一氧化硅(
硅 monoxide)是一种类金属
无机化合物,别名氧化硅(Ⅱ),化学式是SiO,
摩尔质量是44.084 g/
摩尔,密度是2.130 g/cm3。一氧化硅不溶于水,溶于浓
碱液。外观为黑色至黑
褐色带金属光泽的颗粒,在空气中表面易氧化形成
二氧化硅保护膜。
1890年,维克尔(Winkler)发现了一氧化硅的存在后,科学家开始了对一氧化硅的研究工作,并发现
硅土在高真空中有热分解发生。天文学家在1971年在星际物质中发现了一氧化硅成分。硅与
二氧化硅的均匀
混合物在低压下加热到1500℃以上,可生成气态一氧化硅,或者将碳和过量的二氧化硅混合物加热到2000℃时,可生成气态一氧化硅。
一氧化硅具有高
挥发性,在
硅石的还原过程中可促进反应加速进行。一氧化硅可用于制造铝
涂层、光学零件、镜子、
绝缘介质和
绝缘体,可将其蒸发涂盖在光学仪器用的金属反射镀面上用作保护膜,或在电化学储能领域制造SiO-
石墨烯纳米储能材料,在电子行业被用于制作铬-一氧化硅(
铬SiO)
电阻膜等。
发现历史
1890年,维克尔(Winkler)发现了硅的低
氧化物(即SiO)的存在。1907年,保脱尔(Potter)对一氧化硅的存在做出报告。之后,许多科学家投入了对一氧化硅的研究工作,例如,邦郝佛尔对一氧化硅的气态稳定性做了报告,康尼格称一氧化硅可由
硅土的还原或热分解所形成,路夫(Ruff)及苏米脱(Schmidt)考察硅土的蒸汽压时发现在高真空中有热分解发生。
1971年,天体物理学家威尔逊(Wilson, R. W.)在《天体物理杂志》刊登了一篇文章,称在星际物质中发现SiO成分。
2014年,以
中国科学院上海天文台王均智研究员为首、
中国科学院紫金山天文台研究人员参加的研究团组利用位于
西班牙的IRAM 30米毫米波望远镜在近邻的活动
星系NGC1068中测到了氧化硅(SiO)分子的超脉泽发射。分析表明,氧化硅脉泽来自非常靠近星系中心黑洞的高温气体盘。
理化性质
物理性质
一氧化硅的
分子式为SiO,分子量为44.084,密度为2.130 g/cm3,
熔点为1880 ℃,外形为黑色至黑
褐色带金属光泽的颗粒。不溶于水,溶于浓
碱液。一氧化硅具有高
挥发性,其蒸气压在1890℃时可达到1.01325×105 Pa。
化学性质
还原反应
一氧化硅气体与焦炭接触并作用,生成
碳化硅。其反应式如下:
在较大容量的
硅铁电炉中,因炉温高,碳化硅易与一氧化硅产生反应,生成硅和
一氧化碳。其反应式如下:
氧化反应
一氧化硅可在空气中燃烧,与
氧气反应生成
二氧化硅。其反应式如下:
一氧化硅还可与水作用,生成二氧化硅和
氢气。其反应式如下:
应用领域
一氧化硅可用于电化学储能材料、电介质膜,还作为硅
冶炼过程中的中间产物存在。
电化学储能材料
在电化学储能领域,SiO-
石墨烯纳米
配位化合物被用作储能材料。在充放电过程中,
sio可以分为
金属性Si区域和SiO2区域。其中,金属性Si区域与Li+持续地发生
可逆反应,其充放电性能与纯Si
电极相同;SiO2区域中的微米级SiO2区域与Li+不发生电化学反应,纳米级SiO2区域只在首次放电过程中,一次性地与Li+发生
不可逆反应生成Li4SiO4和LiO2两种物质。因此,Li与SiO发生反应时,占主导地位的反应是Li与SiO中的金属性Si区域发生的反应,进而生成Li-Si合金。
电介质膜
由于一氧化硅具有一定的硬度和
化学稳定性,可在高真空中,将它蒸发涂盖在光学仪器用的金属反射镀面上,用作保护膜。一氧化硅还被应用于制作铬-一氧化硅(
铬SiO)
电阻膜。Cr-SiO膜由许多金属网络和金属-
氧化物金属等分支所构成,其TCR(温度系数)和
电阻率由各分支路的具体结构等因素所决定。例如,当SiO含量为40%至50%时,Cr的大小大概为20 埃,这时Cr-SiO的电阻率比块状材料高8至10个数量级,TCR为负值。
在激光扫描和光盘技术中,一氧化硅被用于制作电介质膜。电介质膜层往往有几层,膜层厚度一般只有波长的几分之一。第一层膜往往是金属膜,如真空镀铝、金或银。然后在上面再镀上电介质材料,如一氧化硅、
氟化镁等。
硅冶炼过程中的中间产物
在硅
冶炼的过程中,
二氧化硅在炉内首先被还原成一氧化硅,然后再被还原成硅,其顺序是SiO2-SiO-Si。被还原出来的硅,部分还会和二氧化硅发生反应,又产生一氧化硅。
合成过程
硅与
二氧化硅的均匀
混合物在低压下加热到1500℃以上,可生成气态一氧化硅,其反应式为:
在工业生产一氧化硅的步骤为:(1)将高纯(99.99%)二氧化硅装入球磨机里进行球磨,或再用研磨机研细,然后放在灼烧炉中灼烧,待冷却后用筛子筛过,置于洁净的容器中备用。(2)用
盐酸处理硅粉,之后将灼烧好的
二氧化硅粉和处理过的硅粉按比例混合。(3)经过装料、加热、反应和冷却,得到自行脱落的一氧化硅。再将具有光泽的黑色一氧化硅取出,放在研钵中研碎,即得成品。
或者将碳和过量的二氧化硅
混合物加热到2000 ℃时,可生成气态一氧化硅。在工业硅生产过程中,
炉膛底部会生成大量SiO,其中一部分的SiO会与C作用生成
碳化硅和CO,炉膛上部SiO发生
歧化反应生成Si和SiO2,最后部分SiO逸出料面与空气中的O2生成SO2,进入烟气生成
微硅粉。其反应式为:
物质结构
在氦冷却的
氩基质中,一氧化硅呈气态的条件下,Si-O键长介于 148.9 pm 和 151 pm 之间,该键长与基质隔离的线性分子SiO中 Si、O 双键的长度(148 pm)相似(O=Si=O),猜测可能不存在像
一氧化碳那样的三键。但 SiO 三键的计算键长为 150 pm,键能为 794 kJ/
摩尔,这也与报道的 SiO 非常接近。其预测三键的分子结构图如下所示:
安全事宜
安全标志
储存
一氧化硅可与水或
氧气发生反应,在储存的时候需要注意防潮并与氧气隔离。