矽是金屬嗎

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簡介

矽是一種具有藍灰色金屬光澤的晶體結構，堅硬而易碎。在元素週期表中，它屬於第 14 族；碳位於其上方，鍺、錫、鉛和鍅位於其下方。儘管矽是地球上按質量計算第八豐富的元素，但它很少以純元素的形式出現在地殼中。工業上使用的矽大部分未分離，天然礦物通常經過非常輕微的加工。

什麼是矽？

矽是一種化學元素，原子序數為 14，符號為 Si。矽是七種被稱為**準金屬**的元素之一。這僅僅是描述一些物質的一種創造性方法，這些物質**不完全**像**金屬或非金屬**那樣運作。它具有四價，是一種準金屬，也是一種半導體，具有**藍灰色**的金屬光澤，是**粗糙、晶體和易碎的固體**。

自然界中的存在

• 矽在地球**地殼中的含量為 27.2%。**

• 由於**矽酸鹽礦物**構成了地球地殼的**90% 以上**，因此矽是繼氧之後地殼中**第二豐富的元素**。

• 自然元素矽在世界海洋中似乎具有**400 年的停留時間**，前提是它尚未存在於那裡。

• **地球總質量的 68.1%** 由地幔構成，地幔主要由密度更大的**矽酸鹽和氧化物**構成，例如（Mg，Fe）₂ SiO₄，稱為**橄欖石**。

• 大陸岩石的化學風化、河流遷移、陸源碎屑矽酸鹽的溶解以及海底玄武岩與熱液的反應（釋放出結合的矽）是矽通量進一步進入海洋的四個主要貢獻者。

矽的性質

矽的物理性質

• 矽原子有**14 個電子**。

• 矽是一種明亮的**半導體**，在標準壓力和溫度下具有藍灰色的金屬光澤，與半導體常見的情況一樣，其電阻隨著溫度升高而降低。

• 電子與否一樣可能存在的能量稱為**費米能級**。因此，在環境溫度下，純矽基本上充當**絕緣體**。

• 在正常情況下，**矽結晶**成巨大的**共價結構，特別是金剛石立方晶格**。

矽的化學性質

• 矽的 14 個電子在初始狀態下排列在電子構型**[Ne]3s² 3p² 中。**

• 它可以透過產生**sp³ 雜化**軌道來耗盡其八隅體並達到氬的理想惰性氣體構型，它包含與價軌道相同的價電子數。

• 矽具有很高的**熔點 1414 °C。**

• 矽的**沸點約為 3265 °C。**

• 矽的汽化能力低於碳，這表明**Si-Si 鍵比 C-C 鍵弱。**

• 天然產生的矽的三個穩定同位素是永久同位素²⁸Si、²⁹Si 和³⁰Si。其中只有²⁹Si 可用於 EPR 和 NMR 光譜研究。

矽的化合物/聚合物（矽材料）

已知矽有多種化合物。其中一些在下面討論 -

矽化物

許多金屬矽化物具有從**金屬鍵到離子鍵到共價鍵**的鍵。M₅ Si、M₆ Si、M₁₅ Si₄、M₃ Si、M₅ Si₂、M₅ Si₃、MSi、M₂ Si₃、MSi₂ 等是已知矽化物化學計量的例子。

矽烷

矽烷構成了矽氫化物的同系物序列，其**通式為 Si_n H_2n+2**。它們都是強還原劑。除了環狀 Si₅ H₁₀ 和 Si₆ H₁₂ 之外，還已知**高達 n=8** 的長鏈和支鏈。

矽烷的最簡單形式。

鹵化物

所有四個穩定的鹵素都可以輕鬆地與**矽和碳化矽**結合，形成無色、不穩定和易爆的四鹵化矽。**滷代聚矽烷** Si_n X_2n+2類似於矽烷，並且同樣眾所周知。滷代聚矽烷已發現，至少達到 Si₆ Cl₁₄、Si₁₄ F₃₀ 和 Si₄ Br₁₀。

二氧化矽

僅次於水的研究量是二氧化矽，有時也稱為**二氧化矽**（SiO₂）。二氧化矽共有 12 種已知的晶體變體，其中**石英**最為常見。大多數二氧化矽的晶體結構由無限的 SiO₄ 四面體組成。

二氧化矽結構。

有機矽化合物

有機矽化合物通常表現出顯著的熱穩定性和化學穩定性，這是由於**Si-C 鍵的強度接近於 C-C 鍵**。例如，**四苯基矽烷**，即 SiPh₄。

矽樹脂

與礦物矽酸鹽相比，**矽酮**可以被視為類似物，因為它們的甲基與矽酸鹽的**等電子**（O-）部分相匹配。它們提供重要的**防粘、消泡特性和介電特性**，並且對高溫、氧化和水具有很強的抵抗力。

矽的用途

• 許多矽化合物，包括**矽砂、粘土和大多數建築石材**，都具有直接的商業應用。

• 矽主要用於**結構化合物**，以二氧化矽、矽酸鹽或礦物形式。

• **矽片**由單晶矽製成，用於電子、半導體行業。

• **耐火磚**，一種陶瓷，由二氧化矽製成。**白瓷陶瓷**也包括矽酸鹽礦物。

有趣的事實

• 儘管有些人可能認為，**矽和矽酮**完全不同。矽酮是一種由矽氧聚合物組成的**人工物質**。**矽是一種天然存在的元素。**

• **純矽**的晶格與**金剛石**（由碳構成，碳是矽在第 14 族中的上方元素）的晶格相同。

結論

矽主要以不同型別的**二氧化矽或矽酸鹽的形式廣泛分佈在宇宙塵埃、小行星和行星**的空間中。按質量計算，矽是宇宙中**第八豐富的元素**，但它很少以純元素的形式出現在地殼中。在**技術和電子行業**，矽是最重要的半導體。

常見問題

1. 為什麼矽被稱為矽？

矽的名稱源於拉丁語**silex**，通常稱為 silicis，意為**“堅硬的石頭”或“燧石”**。

2. 矽金屬有毒嗎？

以元素或其任何原始形式（包括二氧化矽和矽酸鹽）存在時，這些都是最普遍的，**矽無毒。**

3. 你可以在人體中找到矽嗎？

大多數**生物組織、骨骼組織和軟組織**都含有大量的矽。

4. 矽可以形成有限數量的鍵嗎？

是的，與碳一樣，矽是四價的。因此，它可以輕鬆地與某些其他原子共享其所有四個軌道電子，從而與它們形成共價鍵。

5. 矽可以同時形成多個鍵嗎？

由於 p-d 鍵重疊不足，矽**無法形成 Si=Si**。由於其尺寸，Si 幾乎沒有傾向於與自身形成雙鍵。