第1節(jié) 硅 無機(jī)非金屬材料

1、第第4 4章章 材料家族中的元素材料家族中的元素 第第1 1節(jié)節(jié) 硅硅 無機(jī)非金屬材料無機(jī)非金屬材料 很久以前的一個陽光明媚的日子，有一艘腓尼基很久以前的一個陽光明媚的日子，有一艘腓尼基 人的大商船來到地中海沿岸的貝魯斯河河口的沙洲時人的大商船來到地中海沿岸的貝魯斯河河口的沙洲時 便擱淺了。中午到了，大家用船上裝的蘇打晶體壘起便擱淺了。中午到了，大家用船上裝的蘇打晶體壘起 鍋灶，在沙洲上埋鍋造飯。當(dāng)他們吃完飯收拾餐具時，鍋灶，在沙洲上埋鍋造飯。當(dāng)他們吃完飯收拾餐具時， 發(fā)現(xiàn)了一個奇妙的現(xiàn)象：只見鍋下沙子上有種東西晶發(fā)現(xiàn)了一個奇妙的現(xiàn)象：只見鍋下沙子上有種東西晶 瑩發(fā)光，十分可愛。大家都不知道這

2、是什么東西，以瑩發(fā)光，十分可愛。大家都不知道這是什么東西，以 為發(fā)現(xiàn)了寶貝，就把它收藏了起來。其實(shí)，這是在燒為發(fā)現(xiàn)了寶貝，就把它收藏了起來。其實(shí)，這是在燒 火做飯時，支著鍋的蘇打塊在高溫下和地上的石英砂火做飯時，支著鍋的蘇打塊在高溫下和地上的石英砂 發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，形成了玻璃。你知道玻璃的主要成發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，形成了玻璃。你知道玻璃的主要成 分是什么嗎？工業(yè)上如何制玻璃？分是什么嗎？工業(yè)上如何制玻璃？ 2.2.了解二氧化硅的主要性質(zhì)及其用途；了解二氧化硅的主要性質(zhì)及其用途；（重點(diǎn)）（重點(diǎn)） 3.3.了解硅酸鹽等無機(jī)非金屬材料的基本組成、性能、了解硅酸鹽等無機(jī)非金屬材料的基本組成、性能、 用途。

3、用途。 1.1.了解硅的主要性質(zhì)；了解硅的主要性質(zhì)；（重點(diǎn)）（重點(diǎn)） 硅的氧化物及硅酸鹽構(gòu)成了地殼中大部分的巖石、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，約占地殼總量的沙子和土壤，約占地殼總量的90%90%以上。以上。 常見存在物質(zhì)形式：常見存在物質(zhì)形式： 一、硅一、硅 存在形態(tài)：存在形態(tài)：無游離態(tài)，只有化合態(tài)無游離態(tài)，只有化合態(tài) 二氧化硅二氧化硅和和硅酸鹽硅酸鹽 同素異形體同素異形體 晶體硅晶體硅 由同種元素組由同種元素組 成的性質(zhì)不同成的性質(zhì)不同 的單質(zhì)的單質(zhì) 無定形硅無定形硅 氧氧48.60%48.60% 硅硅26.30%26.30% 鋁鋁7.73%7.73% 鐵鐵4.

4、75%4.75% 鈣鈣3.45%3.45% 鈉鈉2.74%2.74% 鉀鉀2.47%2.47% 鎂鎂2.00%2.00% 氫氫0.76%0.76% 其他其他1.20%1.20% 硅元素在地殼中的含量硅元素在地殼中的含量 含量僅含量僅 次于氧次于氧 觀察硅單質(zhì)的實(shí)物圖片，總結(jié)硅的物理性質(zhì)觀察硅單質(zhì)的實(shí)物圖片，總結(jié)硅的物理性質(zhì) 硅單質(zhì)硅單質(zhì)單晶硅單晶硅 1.1.物理性質(zhì)物理性質(zhì) 顏色顏色狀態(tài)狀態(tài)硬度硬度熔沸點(diǎn)熔沸點(diǎn)導(dǎo)電性導(dǎo)電性 灰黑色、灰黑色、 有金屬有金屬 光澤光澤 固體固體大大高高 介于導(dǎo)體介于導(dǎo)體 和絕緣體和絕緣體 之間之間 2.2.化學(xué)性質(zhì)化學(xué)性質(zhì) （1 1）常溫下）常溫下 化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定化

5、學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定, ,不易與不易與H H2 2、O O2 2、ClCl2 2、硫酸、硝酸、硫酸、硝酸、 鹽酸等物質(zhì)反應(yīng)鹽酸等物質(zhì)反應(yīng), ,只與強(qiáng)堿、氫氟酸、氟氣反應(yīng)。只與強(qiáng)堿、氫氟酸、氟氣反應(yīng)。 Si+2NaOH+HSi+2NaOH+H2 2O = NaO = Na2 2SiOSiO3 3+2H+2H2 2 Si+2FSi+2F2 2 = SiF = SiF4 4 Si+4HF = SiFSi+4HF = SiF4 4+2H+2H2 2 與氫氧化鈉與氫氧化鈉 與與F F2 2 與與HFHF (2)(2)加熱加熱 Si+OSi+O2 2 = SiO = SiO2 2 （燃燒，放出大量的熱）（燃燒，放出

6、大量的熱） Si+2ClSi+2Cl2 2 = SiCl = SiCl4 4 高溫高溫 （粗硅）（粗硅） SiOSiO2 2 +2C = Si + 2CO +2C = Si + 2CO 高溫高溫 3.3.硅的工業(yè)制法硅的工業(yè)制法( (粗硅粗硅) ) 【想一想】粗硅如何提純【想一想】粗硅如何提純? 高溫高溫 Si+2Cl Si+2Cl2 2 = SiCl = SiCl4 4 高溫高溫 SiClSiCl4 4+2H+2H2 2 = Si+4HCl = Si+4HCl （高純硅）（高純硅） 硅芯片、大規(guī)模集成電路及相硅芯片、大規(guī)模集成電路及相 應(yīng)的計(jì)算機(jī)技術(shù)都需要有高純應(yīng)的計(jì)算機(jī)技術(shù)都需要有高純 度

7、的硅才能實(shí)現(xiàn)，所以需要對度的硅才能實(shí)現(xiàn)，所以需要對 粗硅進(jìn)行提純粗硅進(jìn)行提純 （粗硅）（粗硅） 最早使用的半導(dǎo)體材料是最早使用的半導(dǎo)體材料是鍺鍺，現(xiàn)在最廣泛，現(xiàn)在最廣泛 使用的半導(dǎo)體材料是使用的半導(dǎo)體材料是硅硅。 4.4.硅的用途硅的用途 （1 1）硅芯片）硅芯片 半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料 導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體 和絕緣體之間的一和絕緣體之間的一 類材料類材料 （2 2）制）制集成電路、晶體管、集成電路、晶體管、硅整流器等半導(dǎo)體材料。硅整流器等半導(dǎo)體材料。 （3 3）含硅）含硅4%4%的鋼可制的鋼可制變壓器鐵芯。變壓器鐵芯。 （4 4）含硅）含硅15%15%的鋼具有耐酸性，制的鋼具有耐酸

8、性，制耐酸設(shè)備。耐酸設(shè)備。 太陽能電池太陽能電池電腦的中央處理器（電腦的中央處理器（CPUCPU） 硅光電池硅光電池大規(guī)模集成電路大規(guī)模集成電路 硅石硅石 硅礦山硅礦山 二、二氧化硅二、二氧化硅 1.1.二氧化硅的存在二氧化硅的存在 硅石硅石( (天然天然) ) 結(jié)晶形結(jié)晶形 無定形無定形 在自然界主要存在于在自然界主要存在于水晶、石英水晶、石英和和沙子沙子等物質(zhì)中等物質(zhì)中 純凈的二氧化純凈的二氧化 硅俗稱水晶硅俗稱水晶 2. 2. 物理性質(zhì)物理性質(zhì) 顏色顏色熔點(diǎn)熔點(diǎn)硬度硬度溶解性溶解性導(dǎo)電性導(dǎo)電性 無色無色高高大大不溶于水不溶于水不導(dǎo)電不導(dǎo)電 與燒堿溶液反應(yīng)與燒堿溶液反應(yīng) SiO SiO2

9、2+2NaOH = Na+2NaOH = Na2 2SiOSiO3 3+H+H2 2O O SiOSiO2 2+CaO = CaSiO+CaO = CaSiO3 3 高溫高溫 （1 1）酸性氧化物）酸性氧化物 3.3.化學(xué)性質(zhì)化學(xué)性質(zhì) 與氧化鈣反應(yīng)與氧化鈣反應(yīng) （2 2）與碳酸鹽反應(yīng)）與碳酸鹽反應(yīng) SiOSiO2 2+Na+Na2 2COCO3 3 = CO = CO2 2+Na+Na2 2SiOSiO3 3 高溫高溫 SiOSiO2 2+CaCO+CaCO3 3 = CO = CO2 2+CaSiO+CaSiO3 3 高溫高溫 （3 3）不與酸反應(yīng)（除氫氟酸以外）不與酸反應(yīng)（除氫氟酸以外）

10、SiOSiO2 2 + 4HF = SiF + 4HF = SiF4 4+ 2H+ 2H2 2O O （4 4）弱氧化性）弱氧化性 SiOSiO2 2+2C = Si+2CO+2C = Si+2CO 高溫高溫 二氧化碳二氧化碳 COCO2 2二氧化硅二氧化硅 SiOSiO2 2 物質(zhì)分類物質(zhì)分類 與堿性氧化與堿性氧化 物反應(yīng)物反應(yīng) 與堿反應(yīng)與堿反應(yīng) 與水反應(yīng)與水反應(yīng) 與與HFHF反應(yīng)反應(yīng) 均屬于酸性氧化物均屬于酸性氧化物 COCO2 2 + CaO + CaO = CaCO = CaCO3 3 COCO2 2 + 2NaOH = + 2NaOH = Na Na2 2COCO3 3+H+H2 2

11、O O SiOSiO2 2 + 2NaOH = + 2NaOH = Na Na2 2SiOSiO3 3 + H + H2 2O O COCO2 2 + H + H2 2O = HO = H2 2COCO3 3不不反應(yīng)反應(yīng) 不不反應(yīng)反應(yīng) SiOSiO2 2 + 4HF = + 4HF = SiF SiF4 4+ 2H+ 2H2 2O O 二氧化硅與二氧化碳的區(qū)別和聯(lián)系二氧化硅與二氧化碳的區(qū)別和聯(lián)系 CaOCaO + SiO + SiO2 2 = CaSiO = CaSiO3 3 高溫高溫 【思考與交流【思考與交流】 1.1.實(shí)驗(yàn)室盛裝實(shí)驗(yàn)室盛裝NaOHNaOH溶液的試劑瓶溶液的試劑瓶 用橡皮塞而

12、不用玻璃塞，你知道用橡皮塞而不用玻璃塞，你知道 為什么嗎？為什么嗎？ 【提示【提示】 防止玻璃塞中的防止玻璃塞中的SiOSiO2 2與與NaOHNaOH溶液反應(yīng)溶液反應(yīng) 生成粘稠的生成粘稠的NaNa2 2SiOSiO3 3 ，使瓶塞和瓶口粘在一起 ，使瓶塞和瓶口粘在一起 （SiOSiO2 2+2NaOH+2NaOH=NaNa2 2SiOSiO3 3+H+H2 2O O）。）。 【思考與交流【思考與交流】 2.2.為什么不能用玻璃瓶保存氫氟酸為什么不能用玻璃瓶保存氫氟酸? ? 那用什么那用什么 瓶保存瓶保存? ?為什么能用氫氟酸來刻蝕玻璃？為什么能用氫氟酸來刻蝕玻璃？ 【提示【提示】原因是玻璃中

13、含有原因是玻璃中含有SiOSiO2 2會與會與HFHF反應(yīng)生成反應(yīng)生成SiFSiF4 4 氣體；用塑料瓶盛裝氫氟酸。氣體；用塑料瓶盛裝氫氟酸。 SiOSiO2 2 + 4HF = SiF + 4HF = SiF4 4 + 2H + 2H2 2O O 雕刻玻璃雕刻玻璃 4.4.用途用途 (1)(1)沙子是基本的建筑材料。沙子是基本的建筑材料。 (2)(2)純凈的純凈的SiOSiO2 2是現(xiàn)代光學(xué)及是現(xiàn)代光學(xué)及 光纖制品的基本原料，可以光纖制品的基本原料，可以 制作制作光導(dǎo)纖維光導(dǎo)纖維。 (3)(3)石英和瑪瑙制作飾物和工石英和瑪瑙制作飾物和工 藝品。藝品。 硅酸鹽是由硅、氧和金屬元素組成的化合物

14、的硅酸鹽是由硅、氧和金屬元素組成的化合物的 總稱，總稱，硅酸鹽是一種結(jié)構(gòu)復(fù)雜的固態(tài)化合物，硅酸鹽是一種結(jié)構(gòu)復(fù)雜的固態(tài)化合物， 一般都不溶于水。一般都不溶于水。 1.1.含義含義 三、硅酸鹽三、硅酸鹽 2.2.硅酸鈉（硅酸鈉（NaNa2 2SiOSiO3 3） 最簡單的硅酸鹽最簡單的硅酸鹽 硅酸的制備硅酸的制備 硅酸的制備：硅酸的制備： 較強(qiáng)酸和可溶性硅酸鹽反應(yīng)制硅酸較強(qiáng)酸和可溶性硅酸鹽反應(yīng)制硅酸 2HCl + Na2HCl + Na2 2SiOSiO3 3 + H + H2 2O = HO = H4 4SiOSiO4 4+ 2NaCl+ 2NaCl H H4 4SiOSiO4 4 H H2 2

15、SiOSiO3 3 SiO SiO2 2 常溫分解常溫分解受熱分解受熱分解 3.3.關(guān)于硅酸鹽說明關(guān)于硅酸鹽說明 （1 1）除硅酸鉀、硅酸鈉、硅酸銨以外均難溶于水；）除硅酸鉀、硅酸鈉、硅酸銨以外均難溶于水； （2 2）硅酸鈉俗稱泡花堿；它的水溶液俗稱水玻璃，）硅酸鈉俗稱泡花堿；它的水溶液俗稱水玻璃， 是一種粘合劑；是一種粘合劑； （3 3）硅酸鈉不能燃燒且不易受腐蝕，可用作肥皂填料、）硅酸鈉不能燃燒且不易受腐蝕，可用作肥皂填料、 木材防火劑等木材防火劑等 。 因因NaOHNaOH溶液會與玻璃的主要成分溶液會與玻璃的主要成分SiOSiO2 2 反應(yīng)，生成的反應(yīng)，生成的NaNa2 2SiOSiO3

16、 3溶液會使瓶塞與溶液會使瓶塞與 瓶口粘連在一起。因此保存瓶口粘連在一起。因此保存NaOHNaOH溶液溶液 時不能使用玻璃塞時不能使用玻璃塞 四、硅酸鹽工業(yè)四、硅酸鹽工業(yè) 無無 機(jī)機(jī) 非非 金金 屬屬 材材 料料 硅硅 酸酸 鹽鹽 產(chǎn)產(chǎn) 品品 陶瓷陶瓷 水泥水泥 玻璃玻璃 1.1.分類分類 2.2.玻璃玻璃 原料原料 發(fā)生的發(fā)生的 反應(yīng)反應(yīng) 成分成分 性能性能 純堿、石灰石和石英純堿、石灰石和石英 NaNa2 2SiOSiO3 3、CaSiOCaSiO3 3和和SiOSiO2 2 玻璃無固定的熔沸點(diǎn)玻璃無固定的熔沸點(diǎn) NaNa2 2COCO3 3 + SiO + SiO2 2 = Na = N

17、a2 2SiOSiO3 3 + CO + CO2 2 CaCOCaCO3 3 + SiO + SiO2 2 = CaSiO = CaSiO3 3 + CO + CO2 2 高溫高溫 高溫高溫 3.3.水泥水泥 原料原料 成分成分 性能性能 用途用途 水泥、沙水泥、沙 子和水子和水 水泥、沙水泥、沙 子和碎石子和碎石 黏土和石灰石黏土和石灰石 硅酸三鈣硅酸三鈣(3CaO(3CaOSiOSiO2 2) ) 硅酸二鈣硅酸二鈣(2CaO(2CaOSiOSiO2 2) ) 鋁酸三鈣鋁酸三鈣(3CaO(3CaOAlAl2 2O O3 3) ) 水硬性水硬性 水泥砂漿水泥砂漿混凝土、混凝土、 4.4.陶瓷陶

18、瓷 陶瓷具有抗氧化、抗酸堿腐蝕、耐高溫、絕陶瓷具有抗氧化、抗酸堿腐蝕、耐高溫、絕 緣、易成型等許多優(yōu)點(diǎn)，因此，陶瓷制品一直為緣、易成型等許多優(yōu)點(diǎn)，因此，陶瓷制品一直為 人們所喜愛。人們所喜愛。 家用陶瓷家用陶瓷 隋代燒制的三隋代燒制的三 彩陶駱駝彩陶駱駝 瓷器是中華文明的象征。瓷器是中華文明的象征。 在許多拉丁語系國家中，在許多拉丁語系國家中，“瓷器瓷器”和和“中國中國”都都 以以“CHINA”CHINA”同一字母表示。同一字母表示。 江西景德鎮(zhèn)所燒制的薄胎瓷器被譽(yù)為：江西景德鎮(zhèn)所燒制的薄胎瓷器被譽(yù)為：“潔如潔如 玉、明如鏡、薄如紙、聲如罄玉、明如鏡、薄如紙、聲如罄”。 我國我國江西景德鎮(zhèn)江西

19、景德鎮(zhèn)素有素有“瓷都瓷都”之稱。之稱。 江西景德鎮(zhèn)所燒制的瓷器江西景德鎮(zhèn)所燒制的瓷器 陶瓷器制作過程示意圖陶瓷器制作過程示意圖 1.1.新型無機(jī)非金屬材料的特征新型無機(jī)非金屬材料的特征 五、新型無機(jī)非金屬材料五、新型無機(jī)非金屬材料 （1 1）耐高溫、強(qiáng)度高；）耐高溫、強(qiáng)度高； （2 2）具有電學(xué)性質(zhì)；）具有電學(xué)性質(zhì)； （3 3）具有光學(xué)性質(zhì)；）具有光學(xué)性質(zhì)； （4 4）具有生物功能。）具有生物功能。 2.2.新型陶瓷新型陶瓷 高溫結(jié)構(gòu)陶瓷、壓電陶瓷高溫結(jié)構(gòu)陶瓷、壓電陶瓷 透明陶瓷、超導(dǎo)陶瓷等透明陶瓷、超導(dǎo)陶瓷等 材料家材料家 族中的族中的 元素元素 硅及其化合物硅及其化合物 硅單質(zhì)的存在、性質(zhì)

20、、用途硅單質(zhì)的存在、性質(zhì)、用途 SiOSiO2 2的性質(zhì)、用途的性質(zhì)、用途 無機(jī)非金屬材料無機(jī)非金屬材料 傳統(tǒng)無機(jī)非金屬材料傳統(tǒng)無機(jī)非金屬材料 新型無機(jī)非金屬材料新型無機(jī)非金屬材料 1.1.下列關(guān)于硅的敘述，不正確的是（下列關(guān)于硅的敘述，不正確的是（ ） A.A.硅是非金屬元素，但其單質(zhì)是灰黑色有金屬光澤的硅是非金屬元素，但其單質(zhì)是灰黑色有金屬光澤的 固體固體 B.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)硅的導(dǎo)電性介于導(dǎo)體和絕緣體之間，是良好的半導(dǎo) 體材料體材料 C.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)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.D.當(dāng)加熱到一定溫度時，硅能與氧氣、氫氣等非金屬當(dāng)加熱到一定溫度時，硅能與氧氣、氫氣等非金屬 單質(zhì)反應(yīng)單質(zhì)反應(yīng) C