无机非金属材料的主角—硅全节课件

1、第一节无机非金属材料的主角第一节无机非金属材料的主角硅硅 黄山 泰山克拉玛依 沙漠 美丽的长江三角洲我们生存的地球，她坚硬的地壳是由什么构成的?1、硅元素在地壳中排名第几？在自然界主要以什么形态存在？硅在地壳中含量第二，硅的氧化物及硅酸盐构成的硅在地壳中含量第二，硅的氧化物及硅酸盐构成的岩石、岩石、 沙子和土壤，约占地壳的沙子和土壤，约占地壳的9090以上。以上。硅的存在与分布硅的存在与分布存在：没有游离态，只有化合态存在：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分布：自然界中分布广泛，是构成矿物和岩石的基本元素。元素。图图 4-1 4-1 硅的广泛存在硅的广泛存在

2、2、请同学们找出硅在元素周期表的位置？ 硅位于金属与非金属的过度位置。晶体硅的导电性介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于导体和绝缘体之间，是良好的半导体材料硅和碳一样硅和碳一样, ,其原子其原子既不易失去电子，也不易得到电既不易失去电子，也不易得到电子，子，所以硅的化学性质不活泼所以硅的化学性质不活泼, ,主要形成主要形成四价化合物四价化合物CSi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从从原子结构原子结构认识硅认识硅 在古代，人类就懂得怎在古代，人类就懂得怎样应用硅的氧化物和硅酸样应用硅的氧化物和硅

3、酸盐来做陶瓷。但是硅的单盐来做陶瓷。但是硅的单质直到质直到18世纪上半叶才被世纪上半叶才被化学家制备出来。为什么化学家制备出来。为什么硅单质这么晚才出现在人硅单质这么晚才出现在人类生活？类生活？硅单质的问世硅单质的问世 硅是一种亲氧元素，在自然界中它总是与氧化合硅是一种亲氧元素，在自然界中它总是与氧化合的。所以在氧化氛围的地球上，硅以熔点高的氧化物的。所以在氧化氛围的地球上，硅以熔点高的氧化物和硅酸盐的形式存在。和硅酸盐的形式存在。硅单质的制备硅单质的制备 硅单质的制备主要原材料二氧化硅（水晶、石英以及沙石的主要成分）。硅单质的制备硅单质的制备粗硅的制取：粗硅的制取： SiO2 + 2C =

4、Si + 2CO高温电炉粗硅制纯硅：（常用方法）粗硅制纯硅：（常用方法） Si + 2Cl2 = SiCl4SiCl4 + 2H2 = Si + 4HCl高温高温结构决定性质结构决定性质金刚石金刚石硅晶体硅晶体硅有晶体硅和无定形硅两种同素异形体硅有晶体硅和无定形硅两种同素异形体1 1、灰黑色，有金属光泽，硬而、灰黑色，有金属光泽，硬而 脆的固体脆的固体2 2、熔、沸点高、硬度大、熔、沸点高、硬度大3 3、晶体硅是良好的半导体、晶体硅是良好的半导体常温下，硅的化学性质不活泼，常温下，硅的化学性质不活泼，除氢氟酸、氟气、强碱外不跟其除氢氟酸、氟气、强碱外不跟其他物质如：氧气、氯气、硫酸等他物质如：

5、氧气、氯气、硫酸等起反应，但在加热情况下，硅也起反应，但在加热情况下，硅也能跟一些非金属反应。能跟一些非金属反应。一、硅单质一、硅单质 导电性介于导体和绝缘体之间导电性介于导体和绝缘体之间1 1、与氟气反应：、与氟气反应：2 2、与氢氟酸反应：、与氢氟酸反应：3 3、与强碱溶液反应：、与强碱溶液反应：4 4、与氯气反应：、与氯气反应：5 5、与氧气反应、与氧气反应Si+2F2=SiF4Si+4HF=SiF4+2H2Si+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H2Si+2Cl2=SiCl4Si+O2=SiO2 制造集成电路、晶体管、硅整流器等半导体制造集成电路、晶体管、硅整流器等半导体器件，还可

6、以制成太阳能电池，可制成有良好导器件，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。磁性、耐酸性的合金。 半导体晶体管及芯片的半导体晶体管及芯片的出现出现,促进了信息技术革命促进了信息技术革命.硅的用途硅的用途结晶形（石英晶体）结晶形（石英晶体）无定形无定形硅藻土硅藻土水晶水晶玛瑙玛瑙二、二氧化硅和硅酸二、二氧化硅和硅酸1 1、二氧化硅（、二氧化硅（ SiOSiO2 2 ）(1)(1)存在存在: : 天然的天然的SiOSiO2 2称为硅称为硅石石硅石硅石无色透明无色透明彩色环带或层状彩色环带或层状水晶水晶玛瑙硅藻土硅藻土天然水晶天然水晶玛瑙玛瑙 每每1个个Si原子周围结合原子周围结合

7、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原子相结合。原子相结合。 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2：1，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 正四面体结正四面体结构构立体网状结立体网状结构决定了构决定了SiOSiO2 2具有优具有优良的物理和良的物理和化学性质化学性质(2)(2)结构结构SiOSiO2 2的用途的用途玛玛 瑙瑙化学仪器化学仪器现代通信用现代通信用

8、光缆光缆光学纤维光学纤维胃镜胃镜用用光导纤维光导纤维做做无开刀手术无开刀手术光导纤维光导纤维手术头灯手术头灯光导纤维光导纤维物理性质物理性质:_化学稳定性化学稳定性:_通常条件下，很稳定通常条件下，很稳定硬度大、熔点高（硬度大、熔点高（17231723）、沸点高（沸点高（22302230）难溶于水）难溶于水二氧化碳二氧化碳 COCO2 2 二氧化硅二氧化硅 SiOSiO2 2化学式化学式的意义的意义状状 态态硬硬 度度熔沸点熔沸点相同点相同点表示二氧化碳表示二氧化碳分子及其组成分子及其组成表示二氧化硅晶体表示二氧化硅晶体中硅氧原子个数比中硅氧原子个数比气气 态态固固 态态很小很小很大很大能溶于

9、水能溶于水不溶于水不溶于水很很 低低很很 高高二氧化硅二氧化硅与二氧化碳与二氧化碳的性质的性质比较比较 都属酸性氧化物都属酸性氧化物水水 溶溶 性性(5)(5)二氧化硅的化学性质（二氧化硅的化学性质（通常很不活泼通常很不活泼）具有酸性氧化物的通性具有酸性氧化物的通性与强碱反应生成盐和水与强碱反应生成盐和水与碱性氧化物反应生成盐与碱性氧化物反应生成盐（有粘性，俗称泡花碱，其溶液称水玻璃有粘性，俗称泡花碱，其溶液称水玻璃）设疑设疑:实验室中盛放碱液的试剂瓶与盛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？放其它溶液的试剂瓶有何不同？为什么为什么 ？实验室盛装实验室盛装NaOHNaOH溶液

10、的试剂溶液的试剂瓶用橡胶塞而不用玻璃塞瓶用橡胶塞而不用玻璃塞 NaOHNaOH溶液能与玻璃中的溶液能与玻璃中的SiOSiO2 2反应生成反应生成NaNa2 2SiOSiO3 3，使瓶，使瓶塞部分粘结而无法打开。因塞部分粘结而无法打开。因此盛装此盛装NaOHNaOH溶液的试剂瓶不溶液的试剂瓶不能用玻璃塞而要用橡胶塞。能用玻璃塞而要用橡胶塞。在高温下能与还原剂反应，表现弱氧化性在高温下能与还原剂反应，表现弱氧化性SiO2 + 2C高温高温Si + 2COSiF42H2O此反应常用于雕刻玻璃此反应常用于雕刻玻璃思考思考: :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？ HFH

11、F能腐蚀玻璃，因此，盛装氢氟酸不能用能腐蚀玻璃，因此，盛装氢氟酸不能用玻璃试剂瓶而要用塑料瓶。玻璃试剂瓶而要用塑料瓶。二氧化硅的危害：二氧化硅的危害： 在隧道开凿，石英粉加工等工在隧道开凿，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，人长期吸入含有二氧化硅的粉尘，就会患尘，就会患硅肺病硅肺病（旧称矽肺）（旧称矽肺）。熔点高，硬度大，难溶于水。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。是自然界中沙子、石英的主要成分。 结晶的二氧化硅叫石英；天然二氧化硅叫结晶的二氧化硅叫石英；天然二氧化硅叫硅石。硅石。1.1

12、.二氧化硅的物理性质二氧化硅的物理性质 二氧化碳二氧化碳 CO2二氧化硅二氧化硅 SiO2 状状 态态 气气 态态 固固 态态熔沸点熔沸点 硬度硬度熔沸很低熔沸很低熔点高，硬度大熔点高，硬度大水水 溶溶 性性 能溶于水能溶于水不溶于水不溶于水化化学学性性质质与与 酸酸 用用 途途人工降雨，灭火人工降雨，灭火,饮料等饮料等P75, 图图45与水反应与水反应与碱性氧化物与碱性氧化物反应反应与碱反应与碱反应CO2 + H2O = H2CO3CO2+2NaOH=Na2CO3+H2OCO2+Na2O=Na2CO3不能反应不能反应SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O能与氢氟酸反应能与氢氟酸反应2.

13、2.二氧化硅和二氧化碳的性质比较二氧化硅和二氧化碳的性质比较思考思考 二氧化硅难溶于水，又不二氧化硅难溶于水，又不与水反应，那与水反应，那么，么，如何制得硅如何制得硅酸呢？酸呢？ 实验实验4-1：向饱和：向饱和Na2SiO3溶溶液中滴入酚酞，再滴入稀盐酸液中滴入酚酞，再滴入稀盐酸现现 象象结结 论论方程式方程式滴入酚酞溶液呈滴入酚酞溶液呈红色红色 Na2SiO3溶液呈碱性溶液呈碱性Na2SiO3+2HCl = H2SiO3 +2NaCl实验探究实验探究滴入盐酸有凝胶产生滴入盐酸有凝胶产生硅酸难溶于水硅酸难溶于水生成的硅酸逐渐聚合而形成硅酸溶胶成的硅酸逐渐聚合而形成硅酸溶胶（能流动）（能流动），

14、当硅酸的浓度较大时，就会形成硅酸当硅酸的浓度较大时，就会形成硅酸凝胶（不能流凝胶（不能流动）动），硅酸凝胶经过，硅酸凝胶经过干燥脱水就形成硅胶（成干燥脱水就形成硅胶（成分？）分？）。硅胶的用途：硅胶的用途：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。思考思考 把稀硫酸加入到把稀硫酸加入到Na2SiO3溶液中，溶液中，会有什么现象？会有什么现象？现现 象象结结 论论方程方程式式滴入硫酸有凝胶产生滴入硫酸有凝胶产生硅酸难溶于水硅酸难溶于水Na2SiO3+H2SO4 = H2SiO3 +Na2SO4活动与探究：活动与探究： 硅酸是一种硅酸是一种比碳酸还

15、要弱比碳酸还要弱的酸。的酸。请请利用中学实验室常见的仪器及药品，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。比碳酸弱，并完成一份实验报告。用用HH2 2COCO3 3可制得可制得HH2 2SiOSiO3 3 ，可证明，可证明HH2 2SiOSiO3 3 的酸性比的酸性比HH2 2COCO3 3弱。弱。SiOSiO3 32- 2- + H+ H2 2O + COO + CO2 2= CO= CO3 32- 2- + H+ H2 2SiOSiO3 3 NaNa2 2SiOSiO3 3 + H+ H2 2O + COO

16、 + CO2 2 = Na= Na2 2COCO3 3 + H+ H2 2SiOSiO3 3 2.2.硅酸硅酸( )( ) 硅酸是一种硅酸是一种白色胶状白色胶状的的固体固体，它它不溶于水不溶于水；是一种；是一种弱弱酸，酸，不能使不能使指示剂变色指示剂变色。 H H2 2SiOSiO3 3SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2OH2SiO3=SiO2+H2ONa2SiO3+2HCl=H2SiO3 +2NaClNa2SiO3+CO2+H2O=H2SiO3 +Na2CO3硅酸的制取硅酸的制取由于由于SiOSiO2 2不溶于水，所不溶于水，所以硅酸是通过以硅酸是通过可溶性硅酸盐与酸反应可溶性硅酸盐

17、与酸反应制制得的。得的。SiO32- + 2H+=H2SiO31、CO2通入下列各溶液中，无明显通入下列各溶液中，无明显现象发生的是（现象发生的是（ ）A、氯化钙溶液、氯化钙溶液 B、澄清石灰水、澄清石灰水C、硅酸钠溶液、硅酸钠溶液A合作讨论：合作讨论：2、为确认、为确认HCl、H2CO3、H2SiO3的酸性强弱，有人的酸性强弱，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：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）锥形瓶内装某可溶性正盐固体，分液漏斗中所盛试剂是

18、盛试剂是_ 。（2）装置）装置B所盛试剂是所盛试剂是_，装置，装置B所盛所盛试剂的作用是试剂的作用是_。（3）装置）装置C所盛试剂是所盛试剂是_，出现的现象，出现的现象是是_。 盐酸盐酸 饱和饱和NaHCONaHCO3 3溶液溶液 除除COCO2 2中含有的中含有的HClHCl NaNa2 2SiOSiO3 3溶液溶液 产生白色凝胶产生白色凝胶 二、硅酸盐二、硅酸盐结构复杂，一般不溶于水，化学性质很结构复杂，一般不溶于水，化学性质很稳定稳定。能溶于水的硅酸盐主要是。能溶于水的硅酸盐主要是Na2SiO3和和K2SiO3。是由硅、氧和金属组成的化合物的总称。是由硅、氧和金属组成的化合物的总称。1、

19、组成及性质、组成及性质滑滑石石长石长石高高岭岭土土粘土粘土石棉石棉2、硅酸盐组成表示、硅酸盐组成表示硅酸钠（硅酸钠（Na2SiO3) 镁橄榄石（镁橄榄石（Mg2SiO4）钙沸石钙沸石Ca(Al2Si3O10) 3H2O活泼金属氧化物活泼金属氧化物较活泼金属氧化物较活泼金属氧化物SiO2H2ONa2O SiO22MgO SiO2CaO Al2O3 3SiO23H2O K2O3Al2O36SiO22H2OK2(Al3Si3O10)2(OH)4硅酸钠（硅酸钠（Na2SiO3), 俗称泡花碱，白色俗称泡花碱，白色固体，熔点高，易溶于水，固体，熔点高，易溶于水，其水溶液俗其水溶液俗称水玻璃，是制备硅胶和

20、木材防火剂等称水玻璃，是制备硅胶和木材防火剂等的原料。的原料。3、硅酸钠、硅酸钠（Na2SiO3）（1）物理性质）物理性质实验实验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后当水分蒸发后不易燃烧不易燃烧用水玻璃浸泡过的木材或织物可防火用水玻璃浸泡过的木材或织物可防火制备木材防制备木材防火剂的原料火剂的原料（2）化学性质）化学性质硅酸钠水溶液呈碱性，使酚酞溶液变红硅酸钠水溶液呈碱性，使酚酞溶液变红与酸反应与酸反应 Na2SiO3+2HCl=H2SiO3 +2NaClNa2SiO3+CO2+H2O=H2SiO3

21、+Na2CO3硅酸盐的丰富性和多样性（阅读P77）人面鱼纹盆人面鱼纹盆传统无机非金属材料传统无机非金属材料硅酸盐产品硅酸盐产品陶瓷陶瓷水泥水泥玻璃玻璃阅读教材阅读教材78-793、硅酸盐产品、硅酸盐产品 陶瓷陶瓷 玻璃玻璃 水泥水泥4、硅酸盐产品、硅酸盐产品 陶瓷陶瓷 玻璃玻璃 水泥水泥陶瓷陶瓷日用器皿、建筑饰材、卫生洁具日用器皿、建筑饰材、卫生洁具生产原料：黏土生产原料：黏土（Al2O32SiO22H2O ）生产设备：陶瓷窑生产设备：陶瓷窑生产过程：混合生产过程：混合- -成型成型- -干燥干燥- -烧结烧结- -冷却冷却主要性质：抗氧化、抗酸碱腐蚀、耐高温、主要性质：抗氧化、抗酸碱腐蚀、耐

22、高温、 绝缘、易成型绝缘、易成型陶陶 瓷瓷玻璃玻璃生产原料：纯碱、石灰石、石英生产原料：纯碱、石灰石、石英 （Na2CO3、CaCO3、SiO2）生产设备：玻璃熔炉生产设备：玻璃熔炉反应原理：反应原理：主要成分：主要成分：Na2SiO3、CaSiO3、SiO2主要特性：非晶体，无固定的熔点主要特性：非晶体，无固定的熔点高温高温SiO2 + Na2CO3 Na2SiO3 + CO2 SiO2 + CaCO3 CaSiO3 + CO2 高温高温玻玻 璃璃 改变成分或制作工艺可以得到改变成分或制作工艺可以得到不同用途的玻璃不同用途的玻璃加入了不同的金加入了不同的金属氧化物属氧化物普通玻璃加热接近熔化

23、普通玻璃加热接近熔化再急速冷却再急速冷却玻璃玻璃生产原料：石灰石、黏土生产原料：石灰石、黏土 （CaCO3、 Al2O32SiO22H2O ）生产设备：水泥回转窑生产设备：水泥回转窑生产过程：生产过程：经研磨、混合后在水泥回转经研磨、混合后在水泥回转 窑中煅烧，再窑中煅烧，再加入适量石膏加入适量石膏。主要成分：主要成分：3CaOSiO2 2CaOSiO2 3CaOAl2O3主要特性：水泥具有水硬性主要特性：水泥具有水硬性水水 泥泥调节水泥的调节水泥的凝结速度凝结速度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俗称金刚砂），具有金刚俗称金刚砂），具有金刚石的结构。硬度很大，用作砂纸、砂轮石的结构。硬度很大，用作砂纸、砂轮的磨料。的磨料。 硅硅 钢钢（铁合金）（铁合金） 导磁性良导磁性良好，用作好，用作变压器铁变压器铁芯芯硅橡胶硅橡胶分子筛分子筛 具有均匀