[高瞻自然科學教育資源平台] 矽(Silicon)元素

高雄市立高雄女子高級中學化學科洪瑞和老師/國立中山大學董騰元教授責任編輯

矽在早期曾被戴維(Davy)誤認為化合物。18 世紀 70 年代，化學家們用螢石與硫酸作用發現氫氟酸以後，便打開了人們認識矽石複雜組成的大門。尤其在電池發明以後，化學家們利用電池獲得了活潑的金屬鉀、鈉、初步找到了把矽從它的化合物中分離出來的途徑。1823 年瑞典化學家 Berzelius J. J. 用金屬鉀還原四氟化矽或用金屬鉀與氟矽酸鉀共熱，首次製得較純的粉狀單質矽。

矽的拉丁名稱 Silex 即「石頭」的意思。早期化學家把燧石及類似的岩石稱為「Silica」，Berzelius 從矽石中發現新元素矽時，簡單地在該詞後加上一個共非金屬用的字尾「on」，結果就是 Silicon，元素符號為「Si」。

矽在地殼中的豐度為 27.7%，在所有的元素中居第二位，地殼中含量最多的元素氧和矽結合成的二氧化矽 SiO₂，占地殼總質量的 87%。矽以大量的矽酸鹽和石英礦形式存在於自然界中，是構成地球上礦物界的主要元素。由於矽易與氧結合，因而自然界中沒有游離態的矽存在。

矽的製備：
工業上用焦碳在電爐中將石英砂還原，先得到粗 Si：SiO₂+2C → Si+2CO ，然後再將粗 Si 再轉變成四氯化矽：Si+2Cl₂ → SiCl₄ 用精餾的方法將 SiCl₄ 純化後，再用鋅或鎂還原 SiCl₄，以得到較高純度的單質矽（冶金級矽）：SiCl₄ + 2Zn → Si + 2ZnCl₂（950℃，杜邦法），最後用物理方法（區域熔融法，zone melting 或 zone refining），來進一步純化，得到高純度的矽。

矽的用途：

1. 高純度的單晶矽是重要的半導體基礎材料主要應用在積體電路及微晶片。在單晶矽中摻入微量的 ⅢA 族元素，形成 P 型矽半導體；摻入微量的 ⅤA 族元素，形成 N 型矽半導體；將 N 型和 P 型半導體結合在一起，可製作太陽能電池，現已形成一新興的太陽能產業。
2. 矽是金屬陶瓷、太空飛行的重要材料：將陶瓷和金屬混合燒結，製成金屬-陶瓷複合材料可耐高溫。
3. 用於光纖通訊：利用二氧化矽製造玻璃纖維，利用雷射光進行訊號傳輸，不受電、磁干擾，且傳輸速度快、容量大。
4. 有機矽化合物：有機矽塑料是良好的防水塗佈材料；矽膠具良好的絕緣性能，不易老化、龜裂、無毒，可作為醫用高分子材料 ；矽油是良好潤滑劑，因其黏度幾不受溫度影響，流動性佳、蒸氣壓低，廣泛應用於極端環境。

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