第十九讲硅及其化合物 新型无机非金属材料

汉阳一中汉阳一中 陈美莲陈美莲考纲要求：考纲要求：1 1、了解硅单质的晶体类型及主要性质；、了解硅单质的晶体类型及主要性质；2 2、了解、了解COCO2 2与与SiOSiO2 2物理性质差异的主要原因；物理性质差异的主要原因；3 3、了解硅酸盐工业和新型无机非金属材料、了解硅酸盐工业和新型无机非金属材料 的特性和应用。的特性和应用。硅的分布与存在硅的分布与存在 存在：存在：没有游离态，只有化合态没有游离态，只有化合态 分布：自然界中分布广泛，在分布：自然界中分布广泛，在地壳中地壳中居第二位居第二位，仅次于氧。是构成矿物和，仅次于氧。是构成矿物和岩石的主要成分。岩石的主要成分。硅的物理性质硅的物理性质 硅有硅有晶体硅和无定形硅两种晶体硅和无定形硅两种。晶体硅是。晶体硅是灰黑色、有金属光泽、硬而脆的固体。灰黑色、有金属光泽、硬而脆的固体。硅的硅的结构类似于金刚石结构类似于金刚石，熔点和沸点都，熔点和沸点都很高，硬度大。很高，硬度大。半导体：导电性介于导体和绝缘体之间。半导体：导电性介于导体和绝缘体之间。硅的化学性质硅的化学性质 常温下，常温下，化学性质不活泼化学性质不活泼，除，除氟气、氢氟酸氟气、氢氟酸和强碱和强碱外，一般不跟其他物质（如氧气、氯气、外，一般不跟其他物质（如氧气、氯气、硫酸、硝酸等）起反应。在硫酸、硝酸等）起反应。在加热条件加热条件下，能跟下，能跟一些非金属（如氧气、氯气）反应。一些非金属（如氧气、氯气）反应。Si O2 SiO2（Si研细后加热能燃烧）研细后加热能燃烧）Si 2H2 SiH4（不稳定）（不稳定）高温Si2NaOH H2O Na2SiO3 2H2Si 4HF SiF4 2H2 硅的工业制法硅的工业制法(2)(2)与氯反应：与氯反应：SiSi 2Cl2Cl2 2 SiClSiCl4 4(温度为温度为400400500)500)(3)(3)生成的生成的SiClSiCl4 4液体通过精馏，除去其中的液体通过精馏，除去其中的硼、砷等杂质。然后用氢气还原：硼、砷等杂质。然后用氢气还原：SiCl4 2H2 Si 4HCl高温高温(1)(1)在工业上，用碳在高温下还原二氧化硅的方在工业上，用碳在高温下还原二氧化硅的方法制得粗硅。法制得粗硅。SiOSiO2 2 2C Si2C Si（粗硅）（粗硅）2 2COCO高温高温硅的用途硅的用途 硅是一种重要的非金属单质，它的用途非常广硅是一种重要的非金属单质，它的用途非常广泛。作为良好的半导体材料，硅可用来制造集泛。作为良好的半导体材料，硅可用来制造集成电路、晶体管、硅整流器等半导体器件，还成电路、晶体管、硅整流器等半导体器件，还可以制成太阳能电池，可制成有良好导磁性、可以制成太阳能电池，可制成有良好导磁性、耐酸性的合金。耐酸性的合金。大规模集成电路大规模集成电路太阳能电池太阳能电池二、二、纯净的二氧化硅晶体叫做水晶。纯净的二氧化硅晶体叫做水晶。SiOSiO2 2化学式，不是分子式。化学式，不是分子式。硅原子与氧原子按硅原子与氧原子按1 1：2 2的原子个数比组的原子个数比组成的具有空间网状结构的晶体。成的具有空间网状结构的晶体。思考思考:SiSi与与SiSiOO键的比值是多少键的比值是多少?点击图片播放动画点击图片播放动画玛瑙玛瑙二氧化硅的物理性质和用途二氧化硅的物理性质和用途 物理性质：硬度大、熔点高、难溶于水物理性质：硬度大、熔点高、难溶于水 用途：制光导纤维、电子工业重要部件、用途：制光导纤维、电子工业重要部件、光学仪器、耐高温化学仪器。利用石英光学仪器、耐高温化学仪器。利用石英晶体制造石英电子表、石英钟等。晶体制造石英电子表、石英钟等。二氧化硅与二氧化碳的比较二氧化硅与二氧化碳的比较二氧化碳二氧化碳COCO2 2二氧化硅二氧化硅SiOSiO2 2物质分类物质分类与碱性氧与碱性氧化物反应化物反应与碱反应与碱反应与水反应与水反应均属于酸性氧化物均属于酸性氧化物CO2 CaOCaCO3CaOSiO2 CaSiO3高温高温CO2 2NaOH Na2CO3+H2OSiO2 2NaOH Na2SiO3+H2OCO2 H2OH2CO3不反应不反应二氧化硅的化学性质二氧化硅的化学性质SiO2 2OHSiO32H2OSiO2+4HF=SiF4+2H2OSiO22C Si 2CO高温高温SiO2+CaCO3 CaSiO3+CO2 高温高温讨论：为什么实验室中盛放碱液的试剂瓶用讨论：为什么实验室中盛放碱液的试剂瓶用橡皮塞而不用玻璃塞？橡皮塞而不用玻璃塞？与碱反应与碱反应与盐反应与盐反应弱氧化性弱氧化性腐蚀玻璃腐蚀玻璃三、硅酸和硅酸盐三、硅酸和硅酸盐、硅酸、硅酸HH2 2SiOSiO3 3：不溶于水，酸性比碳酸弱。不溶于水，酸性比碳酸弱。a a2 2SiOSiO3 3+CO2+H2O H2SiO3+a2SiO3 制法：制法：a a2 2SiOSiO3 3+HHl l H2SiO3+2al l 2 2、硅酸盐、硅酸盐种类很多，结构也很复杂，通常可用二氧化硅种类很多，结构也很复杂，通常可用二氧化硅和金属氧化物的形式来表示其组成。和金属氧化物的形式来表示其组成。表示方法：碱性氧化物、两性氧化物、酸性表示方法：碱性氧化物、两性氧化物、酸性氧化物、氧化物、HH2 2OO；氧化物之间用；氧化物之间用“”隔开。隔开。NaNa2 2SiOSiO3 3：俗称：俗称泡花碱，泡花碱，其水溶液又称其水溶液又称水玻璃。水玻璃。硅酸钠：硅酸钠：NaNa2 2SiOSiO3 3可以写成可以写成NaNa2 2O O SiO SiO2 2高岭石：高岭石：AlAl2 2(Si(Si2 2OO5 5)(OH)(OH)4 4钙长石：钙长石：CaAlCaAl2 2SiOSiO6 6AlAl2 2OO3 3 2SiO 2SiO2 2 2H 2H2 2OOCaOCaO Al Al2 2OO3 3 SiO SiO2 2K K2 2AlAl2 2SiSi6 6OO1616正长石：正长石：K K2 2O O AlAl2 2O O3 3 6SiO6SiO2 2、硅酸盐工业、硅酸盐工业以含硅物质为原料经加热制成硅酸盐材料的以含硅物质为原料经加热制成硅酸盐材料的制造工业叫硅酸盐工业。制造工业叫硅酸盐工业。水泥工业水泥工业 玻璃工业玻璃工业陶瓷陶瓷-传统无机非金属材料传统无机非金属材料水泥是重要的建筑材料水泥是重要的建筑材料特点：水硬性（在水中也能硬化）特点：水硬性（在水中也能硬化）普通水泥的主要成分普通水泥的主要成分：硅酸三钙（硅酸三钙（3 3CaOCaOSiOSiO2 2）硅酸二钙（硅酸二钙（2 2CaOCaOSiOSiO2 2）铝酸三钙（铝酸三钙（3 3CaOCaOAlAl2 2OO3 3）以以粘土粘土和和石灰石石灰石为主要原料，经研磨、混合后为主要原料，经研磨、混合后在在水泥回转窑水泥回转窑中煅烧，再加入中煅烧，再加入适量石膏适量石膏，并研，并研成细粉就得到普通水泥。成细粉就得到普通水泥。水泥工业水泥工业原料原料设备设备生产生产过程过程反应反应条件条件水泥水泥成分成分水泥水泥应用应用硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙石灰石、粘土、辅助原料石灰石、粘土、辅助原料水水 泥泥 回回 转转 窑窑高温高温生料生料熟料熟料建筑粘合剂建筑粘合剂建筑建筑水泥砂浆、混凝土、钢筋混凝土水泥砂浆、混凝土、钢筋混凝土 水泥砂浆：水泥砂浆：水泥、沙子和水的混合物，是水泥、沙子和水的混合物，是建筑用粘合剂，可把砖、石等粘结起来。建筑用粘合剂，可把砖、石等粘结起来。混凝土：混凝土：水泥、沙子和碎石的混合物。水泥、沙子和碎石的混合物。混凝土常用钢筋做结构，即混凝土常用钢筋做结构，即钢筋混凝土钢筋混凝土结构。结构。钢筋混凝土的强度大，常用来建造高楼大厦。钢筋混凝土的强度大，常用来建造高楼大厦。桥梁等高大的建筑物。桥梁等高大的建筑物。中国在中国在18891889年于唐山建立了第一座水泥厂。年于唐山建立了第一座水泥厂。19061906年在唐山成立启新洋灰股份有限公司。年在唐山成立启新洋灰股份有限公司。19491949年的水泥年的水泥产量为产量为660660千吨，到千吨，到19841984年已达年已达120120万吨，水泥的品万吨，水泥的品种也从单一的硅酸盐水泥发展到种也从单一的硅酸盐水泥发展到6060多个品种。多个品种。特种水泥快硬水泥，低热和水泥中热水泥，快硬水泥，低热和水泥中热水泥，抗硫酸盐水泥抗硫酸盐水泥油井水泥，膨胀水泥，耐火水泥，油井水泥，膨胀水泥，耐火水泥，白色水泥，白色水泥，彩色水泥，防辐射水泥，防藻水彩色水泥，防辐射水泥，防藻水泥，抗菌水泥等。泥，抗菌水泥等。玻璃工业玻璃工业2 2、原料、原料4 4、反应原理、反应原理主要原料：主要原料：纯碱、石灰石和石英纯碱、石灰石和石英1 1、组成、组成NaNa2 2O O CaOCaO 6SiO6SiO2 25 5、玻璃态物质、玻璃态物质6 6、几种常见的玻璃、几种常见的玻璃3 3、生产设备、生产设备玻璃熔炉玻璃熔炉没有一定的熔点而在某一温度范围没有一定的熔点而在某一温度范围主要化学反应：主要化学反应：Na2CO3+SiO2=Na2SiO3+CO2 CaCO3+SiO2=CaSiO3+CO2高温高温 设问设问 这两个反应是否违反了复分解反应规律？这两个反应是否违反了复分解反应规律？复分解反应规律仅适用于复分解反应规律仅适用于溶液溶液，不能套用，不能套用于高温条件下的反应。于高温条件下的反应。几种常见玻璃简介几种常见玻璃简介普通玻璃普通玻璃 因混有铁的化合物显浅绿色因混有铁的化合物显浅绿色蓝玻璃蓝玻璃红玻璃红玻璃化学仪器玻璃化学仪器玻璃如试管等如试管等光学仪器玻璃光学仪器玻璃如放大镜如放大镜钢化玻璃钢化玻璃光纤玻璃光纤玻璃光导纤维：光导纤维：19641964年年8 8月华裔科学家高锟首月华裔科学家高锟首先提出用玻璃纤维代先提出用玻璃纤维代替金属导线，被誉为替金属导线，被誉为“纤维光学之父纤维光学之父”。比头发丝还细的一对比头发丝还细的一对光导纤维上同时传送光导纤维上同时传送3 3万门电话且中继距离万门电话且中继距离长达长达202050Km50Km，保密性能好。保密性能好。在原料里加入某些金属在原料里加入某些金属氧化物均匀地分散到玻璃氧化物均匀地分散到玻璃态物质里，使玻璃呈现出态物质里，使玻璃呈现出特征颜色。特征颜色。把普通玻璃放在电把普通玻璃放在电炉里加热，使它软化，炉里加热，使它软化，然后急速冷却，得到钢然后急速冷却，得到钢化玻璃。其机械强度比化玻璃。其机械强度比普通玻璃大普通玻璃大4 46 6倍，倍，不易破碎。不易破碎。古埃及玻璃制品古埃及玻璃制品战国中晚期玻璃璧战国中晚期玻璃璧满城汉玻璃耳杯满城汉玻璃耳杯广西贵县出土广西贵县出土的玻璃杯的玻璃杯隋李静训墓出土的玻璃圆盒隋李静训墓出土的玻璃圆盒 魏晋南北朝的玻璃钵魏晋南北朝的玻璃钵网纹玻璃杯网纹玻璃杯河北定县静志寺出河北定县静志寺出土的北宋玻璃杯土的北宋玻璃杯目前发现的最大的元代玻璃器目前发现的最大的元代玻璃器清乾隆白地套红玻璃双合瓶清乾隆白地套红玻璃双合瓶玻璃仪器玻璃仪器钢化玻璃钢化玻璃光学玻璃型材光学玻璃型材石英玻璃石英玻璃陶陶 瓷瓷专家们预言：专家们预言：随着新陶瓷技随着新陶瓷技术的发展，人术的发展，人类将类将“重返重返”石器时代，不石器时代，不过是一个全新过是一个全新的石器时代。的石器时代。”享有盛誉的中国古代陶瓷享有盛誉的中国古代陶瓷景德镇传统名瓷之一的薄胎瓷景德镇传统名瓷之一的薄胎瓷景德镇传统名瓷之一的景德镇传统名瓷之一的雕塑瓷雕塑瓷景德镇传统名瓷景德镇传统名瓷之一的之一的粉彩瓷粉彩瓷景德镇传统名瓷景德镇传统名瓷之一的玲珑瓷之一的玲珑瓷景德镇传统名瓷景德镇传统名瓷之一的青花瓷之一的青花瓷陶瓷陶瓷:土器、陶器、炻器、瓷器土器、陶器、炻器、瓷器主要原料：主要原料：共同点：都是硅酸盐产品共同点：都是硅酸盐产品不同点：原料、温度、陶瓷的强度、颜色、不同点：原料、温度、陶瓷的强度、颜色、厚度、透水性、质地等方面有区别。厚度、透水性、质地等方面有区别。陶与瓷的异同之处：陶与瓷的异同之处：陶瓷的优点和用途：陶瓷的优点和用途：具有抗氧化性、抗酸具有抗氧化性、抗酸碱腐蚀、耐高温、绝缘、已成型等优点，碱腐蚀、耐高温、绝缘、已成型等优点，有着广泛的用途。例如：化学实验中用的有着广泛的用途。例如：化学实验中用的坩埚、蒸发皿等也是陶瓷制品。坩埚、蒸发皿等也是陶瓷制品。黏土黏土 共同点：都是硅酸盐产品 不同点：原料、温度、陶瓷的强度、颜色、厚度、透水性、质地等方面有区别。新型无机非金属新型无机非金属材料材料无机非金属材料无机非金属材料金属材料金属材料高分子材料：高分子材料：传统无机非金属材料传统无机非金属材料新型无机非金属材料新型无机非金属材料水泥、玻璃、陶瓷水泥、玻璃、陶瓷 高温结构陶瓷、光导纤维高温结构陶瓷、光导纤维 FeFe、CuCu、AlAl、合金等、合金等 塑料、合成橡胶、合成纤维塑料、合成橡胶、合成纤维材料材料特征特征品种示例品种示例传统无机非传统无机非金属材料金属材料新型无机非新型无机非金属材料金属材料、无机非金属材料的特性、无机非金属材料的特性抗腐蚀、耐高温抗腐蚀、耐高温质脆，经不起热质脆，经不起热冲击冲击耐高温、强度高耐高温、强度高具有电学特征具有电学特征具有光学特征具有光学特征具有生物功能具有生物功能普通水泥、普通水泥、普通玻璃、普通玻璃、黏土质陶瓷黏土质陶瓷氧化铝陶瓷氧化铝陶瓷氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷碳化硼陶瓷碳化硼陶瓷光导纤维光导纤维高温结构陶瓷高温结构陶瓷、新型无机非金属材料简介、新型无机非金属材料简介 高温结构陶瓷高温结构陶瓷1.1.氧化铝陶瓷氧化铝陶瓷高压钠灯高压钠灯氧化铝陶瓷氧化铝陶瓷氧化铝陶瓷氧化铝陶瓷（人造刚玉）（人造刚玉）主要特主要特性性高熔点；高熔点；高硬度高硬度；可制成透明可制成透明陶瓷；陶瓷；无毒、不溶于水，强度高；无毒、不溶于水，强度高；对人体有较好的适应性对人体有较好的适应性 主要用主要用途途高级耐火材料，刚玉球磨机；高压钠高级耐火材料，刚玉球磨机；高压钠灯的灯管、人造骨、人造牙、人造心灯的灯管、人造骨、人造牙、人造心瓣膜、人造关节等瓣膜、人造关节等2.2.氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷主要特主要特性性超硬度，耐磨损；超硬度，耐磨损；抗腐蚀，抗腐蚀，高温时也抗氧化；高温时也抗氧化；抗冷热冲击抗冷热冲击而不碎裂；而不碎裂；耐高温且不易传热；耐高温且不易传热；本身具有润滑性本身具有润滑性 主要用主要用途途制造轴承、汽轮机叶片、机械密制造轴承、汽轮机叶片、机械密封环、封环、永久性模具永久性模具等机械构件。等机械构件。用于制造柴油机中发动机部件的用于制造柴油机中发动机部件的受热面等受热面等光导纤维光导纤维光导纤维光导纤维（二氧化硅）（二氧化硅）主要特性主要特性传导光的能力非常强传导光的能力非常强抗干扰抗干扰性能好，不发生辐射，通讯质量性能好，不发生辐射，通讯质量好好质量轻、耐腐蚀质量轻、耐腐蚀主要用途主要用途用于通讯外，还用于医疗、信息用于通讯外，还用于医疗、信息处理、遥测遥控等处理、遥测遥控等光导纤维的视频光导纤维的视频光纤光缆光纤光缆 普通电缆普通电缆 信息量大，信息量大，每信息量大，信息量大，每根光缆上理论上可同时通根光缆上理论上可同时通过过1010亿路电话亿路电话 8 8管同轴电缆每条通话管同轴电缆每条通话18001800路路 原料来源广（石英玻璃），原料来源广（石英玻璃），节约有色金属节约有色金属 资源较少资源较少 质量小，每质量小，每km27gkm27g，不怕，不怕腐蚀，铺设方便腐蚀，铺设方便 每每km1.6t km1.6t 成本低，每成本低，每km 10000km 10000元元左右左右 普通光缆每普通光缆每km 200000km 200000元左右元左右 性能好，抗电磁干扰保密性能好，抗电磁干扰保密性强性强 ，能防窃听，不发生，能防窃听，不发生电辐射电辐射 新材料发展趋势新材料发展趋势（1 1）高分子材料高分子材料。资源丰富、原料广，轻质、高强，。资源丰富、原料广，轻质、高强，成形工艺简易。提高工作温度是研制的重要课题。各成形工艺简易。提高工作温度是研制的重要课题。各种塑料、合成橡胶和合成纤维将有很大发展，成为重种塑料、合成橡胶和合成纤维将有很大发展，成为重要的新材料要的新材料（2 2）特种陶瓷特种陶瓷。高强高温结构陶瓷、电工电子功能陶。高强高温结构陶瓷、电工电子功能陶瓷和复合陶瓷是新材料中普遍注重的发展方向。瓷和复合陶瓷是新材料中普遍注重的发展方向。（3 3）功能材料功能材料。这是新材料中发展很快的一个重要方。这是新材料中发展很快的一个重要方向，如半导体、激光、红外、超导、电子、磁性、发光、向，如半导体、激光、红外、超导、电子、磁性、发光、液晶、换能、传感材料等，品种繁多，前景广阔。液晶、换能、传感材料等，品种繁多，前景广阔。（4 4）能源材料能源材料。太阳能、磁流体发电、氢能等新能源发。太阳能、磁流体发电、氢能等新能源发展，同时促进了各种高温热、储能、换能材料的发展。展，同时促进了各种高温热、储能、换能材料的发展。（5 5）高性能、高强度结构材料高性能、高强度结构材料。（6 6）复合材料复合材料。纤维增强型、弥散粒子型、叠层复合型。纤维增强型、弥散粒子型、叠层复合型复合材料以及碳纤维、石墨纤维、硼纤维、金属纤维、晶复合材料以及碳纤维、石墨纤维、硼纤维、金属纤维、晶须的研制发展，将使被称为须的研制发展，将使被称为2121世纪材料世纪材料 复合材料更放光复合材料更放光彩。彩。（7 7）金属新材料金属新材料。非晶态金属。非晶态金属(金属玻璃金属玻璃)、记忆合金、记忆合金、防振合金、超导合金和金属氢等。防振合金、超导合金和金属氢等。（8 8）极限材料极限材料。在超高压、超高温、超低温、超高真。在超高压、超高温、超低温、超高真空等极端条件下应用和制取的各种材料。如超导、超空等极端条件下应用和制取的各种材料。如超导、超硬、超塑性、超弹性、超纯、超晶格膜等材料。硬、超塑性、超弹性、超纯、超晶格膜等材料。（9 9）原子分子设计材料原子分子设计材料。这是在材料科学深入研究的。这是在材料科学深入研究的基础上，对表面、非晶态、结构点阵与缺陷、固态杂基础上，对表面、非晶态、结构点阵与缺陷、固态杂质、非平衡态、相变以及变形、断裂、磨损等领域研质、非平衡态、相变以及变形、断裂、磨损等领域研究探索的发展方向，以期获得原子、分子组成结构按究探索的发展方向，以期获得原子、分子组成结构按性能要求设计的新材料。性能要求设计的新材料。（1010）稀土材料稀土材料。稀土金属在激光、荧光、磁性、红。稀土金属在激光、荧光、磁性、红外、微波、核能、特种陶瓷以及化工材料中，有奇异外、微波、核能、特种陶瓷以及化工材料中，有奇异的性能，稀土材料已成为重要的开发领域。我国稀土的性能，稀土材料已成为重要的开发领域。我国稀土资源储量居世界首位，因此稀土的开发对我国更为重资源储量居世界首位，因此稀土的开发对我国更为重要。要。