《硅及其化合物》PPT课件.ppt

硅是一种化学元素，它的化学符号是Si。原子序数14，相对原子质量28.09，有无定形硅和晶体硅两种同素异形体，属于元素周期表上IVA族的类金属元素。晶体结构：晶胞为面心立方晶胞。原子体积:(立方厘米/摩尔)12.1元素在太阳中的含量:(ppm)900元素在海水中的含量:(ppm)太平洋表面0.03地壳中含量：（ppm）277100排在第二位,晶体硅为灰黑色，无定形硅为黑色，密度2.32-2.34克立方厘米，熔点1410，沸点2355，晶体硅属于原子晶体，硬而有金属光泽，有半导体性质。硅的化学性质比较活泼，在高温下能与氧气等多种元素化合，不溶于水、硝酸和盐酸，溶于氢氟酸和碱液，用于制造合金如硅铁、硅钢等，单晶硅是一种重要的半导体材料，用于制造大功率晶体管、整流器、太阳能电池等。硅在自然界分布极广，地壳中约含27.6，含量仅次于氧，居第二位。结晶型的硅是暗黑蓝色的，很脆，是典型的半导体。化学性质非常稳定。在常温下，除氟化氢以外，很难与其他物质发生反应。,发现1822年，瑞典化学家贝采里乌斯用金属钾还原四氟化硅，得到了单质硅。名称由来源自英文silica，意为“硅石”。分布硅主要以化合物的形式,作为仅次于氧的最丰富的元素存在于地壳中，约占地表岩石的四分之一，广泛存在于硅酸盐和硅石中。制备工业上，通常是在电炉中由碳还原二氧化硅而制得。化学反应方程式：SiO2+2C=Si+2CO（高温）这样制得的硅纯度为9798%，叫做金属硅。再将它融化后重结晶，用酸除去杂质，得到纯度约为99.799.8%的金属硅。如要将它做成半导体用硅，还要将其转化成易于提纯的液体或气体形式，再经蒸馏、分解过程得到多晶硅。如需得到高纯度的硅，则需要进行进一步的提纯处理。同位素已发现的硅的同位素共有12种，包括硅25至硅36，其中只有硅28，硅29，硅30是稳定的，其他同位素都带有放射性。用途硅是一种半导体材料，可用于制作半导体器件和集成电路。还可以合金的形式使用(如硅铁合金)，用于汽车和机械配件。也与陶瓷材料一起用于金属陶瓷中。还可用于制造玻璃、混凝土、砖、耐火材料、硅氧烷、硅烷。,1823年，贝齐里乌斯将氟硅酸钾（K2SiF6）与过量金属钾共热制得无定形硅。尽管之前也有不少科学家也制得过无定形硅，但直到贝齐里乌斯将制得的硅在氧气中燃烧，生成二氧化硅硅土，硅才被确定为一种元素。硅被命名为silicium，元素符号是Si。硅是一种半导体材料，可用于制作半导体器件和集成电路。还可以合金的形式使用(如硅铁合金)，用于汽车和机械配件。也与陶瓷材料一起用于金属陶瓷中。还可用于制造玻璃、混凝土、砖、耐火材料、硅氧烷、硅烷。造房子用的砖、瓦、砂石、水泥、玻璃，吃饭，喝水用的瓷碗、水杯，洗脸间的洁具，它们看上去截然不同，其实主要成分都是硅的化合物。虽然人们早在远古时代便使用硅的化合物粘土制造陶器。但直到1823年，瑞典化学家贝采利乌斯才首次分离出硅元素，并将硅在氧气中燃烧生成二氧化硅，确定硅为一种元素。中国曾称它为矽，因矽和锡同音，难于分辨，故于1953年将矽改称为硅。硅是一种非金属元素，化学符号是Si。它是构成矿物与岩石的主要元素。在自然界硅无游离状态，都存在于化合物中。硅的化合物主要是二氧化硅（硅石）和硅酸盐。例如，花岗岩是由石英、长石、云母混合组成的，石英即是二氧化硅的一种形式，长石和云母是硅酸盐。砂子和砂岩是不纯硅石的变体，是天然硅酸盐岩石风化后的产物。硅约占地壳总重量的27.72，其丰度仅次于氧。硅是非金属元素，有无定形和晶体两种同素异形体，晶体硅具有金属光泽和某些金属特性，因此常被称为准金属元素。硅是一种重要的半导体材料，掺微量杂质的硅单晶可用来制造大功率晶体管、整流器和太阳能电池等。二氧化硅（硅石）是最普遍的化合物，在自然界中分布极广，构成各种矿物和岩石。最重要的晶体硅石是石英。大而透明的石英晶体叫水晶，黑色几乎不透明的石英晶体叫墨晶。石英的硬度为7。石英玻璃能透过紫外线，可以用来制造汞蒸气紫外光灯和光学仪器。自然界中还有无定形的硅，叫做硅藻土，常用作甘油炸药（硝化甘油）的吸附体，也可作绝热、隔音材料。普通的砂子是制造玻璃、陶瓷、水泥和耐火材料等的原料。硅酸干燥脱水后的产物为硅胶，它有很强的吸附能力，能吸收各种气体，因此常用来作吸附剂、干燥剂和部分催化剂的载体,元素描述：由无定型和晶体两种同素异形体。具有明显的金属光泽，呈灰色，密度2.32-2.34克/厘米3，熔点1410，沸点2355，具有金刚石的晶体结构，电离能8.151电子伏特。加热下能同单质的卤素、氮、碳等非金属作用，也能同某些金属如Mg、Ca、Fe、Pt等作用。生成硅化物。不溶于一般无机酸中，可溶于碱溶液中，并有氢气放出，形成相应的碱金属硅酸盐溶液，于赤热温度下，与水蒸气能发生作用。硅在自然界分布很广，在地壳中的原子百分含量为16.7%。是组成岩石矿物的一个基本元素，以石英砂和硅酸盐出现。元素来源：用镁还原二氧化硅可得无定形硅。用碳在电炉中还原二氧化硅可得晶体硅。电子工业中用的高纯硅则是用氢气还原三氯氢硅或四氯化硅而制得。元素用途：用于制造高硅铸铁、硅钢等合金，有机硅化合物和四氯化硅等，是一种重要的半导体材料，掺有微量杂质得硅单晶可用来制造大功率的晶体管，整流器和太阳能电池等。元素辅助资料：硅在地壳中的含量是除氧外最多的元素。如果说碳是组成一切有机生命的基础，那么硅对于地壳来说，占有同样的位置，因为地壳的主要部分都是由含硅的岩石层构成的。这些岩石几乎全部是由硅石和各种硅酸盐组成。长石、云母、黏土、橄榄石、角闪石等等都是硅酸盐类；水晶、玛瑙、碧石、蛋白石、石英、砂子以及燧石等等都是硅石。但是，硅与氧、碳不同，在自然界中没有单质状态存在。这就注定它的发现比碳和氧晚。拉瓦锡曾把硅土当成不可分割的物质元素。,硅的用途：高纯的单晶硅是重要的半导体材料。在单晶硅中掺入微量的第IIIA族元素，形成p型硅半导体；掺入微量的第VA族元素，形成n型和p型半导体结合在一起，就可做成太阳能电池，将辐射能转变为电能。在开发能源方面是一种很有前途的材料。另外广泛应用的二极管、三极管、晶闸管和各种集成电路（包括我们计算机内的芯片和CPU)都是用硅做的原材料。金属陶瓷、宇宙航行的重要材料。将陶瓷和金属混合烧结，制成金属陶瓷复合材料，它耐高温，富韧性，可以切割，既继承了金属和陶瓷的各自的优点，又弥补了两者的先天缺陷。可应用于军事武器的制造第一架航天飞机“哥伦比亚号”能抵挡住高速穿行稠密大气时摩擦产生的高温，全靠它那三万一千块硅瓦拼砌成的外壳。光导纤维通信，最新的现代通信手段。用纯二氧化硅拉制出高透明度的玻璃纤维，激光在玻璃纤维的通路里，无数次的全反射向前传输，代替了笨重的电缆。光纤通信容量高，一根头发丝那么细的玻璃纤维，可以同时传输256路电话，它还不受电、磁干扰，不怕窃听，具有高度的保密性。光纤通信将会使21世纪人类的生活发生革命性巨变。性能优异的硅有机化合物。例如有机硅塑料是极好的防水涂布材料。在地下铁道四壁喷涂有机硅，可以一劳永逸地解决渗水问题。在古文物、雕塑的外表，涂一层薄薄的有机硅塑料，可以防止青苔滋生，抵挡风吹雨淋和风化。天安门广场上的人民英雄纪念碑，便是经过有机硅塑料处理表面的，因此永远洁白、清新。有机硅化合物，是指含有Si-O键、且至少有一个有机基是直接与硅原子相连的化合物，习惯上也常把那些通过氧、硫、氮等使有机基与硅原子相连接的化合物也当作有机硅化合物。其中，以硅氧键（-Si-0-Si-）为骨架组成的聚硅氧烷，是有机硅化合物中为数最多，研究最深、应用最广的一类，约占总用量的90%以上。,同时，其化合物也被应用在很多方面：（1）硅-锗合金做的换能器，其工作温度可达1000，机械性能和抗氧化性能很好，高温下不易蒸发和中毒，无论在真空还是空气中都能工作。（2）天然橡胶和合成橡胶的使用温度，一般都在150以下，否则就会老化变质。20世纪40年代发展起来的硅橡胶，是以硅一氧一硅为主链的半无机高分子弹性体，兼有无机材料和有机材料的某些特点，使用温度范围宽广。硅橡胶具有优异的耐臭氧、耐碱、生理惰性(对人机体没有不良影响，可做为某些脏器的修复材料，如人工关节)和电气性能。某些特殊结构的硅橡胶，更具有优良的耐油、耐溶剂、耐辐射等特性，因此硅橡胶已广泛用于航空、宇宙航行技术、电气及电子工业部门。（3）用1102甲基乙烯基硅橡胶做生胶原料，乙炔炭黑做填料可制成导电橡胶，是电子表中连接集成电路与液晶屏的理想导电材料。（4）硅酸在水中能形成凝胶，因此可制得一种吸附剂-硅胶。硅胶是一种极性吸附剂，对H20等极性物质都有较强的吸附能力，工业上常用做干燥剂和吸附剂。（5）硅酸钠的水溶液叫水玻璃，工业上称做泡花碱。木材及织物浸过水玻璃后，可以防腐，不易着火。（6）硅溶胶是以Si02为基本单位的水中分散体。在羊毛纺织过程中，它可做为轻纺上浆的胶剂，以减少羊毛纤维的断头率，在涂层中含有硅溶胶，可提高无机纤维材料的表面抗热强度。在搪瓷器皿制造业中，加进硅溶胶以后，可降低膨胀系数，以改进对四氟乙烯的粘合性，在玻璃及玻璃陶瓷中亦有同样效果。若在玻璃中掺入2530的硅溶胶，可制得优质的硅硼酸玻璃。某些钠硼硅酸盐玻璃(含氧化钠、氧化硼和氧化硅)经过热处理，原子重新组合，就分为互不熔混的两部分。一部分主要含氧化硅，另一部分主要含氧化钠和氧化硼。如果再用酸处理，那么二氧化硅将不受酸的影响而留下来，而氧化钠和氧化硼则溶于酸中，剩下众多的空洞微孔，于是就制成了用途广泛的微孔玻璃。将微孔玻璃烘干，烧结，就得到高硅氧透明玻璃。它耐高温，热稳定性好，透紫外线能力强，可在多方面代替石英玻璃，适宜做高温观察窗，比如宇宙飞船上的观察窗。迫过它去观察物体，不会发生变形，因为它的光学均匀性也很好。,（7）如果在普通的钠铝硼硅酸盐玻璃中加入少量卤化银做感光剂，微量铜做增感剂，用玻璃常规工艺熔化，退火再经适当处理，就能制成卤化银光色玻璃。它会因光的强度不同而改变颜色，在强光防护、显示装置、光信息存储、交通工具上的挡风玻璃等方面，都有重要用途。（8）纯净的二氧化硅晶体叫做石英。石英在1600熔化成粘稠液体，内部变为无规则形态，再遇冷时，因为粘度大而不易再结晶，成为石英玻璃。它有很多特殊的性质，如能让可见光和紫外光通过，可用它制造紫外灯和光学仪器；它的膨胀系数小，能经受温度的剧变，而且有很好的抗酸性（除氢氟酸外），因此，常被用来制造高级化学器皿。（9）医用激光器配置的光能传输系统是用石英光导纤维制成的，它不仅细巧轻便，灵活自如，且可将激光能量传入人体内脏器官进行医治。（10）一种新型水泥双快水泥，具有快凝、快硬的特点。它浇注一天后的强度，相当于普通水泥浇注7-28天的强度，可用于滑升模板施工、预应力混凝土构件、砌块的快速成型和脱模，也可用它做矿井巷道喷射混凝土或机械铸件造型自硬砂。用废轮胎等制成海绵状弹性体，与粘结性强的乳剂和水泥混和搅拌，就成为橡胶水泥。它克服了原有混凝土的缺点，能防止龟裂、剥离和吸水，既可用于铺路，又可用于建筑物上。（11）氮化硅陶瓷的强度和硬度很高，抗热震性和耐化学腐蚀性好，摩擦系数小且有自润性，是一种优越的耐磨材料。用氮化硅陶瓷制成的机械密封圈，经过几百到几千小时的运转后，磨损较小，寿命较原用材料提高几倍到十几倍。（12）碳化硅(SiC)，又叫金刚砂。它具有类似金刚石的结构，硬度极大，而且分解温度又很高，所以在工业上大量用作磨料。同时以碳化硅陶瓷为基板的碳化硅远红外辐射板，被加热到一定温度后，能辐射出215微米以上的长波红外线，它对有机物，高分子物质以及对远红外线有强烈吸收峰的含水物质等有很高的干燥效率。目前，这种碳化硅远红外辐射板巳用于自行车，缝纫机，家俱，木材，皮革，纺织，食品及粮食作物的干燥。,有机硅材料具有独特的结构：（1）Si原子上充足的甲基将高能量的聚硅氧烷主链屏蔽起来；（2）C-H无极性，使分子间相互作用力十分微弱；（3）Si-O键长较长，Si-O-Si键键角大。（4）Si-O键是具有50离子键特征的共价键（共价键具有方向性，离子键无方向性）。由于有机硅独特的结构，兼备了无机材料与有机材料的性能，具有表面张力低、粘温系数小、压缩性高、气体渗透性高等基本性质，并具有耐高低温、电气绝缘、耐氧化稳定性、耐候性、难燃、憎水、耐腐蚀、无毒无味以及生理惰性等优异特性，广泛应用于航空航天、电子电气、建筑、运输、化工、纺织、食品、轻工、医疗等行业，其中有机硅主要应用于密封、粘合、润滑、涂层、表面活性、脱模、消泡、抑泡、防水、防潮、惰性填充等。随着有机硅数量和品种的持续增长，应用领域不断拓宽，形成化工新材料界独树一帜的重要产品体系，许多品种是其他化学品无法替代而又必不可少的。有机硅材料按其形态的不同，可分为：硅烷偶联剂（有机硅化学试剂）、硅油（硅脂、硅乳液、硅表面活性剂）、高温硫化硅橡胶、液体硅橡胶、硅树脂、复合物等。,缺乏症饲料中缺少硅可使动物生长迟缓。动物试验结果显示，喂饲致动脉硬化饮料的同时补充硅，有利于保护动物的主动脉的结构。另外，已确定血管壁中硅含量与人和动物粥样硬化程度呈反比。在心血管疾病长期发病率相差两部的人群中，其饮用水中硅的含量也相差约两倍，饮用水硅含量高的人群患病较少。并且他已知的危险因素都不能充分解释这种不同高硅症高硅饮食的人群曾发现局灶性肾小球肾炎,肾组织中含硅量明显增高.也有报道有人大量服用硅酸镁(含硅抗酸剂)可能诱发人类的尿路结石.经呼吸道长期吸入大量含硅的粉尘,可引起矽肺.,