硅 無(wú)機(jī)非金屬材料

第4章材料家族中的元素第1節(jié)硅無(wú)機(jī)非金屬材料你知道嗎？材料是人類生活必不可少的物質(zhì)基礎(chǔ)。材料的發(fā)展史就是一部人類文明史。沒(méi)有感光材料，我們就無(wú)法留下青春的回憶；沒(méi)有特殊的熒光材料，就沒(méi)有彩色電視；沒(méi)有高純的單晶硅，就沒(méi)有今天的奔騰電腦；沒(méi)有特殊的新型材料，火箭就無(wú)法上天，衛(wèi)星就無(wú)法工作?？萍嫉陌l(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步往往受到材料的制約。一種新材料的發(fā)現(xiàn)可能會(huì)給社會(huì)帶來(lái)革命性的變化。新材料的不斷涌現(xiàn)，舊材料功能的不斷拓展，才使我們的世界日新月異，奔騰向前。定義材料是人類用于制造物品、器件、構(gòu)件、機(jī)器或其他產(chǎn)品的物質(zhì)。材料是物質(zhì)，但不是所有物質(zhì)都可以稱為材料。如燃料和化學(xué)原料、工業(yè)化學(xué)品、食物和藥物，一般都不算是材料。但是這個(gè)定義并不那么嚴(yán)格，如炸藥、固體火箭推進(jìn)劑，一般稱之為“含能材料”，因?yàn)樗鼘儆诨鹋诨蚧鸺慕M成部分。

交流討論

豐富多彩的物質(zhì)世界，如各種日常生活用品，工農(nóng)業(yè)設(shè)施，建筑，交通工具等等，你知道構(gòu)成它們的材料有哪些？請(qǐng)你分別站在不同的角度，對(duì)它們進(jìn)行分類。解答：構(gòu)成它們的材料有：塑料、各種金屬、木材、棉花、沙子、石頭、水泥、玻璃、陶瓷、泥土等等……從來(lái)源分：天然材料、人工合成材料從導(dǎo)電性分：導(dǎo)電材料、半導(dǎo)體材料、絕緣體材料從物質(zhì)類別分：無(wú)機(jī)材料、有機(jī)材料；金屬材料、非金屬材料從物質(zhì)性質(zhì)分：……其中無(wú)機(jī)非金屬材料是材料中極為重要的組成部分！以下物質(zhì)均含有無(wú)機(jī)非金屬材料無(wú)機(jī)非金屬材料用作電子器件建筑材料——水泥中國(guó)古代的陶瓷藝術(shù)最早的無(wú)機(jī)非金屬材料-天然石材無(wú)機(jī)非金屬材料發(fā)展歷史舊石器時(shí)代人們用來(lái)制作工具的天然石材是最早的無(wú)機(jī)非金屬材料。在公元前6000～前5000年中國(guó)發(fā)明了原始陶器。中國(guó)商代（約公元前17世紀(jì)初～約前11世紀(jì)）有了原始瓷器，并出現(xiàn)了上釉陶器。以后為了滿足宮廷觀賞及民間日用、建筑的需要，陶瓷的生產(chǎn)技術(shù)不斷發(fā)展。公元200年（東漢時(shí)期）的青瓷是迄今發(fā)現(xiàn)的最早瓷器。陶器的出現(xiàn)促進(jìn)了人類進(jìn)入金屬時(shí)代，中國(guó)夏代（約公元前22世紀(jì)末至約前21世紀(jì)初——約前17世紀(jì)初）煉銅用的陶質(zhì)煉鍋，是最早的耐火材料。鐵的熔煉溫度遠(yuǎn)高于銅，故鐵器時(shí)代的耐火材料相應(yīng)地也有很大發(fā)展。18世紀(jì)以后鋼鐵工業(yè)的興起，促進(jìn)耐火材料向多品種、耐高溫、耐腐蝕方向發(fā)展。公元前3700年，埃及就開(kāi)始有簡(jiǎn)單的玻璃珠作裝飾品。公元前1000年前，中國(guó)也有了白色穿孔的玻璃珠。公元初期羅馬已能生產(chǎn)多種形式的玻璃制品。1000～1200年間玻璃制造技術(shù)趨于成熟，意大利的威尼斯成為玻璃工業(yè)中心。1600年后玻璃工業(yè)已遍及世界各地區(qū)。公元前3000～前2000年已使用石灰和石膏等氣硬性膠凝材料。隨著建筑業(yè)的發(fā)展，膠凝材料也獲得相應(yīng)的發(fā)展。公元初期有了水硬性石灰，火山灰膠凝材料，1700年以后制成水硬性石灰和羅馬水泥。1824年英國(guó)J.阿斯普丁發(fā)明波特蘭水泥。上述陶瓷、耐火材料、玻璃、水泥等的主要成分均為硅酸鹽，屬于典型的硅酸鹽材料。18世紀(jì)工業(yè)革命以后，隨著建筑、機(jī)械、鋼鐵、運(yùn)輸?shù)裙I(yè)的興起，無(wú)機(jī)非金屬材料有了較快的發(fā)展，出現(xiàn)了電瓷、化工陶瓷、金屬陶瓷、平板玻璃、化學(xué)儀器玻璃、光學(xué)玻璃、平爐和轉(zhuǎn)爐用的耐火材料以及快硬早強(qiáng)等性能優(yōu)異的水泥。同時(shí)，發(fā)展了研磨材料、碳素及石墨制品、鑄石等。20世紀(jì)以來(lái)，隨著電子技術(shù)、航天、能源、計(jì)算機(jī)、通信、激光、紅外、光電子學(xué)、生物醫(yī)學(xué)和環(huán)境保護(hù)等新技術(shù)的興起，對(duì)材料提出了更高的要求，促進(jìn)了特種無(wú)機(jī)非金屬材料的迅速發(fā)展。30～40年代出現(xiàn)了高頻絕緣陶瓷、鐵電陶瓷和壓電陶瓷、鐵氧體（又稱磁性瓷）和熱敏電阻陶瓷等。50～60年代開(kāi)發(fā)了碳化硅和氮化硅等高溫結(jié)構(gòu)陶瓷、氧化鋁透明陶瓷、β－氧化鋁快離子導(dǎo)體陶瓷、氣敏和濕敏陶瓷等。至今，又出現(xiàn)了變色玻璃、光導(dǎo)纖維、電光效應(yīng)、電子發(fā)射及高溫超導(dǎo)等各種新型無(wú)機(jī)材料。思考：先前我們已經(jīng)對(duì)無(wú)機(jī)非金屬材料有了一定的了解，你知道生活中還有那些無(wú)機(jī)非金屬材料嗎？定義：無(wú)機(jī)非金屬材料(inorganicnonmetallicmaterials)是以某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、鹵素化合物、硼化物以及硅酸鹽、鋁酸鹽、磷酸鹽、硼酸鹽等物質(zhì)組成的材料，是除有機(jī)高分子材料和金屬材料以外的所有材料的統(tǒng)稱。無(wú)機(jī)非金屬材料的提法是20世紀(jì)40年代以后,隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展從傳統(tǒng)的硅酸鹽材料演變而來(lái)的。無(wú)機(jī)非金屬材料是與有機(jī)高分子材料和金屬材料并列的三大材料之一。其中硅酸鹽材料是無(wú)機(jī)非金屬材料的主要分支之一，硅酸鹽材料是陶瓷的主要組成物質(zhì)。硅無(wú)機(jī)非金屬材料第一節(jié)第一節(jié)1、了解硅的主要性質(zhì)；2、了解二氧化硅的主要性質(zhì)。硅的氧化物及硅酸鹽構(gòu)成了地殼中大部分的巖石、沙子和土壤、約占地殼總量的90%以上。第一節(jié)一、單質(zhì)硅與半導(dǎo)體材料二、二氧化硅與光導(dǎo)纖維三、硅酸鹽與無(wú)機(jī)非金屬材料四、小結(jié)本節(jié)主要內(nèi)容第一節(jié)一、單質(zhì)硅與半導(dǎo)體材料第一節(jié)半導(dǎo)體材料定義：導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的一類材料。最早使用的半導(dǎo)體材料＿＿＿，現(xiàn)在最廣泛使用的半導(dǎo)體材料＿＿＿。鍺(Ge)硅(Si)單質(zhì)硅硅在自然界的存在形態(tài)：無(wú)游離態(tài)，只有化合態(tài)。常見(jiàn)存在物質(zhì)形式：二氧化硅和硅酸鹽等。硅在地殼中的含量?jī)H次于氧，儲(chǔ)量豐富，現(xiàn)已成為應(yīng)用廣泛的半導(dǎo)體材料。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%硅元素(silicon)在地殼中的含量觀察下面硅單質(zhì)的實(shí)物圖片，并總結(jié)硅的物理性質(zhì)。第一節(jié)1、硅單質(zhì)的物理性質(zhì)硅有晶體硅和無(wú)定形硅兩種。晶體硅是灰黑色、有金屬光澤、硬而脆的固體。晶體硅的結(jié)構(gòu)類似于金剛石，熔點(diǎn)和沸點(diǎn)都很高，硬度大。導(dǎo)電性介于導(dǎo)體和絕緣體之間,是重要的半導(dǎo)體材料。物理性質(zhì)第一節(jié)第一節(jié)思考1：硅原子最外層電子數(shù)是多少？我們很熟悉的哪種元素最外層電子數(shù)與它相同？+14284最外層電子數(shù)是4，碳也是。Si思考2：碳、硅原子主要顯幾價(jià)？正四價(jià)（+4價(jià)）總結(jié)：類似C、Si等價(jià)電子數(shù)為4的ⅣA族的所有元素即為碳族元素（Carbongroup），包括碳（C）、硅（Si）、鍺（Ge）、錫（Sn）、鉛（Pb）五種。碳族元素在元素周期表中的位置第一節(jié)2、硅單質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)第一節(jié)晶體硅的結(jié)構(gòu)(1)常溫下，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定(不易與H2、O2、Cl2、硫酸、硝酸、鹽酸等物質(zhì)反應(yīng))加熱，Si能與某些非金屬單質(zhì)反應(yīng)（燃燒，放出大量的熱）Si+O2=====△①Si+2Cl2======②高溫(2)常溫下只與強(qiáng)堿、氫氟酸、氟氣反應(yīng)Si+2NaOH+H2O====Si+2F2====Si+4HF====SiO2SiCl4Na2SiO3+2H2↑SiF4SiF4↑+2H2↑第一節(jié)3、硅的工業(yè)制法制粗硅：硅鐵硅錳合金硅鋇合金（粗硅）SiO2+2C====高溫氧化劑：SiO2得到電子發(fā)生還原反應(yīng)還原劑：C失去電子發(fā)生氧化反應(yīng)*粗硅提純后可以得到高純硅，作為半導(dǎo)體材料。Si+2CO↑第一節(jié)硅芯片、大規(guī)模集成電路及相應(yīng)的計(jì)算機(jī)技術(shù)都需要有高純度的硅才能實(shí)現(xiàn)，所以需要對(duì)粗硅進(jìn)行提純：提純：

高溫Si+2Cl2====SiCl4（粗硅）高溫SiCl4+2H2====Si+4HCl

（高純硅）第一節(jié)4、硅與碳的化學(xué)性質(zhì)比較碳（C）硅（Si）常溫下很穩(wěn)定，在高溫或點(diǎn)燃的條件下有較強(qiáng)還原性。常溫下很穩(wěn)定，高溫時(shí)也能發(fā)生反應(yīng)。Si+O2====SiO2Si+2F2====SiF4?Si+2NaOH+H2O====Na2SiO3+2H2↑Si+4HF====SiF4↑+2H2↑Si+2Cl2====SiCl4??點(diǎn)燃C+O2====CO22C+O2====2COC+CuO====Cu+COC+H2O====H2+CO點(diǎn)燃高溫C+CO2====2CO高溫?C+O2====CO25、硅的用途第一節(jié)（1）硅芯片；半導(dǎo)體材料（2）制集成電路、晶體管、硅整流器等半導(dǎo)體材料（3）含硅4%的鋼可制變壓器鐵芯（4）含硅15%的鋼具有耐酸性，制耐酸設(shè)備太陽(yáng)能電池電腦的中央處理器（CPU）硅芯片的使用，使計(jì)算機(jī)的體積已縮小到筆記本一樣大小了。。大規(guī)模集成電路硅光電池硅的用途非常廣泛，可用來(lái)制造集成電路、晶體管、硅整流器等半導(dǎo)體器件，還可以制太陽(yáng)能電池，制鋁合金、鐵合金等多種合金。第一節(jié)1、下列關(guān)于硅的敘述，不正確的是（）A、硅是非金屬元素，但其單質(zhì)是灰黑色有金屬光澤的固體B、硅的導(dǎo)電性介于導(dǎo)體和絕緣體之間，是良好的半導(dǎo)體材料C、硅的化學(xué)性質(zhì)不活潑，常溫下不與任何物質(zhì)反應(yīng)D、當(dāng)加熱到一定溫度時(shí)，硅能與氧氣、氫氣等非金屬單質(zhì)反應(yīng)2、下列關(guān)于Si的化學(xué)性質(zhì)中正確的是（）A、常溫下能與任何酸反應(yīng)B、常溫下可與強(qiáng)堿溶液反應(yīng)C、常溫下可與氧氣反應(yīng)D、常溫下不與任何酸反應(yīng)CB石英玻璃坩堝主要成分是什么？第一節(jié)答：二氧化硅第一節(jié)二、二氧化硅與光導(dǎo)纖維1、二氧化硅的存在形式硅石(天然)結(jié)晶形無(wú)定形二氧化硅廣泛存在于自然界中，與其他礦物共同構(gòu)成了巖石。是一種堅(jiān)硬難熔的固體。

硅石2、二氧化硅的結(jié)構(gòu)(SiO2屬于原子晶體)SiO結(jié)論:SiO2是正四面體的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，因此性質(zhì)很穩(wěn)定

第一節(jié)3、二氧化硅的物理性質(zhì)無(wú)色，沸點(diǎn)高、硬度大、不溶于水、不導(dǎo)電的晶體晶體二氧化硅第一節(jié)第一節(jié)4、二氧化硅的化學(xué)性質(zhì)（1）是酸性氧化物

SiO2+2NaOH====Na2SiO3+H2OSiO2+CaO====CaSiO3

高溫SiO2+2OH—====SiO3

2-+H2O（2）不能與水反應(yīng)（3）在高溫下與碳酸鹽的反應(yīng)SiO2+Na2CO3====CO2

+Na2SiO3高溫SiO2+CaCO3====CO2

+CaSiO3高溫（4）不與酸反應(yīng)（除氫氟酸以外）SiO2+4HF====SiF4

+2H2O（5）弱氧化性SiO2+2C====Si+2CO高溫二氧化碳CO2二氧化硅SiO2物質(zhì)分類與堿性氧化物反應(yīng)與堿反應(yīng)與水反應(yīng)與HF反應(yīng)

均屬于酸性氧化物CO2＋CaO====CaCO3CaO＋SiO2====CaSiO3高溫CO2＋2NaOH====Na2CO3+H2O

SiO2＋2NaOH====Na2SiO3+H2OCO2＋H2O====H2CO3不反應(yīng)不反應(yīng)SiO2+4HF====SiF4↑+2H2O二氧化硅與二氧化碳的比較第一節(jié)第一節(jié)5、二氧化硅的用途由于SiO2具有優(yōu)良的物理化學(xué)性能，加上SiO2在自然界的廣泛存在，因此從古到今都被人類廣泛地應(yīng)用。光學(xué)纖維胃鏡水晶、瑪瑙二氧化硅用來(lái)制光導(dǎo)纖維

光導(dǎo)纖維就是比頭發(fā)絲還細(xì)的、能傳導(dǎo)光信號(hào)的玻璃絲。制造光導(dǎo)纖維的材料就是二氧化硅。光導(dǎo)纖維主要用于通訊、傳感、測(cè)量等，光纖通訊的優(yōu)點(diǎn)就是通信容量大，一對(duì)光纖上可同時(shí)傳送3萬(wàn)門電話。

第一節(jié)1、下列各組物質(zhì)有關(guān)性質(zhì)關(guān)系的比較，正確的是（）A、溶解性：CO2<SiO2

B、酸性：H2SiO3>H2CO3C、熔點(diǎn)：SiO2>CO2（干冰）D、硬度：SiO2<CO22、下列物質(zhì)中,不能用玻璃瓶來(lái)盛裝的是（）A、燒堿溶液B、濃硫酸C、氫氟酸D、碳酸鈉溶液3、要除去SiO2中的CaO雜質(zhì)，最適宜的試劑是（）A、純堿溶液B、鹽酸C、硫酸D、苛性鈉溶液CCB三、硅酸鹽與無(wú)機(jī)非金屬材料第一節(jié)1.硅酸鹽定義：硅酸鹽是由硅、氧和金屬元素組成的化合物的總稱，硅酸鹽是結(jié)構(gòu)復(fù)雜的固態(tài)化合物，一般都不溶于水。2.硅酸鹽的表示方法：（1）化學(xué)式法：硅酸鈉：Na2SiO3

硅酸鈣：CaSiO3（2）氧化物法：硅酸鈉：Na2O·SiO2

硅酸鈣：CaO·SiO2

高嶺石：Al2O3·2SiO2·2H2O石棉：CaO·3MgO·4SiO2

沸石：Na2O·Al2O3·3SiO2·2H2O云母：K2O·3Al2O3·6SiO2·2H2O長(zhǎng)石：K2O·Al2O3·6SiO2

水泥：3CaO·SiO2·2CaO·SiO2

玻璃：Na2O·CaO·6SiO2

粘土：Al2O3·2SiO2·2H2O第一節(jié)3.硅酸鈉（Na2SiO3）最簡(jiǎn)單的硅酸鹽是硅酸鈉（Na2SiO3），其水溶液俗稱為水玻璃，硅酸鈉不能燃燒且不易受腐蝕，可用作肥皂填料、木材防火劑等。硅酸鹽產(chǎn)品陶瓷水泥玻璃4、硅酸鹽工業(yè)無(wú)機(jī)非金屬材料第一節(jié)t第一節(jié)(1).水泥水泥是一種非常重要的建筑材料。萬(wàn)丈高樓平地起，穿針引線是水泥。生產(chǎn)原料：黏土和石灰石普通硅酸鹽水泥的成分：硅酸三鈣(3CaO·SiO2)