第一节无机非金属材料的主角—硅

1、第一节 无机非金属材料的主角_硅硅的存在与分布硅的存在与分布存在：没有游离态，只有化合态存在：没有游离态，只有化合态分布：自然界中分布广泛，是构成矿物和岩石的基本分布：自然界中分布广泛，是构成矿物和岩石的基本元素。元素。图图 4-1 4-1 硅的广泛存在硅的广泛存在从从原子结构原子结构认识硅认识硅硅和碳一样硅和碳一样, ,其原子其原子既不易失去电子，也不易得到电既不易失去电子，也不易得到电子，子，所以硅的化学性质不活泼所以硅的化学性质不活泼, ,主要形成主要形成四价化合物四价化合物CSi碳碳是构成有机物是构成有机物的主要元素的主要元素硅硅是构成岩石和许是构成岩石和许多矿物的主要元素多矿物的主要

2、元素从从原子结构原子结构认识硅认识硅结晶形（石英晶体）结晶形（石英晶体）无定形无定形硅藻土、沙子硅藻土、沙子水晶水晶玛瑙玛瑙一、二氧化硅和硅酸一、二氧化硅和硅酸1 1、二氧化硅（、二氧化硅（ SiOSiO2 2 ）(1)(1)存在存在: : 天然的天然的SiOSiO2 2称为硅石称为硅石硅石硅石无色透明无色透明彩色环带或层状彩色环带或层状水晶水晶玛瑙天然水晶天然水晶紫水晶紫水晶蔷薇石英蔷薇石英茶晶茶晶黄水晶黄水晶天然玛瑙天然玛瑙 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。 二氧化硅中硅原SiOSiO4 4 四面体结构四面体结构子与

3、氧原子个数比为1：2，用SiO2来表示二氧化硅的组成二氧化硅的组成,表示表示Si与与O的原子个数比的原子个数比,不是分子式是化学式。不是分子式是化学式。SiOSiO4 4 四面体结构四面体结构立体网状结构决定了SiO2具有优良的物理和化学性质联想联想-沙子沙子二氧化硅具有哪些物理性质二氧化硅具有哪些物理性质? ? 表示二氧化碳分表示二氧化碳分子式及其组成子式及其组成表示二氧化硅晶体表示二氧化硅晶体中硅氧原子个数比中硅氧原子个数比气气 态态固固 态态很很小小很很大大能能溶于水溶于水难难溶于水溶于水很很 低低很很 高高(3)(3)二氧化硅的物理性质（与二氧化硅的物理性质（与coco2 2比较）比较

4、） 都属都属酸性氧化物酸性氧化物水水 溶溶 性性（4 4）、用途）、用途装饰品装饰品石英坩埚石英坩埚光导纤维光导纤维石英手表石英手表光学仪器光学仪器耐磨器皿耐磨器皿精密仪器轴承精密仪器轴承 什么叫酸性氧化物？酸性氧化物的通性包括哪什么叫酸性氧化物？酸性氧化物的通性包括哪些方面（以些方面（以COCO2 2为例）为例） 与水、碱、碱性氧化物反应与水、碱、碱性氧化物反应具有酸性氧化物的通性具有酸性氧化物的通性与强碱反应生成盐和水与强碱反应生成盐和水与碱性氧化物（与碱性氧化物（Ca0，Na20等）反应生成盐等）反应生成盐有粘性，其有粘性，其溶液俗称水玻璃溶液俗称水玻璃难溶于水，不与水反应难溶于水，不与

5、水反应设疑设疑:实验室中盛放碱液的试剂瓶与盛实验室中盛放碱液的试剂瓶与盛放其它溶液的试剂瓶有何不同？放其它溶液的试剂瓶有何不同？为什么为什么 ？实验室盛装实验室盛装NaOHNaOH溶液的试剂溶液的试剂瓶用橡胶塞而不用玻璃塞瓶用橡胶塞而不用玻璃塞 NaOHNaOH溶液能与溶液能与玻璃中玻璃中的的S SiOiO2 2反应生成反应生成NaNa2 2SiOSiO3 3，使瓶，使瓶塞部分粘结而无法打开。因塞部分粘结而无法打开。因此盛装此盛装NaOHNaOH溶液的试剂瓶不溶液的试剂瓶不能用玻璃塞而能用玻璃塞而要用橡胶塞要用橡胶塞。制造普通玻璃的反应制造普通玻璃的反应在高温下能与还原剂反应，表现弱氧化性在高

6、温下能与还原剂反应，表现弱氧化性SiO2 + 2C高温高温Si + 2COSiO2 + 2Mg高温高温Si+ 2MgOSiF42H2O此反应常用于雕刻玻璃此反应常用于雕刻玻璃思考思考: :实验室为什么不用玻璃瓶盛装氢氟酸？实验室为什么不用玻璃瓶盛装氢氟酸？ HFHF能腐蚀玻璃，因此，盛装氢氟酸不能用能腐蚀玻璃，因此，盛装氢氟酸不能用玻璃试剂瓶而要用塑料瓶。玻璃试剂瓶而要用塑料瓶。二氧化硅的二氧化硅的危害危害： 在隧道开凿，石英粉加工等工在隧道开凿，石英粉加工等工作环境下易形成含有二氧化硅的粉作环境下易形成含有二氧化硅的粉尘，人长期吸入含有二氧化硅的粉尘，人长期吸入含有二氧化硅的粉尘，就会患尘，

7、就会患硅肺病（旧称矽肺）硅肺病（旧称矽肺）。1制造光导纤维的主要原料是（ ） A晶体硅 B二氧化硅 C石墨 D硅酸钠2下列叙述正确的是（ ）A自然界存在大量单质硅BSiO2 与任何酸都不起反应 C光导纤维被广泛应用于能量传输和信息传输DSiO2 的化学性质活泼，能与很多物质发生化学反应BC课堂练习：课堂练习：3、玻璃的主要成分之一是二氧化硅，、玻璃的主要成分之一是二氧化硅，能在玻璃上进行蚀刻，能在玻璃上进行蚀刻，将其制成毛玻璃和将其制成毛玻璃和雕花玻璃的物质是雕花玻璃的物质是 ( ) A、烧碱、烧碱 B、纯碱、纯碱 C、氢氟酸、氢氟酸 D、盐酸、盐酸C思考思考二氧化硅难溶于水，又不二氧化硅难溶

8、于水，又不与水反应，那与水反应，那么，么，如何制得硅如何制得硅酸呢？酸呢？ 实验实验4-1：向饱和：向饱和Na2SiO3溶溶液中滴入酚酞，再滴入稀盐酸液中滴入酚酞，再滴入稀盐酸滴入酚酞溶液呈滴入酚酞溶液呈红色红色 Na2SiO3溶液呈碱性溶液呈碱性Na2SiO3+2HCl = H2SiO3 +2NaCl实验探究实验探究 76页页滴入盐酸有凝胶产生滴入盐酸有凝胶产生硅酸难溶于水硅酸难溶于水生成的硅酸逐渐聚合而形成硅酸溶胶成的硅酸逐渐聚合而形成硅酸溶胶（能流动）（能流动），当硅酸的浓度较大时，就会形成硅酸当硅酸的浓度较大时，就会形成硅酸凝胶（不能流凝胶（不能流动）动），硅酸凝胶经过，硅酸凝胶经过干

9、燥脱水就形成硅胶干燥脱水就形成硅胶。硅胶的用途硅胶的用途：76页页干燥剂（吸水），干燥剂（吸水），吸附剂（多孔），吸附剂（多孔），催化剂的载体。催化剂的载体。 把稀硫酸加入到把稀硫酸加入到Na2SiO3溶液中，溶液中，会有什么现象？会有什么现象？滴入硫酸有凝胶产生滴入硫酸有凝胶产生硅酸难溶于水硅酸难溶于水Na2SiO3+H2SO4 = H2SiO3 +Na2SO4活动与探究：活动与探究： 硅酸是一种硅酸是一种比碳酸还要弱比碳酸还要弱的酸。的酸。请请利用中学实验室常见的仪器及药品，利用中学实验室常见的仪器及药品，设计一个简单实验，证明硅酸的酸性设计一个简单实验，证明硅酸的酸性比碳酸弱比碳酸弱用用

10、HH2 2COCO3 3可制得可制得HH2 2SiOSiO3 3 ，可证明，可证明HH2 2SiOSiO3 3 的酸性比的酸性比HH2 2COCO3 3弱。弱。SiOSiO3 32- 2- + H+ H2 2O + COO + CO2 2= CO= CO3 32- 2- + H+ H2 2SiOSiO3 3 NaNa2 2SiOSiO3 3 + + HH2 2O + COO + CO2 2 （少）（少）= Na= Na2 2COCO3 3 + H+ H2 2SiOSiO3 3 NaNa2 2SiOSiO3 3 + +2H2H2 2O +2 COO +2 CO2 2（足）（足） = 2NaHCO

11、= 2NaHCO3 3 + H+ H2 2SiOSiO3 3 SiOSiO3 32- 2- + 2H+ 2H2 2O + 2COO + 2CO2 2= 2HCO= 2HCO3 3- - + H+ H2 2SiOSiO3 3 Na2SiO3 + H2O + CO2 （少）= Na2CO3 + H2SiO3原理：高沸点物质制低沸点物质原理：高沸点物质制低沸点物质原理：强酸制弱酸原理：强酸制弱酸 CO2通入下列各溶液中，无明显通入下列各溶液中，无明显现象发生的是（现象发生的是（ ）A、氯化钙溶液、氯化钙溶液 B、澄清石灰水、澄清石灰水C、硅酸钠溶液、硅酸钠溶液D D、偏铝酸钠溶液、偏铝酸钠溶液A课堂

12、练习：课堂练习：2 2、下列说法正确的是（）、下列说法正确的是（）A ASiOSiO2 2溶于水显酸性溶于水显酸性B BCOCO2 2通入水玻璃通入水玻璃( (硅酸钠的水溶液）硅酸钠的水溶液）可可得硅酸得硅酸C CSiOSiO2 2是酸性氧化物，它不溶于任何酸是酸性氧化物，它不溶于任何酸D DSiOSiO2 2晶体中不存在单个晶体中不存在单个SiOSiO2 2分子分子B D2.2.硅酸硅酸( )( )硅酸是一种硅酸是一种白色粉末状白色粉末状的的固体固体，它，它难溶于水难溶于水；是一；是一种种弱弱酸（弱于碳酸），酸（弱于碳酸），不能使指示剂变色不能使指示剂变色。 H H2 2SiOSiO3 3H

13、2SiO3+2NaOH=Na2SiO3+2H2OH2SiO3=SiO2+H2O1）物性：）物性：2）化性：）化性：Na2SiO3+2HCl=H2SiO3 +2NaClNa2SiO3+CO2+H2O=H2SiO3 +Na2CO33）硅酸的制取）硅酸的制取由于由于SiOSiO2 2不溶于水，不溶于水，所以硅酸是通过可溶性硅酸盐与酸反应所以硅酸是通过可溶性硅酸盐与酸反应制得的。制得的。二、硅酸盐二、硅酸盐结构复杂，一般不溶于水，化学性质很结构复杂，一般不溶于水，化学性质很稳定稳定。硅酸钠（硅酸钠（Na2SiO3), 其水溶液俗称水其水溶液俗称水玻璃，是制备硅胶和木材防火剂等的原玻璃，是制备硅胶和木材

14、防火剂等的原料。料。1、定义：是由硅、氧和金属组成的化合、定义：是由硅、氧和金属组成的化合物的总称。物的总称。实验实验4-24-2当水分蒸当水分蒸发后燃烧发后燃烧当水分蒸发后当水分蒸发后不易燃烧不易燃烧用水玻璃浸泡过的木材或织物可防火用水玻璃浸泡过的木材或织物可防火制备木材防制备木材防火剂的原料火剂的原料2、硅酸盐组成表示、硅酸盐组成表示硅酸钠（硅酸钠（Na2SiO3) 镁橄榄石（镁橄榄石（Mg2SiO4）钙沸石钙沸石Ca(Al2Si3O10) 3H2O活泼金属氧化物活泼金属氧化物较活泼金属氧化物较活泼金属氧化物SiO2H2ONa2O SiO22MgO SiO2CaO Al2O3 3SiO23

15、H2O K2O3Al2O36SiO22H2OK(Al3Si3O10)(OH)2传统无机非金属材料传统无机非金属材料硅酸盐产品硅酸盐产品陶瓷陶瓷水泥水泥玻璃玻璃阅读教材阅读教材78-793、硅酸盐产品、硅酸盐产品 陶瓷陶瓷 玻璃玻璃 水泥水泥3、硅酸盐产品、硅酸盐产品 陶瓷陶瓷 玻璃玻璃 水泥水泥原料：纯碱、石灰石、石英原料：纯碱、石灰石、石英 （Na2CO3、CaCO3、SiO2）设备：玻璃熔炉设备：玻璃熔炉原理：原理：主要成分：主要成分：Na2SiO3、CaSiO3、SiO2主要特性：非晶体，无固定的熔点主要特性：非晶体，无固定的熔点高温高温SiO2 + Na2CO3 Na2SiO3 + C

16、O2 SiO2 + CaCO3 CaSiO3 + CO2 高温高温玻玻 璃璃 加入了不同的金属氧化物普通玻璃加热接近熔化再急速冷却生产原料：石灰石、黏土生产原料：石灰石、黏土 （CaCO3、 Al2O32SiO22H2O ）生产设备：水泥回转窑生产设备：水泥回转窑主要成分：主要成分：3CaOSiO2 2CaOSiO2 3CaOAl2O3主要特性：水泥具有水硬性主要特性：水泥具有水硬性水水 泥泥原料：黏土原料：黏土条件：高温烧结条件：高温烧结描述景德镇的陶瓷有这样一句话:薄如纸,声如磬,色如玉.硅酸盐产品简介 新型无机非金属材料之一：高温结构陶瓷、压电陶瓷新型陶瓷透明陶瓷、超导陶瓷等航天飞机高温

17、结构陶瓷的应用两年半前，正是由于塑料泡沫部件在发射时撞坏了一片防热瓦，导致美国的“哥伦比亚”号返航时在空中解体。高温结构陶瓷之所以在航天事业上的有高温结构陶瓷之所以在航天事业上的有如此优秀的表现如此优秀的表现,因为它具有耐高温、耐因为它具有耐高温、耐氧化、超强、超硬等优点，它可以在各氧化、超强、超硬等优点，它可以在各种恶劣环境下使用，同时，也是制造汽种恶劣环境下使用，同时，也是制造汽车发动机，喷气发动机的理想材料，可车发动机，喷气发动机的理想材料，可以大大提高能源的利用率，可以使汽车以大大提高能源的利用率，可以使汽车跑得更快，飞机飞得更高。跑得更快，飞机飞得更高。高温结构陶瓷的应用高温结构陶瓷

18、的应用 所谓超导现象就是金属的电阻随温度的升所谓超导现象就是金属的电阻随温度的升高而增大，当金属的温度降低时，它的电高而增大，当金属的温度降低时，它的电阻减小阻减小,当温度降到当温度降到-269（液氮温度，为（液氮温度，为4K）左右时，水银的电阻变为零，这种现）左右时，水银的电阻变为零，这种现象叫超导现象象叫超导现象 我国研制的超导陶瓷的临界温度为我国研制的超导陶瓷的临界温度为77K，处，处于世界领先水平。于世界领先水平。 超导陶瓷 这种陶瓷强度大这种陶瓷强度大,韧性好韧性好,与人体亲和力与人体亲和力好，目前它是人体骨骼和牙齿的重要好，目前它是人体骨骼和牙齿的重要移植材料。移植材料。 在这一领

19、域我国处于世界领先水平。在这一领域我国处于世界领先水平。 利用陶瓷，还可实现多种功能互换。利用陶瓷，还可实现多种功能互换。如安放在打火机中的压电陶瓷，一经如安放在打火机中的压电陶瓷，一经敲打即刻产生一个电火花，将机械能敲打即刻产生一个电火花，将机械能转变成电能。转变成电能。 材料科学和工程是人类科技文明生材料科学和工程是人类科技文明生活和工农业生产的推动器，新材料活和工农业生产的推动器，新材料的发现和它的广泛应用常常会带来的发现和它的广泛应用常常会带来社会生产的变革和新兴产业社会生产的变革和新兴产业的出现的出现 比如硅的出现就引发了现代信息产比如硅的出现就引发了现代信息产业的一场革命业的一场革

20、命 三、硅（Si） 硅有晶体硅和无定形硅两种、物理性质：（1）灰黑色，有金属光泽，硬而脆的固体（2）熔、沸点高、硬度大（3）晶体硅是良好的半导体2、化学性质：(不活泼） 常温下，硅的化学性质不活泼，除氢氟酸、氟气、强碱外不跟其他物质如：氧气、氯气、硫酸等起反应，但在加热情况下，硅也能跟一些非金属反应。1)1)、与氟气反应：、与氟气反应：2)2)、与氢氟酸反应：、与氢氟酸反应：3)3)、与强碱溶液反应：、与强碱溶液反应：4)4)、与氯气反应：、与氯气反应：5)5)、与氧气反应、与氧气反应Si+4HFSi+4HF=SiFSiF4 4 +2H+2H2 2Si+2NaOH+HSi+2NaOH+H2 2

21、O O=NaNa2 2SiOSiO3 3+2H+2H2 2Si+2ClSi+2Cl2 2=SiClSiCl4 4Si+OSi+O2 2=SiOSiO2 2Si+2FSi+2F2 2=SiFSiF4 45、化性化性3、用途、用途-半导体性质半导体性质 制制太阳能电池太阳能电池、变压器铁芯、变压器铁芯、集成电路、晶体集成电路、晶体管、硅整流器管、硅整流器等。等。集成电路 晶体管硅太阳能电池硅太阳能电池电脑的中央处理器（电脑的中央处理器（CPU）4、制备、制备工业上：工业上：SiO2 粗硅粗硅 SiCl4 Si +C +Cl2 精馏精馏+H2高温高温高温高温高温高温Si02+2C = 2CO+Si(含杂质的粗硅含杂质的粗硅)Si+2Cl2 = SiCl4SiCl4+2H2=4HC