第一节 无机非金属材料的主角——硅

1、第一节第一节 无机非金属材料的主角无机非金属材料的主角硅硅硅的存在与分布硅的存在与分布存在：存在：硅是亲氧元素，没有游离态，只有化合态硅是亲氧元素，没有游离态，只有化合态 （以氧化物和硅酸盐的形式存在）（以氧化物和硅酸盐的形式存在）图图 4-1 4-1 硅的广泛存在硅的广泛存在分布：分布：自然界中分布广泛，是构成矿物和岩石的自然界中分布广泛，是构成矿物和岩石的 基本元素。基本元素。硅和碳硅和碳一样一样, ,其原子其原子既不易失去电子，也不易得到电既不易失去电子，也不易得到电子，子，所以硅的化学性质不活泼所以硅的化学性质不活泼, ,主要形成主要形成四价化合物四价化合物CSi碳碳是构成有机物是构成

2、有机物的主要元素的主要元素硅硅是构成岩石和许是构成岩石和许多矿物的主要元素多矿物的主要元素从从原子结构原子结构认识硅认识硅硅有硅有晶体硅晶体硅和和无定形硅无定形硅两种同素异形体两种同素异形体灰黑色，有金属光泽，硬而灰黑色，有金属光泽，硬而脆的固体脆的固体熔点高熔点高、硬度大硬度大硅的化学性质不活泼，硅的化学性质不活泼，常温下，只与常温下，只与氢氟酸、氟气、强碱反应氢氟酸、氟气、强碱反应，加热情况下，加热情况下，也能跟一些非金属，也能跟一些非金属(Cl2 O2)反应。反应。一、硅单质一、硅单质1 1、与氟气反应：、与氟气反应：2 2、与氢氟酸反应：、与氢氟酸反应：3 3、与强碱溶液反应：、与强碱

3、溶液反应：4 4、与氯气反应：、与氯气反应：5 5、与氧气反应、与氧气反应Si+2F2=SiF4Si+4HF=SiF4+2H2 Si+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H2 Si+2Cl2=SiCl4Si+O2=SiO2高温高温5.5.用途用途晶体硅的导电性介于导体和绝缘体之间晶体硅的导电性介于导体和绝缘体之间, ,是良好是良好的的半导体材料半导体材料, ,硅是信息技术的关键材料硅是信息技术的关键材料. .硅太阳能电池硅太阳能电池电脑的中央处理器（电脑的中央处理器（CPU）硅的用途非常广泛，可用来制造集成电路、晶体管、硅整流器等半导体器件，还可以制太阳能电池，制铝合金、铁合金等多种合金。硅

4、芯片纯硅的制备纯硅的制备（硅的工业制法（硅的工业制法 ） 粗硅：粗硅： 纯硅：纯硅：2C+ SiO2= Si+2CO高温高温Si+2Cl2=SiCl4 SiCl4+2H2=Si+4HCl高温高温二、二氧化硅二、二氧化硅（SiOSiO2 2）1 1、存在、存在: :硅石硅石结晶形（石英晶体）结晶形（石英晶体）无定形无定形硅藻土硅藻土水晶水晶玛瑙玛瑙无色透明无色透明水晶水晶彩色环带或层状彩色环带或层状玛瑙SiO2是自然界中沙子、石英的主要成分。是自然界中沙子、石英的主要成分。结晶的结晶的二氧化硅二氧化硅叫石英叫石英；天然天然二氧化硅二氧化硅叫硅石叫硅石。 每每1个个Si原子周围结合原子周围结合4个

5、个O原子，原子，Si在中心在中心,O在四个顶角。在四个顶角。 同时每同时每1个个O原子周围结合原子周围结合2个个Si原子相结合。原子相结合。 二氧化硅中氧原子与硅原子个数比为二氧化硅中氧原子与硅原子个数比为2：1，用，用SiO2来表示来表示二氧化硅的组成二氧化硅的组成,表示表示O与与Si的原子个数比的原子个数比,不是分子式是化学式。不是分子式是化学式。SiOSiO4 4 四面体结构四面体结构空间立体网空间立体网状结构状结构决定决定了了SiOSiO2 2具有具有优良的物理优良的物理和化学性质和化学性质2 2、结构、结构物理性质物理性质:_化学稳定性化学稳定性:_通常条件下，很稳定通常条件下，很稳

6、定硬度大、熔点高、难溶于水硬度大、熔点高、难溶于水3 3、二氧化硅的化学性质（、二氧化硅的化学性质（通常很不活泼通常很不活泼）1、具有酸性氧化物的通性具有酸性氧化物的通性（1）与强碱反应生成盐和水）与强碱反应生成盐和水（2）与碱性氧化物反应生成盐）与碱性氧化物反应生成盐（有粘性，其溶液俗称水玻璃有粘性，其溶液俗称水玻璃）实验室盛装实验室盛装NaOHNaOH溶液的试剂瓶用橡胶塞而不用玻璃塞溶液的试剂瓶用橡胶塞而不用玻璃塞NaOHNaOH溶液能与玻璃中的溶液能与玻璃中的SiOSiO2 2反应生反应生成成NaNa2 2SiOSiO3 3，使瓶塞部分粘结而无法，使瓶塞部分粘结而无法打开。因此盛装打开。

7、因此盛装NaOHNaOH溶液的试剂瓶溶液的试剂瓶不能用玻璃塞而要用橡胶塞。不能用玻璃塞而要用橡胶塞。原因？原因？SiF42H2O此反应常用于雕刻玻璃此反应常用于雕刻玻璃2、 特性特性 与氢氟酸与氢氟酸HF反应反应思考思考: :实验室为什么不用玻璃瓶盛装氢氟酸？实验室为什么不用玻璃瓶盛装氢氟酸？HFHF能腐蚀玻璃能腐蚀玻璃. .因此，盛装因此，盛装氢氟酸氢氟酸不能用玻璃不能用玻璃试剂瓶而要用试剂瓶而要用塑料瓶塑料瓶。 二氧化碳二氧化碳 CO2二氧化硅二氧化硅 SiO2 状状 态态 气气 态态 固固 态态熔沸点熔沸点 硬度硬度熔沸很低熔沸很低熔点高，硬度大熔点高，硬度大水水 溶溶 性性 能溶于水能

8、溶于水不溶于水不溶于水化化学学性性质质与与 酸酸 用用 途途人工降雨，灭火人工降雨，灭火,饮料等饮料等P75, 图图45与水反应与水反应与碱性氧化与碱性氧化物反应物反应与碱反应与碱反应CO2 + H2O = H2CO3CO2+2NaOH=Na2CO3+H2OCO2+Na2O=Na2CO3不能反应不能反应SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O能与氢氟酸反应能与氢氟酸反应SiO2 CaO =CaSiO3二氧化硅和二氧化碳的性质比较二氧化硅和二氧化碳的性质比较4 4、SiOSiO2 2的用途的用途现代通信用现代通信用光缆光缆光学纤维光学纤维胃镜胃镜用用光导纤维光导纤维做做无开刀手术无开刀手术光

9、导纤维光导纤维手术头灯手术头灯光导纤维光导纤维 硅酸是一种硅酸是一种白色粉末白色粉末状的状的固体固体，它不溶，它不溶于水；是一种于水；是一种弱酸弱酸，酸性比碳酸还弱，酸性比碳酸还弱，不能使指示剂变色。不能使指示剂变色。 三、硅酸三、硅酸(H(H2 2SiOSiO3 3 ) )思考思考二氧化硅难溶于水，又不与水反应，那二氧化硅难溶于水，又不与水反应，那么，么，如何如何制得硅酸呢？制得硅酸呢？实验实验4-1：向饱和：向饱和Na2SiO3溶液中滴入酚酞，再溶液中滴入酚酞，再滴入稀盐酸滴入稀盐酸现现 象象结结 论论方程式方程式滴入酚酞溶液呈滴入酚酞溶液呈红色红色 Na2SiO3溶液呈碱性溶液呈碱性Na

10、2SiO3+2HCl = H2SiO3 （胶体）（胶体）+2NaCl滴入盐酸有凝胶产生滴入盐酸有凝胶产生硅酸难溶于水硅酸难溶于水1.硅酸的制备硅酸的制备硅酸的制备硅酸的制备Na2SiO3+2HCl=2NaCl+H2SiO32.硅酸的性质硅酸的性质物理物理性质性质:白色白色,胶状胶状,不溶于水的物不溶于水的物化学化学性质性质:弱酸性酸性比碳酸弱弱酸性酸性比碳酸弱. H2SiO3+2NaOH=2 H2O +Na2SiO3不稳定性不稳定性H2SiO3=H2O+SiO2加热加热生成的硅酸逐渐聚合而形成成的硅酸逐渐聚合而形成硅酸溶胶硅酸溶胶（能流动）（能流动），当硅酸的浓度较大时，就会形成，当硅酸的浓度

11、较大时，就会形成硅酸凝胶硅酸凝胶（不能（不能流动）流动），硅酸凝胶经过干燥脱水就形成，硅酸凝胶经过干燥脱水就形成硅胶硅胶。硅胶硅胶的用途：的用途：干燥剂（吸水），干燥剂（吸水），吸附剂（多孔），吸附剂（多孔），催化剂的载体。催化剂的载体。用用H H2 2COCO3 3可制得可制得H H2 2SiOSiO3 3 ，可证明，可证明H H2 2SiOSiO3 3 的酸性的酸性比比H H2 2COCO3 3弱。弱。SiOSiO3 32- 2- + H+ H2 2O + COO + CO2 2= CO= CO3 32- 2- + H+ H2 2SiOSiO3 3NaNa2 2SiOSiO3 3 + H+

12、 H2 2O + COO + CO2 2 = Na= Na2 2COCO3 3 + H+ H2 2SiOSiO3 3向向Na2SiO3溶液中通入溶液中通入CO2也可生成也可生成H2SiO3四、硅酸盐四、硅酸盐结构复杂结构复杂, ,一般不溶于水一般不溶于水, ,化学性质很稳定。化学性质很稳定。硅酸钠（硅酸钠（Na2SiO3), 其水溶液俗称其水溶液俗称水玻璃水玻璃，是制备硅胶和木材防火剂等的原料。，是制备硅胶和木材防火剂等的原料。1.定义：是由定义：是由硅硅元素元素、氧、氧元素和元素和金属金属元素元素 组成的化合物的总称。组成的化合物的总称。实验实验4-24-2放入蒸馏水放入蒸馏水放入放入Na2

13、SiO3饱和溶液饱和溶液现象现象结论结论当水分蒸当水分蒸发后燃烧发后燃烧当水分蒸发后当水分蒸发后不易燃烧不易燃烧用水玻璃浸泡过的木材或织物可防火用水玻璃浸泡过的木材或织物可防火制备木材防火剂的原料制备木材防火剂的原料2、硅酸盐组成表示、硅酸盐组成表示硅酸钠（硅酸钠（Na2SiO3) 镁橄榄石（镁橄榄石（Mg2SiO4）钙沸石钙沸石Ca(Al2Si3O10) 3H2O活泼金属活泼金属氧化物氧化物较活泼金属较活泼金属氧化物氧化物SiO2H2ONa2O SiO22MgO SiO2CaO Al2O3 3SiO23H2O K2O3Al2O36SiO22H2OK(Al3Si3O10)(OH)2传统无机非金

14、属材料传统无机非金属材料硅酸盐产品硅酸盐产品陶瓷陶瓷水泥水泥玻璃玻璃阅读教材阅读教材78-793、硅酸盐产品、硅酸盐产品 陶瓷陶瓷 玻璃玻璃 水泥水泥3、硅酸盐产品、硅酸盐产品 陶瓷陶瓷 玻璃玻璃 水泥水泥生产原料：黏土生产原料：黏土（Al2O32SiO22H2O ）生产设备：陶瓷窑生产设备：陶瓷窑生产过程：混合生产过程：混合- -成型成型- -干燥干燥- -烧结烧结- -冷却冷却主要性质：抗氧化、抗酸碱腐蚀、耐高温、主要性质：抗氧化、抗酸碱腐蚀、耐高温、 绝缘、易成型绝缘、易成型陶陶 瓷瓷玻玻 璃璃 生产原料：纯碱、石灰石、石英生产原料：纯碱、石灰石、石英 （Na2CO3、CaCO3、SiO

15、2）生产设备：玻璃窑生产设备：玻璃窑反应原理：反应原理：高温高温SiO2 + Na2CO3 Na2SiO3 + CO2 SiO2 + CaCO3 CaSiO3 + CO2 高温高温主要成分：主要成分：Na2SiO3、CaSiO3、SiO2加入了不同的金属氧化物加入了不同的金属氧化物普通玻璃加热接近熔化普通玻璃加热接近熔化再急速冷却再急速冷却玻璃玻璃生产原料：石灰石、黏土生产原料：石灰石、黏土 （CaCO3、 Al2O32SiO22H2O ）生产设备：水泥回转窑生产设备：水泥回转窑主要成分：主要成分：3CaOSiO2 2CaOSiO2 3CaOAl2O3水水 泥泥具有特殊功能的含硅物质具有特殊功能的含硅物质 1、碳化硅（、碳化硅（SiC俗称金刚砂），具有金俗称金刚砂），具有金刚石的结构。硬度很大，用作砂纸、砂刚石的结构。硬度很大，用作砂纸、砂轮的磨料。轮的磨料。 2、硅硅 钢钢（铁合金）（铁合金） 导磁性良导磁