無機非金屬材料的主角------硅

1、硅硅 第一節(jié)第一節(jié) 無機非金屬材料的主角無機非金屬材料的主角 在地殼中硅的含量為在地殼中硅的含量為26.3%26.3%，僅次于氧。，僅次于氧。硅是親氧元硅是親氧元素，沒有游離態(tài)，素，沒有游離態(tài)，硅的氧化物及硅酸鹽構(gòu)成了地殼大部分硅的氧化物及硅酸鹽構(gòu)成了地殼大部分的的巖石、沙子巖石、沙子和和土壤土壤，約占地殼質(zhì)量的，約占地殼質(zhì)量的90%90%以上。在無機非以上。在無機非金屬材料中，硅一直扮演著主要角色。金屬材料中，硅一直扮演著主要角色。硅的存在與分布硅的存在與分布圖圖 4-1 4-1 硅的廣泛存在硅的廣泛存在從從原子結(jié)構(gòu)原子結(jié)構(gòu)認(rèn)識硅認(rèn)識硅哪種元素最外層電哪種元素最外層電子數(shù)與子數(shù)與Si相同？相

2、同？SiC碳碳是構(gòu)成有機物是構(gòu)成有機物的主要元素的主要元素硅硅是構(gòu)成巖石和許是構(gòu)成巖石和許多礦物的主要元素多礦物的主要元素 硅和碳硅和碳一樣一樣, ,其原子其原子既不易失去電子，也既不易失去電子，也不易得到電子，主要形成不易得到電子，主要形成四價化合物四價化合物結(jié)晶形（石英晶體）結(jié)晶形（石英晶體）水晶水晶瑪瑙瑪瑙（1 1）存在存在硅石硅石無色透明無色透明彩色環(huán)帶狀或?qū)訝畈噬h(huán)帶狀或?qū)訝钏iO2是硅最重要的化合物，自然界中沙子、是硅最重要的化合物，自然界中沙子、石英的主要成分是石英的主要成分是SiO2。無定形無定形硅藻土硅藻土瑪瑙1、 二氧化硅二氧化硅（ SiO2 ）一、二氧化硅和硅酸

3、每每1個個Si原子周圍結(jié)合原子周圍結(jié)合4個個O原子，原子，Si在中心在中心,O在四個頂角。在四個頂角。 同時每同時每1個個O原子周圍結(jié)合原子周圍結(jié)合2個個Si原子。原子。 二氧化硅中氧原子與硅原子個數(shù)比為二氧化硅中氧原子與硅原子個數(shù)比為21，用，用SiO2來表示來表示二氧化硅的組成二氧化硅的組成,表示表示O與與Si的原子個數(shù)比的原子個數(shù)比,不是分子式是化學(xué)式。不是分子式是化學(xué)式。SiOSiO4 4 四面體結(jié)構(gòu)四面體結(jié)構(gòu)立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)（2 2）SiOSiO2 2的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)（3 3）二氧化硅的用途）二氧化硅的用途 由于由于SiOSiO2 2具有優(yōu)良的物理化學(xué)性能，加上具有優(yōu)良的物理化學(xué)

4、性能，加上SiOSiO2 2在自然在自然界的廣泛存在，因此從古到今都被人類廣泛地應(yīng)用。界的廣泛存在，因此從古到今都被人類廣泛地應(yīng)用。純凈的純凈的SiOSiO2 2是是現(xiàn)代光學(xué)現(xiàn)代光學(xué)及及光纖制品光纖制品的基本材料，的基本材料， 可以制作可以制作光導(dǎo)纖維光導(dǎo)纖維。沙子沙子是基本的是基本的建筑材料建筑材料。石英石英和和瑪瑙瑪瑙制作飾物和工藝品制作飾物和工藝品 根據(jù)根據(jù)SiOSiO2 2的存在和用途的存在和用途, ,請你分析以下問題請你分析以下問題: : SiOSiO2 2具有哪些物理性質(zhì)具有哪些物理性質(zhì)? ?化學(xué)穩(wěn)定性如何化學(xué)穩(wěn)定性如何? ? SiOSiO2 2的這些性質(zhì)是由什么決定的的這些性質(zhì)是

5、由什么決定的? ? 物理性質(zhì)物理性質(zhì)_ 化學(xué)性質(zhì)化學(xué)性質(zhì)_ SiO SiO2 2的這些性質(zhì)是由其的這些性質(zhì)是由其_決定的。決定的。思考與交流：思考與交流：結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)硬度大、熔點高、難溶于水硬度大、熔點高、難溶于水通常條件下，很穩(wěn)定通常條件下，很穩(wěn)定 1 1：實驗室為什么不用玻璃瓶盛裝氫氟酸？：實驗室為什么不用玻璃瓶盛裝氫氟酸？思考與討論思考與討論2 2：實驗室盛裝：實驗室盛裝NaOHNaOH溶液的試溶液的試劑瓶為什么用橡膠塞而不用劑瓶為什么用橡膠塞而不用玻璃塞？（玻璃塞？（提示提示：玻璃中含：玻璃中含有有 、特性：、特性：與氫氟酸反應(yīng)與氫氟酸反應(yīng) 用氫氟酸刻蝕玻璃（只與（只與氫氟酸氫氟酸反應(yīng)反應(yīng)

6、, ,不與其它酸反應(yīng)）不與其它酸反應(yīng)）（用于雕刻玻璃）（用于雕刻玻璃） 與堿性氧化物（如與堿性氧化物（如CaOCaO）反應(yīng)）反應(yīng)SiO2 + CaO=CaSiO3 高溫高溫 與強堿（如與強堿（如NaOHNaOH）反應(yīng)）反應(yīng)SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O硅酸鈉硅酸鈉俗稱水俗稱水玻璃具玻璃具有粘性有粘性 玻璃中的玻璃中的SiO2會與會與NaOH溶液反應(yīng)生成溶液反應(yīng)生成帶有粘性的物質(zhì)帶有粘性的物質(zhì)Na2SiO3，會使瓶塞和瓶，會使瓶塞和瓶口粘在一起。口粘在一起。二氧化碳二氧化碳 二氧化硅二氧化硅 狀狀 態(tài)態(tài)物理性質(zhì)物理性質(zhì)化化學(xué)學(xué)性性質(zhì)質(zhì)與水與水與堿與堿與堿與堿性氧性氧化物化物與酸與酸

7、 用用 途途二氧化碳和二氧化硅的物理化學(xué)性質(zhì)及用途比較二氧化碳和二氧化硅的物理化學(xué)性質(zhì)及用途比較CO2+H2O=H2CO3CO2+2NaOH=Na2CO3+H2OCO2+Na2O=Na2CO3CO2+CaO=CaCO3不反應(yīng)不反應(yīng) = 固固 態(tài)態(tài)熔沸點低熔沸點低氣氣 態(tài)態(tài)熔沸點高、硬度大熔沸點高、硬度大人工降雨，滅火等人工降雨，滅火等 裝飾品、石英坩堝、光纖等裝飾品、石英坩堝、光纖等高溫高溫SiO2+CaO=CaSiO3 2 2、硅酸、硅酸 （HH2 2SiOSiO3 3）(2) (2) 制取制取現(xiàn)象現(xiàn)象結(jié)論結(jié)論化學(xué)化學(xué)方程方程式式 滴入酚酞后溶液變?yōu)榧t色，再滴入稀鹽酸，溶滴入酚酞后溶液變?yōu)榧t

8、色，再滴入稀鹽酸，溶液液紅色變淺至無色紅色變淺至無色，同時，同時有白色膠狀物質(zhì)有白色膠狀物質(zhì)產(chǎn)生。產(chǎn)生。 Na Na2 2SiOSiO3 3溶液呈堿性；硅酸難溶于水溶液呈堿性；硅酸難溶于水Na2SiO3 + 2HCl = 2NaCl + H2SiO3(膠體膠體)(1)(1)性質(zhì)性質(zhì): :硅酸是一種硅酸是一種白色固體白色固體，它，它不溶于水不溶于水；是一種是一種弱酸弱酸，酸性比碳酸還弱，酸性比碳酸還弱，不能不能使指示劑變色。使指示劑變色。（3 3）用途）用途 有白色膠狀物質(zhì)產(chǎn)生有白色膠狀物質(zhì)產(chǎn)生Na2SiO3+H2O+CO2=H2SiO3+Na2CO3思考思考: :分析以上制取原理若將分析以上制

9、取原理若將COCO2 2通入通入 NaNa2 2SiOSiO3 3溶液中溶液中有何現(xiàn)象有何現(xiàn)象? (? (碳酸的酸性強于硅酸的酸性碳酸的酸性強于硅酸的酸性) ) 生成的硅酸逐漸聚合而形成成的硅酸逐漸聚合而形成硅酸溶膠硅酸溶膠（能流動）（能流動），當(dāng)硅酸的，當(dāng)硅酸的濃度較大時，就會形成濃度較大時，就會形成硅酸凝膠硅酸凝膠（不能流動）（不能流動），硅酸凝膠硅酸凝膠(H2SiO3)經(jīng)老化脫水處理而制得經(jīng)老化脫水處理而制得硅膠硅膠。硅膠。硅膠的的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，除化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，除強堿、氫氟酸外不和任何強堿、氫氟酸外不和任何物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。具強烈的物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。具強烈的吸濕性能。吸濕性能。 硅膠硅膠的用途：

10、的用途： 干燥劑（吸水），干燥劑（吸水）， 吸附劑（多孔），吸附劑（多孔）， 催化劑的載體。催化劑的載體。藥品中的干燥劑藥品中的干燥劑一、一、SiO2結(jié)構(gòu)特點物理性質(zhì)化學(xué)性質(zhì)用 途二、二、H2SiO3物理性質(zhì)化學(xué)性質(zhì)用 途實驗室制法SiO32- + 2H+= H2SiO3SiO32-+H2O+CO2=H2SiO3+CO32-極弱酸極弱酸(酸性比碳酸還弱）酸性比碳酸還弱）H2SiO3+2NaOH=Na2SiO3+H2O練 習(xí)1.1.地殼中含量第一和第二的兩種元素所形成的化合物不地殼中含量第一和第二的兩種元素所形成的化合物不具有的性質(zhì)（具有的性質(zhì)（ ） A.A.熔點很高熔點很高 B.B.與水反應(yīng)生

11、成對應(yīng)的酸與水反應(yīng)生成對應(yīng)的酸 C.C.可與燒堿反應(yīng)生成鹽可與燒堿反應(yīng)生成鹽 D.D.堅硬堅硬2.2.賞心悅目的花瓶是用下列物質(zhì)的一種對玻璃進行刻蝕賞心悅目的花瓶是用下列物質(zhì)的一種對玻璃進行刻蝕而形成的而形成的, ,這種物質(zhì)是這種物質(zhì)是 （ ） A.A.鹽酸鹽酸 B.B.氫氟酸氫氟酸 C.C.燒堿燒堿 D.D.純堿純堿3.3.下列試劑不能貯存在磨口玻璃塞的試劑瓶里是（下列試劑不能貯存在磨口玻璃塞的試劑瓶里是（ ） A.HNOA.HNO3 3溶液溶液 B.KOHB.KOH溶液溶液 C.C.鹽酸鹽酸 D.NaClD.NaCl溶液溶液BBB 試劑試劑二氧化硅二氧化硅氫氧化鈉溶液氫氧化鈉溶液氫氟酸氫氟

12、酸濃硫酸濃硫酸 試劑瓶試劑瓶細(xì)口瓶，磨口塞細(xì)口瓶，磨口塞廣口瓶廣口瓶細(xì)口塑料瓶細(xì)口塑料瓶細(xì)口瓶，橡皮塞細(xì)口瓶，橡皮塞 4 4、實驗室有幾種試劑，根據(jù)它們各自的性質(zhì)，、實驗室有幾種試劑，根據(jù)它們各自的性質(zhì)，選擇適當(dāng)?shù)脑噭┢渴⒎拧Ｕ堅趯?yīng)的各種試劑瓶和選擇適當(dāng)?shù)脑噭┢渴⒎?。請在對?yīng)的各種試劑瓶和所裝試劑之間進行連線。所裝試劑之間進行連線。5 5、下列說法正確的是（、下列說法正確的是（ ）A ASiOSiO2 2溶于水顯酸性溶于水顯酸性B BCOCO2 2通入水玻璃通入水玻璃( (硅酸鈉的水溶液）可得硅酸硅酸鈉的水溶液）可得硅酸C CSiOSiO2 2是酸性氧化物，它不溶于任何酸是酸性氧化物，它不溶

13、于任何酸D DSiOSiO2 2晶體中存在單個晶體中存在單個SiOSiO2 2分子分子B二、硅酸鹽二、硅酸鹽硅酸鈉（硅酸鈉（Na2SiO3), 其水溶液俗稱其水溶液俗稱水玻璃水玻璃，是制備是制備硅膠硅膠和和木材防火劑木材防火劑等的原料。等的原料。是由是由硅、氧硅、氧和和金屬金屬組成的化合物的總稱。組成的化合物的總稱。結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一般不溶于水，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一般不溶于水， 化學(xué)性質(zhì)很穩(wěn)定?；瘜W(xué)性質(zhì)很穩(wěn)定。實驗實驗4-24-2 放入蒸餾水放入蒸餾水放入放入Na2SiO3飽和溶液飽和溶液現(xiàn)象現(xiàn)象結(jié)論結(jié)論當(dāng)水分蒸當(dāng)水分蒸發(fā)后燃燒發(fā)后燃燒當(dāng)水分蒸發(fā)當(dāng)水分蒸發(fā)后不易燃燒后不易燃燒用水玻璃浸泡過的木材或織物可防火

14、用水玻璃浸泡過的木材或織物可防火制備木材防火劑的原料制備木材防火劑的原料2、硅酸鹽組成的表示、硅酸鹽組成的表示化學(xué)式法：化學(xué)式法：硅酸鈉：硅酸鈉：Na2SiO3硅酸鈣：硅酸鈣：CaSiO3氧化物法：氧化物法：氧化物（低價氧化物（低價高價）高價）二氧化硅二氧化硅水水硅酸鈉：硅酸鈉：Na2O SiO2硅酸鈣：硅酸鈣：CaO SiO2練練 習(xí)習(xí)石棉石棉 ：CaMg3Si4O12 氧化物形式氧化物形式CaO3MgO4SiO2云母云母 ：KAl3Si3O10 (OH)2K2O3Al2O36SiO22H2O黏土黏土: :Al2Si2O72H2OAl2O32SiO22H2O無機非金無機非金屬材料屬材料傳統(tǒng)無

15、機非傳統(tǒng)無機非金屬材料金屬材料新型無機非新型無機非金屬材料金屬材料陶瓷陶瓷玻璃玻璃水泥水泥高溫結(jié)構(gòu)陶瓷高溫結(jié)構(gòu)陶瓷壓電陶瓷壓電陶瓷透明陶瓷透明陶瓷超導(dǎo)陶瓷超導(dǎo)陶瓷3 3、硅酸鹽、硅酸鹽產(chǎn)品產(chǎn)品生產(chǎn)原料：黏土生產(chǎn)原料：黏土（Al2O32SiO22H2O ）生產(chǎn)設(shè)備：生產(chǎn)設(shè)備：陶瓷窯陶瓷窯 高溫?zé)Y(jié)高溫?zé)Y(jié)生產(chǎn)過程：生產(chǎn)過程：混合混合- -成型成型- -干燥干燥- -燒結(jié)燒結(jié)- -冷卻冷卻主要性質(zhì)：主要性質(zhì)：抗氧化、抗酸堿腐蝕、耐高溫、抗氧化、抗酸堿腐蝕、耐高溫、 絕緣、易成型絕緣、易成型陶陶 瓷瓷青花瓷青花瓷描述景德鎮(zhèn)陶瓷描述景德鎮(zhèn)陶瓷有這樣一句話：有這樣一句話：薄如紙，薄如紙，聲如磬，聲如磬，

16、色如玉。色如玉。高溫高溫SiO2 + Na2CO3 Na2SiO3 + CO2 SiO2 + CaCO3 CaSiO3 + CO2 高溫高溫玻玻 璃璃 Na2OCaO6SiO2主要成分：主要成分：反應(yīng)原理：反應(yīng)原理：生產(chǎn)設(shè)備：生產(chǎn)設(shè)備： 玻璃窯玻璃窯 高溫熔融高溫熔融生產(chǎn)原料：生產(chǎn)原料： 純堿、石灰石、石英純堿、石灰石、石英 （Na2CO3、CaCO3、SiO2）玻玻 璃璃有色玻璃有色玻璃:在玻璃中添加有在玻璃中添加有色氧化物色氧化物如如:藍(lán)色藍(lán)色 氧化鈷氧化鈷(Co2O3) 紅色紅色 氧化亞銅氧化亞銅(Cu2O)普通玻璃加熱普通玻璃加熱接近熔化再急接近熔化再急速冷卻速冷卻生產(chǎn)原料：生產(chǎn)原料：

17、石灰石、黏土石灰石、黏土 （CaCO3、 Al2O32SiO22H2O ）水水 泥泥主要成分：主要成分：3CaOSiO22CaOSiO23CaOAl2O3生產(chǎn)設(shè)備：生產(chǎn)設(shè)備： 水泥回轉(zhuǎn)窯水泥回轉(zhuǎn)窯 高溫煅燒硅酸三鈣硅酸二鈣鋁酸三鈣具有特殊功能的含硅物質(zhì)具有特殊功能的含硅物質(zhì)、碳化硅（、碳化硅（SiC俗俗稱金剛砂），具有稱金剛砂），具有金剛石的結(jié)構(gòu)。金剛石的結(jié)構(gòu)。硬硬度很大，用作砂紙、度很大，用作砂紙、砂輪的磨料。砂輪的磨料。 、硅硅 鋼鋼（鐵合金）（鐵合金） 導(dǎo)磁性良好，用作導(dǎo)磁性良好，用作變壓器鐵芯變壓器鐵芯、硅橡膠、硅橡膠、分子篩、分子篩（具有均勻微孔結(jié)構(gòu)（具有均勻微孔結(jié)構(gòu) 的鋁硅酸鹽。）

18、的鋁硅酸鹽。）( (既耐高溫又耐既耐高溫又耐 低溫的橡膠低溫的橡膠) )高溫結(jié)構(gòu)陶瓷幾種幾種新型陶瓷新型陶瓷材料材料高溫結(jié)構(gòu)陶瓷在航天事業(yè)的運用原因： 是因為它具有耐高溫，耐氧化，超強，超硬的特點。 它可以在各種的環(huán)境下使用。同時也是造汽車發(fā)動機，噴氣發(fā)動機的理想材料，大大提高能源的利用率。 安放在打火機中的壓電陶瓷，一經(jīng)敲打就產(chǎn)生電火花，將機械能轉(zhuǎn)化為電能。壓電陶瓷點火器點火器透明氧化鋁陶瓷透明氧化鋁陶瓷 生物陶瓷 這種陶瓷強度這種陶瓷強度大，韌性好，與人大，韌性好，與人體親和力好。是目體親和力好。是目前人體骨骼和牙齒前人體骨骼和牙齒的重要移植材料。的重要移植材料。三、硅單質(zhì)三、硅單質(zhì)（1

19、1） 存在：存在：（2 2） 物理性質(zhì)：物理性質(zhì)： 晶體硅是晶體硅是有金屬光澤的灰黑色固體，有金屬光澤的灰黑色固體，熔點高，硬熔點高，硬度大，度大，有脆性有脆性。 晶體硅晶體硅的導(dǎo)電性介于導(dǎo)體和絕緣體之間，是良的導(dǎo)電性介于導(dǎo)體和絕緣體之間，是良好的半導(dǎo)體材料好的半導(dǎo)體材料。 單質(zhì)單質(zhì)硅有晶體硅和無定形硅兩種硅有晶體硅和無定形硅兩種同素異形體同素異形體, ,晶體晶體硅的結(jié)構(gòu)類似于金剛石。硅的結(jié)構(gòu)類似于金剛石。（3）、化學(xué)性質(zhì) 常溫下硅單質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)不活潑常溫下硅單質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)不活潑，只與氟氣、氫，只與氟氣、氫氟酸、強堿溶液反應(yīng)；氟酸、強堿溶液反應(yīng)；加熱時能和氧氣、氯氣、氫氣等非金屬反應(yīng)。加熱時能

20、和氧氣、氯氣、氫氣等非金屬反應(yīng)。. .常溫下與強堿反應(yīng)常溫下與強堿反應(yīng) Si + 2NaOH + H2O = Na2SiO3 + 2H2 . .加熱時，能與加熱時，能與O O2 2、ClCl2 2等反應(yīng)等反應(yīng)Si + 2F2 = SiF4 . .常溫下與常溫下與HFHF（氫氟酸）的反應(yīng)（氫氟酸）的反應(yīng) Si +4HF= SiF4+ 2H2 . .常溫下與常溫下與F F2 2反應(yīng)反應(yīng)Si + O2 = SiO2 Si + 2Cl2 = SiCl4 （4 4）硅的工業(yè)制法）硅的工業(yè)制法高溫高溫加熱加熱高溫高溫 （5 5）、硅的用途）、硅的用途 硅是一種重要的非金屬單質(zhì)，它的用途非常廣硅是一種重要的

21、非金屬單質(zhì)，它的用途非常廣泛。作為良好的半導(dǎo)體材料，硅可用來制造集成電泛。作為良好的半導(dǎo)體材料，硅可用來制造集成電路、晶體管、硅整流器等半導(dǎo)體器件，還可以制成路、晶體管、硅整流器等半導(dǎo)體器件，還可以制成太陽能電池，可制成有良好導(dǎo)磁性、耐酸性的合金太陽能電池，可制成有良好導(dǎo)磁性、耐酸性的合金硅芯片硅芯片大規(guī)模集成電路大規(guī)模集成電路太陽能電池太陽能電池1. 1.硅酸鹽表示方法：硅酸鹽表示方法：化學(xué)式法化學(xué)式法 氧化物法氧化物法2.硅酸鈉硅酸鈉硅酸鈉是一種無色晶體，熔點高。硅酸鈉是一種無色晶體，熔點高。硅酸鈉易溶于水，水溶液俗稱水玻璃，呈堿性。硅酸鈉易溶于水，水溶液俗稱水玻璃，呈堿性。Na2SiO3

22、易吸收空氣中的易吸收空氣中的CO2：Na2SiO3 +H2O+CO2= 2Na2CO3 + H2SiO3（膠體）（膠體）Na2SiO3溶液（水玻璃）溶液（水玻璃）木材防火、黏膠劑等木材防火、黏膠劑等3.3.硅酸鹽產(chǎn)品硅酸鹽產(chǎn)品 ：水泥、陶瓷、玻璃水泥、陶瓷、玻璃4.4.硅硅 存在與狀態(tài)；物理性質(zhì)；化學(xué)性質(zhì)存在與狀態(tài)；物理性質(zhì)；化學(xué)性質(zhì) 用途。用途。練 習(xí)1 1下列表述正確的是（下列表述正確的是（ ）A A人造剛玉熔點很高，可用作高級耐火材料，主要人造剛玉熔點很高，可用作高級耐火材料，主要成分是成分是SiOSiO2 2B B在醫(yī)療上碳酸鈉可用于治療胃酸過多在醫(yī)療上碳酸鈉可用于治療胃酸過多C C用于現(xiàn)代通訊的光導(dǎo)纖維的主要成分是高純度的硅用于現(xiàn)代通訊的光導(dǎo)纖維的主要成分是高純度的硅D D分散系中分散質(zhì)粒子的直徑：分散系中分散質(zhì)粒子的直徑：Fe(OH)Fe(OH)3 3 懸濁液懸濁液Fe(OH) Fe(OH) 3 3 膠體膠體FeC