硅及其化合物

美国的硅谷“斯坦福科研工业区”是美国电子和计算机工业中心，位于美国西海岸加利福尼亚州北部旧金山南郊，圣克拉拉县和圣胡安两城之间的一条长公里，宽公里的长条形地带上。由于它集中了全世界0以上的著名半导体公司，而半导体的基本元件是硅片，所以该地区被称为“硅谷”。,硅谷 silicon valley,硅元素(silicon)在地壳中的含量,氧48.6%,硅26.3%,铝7.73%,铁4.75%,钙3.45%,钠2.74%,钾2.47%,镁2.00%,氢0.16%,其他1.20%,硅26.3%,硅的存在与分布,存在：硅是亲氧元素，没有游离态，只有化合态（以氧化物和硅酸盐的形式存在）分布：自然界中分布广泛，是构成矿物和岩石的基本元素。,图 4-1 硅的广泛存在,硅和碳一样,其原子既不易失去电子，也不易得到电子，所以硅的化学性质不活泼,主要形成四价化合物,C,Si,碳是构成有机物的主要元素,硅是构成岩石和许多矿物的主要元素,从原子结构认识硅,硅有晶体硅和无定形硅两种同素异形体,物性：,化性：,1、灰黑色，有金属光泽，硬而 脆的固体2、熔点高、硬度大,硅的化学性质不活泼，常温下，与氢氟酸、氟气、强碱反应。加热情况下，也能跟一些非金属(Cl2 O2)反应。,一、硅单质,1、与氟气反应：,2、与氢氟酸反应：,3、与强碱溶液反应：,4、与氯气反应：,5、与氧气反应,Si+2F2=SiF4,Si+4HF=SiF4+2H2 ,高温,5.用途,晶体硅的导电性介于导体和绝缘体之间,是良好的半导体材料,硅是信息技术的关键材料.,硅太阳能电池,电脑的中央处理器（CPU）,二氧化硅(SiO2),二氧化硅广泛存在于自然界中，与其他矿物共同构成了岩石。天然二氧化硅也叫硅石，是一种坚硬难熔的固体。,硅石,硅矿山,SiO2是硅最重要的化合物，天然存在的叫硅石，有晶体和无定形两大类。,硅石,晶体（石英）,无定形（硅藻土）,水晶,玛瑙,石英是结晶的二氧化硅，包括水晶（无 色透明）和玛瑙（彩色）。沙子中含有小粒的石英晶体。,（一） SiO2,水晶,玛瑙,玛瑙,水晶,晶体二氧化硅,硅藻土由硅藻的细胞壁沉积形成，呈浅黄色或浅灰色，广泛用做催化剂的载体及绝缘材料。全国10个省(区)有硅藻土矿产出。仅次于美国，居世界第2位。在地区分 布上，以吉林最多，占全国储量的54.8%，云南、福建、河北等地次之。,无定形二氧化硅,纯的二氧化硅是无色、坚硬难熔的固体，熔沸点比较高，不溶于水，硬度比较大。,1.物理性质：,二、二氧化硅,二氧化硅,Si,O,SiO2是正四面体的空间网状结构，因此性质很稳定,2.化学性质,不与水反应,SiO2 + CaO = CaSiO3,SiO2 + 2NaOH = Na2SiO3 + H2O,高温,是酸性氧化物具有酸性氧化物的通性，与碱及碱性氧化物反应,实验室盛装NaOH溶液的试剂瓶用橡皮塞而不用玻璃塞，你知道为什么吗？,防止玻璃中的SiO2与NaOH溶液反应生成粘稠的Na2SiO3，使瓶塞和瓶口粘在一起。Na2SiO3俗称“泡花碱”，易溶于水，其水溶液俗名“水玻璃”，是一种矿物胶，可做黏合剂。,3、二氧化硅的用途 由于SiO2具有优良的物理化学性能，加上SiO2在自然界的广泛存在，因此从古到今都被人类广泛地应用。,石 英 制 品,水 晶 制 品,现代通信用光缆,光学纤维胃镜,用光导纤维做无开刀手术,光导纤维手术头灯,光导纤维,硅酸盐,结构复杂，一般不溶于水，化学性质很稳定。,硅酸钠（Na2SiO3), 其水溶液俗称水玻璃，是制备硅胶和木材防火剂等的原料。,是由硅、氧和金属组成的化合物的总称。,硅酸盐组成表示,活泼金属氧化物较活泼金属氧化物SiO2H2O,Na2O SiO2,2MgO SiO2,CaO Al2O3 3SiO23H2O,传统无机非金属材料,硅酸盐产品,陶瓷,水泥,玻璃,生产原料：黏土（Al2O32SiO22H2O ）生产设备：陶瓷窑生产过程：混合-成型-干燥-烧结-冷却主要性质：抗氧化、抗酸碱腐蚀、耐高温、 绝缘、易成型,陶 瓷,生产原料：纯碱、石灰石、石英 （Na2CO3、CaCO3、SiO2）生产设备：玻璃窑反应原理：主要成分：Na2SiO3、CaSiO3、SiO2,玻 璃,有色玻璃,钢化玻璃,加入了不同的金属氧化物,普通玻璃加热接近熔化再急速冷却,玻璃,生产原料：石灰石、黏土 （CaCO3、 Al2O32SiO22H2O ）生产设备：水泥回转窑主要成分：3CaOSiO2 2CaOSiO2 3CaOAl2O3,水 泥,具有特殊功能的含硅物质,1、碳化硅（SiC俗称金刚砂），具有金刚石的结构。硬度很大，用作砂纸、砂轮的磨料。,2、硅 钢（铁合金） 导磁性良好，用作变压器铁芯,3、硅橡胶,4、分子筛,新型无机非金属材料之一：,高温结构陶瓷、压电陶瓷,新型陶瓷的用途之一:航天飞机的“防火衣”防热瓦,生产过程：使用硅土黏合剂将低密度非晶硅增强纤维粘合成长15cm，宽15cm，厚210cm的拱形瓦，经过高温烧结，再在表面涂上一层高温结构陶瓷，就成了一块防热瓦,高温结构陶瓷的应用,防热瓦的优点：,耐热（可承受2000）防潮耐磨超群的隔热能力反射太阳光可重复使用,高温结构陶瓷的应用,航天飞机,高温结构陶瓷的应用,资料:,两年半前，正是由于塑料泡沫部件在发射时撞坏了一片防热瓦，导致美国的“哥伦比亚”号返航时在空中解体。,高温结构陶瓷之所以在航天事业上的有如此优秀的表现,因为它具有耐高温、耐氧化、超强、超硬等优点，它可以在各种恶劣环境下使用，同时，也是制造汽车发动机，喷气发动机的理想材料，可以大大提高能源的利用率，可以使汽车跑得更快，飞机飞得更高。,高温结构陶瓷的应用,超导陶瓷：,所谓超导现象就是金属的电阻随温度的升高而增大，当金属的温度降低时，它的电阻减小,当温度降到-269（液氮温度，为4K）左右时，水银的电阻变为零，这种现象叫超导现象我国研制的超导陶瓷的临界温度为77K，处于世界领先水平。,超导陶瓷,生物陶瓷,这种陶瓷强度大,韧性好,与人体亲和力好，目前它是人体骨骼和牙齿的重要移植材料。在这一领域我国处于世界领先水平。,压电陶瓷,利用陶瓷，还可实现多种功能互换。如安放在打火机