人一硅及其化合物的性质

第一节无机非金属材料的主角硅,人教版必修一,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,结构类似金刚石，为硬而脆的灰黑色固体,熔点高,硬度大。,硅有晶体硅和无定形硅两种同素异形体,一、硅单质,物性：,1、灰黑色，有金属光泽，硬而脆的固体2、熔点高、硬度大,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,化性：,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(Cl2O2)反应。,硅的工业制法：,粗硅：,纯硅：,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）,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。,硅芯片,在美国旧金山，有个最大的高科技工业园区，称之为“硅谷”，它是现代电子工业和计算机发展的基地。这说明硅在电子工业革命中起着非常重要作用。以硅为基础而制成的晶体管是计算机的心脏。,硅在电子工业中重要作用,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。是一种坚硬难熔的固体。,硅石,硅矿山,结晶形（石英晶体）无定形硅藻土,水晶玛瑙,二、二氧化硅（SiO2）,1、存在:,硅石,无色透明,彩色环带或层状,水晶,玛瑙,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。,2、结构,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。,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,3、物理性质,固体,1610,2230,不溶,大,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,思考与交流,4、二氧化硅的化学性质（通常很不活泼）,1、具有酸性氧化物的通性,（1）与强碱反应生成盐和水,（2）与碱性氧化物反应生成盐,（有粘性，其溶液俗称水玻璃）,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,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。,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,SiO2CaO=CaSiO3,高温,二氧化硅和二氧化碳的性质比较,5、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。,光学纤维胃镜,石英制品,水晶石英、玛瑙,二氧化硅用来制光导纤维,光导纤维就是比头发丝还细的、能传导光信号的玻璃丝。制造光导纤维的材料就是二氧化硅。光导纤维主要用于通讯、传感、测量等，光纤通讯的优点就是通信容量大，一对光纤上可同时传送3万门电话。,三、硅酸(H2SiO3),硅酸是一种白色粉末状的固体，它不溶于水；是一种弱酸，酸性比碳酸还弱，不能使指示剂变色。,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（胶体）+2NaCl,实验探究,滴入盐酸有凝胶产生,硅酸难溶于水,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,向Na2SiO3溶液中通如CO2也可生成H2SiO3,弱酸性。只能与强碱发生中和反应,不稳定(比H2CO3稳定)，受热易分解,H2SiO3+2NaOH=Na2SiO3+2H2O,H2SiO3的化学性质,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。,（1）硅酸的制备,Na2SiO3+2HCl=2NaCl+H2SiO3（2）硅酸的性质物理性质:白色,胶状,不溶于水的物化学性质:弱酸性酸性比碳酸弱.H2SiO3+2NaOH=2H2O+Na2SiO3不稳定性,Na2SiO3+H2O+CO2=Na2CO3+H2SiO3,（3）用途：可作干燥剂和催化剂的载体,四、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。,2、硅酸盐组成表示,活泼金属氧化物较活泼金属氧化物SiO2H2O,Na2OSiO2,2MgOSiO2,CaOAl2O33SiO23H2O,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,玻璃,玻璃,原料：纯碱、石灰石、石英设备：玻璃窑条件：高温熔融主要反应：主要成份：硅酸钠、硅酸钙、二氧化硅,高温,SiO2+CaCO3=CaSiO3+CO2SiO2+Na2CO3=Na2SiO3+CO2,高温,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,水泥,水泥,原料：黏土、石灰石、石膏CaCO3、Al2O32SiO22H2O设备：水泥回转窑条件：煅烧主要成份：硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙等,3CaOSiO22CaOSiO23CaOAl2O3,硅酸盐产品简介,新型无机非金属材料的优点：,1、能承受高温，强度高,2、具有电学特性,3、具有光学特性,4、具有生物功能,玻璃刀,玻璃刀轮片,红宝石为轴的雷达表,人造金刚石锯片,新型无机非金属材料之一：,高温结构陶瓷、压电陶瓷,79科学视野：新型陶瓷,、高温结构陶瓷、压电陶瓷、透明陶瓷、超导陶瓷,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。如安放在打火机中的压电陶瓷，一经敲打即刻产生一个电火花，将机