第18讲硅及其化合物无机非金属材料

1、第1页 共 37 页第第18讲讲 硅及其化合物硅及其化合物 无机非金属材料无机非金属材料第2页 共 37 页自主复习自主复习 夯实基础夯实基础第3页 共 37 页考纲要求考纲要求1.掌握硅及其重要化合物的性质和用途掌握硅及其重要化合物的性质和用途 2.初步了解硅及初步了解硅及SiO2晶体结构以及性质关系晶体结构以及性质关系 3.了解了解SiO2粉末对环境及人类健康的影响粉末对环境及人类健康的影响 4.了解硅酸盐工业及新型无机非金属材料的特征及应用了解硅酸盐工业及新型无机非金属材料的特征及应用 第4页 共 37 页教材回扣教材回扣一一 硅硅1.原子晶体原子晶体,具有正四面体结构具有正四面体结构

2、第5页 共 37 页2.硅常温下性质稳定硅常温下性质稳定,只能与只能与F2 HF NaOH溶液反应溶液反应 (1)Si+O2 SiO2(可在空气中燃烧可在空气中燃烧) (2)Si+4HFSiF4+2H2 (3)Si+2F2SiF4 (4)Si+2NaOH+H2ONa2SiO3+2H2 第6页 共 37 页二二 二氧化硅二氧化硅1.原子晶体原子晶体,具有正四面体结构具有正四面体结构,不溶于水不溶于水 2.二氧化硅具有弱氧化性和酸性氧化物的通性二氧化硅具有弱氧化性和酸性氧化物的通性 例例:(1)SiO2+2C Si+2CO (2)SiO2+2NaOHNa2SiO3+H2O (3)SiO2+4HFS

3、iF4+2H2O (4)SiO2+CaCO3 CaSiO3+CO2 (5)SiO2+Na2CO3 Na2SiO3+CO2 高温高温高温第7页 共 37 页三三 硅酸硅酸 硅酸盐性质硅酸盐性质1.硅酸硅酸:不溶于水不溶于水,为弱酸为弱酸,其酸性比碳酸还要弱其酸性比碳酸还要弱 H2SiO3+2NaOHNa2SiO3+2H2O2.硅酸盐硅酸盐:Na2SiO3的水溶液俗称水玻璃的水溶液俗称水玻璃 Na2SiO3+2HCl2NaCl+H2SiO3 Na2SiO3+CO2+H2ONa2CO3+H2SiO3 (酸性酸性:H2CO3H2SiO3)第8页 共 37 页四四 硅酸盐工业硅酸盐工业1.概念概念以含硅

4、物质为原料以含硅物质为原料,经过加热制成硅酸盐产品的工业经过加热制成硅酸盐产品的工业,如制造如制造玻璃玻璃 水泥水泥 陶瓷等产品的工业陶瓷等产品的工业 2.硅酸盐工业的特点硅酸盐工业的特点:(1)用用含硅含硅的物质作原料的物质作原料;(2)反应条件是反应条件是高温高温;(3)反应原理复杂反应原理复杂,含复杂的含复杂的物理物理 化学化学变化变化;(4)生成物生成物是是硅酸盐硅酸盐 第9页 共 37 页3.水泥水泥 玻璃和陶瓷工业对比玻璃和陶瓷工业对比项目项目水泥工业水泥工业玻璃工业玻璃工业陶瓷工业陶瓷工业主要原料主要原料石灰石石灰石 黏黏土土 石膏石膏纯碱纯碱 石灰石灰石石 石英石英黏土黏土第1

5、0页 共 37 页第11页 共 37 页主要成分主要成分3CaOSiO22CaOSiO23CaOAl2O3普通玻璃普通玻璃Na2OCaO6SiO2种类种类:土器土器 陶器陶器 瓷器瓷器主要性能主要性能水硬性水硬性无固定熔点无固定熔点,在一定温度在一定温度范围内熔化范围内熔化抗氧化抗氧化,耐高耐高温温,抗酸碱腐抗酸碱腐蚀蚀第12页 共 37 页五五 新型无机非金属材料新型无机非金属材料无机非金属材料包括两大类无机非金属材料包括两大类:一类是一类是传统无机非金属材料传统无机非金属材料,第第二类是二类是新型无机非金属材料新型无机非金属材料 1.传统无机非金属材料传统无机非金属材料:主要指硅酸盐材料主

6、要指硅酸盐材料,如水泥如水泥 玻璃玻璃 陶瓷等陶瓷等,其优点是抗腐蚀其优点是抗腐蚀 耐高温等耐高温等,但也有质脆但也有质脆,经不起热经不起热冲击等弱点冲击等弱点 第13页 共 37 页2.新型无机非金属材料新型无机非金属材料:主要指高温结构陶瓷主要指高温结构陶瓷 光导纤维等光导纤维等 新型无机非金属材料除继承传统无机非金属材料的许多优新型无机非金属材料除继承传统无机非金属材料的许多优点点,克服某些弱点外克服某些弱点外,还具有如下特性还具有如下特性:(1)耐高温耐高温 强度高强度高 (2)具有具有电学特性电学特性 如氧化锡陶瓷如氧化锡陶瓷,可用作集成电路中的半导可用作集成电路中的半导体体 (3)

7、具有具有光学特性光学特性 如光导纤维如光导纤维,用于光缆通讯用于光缆通讯 医疗医疗 信息信息处理等处理等 (4)具有具有生物功能生物功能 如磷酸钙系陶瓷如磷酸钙系陶瓷,可用于制造人造骨骼等可用于制造人造骨骼等 第14页 共 37 页课堂互动课堂互动 热点突破热点突破第15页 共 37 页热点考向热点考向1.Si、SiO2的结构性质及用途的考查的结构性质及用途的考查 2.Si SiO2特殊性质考查及有关框图推断特殊性质考查及有关框图推断 3.新型无机非金属材料的应用新型无机非金属材料的应用 第16页 共 37 页热点探究热点探究热点热点1 硅及其化合物硅及其化合物 1.硅的性质和制法硅的性质和制

8、法硅的还原性大于碳的还原性硅的还原性大于碳的还原性,但碳却能在高温下还原出硅但碳却能在高温下还原出硅 这这是因为是因为SiO2+2C Si+2CO,CO是气体是气体,根据平均移动原根据平均移动原理理,减小减小CO浓度浓度,平衡向正反应方向移动平衡向正反应方向移动,促进该反应发生促进该反应发生 通常在氧化还原反应中通常在氧化还原反应中“强弱规律强弱规律”主要用于在水溶液中发主要用于在水溶液中发生的反应生的反应 高温第17页 共 37 页2.二氧化硅的性质和用途二氧化硅的性质和用途(1)物理性质物理性质:SiO2是空间网状结构的原子晶体是空间网状结构的原子晶体,硬度大硬度大,熔点高熔点高,不溶于水

9、不溶于水 (2)化学性质化学性质酸性氧化物酸性氧化物:SiO2+CaO CaSiO3,SiO2+2NaOHNa2SiO3+H2O(碱性溶液不宜用带磨口玻璃塞的试剂瓶盛装碱性溶液不宜用带磨口玻璃塞的试剂瓶盛装) 弱氧化性弱氧化性:SiO2+2C Si+2CO 特性特性:SiO2+4HFSiF4+2H2O 高温高温第18页 共 37 页 (3)用途用途:SiO2是制造光导纤维的主要原料是制造光导纤维的主要原料 石英常用于石英常用于制作石英玻璃制作石英玻璃 石英钟等石英钟等 水晶常用来制造电子工业的水晶常用来制造电子工业的重要部件重要部件 光学仪器光学仪器 工艺品等工艺品等 石英砂常用作制玻璃石英砂

10、常用作制玻璃和建筑材料和建筑材料 第19页 共 37 页3.硅酸与硅酸盐硅酸与硅酸盐(1)硅酸硅酸:不溶于水不溶于水,其酸性小于碳酸其酸性小于碳酸 Na2SiO3+CO2+H2ONa2CO3+H2SiO3,Na2SiO3+2HCl2NaCl+H2SiO3 第20页 共 37 页 (2)硅酸盐硅酸盐常见的硅酸盐是常见的硅酸盐是Na2SiO3,俗称俗称“泡花碱泡花碱”,易溶于水易溶于水,其水其水溶液叫水玻璃溶液叫水玻璃,是一种矿物胶是一种矿物胶,显碱性显碱性,易吸收空气中的易吸收空气中的CO2而生成硅酸而生成硅酸,因而需密封保存因而需密封保存 硅酸盐是构成地壳岩石的主要成分硅酸盐是构成地壳岩石的主

11、要成分,种类很多种类很多,结构复杂结构复杂,常常用氧化物的形式来表示其组成用氧化物的形式来表示其组成 表示顺序一般为活泼金属表示顺序一般为活泼金属氧化物氧化物 较活泼金属氧化物较活泼金属氧化物 二氧化硅二氧化硅 水水 例如例如:硅酸硅酸钠钠Na2SiO3:Na2OSiO2;钙沸石钙沸石CaAl2Si3O103H2O:CaOAl2O33SiO23H2O 第21页 共 37 页4.硅及化合物的特殊性硅及化合物的特殊性(1)Si的还原性大于的还原性大于C,但但C却能在高温下还原出却能在高温下还原出Si (2)非金属与强碱溶液反应一般无氢气放出非金属与强碱溶液反应一般无氢气放出,但但Si例外例外:Si

12、+2NaOH+H2ONa2SiO3+2H2,起氧化作用的只是起氧化作用的只是H2O,而而NaOH既不是氧化剂也不是还原剂既不是氧化剂也不是还原剂,仅为反应物仅为反应物 此反应类似于此反应类似于Al与与NaOH溶液的反应溶液的反应 非金属单质一般不非金属单质一般不与弱氧化性酸反应与弱氧化性酸反应,但硅可以与氢氟酸反应但硅可以与氢氟酸反应 非金属单质非金属单质一般为非导体一般为非导体,原子晶体一般也为非导体原子晶体一般也为非导体,但但Si可以作为半可以作为半导体导体 第22页 共 37 页 (3)SiO2是硅酸的酸酐是硅酸的酸酐,但不溶于水但不溶于水,不能用不能用SiO2与水反应制备与水反应制备硅

13、酸硅酸,而只能用可溶性硅酸盐跟酸作用来制备而只能用可溶性硅酸盐跟酸作用来制备 (4)Na2CO3+SiO2 Na2SiO3+CO2,CaCO3+SiO2 CaSiO3+CO2,上述反应都是在高温条件上述反应都是在高温条件下进行的下进行的,有利于二氧化碳从体系中挥发出来有利于二氧化碳从体系中挥发出来,所以反应可以所以反应可以进行进行,符合难挥发性酸的酸酐制取易挥发性酸的酸酐的道理符合难挥发性酸的酸酐制取易挥发性酸的酸酐的道理 上述反应不与上述反应不与“Na2SiO3+CO2+H2ONa2CO3+H2SiO3”矛矛盾盾,因为后者是在溶液中进行的因为后者是在溶液中进行的,符合复分解反应的原理符合复分

14、解反应的原理 高温高温第23页 共 37 页 (5)SiH4中的中的H呈呈-1价价,因此因此SiH4具有极强的还原性具有极强的还原性,在空气中在空气中能自燃能自燃:SiH4+2O2SiO2+2H2O (6)通常的钠盐通常的钠盐 钾盐和铵盐都易溶于水钾盐和铵盐都易溶于水,但但 与与 会发会发生双水解反应而在溶液中不能大量共存生双水解反应而在溶液中不能大量共存: H2SiO3+2NH3 4NH23SiO2432NHSiO第24页 共 37 页(7)由于由于SiO2易与碱液反应生成易与碱液反应生成Na2SiO3,Na2SiO3水溶液是一水溶液是一种矿物胶种矿物胶,有很强的黏合性有很强的黏合性,因此盛

15、因此盛NaOH等强碱性溶液的等强碱性溶液的瓶子不能使用玻璃塞瓶子不能使用玻璃塞(中和滴定时所用标准碱液不得用酸中和滴定时所用标准碱液不得用酸式滴定管来盛式滴定管来盛),以防止以防止NaOH和玻璃中的和玻璃中的SiO2反应生成反应生成Na2SiO3,把瓶口和旋塞粘住把瓶口和旋塞粘住 当然当然,盛水玻璃的试剂瓶同盛水玻璃的试剂瓶同样不得使用玻璃塞样不得使用玻璃塞,而应使用软木塞或橡皮塞而应使用软木塞或橡皮塞,并注意密封并注意密封,防止防止CO2与与Na2SiO3溶液反应生成硅酸而变质溶液反应生成硅酸而变质 由于由于SiO2易与易与HF反应反应,所以制取所以制取HF气体不得使用玻璃器皿而应用铅气体不

16、得使用玻璃器皿而应用铅皿皿,盛氢氟酸的瓶子不得使用玻璃瓶和玻璃塞盛氢氟酸的瓶子不得使用玻璃瓶和玻璃塞,而应用塑料而应用塑料瓶瓶 第25页 共 37 页【例【例1】 A B C D E代表单质或化合物代表单质或化合物,它们之间的相它们之间的相互转换关系如图所示互转换关系如图所示 A为地壳中含量仅次于氧的非金属为地壳中含量仅次于氧的非金属元素的单质元素的单质,其晶体结构与金刚石相似其晶体结构与金刚石相似 第26页 共 37 页请填空请填空:(1)形成单质形成单质A的原子的结构示意图为的原子的结构示意图为_,它的最高化它的最高化合价为合价为_ (2)B的化学式为的化学式为_,B的晶体类型为的晶体类型

17、为_,B和碳和碳反应生成反应生成A和和E的化学方程式是的化学方程式是_ (3)C的化学式为的化学式为_,D的化学式为的化学式为_ +4SiO2 原子晶体 2SiO2CSi2CO高温CaSiO3 Na2SiO3 第27页 共 37 页 解析解析 这是一道元素化合物的推断题这是一道元素化合物的推断题,其中其中“地壳中含量仅地壳中含量仅次于氧的非金属元素的单质次于氧的非金属元素的单质”是该推断题的是该推断题的“题眼题眼”,由由该该“题眼题眼”可知可知A是是Si,A的的“晶体结构与金刚石相似晶体结构与金刚石相似”充充分验证了分验证了A的确是的确是Si单质单质 分析框图分析框图,综合综合B生成生成C D

18、 E,可以推断可以推断B是是SiO2;E是是CO;C是是CaSiO3;D是是Na2SiO3 该该题对于题对于E的推断的推断,学生容易推断为学生容易推断为CO2,没有考虑到从没有考虑到从B到到E和和A的条件是的条件是“高温高温” 第28页 共 37 页变式变式1:2008年年8月月1日京津城际开通高速列车日京津城际开通高速列车,从天津到北京从天津到北京只需只需29分钟分钟,高速列车使用太阳能电池板高速列车使用太阳能电池板,硅和二氧化硅都是硅和二氧化硅都是制造太阳能电池的重要物质制造太阳能电池的重要物质,下列有关硅和二氧化硅的说法正下列有关硅和二氧化硅的说法正确的是确的是( )A.Si和和SiO2

19、都是半导体材料都是半导体材料B.由由SiO2得到粗硅是用碳作还原剂得到粗硅是用碳作还原剂,说明碳的还原性比硅强说明碳的还原性比硅强C.Si+3HCl SiHCl3+H2,此反应为置换反应此反应为置换反应D.Si和和SiO2都能跟都能跟NaOH溶液反应溶液反应高温答案答案:CD第29页 共 37 页热点热点2 无机非金属材料无机非金属材料1.无机非金属材料无机非金属材料(1)传统无机非金属材料传统无机非金属材料:指硅酸盐无机非金属材料指硅酸盐无机非金属材料 (2)新型无机非金属材料新型无机非金属材料:新开发利用的无机非金属材料主要新开发利用的无机非金属材料主要有氮化硅有氮化硅(Si3N4) 刚玉

20、刚玉(Al2O3)等陶瓷等陶瓷,碳化硼碳化硼 光导纤维光导纤维(主要成分是主要成分是SiO2)等等,这些材料具有特殊结构这些材料具有特殊结构 特殊功能特殊功能 第30页 共 37 页 (3)传统非金属材料和新型非金属材料的性质比较传统非金属材料和新型非金属材料的性质比较:传统非金传统非金属材料具有抗腐蚀属材料具有抗腐蚀 耐高温等许多优点耐高温等许多优点,但质脆但质脆,耐热冲击耐热冲击差差 新型非金属材料继承了传统非金属材料的优点新型非金属材料继承了传统非金属材料的优点,并克并克服了缺点服了缺点,主要具有以下特性主要具有以下特性:(1)能承受高温能承受高温;(2)具有电学具有电学特性特性;(3)

21、具有光学特性具有光学特性;(4)具有生物功能具有生物功能 第31页 共 37 页2.今后无机非金属材料的发展趋势今后无机非金属材料的发展趋势(1)新型能源转换和储能材料新型能源转换和储能材料:主要在电动汽车和混合动力车主要在电动汽车和混合动力车等新一代环境协调型交通工具上发展等新一代环境协调型交通工具上发展 (2)新型光电子材料及器件新型光电子材料及器件:集中在信息技术数字化集中在信息技术数字化 网络化网络化 超大容量信息传输超大容量信息传输 超高密度信息储存方面发挥巨大作超高密度信息储存方面发挥巨大作用用 第32页 共 37 页 (3)生物医用材料生物医用材料:除了人工骨除了人工骨 人工牙齿

22、人工牙齿 HAP陶瓷陶瓷 心脏心脏瓣膜与血管支架等生物材料之外瓣膜与血管支架等生物材料之外,还将利用特种纳米粒子还将利用特种纳米粒子,进行细胞分离进行细胞分离 染色染色,生物探针标记及利用纳米制成药物生物探针标记及利用纳米制成药物或新型抗体进行临床疾病诊断或新型抗体进行临床疾病诊断 (4)信息功能材料信息功能材料:主要应用于信息技术中主要应用于信息技术中,材料的制作将向着材料的制作将向着微型化和智能化方向发展微型化和智能化方向发展,在第三代移动通讯及数字化信在第三代移动通讯及数字化信息技术中能扮演重要角色息技术中能扮演重要角色 第33页 共 37 页 (5)轻质高强材料轻质高强材料:在未来汽车

23、工业和高速列车上在未来汽车工业和高速列车上,对新一代轻对新一代轻质高强质高强 高韧的复合材料提出了要求高韧的复合材料提出了要求 尤其是美国尤其是美国911恐怖事件发生之后恐怖事件发生之后,对超高层建筑用无机结构材料的需求对超高层建筑用无机结构材料的需求更为迫切更为迫切 而轻质而轻质 高强高强 耐高温耐高温 多功能防灾的水泥基多功能防灾的水泥基复合材料复合材料,以及能诊断以及能诊断 自修复智能化建筑结构材料将是自修复智能化建筑结构材料将是明确的研究方向明确的研究方向 (6)纳米无机材料纳米无机材料:主要集中在光子电子纳米信息材料主要集中在光子电子纳米信息材料;纳米发纳米发光材料光材料;纳米结构器

24、件设计等方面纳米结构器件设计等方面 这类材料有可能成为这类材料有可能成为下一代微电子和光电子器件的核心下一代微电子和光电子器件的核心,及新一代发光器件及新一代发光器件 第34页 共 37 页【例【例2】 下列材料的特性及用途叙述不正确的是下列材料的特性及用途叙述不正确的是( )A.氧化铝陶瓷具有两性氧化铝陶瓷具有两性,可用来制造人造牙齿可用来制造人造牙齿B.氮化硅陶瓷耐高温且不易传热氮化硅陶瓷耐高温且不易传热,可用来制造柴油机可用来制造柴油机C.光导纤维传导光的性能很强光导纤维传导光的性能很强,是非常好的通讯材料是非常好的通讯材料D.人造刚玉硬度高人造刚玉硬度高,用于制造刚玉球磨机用于制造刚玉球磨机答案答案 A第35页 共 37 页 解析解析 根据不同材料的特性及相应用途来判断根据不同材料的特性及相应用途来判断 氧化铝陶氧化铝陶瓷对人体无