无机非金属材料的主角-硅全节课件

第四章非金属及其化合物§4.1

无机非金属材料-硅从沙滩到用户？为什么不直接从单质硅制取芯片，而用沙子经过处理制取芯片？思考硅元素(silicon)在地壳中的含量氧48.6%硅26.3%铝7.73%铁4.75%钙3.45%钠2.74%钾2.47%镁2.00%氢0.16%其他1.20%硅26.3%硅在地壳中含量第二，硅的氧化物及硅酸盐构成的岩石、沙子和土壤，约占地壳的90％以上。硅的存在与分布存在：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元素。图4-1硅的广泛存在+14284+6242.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SiC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碳和硅在自然界中存在形式有所不同的原因是什么？碳和硅都是亲氧元素但是硅的亲氧能力更强思考结晶形（石英晶体）无定形——硅藻土水晶玛瑙一、二氧化硅和硅酸1、二氧化硅（SiO2）(1)存在:天然的SiO2称为硅石硅石无色透明彩色环带或层状水晶玛瑙天然水晶紫水晶蔷薇石英茶晶黄水晶天然玛瑙每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。硅原子——二氧化硅中氧原子与硅原子个数比为2：1，用SiO2来表示二氧化硅的组成,表示O与Si的原子个数比,不是分子式是化学式。[SiO4]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(2)结构SiO2的用途现代通信用光缆光学纤维胃镜用光导纤维做无开刀手术光导纤维手术头灯光导纤维水晶制品玛瑙(3)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思考与交流P76物理性质:_____________________________化学稳定性:_________________________通常条件下，很稳定硬度大、熔点高、难溶于水二氧化碳CO2二氧化硅SiO2化学式的意义状态硬度熔沸点相同点表示二氧化碳分子及其组成表示二氧化硅晶体中硅氧原子个数比气态固态很小很大能溶于水不溶于水很低很高(4)二氧化硅的物理性质

都属酸性氧化物水溶性什么叫酸性氧化物？初中学过的酸性氧化物的通性包括哪些方面（以CO2为例）讨论与水、碱、碱性氧化物反应(5)二氧化硅的化学性质（通常很不活泼）①具有酸性氧化物的通性（有粘性，其溶液俗称水玻璃）d、高温下，与某些盐反应SiO2+CaCO3==CaSiO3+CO2高温SiO2+Na2CO3==Na2SiO3+CO2高温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b、常温下、与NaOH溶液缓慢反应：SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2OSiO2+CaO===CaSiO3高温c、高温下、与碱性氧化物反应：设疑: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？为什么？实验室盛装NaOH溶液的试剂瓶用橡胶塞而不用玻璃塞

NaOH溶液能与玻璃中的SiO2反应生成Na2SiO3，使瓶塞部分粘结而无法打开。因此盛装NaOH溶液的试剂瓶不能用玻璃塞而要用橡胶塞。原因③在高温下能与还原剂反应，表现弱氧化性SiO2+2C＝高温Si+2CO↑SiO2+2Mg高温＝Si+2MgOSiO2＋4HF=SiF4↑＋2H2O此反应常用于雕刻玻璃②特性与氢氟酸HF反应思考:实验室为什么不用玻璃瓶盛装氢氟酸？

HF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。熔点高，硬度大，难溶于水。

SiO2是自然界中沙子、石英的主要成分。结晶的二氧化硅叫石英；天然二氧化硅叫硅石。1.二氧化硅的物理性质小结二氧化碳

CO2二氧化硅

SiO2状态气态固态熔沸点硬度熔沸很低熔点高，硬度大水溶性能溶于水不溶于水化学性质与酸——

用途人工降雨，灭火,饮料等P75,图4－5与水反应与碱性氧化物反应与碱反应CO2+H2O=H2CO3CO2+2NaOH=Na2CO3+H2OCO2+Na2O=Na2CO3不能反应SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O能与氢氟酸反应SiO2＋CaO=CaSiO3高温2.二氧化硅和二氧化碳的性质比较思考二氧化硅难溶于水，又不与水反应，那么，如何制得硅酸呢？

实验4-1：向饱和Na2SiO3溶液中滴入酚酞，再滴入稀盐酸现象结论方程式①滴入酚酞溶液呈红色①Na2SiO3溶液呈碱性Na2SiO3+2HCl=H2SiO3+2NaCl实验探究②滴入盐酸有凝胶产生②硅酸难溶于水生成的硅酸逐渐聚合而形成硅酸溶胶（能流动），当硅酸的浓度较大时，就会形成硅酸凝胶（不能流动），硅酸凝胶经过干燥脱水就形成硅胶。硅胶的用途：干燥剂（吸水），吸附剂（多孔），催化剂的载体。知识拓展：

把稀硫酸加入到Na2SiO3溶液中，会有什么现象？现象结论方程式滴入硫酸有凝胶产生硅酸难溶于水Na2SiO3+H2SO4=H2SiO3+Na2SO4活动与探究：硅酸是一种比碳酸还要弱的酸。请利用中学实验室常见的仪器及药品，设计一个简单实验，证明硅酸的酸性比碳酸弱，并完成一份实验报告。用H2CO3可制得H2SiO3，可证明H2SiO3的酸性比H2CO3弱。SiO32-+H2O+CO2=CO32-+H2SiO3↓Na2SiO3+H2O+CO2=Na2CO3+H2SiO3↓

反应方程式2.硅酸()硅酸是一种白色粉末状的固体，它不溶于水；是一种弱酸，不能使指示剂变色。H2SiO3H2SiO3=SiO2+H2ONa2SiO3+2HCl=H2SiO3+2NaClNa2SiO3+CO2+H2O=H2SiO3+Na2CO3硅酸的制取——由于SiO2不溶于水，所以硅酸是通过可溶性硅酸盐与酸反应制得的。SiO32-+2H+==H2SiO3↓1、CO2通入下列各溶液中，无明显现象发生的是（）A、氯化钙溶液B、澄清石灰水C、硅酸钠溶液A合作讨论：2、为确认HCl、H2CO3、H2SiO3的酸性强弱，有人设计用如右图装置，一次实验即可达到目的（不必再选用其它酸性溶液）。请依据此实验填空：（1）锥形瓶内装某可溶性正盐固体，分液漏斗中所盛试剂是____________

。（2）装置B所盛试剂是____________，装置B所盛试剂的作用是__________________。（3）装置C所盛试剂是____________，出现的现象是____________________________。盐酸饱和NaHCO3溶液

除CO2中含有的HCl

Na2SiO3溶液

产生白色凝胶二、硅酸盐结构复杂，一般不溶于水，化学性质很稳定。硅酸钠（Na2SiO3),

其水溶液俗称水玻璃，是制备硅胶和木材防火剂等的原料。是由硅、氧和金属组成的化合物的总称。实验4-2放入蒸馏水放入Na2SiO3饱和溶液现象结论当水分蒸发后燃烧当水分蒸发后不易燃烧用水玻璃浸泡过的木材或织物可防火制备木材防火剂的原料2、硅酸盐组成表示硅酸钠（Na2SiO3)镁橄榄石（Mg2SiO4）钙沸石Ca(Al2Si3O10)·3H2O活泼金属氧化物·较活泼金属氧化物·SiO2·H2ONa2O

·SiO22MgO

·SiO2CaO

·Al2O3·3SiO2·3H2O

K2O·3Al2O3·6SiO2·2H2OK(Al3Si3O10)(OH)2练习传统无机非金属材料硅酸盐产品陶瓷水泥玻璃阅读教材78-793、硅酸盐产品陶瓷玻璃水泥

3、硅酸盐产品陶瓷玻璃水泥

生产原料：黏土（Al2O3·2SiO2·2H2O）生产设备：陶瓷窑生产过程：混合-成型-干燥-烧结-冷却主要性质：抗氧化、抗酸碱腐蚀、耐高温、绝缘、易成型陶瓷生产原料：纯碱、石灰石、石英（Na2CO3、CaCO3、SiO2）生产设备：玻璃熔炉反应原理：主要成分：Na2SiO3、CaSiO3、SiO2主要特性：非晶体，无固定的熔点高温SiO2+Na2CO3Na2SiO3+CO2↑

SiO2+CaCO3CaSiO3+CO2↑

高温玻璃生产原料：石灰石、黏土（CaCO3、Al2O3·2SiO2·2H2O）生产设备：水泥回转窑主要成分：3CaO·SiO2

2CaO·SiO2

3CaO·Al2O3主要特性：水泥具有水硬性水泥具有特殊功能的含硅物质碳化硅（SiC俗称金刚砂），具有金刚石的结构。硬度很大，用作砂纸、砂轮的磨料。

硅钢（铁合金）导磁性良好，用作变压器铁芯硅橡胶分子筛具有均匀微孔结构的铝硅酸盐碳化硅(金刚砂,SiC)：硬度大硅钢：高导磁性硅橡胶：良好的弹性分子筛：吸附剂、催化剂特殊功能的含硅物质图4-9既耐高温又耐低温的硅橡胶制品新型无机非金属材料：新型陶瓷高温结构陶瓷、压电陶瓷透明陶瓷、超导陶瓷等科学视野图4-10生物陶瓷制成的人造骨二、硅酸盐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陶瓷玻璃水泥高温结构陶瓷压电陶瓷透明陶瓷超导陶瓷元素周期表半导体硅有晶体硅和无定形硅两种同素异形体物性：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三、硅单质半导体材料：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锗导体绝缘体硅图4-11单晶硅图4-11单晶硅化学性质

常温下，化学性质稳定，只与强碱、氢氟酸、氟气反应①Si+2F2=SiF4

②Si+4HF=SiF4↑+2H2↑③Si+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H2↑加热下，较活泼Si+O2SiO2（唯一与NaOH溶液反应放出H2的非金属单质）Si＋2Cl2＝SiCl4（液体，易挥发）高温存在在自然界中，没游离态的硅，以化合态存在，例如：硅酸盐等，在地壳中含量居第二位。用途集成电路、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变压器铁芯等。集成电路晶体管5.用途晶体硅的导电性介于导体和半导体之间,是良