無(wú)機(jī)非金屬材料的主角-硅全節(jié)課件

第四章非金屬及其化合物§4.1

無(wú)機(jī)非金屬材料-硅從沙灘到用戶？為什么不直接從單質(zhì)硅制取芯片，而用沙子經(jīng)過(guò)處理制取芯片？思考硅元素(silicon)在地殼中的含量氧48.6%硅26.3%鋁7.73%鐵4.75%鈣3.45%鈉2.74%鉀2.47%鎂2.00%氫0.16%其他1.20%硅26.3%硅在地殼中含量第二，硅的氧化物及硅酸鹽構(gòu)成的巖石、沙子和土壤，約占地殼的90％以上。硅的存在與分布存在：沒(méi)有游離態(tài)，只有化合態(tài)分布：自然界中分布廣泛，是構(gòu)成礦物和巖石的基本元素。圖4-1硅的廣泛存在+14284+6242.硅的原子結(jié)構(gòu)碳是構(gòu)成有機(jī)物的主要元素硅是構(gòu)成巖石與許多礦物的基本元素SiC因?yàn)楣韬吞家粯?其原子既不易失去又不易得到電子,主要形成四價(jià)的化合物.所以常溫下，碳、硅單質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)不活潑碳和硅在自然界中存在形式有所不同的原因是什么？碳和硅都是親氧元素但是硅的親氧能力更強(qiáng)思考結(jié)晶形（石英晶體）無(wú)定形——硅藻土水晶瑪瑙一、二氧化硅和硅酸1、二氧化硅（SiO2）(1)存在:天然的SiO2稱(chēng)為硅石硅石無(wú)色透明彩色環(huán)帶或?qū)訝钏К旇烊凰ё纤N薇石英茶晶黃水晶天然瑪瑙每1個(gè)Si原子周?chē)Y(jié)合4個(gè)O原子，Si在中心,O在四個(gè)頂角。同時(shí)每1個(gè)O原子周?chē)Y(jié)合2個(gè)Si原子相結(jié)合。硅原子——二氧化硅中氧原子與硅原子個(gè)數(shù)比為2：1，用SiO2來(lái)表示二氧化硅的組成,表示O與Si的原子個(gè)數(shù)比,不是分子式是化學(xué)式。[SiO4]四面體結(jié)構(gòu)立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)決定了SiO2具有優(yōu)良的物理和化學(xué)性質(zhì)(2)結(jié)構(gòu)SiO2的用途現(xiàn)代通信用光纜光學(xué)纖維胃鏡用光導(dǎo)纖維做無(wú)開(kāi)刀手術(shù)光導(dǎo)纖維手術(shù)頭燈光導(dǎo)纖維水晶制品瑪瑙(3)用途：光導(dǎo)纖維石英：耐高溫化學(xué)儀器、石英電子表、石英鐘水晶：電子工業(yè)的重要部件、光學(xué)儀器、高級(jí)工藝品和眼鏡片瑪瑙：精密儀器軸承、耐磨器皿和裝飾品光纖視頻瑪瑙飾品思考與交流P76物理性質(zhì):_____________________________化學(xué)穩(wěn)定性:_________________________通常條件下，很穩(wěn)定硬度大、熔點(diǎn)高、難溶于水二氧化碳CO2二氧化硅SiO2化學(xué)式的意義狀態(tài)硬度熔沸點(diǎn)相同點(diǎn)表示二氧化碳分子及其組成表示二氧化硅晶體中硅氧原子個(gè)數(shù)比氣態(tài)固態(tài)很小很大能溶于水不溶于水很低很高(4)二氧化硅的物理性質(zhì)

都屬酸性氧化物水溶性什么叫酸性氧化物？初中學(xué)過(guò)的酸性氧化物的通性包括哪些方面（以CO2為例）討論與水、堿、堿性氧化物反應(yīng)(5)二氧化硅的化學(xué)性質(zhì)（通常很不活潑）①具有酸性氧化物的通性（有粘性，其溶液俗稱(chēng)水玻璃）d、高溫下，與某些鹽反應(yīng)SiO2+CaCO3==CaSiO3+CO2高溫SiO2+Na2CO3==Na2SiO3+CO2高溫SiO2+H2O===a、SiO2是H2SiO3的酸酐，不溶于水，不能直接與水反應(yīng)制取硅酸b、常溫下、與NaOH溶液緩慢反應(yīng)：SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2OSiO2+CaO===CaSiO3高溫c、高溫下、與堿性氧化物反應(yīng)：設(shè)疑:實(shí)驗(yàn)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？為什么？實(shí)驗(yàn)室盛裝NaOH溶液的試劑瓶用橡膠塞而不用玻璃塞

NaOH溶液能與玻璃中的SiO2反應(yīng)生成Na2SiO3，使瓶塞部分粘結(jié)而無(wú)法打開(kāi)。因此盛裝NaOH溶液的試劑瓶不能用玻璃塞而要用橡膠塞。原因③在高溫下能與還原劑反應(yīng)，表現(xiàn)弱氧化性SiO2+2C＝高溫Si+2CO↑SiO2+2Mg高溫＝Si+2MgOSiO2＋4HF=SiF4↑＋2H2O此反應(yīng)常用于雕刻玻璃②特性與氫氟酸HF反應(yīng)思考:實(shí)驗(yàn)室為什么不用玻璃瓶盛裝氫氟酸？

HF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。熔點(diǎn)高，硬度大，難溶于水。

SiO2是自然界中沙子、石英的主要成分。結(jié)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質(zhì)小結(jié)二氧化碳

CO2二氧化硅

SiO2狀態(tài)氣態(tài)固態(tài)熔沸點(diǎn)硬度熔沸很低熔點(diǎn)高，硬度大水溶性能溶于水不溶于水化學(xué)性質(zhì)與酸——

用途人工降雨，滅火,飲料等P75,圖4－5與水反應(yīng)與堿性氧化物反應(yīng)與堿反應(yīng)CO2+H2O=H2CO3CO2+2NaOH=Na2CO3+H2OCO2+Na2O=Na2CO3不能反應(yīng)SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O能與氫氟酸反應(yīng)SiO2＋CaO=CaSiO3高溫2.二氧化硅和二氧化碳的性質(zhì)比較思考二氧化硅難溶于水，又不與水反應(yīng)，那么，如何制得硅酸呢？

實(shí)驗(yàn)4-1：向飽和Na2SiO3溶液中滴入酚酞，再滴入稀鹽酸現(xiàn)象結(jié)論方程式①滴入酚酞溶液呈紅色①Na2SiO3溶液呈堿性Na2SiO3+2HCl=H2SiO3+2NaCl實(shí)驗(yàn)探究②滴入鹽酸有凝膠產(chǎn)生②硅酸難溶于水生成的硅酸逐漸聚合而形成硅酸溶膠（能流動(dòng)），當(dāng)硅酸的濃度較大時(shí)，就會(huì)形成硅酸凝膠（不能流動(dòng)），硅酸凝膠經(jīng)過(guò)干燥脫水就形成硅膠。硅膠的用途：干燥劑（吸水），吸附劑（多孔），催化劑的載體。知識(shí)拓展：

把稀硫酸加入到Na2SiO3溶液中，會(huì)有什么現(xiàn)象？現(xiàn)象結(jié)論方程式滴入硫酸有凝膠產(chǎn)生硅酸難溶于水Na2SiO3+H2SO4=H2SiO3+Na2SO4活動(dòng)與探究：硅酸是一種比碳酸還要弱的酸。請(qǐng)利用中學(xué)實(shí)驗(yàn)室常見(jiàn)的儀器及藥品，設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)，證明硅酸的酸性比碳酸弱，并完成一份實(shí)驗(yàn)報(bào)告。用H2CO3可制得H2SiO3，可證明H2SiO3的酸性比H2CO3弱。SiO32-+H2O+CO2=CO32-+H2SiO3↓Na2SiO3+H2O+CO2=Na2CO3+H2SiO3↓

反應(yīng)方程式2.硅酸()硅酸是一種白色粉末狀的固體，它不溶于水；是一種弱酸，不能使指示劑變色。H2SiO3H2SiO3=SiO2+H2ONa2SiO3+2HCl=H2SiO3+2NaClNa2SiO3+CO2+H2O=H2SiO3+Na2CO3硅酸的制取——由于SiO2不溶于水，所以硅酸是通過(guò)可溶性硅酸鹽與酸反應(yīng)制得的。SiO32-+2H+==H2SiO3↓1、CO2通入下列各溶液中，無(wú)明顯現(xiàn)象發(fā)生的是（）A、氯化鈣溶液B、澄清石灰水C、硅酸鈉溶液A合作討論：2、為確認(rèn)HCl、H2CO3、H2SiO3的酸性強(qiáng)弱，有人設(shè)計(jì)用如右圖裝置，一次實(shí)驗(yàn)即可達(dá)到目的（不必再選用其它酸性溶液）。請(qǐng)依據(jù)此實(shí)驗(yàn)填空：（1）錐形瓶?jī)?nèi)裝某可溶性正鹽固體，分液漏斗中所盛試劑是____________

。（2）裝置B所盛試劑是____________，裝置B所盛試劑的作用是__________________。（3）裝置C所盛試劑是____________，出現(xiàn)的現(xiàn)象是____________________________。鹽酸飽和NaHCO3溶液

除CO2中含有的HCl

Na2SiO3溶液

產(chǎn)生白色凝膠二、硅酸鹽結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一般不溶于水，化學(xué)性質(zhì)很穩(wěn)定。硅酸鈉（Na2SiO3),

其水溶液俗稱(chēng)水玻璃，是制備硅膠和木材防火劑等的原料。是由硅、氧和金屬組成的化合物的總稱(chēng)。實(shí)驗(yàn)4-2放入蒸餾水放入Na2SiO3飽和溶液現(xiàn)象結(jié)論當(dāng)水分蒸發(fā)后燃燒當(dāng)水分蒸發(fā)后不易燃燒用水玻璃浸泡過(guò)的木材或織物可防火制備木材防火劑的原料2、硅酸鹽組成表示硅酸鈉（Na2SiO3)鎂橄欖石（Mg2SiO4）鈣沸石Ca(Al2Si3O10)·3H2O活潑金屬氧化物·較活潑金屬氧化物·SiO2·H2ONa2O

·SiO22MgO

·SiO2CaO

·Al2O3·3SiO2·3H2O

K2O·3Al2O3·6SiO2·2H2OK(Al3Si3O10)(OH)2練習(xí)傳統(tǒng)無(wú)機(jī)非金屬材料硅酸鹽產(chǎn)品陶瓷水泥玻璃閱讀教材78-793、硅酸鹽產(chǎn)品陶瓷玻璃水泥

3、硅酸鹽產(chǎn)品陶瓷玻璃水泥

生產(chǎn)原料：黏土（Al2O3·2SiO2·2H2O）生產(chǎn)設(shè)備：陶瓷窯生產(chǎn)過(guò)程：混合-成型-干燥-燒結(jié)-冷卻主要性質(zhì)：抗氧化、抗酸堿腐蝕、耐高溫、絕緣、易成型陶瓷生產(chǎn)原料：純堿、石灰石、石英（Na2CO3、CaCO3、SiO2）生產(chǎn)設(shè)備：玻璃熔爐反應(yīng)原理：主要成分：Na2SiO3、CaSiO3、SiO2主要特性：非晶體，無(wú)固定的熔點(diǎn)高溫SiO2+Na2CO3Na2SiO3+CO2↑

SiO2+CaCO3CaSiO3+CO2↑

高溫玻璃生產(chǎn)原料：石灰石、黏土（CaCO3、Al2O3·2SiO2·2H2O）生產(chǎn)設(shè)備：水泥回轉(zhuǎn)窯主要成分：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質(zhì)碳化硅（SiC俗稱(chēng)金剛砂），具有金剛石的結(jié)構(gòu)。硬度很大，用作砂紙、砂輪的磨料。

硅鋼（鐵合金）導(dǎo)磁性良好，用作變壓器鐵芯硅橡膠分子篩具有均勻微孔結(jié)構(gòu)的鋁硅酸鹽碳化硅(金剛砂,SiC)：硬度大硅鋼：高導(dǎo)磁性硅橡膠：良好的彈性分子篩：吸附劑、催化劑特殊功能的含硅物質(zhì)圖4-9既耐高溫又耐低溫的硅橡膠制品新型無(wú)機(jī)非金屬材料：新型陶瓷高溫結(jié)構(gòu)陶瓷、壓電陶瓷透明陶瓷、超導(dǎo)陶瓷等科學(xué)視野圖4-10生物陶瓷制成的人造骨二、硅酸鹽無(wú)機(jī)非金屬材料傳統(tǒng)無(wú)機(jī)非金屬材料新型無(wú)機(jī)非金屬材料陶瓷玻璃水泥高溫結(jié)構(gòu)陶瓷壓電陶瓷透明陶瓷超導(dǎo)陶瓷元素周期表半導(dǎo)體硅有晶體硅和無(wú)定形硅兩種同素異形體物性：1、灰黑色，有金屬光澤，硬而脆的固體2、熔、沸點(diǎn)高、硬度大3、晶體硅是良好的半導(dǎo)體三、硅單質(zhì)半導(dǎo)體材料：指導(dǎo)電能力介于

和

之間的一類(lèi)材料，最早使用的半導(dǎo)體材料是

，現(xiàn)在最廣泛使用的半導(dǎo)體材料是鍺導(dǎo)體絕緣體硅圖4-11單晶硅圖4-11單晶硅化學(xué)性質(zhì)

常溫下，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，只與強(qiáng)堿、氫氟酸、氟氣反應(yīng)①Si+2F2=SiF4

②Si+4HF=SiF4↑+2H2↑③Si+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H2↑加熱下，較活潑Si+O2SiO2（唯一與NaOH溶液反應(yīng)放出H2的非金屬單質(zhì)）Si＋2Cl2＝SiCl4（液體，易揮發(fā)）高溫存在在自然界中，沒(méi)游離態(tài)的硅，以化合態(tài)存在，例如：硅酸鹽等，在地殼中含量居第二位。用途集成電路、晶體管、硅整流器等半導(dǎo)體材料，還可以制成太陽(yáng)能電池、硅的合金可用來(lái)制造變壓器鐵芯等。集成電路晶體管5.用途晶體硅的導(dǎo)電性介于導(dǎo)體和半導(dǎo)體之間,是良