《无机非金属材料的主角—硅》课件3

1、第四章 非金属及其化合物 4.1 无机非金属材料的主角-硅 元素周期表 半 导 体 在美国旧金山，有个最大的高 科技工业园区，称之为“硅谷”， 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 一、硅（Silicon） 在地壳中，硅的含量居第二位，仅次于氧 自然界中，硅无游离态存在，只以化合态存在 （以SiO2或硅酸盐的形式存在） 是构成矿物和岩石的主要成分 半导体材料：指导电能力介于 和 之间的 一类材料，最早使用的半导体材料是 ，现在 最广泛使用的半导体材料是 。 导体绝缘体 锗 硅 1、含

2、量和存在 硅 半导体材料。 硅有晶体硅和无定形硅两种单质 2、硅单质（Si） （ 1 ）物理性质）物理性质 ： 灰黑色，硬而脆，有灰黑色，硬而脆，有金属光泽金属光泽的的 固体，熔点固体，熔点、沸点高，硬度大，、沸点高，硬度大， +142 8 4 +62 4 （2）硅的原子结构 碳是构成有机 物的主要元素 硅是构成岩石与许 多矿物的基本元素 Si C 因为硅和碳一样,其原子既不易失去又不易得 到电子,主要形成四价的化合物. 所以常温下，碳、硅单质的化学性质不活泼 （3）化学性质）化学性质 常温常温下，化学性质下，化学性质稳定稳定，只与，只与强碱、氢氟酸、强碱、氢氟酸、 氟气氟气反应反应 Si+2

3、F2=SiF4 Si+4HF=SiF4 +2H2 Si+ 2NaOH + H2O = Na2SiO3 +2H2 加热下，较活泼 Si + O2 SiO2 （唯一与NaOH 溶液反应放出H2的非金属单质） Si2Cl2 SiCl4（液体，易挥发） 高温 经蒸馏提纯后，再用经蒸馏提纯后，再用氢气还原氢气还原制得纯硅。制得纯硅。 （4）硅的制备 工业上先在电炉里高温下用碳还原二氧化硅制得粗硅 SiO22C = Si2CO 高温 然后将粗硅在高温下跟氯气 反应生成一种液态物质。 Si2Cl2 SiCl4（液体，易挥发） 高温 高温 SiCl4 2H2 Si 4HCl 课本P81习题9 （5）用途：）用

4、途： 集成电路、晶体管、硅整流器等半导体材料，集成电路、晶体管、硅整流器等半导体材料， 还可以制成太阳能电池、硅的合金可用来制造还可以制成太阳能电池、硅的合金可用来制造 变压器铁芯等。变压器铁芯等。 硅是一种亲氧元素， 在自然界它总是与 氧相互化合。硅主 要以二氧化硅和硅 酸盐形式存在。 二、二氧化硅（SiO2）和硅酸（H2SiO3) 1.存在：广泛存在与自然界，是沙子、石英的主要成分。 天然的二氧化硅也叫硅石。石英晶体是结晶的二氧化硅. 石英 水晶玛瑙 2 物理性质 坚硬难熔的固体，熔沸点比较高，不溶于水，坚硬难熔的固体，熔沸点比较高，不溶于水， 硬度比较大。硬度比较大。 (一)、二氧化硅（

5、SiO2） 180 10928 Si o 基本结构单元为硅氧四面体Si2O4，晶体中 不存在二氧化硅分子，SiO2是化学式不是分子式。 所以，不能用磨口玻璃塞 盛碱性溶液，如NaOH、 KOH、Na2CO3、Na2SiO3 等溶液。 应用橡胶塞 SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O （1）、酸性氧化物 b、常温下、与NaOH溶液缓慢反应：SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O 3、化学性质： SiO2 + H2O = a、SiO2是H2SiO3的酸酐，不溶于水，不能直接与水反应制取硅酸 SiO2 + CaO = CaSiO3 高温 c、高温下、与碱性氧化物反应： （2）与氢氟酸作

6、用（SiO2很不活泼，HF是唯一 能跟其反应的酸） 4HF+SiO2=SiF4+2H2O用来刻蚀玻璃 （3）与还原剂作用 硅的制取SiO22C Si2CO 高温 d、高温下，与某些盐反应 SiO2+CaCO3 = CaSiO3+CO2 高温 SiO2+Na2CO3 = Na2SiO3+CO2 高温 4、用途： 光导纤维 石英：耐高温化学仪器、石英电子表、石英钟 水晶：电子工业的重要部件、光学仪器、 高级工艺品和眼镜片 玛瑙：精密仪器轴承、耐磨器皿和装饰品 光纤视频 玛瑙饰品 练一练 1下列叙述中，正确的是下列叙述中，正确的是 A自然界中存在大量单质硅自然界中存在大量单质硅 B硅元素是形成地壳的

7、主要元素，在地壳中的含量占硅元素是形成地壳的主要元素，在地壳中的含量占 第一位第一位 C纯硅可以通过下列反应制得：纯硅可以通过下列反应制得：SiO2+2C=Si+2CO D单晶硅是良好的半导体材料单晶硅是良好的半导体材料 D 2、下列物质中，不能与二氧化硅反应的是（ ） A、烧碱 B、氢氟酸 C、硝酸 D、生石灰 c 2、硅酸（H2SiO3) （1）制取： Na2SiO3+2HCl=2NaCl+H2SiO3 白色胶状 强酸制弱酸 （2）性质： 白色粉末，难溶 弱酸性(酸性 H2SiO3 H2CO3) 不能使指示剂变色 脱水形成硅胶 Na2SiO3+CO2+H2O=H2SiO3+Na2CO3 （

8、用作干燥剂） 原 理 思考：二氧化硅不溶于水，如何由二氧化硅制取硅酸？ H2SiO3+2NaOH=Na2SiO3+2H2O 不稳定性H2SiO3SiO2 + H2O 五、硅酸盐（由硅、氧、金属元素组成的化合物的总称） 1、结构复杂、种类繁多，一般不溶于水，性质稳定。 3、硅酸钠（Na2SiO3）：白色固体，可溶于水，其水溶 液（无色）俗称水玻璃、泡花碱，具有一定黏性 4、用途：用作肥皂填料、木材防火剂、黏胶剂等 2、用氧化物形式表示硅酸盐的方法： 表示成氧化物形式的顺序是： 金属氧化物二氧化硅水 例如：高岭石Al2（Si2O5）（OH）4表示成氧化物的方法是： Al2O32SiO22H2O 与

9、酸反应：Na2SiO3+CO2+H2O=H2SiO3+Na2CO3 5、硅酸盐的工业： （3）水泥（2）玻璃（1）陶瓷 4、无机非金属材料： 主要包括：玻璃、陶瓷、无机非金属涂层等。 特点：耐高温、硬度高、抗腐蚀；有的还有独特的光 电特性 （1）传统无机非金属材料：以硅酸盐为主要成分，包括玻璃、 水泥、陶瓷等。 （2）新型无机非金属材料：如高温结构陶瓷、生物陶瓷、压 电陶瓷等。 （1）陶瓷(人类应用最早的硅酸盐材料） 硅酸盐的丰富性和多样性硅酸盐的丰富性和多样性 人面鱼纹盆(陶瓷) 砖瓦(陶瓷) （2）玻璃 1、原 料：纯碱、石灰石和石英 2、主要设备：玻璃熔炉 3、生产过程：原料粉碎，玻璃熔

10、炉中强热， 成型冷却 5、主要成分：Na2SiO3、CaSiO3、SiO2 （Na2OCaO6SiO2） SiO2+CaCO3 = CaSiO3+CO2 高温 SiO2+Na2CO3 = Na2SiO3+CO2 高温 4、原 理： 玻璃玻璃: : 普通玻璃普通玻璃: : Na Na2 2O OCaOCaO6SiO6SiO2 2 （3）水泥： 1、主要原料：粘土和石灰石 2、主要设备：水泥回转窑 3、生产过程：生料研磨， 高温煅烧得熟料，再加石 膏研成粉末得普通硅酸盐 水泥 4、特性：水硬性 新型陶瓷人造骨 即耐高温又耐低温的硅橡胶制品 结构陶瓷：主要是指发挥其机械、热、化学等性能的一 大类新型

11、陶瓷材料，它可以在许多苛刻的工作环境下服役， 因而成为许多新兴科学技术得以实现的关键。 在空间技 术领域，制造宇宙飞船需要能承受高温和温度急变、强度 高、重量轻且长寿的结构材料和防护材料，在这方面，结 构陶瓷占有绝对优势。从第一艘宇宙飞船即开始使用高温 与低温的隔热瓦，碳-石英复合烧蚀材料已成功地应用于 发射和回收人造地球卫星。 压电陶瓷：你听说过会说话、会唱歌的陶瓷吗？会侦察 、会指挥、能诊断、能生电的陶瓷吗？这就是压电陶瓷， 属于现代功能陶瓷。神奇的压电陶瓷-海中“雷达”侦察 兵：雷达是用无线电原理对空中目标搜索、定位、导向的 通讯工具，而在水中不能发挥作用。用压电陶瓷制成的声 纳系统可在

12、水中起到同样的作用。 透明陶瓷： 陶瓷一般是不透光的，由于陶瓷的不透光，使陶瓷的 用途受到很多的限制。科学家经过长时间悉心研究后 ，终于在1957年制成了世界上第一片透光陶瓷。透光 陶瓷有着广泛的用途。当透光陶瓷问世后，使高压钠 灯的研制成功。高压钠灯是一种发光效率很高的电光 源，在同样功率下一盏高压钠灯能顶两盏高压汞灯， 且光线柔和、银白，在高压钠灯下看物体不但清楚， 且不刺眼。另外高压钠灯还具有特殊的本领，光线能 透过浓雾不被散射，作为道路、汽车、广场的用灯特 别合适。 透明氧化铝陶瓷 超导陶瓷： 1973年，人们发现了超导合金铌锗合金，其临界超 导温度为23.2K，该记录保持了13年。1

13、986年，设在瑞士 苏黎士的美国IBM公司的研究中心报道了一种氧化物（镧 钡铜氧）具有35K的高温超导性，打破了传统“氧 化物陶瓷是绝缘体”的观念，引起世界科学界的轰动。此 后，科学家们争分夺秒地攻关，几乎每隔几天，就有新的 研究成果出现。1987年2月，美国华裔科学家朱经武和中 国科学家赵忠贤相继在钇钡铜氧系材料上把临界超 导温度提高到90K以上，液氮的禁区（77K）也奇迹般地被 突破了。1987年底，铊钡钙铜氧系材料又把临界 超导温度的记录提高到125K。从19861987年的短短一年 多的时间里，临界超导温度竟然提高了100K以上，这在材 料发展史，乃至科技发展史上都堪称是一大奇迹！ 生物陶瓷： 生物陶瓷指与生物体或生物化学有关的新型陶瓷。生 物陶瓷可分为与生物体相关的植入陶瓷和与生物化学 相关的生物工艺学陶瓷。前者植入体内以恢复和增强 生物体的机能，是直接与生物体接触使用的生物陶瓷。 后者用于固定酶、分离细菌和病