硅 無機非金屬材料

第4章材料家族中的元素第1節(jié)硅無機非金屬材料你知道嗎？材料是人類生活必不可少的物質基礎。材料的發(fā)展史就是一部人類文明史。沒有感光材料，我們就無法留下青春的回憶；沒有特殊的熒光材料，就沒有彩色電視；沒有高純的單晶硅，就沒有今天的奔騰電腦；沒有特殊的新型材料，火箭就無法上天，衛(wèi)星就無法工作?？萍嫉陌l(fā)展和社會的進步往往受到材料的制約。一種新材料的發(fā)現(xiàn)可能會給社會帶來革命性的變化。新材料的不斷涌現(xiàn)，舊材料功能的不斷拓展，才使我們的世界日新月異，奔騰向前。定義材料是人類用于制造物品、器件、構件、機器或其他產品的物質。材料是物質，但不是所有物質都可以稱為材料。如燃料和化學原料、工業(yè)化學品、食物和藥物，一般都不算是材料。但是這個定義并不那么嚴格，如炸藥、固體火箭推進劑，一般稱之為“含能材料”，因為它屬于火炮或火箭的組成部分。

交流討論

豐富多彩的物質世界，如各種日常生活用品，工農業(yè)設施，建筑，交通工具等等，你知道構成它們的材料有哪些？請你分別站在不同的角度，對它們進行分類。解答：構成它們的材料有：塑料、各種金屬、木材、棉花、沙子、石頭、水泥、玻璃、陶瓷、泥土等等……從來源分：天然材料、人工合成材料從導電性分：導電材料、半導體材料、絕緣體材料從物質類別分：無機材料、有機材料；金屬材料、非金屬材料從物質性質分：……其中無機非金屬材料是材料中極為重要的組成部分！以下物質均含有無機非金屬材料無機非金屬材料用作電子器件建筑材料——水泥中國古代的陶瓷藝術最早的無機非金屬材料-天然石材無機非金屬材料發(fā)展歷史舊石器時代人們用來制作工具的天然石材是最早的無機非金屬材料。在公元前6000～前5000年中國發(fā)明了原始陶器。中國商代（約公元前17世紀初～約前11世紀）有了原始瓷器，并出現(xiàn)了上釉陶器。以后為了滿足宮廷觀賞及民間日用、建筑的需要，陶瓷的生產技術不斷發(fā)展。公元200年（東漢時期）的青瓷是迄今發(fā)現(xiàn)的最早瓷器。陶器的出現(xiàn)促進了人類進入金屬時代，中國夏代（約公元前22世紀末至約前21世紀初——約前17世紀初）煉銅用的陶質煉鍋，是最早的耐火材料。鐵的熔煉溫度遠高于銅，故鐵器時代的耐火材料相應地也有很大發(fā)展。18世紀以后鋼鐵工業(yè)的興起，促進耐火材料向多品種、耐高溫、耐腐蝕方向發(fā)展。公元前3700年，埃及就開始有簡單的玻璃珠作裝飾品。公元前1000年前，中國也有了白色穿孔的玻璃珠。公元初期羅馬已能生產多種形式的玻璃制品。1000～1200年間玻璃制造技術趨于成熟，意大利的威尼斯成為玻璃工業(yè)中心。1600年后玻璃工業(yè)已遍及世界各地區(qū)。公元前3000～前2000年已使用石灰和石膏等氣硬性膠凝材料。隨著建筑業(yè)的發(fā)展，膠凝材料也獲得相應的發(fā)展。公元初期有了水硬性石灰，火山灰膠凝材料，1700年以后制成水硬性石灰和羅馬水泥。1824年英國J.阿斯普丁發(fā)明波特蘭水泥。上述陶瓷、耐火材料、玻璃、水泥等的主要成分均為硅酸鹽，屬于典型的硅酸鹽材料。18世紀工業(yè)革命以后，隨著建筑、機械、鋼鐵、運輸?shù)裙I(yè)的興起，無機非金屬材料有了較快的發(fā)展，出現(xiàn)了電瓷、化工陶瓷、金屬陶瓷、平板玻璃、化學儀器玻璃、光學玻璃、平爐和轉爐用的耐火材料以及快硬早強等性能優(yōu)異的水泥。同時，發(fā)展了研磨材料、碳素及石墨制品、鑄石等。20世紀以來，隨著電子技術、航天、能源、計算機、通信、激光、紅外、光電子學、生物醫(yī)學和環(huán)境保護等新技術的興起，對材料提出了更高的要求，促進了特種無機非金屬材料的迅速發(fā)展。30～40年代出現(xiàn)了高頻絕緣陶瓷、鐵電陶瓷和壓電陶瓷、鐵氧體（又稱磁性瓷）和熱敏電阻陶瓷等。50～60年代開發(fā)了碳化硅和氮化硅等高溫結構陶瓷、氧化鋁透明陶瓷、β－氧化鋁快離子導體陶瓷、氣敏和濕敏陶瓷等。至今，又出現(xiàn)了變色玻璃、光導纖維、電光效應、電子發(fā)射及高溫超導等各種新型無機材料。思考：先前我們已經(jīng)對無機非金屬材料有了一定的了解，你知道生活中還有那些無機非金屬材料嗎？定義：無機非金屬材料(inorganicnonmetallicmaterials)是以某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、鹵素化合物、硼化物以及硅酸鹽、鋁酸鹽、磷酸鹽、硼酸鹽等物質組成的材料，是除有機高分子材料和金屬材料以外的所有材料的統(tǒng)稱。無機非金屬材料的提法是20世紀40年代以后,隨著現(xiàn)代科學技術的發(fā)展從傳統(tǒng)的硅酸鹽材料演變而來的。無機非金屬材料是與有機高分子材料和金屬材料并列的三大材料之一。其中硅酸鹽材料是無機非金屬材料的主要分支之一，硅酸鹽材料是陶瓷的主要組成物質。硅無機非金屬材料第一節(jié)第一節(jié)1、了解硅的主要性質；2、了解二氧化硅的主要性質。硅的氧化物及硅酸鹽構成了地殼中大部分的巖石、沙子和土壤、約占地殼總量的90%以上。第一節(jié)一、單質硅與半導體材料二、二氧化硅與光導纖維三、硅酸鹽與無機非金屬材料四、小結本節(jié)主要內容第一節(jié)一、單質硅與半導體材料第一節(jié)半導體材料定義：導電能力介于導體和絕緣體之間的一類材料。最早使用的半導體材料＿＿＿，現(xiàn)在最廣泛使用的半導體材料＿＿＿。鍺(Ge)硅(Si)單質硅硅在自然界的存在形態(tài)：無游離態(tài)，只有化合態(tài)。常見存在物質形式：二氧化硅和硅酸鹽等。硅在地殼中的含量僅次于氧，儲量豐富，現(xiàn)已成為應用廣泛的半導體材料。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%硅元素(silicon)在地殼中的含量觀察下面硅單質的實物圖片，并總結硅的物理性質。第一節(jié)1、硅單質的物理性質硅有晶體硅和無定形硅兩種。晶體硅是灰黑色、有金屬光澤、硬而脆的固體。晶體硅的結構類似于金剛石，熔點和沸點都很高，硬度大。導電性介于導體和絕緣體之間,是重要的半導體材料。物理性質第一節(jié)第一節(jié)思考1：硅原子最外層電子數(shù)是多少？我們很熟悉的哪種元素最外層電子數(shù)與它相同？+14284最外層電子數(shù)是4，碳也是。Si思考2：碳、硅原子主要顯幾價？正四價（+4價）總結：類似C、Si等價電子數(shù)為4的ⅣA族的所有元素即為碳族元素（Carbongroup），包括碳（C）、硅（Si）、鍺（Ge）、錫（Sn）、鉛（Pb）五種。碳族元素在元素周期表中的位置第一節(jié)2、硅單質的化學性質第一節(jié)晶體硅的結構(1)常溫下，化學性質穩(wěn)定(不易與H2、O2、Cl2、硫酸、硝酸、鹽酸等物質反應)加熱，Si能與某些非金屬單質反應（燃燒，放出大量的熱）Si+O2=====△①Si+2Cl2======②高溫(2)常溫下只與強堿、氫氟酸、氟氣反應Si+2NaOH+H2O====Si+2F2====Si+4HF====SiO2SiCl4Na2SiO3+2H2↑SiF4SiF4↑+2H2↑第一節(jié)3、硅的工業(yè)制法制粗硅：硅鐵硅錳合金硅鋇合金（粗硅）SiO2+2C====高溫氧化劑：SiO2得到電子發(fā)生還原反應還原劑：C失去電子發(fā)生氧化反應*粗硅提純后可以得到高純硅，作為半導體材料。Si+2CO↑第一節(jié)硅芯片、大規(guī)模集成電路及相應的計算機技術都需要有高純度的硅才能實現(xiàn)，所以需要對粗硅進行提純：提純：

高溫Si+2Cl2====SiCl4（粗硅）高溫SiCl4+2H2====Si+4HCl

（高純硅）第一節(jié)4、硅與碳的化學性質比較碳（C）硅（Si）常溫下很穩(wěn)定，在高溫或點燃的條件下有較強還原性。常溫下很穩(wěn)定，高溫時也能發(fā)生反應。Si+O2====SiO2Si+2F2====SiF4?Si+2NaOH+H2O====Na2SiO3+2H2↑Si+4HF====SiF4↑+2H2↑Si+2Cl2====SiCl4??點燃C+O2====CO22C+O2====2COC+CuO====Cu+COC+H2O====H2+CO點燃高溫C+CO2====2CO高溫?C+O2====CO25、硅的用途第一節(jié)（1）硅芯片；半導體材料（2）制集成電路、晶體管、硅整流器等半導體材料（3）含硅4%的鋼可制變壓器鐵芯（4）含硅15%的鋼具有耐酸性，制耐酸設備太陽能電池電腦的中央處理器（CPU）硅芯片的使用，使計算機的體積已縮小到筆記本一樣大小了。。大規(guī)模集成電路硅光電池硅的用途非常廣泛，可用來制造集成電路、晶體管、硅整流器等半導體器件，還可以制太陽能電池，制鋁合金、鐵合金等多種合金。第一節(jié)1、下列關于硅的敘述，不正確的是（）A、硅是非金屬元素，但其單質是灰黑色有金屬光澤的固體B、硅的導電性介于導體和絕緣體之間，是良好的半導體材料C、硅的化學性質不活潑，常溫下不與任何物質反應D、當加熱到一定溫度時，硅能與氧氣、氫氣等非金屬單質反應2、下列關于Si的化學性質中正確的是（）A、常溫下能與任何酸反應B、常溫下可與強堿溶液反應C、常溫下可與氧氣反應D、常溫下不與任何酸反應CB石英玻璃坩堝主要成分是什么？第一節(jié)答：二氧化硅第一節(jié)二、二氧化硅與光導纖維1、二氧化硅的存在形式硅石(天然)結晶形無定形二氧化硅廣泛存在于自然界中，與其他礦物共同構成了巖石。是一種堅硬難熔的固體。

硅石2、二氧化硅的結構(SiO2屬于原子晶體)SiO結論:SiO2是正四面體的空間網(wǎng)狀結構，因此性質很穩(wěn)定

第一節(jié)3、二氧化硅的物理性質無色，沸點高、硬度大、不溶于水、不導電的晶體晶體二氧化硅第一節(jié)第一節(jié)4、二氧化硅的化學性質（1）是酸性氧化物

SiO2+2NaOH====Na2SiO3+H2OSiO2+CaO====CaSiO3

高溫SiO2+2OH—====SiO3

2-+H2O（2）不能與水反應（3）在高溫下與碳酸鹽的反應SiO2+Na2CO3====CO2

+Na2SiO3高溫SiO2+CaCO3====CO2

+CaSiO3高溫（4）不與酸反應（除氫氟酸以外）SiO2+4HF====SiF4

+2H2O（5）弱氧化性SiO2+2C====Si+2CO高溫二氧化碳CO2二氧化硅SiO2物質分類與堿性氧化物反應與堿反應與水反應與HF反應

均屬于酸性氧化物CO2＋CaO====CaCO3CaO＋SiO2====CaSiO3高溫CO2＋2NaOH====Na2CO3+H2O

SiO2＋2NaOH====Na2SiO3+H2OCO2＋H2O====H2CO3不反應不反應SiO2+4HF====SiF4↑+2H2O二氧化硅與二氧化碳的比較第一節(jié)第一節(jié)5、二氧化硅的用途由于SiO2具有優(yōu)良的物理化學性能，加上SiO2在自然界的廣泛存在，因此從古到今都被人類廣泛地應用。光學纖維胃鏡水晶、瑪瑙二氧化硅用來制光導纖維

光導纖維就是比頭發(fā)絲還細的、能傳導光信號的玻璃絲。制造光導纖維的材料就是二氧化硅。光導纖維主要用于通訊、傳感、測量等，光纖通訊的優(yōu)點就是通信容量大，一對光纖上可同時傳送3萬門電話。

第一節(jié)1、下列各組物質有關性質關系的比較，正確的是（）A、溶解性：CO2<SiO2

B、酸性：H2SiO3>H2CO3C、熔點：SiO2>CO2（干冰）D、硬度：SiO2<CO22、下列物質中,不能用玻璃瓶來盛裝的是（）A、燒堿溶液B、濃硫酸C、氫氟酸D、碳酸鈉溶液3、要除去SiO2中的CaO雜質，最適宜的試劑是（）A、純堿溶液B、鹽酸C、硫酸D、苛性鈉溶液CCB三、硅酸鹽與無機非金屬材料第一節(jié)1.硅酸鹽定義：硅酸鹽是由硅、氧和金屬元素組成的化合物的總稱，硅酸鹽是結構復雜的固態(tài)化合物，一般都不溶于水。2.硅酸鹽的表示方法：（1）化學式法：硅酸鈉：Na2SiO3

硅酸鈣：CaSiO3（2）氧化物法：硅酸鈉：Na2O·SiO2

硅酸鈣：CaO·SiO2

高嶺石：Al2O3·2SiO2·2H2O石棉：CaO·3MgO·4SiO2

沸石：Na2O·Al2O3·3SiO2·2H2O云母：K2O·3Al2O3·6SiO2·2H2O長石：K2O·Al2O3·6SiO2

水泥：3CaO·SiO2·2CaO·SiO2

玻璃：Na2O·CaO·6SiO2

粘土：Al2O3·2SiO2·2H2O第一節(jié)3.硅酸鈉（Na2SiO3）最簡單的硅酸鹽是硅酸鈉（Na2SiO3），其水溶液俗稱為水玻璃，硅酸鈉不能燃燒且不易受腐蝕，可用作肥皂填料、木材防火劑等。硅酸鹽產品陶瓷水泥玻璃4、硅酸鹽工業(yè)無機非金屬材料第一節(jié)t第一節(jié)(1).水泥水泥是一種非常重要的建筑材料。萬丈高樓平地起，穿針引線是水泥。生產原料：黏土和石灰石普通硅酸鹽水泥的成分：硅酸三鈣(3CaO·SiO2)