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第四章 第1节 硅 无机非金属材料一、 半导体材料与单质硅1半导体材料半导体材料特指导电能力介于导体和绝缘体之间的一类材料。目前广泛使用的半导体材料是硅元素组成的单质晶体硅；这种半导体材料是制作太阳能电池以及激光二极管的主要材料。在激光通讯、测距和空间导航等方面，半导体材料也有重要用途。2单质硅（1）存在：硅元素在于自然界中储量丰富，在地壳中的含量仅次于氧，居第二位。但自然界中的这些硅元素全部以化合态存在于它的化合物中（如二氧化硅、硅酸盐等），那也就是说，自然界中并没有游离态的硅，没有硅单质。（2）硅的制备由于自然界中没有单质硅的存在，因此我们使用的硅，都是从它的化合物中提取的。在工业上，用碳在高温下还原二氧化硅的方法可制得含有少量杂质的粗硅。制粗硅涉及的化学方程式： SiO22C 高温 Si2CO 上述反应只能得到粗硅，通过以下反应可以将粗硅提纯后，可以得到高纯度的硅。粗硅提纯涉及的化学方程式：Si2Cl2 SiCl4（四氯化硅） SiCl42H2 Si4HCl制得的高纯硅可以用来作为半导体材料（3）硅的物理性质：单质硅有晶体硅和无定形硅两种。晶体硅呈灰黑色，有金属光泽，硬而脆，熔点很高（1410），是良好的半导体材料。（4）硅的化学性质：在常温下，硅的化学性质不活泼，与O2、Cl2、H2SO4、HNO3等均不发生反应，但能与F2、HF和强碱反应。例如：Si + 2F2 SiF4； Si + 4HF SiF4（四氟化硅）+ 2H2；Si + 2NaOH + H2O Na2SiO3 （硅酸钠）+ 2H2；刚才已经强调：硅在常温不易与氧气、氯气、硫酸、硝酸等物质发生反应，但在加热条件下，硅可以与氧气、氯气反应。化学方程式为：与O2 Si + O2 SiO2 与Cl2 Si2Cl2 SiCl4（5）硅的用途：晶体硅可以用来作为良好的半导体材料，还可用来制造集成电路，太阳能电池，硅整流器等。硅的合金可用来制造变压器铁芯，耐酸设备等。【例1】硅的制备：工业上用焦炭在电炉中还原二氧化硅得到含少量杂质的粗硅。化学方程式为： 。粗硅经过提纯后，可以得到高纯度的硅。提纯的反应为： 。【例2】判断正误： （1）硅广泛存在于自然界中，天然单质硅叫硅石。 （ ）（2）晶体硅的结构类似于金刚石，硬度也很大。 （ ）（3）晶体硅具有金属光泽，故它属于金属材料，能导电。 （ ）（4）硅是一种非金属元素，其单质却能与氢氟酸反应。 （ ）（5）硅常温时可和强碱溶液反应，硅高温时和氧气反应。 （ ）（6）硅的化学性质不活泼，在自然界中以游离态存在。 （ ）二、二氧化硅与光导纤维1、二氧化硅的存在二氧化硅广泛存在与自然界中。沙子、石英、水晶、玛瑙这些自然界中常见物质的主要成分都是二氧化硅。另外二氧化硅也是构成岩石的重要成分。2、二氧化硅的物理性质纯净的二氧化硅晶体呈无色，熔点高，硬度大，不溶于水，也不溶于其他一般的溶剂。3、二氧化硅的化学性质（1）二氧化硅是一种酸性氧化物，具有酸性氧化物的通性二氧化硅在常温时可以与碱溶液反应生成盐和水：SiO2+ 2NaOH Na2SiO3 + H2 O二氧化硅在高温下可与碱性氧化物反应：SiO2 CaO 高温CaSiO3 （2）特性SiO2不溶于水，也不与水反应。SiO2+ H2 O H2SiO3 这个反应根本不会发生。二氧化硅在常温下与氢氟酸反应：SiO24HF SiF42H2O 二氧化硅中的硅为4价，具有弱的氧化性，如在高温时，二氧化硅中的硅可以被碳置换出来。化学方程式为SiO22C 高温 Si2CO 这个反应正是之前已经介绍过的工业上制粗硅的反应【例3】（1）SiO2与H2O反应制取其对应的水化物硅酸(H2SiO3)是不可行的，请你写出正确的制取硅酸(H2SiO3) 方法：SiO2+ 2NaOH Na2SiO3 + H2 ONa2SiO3 + 2HCl 2NaCl + H2SiO3或 Na2SiO3 + CO2 + H2O Na2CO3 + H2SiO3硅酸(H2SiO3)不溶于水，其酸性比H2CO3还弱。（2）氢氟酸不能保存在玻璃瓶中，应保存在塑料瓶中。原因：玻璃的主要成分SiO2能与氢氟酸发生反应，玻璃会被氢氟酸侵蚀；化学方程式为：Si O24HF SiF42H2O NaOH 溶液不能保存在玻璃塞的玻璃瓶中，应保存在橡胶塞的玻璃瓶中或塑料瓶中。原因：玻璃的主要成分SiO2能与氢氧化钠发生反应，生成强黏性的物质硅酸钠（Na2SiO3）；化学方程式为：SiO2+ 2NaOH Na2SiO3 + H2 O【例4】下列物质不能用玻璃器皿贮存的是A苛性钠 B氢氟酸 C浓硫酸 D硝酸铵【例5】我们在学习物质的分类时，就强调过酸性氧化物的概念，请你回忆：（1）酸性氧化物的定义：与碱反应只生成盐和水的氧化物；已经学习的酸性氧化物有：CO2、SO2、SO3以及SiO2。碱性氧化物是指与酸反应只生成盐和水的氧化物，例如Na2O、MgO、Fe2O3、CuO等。复习总结CO2、SO2、SO3以及SiO2这四个酸性氧化物的性质，回答表后的问题： CO2SO2SO3SiO2与H2O反应生成酸CO2H2OH2CO3SO2+H2OH2SO3SO3+ H2OH2SO4不与水反应，也不溶于水与碱反应生成盐和水2NaOHCO2Na2CO3H2O2NaOHSO2Na2SO3H2OSO32NaOHNa2SO4H2OSiO22NaOHNa2SiO3H2O与碱性氧化物反应只生成盐CaOCO2一定条件CaCO3SO2 + CaO CaSO3SO3+ CaO CaSO4CaOSiO2高温CaSiO3特性具有漂白性，能使品红溶液褪色能与氢氟酸反应SiO24HFSiF4H2O（2）酸性氧化物共有的性质：都能与水反应，生成相应的酸。（有些酸性氧化物除外，如SiO2）都能与水反应生成盐和水，而且是只生成盐和水；能与碱性氧化物直接发生化合反应，生成盐；【例6】下列说法不正确的是 （ A ）A因为SiO2 不溶于水，故H2SiO3不是SiO2 对应的酸或者说SiO2 不是H2SiO3 对应的酸酐 BCO2 通入水玻璃可以得到硅酸沉淀CSiO2 是一种空间立体网状结构的晶体，熔点高、硬度大 D氢氟酸能够雕刻玻璃4硅及其化合物的特性硅的特性(1)硅的还原性大于碳，但碳能在高温下还原出硅：SiO22CSi2CO。(2)非金属单质与碱液作用一般无氢气放出，但硅能与氢氧化钠等强碱溶液反应放出氢气：Si2NaOHH2O=Na2SiO32H2。(3)非金属单质一般不与酸作用，但硅可以与酸反应，当然这个酸必须是氢氟酸。Si4HF=SiF42H2。硅可以与氢氟酸反应，而且有氢气生成。SiO2的特性 (4)二氧化硅是酸性氧化物，却不能直接与水反应生成硅酸：SiO2+ H2 O H2SiO3 二氧化硅甚至不溶于水。（5）酸性氧化物一般与碱反应，与酸不反应，二氧化硅却能与氢氟酸反应，生成四氟化硅和水。SiO24HF=SiF42H2O。H2SiO3的特性（6）无机酸一般都易溶于水，而硅酸却是难溶于水的沉淀。5、二氧化硅的用途：下列物质的主要成分都是二氧化硅，这些物质在生产生活中都有重要的用途（1）石英可用于制作石英表和石英玻璃。 （2）石英砂常用作制薄玻璃和建筑材料。（3）水晶常用来制造电子部件、光学仪器、工艺品和眼镜片等。（4）玛瑙用于制造精密仪器轴承、耐磨器皿和装饰品。6、光导纤维SiO2 被用于制造高性能的现代通讯材料光导纤维。光导纤维，简称“光纤”，就是一种能利用光的全反射作用来传导光线的透明度极高的玻璃细丝。它传导光的能力非常强。可用于信息传输、传能传像、遥测遥控、照明等许多方面。三、硅酸盐与无机非金属材料1硅酸盐（1）硅酸盐在自然界中的存在硅酸盐是构成地壳中岩石的主要成分，另外有很多种天然矿石的主要成分也都是硅酸盐，粘土的主要成分也是硅酸盐。粘土的种类很多，常见的有高岭土和一般粘土，前者含杂质较少，后者含杂质较多。（2）硅酸盐组成的表示方法硅酸盐的种类很多，结构复杂，它的组成有两种表示方法。 化学式法： 一般用于组成较简单的硅酸盐。如：硅酸钠 Na2SiO3； 硅酸钙Ca2SiO3 氧化物法：组成较复杂的硅酸盐常用氧化物法来表示。 如：镁橄榄石（Mg2SiO4） 2MgOSiO2 高岭石Al2(Si2O5)(OH)4 Al2O32SiO22H2O钠长石（Na2Al2Si6O16）Na2OAl2O36SiO2说明：用氧化物的形式表示硅酸盐的组成时，各氧化物的排列顺序为：较活泼金属氧化物 较不活泼金属氧化物 二氧化硅 水【例7】用氧化物形式表示下列硅酸盐钾长石（K2Al2Si6O16）K2OAl2O36SiO2 石棉Mg3Ca（SiO3）4CaO3MgO4SiO2CaAl2Si2O8 CaMg2Al2Si3O12 （3）硅酸钠硅酸钠的水溶液俗称水玻璃，它是一种矿物胶，具有粘合性。2传统无机非金属材料（1） 玻璃生产原料：生产普通玻璃的主要原料是纯碱（Na2CO3），石灰石（CaCO3）和石英（SiO2 ）。生产条件：在玻璃熔炉里高温反应生产过程：将原料混合均匀，加强热使之熔化的同时发生反应。涉及到的化学方程式：CaCO3 + SiO2 高温CaSiO3 + CO2 Na2CO3 + SiO2高温Na2SiO3 + CO2 生产产品： 制造玻璃的原料中，石英是过量的，所以，上述反应完成后，会得到CaSiO3，Na2SiO3和SiO2 熔化在一起得到的物质，这个溶合在一起的混合物就是玻璃玻璃的性质：硬而脆，受热时在一定温度范围内逐渐软化，没有一定的熔点，耐酸腐蚀（HF除外）。（2）水泥： a. 制造普通水泥的原料：石灰石和粘土b. 普通水泥的主要成分为硅酸三钙（3CaOSiO2），硅酸二钙（2CaOSiO2）和铝酸三钙（3CaOAl2O3）等。c.水泥的特点是水泥具有水硬性，与水搀和搅拌并静置后，很容易凝固变硬。d. 混凝土是指水泥、沙子和碎石的混合物，混凝土常用钢筋作结构，这就是通常所说的钢筋混凝土。3、陶瓷传统陶瓷主要是以黏土等天然硅酸盐为主要原料烧成的制品。新型陶瓷材料有高温结构陶瓷、生物陶瓷和压电陶瓷等。（这三种新型陶瓷材料的性能以及用途参看课本第112面）【例8】制造普通玻璃的主要原料： 。制造普通玻璃的所涉及的反应： 普通玻璃的主要成份： 【例9】制造普通水泥的原料： 普通水泥的主要成份： 水泥具有的特性 ,与水掺和搅拌并静止后，很容易凝固变硬。 的混合物叫做混凝土。【例10】在炼铁、制玻璃、制水泥三种工业生产中，都需要原料 （ B ）A纯碱 B石灰石 C石英 D粘土【例11】CaCO3写出完成下列转化的化学方程式：(11) CO2和H2OSiF4 (12) SiO2(高温)(5) F2(6) HF(10) CaO(3)O2 ()(1)Cl2()SiSiO2CaSiO3SiCl4(4)C(高温)(2) H2()Na2SiO3 (8) NaOH(7) NaOH(11) CO2和H2O(9) CO2和H2ONa2CO3H2SiO3(12) SiO2(高温)（1）Si2Cl2 SiCl4（四氯化硅） （2）SiCl42H2 Si4HCl（3）Si + O2 SiO2 （4）SiO22C 高温 Si2CO （5）Si + 2F2 SiF4； （6）Si