《无机非金属材料的主角-硅》.ppt

第 四 章 非 金 属 及 其 化 合 物 4.1 无 机 非 金 属 材 料 的 主 角 -硅 元 素 周 期 表 半导体 在 美 国 旧 金 山 ， 有 个 最 大 的 高科 技 工 业 园 区 ， 称 之 为 “ 硅 谷 ” ，它 是 现 代 电 子 工 业 和 计 算 机 发 展 的基 地 。 这 说 明 硅 在 电 子 工 业 革 命 中起 着 非 常 重 要 作 用 。 以 硅 为 基 础 而制 成 的 晶 体 管 是 计 算 机 的 心 脏 。 硅 在 电 子 工 业 中 重 要 作 用 一 、 硅 （ Silicon）在 地 壳 中 ， 硅 的 含 量 居 第 二 位 ， 仅 次 于 氧自 然 界 中 ， 硅 无 游 离 态 存 在 ， 只 以 化 合 态 存 在（ 以 SiO2或 硅 酸 盐 的 形 式 存 在 ）是 构 成 矿 物 和 岩 石 的 主 要 成 分半 导 体 材 料 ： 指 导 电 能 力 介 于 和 之 间 的一 类 材 料 ， 最 早 使 用 的 半 导 体 材 料 是 ， 现 在最 广 泛 使 用 的 半 导 体 材 料 是 。导 体 绝 缘 体锗硅1、 含 量 和 存 在 硅 半 导 体 材 料 。硅 有 晶 体 硅 和 无 定 形 硅 两 种 单 质2、 硅 单 质 （ Si）（ 1 ） 物 理 性 质 ： 灰 黑 色 ， 硬 而 脆 ， 有 金 属 光 泽 的固 体 ， 熔 点 、 沸 点 高 ， 硬 度 大 ， +14 2 8 4 +6 2 4 （ 2） 硅 的 原 子 结 构 碳 是 构 成 有 机物 的 主 要 元 素硅 是 构 成 岩 石 与 许多 矿 物 的 基 本 元 素Si C因 为 硅 和 碳 一 样 ,其 原 子 既 不 易 失 去 又 不 易 得到 电 子 ,主 要 形 成 四 价 的 化 合 物 .所 以 常 温 下 ， 碳 、 硅 单 质 的 化 学 性 质 不 活 泼 （ 3） 化 学 性 质常 温 下 ， 化 学 性 质 稳 定 ， 只 与 强 碱 、 氢 氟 酸 、 氟 气 反 应 Si+2F2=SiF4 Si+4H F=SiF4 +2H 2 Si+ 2NaOH + H 2O = Na2SiO3 +2H 2加 热 下 ， 较 活 泼Si + O 2 SiO2（ 唯 一 与 NaOH 溶 液 反 应 放 出 H 2的 非 金 属 单 质 ）Si 2Cl2 SiCl4（ 液 体 ， 易 挥 发 ）高 温 经 蒸 馏 提 纯 后 ， 再 用 氢 气 还 原 制 得 纯 硅 。（ 4） 硅 的 制 备工 业 上 先 在 电 炉 里 高 温 下 用 碳 还 原 二 氧 化 硅 制 得 粗 硅SiO2 2C = Si 2CO高 温然 后 将 粗 硅 在 高 温 下 跟 氯 气 反 应 生 成 一 种 液 态 物 质 。Si 2Cl2 SiCl4（ 液 体 ， 易 挥 发 ）高 温 高 温SiCl4 2H 2 Si 4H Cl 课 本 P81习 题 9 （ 5） 用 途 ： 集 成 电 路 、 晶 体 管 、 硅 整 流 器 等 半 导 体 材 料 ，还 可 以 制 成 太 阳 能 电 池 、 硅 的 合 金 可 用 来 制造 变 压 器 铁 芯 等 。 硅 是 一 种 亲 氧 元 素 ，在 自 然 界 它 总 是 与氧 相 互 化 合 。 硅 主要 以 二 氧 化 硅 和 硅酸 盐 形 式 存 在 。 二 、 二 氧 化 硅 （ SiO2） 和 硅 酸 （ H 2SiO3)1.存 在 ： 广 泛 存 在 与 自 然 界 ， 是 沙 子 、 石 英 的 主 要 成 分 。天 然 的 二 氧 化 硅 也 叫 硅 石 。 石 英 晶 体 是 结 晶 的 二 氧 化 硅 .石 英 水 晶 玛 瑙2 物 理 性 质 坚 硬 难 熔 的 固 体 ， 熔 沸 点 比 较 高 ， 不 溶 于 水 ，硬 度 比 较 大 。(一 )、 二 氧 化 硅 （ SiO2） 18010928Sio 基 本 结 构 单 元 为 硅 氧 四 面 体 Si2O4， 晶 体中 不 存 在 二 氧 化 硅 分 子 ， SiO2是 化 学 式 不 是 分 子式 。 所 以 ， 不 能 用 磨 口 玻 璃 塞盛 碱 性 溶 液 ， 如 NaOH 、K OH 、 Na2CO3、 Na2SiO3等 溶 液 。应 用 橡 胶 塞SiO2+2NaOH =Na2SiO3+H 2O （ 1） 、 酸 性 氧 化 物b、 常 温 下 、 与 NaOH溶 液 缓 慢 反 应 ： SiO2+2NaOH =Na2SiO3+H 2O3、 化 学 性 质 ：SiO2 + H2O =a、 SiO2是 H 2SiO3的 酸 酐 ， 不 溶 于 水 ， 不 能 直 接 与 水 反 应 制 取 硅 酸SiO2 + CaO = CaSiO3高 温c、 高 温 下 、 与 碱 性 氧 化 物 反 应 ：（ 2） 与 氢 氟 酸 作 用 （ SiO 2很 不 活 泼 ， H F是 唯 一 能 跟 其 反 应 的 酸 ）4H F+SiO2=SiF4+2H 2O 用 来 刻 蚀 玻 璃（ 3） 与 还 原 剂 作 用硅 的 制 取 SiO2 2C Si 2CO高 温d、 高 温 下 ， 与 某 些 盐 反 应 SiO2+CaCO3 = CaSiO3+CO2高 温SiO2+Na2CO3 = Na2SiO3+CO2高 温 4、 用 途 ：光 导 纤 维石 英 ： 耐 高 温 化 学 仪 器 、 石 英 电 子 表 、 石 英 钟水 晶 ： 电 子 工 业 的 重 要 部 件 、 光 学 仪 器 、 高 级 工 艺 品 和 眼 镜 片玛 瑙 ： 精 密 仪 器 轴 承 、 耐 磨 器 皿 和 装 饰 品 光 纤 视 频玛 瑙 饰 品 练 一 练1 下 列 叙 述 中 ， 正 确 的 是A 自 然 界 中 存 在 大 量 单 质 硅 B 硅 元 素 是 形 成 地 壳 的 主 要 元 素 ， 在 地 壳 中 的 含 量 占第 一 位C 纯 硅 可 以 通 过 下 列 反 应 制 得 ： SiO2+2C=Si+2CO D 单 晶 硅 是 良 好 的 半 导 体 材 料 D2、 下 列 物 质 中 ， 不 能 与 二 氧 化 硅 反 应 的 是 （ ） A、 烧 碱 B、 氢 氟 酸 C、 硝 酸 D、 生 石 灰 c 2、 硅 酸 （ H2SiO3)（ 1） 制 取 ： Na2SiO3+2H Cl=2NaCl+H 2SiO3白 色 胶 状 强 酸 制 弱 酸（ 2） 性 质 ： 白 色 粉 末 ， 难 溶 弱 酸 性 (酸 性 H 2SiO3 H 2CO3) 不 能 使 指 示 剂 变 色 脱 水 形 成 硅 胶Na2SiO3+CO2+H 2O=H 2SiO3+Na2CO3（ 用 作 干 燥 剂 ） 原理思考：二 氧 化 硅 不 溶 于 水 ， 如 何 由 二 氧 化 硅 制 取 硅 酸 ？H 2SiO3+2NaOH =Na2SiO3+2H 2O 不 稳 定 性 H 2SiO3 SiO2 + H 2O 五 、 硅 酸 盐 （ 由 硅 、 氧 、 金 属 元 素 组 成 的 化 合 物 的 总 称 ）1、 结 构 复 杂 、 种 类 繁 多 ， 一 般 不 溶 于 水 ， 性 质 稳 定 。3、 硅 酸 钠 （ Na 2SiO3） ： 白 色 固 体 ， 可 溶 于 水 ， 其 水 溶液 （ 无 色 ） 俗 称 水 玻 璃 、 泡 花 碱 ， 具 有 一 定 黏 性4、 用 途 ： 用 作 肥 皂 填 料 、 木 材 防 火 剂 、 黏 胶 剂 等2、 用 氧 化 物 形 式 表 示 硅 酸 盐 的 方 法 ：表 示 成 氧 化 物 形 式 的 顺 序 是 ： 金 属 氧 化 物 二 氧 化 硅 水例 如 ： 高 岭 石 Al2（ Si2O5） （ OH） 4表 示 成 氧 化 物 的 方 法 是 ：Al2O3 2SiO2 2H2O与 酸 反 应 ： Na2SiO3+CO2+H 2O=H 2SiO3+Na2CO3 5、 硅 酸 盐 的 工 业 ： （ 3） 水 泥（ 2） 玻 璃（ 1） 陶 瓷4、 无 机 非 金 属 材 料 ：主 要 包 括 ： 玻 璃 、 陶 瓷 、 无 机 非 金 属 涂 层 等 。特 点 ： 耐 高 温 、 硬 度 高 、 抗 腐 蚀 ； 有 的 还 有 独 特 的 光电 特 性（ 1） 传 统 无 机 非 金 属 材 料 ： 以 硅 酸 盐 为 主 要 成 分 ， 包 括 玻 璃 、水 泥 、 陶 瓷 等 。（ 2） 新 型 无 机 非 金 属 材 料 ： 如 高 温 结 构 陶 瓷 、 生 物 陶 瓷 、 压电 陶 瓷 等 。 （ 1） 陶 瓷 (人 类 应 用 最 早 的 硅 酸 盐 材 料 ） 硅 酸 盐 的 丰 富 性 和 多 样 性人 面 鱼 纹 盆 (陶 瓷 ) 砖 瓦 (陶 瓷 ) （ 2） 玻 璃1、 原 料 ： 纯 碱 、 石 灰 石 和 石 英 2、 主 要 设 备 ： 玻 璃 熔 炉 3、 生 产 过 程 ： 原 料 粉 碎 ， 玻 璃 熔 炉 中 强 热 ，成 型 冷 却5、 主 要 成 分 ： Na 2SiO3、 CaSiO3、 SiO2 （ Na2OCaO6SiO2） SiO2+CaCO3 = CaSiO3+CO2高 温SiO2+Na2CO3 = Na2SiO3+CO2高 温4、 原 理 ： 玻 璃 :普 通 玻 璃 : Na2OCaO6SiO2 （ 3） 水 泥 ：1、 主 要 原 料 ： 粘 土 和 石 灰 石 2、 主 要 设 备 ： 水 泥 回 转 窑 3、 生 产 过 程 ： 生 料 研 磨 ，高 温 煅 烧 得 熟 料 ， 再 加 石膏 研 成 粉 末 得 普 通 硅 酸 盐水 泥 4、 特 性 ： 水 硬 性 新型陶瓷人造骨即耐高温又耐低温的硅橡胶制品 结 构 陶 瓷 ： 主 要 是 指 发 挥 其 机 械 、 热 、 化 学 等 性 能 的一 大 类 新 型 陶 瓷 材 料 ， 它 可 以 在 许 多 苛 刻 的 工 作 环 境 下 服役 ， 因 而 成 为 许 多 新 兴 科 学 技 术 得 以 实 现 的 关 键 。 在 空间 技 术 领 域 ， 制 造 宇 宙 飞 船 需 要 能 承 受 高 温 和 温 度 急 变 、强 度 高 、 重 量 轻 且 长 寿 的 结 构 材 料 和 防 护 材 料 ， 在 这 方 面 ，结 构 陶 瓷 占 有 绝 对 优 势 。 从 第 一 艘 宇 宙 飞 船 即 开 始 使 用 高温 与 低 温 的 隔 热 瓦 ， 碳 -石 英 复 合 烧 蚀 材 料 已 成 功 地 应 用于 发 射 和 回 收 人 造 地 球 卫 星 。压 电 陶 瓷 ： 你 听 说 过 会 说 话 、 会 唱 歌 的 陶 瓷 吗 ？ 会 侦 察、 会 指 挥 、 能 诊 断 、 能 生 电 的 陶 瓷 吗 ？ 这 就 是 压 电 陶 瓷 ，属 于 现 代 功 能 陶 瓷 。 神 奇 的 压 电 陶 瓷 -海 中 “ 雷 达 ” 侦 察兵 ： 雷 达 是 用 无 线 电 原 理 对 空 中 目 标 搜 索 、 定 位 、 导 向 的通 讯 工 具 ， 而 在 水 中 不 能 发 挥 作 用 。 用 压 电 陶 瓷 制 成 的 声纳 系 统 可 在 水 中 起 到 同 样 的 作 用 。 透 明 陶 瓷 ：陶 瓷 一 般 是 不 透 光 的 ， 由 于 陶 瓷 的 不 透 光 ， 使 陶 瓷 的用 途 受 到 很 多 的 限 制 。 科 学 家 经 过 长 时 间 悉 心 研 究 后， 终 于 在 1957年 制 成 了 世 界 上 第 一 片 透 光 陶 瓷 。 透 光陶 瓷 有 着 广 泛 的 用 途 。 当 透 光 陶 瓷 问 世 后 ， 使 高 压 钠灯 的 研 制 成 功 。 高 压 钠 灯 是 一 种 发 光 效 率 很 高 的 电 光源 ， 在 同 样 功 率 下 一 盏 高 压 钠 灯 能 顶 两 盏 高 压 汞 灯 ，且 光 线 柔 和 、 银 白 ， 在 高 压 钠 灯 下 看 物 体 不 但 清 楚 ，且 不 刺 眼 。 另 外 高 压 钠 灯 还 具 有 特 殊 的 本 领 ， 光 线 能透 过 浓 雾 不 被 散 射 ， 作 为 道 路 、 汽 车 、 广 场 的 用 灯 特别 合 适 。 透明氧化铝陶瓷 超 导 陶 瓷 ： 1973年 ， 人 们 发 现 了 超 导 合 金 铌 锗 合 金 ， 其 临 界 超导 温 度 为 23.2K， 该 记 录 保 持 了 13年 。 1986年 ， 设 在 瑞 士苏 黎 士 的 美 国 IBM公 司 的 研 究 中 心 报 道 了 一 种 氧 化 物 （ 镧 钡 铜 氧 ） 具 有 35K的 高 温 超 导 性 ， 打 破 了 传 统 “ 氧化 物 陶 瓷 是 绝 缘 体 ” 的 观 念 ， 引 起 世 界 科 学 界 的 轰 动 。 此后 ， 科 学 家 们 争 分 夺 秒 地 攻 关 ， 几 乎 每 隔 几 天 ， 就 有 新 的研 究 成 果 出 现 。 1987年 2月 ， 美 国 华 裔 科 学 家 朱 经 武 和 中国 科 学 家 赵 忠 贤 相 继 在 钇 钡 铜 氧 系 材 料 上 把 临 界 超导 温 度 提 高 到 90K以 上 ， 液 氮 的 禁 区 （ 77K） 也 奇 迹 般 地 被突 破 了 。 1987年 底 ， 铊 钡 钙 铜 氧 系 材 料 又 把 临 界超 导 温 度 的 记 录 提 高 到 125K。 从 1986 1987年 的 短 短 一 年多 的 时 间 里 ， 临 界 超 导 温 度 竟 然 提 高 了 100K以 上 ， 这 在 材料 发 展 史 ， 乃 至 科 技 发 展 史 上 都 堪 称 是 一 大 奇 迹 ！ 生 物 陶 瓷 ：生 物 陶 瓷 指 与 生 物 体 或 生 物 化 学 有 关 的 新 型 陶 瓷 。 生物 陶 瓷 可 分 为 与 生 物 体 相 关 的 植 入 陶 瓷 和 与 生 物 化 学相 关 的 生 物 工 艺 学 陶 瓷 。 前 者 植 入 体 内 以 恢 复 和 增 强生 物 体 的 机 能 ， 是 直 接 与 生 物 体 接 触 使 用 的 生 物 陶 瓷 。后 者 用 于 固 定 酶 、 分 离 细 菌 和 病 毒 以 及 作 为 生 物 化 学反 应 的 催 化 剂 ， 是 使 用 时 不 直 接 与 生 物 体 接 触 的 生 物陶 瓷 。 生 物 陶 瓷 应 用 1、 在 碳 族 元 素 中 最 高 价 氧 化 物 的 水 化 物 中 酸 性 最 强 的 是 （ ） 密 度 最 大 的 金 属 是 （ ） 其 稳 定 的 价 态 是 （ ） 硬 度 最 大 的 是 （ ）2、 试 写 出 三 个 能 产 生 氢 气 的 反 应 （ 不 能 用 金 属 ） ， 并 用 双 线 桥 分 析 。3、 石 墨 炸 弹 爆 炸 时 ， 在 方 圆 几 百 米 范 围 内 撒 下大 量 石 墨 纤 维 ， 造 成 输 电 线 、 电 厂 设 备 损 坏 ， 这是 由 于 石 墨 能 （ ） 4、 写 出 以 SiO 2为 原 料 制 取 硅 酸 的 离 子 反 应 方 程 式 5、 试 用 一 种 试 剂 可 以 区 分 碳 酸 钠 、 碳 酸 氢 钠 、 硝 酸钠 和 硅 酸 钠 四 种 溶 液 ， 写 出 有 关 的 离 子 方 程 式 。6、 设 计 一 个 实 验 用 一 种 试 剂 证 明 生 石 灰 中 有 石 英 和石 灰 石7、 2MgOSiO2中 的 酸 根 离 子 是 （ ） ， 滑 石 的 化 学式 为 Mg3(Si4O10)(OH)2， 把 它 改 写 成 氧 化 物 的 形 式（ ）8、 用 化 学 方 程 式 解 释 ： 实 验 室 中 盛 放 碱 液 的 试 剂 瓶 为 什 么 不 用 玻 璃 塞 ？ 实 验 室 盛 放 氢 氟 酸 的 试 剂 瓶 为 什 么 不 用 玻 璃 瓶 ？9、 写 一 个 高 温 下 ， C既 做 氧 化 剂 又 做 还 原 剂 的 反 应