第一节硅课件

第一节无机非金属材料的主角第一节无机非金属材料的主角硅硅Si-26.30%2020年10月2日1硅在地壳中含量第二，硅在地壳中含量第二，硅的氧化物及硅酸盐构成的硅的氧化物及硅酸盐构成的岩石、岩石、沙子和土壤，约占地壳的沙子和土壤，约占地壳的9090以上。以上。硅的存在与分布硅的存在与分布存在：没有游离态，只有化合态存在：没有游离态，只有化合态分布：自然界中分布广泛，是构成矿物和岩石的基本分布：自然界中分布广泛，是构成矿物和岩石的基本元素。元素。图图 4-1 4-1 硅的广泛存在硅的广泛存在2020年10月2日2碳和硅在自然界中存在形式有碳和硅在自然界中存在形式有所不同的原因是什么？所不同的原因是什么？碳和硅都是碳和硅都是亲氧元素亲氧元素但是硅的但是硅的亲氧能力亲氧能力更更 强强SiSi无单质无单质(游离态游离态)状态状态化合态：硅的氧化物和硅酸盐化合态：硅的氧化物和硅酸盐2020年10月2日3硅和碳硅和碳一样一样,其原子其原子既不易失去电子，也不易得到电既不易失去电子，也不易得到电子，子，所以硅的化学性质不活泼所以硅的化学性质不活泼,主要形成主要形成四价化合物四价化合物CSi碳碳是构成有机物是构成有机物的主要元素的主要元素硅硅是构成岩石和许是构成岩石和许多矿物的主要元素多矿物的主要元素从从原子结构原子结构认识硅认识硅2020年10月2日4硅有硅有晶体硅晶体硅和和无定形硅无定形硅两种同素异形体两种同素异形体1 1、灰黑色，有金属光泽，硬而、灰黑色，有金属光泽，硬而 脆的固体脆的固体2 2、熔、沸点高、硬度大熔、沸点高、硬度大3 3、晶体硅是、晶体硅是良好的半导体良好的半导体常温下，常温下，硅的化学性质硅的化学性质不活泼不活泼，除氢氟酸、氟气、强碱外除氢氟酸、氟气、强碱外不跟其不跟其他物质如：氧气、氯气、硫酸等他物质如：氧气、氯气、硫酸等起反应，但在起反应，但在加热加热情况下，硅也情况下，硅也能跟一些非金属反应。能跟一些非金属反应。一、硅单质一、硅单质2020年10月2日51 1、与氟气反应：、与氟气反应：4 4、与氢氟酸反应：、与氢氟酸反应：5 5、与强碱溶液反应：、与强碱溶液反应：2 2、与氯气反应：、与氯气反应：3 3、与氧气反应、与氧气反应Si+2F2=SiF4Si+4HF=SiF4+2H2 Si+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H2 Si+2Cl2=SiCl4Si+O2=SiO2 高温高温2020年10月2日6用途用途集成电路、晶体管、硅整流器等集成电路、晶体管、硅整流器等半导体材料半导体材料，还可以制成太阳能电池、硅的合金可用来制造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。变压器铁芯等。集成电路 晶体管2020年10月2日7工业上：工业上：SiO2 粗硅粗硅 SiCl4 Si+C +Cl2 精馏精馏+H2高温高温高温高温高温高温Si+2C=2CO+Si(含杂质的粗硅含杂质的粗硅)Si+2Cl2=SiCl4SiCl4+2H2=4HCl+Si(纯度高的多晶硅纯度高的多晶硅)高温高温高温高温高温高温纯硅的制备纯硅的制备 （课本（课本P81 9T）粗硅提纯：粗硅提纯：2020年10月2日8结晶形（石英晶体）结晶形（石英晶体）无定形无定形硅藻土硅藻土水晶水晶玛瑙玛瑙二、二、二氧化硅二氧化硅（SiO2）1 1、存在、存在:硅硅石石无色透明无色透明彩色环带或层状彩色环带或层状水晶水晶玛瑙SiO2是自然界中沙子、石英的主要成分。是自然界中沙子、石英的主要成分。结结晶的晶的二氧化硅二氧化硅叫石英叫石英；天然天然二氧化硅二氧化硅叫硅石叫硅石。2020年10月2日9 每每1个个Si原子周围结合原子周围结合4个个O原子，原子，Si在中心在中心,O在四个顶角。在四个顶角。同时每同时每1个个O原子周围结合原子周围结合2个个Si原子相结合。原子相结合。硅原子硅原子二氧化硅中氧原子与硅原子个数比为二氧化硅中氧原子与硅原子个数比为2：1，用，用SiO2来表示来表示二氧化硅的组成二氧化硅的组成,表示表示O与与Si的原子个数比的原子个数比,不是分子式是化学式。不是分子式是化学式。SiOSiO4 4 四面体结构四面体结构立体网状结立体网状结构决定了构决定了SiOSiO2 2具有优良具有优良的物理和化的物理和化学性质学性质2 2、结构、结构2020年10月2日103 3、SiOSiO2 2的用途的用途2020年10月2日11制光导纤维制光导纤维石英玻璃制化学仪器石英玻璃制化学仪器制石英表、石英钟制石英表、石英钟水晶制光学仪器和工艺品水晶制光学仪器和工艺品玛瑙制精密轴承和装饰品玛瑙制精密轴承和装饰品二氧化硅的用途二氧化硅的用途2020年10月2日12物理性质物理性质:_化学稳定性化学稳定性:_通常条件下，很稳定通常条件下，很稳定硬度大、熔点高、难溶于水硬度大、熔点高、难溶于水2020年10月2日134 4、二氧化硅的化学性质（、二氧化硅的化学性质（通常很不活泼通常很不活泼）1、具有酸性氧化物的通性具有酸性氧化物的通性与强碱反应生成盐和水与强碱反应生成盐和水 SiO SiO2 2 2NaOH=2NaOH=NaNa2 2SiOSiO3 3 HH2 2OO 硅酸钠硅酸钠硅酸钠硅酸钠 与碱性氧化物反应生成盐与碱性氧化物反应生成盐（有粘性，其溶液俗称水玻璃有粘性，其溶液俗称水玻璃）高温高温高温高温SiOSiO2 2 CaO CaO CaSiOCaSiO3 3与盐反应与盐反应 SiO SiO2 2 2NaCO 2NaCO3 3=NaNa2 2SiOSiO3 3 COCO2 2高温高温2020年10月2日14设疑设疑:实验室中盛放碱液的试剂瓶与盛实验室中盛放碱液的试剂瓶与盛放其它溶液的试剂瓶有何不同？放其它溶液的试剂瓶有何不同？2020年10月2日15SiO2 2 4HF=SiF42H2O此反应常用于雕刻玻璃此反应常用于雕刻玻璃2 2、特性特性特性特性 与与与与氢氟酸氢氟酸氢氟酸氢氟酸HFHF反应反应反应反应思考思考:实验室为什么不用玻璃瓶盛装氢氟酸？实验室为什么不用玻璃瓶盛装氢氟酸？2020年10月2日16 二氧化碳二氧化碳 CO2二氧化硅二氧化硅 SiO2 状状 态态 气气 态态 固固 态态熔沸点熔沸点 硬度硬度熔沸很低熔沸很低熔点高，硬度大熔点高，硬度大水水 溶溶 性性 能溶于水能溶于水不溶于水不溶于水化化学学性性质质与与 酸酸 用用 途途人工降雨，灭火人工降雨，灭火,饮料等饮料等光导纤维，仪器，光导纤维，仪器，工艺品工艺品与水反应与水反应与碱性氧化物与碱性氧化物反应反应与碱反应与碱反应CO2+H2O=H2CO3CO2+2NaOH=Na2CO3+H2OCO2+Na2O=Na2CO3不能反应不能反应SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O能与氢氟酸反应能与氢氟酸反应SiOSiO2 2 CaO=CaO=CaSiOCaSiO3 3高温高温高温高温二氧化硅和二氧化碳的性质比较二氧化硅和二氧化碳的性质比较2020年10月2日17三、硅酸三、硅酸(H2SiO3)硅酸是一种硅酸是一种白色粉末状白色粉末状的的固体固体，它，它不溶于水不溶于水；是一种；是一种弱酸弱酸，酸性比碳酸性比碳酸还弱，酸还弱，不能使指示剂变色。不能使指示剂变色。2020年10月2日18思考思考二氧化硅难溶于水，又不与二氧化硅难溶于水，又不与水反应，那水反应，那么，么，如何制得硅酸呢如何制得硅酸呢？2020年10月2日19实验实验4-1：向饱和：向饱和Na2SiO3溶液中滴入酚酞，溶液中滴入酚酞，再滴入稀盐酸再滴入稀盐酸现现 象象结结 论论方程式方程式滴入酚酞溶液呈滴入酚酞溶液呈红色红色 Na2SiO3溶液呈碱溶液呈碱性性Na2SiO3+2HCl=H2SiO3+2NaCl实验探究实验探究滴入盐酸有凝胶产生滴入盐酸有凝胶产生硅酸难溶于水硅酸难溶于水2020年10月2日20用用H2CO3可制得可制得H2SiO3，可证明，可证明H2SiO3 的酸性比的酸性比H2CO3弱。弱。SiO32-+H2O+CO2=CO32-+H2SiO3Na2SiO3 +H2O+CO2=Na2CO3+H2SiO32020年10月2日21Na2SiO3+2HCl=H2SiO3+2NaClNa2SiO3+CO2+H2O=H2SiO3+Na2CO3硅酸的制取硅酸的制取由于由于SiOSiO2 2不溶于水，所不溶于水，所以硅酸是通过可溶性硅酸盐与酸反应制以硅酸是通过可溶性硅酸盐与酸反应制得的。得的。SiO32-+2H+=H2SiO32020年10月2日22生成成的的硅硅酸酸逐逐渐渐聚聚合合而而形形成成硅硅酸酸溶溶胶胶（能能流流动动），当当硅硅酸酸的的浓浓度度较较大大时时，就就会会形形成成硅硅酸酸凝凝胶胶（不不能能流流动动），硅酸凝胶经过，硅酸凝胶经过干燥脱水就形成硅胶干燥脱水就形成硅胶。硅胶的用途：硅胶的用途：干燥剂（吸水），干燥剂（吸水），吸附剂（多孔），吸附剂（多孔），催化剂的载体。催化剂的载体。2020年10月2日23四、硅酸盐四、硅酸盐结构复杂，一般不溶于水，化学性质很结构复杂，一般不溶于水，化学性质很稳定稳定。硅酸钠（硅酸钠（Na2SiO3),其水溶液俗称水其水溶液俗称水玻璃，是制备硅胶和木材防火剂等的原玻璃，是制备硅胶和木材防火剂等的原料。料。是由硅、氧和金属组成的化合物的总称。是由硅、氧和金属组成的化合物的总称。2020年10月2日24实验实验4-24-2放入蒸馏水放入蒸馏水放入放入Na2SiO3饱和溶饱和溶液液现象现象结论结论当水分蒸当水分蒸发后燃烧发后燃烧当水分蒸发后当水分蒸发后不易燃烧不易燃烧用水玻璃浸泡过的木材或织物可防火用水玻璃浸泡过的木材或织物可防火制备木材防制备木材防火剂的原料火剂的原料2020年10月2日252、硅酸盐组成表示、硅酸盐组成表示硅酸钠（硅酸钠（Na2SiO3)镁橄榄石（镁橄榄石（Mg2SiO4）钙沸石钙沸石Ca(Al2Si3O10)3H2O活泼金属氧化物活泼金属氧化物较活泼金属氧化物较活泼金属氧化物SiO2H2ONa2O SiO22MgO SiO2CaO Al2O3 3SiO23H2O2020年10月2日26 K2O3Al2O36SiO22H2OK(Al3Si3O10)(OH)22020年10月2日27传统无机非金属材料传统无机非金属材料硅酸盐产品硅酸盐产品陶瓷陶瓷水泥水泥玻璃玻璃阅读教材阅读教材78-793、硅酸盐产品、硅酸盐产品 陶瓷陶瓷 玻璃玻璃 水泥水泥3、硅酸盐产品、硅酸盐产品 陶瓷陶瓷 玻璃玻璃 水泥水泥2020年10月2日28生产原料：黏土生产原料：黏土（Al2O32SiO22H2O）生产设备：陶瓷窑生产设备：陶瓷窑生产过程：混合生产过程：混合-成型成型-干燥干燥-烧结烧结-冷却冷却主要性质：抗氧化、抗酸碱腐蚀、耐高温、主要性质：抗氧化、抗酸碱腐蚀、耐高温、绝缘、易成型绝缘、易成型陶陶 瓷瓷2020年10月2日29生产原料：纯碱、石灰石、石英生产原料：纯碱、石灰石、石英 （Na2CO3、CaCO3、SiO2）生产设备：玻璃熔炉生产设备：玻璃熔炉反应原理：反应原理：主要成分：主要成分：Na2SiO3、CaSiO3、SiO2主要特性：非晶体，无固定的熔点主要特性：非晶体，无固定的熔点高温高温SiO2+Na2CO3 Na2SiO3+CO2 SiO2+CaCO3 CaSiO3+CO2 高温高温玻玻 璃璃 2020年10月2日30有色玻璃有色玻璃钢化玻璃钢化玻璃加入了不同的金属氧化物加入了不同的金属氧化物普通玻璃加热接近熔化普通玻璃加热接近熔化再急速冷却再急速冷却玻璃玻璃2020年10月2日31生产原料：石灰石、黏土生产原料：石灰石、黏土 （CaCO3、Al2O32SiO22H2O）生产设备：水泥回转窑生产设备：水泥回转窑主要成分：主要成分：3CaOSiO2 2CaOSiO2 3CaOAl2O3主要特性：水泥具有水硬性主要特性：水泥具有水硬性水水 泥泥2020年10月2日32具有特殊功能的含硅物质具有特殊功能的含硅物质 碳化硅（碳化硅（SiC俗称金刚砂），具有金刚俗称金刚砂），具有金刚石的结构。硬度很大，用作砂纸、砂轮石的结构。硬度很大，用作砂纸、砂轮的磨料。的磨料。硅硅 钢钢（铁合金）（铁合金）导磁性良导磁性良好，用作好，用作变压器铁变压器铁芯芯2020年10月2日33硅橡胶硅橡胶分子筛分子筛 具有均匀微具有均匀微孔结构的铝硅孔结构的铝硅酸盐酸盐2020年10月2日34碳化硅碳化硅(金刚砂金刚砂,SiC)：硬度大：硬度大硅钢：高导磁性硅钢：高导磁性硅橡胶：良好的弹性硅橡胶：良好的弹性分子筛：吸附剂、催化剂分子筛：吸附剂、催化剂特殊功能的含硅物质特殊功能的含硅物质图图 4-9既耐高温又耐低温既耐高温又耐低温的硅橡胶制品的硅橡胶制品2020年10月2日35演讲完毕，谢谢观看！Thank you for reading!In order to facilitate 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