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1、第一节无机非金属材料的主角硅,Si-26.30%,半导体材料与硅,半导体材料:应用最早的半导体材料： 应用最广泛的半导体材料： 在地壳中的含量：,-锗（Ge）,-硅（Si）,O、Si、Al、Fe,常见的半导体：镓、硒,导电性介于导体和绝缘体之间。,硅的存在与分布,存在：硅是亲氧元素，没有游离态，只有化合态（以氧化物和硅酸盐的形式存在） 分布：自然界中分布广泛，是构成矿物和岩石的基本元素。,图 4-1 硅的广泛存在,硅和碳一样,其原子既不易失去电子，也不易得到电 子，所以硅的化学性质不活泼,主要形成四价化合物,C,Si,碳是构成有机物的主要元素,硅是构成岩石和许多矿物的主要元素,从原子结构认识硅
2、,硅有晶体硅和无定形硅两种同素异形体,物性：,化性：,1、灰黑色，有金属光泽，硬而脆的固体 2、熔点高、硬度大,硅的化学性质不活泼， 常温下，与氢氟酸、氟气、强碱反应。 加热情况下，也能跟一些非金属(Cl2 O2)反应。,一、硅单质,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=SiF4,Si+4HF=SiF4+2H2 ,高温,5.用途,晶体硅的导电性介于导体和半导体之间,是良好的半导体材料,硅是信息技术的关键材料.,硅太阳能电池,电脑的中央处理器（CPU）,结晶形（石英晶体）无定形硅藻土,水晶 玛瑙,二、 二氧化硅（ SiO2 ）
3、,1、存在:,硅石,无色透明,彩色环带或层状,水晶,玛瑙,SiO2是自然界中沙子、石英的主要成分。结晶的二氧化硅叫石英；天然二氧化硅叫硅石。,每1个Si原子周围结合4个O原子，Si在中心,O在四个顶角。同时每1个O原子周围结合2个Si原子相结合。,硅原子,二氧化硅中氧原子与硅原子个数比为2：1，用SiO2来表示 二氧化硅的组成,表示O与Si的原子个数比,不是分子式是化学式。,SiO4四面体结构,立体网状结构决定了SiO2具有优良的物理和化学性质,2、结构,物理性质:_,化学稳定性:_,通常条件下，很稳定,硬度大、熔点高、难溶于水,3、二氧化硅的化学性质（通常很不活泼）,1、具有酸性氧化物的通性
4、,（1）与强碱反应生成盐和水,（2）与碱性氧化物反应生成盐,（有粘性，其溶液俗称水玻璃）,实验室盛装NaOH溶液的试剂瓶用橡胶塞而不用玻璃塞,NaOH溶液能与玻璃中的SiO2反应生成Na2SiO3，使瓶塞部分粘结而无法打开。因此盛装NaOH溶液的试剂瓶不能用玻璃塞而要用橡胶塞。,原因,此反应常用于雕刻玻璃,思考:实验室为什么不用玻璃瓶盛装氢氟酸？,HF能腐蚀玻璃.因此，盛装氢氟酸不能用玻璃试剂瓶而要用塑料瓶。,与水反应,与碱性氧化物反应,与碱反应,CO2 + H2O = H2CO3,CO2+2NaOH=Na2CO3+H2O,CO2+Na2O=Na2CO3,不能反应,SiO2+2NaOH=Na2
5、SiO3+H2O,能与氢氟酸反应,SiO2 CaO =CaSiO3,高温,二氧化硅和二氧化碳的性质比较,3、弱氧化性,Si02高温下与C作用可制取粗硅,2C+SiO2 Si+2CO,高温,4、SiO2的用途,现代通信用光缆,光学纤维胃镜,用光导纤维做 无开刀手术,光导纤维手术头灯,光导纤维,三、硅酸(H2SiO3 ),硅酸是一种白色粉末状的固体，它不溶于水；是一种弱酸，酸性比碳酸还弱，不能使指示剂变色。,（2）硅酸的存在,硅酸浓度较小时易聚合形成硅酸溶胶 硅酸浓度较大时则形成硅酸凝胶 硅酸凝胶干燥脱水硅酸干凝胶，又称为硅胶 ，吸附水分能力强， 常用作 干燥剂，也用作催化剂的载体,1.硅酸的制备
6、,（1） SiO2不溶于水，不能和水化合生成酸 实验室通过可溶性硅酸盐与 其他酸制得。,硅胶泳帽,硅胶干燥剂,不溶于水、不透水,耐腐蚀、稳定,无味无毒,吸附水的能力强,(1)是一种很弱的酸,酸性比碳酸还要弱,Na2SiO3+CO2+H2O=Na2CO3+ H2SiO3,(2)不稳定（比H2CO3稳定）受热易分解：,(3)硅酸在水中的溶解度很小。,2.硅酸的性质,思考,二氧化硅难溶于水，又不与水反应，那么，如何制得硅酸呢？,实验4-1：向饱和Na2SiO3溶液中滴入酚酞，再滴入稀盐酸,滴入酚酞溶液呈红色, Na2SiO3溶液呈碱性,Na2SiO3+2HCl = H2SiO3 （胶体）+2NaCl
7、,实验探究,滴入盐酸有凝胶产生,硅酸难溶于水,生成的硅酸逐渐聚合而形成硅酸溶胶（能流动），当硅酸的浓度较大时，就会形成硅酸凝胶（不能流动），硅酸凝胶经过干燥脱水就形成硅胶。 硅胶的用途： 干燥剂（吸水）， 吸附剂（多孔）， 催化剂的载体。,用H2CO3可制得H2SiO3 ，可证明H2SiO3 的酸性比H2CO3弱。,SiO32- + H2O + CO2= CO32- + H2SiO3,Na2SiO3 + H2O + CO2 = Na2CO3 + H2SiO3,向Na2SiO3溶液中通如CO2也可生成H2SiO3,四、硅酸盐,结构复杂，一般不溶于水，化学性质很稳定。,硅酸钠（Na2SiO3),
8、其水溶液俗称水玻璃，是制备硅胶和木材防火剂等的原料。,是由硅、氧和金属组成的化合物的总称。,实验4-2,当水分蒸发后燃烧,当水分蒸发后不易燃烧,用水玻璃浸泡过的木材或织物可防火,制备木材防火剂的原料,2、硅酸盐组成表示,活泼金属氧化物较活泼金属氧化物SiO2H2O,Na2O SiO2,2MgO SiO2,CaO Al2O3 3SiO23H2O,拆分原则 要领：两边原子个数守恒， 格式：金属氧化物、二氧化硅、水 顺序：金属按活动顺序表,硅酸盐的表示方法用氧化物的形式表示,a活泼金属氧化物 b较不活泼金属氧化物 cSiO2 dH2O,例：将下列硅酸盐用氧化物的形式表示出来： 钠长石(NaAlSi3
9、O8)： 。 黏土(Al2Si2O5(OH)4)： 。,Na2OAl2O36SiO2,Al2O32SiO22H2O,K(Al3Si3O10)(OH)2,传统无机非金属材料,硅酸盐产品,陶瓷,水泥,玻璃,生产原料：黏土（Al2O32SiO22H2O ） 生产设备：陶瓷窑 生产过程：混合-成型-干燥-烧结-冷却 主要性质：抗氧化、抗酸碱腐蚀、耐高温、 绝缘、易成型,陶 瓷,生产原料：纯碱、石灰石、石英（Na2CO3、CaCO3、SiO2） 生产设备：玻璃窑 反应原理：主要成分：Na2SiO3、CaSiO3、SiO2,玻 璃,有色玻璃,钢化玻璃,加入了不同的金属氧化物,普通玻璃加热接近熔化再急速冷却
10、,玻璃,生产原料：石灰石、黏土（CaCO3、 Al2O32SiO22H2O ） 生产设备：水泥回转窑 主要成分：3CaOSiO22CaOSiO23CaOAl2O3,水 泥,1 玻璃,普通玻璃的主要原料：纯碱 石灰石 石英,主要反应：,Na2CO3+SiO2=Na2SiO3+CO2,CaCO3+SiO2=CaSiO3+CO2,高温,高温,普通玻璃的主要成分：硅酸钠（Na2SiO3) 硅酸钙（CaSiO3） 二氧化硅（SiO2）,2 水泥,普通水泥的主要成分：硅酸三钙 硅酸二钙 铝酸三钙,水泥的主要原料是石灰石和黏土,3 陶瓷,具有特殊功能的含硅物质,1、碳化硅（SiC俗称金刚砂），具有金刚石的结
11、构。硬度很大，用作砂纸、砂轮的磨料。,2、硅 钢 （铁合金） 导磁性良好，用作变压器铁芯,3、硅橡胶,4、分子筛,新型无机非金属材料：,新型陶瓷,高温结构陶瓷、压电陶瓷,透明陶瓷、超导陶瓷等,科学视野,图4-10生物陶瓷制成 的人造骨,硅酸盐,无机非金属材料,传统无机非金属材料,新型无机非金属材料,陶瓷 玻璃 水泥,高温结构陶瓷 压电陶瓷 透明陶瓷 超导陶瓷,练习:,1.地壳中含量第一和第二的两种元素所形成的化合物不具有的性质是（ ）A.熔点很高 B.与水反应生成对应的酸C.可与烧碱反应生成盐 D.坚硬,B,2.要除去SiO2中混有的少量CaO杂质，最适宜的试剂是（ ）A.纯碱溶液 B.盐酸
12、C.硫酸 D.苛性钠溶液,B,3.下列物质中,主要成分不是SiO2的是（ ）A.金刚砂 B.玛瑙 C.水晶 D.石英,A,4.能证明硅酸的酸性弱于碳酸酸性的实验事实是（ ）A.CO2溶于水形成碳酸，SiO2难溶于水。 B.CO2通入可溶性硅酸盐中析出硅酸沉淀C.SiO2常温下是固体，CO2常温下是气体 D.氯化氢通入可溶性碳酸盐溶液中放出气体，通入可溶性硅酸盐溶液中生成沉淀,B,5.下列物质的变化，不能通过一步化学 反应完成的是（ ）A.CO2H2CO3 B.SiO2Na2SiO3 C.Na2O2Na2CO3 D.SiO2H2SiO3,D,6常温下不能与硅反应的是（ ） （A）氢氟酸 （B）氟
13、气 （C）氢氧化钠溶液 （D）氯气 7不能直接由氧化物和水生成的酸是（ ） （A） H2 SO4 （B） H2SO3 （C） H2SiO3 （D）H2CO3 8下列离子组能在水溶液中大量共存，且加入盐酸可能生成沉淀的是（ ）（A） Na+、CO32- 、 Cl-、SO42- （B） Ca2+、Mg2+、HCO3-、Cl-（C） S2- 、 SO32-、OH-、Na+（D）Na+、SiO32-、Cl-、NO3-,D,C,D,9生石灰中往往含有杂质CaCO3和SiO2，要检验是否存在这两种杂质，最好选用（ ） （A）水 （B）盐酸 （C）烧碱浓溶液（D）硫酸,B,11要除去SiO2中混有的少量Ca
14、O杂质，最适宜的试剂是 ( )A. 纯碱溶液 B. 盐酸 C. 硫酸 D. 苛性钠溶液,B,10. 将过量的CO2分别通入： CaCl2溶液； Na2SiO3溶液； Ca(OH)2溶液； 饱和Na2CO3溶液。最终溶液中有白色沉淀析出的是 ( )A B C D,B,12下列反应能说明二氧化硅是酸性氧化物的是ASiO2 +2C=Si+2COBSiO2 +2NaOH=Na2SiO3+H2OCSiO2 +4HF=SiF4+2H2ODSiO2 +CaCO3=CaSiO3+CO2 13下列物质中，不能用玻璃瓶来盛装的是A. 烧碱溶液 B. 浓硫酸 C. HF氢氟酸 D. 碳酸钠溶液,B,C,14制造光导纤维的主要原料是A晶体硅 B二氧化硅 C 石墨 D硅酸钠 15下列叙述正确的是A自然界存在大量单质硅BSiO2 与任何酸都不起反应 C光导纤维被广泛应用于能量传输和信息传输DSiO2 的化学性质活泼，能与很多物质发生化学反应,
