无机非金属材料的主角硅全节

第四章 非金属及其化合物,4.1 无机非金属材料-硅,从沙滩到用户？,为什么不直接从单质硅制取芯片，而用沙子经过处理制取芯片？,思考,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%,硅在地壳中含量第二，硅的氧化物及硅酸盐构成的岩石、 沙子和土壤，约占地壳的90以上。,硅的存在与分布,存在：没有游离态，只有化合态分布：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,2.硅的原子结构,碳是构成有机物的主要元素,硅是构成岩石与许多矿物的基本元素,Si,C,因为硅和碳一样,其原子既不易失去又不易得到电子,主要形成四价的化合物.,所以常温下，碳、硅单质的化学性质不活泼,碳和硅在自然界中存在形式有所不同的原因是什么？,碳和硅都是亲氧元素但是硅的亲氧能力更 强,思考,结晶形（石英晶体）无定形硅藻土,水晶玛瑙,一、二氧化硅和硅酸,1、二氧化硅（ SiO2 ）,(1)存在:,天然的SiO2称为硅石,硅石,无色透明,彩色环带或层状,水晶,玛瑙,天然水晶,紫水晶,蔷薇石英,茶晶,黄水晶,天然玛瑙,每1个Si原子周围结合4个O原子，Si在中心,O在四个顶角。 同时每1个O原子周围结合2个Si原子相结合。,硅原子,二氧化硅中氧原子与硅原子个数比为2：1，用SiO2来表示二氧化硅的组成,表示O与Si的原子个数比,不是分子式是化学式。,SiO4四面体结构,立体网状结构决定了SiO2具有优良的物理和化学性质,(2)结构,SiO2的用途,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,水晶制品,玛 瑙,(3)用途：,光导纤维石英：耐高温化学仪器、石英电子表、石英钟水晶：电子工业的重要部件、光学仪器、 高级工艺品和眼镜片玛瑙：精密仪器轴承、耐磨器皿和装饰品,光纤视频,玛瑙饰品,物理性质:_,化学稳定性:_,通常条件下，很稳定,硬度大、熔点高、难溶于水,表示二氧化碳分子及其组成,表示二氧化硅晶体中硅氧原子个数比,气 态,固 态,很小,很大,能溶于水,不溶于水,很 低,很 高,(4)二氧化硅的物理性质,都属酸性氧化物,水 溶 性,什么叫酸性氧化物？初中学过的酸性氧化物的通性包括哪些方面（以CO2为例）,讨论,与水、碱、碱性氧化物反应,(5)二氧化硅的化学性质（通常很不活泼）,具有酸性氧化物的通性,（有粘性，其溶液俗称水玻璃）,b、常温下、与NaOH溶液缓慢反应：SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O,设疑:,实验室中盛放碱液的试剂瓶与盛放其它溶液的试剂瓶有何不同？为什么 ？,实验室盛装NaOH溶液的试剂瓶用橡胶塞而不用玻璃塞,NaOH溶液能与玻璃中的SiO2反应生成Na2SiO3，使瓶塞部分粘结而无法打开。因此盛装NaOH溶液的试剂瓶不能用玻璃塞而要用橡胶塞。,原因,在高温下能与还原剂反应，表现弱氧化性,此反应常用于雕刻玻璃,思考:实验室为什么不用玻璃瓶盛装氢氟酸？,HF能腐蚀玻璃，因此，盛装氢氟酸不能用玻璃试剂瓶而要用塑料瓶。,熔点高，硬度大，难溶于水。,SiO2是自然界中沙子、石英的主要成分。 结晶的二氧化硅叫石英；天然二氧化硅叫硅石。,1.二氧化硅的物理性质,小结,与水反应,与碱性氧化物反应,与碱反应,CO2 + H2O = H2CO3,CO2+2NaOH=Na2CO3+H2O,CO2+Na2O=Na2CO3,不能反应,SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O,能与氢氟酸反应,SiO2 CaO =CaSiO3,高温,2.二氧化硅和二氧化碳的性质比较,思考,二氧化硅难溶于水，又不与水反应，那么，如何制得硅酸呢？,实验4-1：向饱和Na2SiO3溶液中滴入酚酞，再滴入稀盐酸,滴入酚酞溶液呈红色, Na2SiO3溶液呈碱性,Na2SiO3+2HCl = H2SiO3 +2NaCl,实验探究,滴入盐酸有凝胶产生,硅酸难溶于水,生成的硅酸逐渐聚合而形成硅酸溶胶（能流动），当硅酸的浓度较大时，就会形成硅酸凝胶（不能流动），硅酸凝胶经过干燥脱水就形成硅胶。硅胶的用途：干燥剂（吸水），吸附剂（多孔），催化剂的载体。,知识拓展：,把稀硫酸加入到Na2SiO3溶液中，会有什么现象？,滴入硫酸有凝胶产生,硅酸难溶于水,Na2SiO3+H2SO4 = H2SiO3 +Na2SO4,活动与探究：,硅酸是一种比碳酸还要弱的酸。请利用中学实验室常见的仪器及药品，设计一个简单实验，证明硅酸的酸性比碳酸弱，并完成一份实验报告。,用H2CO3可制得H2SiO3 ，可证明H2SiO3 的酸性比H2CO3弱。,SiO32- + H2O + CO2= CO32- + H2SiO3,Na2SiO3 + H2O + CO2 = Na2CO3 + H2SiO3,反应方程式,2.硅酸( ),硅酸是一种白色粉末状的固体，它不溶于水；是一种弱酸，不能使指示剂变色。,H2SiO3,H2SiO3=SiO2+H2O,Na2SiO3+2HCl=H2SiO3+2NaClNa2SiO3+CO2+H2O=H2SiO3+Na2CO3,硅酸的制取由于SiO2不溶于水，所以硅酸是通过可溶性硅酸盐与酸反应制得的。,SiO32- + 2H+=H2SiO3,1、CO2通入下列各溶液中，无明显现象发生的是（ ）A、氯化钙溶液 B、澄清石灰水C、硅酸钠溶液,A,合作讨论：,2、为确认HCl、H2CO3、H2SiO3的酸性强弱，有人设计用如右图装置，一次实验即可达到目的（不必再选用其它酸性溶液）。请依据此实验填空：（1）锥形瓶内装某可溶性正盐固体，分液漏斗中所盛试剂是_ 。（2）装置B所盛试剂是_，装置B所盛试剂的作用是_。（3）装置C所盛试剂是_，出现的现象是_。,盐酸,饱和NaHCO3溶液,除CO2中含有的HCl,Na2SiO3溶液,产生白色凝胶,二、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。,实验4-2,当水分蒸发后燃烧,当水分蒸发后不易燃烧,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,2、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,K(Al3Si3O10)(OH)2,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：玻璃熔炉反应原理：主要成分：Na2SiO3、CaSiO3、SiO2主要特性：非晶体，无固定的熔点,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主要特性：水泥具有水硬性,水 泥,具有特殊功能的含硅物质,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。,硅 钢（铁合金） 导磁性良好，用作变压器铁芯,硅橡胶,分子筛,具有均匀微孔结构的铝硅酸盐,碳化硅(金刚砂,SiC)：硬度大,硅钢：高导磁性,硅橡胶：良好的弹性,分子筛：吸附剂、催化剂,特殊功能的含硅物质,图 4-9既耐高温又耐低温的硅橡胶制品,新型无机非金属材料：,新型陶瓷,高温结构陶瓷、压电陶瓷,透明陶瓷、超导陶瓷等,科学视野,图4-10生物陶瓷制成的人造骨,二、硅酸盐,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,陶瓷玻璃水泥,高温结构陶瓷压电陶瓷透明陶瓷超导陶瓷,元素周期表,半导体,硅有晶体硅和无定形硅两种同素异形体,物性：,1、灰黑色，有金属光泽，硬而 脆的固体2、熔、沸点高、硬度大3、晶体硅是良好的半导体,三、硅单质,半导体材料：指导电能力介于 和 之间的一类材料，最早使用的半导体材料是 ，现在最广泛使用的半导体材料是,锗,导体,绝缘体,硅,图4-11 单晶硅,图4-11 单晶硅,化学性质,常温下，化学性质稳定，只与强碱、氢氟酸、 氟气反应,Si+2F2=SiF4,Si+4HF=SiF4 +2H2,Si+ 2NaOH + H2O = Na2SiO3 +2H2,加热下，较活泼,Si + O2 SiO2,（唯一与NaOH 溶液反应放出H2的非金属单质）,存在,在自然界中，没游离态的硅，以化合态存在，例如：硅酸盐等，在地壳中含量居第二位。,用途,集成电路、晶体管、硅整流器等半导体材料，还可以制成太阳能电池、硅的合金可用来制造变压器铁芯等。,集成电路 晶体管,5.用途,晶体硅的导电性介于导体和半导体之间,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）,制备,工业上：,练习,1、下列几种物质其主要成分不是二氧化硅的是