無機(jī)非金屬材料的主角-硅全節(jié)課件

第四章非金屬及其化合物§4.1

無機(jī)非金屬材料-硅從沙灘到用戶？為什么不直接從單質(zhì)硅制取芯片，而用沙子經(jīng)過處理制取芯片？思考硅元素(silicon)在地殼中的含量氧48.6%硅26.3%鋁7.73%鐵4.75%鈣3.45%鈉2.74%鉀2.47%鎂2.00%氫0.16%其他1.20%硅26.3%硅在地殼中含量第二，硅的氧化物及硅酸鹽構(gòu)成的巖石、沙子和土壤，約占地殼的90％以上。硅的存在與分布存在：沒有游離態(tài)，只有化合態(tài)分布：自然界中分布廣泛，是構(gòu)成礦物和巖石的基本元素。圖4-1硅的廣泛存在+14284+6242.硅的原子結(jié)構(gòu)碳是構(gòu)成有機(jī)物的主要元素硅是構(gòu)成巖石與許多礦物的基本元素SiC因?yàn)楣韬吞家粯?其原子既不易失去又不易得到電子,主要形成四價(jià)的化合物.所以常溫下，碳、硅單質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)不活潑碳和硅在自然界中存在形式有所不同的原因是什么？碳和硅都是親氧元素但是硅的親氧能力更強(qiáng)思考結(jié)晶形（石英晶體）無定形——硅藻土水晶瑪瑙一、二氧化硅和硅酸1、二氧化硅（SiO2）(1)存在:天然的SiO2稱為硅石硅石無色透明彩色環(huán)帶或?qū)訝钏К旇烊凰ё纤N薇石英茶晶黃水晶天然瑪瑙每1個(gè)Si原子周圍結(jié)合4個(gè)O原子，Si在中心,O在四個(gè)頂角。同時(shí)每1個(gè)O原子周圍結(jié)合2個(gè)Si原子相結(jié)合。硅原子——二氧化硅中氧原子與硅原子個(gè)數(shù)比為2：1，用SiO2來表示二氧化硅的組成,表示O與Si的原子個(gè)數(shù)比,不是分子式是化學(xué)式。[SiO4]四面體結(jié)構(gòu)立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)決定了SiO2具有優(yōu)良的物理和化學(xué)性質(zhì)(2)結(jié)構(gòu)SiO2的用途現(xiàn)代通信用光纜光學(xué)纖維胃鏡用光導(dǎo)纖維做無開刀手術(shù)光導(dǎo)纖維手術(shù)頭燈光導(dǎo)纖維水晶制品瑪瑙(3)用途：光導(dǎo)纖維石英：耐高溫化學(xué)儀器、石英電子表、石英鐘水晶：電子工業(yè)的重要部件、光學(xué)儀器、高級(jí)工藝品和眼鏡片瑪瑙：精密儀器軸承、耐磨器皿和裝飾品光纖視頻瑪瑙飾品思考與交流P76物理性質(zhì):_____________________________化學(xué)穩(wěn)定性:_________________________通常條件下，很穩(wěn)定硬度大、熔點(diǎn)高、難溶于水二氧化碳CO2二氧化硅SiO2化學(xué)式的意義狀態(tài)硬度熔沸點(diǎn)相同點(diǎn)表示二氧化碳分子及其組成表示二氧化硅晶體中硅氧原子個(gè)數(shù)比氣態(tài)固態(tài)很小很大能溶于水不溶于水很低很高(4)二氧化硅的物理性質(zhì)

都屬酸性氧化物水溶性什么叫酸性氧化物？初中學(xué)過的酸性氧化物的通性包括哪些方面（以CO2為例）討論與水、堿、堿性氧化物反應(yīng)(5)二氧化硅的化學(xué)性質(zhì)（通常很不活潑）①具有酸性氧化物的通性（有粘性，其溶液俗稱水玻璃）d、高溫下，與某些鹽反應(yīng)SiO2+CaCO3==CaSiO3+CO2高溫SiO2+Na2CO3==Na2SiO3+CO2高溫SiO2+H2O===a、SiO2是H2SiO3的酸酐，不溶于水，不能直接與水反應(yīng)制取硅酸b、常溫下、與NaOH溶液緩慢反應(yīng)：SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2OSiO2+CaO===CaSiO3高溫c、高溫下、與堿性氧化物反應(yīng)：設(shè)疑:實(shí)驗(yàn)室中盛放堿液的試劑瓶與盛放其它溶液的試劑瓶有何不同？為什么？實(shí)驗(yàn)室盛裝NaOH溶液的試劑瓶用橡膠塞而不用玻璃塞

NaOH溶液能與玻璃中的SiO2反應(yīng)生成Na2SiO3，使瓶塞部分粘結(jié)而無法打開。因此盛裝NaOH溶液的試劑瓶不能用玻璃塞而要用橡膠塞。原因③在高溫下能與還原劑反應(yīng)，表現(xiàn)弱氧化性SiO2+2C＝高溫Si+2CO↑SiO2+2Mg高溫＝Si+2MgOSiO2＋4HF=SiF4↑＋2H2O此反應(yīng)常用于雕刻玻璃②特性與氫氟酸HF反應(yīng)思考:實(shí)驗(yàn)室為什么不用玻璃瓶盛裝氫氟酸？

HF能腐蝕玻璃，因此，盛裝氫氟酸不能用玻璃試劑瓶而要用塑料瓶。熔點(diǎn)高，硬度大，難溶于水。

SiO2是自然界中沙子、石英的主要成分。結(jié)晶的二氧化硅叫石英；天然二氧化硅叫硅石。1.二氧化硅的物理性質(zhì)小結(jié)二氧化碳

CO2二氧化硅

SiO2狀態(tài)氣態(tài)固態(tài)熔沸點(diǎn)硬度熔沸很低熔點(diǎn)高，硬度大水溶性能溶于水不溶于水化學(xué)性質(zhì)與酸——

用途人工降雨，滅火,飲料等P75,圖4－5與水反應(yīng)與堿性氧化物反應(yīng)與堿反應(yīng)CO2+H2O=H2CO3CO2+2NaOH=Na2CO3+H2OCO2+Na2O=Na2CO3不能反應(yīng)SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O能與氫氟酸反應(yīng)SiO2＋CaO=CaSiO3高溫2.二氧化硅和二氧化碳的性質(zhì)比較思考二氧化硅難溶于水，又不與水反應(yīng)，那么，如何制得硅酸呢？

實(shí)驗(yàn)4-1：向飽和Na2SiO3溶液中滴入酚酞，再滴入稀鹽酸現(xiàn)象結(jié)論方程式①滴入酚酞溶液呈紅色①Na2SiO3溶液呈堿性Na2SiO3+2HCl=H2SiO3+2NaCl實(shí)驗(yàn)探究②滴入鹽酸有凝膠產(chǎn)生②硅酸難溶于水生成的硅酸逐漸聚合而形成硅酸溶膠（能流動(dòng)），當(dāng)硅酸的濃度較大時(shí)，就會(huì)形成硅酸凝膠（不能流動(dòng)），硅酸凝膠經(jīng)過干燥脫水就形成硅膠。硅膠的用途：干燥劑（吸水），吸附劑（多孔），催化劑的載體。知識(shí)拓展：

把稀硫酸加入到Na2SiO3溶液中，會(huì)有什么現(xiàn)象？現(xiàn)象結(jié)論方程式滴入硫酸有凝膠產(chǎn)生硅酸難溶于水Na2SiO3+H2SO4=H2SiO3+Na2SO4活動(dòng)與探究：硅酸是一種比碳酸還要弱的酸。請(qǐng)利用中學(xué)實(shí)驗(yàn)室常見的儀器及藥品，設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)，證明硅酸的酸性比碳酸弱，并完成一份實(shí)驗(yàn)報(bào)告。用H2CO3可制得H2SiO3，可證明H2SiO3的酸性比H2CO3弱。SiO32-+H2O+CO2=CO32-+H2SiO3↓Na2SiO3+H2O+CO2=Na2CO3+H2SiO3↓

反應(yīng)方程式2.硅酸()硅酸是一種白色粉末狀的固體，它不溶于水；是一種弱酸，不能使指示劑變色。H2SiO3H2SiO3=SiO2+H2ONa2SiO3+2HCl=H2SiO3+2NaClNa2SiO3+CO2+H2O=H2SiO3+Na2CO3硅酸的制取——由于SiO2不溶于水，所以硅酸是通過可溶性硅酸鹽與酸反應(yīng)制得的。SiO32-+2H+==H2SiO3↓1、CO2通入下列各溶液中，無明顯現(xiàn)象發(fā)生的是（）A、氯化鈣溶液B、澄清石灰水C、硅酸鈉溶液A合作討論：2、為確認(rèn)HCl、H2CO3、H2SiO3的酸性強(qiáng)弱，有人設(shè)計(jì)用如右圖裝置，一次實(shí)驗(yàn)即可達(dá)到目的（不必再選用其它酸性溶液）。請(qǐng)依據(jù)此實(shí)驗(yàn)填空：（1）錐形瓶?jī)?nèi)裝某可溶性正鹽固體，分液漏斗中所盛試劑是____________

。（2）裝置B所盛試劑是____________，裝置B所盛試劑的作用是__________________。（3）裝置C所盛試劑是____________，出現(xiàn)的現(xiàn)象是____________________________。鹽酸飽和NaHCO3溶液

除CO2中含有的HCl

Na2SiO3溶液

產(chǎn)生白色凝膠二、硅酸鹽結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一般不溶于水，化學(xué)性質(zhì)很穩(wěn)定。硅酸鈉（Na2SiO3),

其水溶液俗稱水玻璃，是制備硅膠和木材防火劑等的原料。是由硅、氧和金屬組成的化合物的總稱。實(shí)驗(yàn)4-2放入蒸餾水放入Na2SiO3飽和溶液現(xiàn)象結(jié)論當(dāng)水分蒸發(fā)后燃燒當(dāng)水分蒸發(fā)后不易燃燒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2、硅酸鹽組成表示硅酸鈉（Na2SiO3)鎂橄欖石（Mg2SiO4）鈣沸石Ca(Al2Si3O10)·3H2O活潑金屬氧化物·較活潑金屬氧化物·SiO2·H2ONa2O

·SiO22MgO

·SiO2CaO

·Al2O3·3SiO2·3H2O

K2O·3Al2O3·6SiO2·2H2OK(Al3Si3O10)(OH)2練習(xí)傳統(tǒng)無機(jī)非金屬材料硅酸鹽產(chǎn)品陶瓷水泥玻璃閱讀教材78-793、硅酸鹽產(chǎn)品陶瓷玻璃水泥

3、硅酸鹽產(chǎn)品陶瓷玻璃水泥

生產(chǎn)原料：黏土（Al2O3·2SiO2·2H2O）生產(chǎn)設(shè)備：陶瓷窯生產(chǎn)過程：混合-成型-干燥-燒結(jié)-冷卻主要性質(zhì)：抗氧化、抗酸堿腐蝕、耐高溫、絕緣、易成型陶瓷生產(chǎn)原料：純堿、石灰石、石英（Na2CO3、CaCO3、SiO2）生產(chǎn)設(shè)備：玻璃熔爐反應(yīng)原理：主要成分：Na2SiO3、CaSiO3、SiO2主要特性：非晶體，無固定的熔點(diǎn)高溫SiO2+Na2CO3Na2SiO3+CO2↑

SiO2+CaCO3CaSiO3+CO2↑

高溫玻璃生產(chǎn)原料：石灰石、黏土（CaCO3、Al2O3·2SiO2·2H2O）生產(chǎn)設(shè)備：水泥回轉(zhuǎn)窯主要成分：3CaO·SiO2

2CaO·SiO2

3CaO·Al2O3主要特性：水泥具有水硬性水泥具有特殊功能的含硅物質(zhì)碳化硅（SiC俗稱金剛砂），具有金剛石的結(jié)構(gòu)。硬度很大，用作砂紙、砂輪的磨料。

硅鋼（鐵合金）導(dǎo)磁性良好，用作變壓器鐵芯硅橡膠分子篩具有均勻微孔結(jié)構(gòu)的鋁硅酸鹽碳化硅(金剛砂,SiC)：硬度大硅鋼：高導(dǎo)磁性硅橡膠：良好的彈性分子篩：吸附劑、催化劑特殊功能的含硅物質(zhì)圖4-9既耐高溫又耐低溫的硅橡膠制品新型無機(jī)非金屬材料：新型陶瓷高溫結(jié)構(gòu)陶瓷、壓電陶瓷透明陶瓷、超導(dǎo)陶瓷等科學(xué)視野圖4-10生物陶瓷制成的人造骨二、硅酸鹽無機(jī)非金屬材料傳統(tǒng)無機(jī)非金屬材料新型無機(jī)非金屬材料陶瓷玻璃水泥高溫結(jié)構(gòu)陶瓷壓電陶瓷透明陶瓷超導(dǎo)陶瓷元素周期表半導(dǎo)體硅有晶體硅和無定形硅兩種同素異形體物性：1、灰黑色，有金屬光澤，硬而脆的固體2、熔、沸點(diǎn)高、硬度大3、晶體硅是良好的半導(dǎo)體三、硅單質(zhì)半導(dǎo)體材料：指導(dǎo)電能力介于

和

之間的一類材料，最早使用的半導(dǎo)體材料是

，現(xiàn)在最廣泛使用的半導(dǎo)體材料是鍺導(dǎo)體絕緣體硅圖4-11單晶硅圖4-11單晶硅化學(xué)性質(zhì)

常溫下，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，只與強(qiáng)堿、氫氟酸、氟氣反應(yīng)①Si+2F2=SiF4

②Si+4HF=SiF4↑+2H2↑③Si+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H2↑加熱下，較活潑Si+O2SiO2（唯一與NaOH溶液反應(yīng)放出H2的非金屬單質(zhì)）Si＋2Cl2＝SiCl4（液體，易揮發(fā)）高溫存在在自然界中，沒游離態(tài)的硅，以化合態(tài)存在，例如：硅酸鹽等，在地殼中含量居第二位。用途集成電路、晶體管、硅整流器等半導(dǎo)體材料，還可以制成太陽能電池、硅的合金可用來制造變壓器鐵芯等。集成電路晶體管5.用途晶體硅的導(dǎo)電性介于導(dǎo)體和半導(dǎo)體之間,是良