无机非金属材料的主角-硅郭姗姗(0709042).ppt

第四章非金属元素极其化合物,第一节 无机非金属材料的主角-硅 授课人 郭姗姗(0709042),结构,位置,性质,决定,反映,反映,反映,决定,决定,碳 族 元 素,构位性一体，相互可推断,1、碳族元素的“成员”,一、碳族元素,碳（6C） 硅（14Si） 锗（32Ge） 锡（50Sn） 铅（82Pb）,2、第A族元素原子结构、位置、性质三者关系,相同点： 不同点：,核电荷数、电子层及原子半径从上到下依次增大,原子最外层电子数都为4,（1）结构和位置的特点及关系,讨论：元素结构和位置上的异同点决定了其化学性质上具备了哪些特点？,(2)碳族元素性质的相似性,易形成共价化合物,主要化合价为+4、+2、-4价,常温下性质稳定,碳 硅 锗 锡 铅,氧化性：逐渐减弱 还原性：逐渐增强 得电子能力：逐渐减弱 失电子能力：逐渐增强 非金属性：逐渐减弱 金属性：逐渐增强,(3)碳族元素性质的递变性,碳 （非金属）,硅（非金属性比金属性强）,锗（金属性比非金属性明显）,锡（金属）,铅（金属）,事实说明碳族元素从上到下明显的非金属性逐渐变为明显的金属性 。,氧 化 物 元素最高价氧化 物对应水化物 氢 化 物 氢化物的稳定性,CO2、SiO2、GeO2、SnO2、PbO2,讨论：从各元素的非金属性和金属性强弱来分析各元素最高价氧化物的水化物的酸碱性以及氢化物的稳定性是怎样变化的？,H2CO3、H4SiO4、Ge（OH)4、Sn（OH)4 、Pb（OH)4,酸 性 逐 渐 减 弱、碱性逐渐增强,CH4、SiH4、GeH4、SnH4、PbH4,稳定性逐渐减弱,单质 颜色、状态 熔、沸点 密度,金刚石：无色固体 石墨：灰黑色固体 晶体硅：灰黑色固体 银灰色固体 银白色固体 蓝灰色固体,高 低,小 大,物理性质的递变,思考:,“锡的+4价化合物稳定，铅的+2价化合物稳定”。由此可推断SnCl2和PbO2的氧化性或还原性的强弱及变化产物。,二、硅,存在和含量：,含量居第二（O、Si、Al、Fe ),无游离态，是构成矿物和岩石的主要成分,有晶体和无定形两种同素异形体,熔沸点很高硬度很大（结构类似金刚石）、是半导体,思考：C、Si、S、O、N、Cl、Br在自然界中有无游离态？,常温下只和F2 、HF、强碱反应,加热时能和O2、Cl2 反应:,Si + 2F2 = SiF4,Si + 4HF = SiF4 +2H2,Si + 2NaOH +H2O = Na2SiO3+ 2H2,2. 化学性质,化学性质稳定,4、制法,碳在高温下还原二氧化硅,3、用途,半导体材料、制合金、耐酸设备等,三、二氧化硅,1、存在,硅石、石英、水晶、玛瑙,2、物理性质,坚硬难熔的固体,思考：石英、水晶有什么应用？,3、化学性质,b、和CaO反应,（1）具有酸性氧化物的通性：,a、SiO2 + H2O 不反应 CO2 + H2O = 。,c、和NaOH反应,SiO2 + 2NaOH = Na2SiO3 + H2O,思考：己知玻璃中含有SiO2 ，盛放碱液的试剂瓶用玻璃塞还是橡皮塞？为什么？,CO2 + NaOH = 。,（2）、与CaCO3、Na2CO3 的反应：,CaCO3 +CO2 +H2O = .,Na2CO3 +CO2+H2O = .,（4）和氢氟酸反应,SiO2 + 4HF = SiF4+ 2H2O,用于蚀刻玻璃,（3）与碳的反应：,思考：在实验室里，氢氟酸如何保存？,4、SiO2的用途,光导纤维,石英玻璃,水晶、玛瑙：装饰品及光学仪器,5、硅酸,性质,是一种不溶水的二元弱酸，酸性比碳酸还弱，不能使指示剂变色，不稳定。,制法,SiO32-+ 2H+ +H2O = H4SiO4,SiO32- + 2H2O +CO2 = H4SiO4+ CO32-,6、硅酸盐,讲：生成的H4SiO4叫原硅酸，是一种白色胶状物，不溶于水，在干燥的空气中易失去水变成硅酸，硅酸在加热条件下会进一步失水得SiO2。,演示：取两根一样干的布条（其中一根在硅酸钠溶液中浸过），在火焰上燃烧。,现象：在硅酸钠溶液中浸过的布条不燃，另一根很易燃烧。,Na2SiO3的水溶液俗称“水玻璃”，具有粘性，一种矿物胶；也是防腐剂、防火剂。,练习：将下列硅酸盐改成氧化物形式或将氧化物形式改成硅酸盐的形式:,Na2SiO3 Al2(Si2O5)(OH)4 KAlSi3O8 Na2OCaO6SiO2,硅酸盐是构成地壳和矿物的主要成分，但其组成比较复杂，一般以氧化物形成表示。,陶瓷,粉彩瓷,古瓷欣赏,概念：以含硅物质为原料，经过加热制成硅酸盐产品的工业叫硅酸盐工业。,硅酸盐工业,如制造水泥、玻璃、陶瓷等产品的工业都属于硅酸盐工业。,特点： （1）原料 均为含硅固体物质（水泥 工业用 粘土，玻璃工业用石英）。 （2）反应条件 高温。 （3）反应原理 复杂的物理 、化学变化。 （4）产品的主要成分 硅酸盐。,水泥,性能,其它,水泥具有水硬性,原料,石灰石、粘土,生产过程,普通水泥的成分,硅酸三钙 3CaOSiO2 硅酸二钙2CaOSiO2 铝酸三钙3CaOAl2O3,原料,研磨 混合,煅烧 (回转窑),成品,加入石膏,水泥沙浆、混凝土,我国的水泥工业,原料,纯碱、石灰石、石英,原理,Na2SiO3、CaSiO3、SiO2熔合在一起而形成在玻璃态物质（或者Na2OCaO6SiO2）,普通玻璃的组成,设备：玻璃窑,特种玻璃,光学玻璃,有色玻璃,玻璃纤维,钢化玻璃,玻璃,陶瓷,简史,原料,粘土,工艺流程,粘土,混合,成型,干燥,烧结,成品,冷却,种类,土器、陶器、瓷器、炻器,性能,釉,1、熔融烧碱应选用的仪器是： （ ） A、石英坩埚 B、普通玻璃坩埚 C、生铁坩埚 D、陶瓷坩埚,C,2、下列物质不属于硅酸盐的是： （ ） A、粘土 B、石英 C、Al2(Si2O5)OH)4 D、Mg2SiO4,B,3、石灰石是许多工业原料之一，但制取下列物质不需要石灰石的是： （ ） A、制硅酸 B、制水泥 C、制玻璃 D、制生石灰,A,4、与普通玻璃的成分相同的是 （ ） A、钢化玻璃 B、有色玻璃 C、光学玻璃 D、石英玻璃,A,5、下列物质具有固定熔沸点的是： （ ） A、钢化玻璃 B、漂白粉 C、消石灰 D、水玻璃,C,6、下列不属于硅酸盐产品的是： （ ） A、水泥 B、砖瓦 C、 陶瓷 D、硫酸,D,7、过量的泥沙、纯碱和生石灰熔化后生成 水泥 玻璃 瓷器 混凝土 一种硅酸盐产品 （ ） A. B. C. D. ,B,8、在水泥中加入石膏的作用是 将-、。按一定比例混合硬化后称为混凝土。,调节水泥的硬化速度,水泥,砂子,碎石,(1)按化学组成和特性分,无机非金属材料,传统无机非金属材料,新型无机非金属材料,金属材料,高分子材料：塑料、合成橡胶、合成纤维,(2)按用途分,结构材料：,利用材料的力学和理、化性质，广泛应用于机械制造、工程建设、交通运输等各个工业部门,功能材料：,利用材料的热、光、电、磁等性能用于电子、激光、通讯、能源和生物工程等许多高新技术领域。,3、生活中的无机非金属材料,玻璃、水泥、陶瓷,金刚石钻头,手表上的“19钻”(人造红宝石轴承的数目),玻璃刀,石英钟表,煤气炉中的电子打火,彩电（荧光材料）,海底电缆（光导纤维）,电脑的CPU（单晶硅）,隐形飞机（特殊光学材料）,(压电陶瓷),4、新型无机非金属材料的特征,（1）耐高温、强度高,（2）具有电学性质,（3）具有光学性质,（4）具有生物功能,1、结构材料高温结构陶瓷,(1)氧化铝陶瓷,性 能,用 途,熔点高,坩埚、高温炉管,硬度大,刚玉球磨机,透明、耐高温,高压钠灯灯管,备注：钠蒸气放电发光问题早在1950年就得以解决，由于没有一种能抵御高温钠蒸气（1400）强烈腐蚀的特殊材料，所以，直到1965年才制取第一支高压钠灯。,高温结构材料与金属材料的性能比较,耐高温、耐腐蚀、硬度大、耐磨损、不怕氧化。,易受腐蚀、不耐氧化、不适合高温时使用,高纯氧化铝透明陶瓷管,氧化铝陶瓷制品,人造宝石,红宝石和蓝宝石的主要成分都是Al2O3（刚玉）。 红宝石呈现红色是由于其中混有少量含铬化合物； 而蓝宝石呈蓝色则是由于其中混有少量含钛化合物。 1900年，科学家曾用氧化铝熔融后加入少量氧化铬的方法，制出了质量为2g-4g的红宝石。 现在，已经能制造出大到10g的红宝石和蓝宝石。,红宝石和蓝宝石及人造宝石,1、下列具有特殊性能的材料中，由主族元素和副族元素形成的化合物是（ ） A、半导体材料砷化镓 B、吸氢材料镧镍合金 C、透明陶瓷材料硒化锌 D、超导材料K30C60,2、锗酸铋（简称BGO）是我国研制成功的一种性能优良的闪烁材料，其中锗元素处于最高价态，铋元素的价态与它跟氯形成某种共价氯化物所呈的价态相同，且此氯化物中铋具有8电子稳定结构，BGO的化学式是（ ） A、Bi3Ge3O15 B、Bi4Ge3O12 C、Bi4Ge3O16 D、Bi3Ge3 O12,氧化锆陶瓷,F-117是一种单座战斗轰炸机。设计目的是凭隐身性能，突破敌火力网，压制敌方防空系统，摧毁严密防守的指挥所、战略要地、重要工业目标，还可执行侦察任务，具有一定空战能力。,1、锡和铅两种元素的主要化合价是+2和+4价，其中+2价锡和+4价铅元素的化合物均是不稳定的，+2价锡离子有强还原性，+4价铅离子有强氧化性。,写出下列反应的化学方程式： 氯气和锡共热-,氯气和铅共热-,PbO2和浓HCl共热-,能说明Sn2+ 的还原性比Fe2+ 的强的方程式是-,2、SiO2和镁粉共热可以制得硅化镁。硅化镁与盐酸反应就可以制得SiH4 ，生成的SiH4在空气中能自燃。试写出此叙述过程中涉及到的化学方程式。,3、下图是石英晶体的平面示意图，它实际上是立体的网状结构，其中硅、氧原子个数比为 ，原硅酸根离子SiO44-的结构可表示为 ；二聚硅酸根离子Si2O76-中，只有硅氧键，它的结构为 。,5、氮化硅是一种高温陶瓷材料 ，它的硬度大，熔点