硅單質(zhì)及其化合物性質(zhì)課件

第1章硅單質(zhì)及化學物的性質(zhì)萍鄉(xiāng)高等專科學校10光伏10366010

陳龍龍第1章萍鄉(xiāng)高等?？茖W校11.1硅元素1.2硅單質(zhì)及其性質(zhì)1.2.1硅的物理性質(zhì)1.2.2硅的化學性質(zhì)1.2.3硅的分類硅的用途硅的生長方法1.3硅化合物及其性質(zhì)1.3.1二氧化硅1.3.2一氧化硅1.3.3硅的鹵化物1.3.4硅烷1.4太陽電池的發(fā)展目錄1.1硅元素1.2硅單質(zhì)及其性質(zhì)1.2.1硅的物理性質(zhì)1.22硅單質(zhì)及其化合物性質(zhì)ppt課件3硅元素原子序數(shù)14，在自然界有三種同位素分別為質(zhì)子數(shù)為28，29，30的原子。所占比例分別為92.23%，4.67%，3.10%，硅的原子量為28.025。硅元素在元素周期表第三周期IVA族,價電子數(shù)目與價電子軌道數(shù)相等,被稱為等電子原子，電負性為1.90，原子的共價半徑為117pm，硅主要氧化數(shù)為+4和+2。硅在地殼中的豐度為25.90%，僅次于氧，硅的含量在所有元素中居第二位，硅在自然界主要以氧化物形式（如硅酸鹽礦石和石英砂）存在，不存在單質(zhì)。1.1硅元素硅元素原子序數(shù)14，在自然界有三種同位素分別為1.1硅元41.2貴單質(zhì)及其性質(zhì)1.2.1硅的物理性質(zhì)

硅晶體是原子晶體，是深灰色而帶有金屬光澤的晶體，它的熔點為1420℃，沸點為2355℃，莫氏硬度為6.5。硅晶體為脆性，密度為2.329克每立方厘米,比熱為0.7J/(g.K)。硅晶體形成過程是硅原子中的價電子進行雜化，形成四個雜化軌道，相鄰硅原子的雜化軌道相互重疊，以共價鍵結合，形成硅晶體。在常壓下硅晶體具有金剛石型結構。硅單質(zhì)是半導體，介于導體與絕緣體之間。硅晶體的共價鍵中電子在正常情況下是束縛在成鍵兩原子周圍，它們不會參與導電。因此在絕對溫度零度（T=0K）和無外界激發(fā)的條件下，硅晶體沒有自由電子存在。硅的電導率對外界因素（如光、熱、磁等）高度敏感。室溫下硅無延展性，屬脆性材料。但在溫度高于700℃時的硅具有熱塑性，在應力作用下會呈現(xiàn)塑性形變,其內(nèi)部存在的位錯才開始移動或攀移。1.2貴單質(zhì)及其性質(zhì)1.2.1硅的物理性質(zhì)5硅單質(zhì)及其化合物性質(zhì)ppt課件61.2.2硅的化學性質(zhì)硅單質(zhì)在常溫下化學性質(zhì)十分穩(wěn)定，但在高溫下，硅幾乎與所有物質(zhì)發(fā)生化學反應。硅容易同氧、氮物質(zhì)發(fā)生作用，硅材料的一個重要優(yōu)點就是硅表面很容易氧化，形成結構高度穩(wěn)定的二氧化硅氧化層。它可以在400℃與氧發(fā)生反應,在1000℃與氮進行反應。硅在300℃與氯發(fā)生反應。在2273-2773K時硅能與碳反應。在1673K與氨反應：在高溫下硅能與一些氧化物反應，如在1400℃以上能與二氧化硅反應：

在1000℃能與水蒸汽反應：在常溫下硅對多數(shù)酸是穩(wěn)定的，硅不溶于鹽酸、硫酸、硝酸、氫氟酸及王水。但硅卻很容易被HF-HNO3混合液所溶解。因而，通常使用此類混合酸作為硅的腐蝕液。1.2.2硅的化學性質(zhì)7硅的一些化學方程式：Si＋SiO2＝2SiO高溫Si＋2F2＝SiF4Si＋4HF＝SiF4↑＋2H2↑Si＋2NaOH＋H2O＝Na2SiO3＋2H2↑硅的一些化學方程式：Si＋SiO2＝2SiO高溫Si＋281.2.3硅的分類及應用

硅根據(jù)其雜質(zhì)含量分為粗硅和高純硅。粗硅的純度約為95%-99%，又稱為冶金級硅，其中含有各種雜質(zhì)，如Fe、C、B、P等。主要用于鋁硅合金(如作汽車發(fā)動機)。用來制備硅氧烷和有機硅化學品的也是這種規(guī)格?！耙苯鸸琛钡钠渌猛具€包括煉鋼、高溫合金、銅合金和電接觸材料，還是高純硅的原料。高純硅一般要求純度達到小數(shù)點后面6個“9”至8個“9”的范圍，一般用作半導體和太陽能電池。根據(jù)高純硅摻入雜質(zhì)不同又分為P型硅半導體和N型硅半導體。高純硅根據(jù)晶型的不同又分為單晶硅、多晶硅和無定形硅。高純硅根據(jù)用途不同可分為電子級硅和太陽能級硅。硅含量為99.9999%（6個9）的為太陽能級硅（SG），主要用于太陽能電池芯片的生產(chǎn)制造。純度在99.999999999%（11個9）的為電子級硅（EG），主要用于半導體芯片制造。經(jīng)過研究，人們發(fā)現(xiàn)，金屬鉭、鉬、鈮、鈦、釩等即使在硅中含量極微，也會對電池的效率產(chǎn)生影響。，也不會對電池的轉換效率產(chǎn)生明顯影響，這就比對半導體級硅的要求放寬了100倍，因而人們可以嘗試用成本較低的方法來制造太陽能電池級硅材料。1.2.3硅的分類及應用9

硅材料科學與技術的卓有成效的發(fā)展在20世紀世界材料科學領域中無可非議地占據(jù)了極為重要的地位。1948年發(fā)明的半導體晶體管，導致電子設備小型、輕量、節(jié)能、低成本，并提高設備可靠性及壽命；1958年出現(xiàn)的集成電路，使計算機及各種電子設備發(fā)生一次飛躍。進入20世紀90年代，集成電路的集成度進一步提高到微米、亞微米以及深亞微米水平。下面簡單介紹高純硅的主要用途：硅的用途硅的用途10①整流器按容量分兩類：大容量電力用整流器和小容量整流器。大容量的用于電氣鐵道、電化學及電冶金工業(yè)、機械制造工業(yè)，代替直流電源---直流發(fā)電機、水銀整流器、硒整流器等。小容量整流器且用于電報接收機、收音機、通訊沒備及其他電氣儀器的直流電供電裝置，用以代替硒整流器與真空管。②二極管晶體二極管即能整流又能檢波?？煞譃辄c接觸型和面結型晶體二極管。定電壓二極管用電氣測定儀器、電子計算機、載波裝置及其他電子儀器中的定電壓回路中。其它二極管，用于微波通訊裝置、雷達及其它無線電設備等。③三極管有信號放大和開關作用。與二極管通常稱為小功率器件。④集成電路這是將成千上萬個分立的晶體管、電阻、電容等元件，采用掩蔽、光刻、擴散等工藝，把它們集成在一個或幾個很小的硅晶片上集結成一個或幾個完整的電路。微機的出現(xiàn)就是集成電路發(fā)展的結果，隨著集成電路的不斷發(fā)展，我們的微型計算機可以體積更小、速度更快、功能更強大。⑤原子能方面應用原子能電池與太陽能電池結構一樣，可以把原子堆廢料中放出的射線轉變?yōu)殡娔?。容量小，效率低，但壽命和效率在幾年?nèi)不會降低。⑥硅可以作成紅外探測器，廣泛用于照相機、人造衛(wèi)星、火箭和紅外強聚焦等設備上。⑦光電池利用硅材料可以把光能轉化成電能。尤其是把太陽能轉化成電能，常用的是光伏發(fā)電。①整流器按容量分兩類：大容量電力用整流器和小容量整流器。11電子集流器太陽能電池板光導纖維電子集流器太陽能電池板光導纖維12硅的生長方法直拉法區(qū)域融化法布里奇曼法枝蔓生長法氣相沉積生長發(fā)硅的生長方法直拉法131.3硅化合物及其性質(zhì)1、二氧化硅二氧化硅是制造冶金硅的主要原料之一，SiO2的同質(zhì)多晶變體很多，其中最常見的、在地球上分布最廣的是低溫石英，即β-石英，一般稱為石英。而高溫石英(α-石英)則少見，SiO2的高溫變體(鱗石英、方石英等)在自然界少見，而多存在于人造硅酸鹽制品中。石英是分布很廣的礦物。在地殼中石英成分占百分之十二，僅次于長石。純凈的石英又稱為水晶，它是一種堅硬、脆性、難溶的無色透明的固體。1.3硅化合物及其性質(zhì)14硅單質(zhì)及其化合物性質(zhì)ppt課件15硅單質(zhì)及其化合物性質(zhì)ppt課件161、藥用二氧化硅：主要用作潤滑劑、抗粘劑、助流劑.

2、食品、飲料用二氧化硅：流動助劑、抗結塊性能。3、橡膠用二氧化硅：消除內(nèi)張力、分層和開裂現(xiàn)象.

4、油漆、涂料用二氧化硅：控制流變、防亮光、抗流掛、抗紫外線、防沉降、提高耐腐蝕性。

5、造紙用二氧化硅：吸墨速度快、白度高、打印圖象清晰、鮮艷。

6、模具用二氧化硅：具有優(yōu)異分散性、相溶性、高透明性、高白度。7、還生產(chǎn)其他二氧化硅用于石油、食用油脫色劑、牙膏研磨劑、皮革專用消光劑等。

二氧化硅的作用1、藥用二氧化硅：主要用作潤滑劑、抗粘劑、助流劑.

2、食品17二氧化硅在自然界中的存在形態(tài)石英水晶瑪瑙二氧化硅在自然界中的存在形態(tài)石英水晶瑪瑙182、一氧化硅SiO

硅和二氧化硅的均勻混合物在低壓下加熱到1450K以上，生成揮發(fā)性物質(zhì)一氧化硅。但對一氧化硅的固態(tài)形式是否存在還有爭論，實驗資料表明一氧化硅在1470K以下是熱力學不穩(wěn)定比，它按等摩爾比生成硅石和硅歧化回來。

2、一氧化硅SiO19

3、硅的鹵化物

硅的鹵化物都是無色的，常溫下SiF4是氣體，SiCl4和SiBr4是液體，SiI4是固體。硅的鹵化物都是共價化合物，熔點、沸點都比較低，氟化物、氯化物的揮發(fā)性更大，易于用蒸餾的方法提純它們，常被用作制備其它含硅化合物的原料，SiF4是無色而有刺激性氣味的氣體，由于它在水中強烈水解，因而在潮濕的空氣中會發(fā)煙，無水的SiF4很穩(wěn)定。通常制備SiF4是用螢石粉和石英砂的混合物與濃硫酸加熱，常溫下，SiCl4是無色而有刺鼻氣味的液體。分子量169.90，蒸汽壓55.99kPa(37.8℃)。熔點-70℃，沸點57.6℃。可混溶于苯、氯仿、石油醚等多數(shù)有SiCl4易水解，因而在潮濕空氣中與水蒸氣發(fā)生水解作用會產(chǎn)生煙霧，可以吸入、食入、經(jīng)皮吸收，對眼睛及上呼吸道有強烈刺激作用。高濃度可引起角膜混濁，呼吸道炎癥，甚至肺水腫。皮膚接觸后可引起組織壞死。在氯氣氣流內(nèi)加熱硅（或SiO2和焦碳的混合物）可生成SiCl4,SiBr4和SiI4在水中也易水解。3、硅的鹵化物204、三氯氫硅三氯氫硅是無色透明液體，熔點-128℃，沸點31.5℃。三氯氫硅由硅粉與氯化氫合成而得?；瘜W方程式為：Si+3HCl=SiHCl3+H2上述反應要加熱到所需溫度才能進行，反應是放熱反應。反應除了生成三氯氫硅外，有四氯化硅或SiH2Cl2等氯硅烷以及其他雜質(zhì)氯化物。也可以在高溫高壓下用氫還原四氯硅生成三氯氫硅：SiCl4+H2→SiHCl3+HCl。但該反應的一次轉化率低。三氯氫硅能在1100-1200℃被氫還原為單質(zhì)硅，其反應方程式為：SiHCl3+H2=Si+3HCl4、三氯氫硅215、硅烷

硅和碳一樣能和氫生成一系列氫化物，但硅與氫不能生成與烯烴、炔烴類似的不飽和化合物，所以硅的氫化物又稱為硅烷。硅烷的通式可以寫作SinH2n+2，硅烷的結構與烷烴相似。迄今為止，已制得的硅烷也只有二十幾種。最重要和最簡單的硅烷是甲硅烷。由于硅和氫不能直接作用生成甲硅烷，我們只能用間接法制備。在所得產(chǎn)物中有不到一半的甲硅烷，其余為高級硅烷和氫氣。80年代美國聯(lián)合碳化物公司成功采用催化劑，使氯硅烷產(chǎn)生歧化反應生成甲硅烷：該法大大降低了甲硅烷的制備成本，已進行大規(guī)模生產(chǎn)。甲硅烷是無色、無臭的氣體。熔點-185℃，沸點-111.8℃。硅烷都是共價型化合物，能溶于有機溶劑。甲硅烷比甲烷的化學性質(zhì)更活潑。甲烷在常溫下不會與氧氣反應，而甲硅烷在空氣中能自燃生成二氧化硅和水甲硅烷有強的還原性，可將高錳酸鉀還原成二氧化錳：甲硅烷對堿十分敏感，溶液有微量的堿便可以引起甲硅烷迅速水解，生成硅酸和氫。甲硅烷的熱穩(wěn)定性差，在高溫下會分解為硅和氫甲硅烷的標準摩爾生成焓為正值，反應是放熱的。SiH4被大量地用于制高純硅。硅的純度越高，大規(guī)模集成電路的性能就越好。

5、硅烷能溶于有機溶劑。甲硅烷比甲烷的化學性質(zhì)更活潑。甲221.4太陽能級硅材料發(fā)展前景今后光伏產(chǎn)業(yè)將迅猛增長，對多晶硅的需求將超過電子工業(yè)。光伏產(chǎn)業(yè)是拉動多晶硅生產(chǎn)的主要動力。化石資源日漸匱乏、原油價格持續(xù)上漲促進行業(yè)快速增長。根據(jù)“哈伯特峰值”理論，石油開采接近全球產(chǎn)量儲備一半后產(chǎn)量將逐年下降，替代能源開發(fā)成為趨勢；油價高引發(fā)各政府對可再生能源的重視，采用補貼方式致使近年光伏行業(yè)發(fā)展復合增長率高達45%以上。光伏市場未來5年復合增長率至少超過30%。EPIA根據(jù)現(xiàn)有各國政策驅動，預計未來國家發(fā)展和改革委員會能源局副處長周篁指出，據(jù)國務院發(fā)布的可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃顯示，預計20