雜說生活中的硅

馮大誠

組成地殼的元素有90多種。就質(zhì)量來說，氧元素占了將近一半，硅元素超過四分之一。也就是說，地殼質(zhì)量的近四分之三是硅、氧兩種元素。再加上排第三位的鋁（占8%），那就超過了80%。這三種元素也是構(gòu)成巖石的主要成分。我們就生活在主要由氧、硅、鋁元素組成的地殼表面。

為什么要說這些呢？就是要強調(diào)硅和氧在人類生活環(huán)境中無與倫比的重要性。硅是元素周期表上第14號元素，屬第四族。硅原子的核外有14個電子，其中10個是內(nèi)層電子，不參與化學(xué)鍵，4個是價電子，可以與別的原子形成4個化學(xué)鍵。最重要的鍵是硅氧鍵：每一個硅原子與4個氧原子連接，呈正四面體結(jié)構(gòu)，硅原子位于正四面體的中心，每一個氧原子則分別與兩個硅原子相連。這樣形成的硅氧四面體晶體就是石英。

石英這類硅氧化合物，由于硅原子和氧原子的比例是1：2，人們通常稱之為二氧化硅。與二氧化碳等小分子不同，石英中并不存在二氧化硅分子，它其實是許許多多硅原子和氧原子組成的原子晶體。

鋁與氧也能形成鋁氧四面體結(jié)構(gòu)。不過，由于鋁的價電子只有3個，鋁氧四面體結(jié)構(gòu)只帶一個負電荷，需要鑲嵌進鉀、鈉之類的金屬正離子。

以硅氧四面體和鋁氧四面體結(jié)構(gòu)為主，形成了地殼中的各類巖石。巖石風(fēng)化形成了沙子、黏土等。經(jīng)過億萬年植物和微生物的作用，又形成了土壤。巖石、沙子、黏土、土壤都主要由硅、鋁、氧元素構(gòu)成。

自古以來，人類在土壤上種植莊稼、蔬菜、樹木，利用土壤上生長的草飼養(yǎng)牲畜，利用黏土燒制磚瓦，在土地上建筑房舍。后來，我們學(xué)會燒制水泥，使得房舍的質(zhì)量有了質(zhì)的改善。我們還用石英砂和純堿等原料燒制玻璃，使房舍變得明亮……

尤其是古人利用黏土燒制出陶器，這可是人類發(fā)展史上的一件大事。有了陶器，人們可以貯存水，可以燒煮食物，使其更易被人類消化吸收。陶器的出現(xiàn)給人以定居和發(fā)展農(nóng)業(yè)的條件。通過對原料的選擇和改進以及燒制溫度的提高，古人又燒制出瓷器。從餐具到潔具，陶瓷制品至今都是我們每一個家庭不可缺少的生活用具。

上面所說的從磚瓦、水泥到陶瓷、玻璃，都是屬于傳統(tǒng)的硅酸鹽工業(yè)范疇。

電磁感應(yīng)現(xiàn)象是電磁學(xué)中最重大的發(fā)現(xiàn)之一，它使人類社會邁進了電氣化時代。許多人都做過這樣的物理實驗：電能和磁能的相互轉(zhuǎn)化需要經(jīng)由導(dǎo)電線組成的線圈，線圈中間有鐵磁性材料——一般用鐵釘。我們會發(fā)現(xiàn)，剛斷開電源時，鐵釘仍然會有一點磁性，也就是說，鐵釘上的磁性在電源斷開后會多“滯留”一會兒。人們把這種現(xiàn)象稱為“磁滯效應(yīng)”。不同成分的鐵芯，其磁滯效應(yīng)的大小也有差別。

在電動機和變壓器中，由于電流的大小和方向在不斷地變化，磁滯效應(yīng)會帶來大量能量損失。人們發(fā)現(xiàn)，含硅量1.0%～4.5%、含碳量小于0.08%的硅合金鋼的磁滯效應(yīng)比較小，用來做電動機和變壓器的鐵芯，磁滯效應(yīng)引起的損失比較小，可以把這樣的硅鋼壓成片，絕緣后疊合起來，作為線圈的芯子，即線圈架。如今，各種家用電器中大大小小的馬達和變壓器中都有這些硅鋼片。

單質(zhì)硅是非金屬，其導(dǎo)電性能并不好，只是一種半導(dǎo)體。但是通過“摻雜”，就可以做成二極管、三極管等晶體管。把大量的晶體管集成在硅片上，就成了如今非常熱門的芯片。制作這些芯片需要高純度的硅，其純度在99.9999%以上，高級的芯片甚至要用純度達到99.999999999%的硅，這是非常不容易的事情。

硅與碳是同一族的元素，兩者的原子核外都有4個價電子。碳原子能夠相互成鍵，形成很長或很復(fù)雜的碳鏈，它們是組成生命的化合物，也被稱為有機物（有機的原始含義就是與生命有關(guān)）。與碳的原子結(jié)構(gòu)相似的硅，按理說也應(yīng)當可以形成眾多的“硅有機物”?？上?，硅——硅鍵是一種弱鍵，在環(huán)境溫度下并不穩(wěn)定，容易分解掉。所以，現(xiàn)在地球上還沒有產(chǎn)生由“硅有機物”組成的生物體。

但是，硅——碳鍵還是相當穩(wěn)定的，硅——氧鍵則非常穩(wěn)定。以硅——氧鍵、硅——碳鍵為主，可以形成許多相當穩(wěn)定也比較復(fù)雜的化合物，人們稱之為有機硅化合物。例如，以硅——氧鍵為骨架組成的聚硅氧烷，被稱為硅油。如果硅——氧鍵骨架上的取代基都是甲基，則被稱為甲基硅油。這是一類很好的潤滑油。由于硅——氧鍵的鍵能比碳——碳鍵大，因此硅油比由碳骨架組成的普通潤滑油更耐高溫。也正因為硅——氧鍵的高穩(wěn)定性，使得許多有機硅化合物具有耐高溫、低溫，耐氧化，不易燃燒，耐輻射，絕緣性能好等優(yōu)秀品質(zhì)。包括硅油、硅橡膠、硅樹脂等在內(nèi)的有機硅化合物被廣泛應(yīng)用于包括航空航天、電子電工、醫(yī)療衛(wèi)生、食品加工、紡織、化工、文物保護等各行各業(yè)。連人民英雄紀念碑的碑體，也被涂上了一層有機硅化合物，以防止污染和腐蝕、保持潔白。

硅就是這樣一種與我們的生活密切相關(guān)的重要化學(xué)元素。