(重庆地区)第四章第一节硅和二氧化硅

1、 第四章第四章 无机非金属材料的主角无机非金属材料的主角- - - 硅硅 学习重点学习重点 掌握硅、二氧化硅的物理、化学性质，以 及硅与二氧化硅等相关反应方程式 学习难点学习难点 碳与硅化学性质的联系和区别以及硅酸的 制备。 美国美国“硅谷硅谷”简介简介 硅谷硅谷位于旧金山东南的圣克拉拉位于旧金山东南的圣克拉拉 谷地，是一个由十几所大学和几千家高技谷地，是一个由十几所大学和几千家高技 术公司组成的新兴工业区。这里是激光技术公司组成的新兴工业区。这里是激光技 术、微处理机、影像游艺机、家用计算机、术、微处理机、影像游艺机、家用计算机、 无线电话、袖珍计算机等新技术和高科技无线电话、袖珍计算机等新

2、技术和高科技 产品的诞生地。是世界上最大的计算机和产品的诞生地。是世界上最大的计算机和 电脑软件产地。电脑软件产地。因为制造电子元件的主要因为制造电子元件的主要 材料是半导体硅，材料是半导体硅，所以人们称这个工业区所以人们称这个工业区 为为“硅谷硅谷”。 1、你知道硅元素在地壳中排名第几吗？在自然 界中硅主要以什么形态存在？ 以化合态的形式存在，硅的氧化物硅的氧化物及其硅酸盐硅酸盐构成了地 壳的绝大部分（如岩石、沙子和土壤），占地壳质量的占地壳质量的 90%以上，以上， “统治了地壳统治了地壳” 远古时期，人类就懂 得怎样应用硅的氧化物和 硅酸盐来做玻璃、陶瓷等。 但是硅的单质直到18世纪 上

3、半叶才被化学家制备出 来。为什么硅单质这么晚 才出现在人类生活？ 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。 返回 玛瑙玛瑙 （1）硅的原子结构）硅的原子结构 硅和碳一样硅和碳一样,其原子既不其原子既不 易失去又不易得到电子易失去又不易得到电子, 主要形成四价的化合物主要形成四价的化合物 2、请同学们比较硅和碳的核外电子 排布？ +14 2 8 4 Si 2 4+6 C （2）碳是构成有机物的

4、主要元素）碳是构成有机物的主要元素 硅是构成岩石和许硅是构成岩石和许 多矿物的基本元素多矿物的基本元素 3、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 网状结构，呈正四面体网状结构，呈正四面体 结构决定性质结构决定性质 金刚石金刚石硅晶体硅晶体 硅的晶体结构硅的晶体结构 晶体硅晶体硅 无定形硅无定形硅 1）晶体硅灰黑色、有金属光晶体硅灰黑色、有金属光 泽，结构类似于金刚石；泽，结构类似于金刚石； 2）熔点、沸点都很高，硬度熔点、沸点都很高，硬度 大大 导电性介于

5、导体和绝缘体之间导电性介于导体和绝缘体之间(半导体）半导体） 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 3 3、硅的物理性质、硅的物理性质 Si+2NaOH+H2O=Na2 SiO3+2H2 Si+4HF=SiF4 + 2H2 4 4、硅的化学性质、硅的化学性质 （1）与氟气反应：Si+2F2=SiF4 （2）与氢氟酸反应： （3）与强碱溶液反应： 常温下硅只与常温下硅只与氟气（氟气（F2）、氢氟酸）、氢氟酸(HF)和强碱反和强碱反 应应。 加热时能和加热时能和O2，Cl2，C等非金属单质反应反应等非金属单质反应反应 4 4、硅的化学性质、硅的化学性质 （4）与氯气反应： （5

6、）与氧气反应： （6）与碳反应： Si+2Cl2=SiCl4 高温 Si+C = SiC 高温 Si+O2 = SiO2 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）。 5 5、硅的工业制法、硅的工业制法 1、在工业上，用碳在高温下还原二氧化硅的、在工业上，用碳在高温下还原二氧化硅的 方法制得粗硅。方法制得粗硅。 SiO2 2C = Si（粗硅）（粗硅）2CO 与氯反应：与氯反应：Si 2Cl2 SiCl4(温度为温度为 400 500) 高温高温 电炉电炉 2、粗硅制纯硅：、粗硅制纯硅： 生成的生成的SiCl4液体通过蒸馏，除去其中的杂质。然后用氢气还原液体通过蒸馏，除去

7、其中的杂质。然后用氢气还原 SiCl4 + 2H2 = Si + 4HCl 5 5、硅的工业制法、硅的工业制法 高温高温 高温高温 制造集成电路、晶体管、硅整流器等半导制造集成电路、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。半导体晶体管及芯片的导磁性、耐酸性的合金。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. . 5 5、硅的工业制法、硅的工业制法 计算机芯片计算机芯片 硅的用途硅的用途 信息技术材料信息技术材料 硅太阳能电池 单晶硅电池组 硅的用途硅的用途 新型能源新型能源

8、 太太 阳阳 能能 汽汽 车车 天然天然SiO2 结晶形结晶形 无定形无定形硅藻土硅藻土 石英石英 水晶水晶 玛瑙玛瑙 二、二、SiO2（硅是亲氧元素）（硅是亲氧元素） （1）SiO2存在存在 正四面体正四面体 （2 2）晶体结构）晶体结构 猜测性质猜测性质 固体固体 1610 1610 2230 高高 不溶不溶 大大 思考：两者性质差别为什么如此大？思考：两者性质差别为什么如此大？ -78.5 -56.6 低低 （3 3）物理性质比较）物理性质比较 四面体结构 Si O SiO2平面结构 O=C=O 直线型直线型 干冰的结构干冰的结构 无色透明晶体或白色粉末无色透明晶体或白色粉末 高（高（1

9、7231723） 高（高（22302230） 大大 制备光纤、石英钟表、光学制备光纤、石英钟表、光学 仪器、普通玻璃、装饰品等仪器、普通玻璃、装饰品等 （4 4）物理性质及用途）物理性质及用途 高温高温 SiO2+CaO = CaSiO3 高温高温 CO2+CaO = CaCO3 SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2OCO2+2NaOH=Na2CO3+H2O CO2+H2O=H2CO3 不反应不反应 只与只与HF反应（特殊性）反应（特殊性） SiO2 + 4HF = SiF4 + 2H2O 酸性氧化物酸性氧化物酸性氧化物酸性氧化物 不反应不反应 （5 5）化学性质比较）化学性质比较 实验

10、室盛装实验室盛装NaOH溶液的试剂瓶为什么用橡溶液的试剂瓶为什么用橡 胶塞而不用玻璃塞？胶塞而不用玻璃塞？ NaOH溶液能与玻璃中的溶液能与玻璃中的 SiO2反应生成反应生成Na2SiO3，使瓶塞，使瓶塞 部分粘结而无法打开。因此盛部分粘结而无法打开。因此盛 装装NaOH溶液的试剂瓶不能用玻溶液的试剂瓶不能用玻 璃塞而要用橡胶塞。璃塞而要用橡胶塞。 想一想想一想 SiO2+2NaOH=Na2SiO3（黏性）（黏性）+H2O 氢氟酸反应氢氟酸反应, 想一想想一想 实验室为什么不用实验室为什么不用玻璃瓶玻璃瓶盛装氢氟酸？盛装氢氟酸？ HF能腐蚀玻璃，因此，盛装氢氟酸能腐蚀玻璃，因此，盛装氢氟酸 不

11、能用玻璃试剂瓶而要用塑料瓶。不能用玻璃试剂瓶而要用塑料瓶。 不是，因为不是，因为只与只与HF一种酸反应一种酸反应 SiO2 + 4HF = SiF4 + 2H2O 1、属酸性氧化物，可与强碱反应、碱性氧 化物反应。（通性）（通性） 2、化学稳定性：稳定性好，除氢氟酸（HF） 外一般不与其它酸反应。（特性）（特性） SiO2 + 2C SiO2 + 2Mg 高温高温 高温高温 此外，在高温下能与还原剂反应此外，在高温下能与还原剂反应 Si + 2CO Si+ 2MgO 可利用这个反应制可利用这个反应制粗硅粗硅 思考：思考：在这两个反应中二氧化硅作什在这两个反应中二氧化硅作什 么作用？么作用？ 由

12、于由于SiO2具有优良的物理化学性能加上具有优良的物理化学性能加上SiO2在自在自 然界的广泛存在，因此从古到今都被人类广泛然界的广泛存在，因此从古到今都被人类广泛 地应用。地应用。 （6 6）用途）用途 制光导纤维制光导纤维 石英玻璃制化学仪器石英玻璃制化学仪器 制石英表、石英钟制石英表、石英钟 水晶制光学仪器和工艺品水晶制光学仪器和工艺品 玛瑙制精密轴承和装饰品玛瑙制精密轴承和装饰品 石英制品 用用光导纤维光导纤维做做 无开刀手术无开刀手术 光导纤维手术头灯光导纤维手术头灯 通信用光缆 光学纤维胃镜 水晶水晶石英、玛瑙石英、玛瑙 二氧化硅用来制光导纤维二氧化硅用来制光导纤维 光导纤维就是比

13、头发丝还细的、能传导光信号的玻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璃丝。制造光导纤维的材料就是二氧化硅二氧化硅。光导纤。光导纤 维主要用于通讯、传感、测量等，光纤通讯的优点维主要用于通讯、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就是通信容量大，一对光纤上可同时传送3 3万门电话。万门电话。 CO2H2OH2CO3 但是但是SiO2不能与水直接化合成不能与水直接化合成H2SiO3 思考思考：SiO2不能直接和水化合成不能直接和水化合成H2SiO3，那怎样制备，那怎样制备 H2SiO3呢？呢？ (二二) 硅酸（硅酸（H2SiO3） H

14、2SiO3是一种不溶于水的白色固体。一种很弱的酸是一种不溶于水的白色固体。一种很弱的酸(酸性酸性 比比H2CO3还弱还弱,不能是紫色石蕊试液变色不能是紫色石蕊试液变色) （1）制法）制法由于由于SiO2不溶于水，所以硅不溶于水，所以硅 酸是通过可溶性硅酸盐与酸反应制得的。酸是通过可溶性硅酸盐与酸反应制得的。 滴入酚酞后溶液变为红色，再滴入稀盐酸，溶液红滴入酚酞后溶液变为红色，再滴入稀盐酸，溶液红 色变浅至无色，同时有白色胶状物产生色变浅至无色，同时有白色胶状物产生 a. Na2SiO3溶液呈碱性，溶液呈碱性， b. 可溶性硅酸盐与盐可溶性硅酸盐与盐 酸反应生成不溶于水的硅酸，酸反应生成不溶于水

15、的硅酸，c. 先形成硅酸溶胶，先形成硅酸溶胶， 后形成硅酸凝胶后形成硅酸凝胶 Na2SiO3 + 2HCl = 2NaCl + H2SiO3(胶体胶体) SiO32- + 2H+ = H2SiO3（胶体胶体）离子方程式：离子方程式： 实验实验4-1 方法二：用方法二：用H2CO3也可制得也可制得H2SiO3 ，可证明，可证明 H2SiO3 的酸性比的酸性比H2CO3弱。弱。 SiO32- + H2O + CO2= CO32- + H2SiO3（ 胶体胶体 ） Na2SiO3 + H2O + CO2 = Na2CO3 + H2SiO3（胶体）（胶体） 1. 硅酸的性质硅酸的性质 (1) 硅酸是一

16、种弱酸，酸性比硅酸是一种弱酸，酸性比H2CO3弱，不能使指示弱，不能使指示 剂变色。剂变色。 Na2SiO3 + 2HCl = 2NaCl + H2SiO3 SiO32- + 2H+ = H2SiO3 Na2SiO3 + H2O + CO2 = Na2CO3 + H2SiO3 SiO32- + H2O + CO2= CO32- + H2SiO3 不溶、不稳定、弱酸不溶、不稳定、弱酸 小结小结 （2）酸性太弱，只能与强碱发生中和反应）酸性太弱，只能与强碱发生中和反应 H2SiO3 + 2NaOH = Na2SiO3 + 2H2O （3）不稳定（比）不稳定（比H2CO3稳定），受热易分解稳定），受

17、热易分解 H2SiO3 = H2O + SiO2 活动探究活动探究 已知硅酸是一种弱酸，请已知硅酸是一种弱酸，请利用中学实验利用中学实验 室常见的仪器及药品，设计一个简单实验，室常见的仪器及药品，设计一个简单实验， 探索对比硅酸和碳酸的酸性强弱。探索对比硅酸和碳酸的酸性强弱。 把把CO2通入通入Na2SiO3溶液中，观察溶液中，观察 发生的现象发生的现象 方案方案 总结：碳酸和硅酸性质比较总结：碳酸和硅酸性质比较 物质物质 化学式化学式 酸酐酸酐 制法制法 水溶性水溶性 酸性比较酸性比较 硅硅 酸酸碳碳 酸酸 H H2 2SiOSiO3 3H H2 2COCO3 3 SiOSiO2 2 COC

18、O2 2 Na2SiO3+2HCl=H2SiO3+2NaClCO2+H2O=H2CO3 难溶于水难溶于水溶于水溶于水 H H2 2COCO3 3HH2 2SiOSiO3 3 3.硅酸与硅胶硅酸与硅胶阅读阅读P76 硅胶硅胶 是是H2SiO3浓溶液浓溶液硅酸凝胶经干硅酸凝胶经干 燥脱水后得到多孔的硅酸干凝胶燥脱水后得到多孔的硅酸干凝胶 变色硅胶变色硅胶,是将硅酸凝是将硅酸凝 胶用胶用CoCl2溶液浸泡，溶液浸泡， 然后经干燥活化后制然后经干燥活化后制 得的。得的。(吸水前为淡蓝色吸水前为淡蓝色, 吸水后为粉红色吸水后为粉红色) 硅胶干燥剂硅胶干燥剂 硅胶常用作食品、药品的干燥剂，也常硅胶常用作食

19、品、药品的干燥剂，也常 用作催化剂的载体用作催化剂的载体 CO2通入下例各溶液中，不可能通入下例各溶液中，不可能 产生沉淀的是（产生沉淀的是（ ） A、氯化钙溶液、氯化钙溶液 B、石灰水、石灰水 C、饱和碳酸钠溶液、饱和碳酸钠溶液 D、硅酸钠溶液、硅酸钠溶液 A 讨论讨论: : 硅酸盐是由硅酸盐是由硅、氧和金属硅、氧和金属组成的化合物组成的化合物 的总称。硅酸盐是一类结构复杂的物质，的总称。硅酸盐是一类结构复杂的物质，一一 般不溶于水，化学性质很稳定。般不溶于水，化学性质很稳定。 1、硅酸钠（、硅酸钠（Na2SiO3） 二、硅酸盐二、硅酸盐 物理性质：白色固体，能溶于水，是少数可溶物理性质：白

20、色固体，能溶于水，是少数可溶 性硅酸盐之一性硅酸盐之一, , 它的水溶液俗称水玻璃、泡花碱。它的水溶液俗称水玻璃、泡花碱。 Na2SiO3有何化学特性？有何化学特性？ 与盐反应与盐反应 与酸反应与酸反应 Na2SiO3 + 2HCl =2NaCl + H2SiO3 CaCl2+Na2SiO3=CaSiO3 +2NaCl 硅酸钠水溶液久置在空气中会出现什硅酸钠水溶液久置在空气中会出现什 么现象？为什么？么现象？为什么？ 硅酸钠水溶液久置在空气中会出现白硅酸钠水溶液久置在空气中会出现白 色浑浊。因为发生下列反应：色浑浊。因为发生下列反应： Na2SiO3CO2H2ONa2CO3H2SiO3 放入蒸

21、馏水放入蒸馏水 现象现象 结论结论 水份蒸发后燃烧水份蒸发后燃烧 放入放入Na2SiO3溶液溶液 水份蒸发后不燃烧水份蒸发后不燃烧 水份蒸发后，失水份蒸发后，失 去防火作用去防火作用 防火效果好用防火效果好用 作防火剂作防火剂 P77 实验实验4-2 2.2.硅酸钠的特性及用途：硅酸钠的特性及用途： 水玻璃是无色粘稠液体，是一种矿物胶。水玻璃是无色粘稠液体，是一种矿物胶。 1.1.它可以用于制备硅胶它可以用于制备硅胶; ; 2.2.建筑工业上可用作粘合剂建筑工业上可用作粘合剂; ; 3.3.用作耐火材料。用作耐火材料。 顺序：顺序：活泼金属氧化物活泼金属氧化物较活泼金属氧化较活泼金属氧化 物物

22、 SiO2 H2O，化合价低的金属氧化物放在前，化合价低的金属氧化物放在前 面。面。 （1）保持原有各元素化合价不变，按顺序写出）保持原有各元素化合价不变，按顺序写出 各种元素的氧化物各种元素的氧化物 如：如：硅酸钠（硅酸钠（Na2SiO3) Na2O SiO2 镁橄榄石（镁橄榄石（Mg2SiO4）2MgO SiO2 3.3.硅酸盐组成表示硅酸盐组成表示 （）除氧元素外，其他元素的原子个（）除氧元素外，其他元素的原子个 数比符合原来的组成，配置出现分数时数比符合原来的组成，配置出现分数时 应化为整数。应化为整数。 钙沸石钙沸石Ca(Al2Si3O10) 3H2O CaO Al2O3 3SiO23H2O 4、硅酸盐工业、硅酸盐工业 4 4、硅酸盐工业、硅酸盐工业 1