4.1-无机非金属材料的主角--硅》课件

第四章非金属及其化合物,第一节无机非金属材料的主角硅,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%,硅26.3%,硅的分布与存在,硅的氧化物及硅酸盐构成了地壳中大部分的岩石、沙子和土壤、约占地壳总量的90%以上。,硅是一种亲氧元素,在自然界中它总是与氧相互化合的，因此硅都以化合态存在于自然界，主要以氧化物及硅酸盐的形式存在。,第A族的二兄弟碳和硅豪门二杰,构成了地壳大部分岩石、沙子和土壤，“统治了地壳”硅是构成岩石与许多矿物的基本元素,“统治无机矿物界”,硅酸盐工业的陶瓷、玻璃、水泥等使人类生活日新月异,1、存在形式,晶体硅,无定形硅,硅有晶体硅和无定形硅两种。,一、硅单质,2、物理性质：,晶体硅是灰黑色、有金属光泽、硬而脆的固体。晶体硅的结构类似于金刚石，熔点(1410)和沸点都很高，硬度大。,导电性介于导体和绝缘体之间。,晶体硅：正四面体结构,思考1：硅原子最外层电子数是多少？我们很熟悉的哪种元素最外层电子数与它相同？,硅的原子结构,硅原子和碳原子的最外电子层均有4个电子，其原子既不易失去也不易得到电子，主要形成四价的化合物。,C,在高温或加热的条件下，单质硅能与O2和Cl2等非金属单质反应。,常温下化学性质不活泼，只能跟F2、HF和NaOH溶液反应。,Si2F2SiF4Si4HFSiF42H2,Si2NaOHH2ONa2SiO32H2,SiO2=SiO2,3、硅单质的化学性质,SiC=SiC(金刚砂),碳化硅,高温,工业上，用焦炭在高温下还原石英砂可制得粗硅，粗硅跟氯气反应经提纯得到SiCl4后再用氢气还原制得纯硅,4、硅的工业制备,硅单质,（1）反应中焦炭做（）A.还原剂B.氧化剂C.二者都不是（2）反应属于（），反应属于（）A.化合反应B.分解反应C.氧化还原反应D.非氧化还原反应E.置换反应,A,AC,CE,做一做,SiO22CSi(粗)2CO,Si(粗)2Cl2SiCl4,SiCl42H2Si(纯)4HCl,根据以下反应回答下列问题：,5、用途：太阳能电池、计算机芯片以及半导体材料、信息技术等材料和人造卫星、登月车、火星探测器等动力设备新能源。,硅太阳能电池,硅芯片是各种计算机、微电子产品的核心,硅单质,观看下列图片总结单质硅的用途,硅是一种亲氧元素，在自然界它总是与氧相互化合。所以在氧化气氛包围的地球上，硅主要以熔点很高的氧化物及硅酸盐的形式存在。,二、二氧化硅和硅酸,SiO2是硅的重要化合物。地球上存在的天然二氧化硅约占地壳质量的12，其存在形态有结晶形和无定形两大类，通称硅石。,（一）、二氧化硅,1、存在,硅石（12%）,结晶形（石英晶体）,无定形硅藻土,SiO2是硅的重要化合物。地球上存在的天然二氧化硅约占地壳质量的12，其存在形态有结晶形和无定形两大类，通称硅石。,石英,水晶,晶体二氧化硅,紫水晶,蔷薇石英,茶晶,黄水晶,晶体二氧化硅,玛瑙,晶体二氧化硅,硅藻土中国硅藻土资源丰富。全国10个省(区)有硅藻土矿产出。探明储量的矿区有354处，总保有储量矿石3.85亿吨。仅次于美国，居世界第2位。在地区分布上，以吉林最多，占全国储量的54.8%，云南、福建、河北等地次之。矿床类型主要为火山物源沉积型矿床(吉林长白、山东临胸、浙江嵊州市硅藻土矿等)和陆源沉积型(云南寻甸、四川米易硅藻土矿等)矿床。成矿时代集中在第三纪和第四纪，以第三纪为主。,无定形二氧化硅,二氧化硅的用途,二氧化硅的用途,二氧化硅的用途,光导纤维,二氧化硅的用途,危害：在隧道开凿，石英粉加工等工作环境下易形成含有二氧化硅的粉尘，人长期吸入含有二氧化硅的粉尘，就会患硅肺病（旧称矽肺）。,思考与交流,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,为什么二氧化硅和二氧化碳物理性质有这么大的差别？,是结构上的不同,Si,O,二氧化硅的晶体结构示意图,SiO2是由Si和O按1：2的比例组成的立体空间网状结构，没有SiO2分子存在，只存在硅氧原子。因此性质很稳定,二氧化硅：四面体结构,酸酐,定义：某酸脱去一分子或几分子的水所剩下的部分称为该酸的酸酐,常见酸的酸酐,H2SO4（SO3）HNO3（N2O5）H2SO3（SO2）HNO2（N2O3）H2CO3（CO2）H3PO4（P2O5）H2SiO3（SiO2）H3PO3（P2O3）,CDE,下列说法错误的是（）A.SiO2是二氧化硅的化学式B.SiO2晶体是由Si和O按1:2的比例所组成的立体网状结构的晶体C.SiO4四面体只存在于二氧化硅晶体中D.沙子里含无定形二氧化硅E.石英就是水晶F.SiO2从古到今被人类广泛地应用着，是因为SiO2的立体网状结构和它在自然界的广泛存在,“火眼金睛”,化学性质很不活泼，氢氟酸（HF）是唯一可以与之反应的酸。,SiO2+4HF=SiF4+2H2O,化学性质:,实验室能不能用玻璃瓶盛装氢氟酸？,注意：玻璃中含有SiO2，所以可以用HF来刻蚀玻璃。,（1）特性：,2.酸性氧化物,化学性质:,因为玻璃中含有SiO2，会与NaOH反应生成硅酸钠，使瓶塞与瓶口粘在一起而打不开。,实验室盛装NaOH溶液的试剂瓶为什么用橡胶塞而不用玻璃塞？,与碱性氧化物反应生成盐,与强碱反应生成盐和水,3、与盐反应：,(所以，不能用磨口玻璃塞盛碱性溶液，如NaOH、KOH、Na2CO3、Na2SiO3等溶液。),4、弱氧化性：,某同学根据SiO2既可与碱反应,也能与氢氟酸反应,推断SiO2为两性氧化物.是否正确?,?,思考与交流,SiO2与CO2化学性质的比较,CO2+H2O=H2CO3,CO2+2NaOH=Na2CO3+H2O,CO2+Na2O=Na2CO3,SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O,SiO2+CaO=CaSiO3,高温,酸性氧化物,与碱性氧化物反应,与碱反应,与水反应,与氢氟酸反应,Na2CO3+H2O+CO2=2NaHCO3CaCO3+CO2=Ca(HCO3)2,与盐反应,我们知道二氧化碳与水反应生成碳酸，但是SiO2不能与水直接化合成H2SiO3，这是一个特例。,思考：SiO2不能直接和水化合成H2SiO3，那怎样制备H2SiO3呢？,思考2,实验4-1：,制取原理：强酸制弱酸,滴入酚酞溶液呈红色,Na2SiO3+2HCl=H2SiO3（胶体）+2NaCl,再滴入稀盐酸，溶液红色变浅至无色，有透明胶冻状物质产生,SiO32-+2H+=H2SiO3（胶体）,a、Na2SiO3溶液呈碱性，b、可溶性硅酸盐与盐酸反应生成不溶于水的硅酸，c、先形成硅酸溶胶，后形成硅酸凝胶,硅酸是一种白色粉末状的固体，它不溶于水；是一种很弱的酸，不能使指示剂变色。,二、硅酸(H2SiO3),问一问,硅酸钠水溶液久置在空气中会出现什么现象？为什么？,硅酸钠水溶液久置在空气中会出现白色浑浊。因为发生下列反应：,SiO32-+H2O+CO2=CO32-+H2SiO3,Na2SiO3+H2O+CO2=Na2CO3+H2SiO3,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：,H2SiO3+2NaOH=Na2SiO3+2H2O,（2）不稳定（比H2CO3稳定），受热易分解,化学性质:,（1）弱酸性。只能与强碱发生中和反应,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。硅胶多孔，吸附水份能力强，常用作实验室和袋装食品，瓶装药品等的干燥剂，也可以用作催化剂的载体。,用途：,1、定义：,硅酸盐是由硅、氧和金属组成的化合物的总称,2、性质：,硅酸盐种类很多，是一大类结构复杂的固态物质，大多数不溶于水，化学性质很稳定。,3、表示方法：,（1）化学式法：,适用于简单的硅酸盐如：Na2SiO3，K2SiO3、CaSiO3等。,三、硅酸盐,活泼金属氧化物较活泼金属氧化物二氧化硅水氧化物前系数配置原则：除氧元素外，其他元素按配置前后原子个数守恒原则配置系数。硅酸钠：Na2SiO3Na2OSiO2硅酸钙：CaSiO3CaOSiO2高岭石：Al2(Si2O5)(OH)4Al2O32SiO22H2O正长石：KAlSi3O8不能写K2OAl2O33SiO2，应写成K2OAl2O36SiO2,（2）氧化物法：,资料卡片,K2O2Al2O36SiO2H2O,K(Al2Si3O9)(OH),4、最简单的硅酸盐-硅酸钠（Na2SiO3）,硅酸钠是白色固体，可溶于水，其水溶液俗称水玻璃。是制备硅胶和木材防火剂等的原料。,（1）、硅酸钠的物理性质,实验4-2：,放入蒸馏水,现象,结论,水份蒸发后木条燃烧,放入Na2SiO3溶液,水份蒸发后木条不燃烧,水份蒸发后失去防火作用,防火效果好Na2SiO3可作防火剂,实验4-2,（2）硅酸钠化学性质,硅酸钠的化学性质相对稳定，不能燃烧，不易被腐蚀，热稳定性好。,（3）用途,可以作肥皂填料，还可以用做建筑、纸张的黏合剂和木材、织物的防腐剂及防火剂,与酸反应,Na2SiO3+2HCl=2NaCl+H2SiO3,用途广泛的硅酸盐产品,四、硅酸盐工业,水泥是一种非常重要的建筑材料。万丈高楼平地起，穿针引线是水泥。,生产过程：,黏土和石灰石,两磨、一烧。研磨煅烧再磨成细粉；,水泥的生产原料：,普通硅酸盐水泥的成分：,1、水泥,水泥的性能：,水泥具有水硬性。,水泥、沙子和水的混合物建筑黏合剂。,水泥、沙子和碎石的混合物。,混凝土：,水泥砂浆：,玻璃,德国工会大厦,梦幻巴黎,柏林国会大厦,玻璃,玻璃,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,2、玻璃：,生产过程：,纯碱、石灰石和石英。,玻璃的生产原料：,普通玻璃的成分：,Na2SiO3、CaSiO3和SiO2组成的混合物。或Na2OCaO6SiO2；,玻璃无固定的熔沸点，在一定温度范围内软化。,玻璃的性能：,陶器,瓷器,3、陶瓷：,陶瓷具有抗氧化、抗酸碱腐蚀、耐高温、绝缘、易成型等许多优点，因此，陶瓷制品一直为人们所喜爱。,家用陶瓷,江苏宜兴，有陶都之称。,隋带烧制的三彩陶骆驼,瓷器是中华文明的象征。在许多拉丁语系国家中，“瓷器”和“中国”都以“CHINA”用同一字母拼音表示。,江西景德镇。,江西景德镇所烧制的薄胎瓷器被誉为：“洁如玉、明如镜、薄如纸、声如罄。”,我国素有“瓷都”之称的地方,江西景德镇所烧制的瓷器,传统无机非金属材料：,陶瓷、玻璃、水泥,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,五、新型无机非金属材料的特性,1.能承受高温、强度高。例如：氮化硅陶瓷在1200左右的高温下，仍具有很高的强度，可用来制造汽轮机叶片、轴承、永久性模具等。,2.具有电学特性，一些新型无机非金属材料可以作为半导体、导体、超导体等，一些绝缘性材料常被用于集成电路的基板。,3.具有光学特性。有些新型无机非金属材料能发出各色的光，有的能透过可见光，有的能使红外线、雷达射线穿过。,处于高温下的光导纤维,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。,4.具有生物特性。有些新型无机非金属材料强度高、无毒、不溶于水，对人体组织有较好的适应性，可直接植入人体内，用这类材料制成的人造牙齿、人造骨骼，已被应用在医疗上。,人造关节,硅元素,单质硅,Si+F2Si+HFSi+NaOH,加热能与某些非金属单质反应（O2、Cl2）,概括、整合,练习:,1.下列说法正确的是()A.二氧化硅溶于水显酸性B.二氧化碳通入水玻璃(Na2SiO3的水溶液)可以得到原硅酸.C.因为高温时,二氧化硅与碳酸钠反应放出二氧化碳,所以硅酸的酸性比碳酸强.D.二氧化硅是酸性氧化物,它不溶于任何酸,B,2.硅酸钠溶液俗称水玻璃,呈碱性.下列物质中,能用带磨口玻璃塞的试剂瓶盛放的是()A.浓硫酸B.水玻璃C.氢氟酸D苛性碱,A,3.