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砂中之宝——硅

来源:未知作者:向小平 点击:所属专题: 化学元素简介 硅元素
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

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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。

疾风知劲草

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”。

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。

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。用硅和锗的砂中之宝——硅合金做的换能器,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。

耐用的硅橡胶

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,否则就会变质砂中之宝——硅老化,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。

奇特的水玻璃

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。

 

(责任编辑:化学自习室)
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