硅和硅酸盐工业

硅和硅酸盐工业王振山1碳族元素硅酸盐工业简介新型无机材料主菜单碳族元素硅酸盐工业新型无机非金属材料2碳族元素性质硅的性质及用途二氧化硅的性质及用途碳族元素硅酸盐工业新型无机非金属材料3结构位置性质决定反映反映反映决定决定

碳族元素构位性一体，相互可推断碳族元素硅酸盐工业新型无机非金属材料41、碳族元素的“成员”一、碳族元素碳（6C）硅（14Si）锗（32Ge）锡（50Sn）铅（82Pb）碳族元素硅酸盐工业新型无机非金属材料52、第ⅣA族元素原子结构、位置、性质三者关系相同点：不同点：核电荷数、电子层及原子半径从上到下依次增大原子最外层电子数都为4（1）结构和位置的特点及关系碳族元素硅酸盐工业新型无机非金属材料6讨论：元素结构和位置上的异同点决定了其化学性质上具备了哪些特点？(2)碳族元素性质的相似性①易形成共价化合物②主要化合价为+4、+2、-4价③常温下性质稳定碳族元素硅酸盐工业新型无机非金属材料7碳硅锗锡铅氧化性：逐渐减弱 还原性：逐渐增强得电子能力：逐渐减弱失电子能力：逐渐增强非金属性：逐渐减弱金属性：逐渐增强(3)碳族元素性质的递变性碳族元素硅酸盐工业新型无机非金属材料8

碳（非金属）硅（非金属性比金属性强）锗（金属性比非金属性明显）锡（金属）铅（金属）事实说明:碳族元素从上到下,明显的非金属性逐渐变为明显的金属性。碳族元素硅酸盐工业新型无机非金属材料9氧化物元素最高价氧化物对应水化物氢化物氢化物的稳定性CO2、SiO2、GeO2、SnO2、PbO2讨论：从各元素的非金属性和金属性强弱来分析各元素最高价氧化物的水化物的酸碱性以及氢化物的稳定性是怎样变的？H2CO3、H4SiO4、Ge（OH)4、Sn（OH)4、Pb（OH)4

酸性逐渐减弱、碱性逐渐增强CH4、SiH4、GeH4、SnH4、PbH4稳定性逐渐减弱碳族元素硅酸盐工业新型无机非金属材料10单质颜色、状态熔、沸点

密度金刚石：无色固体石墨：灰黑色固体晶体硅：灰黑色固体银灰色固体银白色固体蓝灰色固体

高

低小大物理性质的递变碳铅硅锗锡碳族元素硅酸盐工业新型无机非金属材料11

思考：

“锡的+4价化合物稳定，铅的+2价化合物稳定”。由此可推断SnCl2和PbO2的氧化性或还原性的强弱及变化产物。碳族元素硅酸盐工业新型无机非金属材料12二、硅存在和含量：含量居第二（O、Si、Al、Fe)无游离态，是构成矿物和岩石的主要成分有晶体和无定形两种同素异形体熔沸点很高硬度很大（结构类似金刚石）、是半导体2.化学性质化学性质稳定思考：C、Si、S、O、N、Cl、Br在自然界中有无游离态？碳族元素硅酸盐工业新型无机非金属材料13常温下只和F2、HF、强碱反应加热时能和O2、Cl2反应:Si+2F2=SiF4Si+4HF=SiF4+2H2↑Si+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H2↑Si+2NaOH+4H2O=Na2SiO3+2H2↑+3H2O4e-

Si+O2SiO2

△

△Si+2Cl2SiCl4

△SiCl4+2H2Si+4HCl碳族元素硅酸盐工业新型无机非金属材料144、制法碳在高温下还原二氧化硅3、用途半导体材料、制合金、耐酸设备等SiO2+2CSi+2CO高温高温SiO2+3CSiC+2CO碳族元素硅酸盐工业新型无机非金属材料15

三、二氧化硅1、存在硅石、石英、水晶、玛瑙2、物理性质坚硬难熔的固体思考：石英、水晶有什么应用？组成微粒微粒间作用力颜色状态熔沸点硬度SiO2晶体干冰晶体163、化学性质b、和CaO反应SiO2+CaOCaSiO3高温（1）具有酸性氧化物的通性：a、SiO2+H2O不反应CO2+H2O=

。CO2+CaO

。△c、和NaOH反应SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O生成的Na2SiO3水溶液具有粘性，俗称水玻璃。碳族元素硅酸盐工业新型无机非金属材料17思考：己知玻璃中含有SiO2，盛放碱液的试剂瓶用玻璃塞还是橡皮塞？为什么？CO2+NaOH=

。（2）、与CaCO3、Na2CO3的反应：高温SiO2+CaCO3CaSiO3+CO2↑CaCO3+CO2+H2O=

.高温SiO2+Na2CO3Na2SiO3+CO2↑Na2CO3+CO2+H2O=

.碳族元素硅酸盐工业新型无机非金属材料18（4）和氢氟酸反应SiO2+4HF=SiF4↑+2H2O用于蚀刻玻璃（3）与碳的反应：高温SiO2+2CSi+2CO↑高温SiO2+3CSiC+2CO↑CO2+C

。高温思考：在实验室里，氢氟酸如何保存？思考：生石灰中往往含有CaCO3和SiO2，检验是否存在这两种杂质最好选用（）A、水B、盐酸C、硫酸D、烧碱溶液碳族元素硅酸盐工业新型无机非金属材料194、SiO2的用途

①光导纤维②石英玻璃③水晶、玛瑙：装饰品及光学仪器5、硅酸①性质

是一种不溶水的二元弱酸，酸性比碳酸还弱，不能使指示剂变色，不稳定。②制法SiO32-+2H++H2O=H4SiO4↓SiO32-+2H2O+CO2=H4SiO4↓+CO32-碳族元素硅酸盐工业新型无机非金属材料206、硅酸盐生成的H4SiO4叫原硅酸，是一种白色胶状物，不溶于水，在干燥的空气中易失去水变成硅酸，硅酸在加热条件下会进一步失水得SiO2。[演示]：取两根一样干的布条（其中一根在硅酸钠溶液中浸过），在火焰上燃烧。[现象]：在硅酸钠溶液中浸过的布条不燃，另一根很易燃烧。

Na2SiO3的水溶液俗称“水玻璃”，具有粘性，一种矿物胶；也是防腐剂、防火剂。碳族元素硅酸盐工业新型无机非金属材料21练习：将下列硅酸盐改成氧化物形式或将氧化物形式改成硅酸盐的形式:①Na2SiO3②Al2(Si2O5)(OH)4

③KAlSi3O8④Na2O·CaO·6SiO2

硅酸盐是构成地壳和矿物的主要成分，但其组成比较复杂，一般以氧化物形成表示。碳族元素硅酸盐工业新型无机非金属材料22硅酸盐产品热弯玻璃防弹玻璃23

水泥24陶瓷粉彩瓷古瓷欣赏25

概念：以含硅物质为原料，经过加热制成硅酸盐产品的工业叫硅酸盐工业。硅酸盐工业

如制造水泥、玻璃、陶瓷等产品的工业都属于硅酸盐工业。特点：（1）原料均为含硅固体物质（水泥工业用粘土，玻璃工业用石英）。（2）反应条件高温。（3）反应原理复杂的物理、化学变化。（4）产品的主要成分硅酸盐。

26水泥性能其它水泥具有水硬性原料石灰石、粘土生产过程普通水泥的成分硅酸三钙3CaO●SiO2硅酸二钙2CaO●SiO2铝酸三钙3CaO●Al2O3原料研磨混合

煅烧(回转窑)成品加入石膏水泥沙浆、混凝土我国的水泥工业27原料纯碱、石灰石、石英原理Na2SiO3、CaSiO3、SiO2熔合在一起而形成在玻璃态物质（或者Na2O●CaO●6SiO2）Na2CO3+SiO2====Na2SiO3+CO2↑高温CaCO3+SiO2====CaSiO3+CO2↑高温普通玻璃的组成设备：玻璃窑特种玻璃光学玻璃有色玻璃玻璃纤维钢化玻璃玻璃28陶瓷简史原料粘土工艺流程粘土混合成型干燥烧结成品冷却种类土器、陶器、瓷器、炻器性能釉29301、熔融烧碱应选用的仪器是：（

）

A、石英坩埚B、普通玻璃坩埚C、生铁坩埚D、陶瓷坩埚C2、下列物质不属于硅酸盐的是：（

）A、粘土B、石英C、Al2(Si2O5)OH)4D、Mg2SiO4

B3、石灰石是许多工业原料之一，但制取下列物质不需要石灰石的是：（

）A、制硅酸B、制水泥C、制玻璃D、制生石灰A碳族元素硅酸盐工业新型无机非金属材料314、与普通玻璃的成分相同的是（）A、钢化玻璃B、有色玻璃C、光学玻璃D、石英玻璃A5、下列物质具有固定熔沸点的是：

（

）A、钢化玻璃B、漂白粉

C、消石灰D、水玻璃C6、下列不属于硅酸盐产品的是：（

）

A、水泥B、砖瓦C、陶瓷D、硫酸D7、过量的泥沙、纯碱和生石灰熔化后生成①水泥玻璃③瓷器④混凝土⑤一种硅酸盐产品（

）

A.①④B.②⑤C.③D.②B328、在水泥中加入石膏的作用是

—————————————————————

将——————-、——————————。———————按一定比例混合硬化后称为混凝土。调节水泥的硬化速度水泥砂子碎石33新型无机非金属材料34一、什么是无机非金属材料？1、材料2、材料的几种分类3、生活中无机非金属材料4、新型无机非金属材料的特征二、几种典型的新型无机非金属材料1、结构材料——高温结构陶瓷2、功能材料——光导纤维（光纤）展望金刚石35

材料是人类赖以生存和发展的物质基础，一直是人类进步的一个重要里程碑。例如，历史上的石器时代、青铜器时代、铁器时代都是以材料作为时代主要标志的。一种新型材料的研制成功，可以引起人类文化和生活的新的变化。石器、陶瓷、铁、铜、玻璃、水泥、有机高分子（如塑料等）、单晶材料等的发明，为人类进步提供重要的物质基础。没有半导体材料，便不可能有目前的计算机技术；没有耐高温、高强度的特殊结构材料，便没有今天的宇航工业；没有低损耗的光导纤维，也就没有现代的光通讯；没有有机高分子材料，人们的生活也不可能像今天这样丰富多彩。材料36(1)按化学组成和特性分无机非金属材料传统无机非金属材料新型无机非金属材料金属材料高分子材料：塑料、合成橡胶、合成纤维(2)按用途分结构材料：利用材料的力学和理、化性质，广泛应用于机械制造、工程建设、交通运输等各个工业部门功能材料：利用材料的热、光、电、磁等性能用于电子、激光、通讯、能源和生物工程等许多高新技术领域。373、生活中的无机非金属材料⑴玻璃、水泥、陶瓷⑸金刚石钻头⑶手表上的“19钻”(人造红宝石轴承的数目)⑷玻璃刀⑵石英钟表⑺煤气炉中的电子打火⑹彩电（荧光材料）⑻海底电缆（光导纤维）⑼电脑的CPU（单晶硅）⑽隐形飞机（特殊光学材料）(压电陶瓷)384、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391、结构材料——高温结构陶瓷(1)氧化铝陶瓷性

能用

途熔点高坩埚、高温炉管硬度大刚玉球磨机透明、耐高温高压钠灯灯管备注：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。高温结构材料与金属材料的性能比较耐高温、耐腐蚀、硬度大、耐磨损、不怕氧化。易受腐蚀、不耐氧化、不适合高温时使用高纯氧化铝透明陶瓷管氧化铝陶瓷制品40(2)氮化硅陶瓷氮化硅基陶瓷具有密度小、高强、高硬、高韧性、耐磨损、耐腐蚀、抗氧化、抗热震、自润滑、隔热、电绝缘等一系列优良性能。(3)氮化硼陶瓷、碳化硼陶瓷(4)人造宝石制造发动机部位的受热面，提高柴油机的质量，节省燃料（不用水冷却，减少热散失）。Si3N4基陶瓷球轴承氧化锆陶瓷碳化硅陶瓷沙漠车氮化硅陶瓷部件41人造宝石红宝石和蓝宝石的主要成分都是Al2O3（刚玉）。红宝石呈现红色是由于其中混有少量含铬化合物；而蓝宝石呈蓝色则是由于其中混有少量含钛化合物。1900年，科学家曾用氧化铝熔融后加入少量氧化铬的方法，制出了质量为2g-4g的红宝石。现在，已经能制造出大到10g的红宝石和蓝宝石。红宝石和蓝宝石及人造宝石42(3)光导纤维的用途：光纤除了可以用于通讯外，还用于医疗、信息处理、传能传像、遥测遥控、照明等许多方面。

(2)光纤光缆与普通电缆比较(见下页)(1)是高质量传导光的玻璃纤维，信息高速公路的“基石1870年，英国科学家丁达尔做了一个有趣的实验：让一股水流从玻璃容器的侧壁细口自由流出，以一束细光束沿水平方向从开口处的正对面射入水中。丁达尔发现，细光束不是穿出这股水流射向空气，而是顺从地沿着水流弯弯曲曲地传播。这是光的全反射造成的结果。2、功能材料——光导纤维（光纤）光导原理43光纤光缆普通电缆信息量大,每根光纤理论上可同时通过10亿路电话8管同轴电缆每条通话1800路原料来源广(石英玻璃),节约有色金属资源较少质量小,每公里27g,不怕腐蚀,铺设方便每公里1.6t成本低,每公里1万元左右每公里20万元性能好,抗电磁干扰保密性强,能防窃听,不发生电辐射光学纤维胃镜现代通信用光缆用光导纤维做手术，不用开刀44

金刚石是目前已知的最硬的材料，可以用来切削和刻划其他物质，被用于钻探、磨削等行业。但是，由于天然金刚石非常少，远远不能满足生产和科研的需要。科学家们通过对石墨和金刚石同素异形体结构的研究，指出了在一定条件下使石墨转化为金刚石的可能性。1955年，美国首先用石墨合成出金刚石，这是材料合成领域的一项重大成就。目前，世界上用石墨合成金刚石的研究发展很快，我国在这方面的研究也在飞速发展，许多城市都建有人造金刚石的工厂和研究所，以满足生产发展的需要。金刚石金刚石钻头金刚石锯片45展望21世纪，材料科学的前景是美好的：1.光电转换材料，分解水的催化材料和储氢材料等能源材料将实现高效化；2.集多种功能于一身的复合材料可使我们的生活质量得到进一步改善(如“白色污染”将被消除)；3.高温超导材料进入实用阶段；4.智能材料和机敏材料将得到广泛应用；5、纳米材料将在治疗癌症、存储信息等领域大显神通……

社会需要材料,材料离不开化学。461、下列具有特殊性能的材料中，由主族元素和副族元素形成的化合物是（）A、半导体材料砷化镓B、吸氢材料镧镍合金C、透明陶瓷材料硒化锌D、超导材料K30C602、锗酸铋（简称BGO）是我国研制成功的一种性能优良的闪烁材料，其中锗元素处于最高价态，铋元素的价态与它跟氯形成某种共价氯化物所呈的价态相同，且此氯化物中铋具有8电子稳定结构，BGO的化学式是（）A、Bi3Ge3O15B、Bi4Ge3O12C、Bi4Ge3O16D、Bi3Ge3O12

4748Si3N4基陶瓷球轴承49高纯氧化铝透明陶瓷管505152现代通信用光缆53光学纤维胃镜54用光导纤维做手术，不用开刀55人造金刚石锯片56金刚石钻头57金刚石58氧化铝陶瓷制品59氧化锆陶瓷60F-117是一种单座战斗轰炸机。设计目的是凭隐身性能，突破敌火力网，压制敌方防空系统，摧毁严密防守的指挥所、战略要地、重要工业目标，还可执行侦察任务，具有一定空战能力。61626364651、锡和铅两种元素的主要化合价是+2和+4价，其中+2价锡和+4价铅元素的化合物均是不稳定的，+2价锡离子有强还原性，+4价铅离子有强氧化性。写出下列反应的化学方程式：①氯气和锡共热-------------------------------

②氯气和铅共热-------------------------------

③PbO2和浓HCl共热-------------------------------

④能说明Sn2+的还原性比Fe2+的强的方程式是