第二节硅及其化合物无机非金属材料

第二节硅及其化合物无机非金属材料第1页，共50页，2023年，2月20日，星期一一、硅（Si）硅有晶体硅和无定形硅两种同素异形体1、灰黑色，有金属光泽，硬而脆的固体2、熔、沸点高、硬度大第2页，共50页，2023年，2月20日，星期一一、硅的结构和性质1、晶体结构正四面体的空间网状结构第3页，共50页，2023年，2月20日，星期一Si晶体硅的结构

晶体硅的晶体结构与金刚石相似，也是由一个硅原子与4个硅原子结合形成正四面体，许多这样的正四体向周围空间延面伸形成空间网状的结构。原子晶体第4页，共50页，2023年，2月20日，星期一2、物理性质硬度大、熔点高；灰黑色具有金属光泽的晶体，半导体材料第5页，共50页，2023年，2月20日，星期一3、化学性质常温下：与F2与HF与强碱（如NaOH）Si+2F2==SiF4Si+4HF==SiF4+2H2Si+2NaOH+H2O==Na2SiO3+2H2在常温下，硅的化学性质不活泼，除氟气、氟化氢和强碱外，硅不与其他物质反应，如氧气、氯气、硫酸、硝酸等第6页，共50页，2023年，2月20日，星期一3、化学性质加热条件下：与氧气与氢气与氯气Si+2H2===SiH4高温Si+O2===SiO2点燃Si+2Cl2===SiCl4高温与氮气

3Si+2N2Si3N4

==高温与碳Si＋CSiC==△第7页，共50页，2023年，2月20日，星期一SiCl4+2H2==4HCl+Si(纯度高的晶体硅)高温SiO2粗硅SiCl4Si

+C+Cl2精馏+H2高温高温高温高温SiO2+2C==2CO↑+Si(含杂质的粗硅)高温Si+2Cl2==SiCl4生成的液态SiCl4经精馏、除硼、砷等，再用H2还原，将高纯硅再经区域熔炼法，提纯为超纯硅而用于半导体原料．4、工业制法第8页，共50页，2023年，2月20日，星期一5、硅的存在在自然界中，没有游离态的硅，以化合态存在，例如：硅酸盐等，在地壳中含量居第二位，是岩石和地壳的主要元素。6、硅的用途集成电路、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。集成电路晶体管第9页，共50页，2023年，2月20日，星期一二、二氧化硅

1.结构:SiO2晶体是一种立体网状结构。每个Si与4个O形成4个共价键，前者位于正四面体的中心．后者位于正四面体的顶点；每个Si周围又有4个O，每个O的周围有2个Si，实际上SiO2晶体是由Si原子和O原子按1:2的比例组成的原子晶体第10页，共50页，2023年，2月20日，星期一坚硬难熔（溶）的固体，俗称“硅石”,旧称“矽石”，二氧化硅广泛存在于地壳的岩石中（石英、水晶）二氧化硅的熔点（1723℃）沸点（2230℃）高，硬度大，不导电不溶于水2、物理性质：第11页，共50页，2023年，2月20日，星期一3、化学性质：十分稳定（1）酸性氧化物：强碱：2NaOH+SiO2==Na2SiO3+H2O（所以，不能用磨口玻璃塞盛碱性溶液，如NaOH、KOH、Na2CO3、Na2SiO3等溶液。）不溶于水，也不与水反应，只能间接制取硅酸。硅酸H2SiO3Na2SiO3+2HCl=2NaCl+H2SiO3↓（还可以用CO2制取）H2SiO3==SiO2+H2O第12页，共50页，2023年，2月20日，星期一（２）常温与氢氟酸反应4HF+SiO2==SiF4↑+2H2O碱性氧化物：SiO2+CaO===CaSiO3高温盐：Na2CO3+SiO2===Na2SiO3+CO2↑高温CaCO3+SiO2===CaSiO3+CO2↑高温难挥发制取易挥发氢氟酸可用于玻璃的雕刻，不用玻璃仪器保存强酸制弱酸吗？第13页，共50页，2023年，2月20日，星期一二氧化硅与二氧化碳的物理性质差异较大，其原因是什么？晶体类型不同第14页，共50页，2023年，2月20日，星期一第15页，共50页，2023年，2月20日，星期一Na2SiO3+2CO2+2H2O=2NaHCO3+H2SiO3↓

强酸制弱酸第16页，共50页，2023年，2月20日，星期一3、用途：光导纤维、光学仪器、电子仪器、工艺品（水晶、玛瑙）、石英玻璃、玻璃原料和建筑材料等。污染：硅肺病（矽肺病），长期吸入SiO2粉尘第17页，共50页，2023年，2月20日，星期一紫水晶，玛瑙，碧玉是含杂质的有色石英晶体．第18页，共50页，2023年，2月20日，星期一纯石英为无色晶体，大而透明的棱柱状石英叫水晶，

第19页，共50页，2023年，2月20日，星期一石英玻璃第20页，共50页，2023年，2月20日，星期一三、硅酸及硅酸盐1、硅酸H2SiO3（1）性质：不溶于水，酸性比碳酸弱。（2）制备：Na2SiO3+2HCl==2NaCl+H2SiO3↓问：把硅酸钠溶液敞口放置在空气中一段时间后，观察到的现象？溶液变浑浊第21页，共50页，2023年，2月20日，星期一碳酸和硅酸的比较（1）常见的不稳定酸有：H2CO3、H2SO3、HClO、HNO3、H2SiO3；其中H2CO3极不稳定；光照能加快HClO、HNO3的分解，H2SiO3受热时才分解。（2）常见的酸性比碳酸弱的酸（或酚）有：H2S、HClO、H2SiO3、Al(OH)3

、OH碳酸和硅酸都是不稳定的弱酸，碳酸的酸性比硅酸强，硅酸难溶于水。第22页，共50页，2023年，2月20日，星期一2、硅酸盐：硅酸及其缩水结合而成的各种酸所对应的盐统称硅酸盐（约占地壳质量的95%）

②种类多、结构复杂：活泼金属氧化物·较活泼金属氧化物·二氧化硅·水Al2(Si2O5)(OH)4KAlSi3OxX=8K2O·Al2O3·6SiO2①多数不溶于水，但Na2SiO3的水溶液俗称“水玻璃”，无色粘稠的溶液，是一种矿物胶，可用做粘合剂、防腐剂。Al2O3·2SiO2·2H2O高岭石：第23页，共50页，2023年，2月20日，星期一硅酸根离子SiO32－的检验原理：SiO32－＋2H＋＝H2SiO3↓

或SiO32－＋2H＋＋H2O＝H4SiO4↓H2SiO3

、H4SiO4是白色固体，不溶于水和酸（H＋）。方法：向待检溶液中加入过量的稀硝酸，若生成白色沉淀，则待检溶液中有SiO32－。注意：若用盐酸代替硝酸，则有Ag＋等干扰；若用稀硫酸代替硝酸，则有Ba2＋等干扰。第24页，共50页，2023年，2月20日，星期一样品所加试剂

主要操作

SiO2(CaCO3)CaCO3(SiO2)Fe(Si)

SiO2(H2SiO3)SiO2(Na2SiO3)SiO2(Si)盐酸过滤、加热、灼烧NaOH溶液过滤NaOH溶液过滤——加热、灼烧盐酸过滤要除去下表中各粉末状混合物中的杂质（括号内为杂质），填写所用试剂和操作：氧气加热第25页，共50页，2023年，2月20日，星期一练习：P78巩固训练1、2P79【典例1】对点练习1【典例2】对点练习2随堂达标1、2、3、4第26页，共50页，2023年，2月20日，星期一无机非金属材料第27页，共50页，2023年，2月20日，星期一材料的分类和特点

材料无机非金属材料金属材料高分子材料：塑料、合成橡胶、合成纤维传统无机非金属材料新型无机非金属材料水泥、玻璃、陶瓷等

高温结构陶瓷、光导纤维等Fe、Cu、Al、合金等第28页，共50页，2023年，2月20日，星期一概念:

以含硅物质为原料，经加工制得硅酸盐产品的工业称为硅酸盐工业。2.硅酸盐工业的特点：(1)原料：

(2)反应条件：(3)反应原理：(4)生成物：硅酸盐工业含硅的物质、碳酸盐等。高温复杂的物理、化学变化硅酸盐产品3.硅酸盐产品分类：水泥、玻璃、陶瓷第29页，共50页，2023年，2月20日，星期一一、水泥：1、主要原料：粘土和石灰石

2、主要设备：3、生产过程：生料研磨，高温煅烧得熟料，再加石膏研成粉末得普通硅酸盐水泥

辅助原料：石膏—作用是调节水泥硬化速度4、反应原理：复杂的物理、化学变化

5、主要成分：硅酸三钙(3CaO•SiO2)、

硅酸二钙(2CaO•SiO2)、铝酸三钙(3CaO•Al2O3)等

6、主要性能：水硬性

7、主要用途：建筑、修路。

水泥砂浆、混凝土、钢筋混凝土

水泥回转窑水泥的标号第30页，共50页，2023年，2月20日，星期一水泥回转窑第31页，共50页，2023年，2月20日，星期一二、玻璃1、原

料：纯碱、石灰石和石英

2、主要设备：玻璃熔炉

3、生产过程：原料粉碎，玻璃熔炉中强热，成型冷却5、主要成分：Na2SiO3、CaSiO3、SiO2

或写成（Na2O•CaO•6SiO2）

6、主要性能：玻璃态物质，没有固定的熔点，在一定温度范围内逐渐软化。4、反应原理：复杂的物理、化学变化，主要反应Na2CO3+SiO2==Na2SiO3+CO2↑

高温

CaCO3+SiO2==CaSiO3+CO2↑

高温第32页，共50页，2023年，2月20日，星期一玻璃熔炉第33页，共50页，2023年，2月20日，星期一种类特性用途普通玻璃在较高温度下易软化窗玻璃、玻璃瓶、玻璃杯等石英玻璃膨胀系数小，耐酸碱，强度大，滤光化学仪器；高压水银灯、紫外灯等的灯壳；光导纤维、压电晶体等光学玻璃透光性能好，有折光和色散性眼镜片；照相机、显微镜、望远镜用凹凸透镜等光学仪器玻璃纤维耐腐蚀、不怕烧、不导电、不吸水、隔热、吸声、防虫蛀太空飞行员的衣服、玻璃钢等钢化玻璃耐高温、耐腐蚀、强度大、质轻、抗震裂运动器材；微波通讯器材;汽车、火车窗玻璃等几种特种玻璃这些玻璃的主要成分分别是什么？有机玻璃？第34页，共50页，2023年，2月20日，星期一三、陶瓷(china)1、主要原料：粘土

2、传统生产过程：混和、成型、干燥、烧结、冷却

3、反应原理：复杂的物理、化学变化4、主要成分：硅酸盐

5、主要特性：抗氧化、抗酸碱腐蚀、耐高温、绝缘、易成型等优点。

现在，景德镇的陶瓷工艺已经完全电气化了，考虑到环境保护、降低制作成本和提高成功率等方面因素，不论是仿古陶瓷、艺术瓷类，还是日用陶瓷的瓷器都在电脑的控制下用汽窑烧制而成。第35页，共50页，2023年，2月20日，星期一水泥玻璃陶瓷主要原料石灰石.粘土石英.纯碱石灰石粘土主要设备回转炉玻璃熔炉陶瓷窑反应条件高温高温高温反应原理复杂的物理、化学变化Na2CO3+SiO2===Na2SiO3+CO2CaCO3+SiO2===CaSiO3+CO2复杂的物理化学变化主要成分3CaO·SiO22CaO·SiO23CaO·Al2O3Na2SiO3CaSiO3SiO2成分复杂特性水硬性玻璃态物质抗氧化.耐酸碱.腐蚀.高温.绝缘水泥、玻璃、陶瓷生产比较水泥中加入石膏的目的？第36页，共50页，2023年，2月20日，星期一６、陶瓷主要种类：土器：砖瓦(自然冷却，Fe2O3含量较多)(淋水冷却，Fe3O4、FeO较多)陶器：彩陶江苏宜兴的紫砂壶、秦汉兵马俑瓷器：碗盘茶具收藏珍品炻器：水缸、砂锅瓷都景德镇注：①彩釉②搪瓷不属于陶瓷红瓦青瓦第37页，共50页，2023年，2月20日，星期一传统无机非金属材料与新型无机非金属材料的对比材料特性种类传统无机非金属材料①抗腐蚀、耐高温②质脆、经不起热冲击普通水泥、

普通玻璃、

黏土质陶瓷

新型无机非金属材料

①

耐高温、强度高②

具有电学特征③

具有光学特征④

具有生物功能

氧化铝陶瓷

高温氮化硅陶瓷

结构碳化硼陶瓷

氧化锆陶瓷

光导纤维

半导体第38页，共50页，2023年，2月20日，星期一新型无机非金属材料的特性1.能承受高温、强度高。例如：氮化硅陶瓷在1200℃左右的高温下，仍具有很高的强度，可用来制造汽轮机叶片、轴承、永久性模具等。第39页，共50页，2023年，2月20日，星期一2.具有电学特性，一些新型无机非金属材料可以作为半导体、导体、超导体等，一些绝缘性材料常被用于集成电路的基板。第40页，共50页，2023年，2月20日，星期一3.具有光学特性。有些新型无机非金属材料能发出各色的光，有的能透过可见光，有的能使红外线、雷达射线穿过。处于高温下的光导纤维第41页，共50页，2023年，2月20日，星期一4.具有生物特性。有些新型无机非金属材料强度高、无毒、不溶于水，对人体组织有较好的适应性，可直接植入人体内，用这类材料制成的人造牙齿、人造骨骼，已被应用在医疗上。人造关节第42页，共50页，2023年，2月20日，星期一两种新型无机非金属材料简介1、高温结构陶瓷

a.氧化铝陶瓷

高压钠灯

高压钠灯内温度高达1400℃，氧化铝陶瓷又叫人造刚玉，是一种高温结构陶瓷，可以抵御钠蒸汽的强烈腐蚀第43页，共50页，2023年，2月20日，星期一氧化铝陶瓷（人造刚玉）主要特性①高熔点；②高硬