硅素

**矽**（英語：Silicon，中國大陸譯**硅**），是一種化學元素，化學符號為 **Si**，原子序數為 14，原子量為 28.085 u。

矽是外觀帶著灰藍色金屬光澤且堅硬易碎的晶體，亦是一種四價的類金屬半導體。矽為週期表第十四族元素之一：碳在其排序之上，其下依序為鍺、錫、鉛和鈇。由於它對於氧的高親和力，直至在西元 1823 年才第一次被永斯・貝采利烏斯成功純化。它的熔點和沸點分別為攝氏 1414 度及 3265 度，且分別在金屬和非金屬中排名第二，僅次於硼。矽在宇宙中最常見元素中排名第八，但以元素型態分佈在地殼是非常罕見的。它常以二氧化矽或矽酸鹽等多樣的形式廣泛分佈於土壤、沙和小行星和行星中。地殼的組成超過九成是矽酸鹽類物質，使得矽成為地殼中含量第二的元素，僅次於氧。

元素矽也在世界經濟上有很大的影響，矽通常會與天然礦物一起加工，其用途廣泛：包括建築業使用的粘土、矽砂和石頭。波特蘭水泥中的砂漿和灰泥組成也含有矽酸鹽，可與矽砂和礫石混合成混凝土，用於走道、地基、道路上。它們還用於白色陶瓷，像是瓷器，也可用於製造傳統的石英鈉鈣玻璃和許多其他特殊玻璃。矽最廣為人知的用途是去合成以聚矽氧聚合物為基礎的合成聚合物。有些矽的化合物，像是碳化矽可用作研磨物或高強度陶瓷元件。大多數游離的矽被用於鍊鋼、鑄鋁和高質量的化工業上（通常是製造氣相二氧化矽）。更顯著的是，半導體電子業運用極少部分的高純度矽（小於 10％），而高純度矽在積體電路上是一種必要的元素，大部分的電腦、手機及現代科技都依靠它。

雖然動物通常對於矽的需求是微量的，但在生物學裡，矽是一種必要的元素。在多種的海綿動物門及微生物裡，像是矽藻及放射蟲會分泌由二氧化矽組成的骨骼物質。二氧化矽亦通常沉澱於植物組織中。

## 性質

### 物理性質

結晶型的矽是暗藍色的，很脆，是典型的半導體。

### 化學性質

矽的化學性質非常穩定，常與氧元素形成化合物。存在於地表的矽幾乎總以含氧化合物的形式存在，尤以包含 4 個配位鍵的結構居多，少有例外。每 1 個矽元素搭配 4 個氧元素的組合可以單獨形成基團，也可以形成鏈、帶、環、層等複雜結構。在常溫下，除氟化氫以外，很難與其他物質發生反應。

固態矽單質不太活潑，不易與氣體或液體試劑反應；液態矽單質則相反，能與多數金屬發生反應。

### 同素異形體

同素異形體有兩種，一種為暗棕色無定形粉末，用鎂使二氧化矽還原而得，性質比較活潑，能夠在空氣中燃燒，稱無定形矽；另一種為性質穩定的晶體（結晶矽），是用炭在電爐中使二氧化矽還原而得。

## 發現

1787 年，拉瓦節首次發現矽存在於岩石中。然而在 1800 年，漢弗里・戴維將其錯認為一種化合物。1811 年，給呂薩克和路易・特納可能已經通過將單質鉀和四氟化矽混合加熱的方法製備了不純的無定形矽。1823 年，矽首次作為一種元素被貝采利烏斯發現，並於一年後提煉出了無定形矽，其方法與給呂薩克使用的方法大致相同。他隨後還用反覆清洗的方法將單質矽提純。

## 名稱由來

英文中的 silicon 一詞，來自拉丁文的 _silex, silicis_，意思為燧石（即火石，富含矽元素）。在 1831 年，蘇格蘭化學家托馬斯・湯姆森創造了這個名詞。

在 1823 年純化出來後，瑞典化學家永斯・貝采利烏斯利用新拉丁文規則造出 silicium 這個單字，再加上 - ium 字根，以代表它是一種金屬。歐洲許多國家都採用 silicium 這個名稱，但英文名稱最終採用了在 1817 年提出的 silicon 這個拼法，去除了代表金屬的 - ium 字根，因為它的物理特性更接近於碳（carbon）與硼（boron）這一類元素。

### 漢字

1837 年，日本第一部西方化學譯著，宇田川榕庵的《舍密開宗》首先以「珪土」作為矽元素的名稱。該書術語譯自荷蘭語詞彙，由於當時荷蘭語矽的元素名為「keiaarde」，是「keisteen-aarde」（燧石土）的縮略，日本就專門找了一個玉字旁的同音字「珪」（平假名：けい _kei_，漢語：ㄍㄨㄟ，是「圭」的異體字）來音譯「kei」。因此「keisteen」就譯成「珪石」，作為 SiO2 的名稱；由於當時荷蘭語中的鎂、鋁、矽、鋇等元素都是以「-aarde」（土）結尾，因此日語也分別照譯成苦土、礬土、珪土、重土。後來日本摒棄了源自荷蘭語的「土」，改譯為「珪素」，在 19 世紀後期又出現了「硅素」的寫法，不過 19 世紀末日本規定以「珪素」為準。「珪 / 硅」進入中國是 20 世紀初，由於它屬於固態非金屬元素，所以中國採用了石字旁的寫法。

在中國，清朝徐壽在 1871 年出版的《化學鑑原》中，創造「矽」字作為 silicon 的音譯。在中華民國成立後，中華民國教育部於 1933 年公布《化學命名原則》，採用「矽」為正式譯名，音讀為「si (t)，夕（入）」，其中寫道「Silicon 舊譯一作硅，一作矽，硅由日名珪素孳演而成，因爲固體，故改王旁爲石；於義旣無可取，不如用諧聲之矽。」台灣以此為標準譯名。

中華人民共和國成立後，中國科學院於 1953 年 2 月在北京組織召開了一次全國性的化學物質命名擴大座談會。會議邀集全國各地的化學專家以及從事文字改革工作的學者參加。據會議紀要顯示，當日會場上圍繞矽字等同音字是否需要變更有著兩種不同的看法。一派是以顧翼東、方柏容、劉澤先三位先生為代表，主張改；另一派則以符綬璽、侯毓汾二位先生為代表，主張不改。座談會結束後不久，《化學通報》連載了化學名詞審查小組成員陶坤的文章 ——《化學新字的讀音》上、下兩篇。在下篇中，陶文宣布將矽字改為硅字，在註解中，他陳述了更改的理由：「矽音夕，與硒、烯、醯、錫不易分辨。」真正全國性的統一變更是在 1957 年。這一年，中國科學院編譯出版委員會名詞室下發《關於幾個化學名詞訂名問題的通知》，正式宣布廢矽改硅的決定。這一通知中提到了審定理由和過程：「1953 年化學名詞審查小組建議將『矽』改為『硅』，1955 年，無機化合物名詞審查小組認為此項建議甚為正確，在徵求全國各有關單位意見後，決議將『矽』改為『硅』。」不過，在一些術語中，如醫學術語「矽肺」、工業術語「矽鋼片」中，中國大陸仍然保留了矽字（在中國大陸讀作ㄒㄧ）。在香港，兩用法皆有，但「矽」較通用。

## 分布

矽主要以含氧化合物的形式，作為僅次於氧的最豐富的元素存在於地殼中，約占地表岩石的四分之一，廣泛存在於矽酸鹽和矽石中。

## 製備

工業上，通常是在電爐中由高純度碳還原二氧化矽（常見於石英或沙子）而製得：

　
: ${\ce {SiO2 + 2C -> Si + 2CO}}$

為減少副產物碳化矽的產生，需要加入過量的二氧化矽：

　
: ${\ce {SiO2 + 2SiC -> 3Si + 2CO}}$

這樣製得的矽純度為 97~98%，叫做粗矽。再將它融化後重結晶，用酸除去雜質，得到純度為 99.7~99.8% 的純矽。如要將它做成半導體用矽，還要將其轉化成易於提純的液體或氣體形式，再經蒸餾、分解過程得到**多晶矽**。如需得到高純度的矽，則需要進行進一步的提純處理。

## 同位素

已發現的矽的同位素共有 12 種，包括矽 25 至矽 36，其中只有矽 28，矽 29，矽 30 是穩定的，其他同位素都帶有放射性。

## 用途

矽是一種半導體材料，可用於製作半導體器件、太陽能電板、光纖和積體電路。還可以合金的形式使用（如矽鐵合金），用於汽車和機械配件。也與陶瓷材料一起用於金屬陶瓷中。還可用於製造玻璃、混凝土、磚、耐火材料、矽氧烷、矽烷。與鐵結合，可以成為矽鋼，這是一種耐磨的鋼件，常用在各種工具上。此外，矽也是不鏽鋼的主成分之一，用來使不鏽鋼具有耐磨的特性。

## 重要化合物

* 碳化矽，耐磨耐熱，用於半導體、避雷針、電路元件、高溫應用、紫外光偵檢器、結構材料、天文、碟剎、離合器、柴油微粒濾清器、細絲高溫計、陶瓷薄膜、裁切工具、加熱元件、核燃料、珠寶、鋼、護具、觸媒擔體等領域。
* 二氧化矽，是沙和石英的主要成分。在半導體和太陽能板等應用中，是目前主要的原料。
* 矽烷，在醫學和工業領域有著廣泛的應用。
* 四氯化矽，應用在半導體工業和光電池中。

## 參見

* 矽基生物
* 矽谷

## 參考資料

### 註腳

### 引用資料

### 補充來源

* Norman Neill Greenwood; Alan Earnshaw. _Chemistry of the Elements_ [元素化學]. 曹庭禮 (翻譯與編輯); 夏魯惠 (翻譯與編輯); 耿承延 (翻譯與編輯) 1. 北京：高等教育出版社. 1984 （中文（中國大陸））.

## 外部連結

* 元素矽在洛斯阿拉莫斯國家實驗室的介紹（英文）
* EnvironmentalChemistry.com —— 矽（英文）
* 元素矽在 _The Periodic Table of Videos_（諾丁漢大學）的介紹（英文）
* 元素矽在 Peter van der Krogt elements site 的介紹（英文）
* WebElements.com – 矽（英文）