第四章-第一节-无机非金属材料的主角——硅

1、,第四章 非金属及其化合物,Si,Cl,S,N,Super gao,第一节 无机非金属材料的主角 硅,第一课时,Super gao,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。,1、存在： 没有游离态，只有化合态 ， 分类 主要是氧化物和硅酸盐。 2、分布： 自然界中分布广泛，在地壳中居第二位，仅次于氧。是构成矿物和岩石的基本元素。,一、硅单质,晶体形,无定形,S

2、i,最外层电子数是4，碳也是。,思考2：碳、硅原子主要显几价？,正四价（+4价）,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？,3、原子结构,4.物理性质,结构类似金刚石 有金属光泽 灰黑色固体 熔点高 硬度大,立体空间网状结构,5.化学性质 （1）常温下不活泼,Si 2F2SiF4,Si+4HF SiF4+2H2,Si+2NaOH+H2O Na2SiO3+2H2,除F2、HF、强碱外均不反应,特殊性质NaOH溶液,Si2OH-H2OSiO32-2H2,性质类似铝！,（2）高温或加热的条件下：,Si+O2 SiO2,Si+C SiC (金刚砂）,Si+2Cl2

3、SiCl4,一般碳过量！,氧化剂与还原剂的比？,1:2,6.硅的工业制法： （1）粗硅的制备：,（2）粗硅的提纯：,碳稍过量，制得的硅叫粗硅！,SiCl4+2H2=Si+4HCl,高温,99.999%,处于金属与非金属的过渡位置。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,硅在元素周期表中位置,7. 硅的用途： （1）半导体材料：如硅芯片等。 （2）新型能源：如光电池等,太阳能电池、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,计算机芯片以及半导体材料(集成电路、晶体管等),在美国旧金山，有个最大的高科技工业园区，称之为“硅谷”

4、，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。,水晶,晶体二氧化硅,玛 瑙,玛瑙,二氧化硅中没有单个分子，用SiO2来表示二氧化硅的组成, 表示Si与O的原子个数比为1:

5、2,所以不是分子式而是化学式。,SiO4四面体结构,立体网状结构决定了SiO2具有优良的物理性质,2. 结构：,SiO2的晶体结构图,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。,联想-沙子,二氧化硅具有哪些物理性质?,思考与交流,P76,物理性质:_,化学稳定性:_,通常条件下，很稳定,熔点高、硬度大、难溶于水,二氧化硅物理性质,3.,交流与研讨,1.玻璃中含有SiO2，从物质组成和性质角度来分类， SiO2属于哪类物质？,2. SiO2可能具有哪些化学性质？,4、二氧化硅的化学性质（通常很不活泼）,具有酸性氧化物的通性,（1）与

6、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）,SiO2 + 2OH =SiO3 2-+ H2O,（2）难溶于水，不与水反应,4HF+SiO2=SiF4+2H2O,（3） SiO2的特性 与氢氟酸（HF）反应,*用途：雕刻玻璃,（4）在高温下与碳酸盐的反应：,（5） 弱的氧化性,SiO2+CaCO3=CaSiO3+CO2,高温,SiO2+Na2CO3=Na2SiO3+CO2,高温,SiO2+2C=Si+2CO,高温,实验室盛装NaOH溶液的试剂瓶用橡皮塞而不用玻璃塞，你知道为什么吗？,原因： 防止玻璃中的SiO2与NaOH溶液反应生成粘稠的Na2SiO3 ，使瓶

7、塞和瓶口粘在一起 （ SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O ）,盛放碱性（碱、Na2CO3、NaHCO3、Na2SiO4等）溶液的试剂瓶都只能用橡胶塞，不能用玻璃塞,思考,用氢氟酸“刻”出的玻璃工艺品,思考：为什么能用氢氟酸来刻蚀玻璃？ 为什么不能用玻璃瓶保存氢氟酸? 那用什么瓶保存氢氟酸?,原因：玻璃中含有SiO2会与HF反应生成SiF4 用塑料瓶盛装氢氟酸。,SiO2 + 4HF = SiF4 + 2H2O,特性！有个性！,氢氟酸保存在细口、塑料瓶中,在玻璃表面涂上一层石蜡,在石蜡上雕刻出花纹，向挖空部分加少量氢氟酸,洗掉酸并去掉石蜡,CO2+ 2NaOH= Na2CO3+ H2O

8、,SiO2+4HF = SiF4+2H2O,SiO2+ 2NaOH= Na2SiO3 + H2O,CO2+ Na2O=Na2CO3,SiO2+ CaO CaSiO3,CO2+H2O H2CO3,二氧化碳与二氧化硅比较,酸性氧化物,5、二氧化硅的用途：,用途：以SiO2为主要成分的沙子是基本的建筑材料 纯净的SiO2是现代光学及光纤制品的基本原料，可以 制作光导纤维。 石英和玛瑙制作饰物和工艺品 实验室中使用石英坩埚,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

9、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。,现代通信用光缆,光学纤维胃镜,用光导纤维做 无开刀手术,光导纤维手术头灯,1、加热熔融烧碱时应使用下列哪种坩埚（ ） A.石英坩埚 B.普通玻璃坩埚 C.铁坩埚 D.氧化铝坩埚,C,2、SiO2既能与NaOH反应，又能与HF反应，能将SiO2称为两性氧化物吗？,既能和酸反应生成盐和水，又能和碱反应生成盐和水的氧化物才是两性氧化物。SiO2与HF反应生成SiF4和H2O， SiF4不属于盐，故SiO2不是两性氧化物。,随堂练习,思考： ，但是SiO2不能与水直接化合成H2SiO3。 那怎样制备H2SiO3呢？ 硅酸是一种怎样的物质呢

10、？,CO2+H2O H2CO3,滴入酚酞溶液呈红色,硅酸难溶于水,Na2SiO3 + 2HCl =H2SiO3(胶体) +2NaCl,制备,可溶性硅酸盐（如Na2SiO3）与酸反应, Na2SiO3溶液呈碱性,滴入盐酸有白色胶状沉淀产生,三、硅酸(H2SiO3),Na2SiO3 + CO2 + H2O = Na2CO3 + H2SiO3 (胶体),实验4-1：向饱和Na2SiO3溶液中滴入酚酞，再滴入稀盐酸,1、制备Na2SiO3 + 2HCl = H2SiO3（胶体） + 2NaCl,2、物理性质: 白色，胶状，不溶于水的物质,4、用途:,可作干燥剂和催化剂的载体,3、化学性质：,酸性比碳酸

11、弱，不能使指示剂变色。,强酸制弱酸原理（酸性HClH2CO3H2SiO3）,（1)与强碱溶液反应： H2SiO3 + 2NaOH =Na2SiO3 +2H2O,Na2SiO3 + CO2+H2O= H2SiO3（胶体） + 2Na2CO3,硅酸凝胶经干燥脱水就形成干胶，称为“硅胶”。,酸性较弱，比碳酸的酸性还弱；溶解度很小。,干燥硅胶,湿硅胶,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。,练习 1,为确认HCl、H2CO3、H2SiO3的酸性强弱，某学生设计了如图所示的装置，一次实验即可达到目的(不必选其他酸性物质)。请据此回答：,思考：直接将

12、A中产生的二氧化碳通入到C中的硅酸钠溶中，能否证明H2CO3强于H2SiO3？,盐酸,饱和NaHCO3溶液,吸收HCl气体,Na2SiO3溶液,HCl,H2CO3,H2SiO3,四、硅酸盐,硅酸盐结构复杂的固态化合物，一般都不溶于水，化学性质很稳定。,1、含义：硅酸盐是由硅、氧和金属元素组成的化合物的总称, 最简单的硅酸盐，白色固体，易溶于水 俗称泡花碱，其水溶液俗称为水玻璃。 硅酸钠不能燃烧且不易受腐蚀，可用作木材防火剂等；还可用于制备硅酸,2.常见硅酸盐硅酸钠（Na2SiO3）,当水分蒸发后燃烧,当水分蒸发后不易燃烧,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）,3、表示方法

13、：,（1）化学式法：,适用于简单的硅酸盐如：Na2SiO3，K2SiO3、 CaSiO3等。,（2）氧化物法：将硅酸盐中所有元素都写成氧化 物(二氧化硅和氧化物的组合)。 氧化物的书写顺序： 活泼金属氧化物较活泼金属氧化物二氧化硅水。,注：化合价不变 氧化物之间以“”隔开。 各物质前的系数无分数 原子守恒或符合各原子个数之比,硅酸钠：Na2SiO3 硅酸钙：CaSiO3 高岭石：Al2(Si2O5)(OH)4 正长石：KAl(SiO3)2 镁橄榄石：Mg2SiO4,Na2OSiO2,CaOSiO2,Al2O32SiO22H2O,K2OAl2O34SiO2,2MgOSiO2,石棉：CaO 3Mg

14、O 4SiO2,沸石：Na2 O Al2O3 3SiO2 2H2O,云母： K2O 3Al2O3 6SiO2 2H2O,长石：K2O Al2O3 6SiO2,水泥：3CaO SiO2 2CaO SiO2,玻璃：Na2 O CaO 6SiO2,粘土： Al2O3 2SiO2 2H2O,五、硅酸盐工业,传统无机非金属材料：陶瓷、玻璃、水泥,阅读教材P78 了解陶瓷、玻璃、水泥的原料和成分等,几种特种玻璃,纯碱、石灰石、石英,黏土、 石灰石、 适量石膏,黏土,高温烧结时发生复杂物理、化学变化。,CaCO3+SiO2 CaSiO3+CO2 Na2CO3+SiO2 Na2SiO3+CO2,高温下发生复杂

15、的物理、化学变化。,SiO2 CaSiO3 Na2SiO3,硅酸二钙: 2CaOSiO2 硅酸三钙: 3CaOSiO2 铝酸三钙: 3CaOAl2O3,硅酸盐,无固定的熔点,水硬性,化学性质稳定,用作建筑材料、制砂浆、混凝土、钢筋混凝土,制有色玻璃、钢化玻璃、光学玻璃、玻璃纤维等。,制作绝缘餐具、砖瓦、瓷坩埚、蒸发皿。,具有特殊功能的含硅物质：,碳化硅 （SiC俗称金刚砂），具有金刚石的结构。硬度很大，用作砂纸、砂轮的磨料。 硅钢 （铁合金）导磁性良好， 用作变压器铁芯。,硅橡胶 最好的既耐高温又耐 低温的橡胶。 分子筛 具有均匀微孔结构的铝硅酸盐。,硅酸盐,t,传统无机非金属材料：,陶瓷、玻

16、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,结构材料高温结构陶瓷：,(1)氧化铝陶瓷(人造刚玉)：,高压钠灯的灯管就是用氧化铝陶瓷制作的。高压钠灯是发光效率很高的一种电光源，光色金白，在它的灯光下看物清晰，不刺眼。平均寿命长达1万小时2万小时，比高压汞灯寿命长2倍，是白炽灯寿命的10倍，是目前寿命最长的灯。,高压钠灯,透明氧化铝陶瓷,注：钠蒸气放电发光问题早在1950年就得以解决，由于没有一种能抵御高温钠蒸气（1400）强烈腐蚀的特殊材料，所以，直到1965年才制取第一支高压钠灯。,用高温结构陶瓷做的发动机叶片,新型无机非金属材料：,新型无机非金属材料的特征：,（1）耐高温、强度高；,（2）具有电学性质；,（3）具有光学性质；,（4）具有生物功能；,SiO2,Na2SiO3,H2SiO3,CaSiO3,Si,O2