回顧有機硅發(fā)展歷程:從無(wú)機到有機——硅原子的“進(jìn)化”歷程
來(lái)源:轉+改 作者:強力化工 發(fā)布時(shí)間:2024-01-11 09:20 閱讀次數:1482

       

      有機硅是指含有硅-碳鍵,且至少一個(gè)有機基團與硅原子直接相連的化合物,也常把那些通過(guò)氧、硫、氮等使有機基與硅原子相連接的化合物也當作有機硅化合物。無(wú)機硅是指不含有硅-碳鍵,且所有的基團都是與硅原子通過(guò)氧、硫、氮等連接的化合物。


圖一:地殼中硅以及其它元素含量分布圖

      硅元素在大自然中含量豐富,在地殼中僅次于氧元素,約占地殼質(zhì)量的26.3%。在人類(lèi)數千年漫長(cháng)的發(fā)展歷程中,硅原子及其化合物扮演了極其重要的角色。隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,人們對含硅材料的認識也在不斷深化,含硅材料的應用范圍在不斷擴大。按照人類(lèi)利用含硅材料的歷史脈絡(luò )劃分,人類(lèi)對含硅材料的應用大致可分為三個(gè)階段:含硅化合物(二氧化硅及硅酸鹽)用作建筑材料;金屬硅及其合金用于集成電路;有機硅化合物應用于人類(lèi)生活的方方面面。

晶體二氧化硅的空間結構模型(圖片來(lái)源于網(wǎng)絡(luò ))

       由于硅是一種親氧元素,因此自然界中無(wú)游離狀態(tài)的純硅,而是以含硅化合物的形式存在。含硅化合物,主要包括二氧化硅和硅酸鹽,是人類(lèi)應用最早的硅材料。起初人們應用含硅材料,主要是用含有二氧化硅以及硅酸鹽的沙子、泥土、石頭等作為建筑材料和生產(chǎn)原料,后來(lái)隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,人們制備出了硅酸,增加了含硅化合物的種類(lèi),同時(shí)也逐漸探索出二氧化硅、硅酸、硅酸鹽等含硅化合物的其它用途。

左:水晶;中:光導纖維;右:石英玻璃(圖片來(lái)源于網(wǎng)絡(luò ))

      天然存在的二氧化硅統稱(chēng)為硅石,主要有結晶形和無(wú)定形兩種形態(tài),其中結晶形的二氧化硅也叫石英,呈無(wú)色透明固體狀態(tài),水晶、瑪瑙等常見(jiàn)裝飾品的主要成分就是石英,沙子中也含有微小的石英晶體顆粒。無(wú)定形態(tài)的二氧化硅,主要存在于硅藻土中,硅藻土為多孔、輕而軟的淺黃色或淺灰色粉末。晶體的二氧化硅具有空間網(wǎng)狀結構,這種結構非常穩定,因此晶體二氧化硅具有非常高的熔點(diǎn)和硬度,且不溶于水。綜合來(lái)看,二氧化硅的主要用途有:包含在沙子、泥土中用來(lái)做建筑材料;用作耐高溫的石英坩堝;用作石英玻璃制作石英表、石英鐘;作為石英和瑪瑙的主要原料制作裝飾品跟工藝品;純凈的二氧化硅可用于制造光導纖維。


變色硅膠吸收水分后的顏色變化過(guò)程(圖片來(lái)源于網(wǎng)絡(luò ))

      硅酸是弱酸性、難溶于水的白色膠體,加熱易分解,也是一種含硅化合物。相比于二氧化硅和硅酸鹽材料,人們對硅酸的應用較晚,主要用作硅膠干燥劑和催化劑的載體。


左:玻璃;中:水泥;右:陶瓷(圖片來(lái)源于網(wǎng)絡(luò ))

       硅酸鹽是由硅、氧、金屬元素組成的化合物的總稱(chēng),是構成巖石跟土壤的主要成分,除了硅酸鈉、硅酸鉀之外,其它的硅酸鹽都不溶于水。硅酸鈉是常見(jiàn)的一種硅酸鹽,為白色固體,可溶于水,其水溶液稱(chēng)為水玻璃,為無(wú)色粘稠液體,有粘性,可用于制造膠黏劑。用水玻璃浸泡過(guò)的物品不易燃燒,因此硅酸鈉還可以用作阻燃劑。硅酸鹽也是傳統三大無(wú)機非金屬材料玻璃、水泥、陶瓷的最重要組成部分,迄今為止,這三類(lèi)無(wú)機非金屬材料仍舊在人們的生產(chǎn)及生活中占據著(zhù)重要的位置。柏齊里烏斯(J.J.Berzelius)第一次制得元素硅的化學(xué)反應方程式


粗硅的制取及提純過(guò)程示意圖

       從早期人類(lèi)利用沙子、石頭、泥土等含有二氧化硅、硅酸鹽的材料作為建筑原料開(kāi)始,人類(lèi)對含硅化合物的利用已經(jīng)有數千年的歷史,但是直到十九世紀,人們才制得元素硅,并開(kāi)始探究其潛在的應用。             1824年,瑞典化學(xué)家柏齊里烏斯(J.J.Berzelius)用金屬鉀還原氟硅酸鉀,才第一次制得了元素硅,自此,硅材料的發(fā)展進(jìn)入了一個(gè)新的階段,以元素硅為基礎的各種類(lèi)型的材料和產(chǎn)品不斷涌現。


左:集成電路;右:太陽(yáng)能電池(圖片來(lái)源于網(wǎng)絡(luò ))

       硅(Si)有晶體硅跟無(wú)定形硅兩種形態(tài)的單質(zhì),其中晶體硅為灰黑色,無(wú)定形硅為黑色。硅單質(zhì)具有非常高的熔點(diǎn)、沸點(diǎn)和非常大的硬度,不溶于水、硝酸和鹽酸,溶于氫氟酸和堿液,具有金屬光澤。硅元素是周期表中第14號元素,處于金屬跟非金屬的過(guò)渡位置,因此其導電性介于導體跟絕緣體之間,是一種非常好的半導體材料。高純硅可被用作芯片、半導體材料(集成電路、晶體管等)、太陽(yáng)能電池、特殊用途的合金以及有機硅生產(chǎn)等用途。
       弗里得爾(Friedel)和克拉夫茨(Craft)合成第一個(gè)含Si-C鍵的有機硅化合物(四乙基硅烷)的化學(xué)反應方程式
     無(wú)論是二氧化硅、硅酸、硅酸鹽等含硅化合物,還是高純度的硅單質(zhì),都是以無(wú)機物的形式應用到人們的生產(chǎn)生活中,這些無(wú)機硅材料應用范圍相對比較小,并且經(jīng)過(guò)長(cháng)期的發(fā)展,其應用的潛力也逐漸被開(kāi)發(fā)殆盡。而有機硅化合物的出現,則為含硅材料的開(kāi)發(fā)及利用開(kāi)創(chuàng )了一條新的發(fā)展道路,增加了非常多種類(lèi)的含硅材料和產(chǎn)品,迅速地拓展了含硅材料的應用范圍。
     含有硅碳鍵(Si-C)且至少有一個(gè)有機基是直接與硅原子相連的化合物統稱(chēng)為有機硅化合物。習慣上把通過(guò)氧、硫、氮等使有機基與硅原子相連接的化合物也當作有機硅化合物。其中以硅氧鍵(-Si-O-Si-)為骨架組成的聚硅氧烷品種最多、應用最為廣泛。人類(lèi)對有機硅化合物的應用時(shí)間較短,1863年,法國科學(xué)家弗里得爾(Friedel)和克拉夫茨(Craft)將四氯化硅和二乙基鋅在封管中加熱到160℃,由此誕生了第一個(gè)含Si-C鍵的有機硅化合物——四乙基硅烷。自此之后,各種各樣的有機硅化合物被制造出來(lái),并被大量地應用到人們的日常生活中。


有機硅產(chǎn)業(yè)鏈示意圖
      有機硅產(chǎn)業(yè)鏈非常龐大,主要包括生產(chǎn)原料、有機硅單體、中間體以及硅油、硅樹(shù)脂、硅橡膠、硅烷偶聯(lián)劑等有機硅下游產(chǎn)品和由這些下游產(chǎn)品深加工制得的新產(chǎn)品和新材料等部分,生產(chǎn)工藝十分復雜。
      有機硅本身是一種新興的高性能材料,具有優(yōu)異的耐溫特性、耐候性、電氣絕緣性、生理惰性、低表面張力和低表面能等特性,因此具有極大的科研價(jià)值及應用潛力,為整個(gè)材料工業(yè)提供了材料基礎和技術(shù)支撐,被譽(yù)為“工業(yè)味精”以及“科技發(fā)展催化劑”??梢灶A料,在未來(lái)相當長(cháng)的一段時(shí)期內,有機硅材料仍將繼續在建筑工程、紡織、電子、交通運輸、石油化工、航空航天、新能源、醫療、機械、造紙、日化和個(gè)人護理品等關(guān)乎人們衣、食、住、行的領(lǐng)域為人類(lèi)的生活服務(wù)。
       元素周期表上與碳屬同一主族的硅元素,對人類(lèi)的生產(chǎn)及生活有著(zhù)重要影響,含硅的無(wú)機化合物和硅單質(zhì)是構成無(wú)機非金屬材料的主角,有機硅聚合物又應用在人們日常生活的方方面面。因此,了解硅原子從無(wú)機的化合物和單質(zhì)“進(jìn)化”到有機硅的歷程,有助于理解人類(lèi)利用含硅材料的歷史脈絡(luò ),有助于科技工作者從這段進(jìn)程中獲得更多的啟示,開(kāi)發(fā)出更多的服務(wù)于人們生產(chǎn)生活的含硅材料和產(chǎn)品。

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