《无机非金属材料的主角—硅》课件

问 题v 自 然 界 中 的 岩 石 、 沙 子 、 土 壤 是由 什 么 构 成 ？ 你 还 知 道哪 些 含 硅的 物 质 ？ 水 晶 玛 瑙 硅的广泛存在 元 素 周 期 表 第 A族 的 二 兄 弟 碳 和 硅 豪 门 二 杰碳 元 素 硅 元 素形 成 了 无 数 种 构 成 人 类 和 其 它地 球 生 物 等 的 有 机 物 ， “ 统 治了 有 机 界 ” 。煤 、 石 油 等 有 机 化 产 品 和 材 料是 现 代 化 的 基 石 地 壳 质 量 的 约 90%， 构 成 了 地 壳大 部 分 岩 石 、 沙 子 和 土 壤 ， “ 统 治 了 地 壳 ”硅 酸 盐 工 业 的 陶 瓷 、 玻 璃 、水 泥 等 使 人 类 生 活 日 新 月 异 一 、 二 氧 化 硅 和 硅 酸 硅 是 一 种 亲 氧 元 素 ， 在 自 然 界 它 总 是 与 氧 相 互 化 合 。所 以 在 氧 化 气 氛 包 围 的 地 球 上 ， 硅 主 要 以 熔 点 很 高 的氧 化 物 及 硅 酸 盐 的 形 式 存 在 。1、二氧化硅（SiO2） SiO2是 硅 的 重 要 化 合 物 。 地 球 上 存 在 的 天 然 二 氧 化 硅 约 占 地 壳质 量 的 12 ， 其 存 在 形 态 有 结 晶 形 和 无 定 形 两 大 类 ， 通 称 硅 石 。SiO2的 结 构 玛 瑙水 晶晶体二氧化硅 硅 藻 土 中 国 硅 藻 土 资 源 丰 富 。 全 国 10个 省 (区 )有 硅 藻 土 矿 产 出 。 探 明 储 量 的 矿 区 有354处 ， 总 保 有 储 量 矿 石 3.85亿 吨 。仅 次 于 美 国 ， 居 世 界 第 2位 。 在 地 区 分 布 上 ， 以 吉 林 最 多 ， 占 全 国 储 量 的 54.8%，云 南 、 福 建 、 河 北 等 地 次 之 。 矿 床 类 型主 要 为 火 山 物 源 沉 积 型 矿 床 (吉 林 长 白 、山 东 临 胸 、 浙 江 嵊 州 市 硅 藻 土 矿 等 )和陆 源 沉 积 型 (云 南 寻 甸 、 四 川 米 易 硅 藻土 矿 等 )矿 床 。 成 矿 时 代 集 中 在 第 三 纪和 第 四 纪 ， 以 第 三 纪 为 主 。 无定形二氧化硅 光学纤维胃镜二 氧 化 硅 的 用 途 二 氧 化 硅 的 用 途 坚 硬 难 熔 的 固 体 ， 熔 沸 点 比 较 高 ，不 溶 于 水 ， 硬 度 比 较 大 。（ 1） 物 理 性 质 ： （ 2） 化 学 性 质 ：（ a） 常 温 与 氢 氟 酸 （ SiO2很 不 活 泼 ， HF是唯 一 能 跟 其 反 应 的 酸 ）4HF+SiO2=SiF4 +2H2O（ b） 酸 性 氧 化 物 ： 不 溶 于 水 ， 也 不 与 水 反 应 。2NaOH +SiO2=Na2SiO3+H 2O与 强 碱 反 应 ：与 碱 性 氧 化 物 反 应 ： SiO2+CaO=CaSiO3高 温(所 以 ， 不 能 用 磨 口 玻 璃 塞 盛 碱 性 溶 液 ， 如 NaOH、KOH、 Na 2CO3、 Na2SiO3等 溶 液 。 ) 2.硅 酸 （ H2SiO3）思 考 ： 1.二 氧 化 硅 不 溶 于 水 ， 不 跟 水 反 应 ，如 何 从 二 氧 化 硅 来 制 备 H2SiO3是 一 种 很 弱 的 酸 ， 比 碳 酸 的 酸 性 还 弱Na2SiO3+2HCl=2NaCl+H2SiO3 所 生 成 的 硅 酸 逐 渐 聚 合 而 形 成 胶 体 硅 酸 溶 胶 ，硅 酸 浓 度 较 大 时 ， 则 形 成 软 而 透 明 的 、 胶 冻 状 的 硅 酸凝 胶 。 硅 酸 凝 胶 经 干 燥 脱 水 就 形 成 硅 酸 干 胶 ， 称 为“ 硅 胶 ” 。 硅 胶 多 孔 ， 吸 附 水 分 能 力 强 ， 常 用 做 实 验室 和 袋 装 食 品 、 瓶 装 药 品 等 的 干 燥 剂 ， 也 可 以 用 作 催化 剂 的 载 体 。实 验 4 1 二 、 硅 酸 盐 硅 酸 盐 是 由 硅 、 氧 和 金 属 组 成 的 化 合 物 的 总 称 ， 在自 然 界 分 布 极 广 。 硅 酸 盐 是 一 类 结 构 复 杂 的 化 合 物 ，一 般 都 不 溶 于 水 ， 化 学 性 质 很 稳 定 。 最 简 单 又 常 用 的 硅 酸 盐 是 硅 酸 钠 （ Na2SiO3） ， 其水 溶 液 称 为 水 玻 璃 ， 可 以 作 肥 皂 填 料 、 木 材 防 火 剂 及黏 胶 剂 等 。 实 验 4 2 几 种 硅 酸 盐 产 品 陶 瓷 、 玻 璃 、 水 泥 ， 最 重 要的 无 机 非 金 属 材 料 。新 型 的 陶 瓷 1.能 承 受 高 温 、 强 度 高 。例 如 ： 氮 化 硅 陶 瓷 在 1200 左 右 的 高 温 下 ，仍 具 有 很 高 的 强 度 ， 可 用 来 制 造 汽 轮 机 叶片 、 轴 承 、 永 久 性 模 具 等 。 2.具 有 电 学 特 性 ， 一 些 新 型 无 机 非 金 属材 料 可 以 作 为 半 导 体 、 导 体 、 超 导 体 等 ，一 些 绝 缘 性 材 料 常 被 用 于 集 成 电 路 的 基板 。 3.具 有 光 学 特 性 。 有 些 新 型 无 机非 金 属 材 料 能 发 出 各 色 的 光 ，有 的 能 透 过 可 见 光 ， 有 的 能 使红 外 线 、 雷 达 射 线 穿 过 。 处于高温下的光导纤维 F-117是 一 种 单 座 战 斗 轰 炸 机 。 设 计 目 的 是 凭 隐 身 性 能 ， 突 破 对手 火 力 网 ， 压 制 对 手 防 空 系 统 ， 摧 毁 严 密 防 守 的 指 挥 所 、 战 略 要地 、 重 要 工 业 目 标 ， 还 可 执 行 侦 察 任 务 ， 具 有 一 定 空 战 能 力 。 4. 具 有 生 物 特 性 。 有 些 新 型 无 机 非 金 属 材 料强 度 高 、 无 毒 、 不 溶 于 水 ， 对 人 体 组 织 有 较好 的 适 应 性 ， 可 直 接 植 入 人 体 内 ， 用 这 类 材料 制 成 的 人 造 牙 齿 、 人 造 骨 骼 ， 已 被 应 用 在医 疗 上 。 人造关节 用 二 氧 化 硅 和 金 属 氧 化 物 的 形 式 表 示其 组 成 。 实 例Na2SiO3Na2OSiO2 高 岭 石Al2（ Si2O5） （ OH） 4Al2O3 2SiO22H2O l要 领 ： 两 边 原 子 个 数 守 恒l格 式 ： 金 属 氧 化 物 、 二 氧 化 硅 、 水l顺 序 ： 金 属 按 活 动 顺 序 表 K2O3Al2O36SiO22H 2OK(Al3Si3O10)(OH )2 三 、 硅 （ Si）硅 有 晶 体 硅 和 无 定 形 硅 两 种 同 素 异 形 体1、 灰 黑 色 ， 有 金 属 光 泽 ， 硬 而 脆 的 固 体2、 熔 、 沸 点 高 、 硬 度 大3、 晶 体 硅 是 良 好 的 半 导 体常 温 下 ， 硅 的 化 学 性 质 不 活 泼 ，除 氢 氟 酸 、 氟 气 、 强 碱 外 不 跟 其他 物 质 如 ： 氧 气 、 氯 气 、 硫 酸 等起 反 应 ， 但 在 加 热 情 况 下 ， 硅 也能 跟 一 些 非 金 属 反 应 。 1、 与 氟 气 反 应 ：2、 与 氢 氟 酸 反 应 ：3、 与 强 碱 溶 液 反 应 ：4、 与 氯 气 反 应 ：5、 与 氧 气 反 应Si+2F2=SiF4Si+4H F=SiF4+2H 2Si+2NaOH +H 2O=Na2SiO3+2H 2Si+2Cl2=SiCl4Si+O 2=SiO2 存在在 自 然 界 中 ， 没 游 离 态 的 硅 ， 以 化 合 态 存 在 ， 例 如 ：硅 酸 盐 等 ， 在 地 壳 中 含 量 居 第 二 位 。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 。 集 成 电 路 晶 体 管 制 备工 业 上 ： SiO2 粗 硅 SiCl4 Si+C +Cl2 精 馏 +H2高 温 高 温 高 温Si+2C = 2CO+Si(含 杂 质 的 粗 硅 )Si+2Cl2 = SiCl4生 成 的 液 态 SiCl4经 精 馏 、 除 硼 、 砷 等 ， 再 用 H2还 原SiCl 4+2H2=4HCl+Si(纯 度 高 的 多 晶 硅 )高 温高 温 高 温 相 应 练 习 1已 知 硅 与 强 碱 氢 氧 化 钠 溶 液 反 应 的 化 学 方 程 式 为 ：Si+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H2现 把 11.5g钠 和 4.2g硅 同 时 投 入 100g水 中 ， 在 标 况 下可 收 集 到 H2多 少 L？ （ 提 示 ： 与 Si反 应 的 NaOH是 过量 的 ）解 ：Na1/2H 223 1/2 22.411.5 XSi2H 228 2 22.44.2 Y Y=(4.2 2 22.4)/28=6.72(L)VH2=5.6+6.72=12.32(L)12 22.4 11.523 5.6LX 相 应 练 习 2在 实 验 室 里 ， 将 细 砂 粉 （ SiO2） 与 镁 粉 混 合 加 热 ，也 可 得 到 粗 硅 ， 反 应 的 化 学 方 程 式 为这 样 得 到 的 硅 不 纯 净 ， 往 往 含 有 过 量 的 镁 、 氧 化镁 及 硅 化 镁 （ Mg 2Si） 等 ， 这 些 杂 质 可 用 盐 酸 除 去 ，有 关 反 应 的 化 学 方 程 式 为SiO2+2Mg=2MgO+Si高 温 MgO+2HCl=MgCl2+H2OMg2Si+4HCl=2MgCl2+SiH4Mg+2HCl=MgCl2+H2 硅 元 素单 质 硅Si + F2Si + HFSi + NaOH 加 热 能 与 某些 非 金 属 单质 反 应 （ O2、Cl 2） O2 Na2SiO3、CaSiO3二 氧 化 硅 是 光 导 纤 维的 主 要 原 料 ， 光 导 纤维 可 用 作 通 讯 材 料 和制 造 医 用 内 窥 镜 等硅 可 制 造 集 成 路 、太 阳 能 电 池 等 ； 硅合 金 可 用 来 制 造 变压 器 铁 芯 、 耐 酸 设备 等 。 只 有 化 合 态SiO2 硅 酸 盐C 高 温 HF无 游 离 态常 温 不 活 泼作 业 ： 习 题 1 、 4 归 纳总 结