一氧化硅

硅的氧化物

一氧化硅

一氧化硅（Silicon 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/mol，密度是2.130 g/cm3。[0][2][1]一氧化硅不溶于水，溶于浓碱液。[4]外观为黑色至黑棕色带金属光泽的颗粒，[3]在空气中表面易氧化形成二氧化硅保护膜。[4]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。[5]天文学家在1971年在星际物质中发现了一氧化硅成分。[6]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。[7][8]

一氧化硅（Silicon 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/mol，密度是2.130 g/cm3。[1][3][2]一氧化硅不溶于水，溶于浓碱液。[5]外观为黑色至黑棕色带金属光泽的颗粒，[4]在空气中表面易氧化形成二氧化硅保护膜。[5]

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。[6]天文学家在1971年在星际物质中发现了一氧化硅成分。[7]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。[8][9]

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。[10]一氧化硅可用于制造铝涂层、光学零件、镜子、电介质和绝缘体，[3]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，[11]或在电化学储能领域制造SiO-石墨烯纳米储能材料，[12]在电子行业被用于制作铬-一氧化硅（Cr-SiO）电阻膜等。[13]

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。[6]

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。[7]

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。[14]

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 ℃，[3][2]外形为黑色至黑棕色带金属光泽的颗粒。[4]不溶于水，溶于浓碱液。[5]一氧化硅具有高挥发性，其蒸气压在1890℃时可达到1.01325×105 Pa。[15]

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：[16]

[16]

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：[16]

[16]

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：[17]

[17]

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：[17]

[17]

应用领域

一氧化硅可用于电化学储能材料、[12]电介质膜，[18]还作为硅冶炼过程中的中间产物存在。[16]

电化学储能材料

在电化学储能领域，SiO-石墨烯纳米复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。[12]

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。[11]一氧化硅还被应用于制作铬-一氧化硅（Cr-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。[13]

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。[18]

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。[16]

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：[8][9]

[11]

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。[4]

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SiC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：[8]

[8]

[8]

[8]

[8]

物质结构

一氧化硅为白色立方晶体。[19]

在氦冷却的氩气基质中，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。[20]但 SiO 三键的计算键长为 150 pm，键能为 794 kJ/mol，这也与报道的 SiO 非常接近。[21]其预测三键的分子结构图如下所示：[22]

SiO结构图
SiO结构图

安全标志

刺激性
刺激性
GHS说明
H315会引起皮肤刺激反应、皮肤腐蚀
H319会造成严重眼睛刺激，可能造成严重眼睛损伤
H335可能引起呼吸道刺激
资料来源：[3]

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。[4][17]

参考资料 22

  1. 术语在线
  2. Silicon oxide (SiO) — CAS
  3. Silicon monoxide | SiO | CID 66241 - PubChem — ncbi
  4. 参考 4
  5. 参考 5
  6. 参考 6
  7. 参考 7
  8. 参考 8
  9. 参考 9
  10. 参考 10
  11. 参考 11
  12. 参考 12
  13. 参考 13
  14. SiO and CH3OH mega-masers in NGC 1068 — Nature
  15. 参考 15
  16. 参考 16
  17. 参考 17
  18. 参考 18
  19. 参考 19
  20. 参考 20
  21. 参考 21
  22. CompTox Chemicals Dashboard — EPA
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