无机非金属材料的主角------硅

1、硅硅 第一节第一节 无机非金属材料的主角无机非金属材料的主角 在地壳中硅的含量为在地壳中硅的含量为26.3%26.3%，仅次于氧。，仅次于氧。硅是亲氧元硅是亲氧元素，没有游离态，素，没有游离态，硅的氧化物及硅酸盐构成了地壳大部分硅的氧化物及硅酸盐构成了地壳大部分的的岩石、沙子岩石、沙子和和土壤土壤，约占地壳质量的，约占地壳质量的90%90%以上。在无机非以上。在无机非金属材料中，硅一直扮演着主要角色。金属材料中，硅一直扮演着主要角色。硅的存在与分布硅的存在与分布图图 4-1 4-1 硅的广泛存在硅的广泛存在从从原子结构原子结构认识硅认识硅哪种元素最外层电哪种元素最外层电子数与子数与Si相同？相

2、同？SiC碳碳是构成有机物是构成有机物的主要元素的主要元素硅硅是构成岩石和许是构成岩石和许多矿物的主要元素多矿物的主要元素 硅和碳硅和碳一样一样, ,其原子其原子既不易失去电子，也既不易失去电子，也不易得到电子，主要形成不易得到电子，主要形成四价化合物四价化合物结晶形（石英晶体）结晶形（石英晶体）水晶水晶玛瑙玛瑙（1 1）存在存在硅石硅石无色透明无色透明彩色环带状或层状彩色环带状或层状水晶水晶SiO2是硅最重要的化合物，自然界中沙子、是硅最重要的化合物，自然界中沙子、石英的主要成分是石英的主要成分是SiO2。无定形无定形硅藻土硅藻土玛瑙1、 二氧化硅二氧化硅（ SiO2 ）一、二氧化硅和硅酸

3、每每1个个Si原子周围结合原子周围结合4个个O原子，原子，Si在中心在中心,O在四个顶角。在四个顶角。 同时每同时每1个个O原子周围结合原子周围结合2个个Si原子。原子。 二氧化硅中氧原子与硅原子个数比为二氧化硅中氧原子与硅原子个数比为21，用，用SiO2来表示来表示二氧化硅的组成二氧化硅的组成,表示表示O与与Si的原子个数比的原子个数比,不是分子式是化学式。不是分子式是化学式。SiOSiO4 4 四面体结构四面体结构立体网状结构立体网状结构（2 2）SiOSiO2 2的结构的结构（3 3）二氧化硅的用途）二氧化硅的用途 由于由于SiOSiO2 2具有优良的物理化学性能，加上具有优良的物理化学

4、性能，加上SiOSiO2 2在自然在自然界的广泛存在，因此从古到今都被人类广泛地应用。界的广泛存在，因此从古到今都被人类广泛地应用。纯净的纯净的SiOSiO2 2是是现代光学现代光学及及光纤制品光纤制品的基本材料，的基本材料， 可以制作可以制作光导纤维光导纤维。沙子沙子是基本的是基本的建筑材料建筑材料。石英石英和和玛瑙玛瑙制作饰物和工艺品制作饰物和工艺品 根据根据SiOSiO2 2的存在和用途的存在和用途, ,请你分析以下问题请你分析以下问题: : SiOSiO2 2具有哪些物理性质具有哪些物理性质? ?化学稳定性如何化学稳定性如何? ? SiOSiO2 2的这些性质是由什么决定的的这些性质是

5、由什么决定的? ? 物理性质物理性质_ 化学性质化学性质_ SiO SiO2 2的这些性质是由其的这些性质是由其_决定的。决定的。思考与交流：思考与交流：结构结构硬度大、熔点高、难溶于水硬度大、熔点高、难溶于水通常条件下，很稳定通常条件下，很稳定 1 1：实验室为什么不用玻璃瓶盛装氢氟酸？：实验室为什么不用玻璃瓶盛装氢氟酸？思考与讨论思考与讨论2 2：实验室盛装：实验室盛装NaOHNaOH溶液的试溶液的试剂瓶为什么用橡胶塞而不用剂瓶为什么用橡胶塞而不用玻璃塞？（玻璃塞？（提示提示：玻璃中含：玻璃中含有有 、特性：、特性：与氢氟酸反应与氢氟酸反应 用氢氟酸刻蚀玻璃（只与（只与氢氟酸氢氟酸反应反应

6、, ,不与其它酸反应）不与其它酸反应）（用于雕刻玻璃）（用于雕刻玻璃） 与碱性氧化物（如与碱性氧化物（如CaOCaO）反应）反应SiO2 + CaO=CaSiO3 高温高温 与强碱（如与强碱（如NaOHNaOH）反应）反应SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O硅酸钠硅酸钠俗称水俗称水玻璃具玻璃具有粘性有粘性 玻璃中的玻璃中的SiO2会与会与NaOH溶液反应生成溶液反应生成带有粘性的物质带有粘性的物质Na2SiO3，会使瓶塞和瓶，会使瓶塞和瓶口粘在一起。口粘在一起。二氧化碳二氧化碳 二氧化硅二氧化硅 状状 态态物理性质物理性质化化学学性性质质与水与水与碱与碱与碱与碱性氧性氧化物化物与酸与酸

7、 用用 途途二氧化碳和二氧化硅的物理化学性质及用途比较二氧化碳和二氧化硅的物理化学性质及用途比较CO2+H2O=H2CO3CO2+2NaOH=Na2CO3+H2OCO2+Na2O=Na2CO3CO2+CaO=CaCO3不反应不反应 = 固固 态态熔沸点低熔沸点低气气 态态熔沸点高、硬度大熔沸点高、硬度大人工降雨，灭火等人工降雨，灭火等 装饰品、石英坩埚、光纤等装饰品、石英坩埚、光纤等高温高温SiO2+CaO=CaSiO3 2 2、硅酸、硅酸 （HH2 2SiOSiO3 3）(2) (2) 制取制取现象现象结论结论化学化学方程方程式式 滴入酚酞后溶液变为红色，再滴入稀盐酸，溶滴入酚酞后溶液变为红

8、色，再滴入稀盐酸，溶液液红色变浅至无色红色变浅至无色，同时，同时有白色胶状物质有白色胶状物质产生。产生。 Na Na2 2SiOSiO3 3溶液呈碱性；硅酸难溶于水溶液呈碱性；硅酸难溶于水Na2SiO3 + 2HCl = 2NaCl + H2SiO3(胶体胶体)(1)(1)性质性质: :硅酸是一种硅酸是一种白色固体白色固体，它，它不溶于水不溶于水；是一种是一种弱酸弱酸，酸性比碳酸还弱，酸性比碳酸还弱，不能不能使指示剂变色。使指示剂变色。（3 3）用途）用途 有白色胶状物质产生有白色胶状物质产生Na2SiO3+H2O+CO2=H2SiO3+Na2CO3思考思考: :分析以上制取原理若将分析以上制

9、取原理若将COCO2 2通入通入 NaNa2 2SiOSiO3 3溶液中溶液中有何现象有何现象? (? (碳酸的酸性强于硅酸的酸性碳酸的酸性强于硅酸的酸性) ) 生成的硅酸逐渐聚合而形成成的硅酸逐渐聚合而形成硅酸溶胶硅酸溶胶（能流动）（能流动），当硅酸的，当硅酸的浓度较大时，就会形成浓度较大时，就会形成硅酸凝胶硅酸凝胶（不能流动）（不能流动），硅酸凝胶硅酸凝胶(H2SiO3)经老化脱水处理而制得经老化脱水处理而制得硅胶硅胶。硅胶。硅胶的的化学性质稳定，除化学性质稳定，除强碱、氢氟酸外不和任何强碱、氢氟酸外不和任何物质发生反应。具强烈的物质发生反应。具强烈的吸湿性能。吸湿性能。 硅胶硅胶的用途：

10、的用途： 干燥剂（吸水），干燥剂（吸水）， 吸附剂（多孔），吸附剂（多孔）， 催化剂的载体。催化剂的载体。药品中的干燥剂药品中的干燥剂一、一、SiO2结构特点物理性质化学性质用 途二、二、H2SiO3物理性质化学性质用 途实验室制法SiO32- + 2H+= H2SiO3SiO32-+H2O+CO2=H2SiO3+CO32-极弱酸极弱酸(酸性比碳酸还弱）酸性比碳酸还弱）H2SiO3+2NaOH=Na2SiO3+H2O练 习1.1.地壳中含量第一和第二的两种元素所形成的化合物不地壳中含量第一和第二的两种元素所形成的化合物不具有的性质（具有的性质（ ） A.A.熔点很高熔点很高 B.B.与水反应生

11、成对应的酸与水反应生成对应的酸 C.C.可与烧碱反应生成盐可与烧碱反应生成盐 D.D.坚硬坚硬2.2.赏心悦目的花瓶是用下列物质的一种对玻璃进行刻蚀赏心悦目的花瓶是用下列物质的一种对玻璃进行刻蚀而形成的而形成的, ,这种物质是这种物质是 （ ） A.A.盐酸盐酸 B.B.氢氟酸氢氟酸 C.C.烧碱烧碱 D.D.纯碱纯碱3.3.下列试剂不能贮存在磨口玻璃塞的试剂瓶里是（下列试剂不能贮存在磨口玻璃塞的试剂瓶里是（ ） A.HNOA.HNO3 3溶液溶液 B.KOHB.KOH溶液溶液 C.C.盐酸盐酸 D.NaClD.NaCl溶液溶液BBB 试剂试剂二氧化硅二氧化硅氢氧化钠溶液氢氧化钠溶液氢氟酸氢氟

12、酸浓硫酸浓硫酸 试剂瓶试剂瓶细口瓶，磨口塞细口瓶，磨口塞广口瓶广口瓶细口塑料瓶细口塑料瓶细口瓶，橡皮塞细口瓶，橡皮塞 4 4、实验室有几种试剂，根据它们各自的性质，、实验室有几种试剂，根据它们各自的性质，选择适当的试剂瓶盛放。请在对应的各种试剂瓶和选择适当的试剂瓶盛放。请在对应的各种试剂瓶和所装试剂之间进行连线。所装试剂之间进行连线。5 5、下列说法正确的是（、下列说法正确的是（ ）A ASiOSiO2 2溶于水显酸性溶于水显酸性B BCOCO2 2通入水玻璃通入水玻璃( (硅酸钠的水溶液）可得硅酸硅酸钠的水溶液）可得硅酸C CSiOSiO2 2是酸性氧化物，它不溶于任何酸是酸性氧化物，它不溶

13、于任何酸D DSiOSiO2 2晶体中存在单个晶体中存在单个SiOSiO2 2分子分子B二、硅酸盐二、硅酸盐硅酸钠（硅酸钠（Na2SiO3), 其水溶液俗称其水溶液俗称水玻璃水玻璃，是制备是制备硅胶硅胶和和木材防火剂木材防火剂等的原料。等的原料。是由是由硅、氧硅、氧和和金属金属组成的化合物的总称。组成的化合物的总称。结构复杂，一般不溶于水，结构复杂，一般不溶于水， 化学性质很稳定。化学性质很稳定。实验实验4-24-2 放入蒸馏水放入蒸馏水放入放入Na2SiO3饱和溶液饱和溶液现象现象结论结论当水分蒸当水分蒸发后燃烧发后燃烧当水分蒸发当水分蒸发后不易燃烧后不易燃烧用水玻璃浸泡过的木材或织物可防火

14、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制备木材防火剂的原料2、硅酸盐组成的表示、硅酸盐组成的表示化学式法：化学式法：硅酸钠：硅酸钠：Na2SiO3硅酸钙：硅酸钙：CaSiO3氧化物法：氧化物法：氧化物（低价氧化物（低价高价）高价）二氧化硅二氧化硅水水硅酸钠：硅酸钠：Na2O SiO2硅酸钙：硅酸钙：CaO SiO2练练 习习石棉石棉 ：CaMg3Si4O12 氧化物形式氧化物形式CaO3MgO4SiO2云母云母 ：KAl3Si3O10 (OH)2K2O3Al2O36SiO22H2O黏土黏土: :Al2Si2O72H2OAl2O32SiO22H2O无机非金无机非金属材料属材料传统无

15、机非传统无机非金属材料金属材料新型无机非新型无机非金属材料金属材料陶瓷陶瓷玻璃玻璃水泥水泥高温结构陶瓷高温结构陶瓷压电陶瓷压电陶瓷透明陶瓷透明陶瓷超导陶瓷超导陶瓷3 3、硅酸盐、硅酸盐产品产品生产原料：黏土生产原料：黏土（Al2O32SiO22H2O ）生产设备：生产设备：陶瓷窑陶瓷窑 高温烧结高温烧结生产过程：生产过程：混合混合- -成型成型- -干燥干燥- -烧结烧结- -冷却冷却主要性质：主要性质：抗氧化、抗酸碱腐蚀、耐高温、抗氧化、抗酸碱腐蚀、耐高温、 绝缘、易成型绝缘、易成型陶陶 瓷瓷青花瓷青花瓷描述景德镇陶瓷描述景德镇陶瓷有这样一句话：有这样一句话：薄如纸，薄如纸，声如磬，声如磬，

16、色如玉。色如玉。高温高温SiO2 + Na2CO3 Na2SiO3 + CO2 SiO2 + CaCO3 CaSiO3 + CO2 高温高温玻玻 璃璃 Na2OCaO6SiO2主要成分：主要成分：反应原理：反应原理：生产设备：生产设备： 玻璃窑玻璃窑 高温熔融高温熔融生产原料：生产原料： 纯碱、石灰石、石英纯碱、石灰石、石英 （Na2CO3、CaCO3、SiO2）玻玻 璃璃有色玻璃有色玻璃:在玻璃中添加有在玻璃中添加有色氧化物色氧化物如如:蓝色蓝色 氧化钴氧化钴(Co2O3) 红色红色 氧化亚铜氧化亚铜(Cu2O)普通玻璃加热普通玻璃加热接近熔化再急接近熔化再急速冷却速冷却生产原料：生产原料：

17、石灰石、黏土石灰石、黏土 （CaCO3、 Al2O32SiO22H2O ）水水 泥泥主要成分：主要成分：3CaOSiO22CaOSiO23CaOAl2O3生产设备：生产设备： 水泥回转窑水泥回转窑 高温煅烧硅酸三钙硅酸二钙铝酸三钙具有特殊功能的含硅物质具有特殊功能的含硅物质、碳化硅（、碳化硅（SiC俗俗称金刚砂），具有称金刚砂），具有金刚石的结构。金刚石的结构。硬硬度很大，用作砂纸、度很大，用作砂纸、砂轮的磨料。砂轮的磨料。 、硅硅 钢钢（铁合金）（铁合金） 导磁性良好，用作导磁性良好，用作变压器铁芯变压器铁芯、硅橡胶、硅橡胶、分子筛、分子筛（具有均匀微孔结构（具有均匀微孔结构 的铝硅酸盐。）

18、的铝硅酸盐。）( (既耐高温又耐既耐高温又耐 低温的橡胶低温的橡胶) )高温结构陶瓷几种几种新型陶瓷新型陶瓷材料材料高温结构陶瓷在航天事业的运用原因： 是因为它具有耐高温，耐氧化，超强，超硬的特点。 它可以在各种的环境下使用。同时也是造汽车发动机，喷气发动机的理想材料，大大提高能源的利用率。 安放在打火机中的压电陶瓷，一经敲打就产生电火花，将机械能转化为电能。压电陶瓷点火器点火器透明氧化铝陶瓷透明氧化铝陶瓷 生物陶瓷 这种陶瓷强度这种陶瓷强度大，韧性好，与人大，韧性好，与人体亲和力好。是目体亲和力好。是目前人体骨骼和牙齿前人体骨骼和牙齿的重要移植材料。的重要移植材料。三、硅单质三、硅单质（1

19、1） 存在：存在：（2 2） 物理性质：物理性质： 晶体硅是晶体硅是有金属光泽的灰黑色固体，有金属光泽的灰黑色固体，熔点高，硬熔点高，硬度大，度大，有脆性有脆性。 晶体硅晶体硅的导电性介于导体和绝缘体之间，是良的导电性介于导体和绝缘体之间，是良好的半导体材料好的半导体材料。 单质单质硅有晶体硅和无定形硅两种硅有晶体硅和无定形硅两种同素异形体同素异形体, ,晶体晶体硅的结构类似于金刚石。硅的结构类似于金刚石。（3）、化学性质 常温下硅单质的化学性质不活泼常温下硅单质的化学性质不活泼，只与氟气、氢，只与氟气、氢氟酸、强碱溶液反应；氟酸、强碱溶液反应；加热时能和氧气、氯气、氢气等非金属反应。加热时能

20、和氧气、氯气、氢气等非金属反应。. .常温下与强碱反应常温下与强碱反应 Si + 2NaOH + H2O = Na2SiO3 + 2H2 . .加热时，能与加热时，能与O O2 2、ClCl2 2等反应等反应Si + 2F2 = SiF4 . .常温下与常温下与HFHF（氢氟酸）的反应（氢氟酸）的反应 Si +4HF= SiF4+ 2H2 . .常温下与常温下与F F2 2反应反应Si + O2 = SiO2 Si + 2Cl2 = SiCl4 （4 4）硅的工业制法）硅的工业制法高温高温加热加热高温高温 （5 5）、硅的用途）、硅的用途 硅是一种重要的非金属单质，它的用途非常广硅是一种重要的

21、非金属单质，它的用途非常广泛。作为良好的半导体材料，硅可用来制造集成电泛。作为良好的半导体材料，硅可用来制造集成电路、晶体管、硅整流器等半导体器件，还可以制成路、晶体管、硅整流器等半导体器件，还可以制成太阳能电池，可制成有良好导磁性、耐酸性的合金太阳能电池，可制成有良好导磁性、耐酸性的合金硅芯片硅芯片大规模集成电路大规模集成电路太阳能电池太阳能电池1. 1.硅酸盐表示方法：硅酸盐表示方法：化学式法化学式法 氧化物法氧化物法2.硅酸钠硅酸钠硅酸钠是一种无色晶体，熔点高。硅酸钠是一种无色晶体，熔点高。硅酸钠易溶于水，水溶液俗称水玻璃，呈碱性。硅酸钠易溶于水，水溶液俗称水玻璃，呈碱性。Na2SiO3

22、易吸收空气中的易吸收空气中的CO2：Na2SiO3 +H2O+CO2= 2Na2CO3 + H2SiO3（胶体）（胶体）Na2SiO3溶液（水玻璃）溶液（水玻璃）木材防火、黏胶剂等木材防火、黏胶剂等3.3.硅酸盐产品硅酸盐产品 ：水泥、陶瓷、玻璃水泥、陶瓷、玻璃4.4.硅硅 存在与状态；物理性质；化学性质存在与状态；物理性质；化学性质 用途。用途。练 习1 1下列表述正确的是（下列表述正确的是（ ）A A人造刚玉熔点很高，可用作高级耐火材料，主要人造刚玉熔点很高，可用作高级耐火材料，主要成分是成分是SiOSiO2 2B B在医疗上碳酸钠可用于治疗胃酸过多在医疗上碳酸钠可用于治疗胃酸过多C C用于现代通讯的光导纤维的主要成分是高纯度的硅用于现代通讯的光导纤维的主要成分是高纯度的硅D D分散系中分散质粒子的直径：分散系中分散质粒子的直径：Fe(OH)Fe(OH)3 3 悬浊液悬浊液Fe(OH) Fe(OH) 3 3 胶体胶体FeC