[地壳中含量最多的元素是]地壳中各元素含量_硅酮有什么作用用处

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摘要

硅是地壳中除了氧之外含量最多的化学元素，也是与人类联系极为密切的一种元素。从玻璃、水晶到陶瓷、水泥，再到半导体设备中用到的单晶硅，硅和硅的化合物几乎无时无刻不在为我们服务，而其中的一个成员——硅酮，更是由于其独特的性质而几乎遍布生活的方方面面

硅是地壳中除了氧之外含量最多的化学元素，也是与人类联系极为密切的一种元素。从玻璃、水晶到陶瓷、水泥，再到半导体设备中用到的单晶硅，硅和硅的化合物几乎无时无刻不在为我们的生活服务。

不过在本文中，笔者要向大家介绍的是硅的家族的另一个成员。这种化合物有着非常独特的性质，与人们生活的联系也不比它的兄弟姐妹们差。它的名字叫做硅酮。什么，你没有听说过？不要紧，就让我们一同来寻找硅酮在日常生活中的足迹吧。

以硅酮为主要成分的粘合剂 （图片来源http://mandycheng128.en.ec21.com/Silicone_Sealant--4543514.html）

不过，在开始寻找硅酮之前，我们应该需要弄清楚的是，硅酮长什么样？

从沙子到硅酮

硅酮是出自于矿藏吗？不是。是从生物中提取出来的吗？当然更不是。硅酮在自然界并不存在，因此我们需要把其他形式的硅转化为硅酮，那么这是如何实现的？

我们都知道，硅在地球上主要的一种存在形式是二氧化硅，也就是沙子的主要成分。从沙子出发，我们可以得到单质的硅和许多其他硅的化合物，而这其中也包括硅酮。首先，在高温下，我们用碳与二氧化硅反应，得到硅的单质：

SiO2+2C = Si + 2CO

接下来，我们让得到的单质硅与一种名为一氯甲烷的化合物反应。这个反应得到的产物是一锅大杂烩，但主要的成分是一种叫做二甲基二氯硅烷的物质。我们知道，在元素周期表中硅位于碳的正下方，二者有一个共同点，那就是有四只“手”——一个碳或者硅的原子可以同时与四个其他原子形成化学键。在二甲基二氯硅烷中，硅原子的两只手各抓住一个甲基，而另两只手则分别抓住一个氯原子。

不过，硅抓着氯原子的那两只手并不是很牢，如果遇到水很快就松开了——氯原子被水中的氢氧根也就是羟基（OH）取代，同时得到副产物盐酸。

但这个新得到的化合物并不安分，它们觉得羟基这个东西怪讨厌的，想把它甩掉。那么如何甩掉呢？俗话说一个巴掌拍不响，它们很快发现，如果两个分子凑到一起，在盐酸的帮助下，彼此之间的的羟基互相反应，失去一个分子的水。这样一来，两个硅原子便通过一个氧原子连在了一起。这样新生成的分子又可以继续帮助同伴摆脱羟基的束缚，于是三个或者更多的硅原子便连在一起形成一条长链，或者首尾相连变成一个环。像这样的分子就是硅酮 (silicone)。

在合适的条件下，我们还可以让成千上万的硅原子以这种方式连在一起，得到高分子化合物。在前面的一系列反应中，由于每个硅原子上都连着两个甲基，这样得到的硅酮被称为聚二甲基硅氧烷，也就是大名鼎鼎的PDMS，不过我们完全可以通过化学反应将甲基换成其他的结构。如果我们把硅酮的分子彼此之间也连接起来形成一个网状的结构，那么就得到了橡胶一样有弹性的固体，我们称之为硅橡胶。但如果不做这样的处理，硅酮则主要是以液体形式存在，我们常常叫它硅油。因此，硅酮并不是某一种特定化合物的名称，而是包含了一大类结构相似但又有所不同的成员。

顺便说一下，以硅酮为主要成分的产品有的时候也被称为“硅胶”，但被用做干燥剂或者色谱柱填充料的硅胶其实是二氧化硅的颗粒，与硅酮的“亲缘关系”甚远。大约许多用法已经约定俗成，后人也只好将错就错了。

好了，现在我们知道硅酮的“长相”，接下来就开始寻找出现在日常生活中的硅酮吧。

寻找硅酮第一站：涂料和粘合剂

环顾四周，许多物体的表面都需要涂上不同形式的涂料，例如汽车表面的喷漆，木地板和木制家具表面的涂层等等。这些涂料除了保证美观，更重要的目的是为所覆盖的物体提供保护，例如涂在金属表面的涂料就可以有效防止金属的锈蚀。还有很多时候，我们需要把两块相同或者不同的材料连接在一起，又不能使用焊接或者螺丝钉固定等方法，那么使用粘合剂就是唯一的选择了。

涂料和粘合剂的用途虽然迥异，但其实往往是由相似的材料组成，因为它们其实有一个很大的共同点，那就是本身通常需要是易于流动的液体，覆盖到某种物体的表面上之后又需要在一定的条件下固化。因此，涂料和粘合剂必须能够很好覆盖某个物体的表面。

这个要求听上去毫无难度，但如果你尝试过将水滴在不粘锅的表面或者将水银滴在玻璃的表面，就会发现液体并不是在任何时候都可以覆盖固体的表面。在刚才举的这两个例子中，水或者水银只会保持液滴的形式而无法在固体表面铺展开，哪怕你用力强迫它们铺展，只要一松手，液体还是会恢复液滴的形状。

那么为什么有的时候液体不能覆盖固体的表面？无论是什么样的固体物质，在它的内部，围绕在一个原子或者分子周围的总是它的同伴。然而在固体的表面，这些原子或者分子却只能和空气的分子相接触，这就造成一个额外能量的出现，我们称之为表面能。那么表面能的出现对于固体表面有什么影响呢？

把一只皮球握在手里然后松开手，皮球既不会悬浮在空中更不会上升，而只会是径直落地，这是因为皮球受重力作用而具有一种能量——势能。皮球在地面上的势能更低，因此更加稳定。同样的道理，固体也希望设法降低自己的表面能，让自身更加稳定。

那么如何实现这个目标？如果液体覆盖在固体上形成一层均匀的薄膜，那么与空气相接触的就由固体变成了液体，这个新的界面同样存在一个能量，也就是液体的表面能。如果液体的表面能低于固体的表面能[1]，那么整个体系的能量自然降低，因而更加稳定。这就是为什么许多液体能够自发地覆盖固体表面，或者用更加专业的术语表述，叫做能够浸润固体表面。

但如果液体的表面能比要覆盖的固体表面高，液体自然不能浸润固体表面，因为这样总的表面能不降反升，会让体系变得更不稳定。如果这种液体恰恰是涂料或者粘合剂，那么我们就遇到大麻烦了——难以在这种表面上涂上油漆或者把它和其他物体粘在一起。

如果液体不能够浸润固体表面，我们该怎么解决呢？显然，要么设法选择表面能更低的液体，例如水的表面能要大大低于水，而有机溶剂的表面能通常又比水低得多；要么设法改变固体表面的性质，让它的表面能更高一些。但在很多情况下，后一种方法实施起来并不是那么容易。如果你是涂料生产商，生产的涂料不能很好地涂在某种塑料用品的表面，你总不能对客户说：对不起，请你改用金属作为原料吧。因此对于涂料或者粘合剂来说，很多时候只能在液体的化学组成上下功夫。

常见液体和固体的表面能（单位mJ/m2, 固体实际上为临界表面能）的对比。数据主要来自Edward M. Petrie撰写的Handbook of Adhesives and Sealants 一书

这个时候，硅酮的优势就体现出来了。硅酮的表面能不仅大大低于水，比许多有机溶剂也要低得多。因此，人们常常要么将它直接添加到涂料或者粘合剂中，要么通过化学反应事先将它与涂料或者粘合剂中的主要成分连在一起。经过这样的处理，涂料或者粘合剂能够更好地浸润固体的表面，其性能自然得到了明显的提高。在一些涂料或者粘合剂中，硅酮更是唱起了主角，例如建筑和家庭装修中常用的密封剂有许多就是以硅酮为主要成分。这些密封胶中的硅酮以液体形式存在，被添加到需要密封的部位后在空气中的水汽作用下能够逐渐固化，从而牢牢地将缝隙堵住。

以硅酮为主要成分的密封胶在建筑和家庭装修中很常见[2]

参考文献和注释：

[1] 严格来说是液体的表面能低于固体的临界表面能，因为当液体覆盖在固体表面上时，原有的固体-气体界面被固体-液体界面和液体-气体界面所取代，因此液体要能够浸润液体，必须满足固体-液体界面和液体-气体界面的表面能之和小于原有的固体-气体界面的表面能。实际应用中通常使用临界表面能这个概念。某种固体的临界表面能即刚好能浸润该表面的液体所对应的表面能。如果液体的表面能低于这种固体的临界表面能，那么这种液体能够浸润该固体，反之则不能

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