杂说生活中的硅

冯大诚

组成地壳的元素有90多种。就质量来说，氧元素占了将近一半，硅元素超过四分之一。也就是说，地壳质量的近四分之三是硅、氧两种元素。再加上排第三位的铝（占8%），那就超过了80%。这三种元素也是构成岩石的主要成分。我们就生活在主要由氧、硅、铝元素组成的地壳表面。

为什么要说这些呢？就是要强调硅和氧在人类生活环境中无与伦比的重要性。硅是元素周期表上第14号元素，属第四族。硅原子的核外有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。最重要的键是硅氧键：每一个硅原子与4个氧原子连接，呈正四面体结构，硅原子位于正四面体的中心，每一个氧原子则分别与两个硅原子相连。这样形成的硅氧四面体晶体就是石英。

石英这类硅氧化合物，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，石英中并不存在二氧化硅分子，它其实是许许多多硅原子和氧原子组成的原子晶体。

铝与氧也能形成铝氧四面体结构。不过，由于铝的价电子只有3个，铝氧四面体结构只带一个负电荷，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，形成了地壳中的各类岩石。岩石风化形成了沙子、黏土等。经过亿万年植物和微生物的作用，又形成了土壤。岩石、沙子、黏土、土壤都主要由硅、铝、氧元素构成。

自古以来，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牲畜，利用黏土烧制砖瓦，在土地上建筑房舍。后来，我们学会烧制水泥，使得房舍的质量有了质的改善。我们还用石英砂和纯碱等原料烧制玻璃，使房舍变得明亮……

尤其是古人利用黏土烧制出陶器，这可是人类发展史上的一件大事。有了陶器，人们可以贮存水，可以烧煮食物，使其更易被人类消化吸收。陶器的出现给人以定居和发展农业的条件。通过对原料的选择和改进以及烧制温度的提高，古人又烧制出瓷器。从餐具到洁具，陶瓷制品至今都是我们每一个家庭不可缺少的生活用具。

上面所说的从砖瓦、水泥到陶瓷、玻璃，都是属于传统的硅酸盐工业范畴。

电磁感应现象是电磁学中最重大的发现之一，它使人类社会迈进了电气化时代。许多人都做过这样的物理实验：电能和磁能的相互转化需要经由导电线组成的线圈，线圈中间有铁磁性材料——一般用铁钉。我们会发现，刚断开电源时，铁钉仍然会有一点磁性，也就是说，铁钉上的磁性在电源断开后会多“滞留”一会儿。人们把这种现象称为“磁滞效应”。不同成分的铁芯，其磁滞效应的大小也有差别。

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，磁滞效应会带来大量能量损失。人们发现，含硅量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，磁滞效应引起的损失比较小，可以把这样的硅钢压成片，绝缘后叠合起来，作为线圈的芯子，即线圈架。如今，各种家用电器中大大小小的马达和变压器中都有这些硅钢片。

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、三极管等晶体管。把大量的晶体管集成在硅片上，就成了如今非常热门的芯片。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，两者的原子核外都有4个价电子。碳原子能够相互成键，形成很长或很复杂的碳链，它们是组成生命的化合物，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，按理说也应当可以形成众多的“硅有机物”。可惜，硅——硅键是一种弱键，在环境温度下并不稳定，容易分解掉。所以，現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。以硅——氧键、硅——碳键为主，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，则被称为甲基硅油。这是一类很好的润滑油。由于硅——氧键的键能比碳——碳键大，因此硅油比由碳骨架组成的普通润滑油更耐高温。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。