第二節(jié)硅及其化合物無機非金屬材料

第二節(jié)硅及其化合物無機非金屬材料第1頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一一、硅（Si）硅有晶體硅和無定形硅兩種同素異形體1、灰黑色，有金屬光澤，硬而脆的固體2、熔、沸點高、硬度大第2頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一一、硅的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)1、晶體結(jié)構(gòu)正四面體的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)第3頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一Si晶體硅的結(jié)構(gòu)

晶體硅的晶體結(jié)構(gòu)與金剛石相似，也是由一個硅原子與4個硅原子結(jié)合形成正四面體，許多這樣的正四體向周圍空間延面伸形成空間網(wǎng)狀的結(jié)構(gòu)。原子晶體第4頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一2、物理性質(zhì)硬度大、熔點高；灰黑色具有金屬光澤的晶體，半導(dǎo)體材料第5頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一3、化學(xué)性質(zhì)常溫下：與F2與HF與強堿（如NaOH）Si+2F2==SiF4Si+4HF==SiF4+2H2Si+2NaOH+H2O==Na2SiO3+2H2在常溫下，硅的化學(xué)性質(zhì)不活潑，除氟氣、氟化氫和強堿外，硅不與其他物質(zhì)反應(yīng)，如氧氣、氯氣、硫酸、硝酸等第6頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一3、化學(xué)性質(zhì)加熱條件下：與氧氣與氫氣與氯氣Si+2H2===SiH4高溫Si+O2===SiO2點燃Si+2Cl2===SiCl4高溫與氮氣

3Si+2N2Si3N4

==高溫與碳Si＋CSiC==△第7頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一SiCl4+2H2==4HCl+Si(純度高的晶體硅)高溫SiO2粗硅SiCl4Si

+C+Cl2精餾+H2高溫高溫高溫高溫SiO2+2C==2CO↑+Si(含雜質(zhì)的粗硅)高溫Si+2Cl2==SiCl4生成的液態(tài)SiCl4經(jīng)精餾、除硼、砷等，再用H2還原，將高純硅再經(jīng)區(qū)域熔煉法，提純?yōu)槌児瓒糜诎雽?dǎo)體原料．4、工業(yè)制法第8頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一5、硅的存在在自然界中，沒有游離態(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，是巖石和地殼的主要元素。6、硅的用途集成電路、晶體管、硅整流器等半導(dǎo)體材料，還可以制成太陽能電池、硅的合金可用來制造變壓器鐵芯等。集成電路晶體管第9頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一二、二氧化硅

1.結(jié)構(gòu):SiO2晶體是一種立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。每個Si與4個O形成4個共價鍵，前者位于正四面體的中心．后者位于正四面體的頂點；每個Si周圍又有4個O，每個O的周圍有2個Si，實際上SiO2晶體是由Si原子和O原子按1:2的比例組成的原子晶體第10頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一堅硬難熔（溶）的固體，俗稱“硅石”,舊稱“矽石”，二氧化硅廣泛存在于地殼的巖石中（石英、水晶）二氧化硅的熔點（1723℃）沸點（2230℃）高，硬度大，不導(dǎo)電不溶于水2、物理性質(zhì)：第11頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一3、化學(xué)性質(zhì)：十分穩(wěn)定（1）酸性氧化物：強堿：2NaOH+SiO2==Na2SiO3+H2O（所以，不能用磨口玻璃塞盛堿性溶液，如NaOH、KOH、Na2CO3、Na2SiO3等溶液。）不溶于水，也不與水反應(yīng)，只能間接制取硅酸。硅酸H2SiO3Na2SiO3+2HCl=2NaCl+H2SiO3↓（還可以用CO2制?。〩2SiO3==SiO2+H2O第12頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一（２）常溫與氫氟酸反應(yīng)4HF+SiO2==SiF4↑+2H2O堿性氧化物：SiO2+CaO===CaSiO3高溫鹽：Na2CO3+SiO2===Na2SiO3+CO2↑高溫CaCO3+SiO2===CaSiO3+CO2↑高溫難揮發(fā)制取易揮發(fā)氫氟酸可用于玻璃的雕刻，不用玻璃儀器保存強酸制弱酸嗎？第13頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一二氧化硅與二氧化碳的物理性質(zhì)差異較大，其原因是什么？晶體類型不同第14頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一第15頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一Na2SiO3+2CO2+2H2O=2NaHCO3+H2SiO3↓

強酸制弱酸第16頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一3、用途：光導(dǎo)纖維、光學(xué)儀器、電子儀器、工藝品（水晶、瑪瑙）、石英玻璃、玻璃原料和建筑材料等。污染：硅肺?。ㄎ尾。?，長期吸入SiO2粉塵第17頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一紫水晶，瑪瑙，碧玉是含雜質(zhì)的有色石英晶體．第18頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一純石英為無色晶體，大而透明的棱柱狀石英叫水晶，

第19頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一石英玻璃第20頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一三、硅酸及硅酸鹽1、硅酸H2SiO3（1）性質(zhì)：不溶于水，酸性比碳酸弱。（2）制備：Na2SiO3+2HCl==2NaCl+H2SiO3↓問：把硅酸鈉溶液敞口放置在空氣中一段時間后，觀察到的現(xiàn)象？溶液變渾濁第21頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一碳酸和硅酸的比較（1）常見的不穩(wěn)定酸有：H2CO3、H2SO3、HClO、HNO3、H2SiO3；其中H2CO3極不穩(wěn)定；光照能加快HClO、HNO3的分解，H2SiO3受熱時才分解。（2）常見的酸性比碳酸弱的酸（或酚）有：H2S、HClO、H2SiO3、Al(OH)3

、OH碳酸和硅酸都是不穩(wěn)定的弱酸，碳酸的酸性比硅酸強，硅酸難溶于水。第22頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一2、硅酸鹽：硅酸及其縮水結(jié)合而成的各種酸所對應(yīng)的鹽統(tǒng)稱硅酸鹽（約占地殼質(zhì)量的95%）

②種類多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜：活潑金屬氧化物·較活潑金屬氧化物·二氧化硅·水Al2(Si2O5)(OH)4KAlSi3OxX=8K2O·Al2O3·6SiO2①多數(shù)不溶于水，但Na2SiO3的水溶液俗稱“水玻璃”，無色粘稠的溶液，是一種礦物膠，可用做粘合劑、防腐劑。Al2O3·2SiO2·2H2O高嶺石：第23頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一硅酸根離子SiO32－的檢驗原理：SiO32－＋2H＋＝H2SiO3↓

或SiO32－＋2H＋＋H2O＝H4SiO4↓H2SiO3

、H4SiO4是白色固體，不溶于水和酸（H＋）。方法：向待檢溶液中加入過量的稀硝酸，若生成白色沉淀，則待檢溶液中有SiO32－。注意：若用鹽酸代替硝酸，則有Ag＋等干擾；若用稀硫酸代替硝酸，則有Ba2＋等干擾。第24頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一樣品所加試劑

主要操作

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

SiO2(H2SiO3)SiO2(Na2SiO3)SiO2(Si)鹽酸過濾、加熱、灼燒NaOH溶液過濾NaOH溶液過濾——加熱、灼燒鹽酸過濾要除去下表中各粉末狀混合物中的雜質(zhì)（括號內(nèi)為雜質(zhì)），填寫所用試劑和操作：氧氣加熱第25頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一練習(xí)：P78鞏固訓(xùn)練1、2P79【典例1】對點練習(xí)1【典例2】對點練習(xí)2隨堂達標(biāo)1、2、3、4第26頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一無機非金屬材料第27頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一材料的分類和特點

材料無機非金屬材料金屬材料高分子材料：塑料、合成橡膠、合成纖維傳統(tǒng)無機非金屬材料新型無機非金屬材料水泥、玻璃、陶瓷等

高溫結(jié)構(gòu)陶瓷、光導(dǎo)纖維等Fe、Cu、Al、合金等第28頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一概念:

以含硅物質(zhì)為原料，經(jīng)加工制得硅酸鹽產(chǎn)品的工業(yè)稱為硅酸鹽工業(yè)。2.硅酸鹽工業(yè)的特點：(1)原料：

(2)反應(yīng)條件：(3)反應(yīng)原理：(4)生成物：硅酸鹽工業(yè)含硅的物質(zhì)、碳酸鹽等。高溫復(fù)雜的物理、化學(xué)變化硅酸鹽產(chǎn)品3.硅酸鹽產(chǎn)品分類：水泥、玻璃、陶瓷第29頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一一、水泥：1、主要原料：粘土和石灰石

2、主要設(shè)備：3、生產(chǎn)過程：生料研磨，高溫煅燒得熟料，再加石膏研成粉末得普通硅酸鹽水泥

輔助原料：石膏—作用是調(diào)節(jié)水泥硬化速度4、反應(yīng)原理：復(fù)雜的物理、化學(xué)變化

5、主要成分：硅酸三鈣(3CaO?SiO2)、

硅酸二鈣(2CaO?SiO2)、鋁酸三鈣(3CaO?Al2O3)等

6、主要性能：水硬性

7、主要用途：建筑、修路。

水泥砂漿、混凝土、鋼筋混凝土

水泥回轉(zhuǎn)窯水泥的標(biāo)號第30頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一水泥回轉(zhuǎn)窯第31頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一二、玻璃1、原

料：純堿、石灰石和石英

2、主要設(shè)備：玻璃熔爐

3、生產(chǎn)過程：原料粉碎，玻璃熔爐中強熱，成型冷卻5、主要成分：Na2SiO3、CaSiO3、SiO2

或?qū)懗桑∟a2O?CaO?6SiO2）

6、主要性能：玻璃態(tài)物質(zhì)，沒有固定的熔點，在一定溫度范圍內(nèi)逐漸軟化。4、反應(yīng)原理：復(fù)雜的物理、化學(xué)變化，主要反應(yīng)Na2CO3+SiO2==Na2SiO3+CO2↑

高溫

CaCO3+SiO2==CaSiO3+CO2↑

高溫第32頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一玻璃熔爐第33頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一種類特性用途普通玻璃在較高溫度下易軟化窗玻璃、玻璃瓶、玻璃杯等石英玻璃膨脹系數(shù)小，耐酸堿，強度大，濾光化學(xué)儀器；高壓水銀燈、紫外燈等的燈殼；光導(dǎo)纖維、壓電晶體等光學(xué)玻璃透光性能好，有折光和色散性眼鏡片；照相機、顯微鏡、望遠鏡用凹凸透鏡等光學(xué)儀器玻璃纖維耐腐蝕、不怕燒、不導(dǎo)電、不吸水、隔熱、吸聲、防蟲蛀太空飛行員的衣服、玻璃鋼等鋼化玻璃耐高溫、耐腐蝕、強度大、質(zhì)輕、抗震裂運動器材；微波通訊器材;汽車、火車窗玻璃等幾種特種玻璃這些玻璃的主要成分分別是什么？有機玻璃？第34頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一三、陶瓷(china)1、主要原料：粘土

2、傳統(tǒng)生產(chǎn)過程：混和、成型、干燥、燒結(jié)、冷卻

3、反應(yīng)原理：復(fù)雜的物理、化學(xué)變化4、主要成分：硅酸鹽

5、主要特性：抗氧化、抗酸堿腐蝕、耐高溫、絕緣、易成型等優(yōu)點。

現(xiàn)在，景德鎮(zhèn)的陶瓷工藝已經(jīng)完全電氣化了，考慮到環(huán)境保護、降低制作成本和提高成功率等方面因素，不論是仿古陶瓷、藝術(shù)瓷類，還是日用陶瓷的瓷器都在電腦的控制下用汽窯燒制而成。第35頁，共50頁，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.純堿石灰石粘土主要設(shè)備回轉(zhuǎn)爐玻璃熔爐陶瓷窯反應(yīng)條件高溫高溫高溫反應(yīng)原理復(fù)雜的物理、化學(xué)變化Na2CO3+SiO2===Na2SiO3+CO2CaCO3+SiO2===CaSiO3+CO2復(fù)雜的物理化學(xué)變化主要成分3CaO·SiO22CaO·SiO23CaO·Al2O3Na2SiO3CaSiO3SiO2成分復(fù)雜特性水硬性玻璃態(tài)物質(zhì)抗氧化.耐酸堿.腐蝕.高溫.絕緣水泥、玻璃、陶瓷生產(chǎn)比較水泥中加入石膏的目的？第36頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一６、陶瓷主要種類：土器：磚瓦(自然冷卻，F(xiàn)e2O3含量較多)(淋水冷卻，F(xiàn)e3O4、FeO較多)陶器：彩陶江蘇宜興的紫砂壺、秦漢兵馬俑瓷器：碗盤茶具收藏珍品炻器：水缸、砂鍋瓷都景德鎮(zhèn)注：①彩釉②搪瓷不屬于陶瓷紅瓦青瓦第37頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一傳統(tǒng)無機非金屬材料與新型無機非金屬材料的對比材料特性種類傳統(tǒng)無機非金屬材料①抗腐蝕、耐高溫②質(zhì)脆、經(jīng)不起熱沖擊普通水泥、

普通玻璃、

黏土質(zhì)陶瓷

新型無機非金屬材料

①

耐高溫、強度高②

具有電學(xué)特征③

具有光學(xué)特征④

具有生物功能

氧化鋁陶瓷

高溫氮化硅陶瓷

結(jié)構(gòu)碳化硼陶瓷

氧化鋯陶瓷

光導(dǎo)纖維

半導(dǎo)體第38頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一新型無機非金屬材料的特性1.能承受高溫、強度高。例如：氮化硅陶瓷在1200℃左右的高溫下，仍具有很高的強度，可用來制造汽輪機葉片、軸承、永久性模具等。第39頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一2.具有電學(xué)特性，一些新型無機非金屬材料可以作為半導(dǎo)體、導(dǎo)體、超導(dǎo)體等，一些絕緣性材料常被用于集成電路的基板。第40頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一3.具有光學(xué)特性。有些新型無機非金屬材料能發(fā)出各色的光，有的能透過可見光，有的能使紅外線、雷達射線穿過。處于高溫下的光導(dǎo)纖維第41頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一4.具有生物特性。有些新型無機非金屬材料強度高、無毒、不溶于水，對人體組織有較好的適應(yīng)性，可直接植入人體內(nèi)，用這類材料制成的人造牙齒、人造骨骼，已被應(yīng)用在醫(yī)療上。人造關(guān)節(jié)第42頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一兩種新型無機非金屬材料簡介1、高溫結(jié)構(gòu)陶瓷

a.氧化鋁陶瓷

高壓鈉燈

高壓鈉燈內(nèi)溫度高達1400℃，氧化鋁陶瓷又叫人造剛玉，是一種高溫結(jié)構(gòu)陶瓷，可以抵御鈉蒸汽的強烈腐蝕第43頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一氧化鋁陶瓷（人造剛玉）主要特性①高熔點；②高硬