第一節(jié)無機非金屬材料的主角—硅

1、第一節(jié) 無機非金屬材料的主角_硅硅的存在與分布硅的存在與分布存在：沒有游離態(tài)，只有化合態(tài)存在：沒有游離態(tài)，只有化合態(tài)分布：自然界中分布廣泛，是構成礦物和巖石的基本分布：自然界中分布廣泛，是構成礦物和巖石的基本元素。元素。圖圖 4-1 4-1 硅的廣泛存在硅的廣泛存在從從原子結構原子結構認識硅認識硅硅和碳一樣硅和碳一樣, ,其原子其原子既不易失去電子，也不易得到電既不易失去電子，也不易得到電子，子，所以硅的化學性質(zhì)不活潑所以硅的化學性質(zhì)不活潑, ,主要形成主要形成四價化合物四價化合物CSi碳碳是構成有機物是構成有機物的主要元素的主要元素硅硅是構成巖石和許是構成巖石和許多礦物的主要元素多礦物的主要

2、元素從從原子結構原子結構認識硅認識硅結晶形（石英晶體）結晶形（石英晶體）無定形無定形硅藻土、沙子硅藻土、沙子水晶水晶瑪瑙瑪瑙一、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稱為硅石稱為硅石硅石硅石無色透明無色透明彩色環(huán)帶或層狀彩色環(huán)帶或層狀水晶水晶瑪瑙天然水晶天然水晶紫水晶紫水晶薔薇石英薔薇石英茶晶茶晶黃水晶黃水晶天然瑪瑙天然瑪瑙 每1個Si原子周圍結合4個O原子，Si在中心,O在四個頂角. 同時每1個O原子周圍結合2個Si原子相結合。 二氧化硅中硅原SiOSiO4 4 四面體結構四面體結構子與

3、氧原子個數(shù)比為1：2，用SiO2來表示二氧化硅的組成二氧化硅的組成,表示表示Si與與O的原子個數(shù)比的原子個數(shù)比,不是分子式是化學式。不是分子式是化學式。SiOSiO4 4 四面體結構四面體結構立體網(wǎng)狀結構決定了SiO2具有優(yōu)良的物理和化學性質(zhì)聯(lián)想聯(lián)想-沙子沙子二氧化硅具有哪些物理性質(zhì)二氧化硅具有哪些物理性質(zhì)? ? 表示二氧化碳分表示二氧化碳分子式及其組成子式及其組成表示二氧化硅晶體表示二氧化硅晶體中硅氧原子個數(shù)比中硅氧原子個數(shù)比氣氣 態(tài)態(tài)固固 態(tài)態(tài)很很小小很很大大能能溶于水溶于水難難溶于水溶于水很很 低低很很 高高(3)(3)二氧化硅的物理性質(zhì)（與二氧化硅的物理性質(zhì)（與coco2 2比較）比較

4、） 都屬都屬酸性氧化物酸性氧化物水水 溶溶 性性（4 4）、用途）、用途裝飾品裝飾品石英坩堝石英坩堝光導纖維光導纖維石英手表石英手表光學儀器光學儀器耐磨器皿耐磨器皿精密儀器軸承精密儀器軸承 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為例）為例） 與水、堿、堿性氧化物反應與水、堿、堿性氧化物反應具有酸性氧化物的通性具有酸性氧化物的通性與強堿反應生成鹽和水與強堿反應生成鹽和水與堿性氧化物（與堿性氧化物（Ca0，Na20等）反應生成鹽等）反應生成鹽有粘性，其有粘性，其溶液俗稱水玻璃溶液俗稱水玻璃難溶于水，不與水反應難溶于水，不與

5、水反應設疑設疑:實驗室中盛放堿液的試劑瓶與盛實驗室中盛放堿液的試劑瓶與盛放其它溶液的試劑瓶有何不同？放其它溶液的試劑瓶有何不同？為什么為什么 ？實驗室盛裝實驗室盛裝NaOHNaOH溶液的試劑溶液的試劑瓶用橡膠塞而不用玻璃塞瓶用橡膠塞而不用玻璃塞 NaOHNaOH溶液能與溶液能與玻璃中玻璃中的的S SiOiO2 2反應生成反應生成NaNa2 2SiOSiO3 3，使瓶，使瓶塞部分粘結而無法打開。因塞部分粘結而無法打開。因此盛裝此盛裝NaOHNaOH溶液的試劑瓶不溶液的試劑瓶不能用玻璃塞而能用玻璃塞而要用橡膠塞要用橡膠塞。制造普通玻璃的反應制造普通玻璃的反應在高溫下能與還原劑反應，表現(xiàn)弱氧化性在高

6、溫下能與還原劑反應，表現(xiàn)弱氧化性SiO2 + 2C高溫高溫Si + 2COSiO2 + 2Mg高溫高溫Si+ 2MgOSiF42H2O此反應常用于雕刻玻璃此反應常用于雕刻玻璃思考思考: :實驗室為什么不用玻璃瓶盛裝氫氟酸？實驗室為什么不用玻璃瓶盛裝氫氟酸？ HFHF能腐蝕玻璃，因此，盛裝氫氟酸不能用能腐蝕玻璃，因此，盛裝氫氟酸不能用玻璃試劑瓶而要用塑料瓶。玻璃試劑瓶而要用塑料瓶。二氧化硅的二氧化硅的危害危害： 在隧道開鑿，石英粉加工等工在隧道開鑿，石英粉加工等工作環(huán)境下易形成含有二氧化硅的粉作環(huán)境下易形成含有二氧化硅的粉塵，人長期吸入含有二氧化硅的粉塵，人長期吸入含有二氧化硅的粉塵，就會患塵，

7、就會患硅肺?。ㄅf稱矽肺）硅肺病（舊稱矽肺）。1制造光導纖維的主要原料是（ ） A晶體硅 B二氧化硅 C石墨 D硅酸鈉2下列敘述正確的是（ ）A自然界存在大量單質(zhì)硅BSiO2 與任何酸都不起反應 C光導纖維被廣泛應用于能量傳輸和信息傳輸DSiO2 的化學性質(zhì)活潑，能與很多物質(zhì)發(fā)生化學反應BC課堂練習：課堂練習：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，能在玻璃上進行蝕刻，能在玻璃上進行蝕刻，將其制成毛玻璃和將其制成毛玻璃和雕花玻璃的物質(zhì)是雕花玻璃的物質(zhì)是 ( ) A、燒堿、燒堿 B、純堿、純堿 C、氫氟酸、氫氟酸 D、鹽酸、鹽酸C思考思考二氧化硅難溶于水，又不二氧化硅難溶

8、于水，又不與水反應，那與水反應，那么，么，如何制得硅如何制得硅酸呢？酸呢？ 實驗實驗4-1：向飽和：向飽和Na2SiO3溶溶液中滴入酚酞，再滴入稀鹽酸液中滴入酚酞，再滴入稀鹽酸滴入酚酞溶液呈滴入酚酞溶液呈紅色紅色 Na2SiO3溶液呈堿性溶液呈堿性Na2SiO3+2HCl = H2SiO3 +2NaCl實驗探究實驗探究 76頁頁滴入鹽酸有凝膠產(chǎn)生滴入鹽酸有凝膠產(chǎn)生硅酸難溶于水硅酸難溶于水生成的硅酸逐漸聚合而形成硅酸溶膠成的硅酸逐漸聚合而形成硅酸溶膠（能流動）（能流動），當硅酸的濃度較大時，就會形成硅酸當硅酸的濃度較大時，就會形成硅酸凝膠（不能流凝膠（不能流動）動），硅酸凝膠經(jīng)過，硅酸凝膠經(jīng)過干

9、燥脫水就形成硅膠干燥脫水就形成硅膠。硅膠的用途硅膠的用途：76頁頁干燥劑（吸水），干燥劑（吸水），吸附劑（多孔），吸附劑（多孔），催化劑的載體。催化劑的載體。 把稀硫酸加入到把稀硫酸加入到Na2SiO3溶液中，溶液中，會有什么現(xiàn)象？會有什么現(xiàn)象？滴入硫酸有凝膠產(chǎn)生滴入硫酸有凝膠產(chǎn)生硅酸難溶于水硅酸難溶于水Na2SiO3+H2SO4 = H2SiO3 +Na2SO4活動與探究：活動與探究： 硅酸是一種硅酸是一種比碳酸還要弱比碳酸還要弱的酸。的酸。請請利用中學實驗室常見的儀器及藥品，利用中學實驗室常見的儀器及藥品，設計一個簡單實驗，證明硅酸的酸性設計一個簡單實驗，證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 ，可證明，可證明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：高沸點物質(zhì)制低沸點物質(zhì)原理：高沸點物質(zhì)制低沸點物質(zhì)原理：強酸制弱酸原理：強酸制弱酸 CO2通入下列各溶液中，無明顯通入下列各溶液中，無明顯現(xiàn)象發(fā)生的是（現(xiàn)象發(fā)生的是（ ）A、氯化鈣溶液、氯化鈣溶液 B、澄清石灰水、澄清石灰水C、硅酸鈉溶液、硅酸鈉溶液D D、偏鋁酸鈉溶液、偏鋁酸鈉溶液A課堂

12、練習：課堂練習：2 2、下列說法正確的是（）、下列說法正確的是（）A ASiOSiO2 2溶于水顯酸性溶于水顯酸性B BCOCO2 2通入水玻璃通入水玻璃( (硅酸鈉的水溶液）硅酸鈉的水溶液）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晶體中不存在單個晶體中不存在單個SiOSiO2 2分子分子B D2.2.硅酸硅酸( )( )硅酸是一種硅酸是一種白色粉末狀白色粉末狀的的固體固體，它，它難溶于水難溶于水；是一；是一種種弱弱酸（弱于碳酸），酸（弱于碳酸），不能使指示劑變色不能使指示劑變色。 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?。┕杷岬闹迫∮捎谟捎赟iOSiO2 2不溶于水，不溶于水，所以硅酸是通過可溶性硅酸鹽與酸反應所以硅酸是通過可溶性硅酸鹽與酸反應制得的。制得的。二、硅酸鹽二、硅酸鹽結構復雜，一般不溶于水，化學性質(zhì)很結構復雜，一般不溶于水，化學性質(zhì)很穩(wěn)定穩(wěn)定。硅酸鈉（硅酸鈉（Na2SiO3), 其水溶液俗稱水其水溶液俗稱水玻璃，是制備硅膠和木材防火劑等的原玻璃，是制備硅膠和木材

14、防火劑等的原料。料。1、定義：是由硅、氧和金屬組成的化合、定義：是由硅、氧和金屬組成的化合物的總稱。物的總稱。實驗實驗4-24-2當水分蒸當水分蒸發(fā)后燃燒發(fā)后燃燒當水分蒸發(fā)后當水分蒸發(fā)后不易燃燒不易燃燒用水玻璃浸泡過的木材或織物可防火用水玻璃浸泡過的木材或織物可防火制備木材防制備木材防火劑的原料火劑的原料2、硅酸鹽組成表示、硅酸鹽組成表示硅酸鈉（硅酸鈉（Na2SiO3) 鎂橄欖石（鎂橄欖石（Mg2SiO4）鈣沸石鈣沸石Ca(Al2Si3O10) 3H2O活潑金屬氧化物活潑金屬氧化物較活潑金屬氧化物較活潑金屬氧化物SiO2H2ONa2O SiO22MgO SiO2CaO Al2O3 3SiO23

15、H2O K2O3Al2O36SiO22H2OK(Al3Si3O10)(OH)2傳統(tǒng)無機非金屬材料傳統(tǒng)無機非金屬材料硅酸鹽產(chǎn)品硅酸鹽產(chǎn)品陶瓷陶瓷水泥水泥玻璃玻璃閱讀教材閱讀教材78-793、硅酸鹽產(chǎn)品、硅酸鹽產(chǎn)品 陶瓷陶瓷 玻璃玻璃 水泥水泥3、硅酸鹽產(chǎn)品、硅酸鹽產(chǎn)品 陶瓷陶瓷 玻璃玻璃 水泥水泥原料：純堿、石灰石、石英原料：純堿、石灰石、石英 （Na2CO3、CaCO3、SiO2）設備：玻璃熔爐設備：玻璃熔爐原理：原理：主要成分：主要成分：Na2SiO3、CaSiO3、SiO2主要特性：非晶體，無固定的熔點主要特性：非晶體，無固定的熔點高溫高溫SiO2 + Na2CO3 Na2SiO3 + C

16、O2 SiO2 + CaCO3 CaSiO3 + CO2 高溫高溫玻玻 璃璃 加入了不同的金屬氧化物普通玻璃加熱接近熔化再急速冷卻生產(chǎn)原料：石灰石、黏土生產(chǎn)原料：石灰石、黏土 （CaCO3、 Al2O32SiO22H2O ）生產(chǎn)設備：水泥回轉窯生產(chǎn)設備：水泥回轉窯主要成分：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：黏土條件：高溫燒結條件：高溫燒結描述景德鎮(zhèn)的陶瓷有這樣一句話:薄如紙,聲如磬,色如玉.硅酸鹽產(chǎn)品簡介 新型無機非金屬材料之一：高溫結構陶瓷、壓電陶瓷新型陶瓷透明陶瓷、超導陶瓷等航天飛機高溫

17、結構陶瓷的應用兩年半前，正是由于塑料泡沫部件在發(fā)射時撞壞了一片防熱瓦，導致美國的“哥倫比亞”號返航時在空中解體。高溫結構陶瓷之所以在航天事業(yè)上的有高溫結構陶瓷之所以在航天事業(yè)上的有如此優(yōu)秀的表現(xiàn)如此優(yōu)秀的表現(xiàn),因為它具有耐高溫、耐因為它具有耐高溫、耐氧化、超強、超硬等優(yōu)點，它可以在各氧化、超強、超硬等優(yōu)點，它可以在各種惡劣環(huán)境下使用，同時，也是制造汽種惡劣環(huán)境下使用，同時，也是制造汽車發(fā)動機，噴氣發(fā)動機的理想材料，可車發(fā)動機，噴氣發(fā)動機的理想材料，可以大大提高能源的利用率，可以使汽車以大大提高能源的利用率，可以使汽車跑得更快，飛機飛得更高。跑得更快，飛機飛得更高。高溫結構陶瓷的應用高溫結構陶瓷

18、的應用 所謂超導現(xiàn)象就是金屬的電阻隨溫度的升所謂超導現(xiàn)象就是金屬的電阻隨溫度的升高而增大，當金屬的溫度降低時，它的電高而增大，當金屬的溫度降低時，它的電阻減小阻減小,當溫度降到當溫度降到-269（液氮溫度，為（液氮溫度，為4K）左右時，水銀的電阻變?yōu)榱?，這種現(xiàn)）左右時，水銀的電阻變?yōu)榱?，這種現(xiàn)象叫超導現(xiàn)象象叫超導現(xiàn)象 我國研制的超導陶瓷的臨界溫度為我國研制的超導陶瓷的臨界溫度為77K，處，處于世界領先水平。于世界領先水平。 超導陶瓷 這種陶瓷強度大這種陶瓷強度大,韌性好韌性好,與人體親和力與人體親和力好，目前它是人體骨骼和牙齒的重要好，目前它是人體骨骼和牙齒的重要移植材料。移植材料。 在這一領

19、域我國處于世界領先水平。在這一領域我國處于世界領先水平。 利用陶瓷，還可實現(xiàn)多種功能互換。利用陶瓷，還可實現(xiàn)多種功能互換。如安放在打火機中的壓電陶瓷，一經(jīng)如安放在打火機中的壓電陶瓷，一經(jīng)敲打即刻產(chǎn)生一個電火花，將機械能敲打即刻產(chǎn)生一個電火花，將機械能轉變成電能。轉變成電能。 材料科學和工程是人類科技文明生材料科學和工程是人類科技文明生活和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的推動器，新材料活和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的推動器，新材料的發(fā)現(xiàn)和它的廣泛應用常常會帶來的發(fā)現(xiàn)和它的廣泛應用常常會帶來社會生產(chǎn)的變革和新興產(chǎn)業(yè)社會生產(chǎn)的變革和新興產(chǎn)業(yè)的出現(xiàn)的出現(xiàn) 比如硅的出現(xiàn)就引發(fā)了現(xiàn)代信息產(chǎn)比如硅的出現(xiàn)就引發(fā)了現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)的一場革命業(yè)的一場革

20、命 三、硅（Si） 硅有晶體硅和無定形硅兩種、物理性質(zhì)：（1）灰黑色，有金屬光澤，硬而脆的固體（2）熔、沸點高、硬度大（3）晶體硅是良好的半導體2、化學性質(zhì)：(不活潑） 常溫下，硅的化學性質(zhì)不活潑，除氫氟酸、氟氣、強堿外不跟其他物質(zhì)如：氧氣、氯氣、硫酸等起反應，但在加熱情況下，硅也能跟一些非金屬反應。1)1)、與氟氣反應：、與氟氣反應：2)2)、與氫氟酸反應：、與氫氟酸反應：3)3)、與強堿溶液反應：、與強堿溶液反應：4)4)、與氯氣反應：、與氯氣反應：5)5)、與氧氣反應、與氧氣反應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-半導體性質(zhì)半導體性質(zhì) 制制太陽能電池太陽能電池、變壓器鐵芯、變壓器鐵芯、集成電路、晶體集成電路、晶體管、硅整流器管、硅整流器等。等。集成電路 晶體管硅太陽能電池硅太陽能電池電腦的中央處理器（電腦的中央處理器（CPU）4、制備、制備工業(yè)上：工業(yè)上：SiO2 粗硅粗硅 SiCl4 Si +C +Cl2 精餾精餾+H2高溫高溫高溫高溫高溫高溫Si02+2C = 2CO+Si(含雜質(zhì)的粗硅含雜質(zhì)的粗硅)Si+2Cl2 = SiCl4SiCl4+2H2=4HC