硅 无机非金属材料

第4章材料家族中的元素第1节硅无机非金属材料你知道吗？材料是人类生活必不可少的物质基础。材料的发展史就是一部人类文明史。没有感光材料，我们就无法留下青春的回忆；没有特殊的荧光材料，就没有彩色电视；没有高纯的单晶硅，就没有今天的奔腾电脑；没有特殊的新型材料，火箭就无法上天，卫星就无法工作。科技的发展和社会的进步往往受到材料的制约。一种新材料的发现可能会给社会带来革命性的变化。新材料的不断涌现，旧材料功能的不断拓展，才使我们的世界日新月异，奔腾向前。定义材料是人类用于制造物品、器件、构件、机器或其他产品的物质。材料是物质，但不是所有物质都可以称为材料。如燃料和化学原料、工业化学品、食物和药物，一般都不算是材料。但是这个定义并不那么严格，如炸药、固体火箭推进剂，一般称之为“含能材料”，因为它属于火炮或火箭的组成部分。

交流讨论

丰富多彩的物质世界，如各种日常生活用品，工农业设施，建筑，交通工具等等，你知道构成它们的材料有哪些？请你分别站在不同的角度，对它们进行分类。解答：构成它们的材料有：塑料、各种金属、木材、棉花、沙子、石头、水泥、玻璃、陶瓷、泥土等等……从来源分：天然材料、人工合成材料从导电性分：导电材料、半导体材料、绝缘体材料从物质类别分：无机材料、有机材料；金属材料、非金属材料从物质性质分：……其中无机非金属材料是材料中极为重要的组成部分！以下物质均含有无机非金属材料无机非金属材料用作电子器件建筑材料——水泥中国古代的陶瓷艺术最早的无机非金属材料-天然石材无机非金属材料发展历史旧石器时代人们用来制作工具的天然石材是最早的无机非金属材料。在公元前6000～前5000年中国发明了原始陶器。中国商代（约公元前17世纪初～约前11世纪）有了原始瓷器，并出现了上釉陶器。以后为了满足宫廷观赏及民间日用、建筑的需要，陶瓷的生产技术不断发展。公元200年（东汉时期）的青瓷是迄今发现的最早瓷器。陶器的出现促进了人类进入金属时代，中国夏代（约公元前22世纪末至约前21世纪初——约前17世纪初）炼铜用的陶质炼锅，是最早的耐火材料。铁的熔炼温度远高于铜，故铁器时代的耐火材料相应地也有很大发展。18世纪以后钢铁工业的兴起，促进耐火材料向多品种、耐高温、耐腐蚀方向发展。公元前3700年，埃及就开始有简单的玻璃珠作装饰品。公元前1000年前，中国也有了白色穿孔的玻璃珠。公元初期罗马已能生产多种形式的玻璃制品。1000～1200年间玻璃制造技术趋于成熟，意大利的威尼斯成为玻璃工业中心。1600年后玻璃工业已遍及世界各地区。公元前3000～前2000年已使用石灰和石膏等气硬性胶凝材料。随着建筑业的发展，胶凝材料也获得相应的发展。公元初期有了水硬性石灰，火山灰胶凝材料，1700年以后制成水硬性石灰和罗马水泥。1824年英国J.阿斯普丁发明波特兰水泥。上述陶瓷、耐火材料、玻璃、水泥等的主要成分均为硅酸盐，属于典型的硅酸盐材料。18世纪工业革命以后，随着建筑、机械、钢铁、运输等工业的兴起，无机非金属材料有了较快的发展，出现了电瓷、化工陶瓷、金属陶瓷、平板玻璃、化学仪器玻璃、光学玻璃、平炉和转炉用的耐火材料以及快硬早强等性能优异的水泥。同时，发展了研磨材料、碳素及石墨制品、铸石等。20世纪以来，随着电子技术、航天、能源、计算机、通信、激光、红外、光电子学、生物医学和环境保护等新技术的兴起，对材料提出了更高的要求，促进了特种无机非金属材料的迅速发展。30～40年代出现了高频绝缘陶瓷、铁电陶瓷和压电陶瓷、铁氧体（又称磁性瓷）和热敏电阻陶瓷等。50～60年代开发了碳化硅和氮化硅等高温结构陶瓷、氧化铝透明陶瓷、β－氧化铝快离子导体陶瓷、气敏和湿敏陶瓷等。至今，又出现了变色玻璃、光导纤维、电光效应、电子发射及高温超导等各种新型无机材料。思考：先前我们已经对无机非金属材料有了一定的了解，你知道生活中还有那些无机非金属材料吗？定义：无机非金属材料(inorganicnonmetallicmaterials)是以某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、卤素化合物、硼化物以及硅酸盐、铝酸盐、磷酸盐、硼酸盐等物质组成的材料，是除有机高分子材料和金属材料以外的所有材料的统称。无机非金属材料的提法是20世纪40年代以后,随着现代科学技术的发展从传统的硅酸盐材料演变而来的。无机非金属材料是与有机高分子材料和金属材料并列的三大材料之一。其中硅酸盐材料是无机非金属材料的主要分支之一，硅酸盐材料是陶瓷的主要组成物质。硅无机非金属材料第一节第一节1、了解硅的主要性质；2、了解二氧化硅的主要性质。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。第一节一、单质硅与半导体材料二、二氧化硅与光导纤维三、硅酸盐与无机非金属材料四、小结本节主要内容第一节一、单质硅与半导体材料第一节半导体材料定义：导电能力介于导体和绝缘体之间的一类材料。最早使用的半导体材料＿＿＿，现在最广泛使用的半导体材料＿＿＿。锗(Ge)硅(Si)单质硅硅在自然界的存在形态：无游离态，只有化合态。常见存在物质形式：二氧化硅和硅酸盐等。硅在地壳中的含量仅次于氧，储量丰富，现已成为应用广泛的半导体材料。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%硅元素(silicon)在地壳中的含量观察下面硅单质的实物图片，并总结硅的物理性质。第一节1、硅单质的物理性质硅有晶体硅和无定形硅两种。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，熔点和沸点都很高，硬度大。导电性介于导体和绝缘体之间,是重要的半导体材料。物理性质第一节第一节思考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？+14284最外层电子数是4，碳也是。Si思考2：碳、硅原子主要显几价？正四价（+4价）总结：类似C、Si等价电子数为4的ⅣA族的所有元素即为碳族元素（Carbongroup），包括碳（C）、硅（Si）、锗（Ge）、锡（Sn）、铅（Pb）五种。碳族元素在元素周期表中的位置第一节2、硅单质的化学性质第一节晶体硅的结构(1)常温下，化学性质稳定(不易与H2、O2、Cl2、硫酸、硝酸、盐酸等物质反应)加热，Si能与某些非金属单质反应（燃烧，放出大量的热）Si+O2=====△①Si+2Cl2======②高温(2)常温下只与强碱、氢氟酸、氟气反应Si+2NaOH+H2O====Si+2F2====Si+4HF====SiO2SiCl4Na2SiO3+2H2↑SiF4SiF4↑+2H2↑第一节3、硅的工业制法制粗硅：硅铁硅锰合金硅钡合金（粗硅）SiO2+2C====高温氧化剂：SiO2得到电子发生还原反应还原剂：C失去电子发生氧化反应*粗硅提纯后可以得到高纯硅，作为半导体材料。Si+2CO↑第一节硅芯片、大规模集成电路及相应的计算机技术都需要有高纯度的硅才能实现，所以需要对粗硅进行提纯：提纯：

高温Si+2Cl2====SiCl4（粗硅）高温SiCl4+2H2====Si+4HCl

（高纯硅）第一节4、硅与碳的化学性质比较碳（C）硅（Si）常温下很稳定，在高温或点燃的条件下有较强还原性。常温下很稳定，高温时也能发生反应。Si+O2====SiO2Si+2F2====SiF4∆Si+2NaOH+H2O====Na2SiO3+2H2↑Si+4HF====SiF4↑+2H2↑Si+2Cl2====SiCl4∆∆点燃C+O2====CO22C+O2====2COC+CuO====Cu+COC+H2O====H2+CO点燃高温C+CO2====2CO高温∆C+O2====CO25、硅的用途第一节（1）硅芯片；半导体材料（2）制集成电路、晶体管、硅整流器等半导体材料（3）含硅4%的钢可制变压器铁芯（4）含硅15%的钢具有耐酸性，制耐酸设备太阳能电池电脑的中央处理器（CPU）硅芯片的使用，使计算机的体积已缩小到笔记本一样大小了。。大规模集成电路硅光电池硅的用途非常广泛，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。第一节1、下列关于硅的叙述，不正确的是（）A、硅是非金属元素，但其单质是灰黑色有金属光泽的固体B、硅的导电性介于导体和绝缘体之间，是良好的半导体材料C、硅的化学性质不活泼，常温下不与任何物质反应D、当加热到一定温度时，硅能与氧气、氢气等非金属单质反应2、下列关于Si的化学性质中正确的是（）A、常温下能与任何酸反应B、常温下可与强碱溶液反应C、常温下可与氧气反应D、常温下不与任何酸反应CB石英玻璃坩埚主要成分是什么？第一节答：二氧化硅第一节二、二氧化硅与光导纤维1、二氧化硅的存在形式硅石(天然)结晶形无定形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2、二氧化硅的结构(SiO2属于原子晶体)SiO结论:SiO2是正四面体的空间网状结构，因此性质很稳定

第一节3、二氧化硅的物理性质无色，沸点高、硬度大、不溶于水、不导电的晶体晶体二氧化硅第一节第一节4、二氧化硅的化学性质（1）是酸性氧化物

SiO2+2NaOH====Na2SiO3+H2OSiO2+CaO====CaSiO3

高温SiO2+2OH—====SiO3

2-+H2O（2）不能与水反应（3）在高温下与碳酸盐的反应SiO2+Na2CO3====CO2

+Na2SiO3高温SiO2+CaCO3====CO2

+CaSiO3高温（4）不与酸反应（除氢氟酸以外）SiO2+4HF====SiF4

+2H2O（5）弱氧化性SiO2+2C====Si+2CO高温二氧化碳CO2二氧化硅SiO2物质分类与碱性氧化物反应与碱反应与水反应与HF反应

均属于酸性氧化物CO2＋CaO====CaCO3CaO＋SiO2====CaSiO3高温CO2＋2NaOH====Na2CO3+H2O

SiO2＋2NaOH====Na2SiO3+H2OCO2＋H2O====H2CO3不反应不反应SiO2+4HF====SiF4↑+2H2O二氧化硅与二氧化碳的比较第一节第一节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。光学纤维胃镜水晶、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。

第一节1、下列各组物质有关性质关系的比较，正确的是（）A、溶解性：CO2<SiO2

B、酸性：H2SiO3>H2CO3C、熔点：SiO2>CO2（干冰）D、硬度：SiO2<CO22、下列物质中,不能用玻璃瓶来盛装的是（）A、烧碱溶液B、浓硫酸C、氢氟酸D、碳酸钠溶液3、要除去SiO2中的CaO杂质，最适宜的试剂是（）A、纯碱溶液B、盐酸C、硫酸D、苛性钠溶液CCB三、硅酸盐与无机非金属材料第一节1.硅酸盐定义：硅酸盐是由硅、氧和金属元素组成的化合物的总称，硅酸盐是结构复杂的固态化合物，一般都不溶于水。2.硅酸盐的表示方法：（1）化学式法：硅酸钠：Na2SiO3

硅酸钙：CaSiO3（2）氧化物法：硅酸钠：Na2O·SiO2

硅酸钙：CaO·SiO2

高岭石：Al2O3·2SiO2·2H2O石棉：CaO·3MgO·4SiO2

沸石：Na2O·Al2O3·3SiO2·2H2O云母：K2O·3Al2O3·6SiO2·2H2O长石：K2O·Al2O3·6SiO2

水泥：3CaO·SiO2·2CaO·SiO2

玻璃：Na2O·CaO·6SiO2

粘土：Al2O3·2SiO2·2H2O第一节3.硅酸钠（Na2SiO3）最简单的硅酸盐是硅酸钠（Na2SiO3），其水溶液俗称为水玻璃，硅酸钠不能燃烧且不易受腐蚀，可用作肥皂填料、木材防火剂等。硅酸盐产品陶瓷水泥玻璃4、硅酸盐工业无机非金属材料第一节t第一节(1).水泥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。生产原料：黏土和石灰石普通硅酸盐水泥的成分：硅酸三钙(3CaO·SiO2)