元素系列16硅和硼的故事,我们虽然像

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上次说到了硼烷的复杂结构。今天,我们来继续看看硼和硅的其他性质吧。

生命所离不开的硼

硼对于生物而言,是一种非常重要的微量元素,它参与植物木质素的合成、维持生物膜结构稳定和功能正常、维持细胞壁结构稳定等,同时它也分布在动物体内的肝、肾、脑等器官和组织中。

那么,生物体是如何吸收硼元素的呢?

自然界中,硼主要以硼酸盐的形式存在,硼酸盐先被植物吸收,植物被动物食用后就成为了动物体内的硼元素,这就是最主要的途径。自然界的硼元素主要以硼酸盐和氧化物的形式存在,最常见的硼酸盐就是硼砂,那么硼酸及硼砂是如何在自然界稳定存在的呢?

还是“桥”的作用吗?并不是,能使它稳定下来的一是依靠多聚的硼氧键,二是借助于“配位”的力量,在硼酸)分子中存在三个羟基,当其溶于水时,水电离出来的氢氧根便会“拔刀相助”,单方面提供电子对来稳定硼酸:

而硼在生物体内又是怎样发挥作用的呢?

硼的化合物可以作为催化剂,促进生物体内物质循环;可以作为信号分子,指挥细胞的生命活动;可以作为调节物质,影响酶的活性……这就是我们无处不在又不可缺少的奇特的硼。

缺少硼元素导致植物抵抗力和抗逆性下降缺少硼元素导致植物抵抗力和抗逆性下降

能干的硅

硅为什么叫“硅”,因为它很贵,当然,这只是我在一本正经地胡说八道,硅的元素名来自于拉丁语的“silex”,意为“石头”,当中国人了解这一元素时,由于其化合物在土壤中的含量丰富,取以“畦”之意,命名为“硅”。

单晶硅及抛光硅片

说到一个元素,就不得不提及它的发现历程,而硅的发现还要追溯到十九世纪。根据记载,人类开始尝试提取硅单质是在年,法国科学家盖-吕萨克尝试从四氟化硅中提取硅单质,但他并没有成功,直到年瑞典科学家贝采里乌斯用金属钾还原四氟化硅得到了硅单质。硅在地壳中的丰度为0.,在自然界中位于第二位,仅次于氧。

盖-吕萨克贝采里乌斯

硅位于元素周期表的第四主族,碳的正下方,和碳具有一定的相似性,所以又被归类为碳族元素。尽管它们在自然界十分普遍地存在着,但是含有这些元素的物质也有可能价值连城,例如:

碳所对应的是其单质金刚石,即钻石硅对应的是二氧化硅,即水晶这两种元素的另一个特点就是它们的成链倾向,即多个碳原子相连或多个硅原子相连,而碳的成链能力强于硅,相关的性质我在下面将会为大家一一介绍。

硅晶体结构

强大的半导体——硅单质

半导体大家可能还是比较熟悉的,说到太阳能发电那估计就家喻户晓了,小到带太阳能板的计算器,大到太阳能热水器或太阳能飞机,这些应用主要得益于硅单质。

太阳能板

单质硅和单质硼一样,分为晶态硅和无定形硅两种,无定形硅没有固定的结构,而晶态硅却有着如金刚石一样规则的空间网格状结构,呈现着具有闪亮光泽的钢灰色。晶态硅分为单晶硅和多晶硅,它们的硬度很大,但相对的也比较脆,在晶态硅中,单晶硅可以说是世界上最纯净的物质,最高纯度可以达到12个9(99.%)哦~~

无定形硅

硅在常温下化学性质不活泼,可以与强碱、氢氟酸以及氢氟酸和硝酸的混合物反应,但如果遇到单纯的氧化性酸,硅会发生钝化,在表面形成一层致密的氧化物薄膜,阻止了进一步的反应。当温度升高,硅也开始放弃那一点矜持,开始变得活泼起来,这时的它不仅可以和非金属反应,甚至可以与部分金属反应,这些产物就是我们人类活动中的重要参与者:

碳化硅被称为金刚砂,可以作为耐磨耐火材料;氮化硅可作为耐高温陶瓷;四氯化硅是生产单质硅的重要中间体;二氧化硅已然成为点缀人们生活的一种饰品……

紫水晶

值得一提的是,当水晶中含有不同微量元素的话会呈现不同的效果。

比如说上图的紫水晶就因为含有铁和锰元素而成紫色

绿水晶因为含有镁和铁元素成浅绿色

有些水晶中因为含有稀土元素,所以在紫外线照射下会发出荧光。

半导体芯片

硅作为半导体可以导电这很多人都知道了,但是它作为太阳能板是如何发电的呢?

这就要说到爱因斯坦著名的光电效应:原子中的核外电子在吸收一定波长的光后可以发生跃迁甚至电离。

那么试想一下,如果在相同情况下,一种材料电离的电子多,另一种材料电离的电子少,那么将这两种材料连在一起,是不是就可以让电子从多的地方运动到少的地方,从而实现电子的定向移动,产生电流,达到发电的目的呢?

根据这种思路,人们研究出了N型硅和P型硅,所谓的N型硅就是掺杂了一点磷的硅单质,而P型硅则是掺杂了一点硼的硅单质,这两种材料就具有刚才所说的性质,具体原理就如下图所示。(这两种硅是怎么协同工作并构成芯片和太阳能板的呢?苯宝宝先挖个坑~以后填上)

太阳能帆板太阳能发电示意图

图中红色为N型硅,蓝色为P型硅,“-”代表电离出的电子

文案:Menheran

编辑:苯宝宝

审核:Menheran、苯宝宝

部分图片来自网络,侵删。

上期回顾:

「元素系列15」硅和硼的故事,我们虽然像,但不是兄弟(上)



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