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1、无机非金属材料硅硅无机非金属材料传统的无机非金属材料是以硅酸盐为主要成分，一些新型无机非金属 材料中大多也含有硅元素，硅元素在材料世界中应用非常广泛，单质硅是 常用的半导体材料,SiO2用于光导纤维，制玻璃的重要反应为SiO2与CaC03、 Na2CO3高温下的反应，可见，硅与人们的生活息息相关。【重点难点】重点：Si、SiO2及硅酸盐等无机非金属材料。难点：Si、SiO2及硅酸盐做为材料所涉及到的化学反应。【知识讲解】前面已分别介绍了 Na、Cl、C、N、S等元素在自然界中的存在和重要 作用。在人类合成的各种材料中，硅元素起到了至关重要的作用，硅的单 质、SiO2及硅酸盐都大显神通。一、半导
2、体材料与单质硅1、硅的原子结构硅原子的核外电子排布为：泼，但在一定条件下，可发生化学反应。,最外层4个电子，决定了硅元素的化学性质很不活2、硅在自然界中的存在及单质的制取硅的化学性质不活泼，但在自然界中，无游离态的硅单质，硅元素主要以化合态的形式存在于SiO2及硅酸盐中，而且在地壳中，硅元素的含量 颇丰，仅次于氧元素。制取Si单质的原料为SiO2,用焦炭在电炉中还原得粗硅，继而得精硅， 涉及到的反应为：粗硅的制取：SiO2 + 2CSi + 2CO t注意所得产物为CO, Si02被还原为粗硅。粗硅与CI2反应：Si + 2CI2(3)制得精硅:SiCl4+2H23、硅单质的物理性质(1) 无
3、定形硅为灰黑色粉末，晶体硅为银灰色有金属光泽的晶体，能导 电，类似于金属，故晶体硅为良好的半导体材料，硅乂被称为准金属或类 金属。(2) 硅的熔点、沸点很高，因为Si为类似于金刚石的原子晶体，熔化时 需破坏共价键，要消耗较高的能量。交流研讨硅主要还是非金属元素，C、02、S、CI2、N2等单质前面己介绍过了， 它们都具有明显的氧化性，Si单质的化学性质也应类似，但由Si原子的核 外电子排布及Si的结构特点可知，Si单质的化学性质不太活泼。4、硅单质的化学性质与非金属作用：SiCI4 Si+4HCI硅常温下只能与F2作用：Si+2F2=SiF4高温下,Si与CI2能生成SiCI4,研细的硅粉能在
4、02中燃烧生成Si02,Si + 02SiO2 另外，温度更高时，Si与N2生成Si3N4, Si与C生成SiC, 这些物质可以用于制做新型无机非金属材料一一高温结构陶瓷。(2) 与酸作用Si的化学性质稳定,与强酸、强氧化性酸不反应，只与氢氟酸生成SiF4：Si+4HF = SiF4 + 2H2(3) 与碱作用Si+ 2NaOH + H2O = Na2SiO3 + 2H2 t非金属单质中能与碱溶液反应生成H2的不多，硅的这条性质很典型。5、硅的重要用途粗硅提纯后的高纯硅，用作半导体材料，制造晶体管、集成电路，正 是由于超高纯度硅芯片的使用，大规模的集成电路及相应的计算机技术才 得以迅猛发展。硅
5、的储量丰富，制取成本低，现已取代错，成为应用广泛 的半导体材料。二、二氧化硅与光导纤维1、Si02的结构Si02也为原子晶体。如图所示，1个Si原子跟4个。原子形成了 4个共价键，这样，每1 个Si原子周围结合4个0原子；同时，每个0原子跟两个Si原子相结合。 实际上，二氧化硅晶体是由硅原子和氧原子按1 : 2的比例所组成的立体网状的原子晶体，我们通常用“Si02”的式子表示二氧化硅的组成。但Si02 表示不出其真实的结构，只是表示Si、0原子个数比。要破坏SiO2晶体， 需消耗较多能量，故SiO2的熔点很高，硬度很大。SiO2的这种原子晶体的空间网状结构，不同于C02分子晶体的结构特 点,决
6、定了 SiO2的性质有别于CO2o2、SiO2的性质(1) SiO2与碱的反应SiO2为H2SiO3、H4SiO4的酸酎，能与碱溶液反应SiO2+ 2NaOH = Na2SiO3 + H2OH2SiO3、H4SiO4为难溶性的弱酸。SiO2也不溶于水，不能与水直接反 应生成相应的酸，做为酸酊，SiO2有别于C02、S02这些能与水直接化合 成相应酸的酸酎。(2) 与氢氟酸作用SiO2 + 4HF = SiF4 t +2H2O玻璃中的成分中含有SiO2,故可用氢氟酸雕刻玻璃，其反应原理就是SiO2与HF的反应。(3) 高温下的反应SiO2 +CaOSiO2 + CaCO3Na2CO3+SiO 2
7、CaSiO3 CaSiO3 + CO2 t Na2SiO3+CO2 t 上述反应就是制玻璃过程中的重要反应SiO2 +2CSi + 2CO t该反应用于工业制硅单质3、SiO2的重要用途(1) 用于制造光导纤维:SiO2用于光导纤维，增强了通信中声音信号、 图像信号的传播，另外，在能量传输、信息处理等方面用途广泛。(2) SiO2用于制造水晶。(3) SiO2用于制造石英玻璃，制造耐高温材料。三、硅酸盐及无机非金属材料1、硅酸盐硅酸、原硅酸及由它们和水结合而成的各种酸所对应的盐，统称硅酸 盐，如硅酸钠(Na2SiO3)、镁橄榄石(Mg2SiO4)、高岭石Al2(Si2O5)(OH)4 等都是硅
8、酸盐。硅酸盐种类很多，结构也很复杂，它们是构成地壳岩石的 最主要成分。我们可以用二氧化硅和金属氧化物的形式表示硅酸盐的组成。 例如：硅酸钠：Na2SiO3(Na2O SiO2)镁橄榄石：Mg2SiO4(2MgO SiO2)高岭石：AI2(Si2O5)(OH)4(AI2O3 2SiO2 2H2O)无机非金属材料的主要成分也大都为硅酸盐2、无机非金属材料： 水泥:原料：石灰石、黏土。成份：硅酸三钙(3CaO、SiO2)、硅酸二钙(2CaO SiO2)铝酸三钙(3CaO AI2O3)- 用途：i：与水掺和后凝固，用于建筑材料，常加入石膏调节水泥硬化速度。ii：制造混凝土，水泥、沙子、碎石混合在一起搅
9、拌后可得混凝土。iii：制造特种水泥、膨胀水泥等。玻璃原料：纯碱(Na2CO3)、石灰石(CaC03)、石英(SiO2)。反应：CaCO3 + SiO2Na2CO3+SiO2CaSiO3 + CO2 t Na2SiO3 + CO2 t成份：Na2SiO3、CaSiO3、SiO2。特点：玻璃为以上物质的混合，没有固定熔点，加热到一定温度范围内逐渐软化。除了以上普通玻璃，人们还制造出很多有特色的玻璃:i、硼酸盐玻璃：耐骤冷、骤热，耐酸、碱腐蚀，用于制作化学仪器。ii、铝玻璃：折光率强，用于制作光学仪器等。iii、钢化玻璃：普通玻璃在电炉里加热变软时，再急速冷却得钢化玻 璃，成分与普通玻璃相同，但不
10、易破碎。iv、有色玻璃：加入一些金属氧化物，如：加Co2O3呈蓝色，加Cu20 呈红色等。(3)陶瓷陶瓷根据原料、烧制温度的不同，主要分为土器、陶器、瓷器等，具 有抗氧化、抗酸碱腐蚀等优点，现在，人们研制的新型无机非金属材料中， 陶瓷占的比例也相当大。3、新型无机非金属材料新型无机非金属材料克服了传统材料中的质脆，经不起热冲击等缺点, 研制出的新型无机非金属材料具有的特点是：承受高温，强度高，具有电 学、光学特性，具有生物功能等。(1) 高温结构陶瓷i、氮化硅陶瓷：主要成分为Si3N4,能耐高温，抗腐蚀能力强，用于 制造轴承、气轮机叶片等。ii、氧化铝陶瓷：俗称人造刚玉，用作高级耐火材料iii
11、、碳化硅陶瓷：主要成分为SiC以上这些物质都为原子晶体，熔点特别高，硬度很大，具有上述优异 性能。(2) 生物陶瓷在修复或再造人体器官时，用到生物陶瓷，生物陶瓷材料对人体不产 生排异作用，常用的生物陶瓷有AI2O3陶瓷(制假牙)、氧化错亿rO2),及 CaO-Na2O-SiO2-P2O5 的熔融物。压电陶瓷具有压电效应的陶瓷为压电陶瓷，常见的有钛酸锐(BaTiO3)、钛酸铅(PbTiO3),具有较强的灵敏性，可将极微弱的机械振动转化为电信号。【例题分析】例1、物质A是一种高熔点化合物，不溶于强酸中，但能与纯碱在熔 融时反应生成化合物B,同时放出气体C,把气体C通入B的溶液中，得 化合物D, D
12、在干燥的空气中转变为化合物E,将E加热乂重新得到化合 物A。A、B、C、D、E的化学式是：A B C D E(2) 写出各步反应的化学方程式。分析：这是一道硅化合物之间相互转化的综合推断题。只要对各化合 物的性质及实验现象理解和掌握，熟悉它们之间的变化关系，就不难推断。 通过A物质的三个典型性质：高熔点；不跟强酸反应；高温熔融态 能与Na2CO3反应，可初步推断A为SiO2, B则可能是Na2SiO3, C可能 是C02。C02通入Na2SiO3溶液中可以得到胶状沉淀原硅酸，原硅酸易在 干燥的空气中脱水得硅酸,硅酸在高温下灼烧生成二氧化硅。D为原硅酸， E为硅酸，A为SiO2。这与题目所给各步
13、实验现象完全相符，说明推断正 确。答案：(1)A： SiO2 B： Na2SiO3 C： C02 D： H4SiO4 E： H2SiO3(2)SiO2 + Na2CO3Na2SiO3 + CO2 t ,CO2 + Na2SiO3 + 2H2O = Na2CO3 + H4SiO4 IH4SiO4=H2SiO3 + H2OH2SiO3例2、钾玻璃中含有18.4%的K20、11.0%的CaO、70.6%的SiO2。计算三种氧化物的物质的量之比。若需制造5.1t钾玻璃，需用碳酸钾、石灰石和二氧化硅各多少吨？写出制取钾玻璃的反应方程式。SiO2 + H2O解析：(l)K20、CaO、Si02的物质的量之
14、比为=1 ： 1 ： 6设需K2CO3和CaCO3的质量分别为x和y,由关系式计算原料的用 量。K2CO3K2013894x 5.1tX18.4%138 : 94 = x : 5.1tX18.4%CaCO3CaO10056y 5.1tX11.0%100 : 56=y : 5.1tX11.0%解得：x = 1.38t, y = 1.0tSiO2 用量为 5.1tX70.6%=3.6t(3)K2CO3 + SiO22K2SiO3 + CO2 t CaSiO3 + CO2 t o点评：普通玻璃(又称钠玻璃)原料中的Na2CO3用K2CO3代替，即制 得钾玻璃。例3、石棉是一类具有拉伸强度大、柔韧性强
15、、耐热、耐高温、耐酸 碱腐蚀，而且价格低廉的硅酸盐。石棉有毒，能使人患肺癌。”事 件发生后，在清理世贸大厦的废墟时，人们发现有很多石棉，其中一种叫 做矿青石棉，它的化学式为Na2Fe5Si8022(0H)2o(1)该石棉中与5个铁原子形成氧化物的氧原子数目是 个;式中铁元素的“平均化合价”可视为;(3) 将该石棉的化学式改写为氧化物的形式： (4) 这种石棉属于传统的无机非金属材料，下列那些不属于传统的无机 非金属材料()A、光导纤维B、水泥 C、耐高温的金属钛D、氧化铝陶瓷E、混凝土(5) 该石棉与酸或碱反应可以看作是各氧化物分别与酸或碱反应，若将 这种石棉溶于足量的稀硝酸中，充分反应后过滤，滤渣主要是，滤液中的盐类物质主要有。(填化学式)分析：首先可书写成氧化物形式：Na20 8SiO2 H20 Fe5O6,则平均化合价为漏，金属钛是金属材料，既不是传统无机非金属材料，也不是新型无 机非金属材料。答案：6, (2) + 2.4, (3)见解析
