不易着火，而且还可以防止木材受到空气的腐蚀。 现在，人们把一些有特别要求的纺织产品也浸泡在水玻璃中，这样，加工出来的产品就 可以防火