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杂说生活中的硅 精选

已有 7206 次阅读 2022-2-25 08:43 |个人分类:科学与生活|系统分类:科普集锦

杂说生活中的硅

我们生活在地球上,地球的固体表层是地壳。地壳中的元素有九十来种,而其质量有不到一半是由氧元素提供的,超过四分之一是硅元素,也就是说,地壳中质量的差不多四分之三是硅、氧两种元素,用如今时髦的说法,二者真是“垄断的寡头”了。如果再加上第三位的8%的铝,那就占了百分之八十多。这三种元素也是构成岩石的主要部分。我们就生活在这样主要由氧、硅、铝组成的一个地壳的表面。

当然,地壳另外还有5%的铁、3%多的钙、以及2.5%多一点的钠、2.5%欠一点的钾以及2%的镁。上述8种元素占地壳总质量的98%,而其余的80多种元素加起来还不到地壳质量的2%。

为什么先要说这些呢?就是要强调硅和氧在人类生活环境中的无与伦比的重要性。

硅是元素周期表上的第14号元素,属第四族。它的核外有14个电子,其中10个是内层电子,不参与化学键,4个是价电子,可以与别的原子形成4个化学键。最重要也是最多的键是硅氧键,每一个硅原子与四个氧原子连接,呈正四面体状,硅位于正四面体的中心,而每一个氧原子则与两个硅原子相连,这样形成一个“巨大”的硅氧四面体的晶体。这是一个原子晶体。这样的晶体就是石英。比较纯净的无色透明的石英晶体是水晶。

铝与氧也形成铝氧四面体结构,不过,铝的价电子只有三个,这样的铝氧四面体结构就要带一个负电荷,需要镶嵌进钾、钠之类的金属正离子。

以硅氧四面体和铝氧四面体结构为主,形成了地壳中最广大的各类岩石。岩石风化了,形成了砂子、黏土等。又经过亿万年植物和微生物的作用,形成了土壤。岩石、砂子、黏土、土壤,都主要由硅铝氧构成。

千万年以来,我们人类在土壤上种植庄稼、蔬菜、树木,利用土壤上生长的草饲养牛羊,在土地上修建我们的家园。

几千年以来,我们利用黏土烧制砖瓦,建筑房舍。近二百多年来,我们又烧制了水泥,使得房舍的质量有了质的改善。

我们用石英砂和纯碱等原料烧制了玻璃,使房舍变得明亮。

这样,我们无时无刻不生活在主要由硅氧铝元素组成的土地上。而我们在大多数时间里生活的空间也就是房舍里,上下左右前前后后,都主要由硅氧铝元素所构成。

我们的祖先,利用黏土烧制了陶器,这是人类发展历史上的一件大事。有了陶器,人们可以贮存水,人们可以烧煮食品,特别是可以烧煮植物的种子也就是粮食,使得这些粮食可以被人类消化,吸收其营养。陶器的发明使人有了定居和发展农业的条件。而原料选择的改进以及烧制温度的提高,又产生了瓷器。从餐具到洁具,优秀的陶瓷器具至今都是我们每一个家庭不可缺少的生活用具。

上面所说的这些,从砖瓦、水泥到陶瓷、玻璃,都是所谓传统的硅酸盐工业制品。这些产品都是我们一天也离不开的。

石英一类的硅氧化合物中,由于硅原子和氧原子的比例是1:2,人们通常称之为二氧化硅。与二氧化碳等小分子不同,在石英晶体中,并不存在二氧化硅分子,而是许许多多硅原子和氧原子组成的原子晶体。

由于硅原子和氧原子形成的化学键很牢固,二氧化硅的化学性质不活泼。这样,我们可以用玻璃瓶来盛装许多种化学药品。

如果我们吃进了含有砂子的食品(这在过去的食品中是常有的事情),我们的消化系统也不会消化这些砂子,它们会被原封不动地排出体外。

如果人们在呼吸时,吸进了含有二氧化硅粉末的空气,除了我们的鼻毛等可以阻挡一些外,有些较细的粉末会进入人们的肺泡。这些化学性质非常稳定的粉尘就会留着肺泡内,日久天长日积月累,就会堵塞肺泡,阻碍肺泡中氧气和二氧化碳的交换。这就是硅肺病。过去在含二氧化硅粉尘大的工作环境中工作,对身体的保护不好,就会引起这样的职业病。

硅元素的拉丁文是silicium,过去曾经音译为矽,所以硅肺病过去称为矽肺病。

关于硅元素的翻译,中国人最初音译为矽。日本人翻译为硅。“百度百科”在硅字条上说民国初有人音译为硅,发音为xi。不知根据何在。但是民国初出版的《中华大字典》以矽为主字条,在“矽”字条中说“化学原质之一。或译硅。”而在硅字条中则直接说“日本谓矽为硅素”。这应当是比较权威的说法。说明silicium的翻译成硅,应当与许多学术词语的翻译一样,直接把日语中的汉字搬过来了。硅化、硅貭、硅孔雀石等都是一般日语字典上的词汇。

把silicium翻译成硅看来是较早的翻译。日语中硅的读音为けい(kei),与日语圭的读音一样。虽然古人也有一个硅字,《广韵》有记载,《正字通》说硅是“砉字之讹”。砉是一个象声字,音hua1,或huo1(本来是入声)。这与把silicium翻译成的硅无论在读音还是在意义上都毫无相同之处。因此,硅应当被认为是日本人新造的汉字,用来意译拉丁语silicium。

民国期间,silicium音译为矽,音xi阴平声,但是,同样发音的化学元素还有“锡”和“硒”,而且二氧化矽、二氧化锡和二氧化硒都是常见的化合物名称,在语言交流中极易混淆,很不方便。所以在1950年代,负责审定科技名称的中国科学院就把silicium正式定译名为硅,音gui阴平声。这是很好的事情。

对于科学名称的审定和更改,工商业、医学和药学方面总是比较“拖后腿”,改起来很慢。如很多人至今仍然把硅肺病说矽肺病,把柠檬酸说成枸橼酸等等。

电磁效应是现代社会最重要的一种物理效应。电能和磁能的相互转化,使人们可以发电,也可以利用电能做功即电动机。这种转化都需要经由导电线组成的线圈,而线圈中间则需要有具有铁磁性的材料。这种铁磁性的材料最早用铁。我们在小学的课程中就知道了电磁铁,在一个铁钉上绕上包有绝缘层的导线,成为一个线圈,就做成了一个电磁铁。通上电,电磁铁就有磁性可以吸引住铁制品;一断电,磁性就消失了。但是,我们也发现,刚断开电源时,铁钉仍然会有一点磁性,或者说,铁芯(这里就是铁钉)上的磁性在电源断开后会多“滞留”一会儿,人们称之为“磁滞”。磁滞与铁芯的性质有关,不同成分材料做成的铁芯,其磁滞的大小也有差别。

在电动机和变压器中,由于电流的大小和方向在不断地变化,磁滞效应会带来能量的许多损失。人们发现,含硅为1.0~4.5%,含碳量小于0.08%的硅合金钢的磁滞效应比较小,用来做电动机和变压器的铁芯,磁滞引起的损失比较小。因而就用这样的“硅钢”压成硅钢片,绝缘后叠合起来,做线圈的芯子即线圈架。如今各家各户各种家用电器中大大小小的马达和变压器中间都有这些硅钢片。

我们小时候也常常把收音机拆下来的烧坏了的“方棚”(变压器的线圈架,transformer中former的沪语音译)中的“矽钢片”拿来玩。那时候都称矽钢片。现在规范的称呼应当是硅钢片,不过也还有人用它的旧称。

单质硅是非金属,其导电性能并不好,只是一种“半导体”。但是通过“掺杂”就可以做成二极管、三极管等所谓晶体管。如今,晶体管已经被大规模地“集成”,也就是把许许多多晶体管直接做在硅片上,这就是如今非常热门的“芯片”。

电脑、手机、电视机、数码相机以及无数多多少少带有一定“智能”功能的电器,其智能都“集成”在它们的芯片上。制作这些芯片,需要高纯度的硅,其纯度在99.9999%以上,高级的芯片中甚至要用纯度达到99.999999999%的硅,这是非常不容易的事情。

硅与碳是同一族的元素,都有4个价电子。碳与碳能够相互成键形成很长的或很复杂的碳链,并最后形成生命,这些碳的化合物,也被称为有机物(有机的原始含义就是与生命有关)。与碳的原子结构相似的硅,从原则上说,也应当可以有与碳相似的众多“硅有机物”。但是,不幸得很,由于硅-硅键是一种弱键,在如今地球这样的温度下并不稳定,容易分解掉,所以,现在地球上还没有产生由“硅有机物”组成的生物体。

但是,硅-碳键还是相当稳定的。硅-氧键则非常稳定。这样,以硅氧键、硅碳键为主,也可以形成许多相当稳定也比较复杂的化合物,人们称之为有机硅化合物。

例如,以硅氧键(-Si-O-Si-)n 为骨架组成的聚硅氧烷,被称为硅油。如果硅氧键骨架上的取代基都是甲基,被称为甲基硅油。这是一类很好的润滑油。由于硅氧键的键能比碳碳键大,因而硅油比由碳骨架组成的普通润滑油更能够忍耐较高的温度。

也正因为硅氧键的高稳定性,使得许多有机硅化合物具有耐高温、低温,耐氧化,不易燃烧,耐辐射,绝缘性能好等优秀品质。包括硅油、硅橡胶、硅树脂等在内的有机硅化合物被广泛应用于包括航空航天、电子电工、医疗卫生、食品加工、纺织、化工、文物保护等各行各业。连人民英雄纪念碑的碑体,也被涂上了一层有机硅化合物,以防止污染和腐蚀、保持洁白。

硅就是这样一种与我们的生活密切相关的重要化学元素。






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