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1、第四章第四章 材料家族中的元素材料家族中的元素4.1 无机非金属材料无机非金属材料-硅硅 在在美美国国旧旧金金山山，有有个个最最大大的的高高科科技技工工业业园园区区，称称之之为为“硅硅谷谷”，它它是是现现代代电电子子工工业业和和计计算算机机发发展展的的基基地地。这这说说明明硅硅在在电电子子工工业业革革命命中中起起着着非非常常重重要要作作用用。以以硅硅为为基基础础而而制成的晶体管是计算机的心脏。制成的晶体管是计算机的心脏。 硅在硅在电子工业电子工业中重要作用中重要作用元素周期表元素周期表半导体一、硅（一、硅（Silicon）1、含量和存在、含量和存在在地壳中，硅的含量居在地壳中，硅的含量居第二位
2、，第二位，仅次于仅次于氧氧自然界中，硅自然界中，硅无游离态无游离态存在，只以存在，只以化合态化合态存在存在（以（以SiO2或或硅酸盐硅酸盐的形式存在）的形式存在）是构成是构成矿物矿物和和岩石岩石的主要成分的主要成分半导体材料：半导体材料：指导电能力介于 和 之间的一类材料，最早使用的半导体材料是 ，现在最广泛使用的半导体材料是 导体导体绝缘体绝缘体锗锗硅硅二氧化硅、硅二氧化硅、硅酸盐；地壳中酸盐；地壳中含量含量26.3%。约。约占地壳质量的占地壳质量的90%以上。以上。为什么构成岩石和矿物的基本元素是硅为什么构成岩石和矿物的基本元素是硅? ?硅硅 半导体材料。半导体材料。硅有硅有晶体硅晶体硅和
3、和无定形硅无定形硅两种单质两种单质二、硅单质（二、硅单质（SiSi）1.物理性质物理性质 ： 灰黑色，硬而脆，有灰黑色，硬而脆，有金属光泽金属光泽的固体，的固体，熔点、沸点高，硬度大，熔点、沸点高，硬度大，+142 8 4+62 4 2.硅的原子结构硅的原子结构碳是构成有机碳是构成有机物的主要元素物的主要元素硅是构成岩石与许硅是构成岩石与许多矿物的基本元素多矿物的基本元素SiC因为硅和碳一样因为硅和碳一样,其原子既不易失去又不易得其原子既不易失去又不易得到电子到电子,主要形成四价的化合物主要形成四价的化合物.所以常温下，碳、硅单质的化学性质不活泼所以常温下，碳、硅单质的化学性质不活泼3.化学性
4、质化学性质 常温常温下，化学性质下，化学性质稳定稳定，只与，只与强碱、氢氟酸、强碱、氢氟酸、 氟气氟气反应反应Si+2F2=SiF4 Si+4HF=SiF4 +2H2Si+ 2NaOH + H2O = Na2SiO3 +2H2加热加热下，下，较活泼较活泼Si + O2 SiO2（唯一与（唯一与NaOH 溶液反应放出溶液反应放出H2的非金属单质）的非金属单质）Si2Cl2 SiCl4（液体，易挥发）液体，易挥发）高温高温经蒸馏提纯后，再用经蒸馏提纯后，再用氢气还原氢气还原制得纯硅。制得纯硅。4、硅的制备、硅的制备工业上先在电炉里高温下用工业上先在电炉里高温下用碳还原二氧化硅碳还原二氧化硅制得粗硅
5、制得粗硅SiO22C = Si2CO高温高温然后将粗硅在然后将粗硅在高温下跟氯气高温下跟氯气 反应生成一种液态物质。反应生成一种液态物质。Si2Cl2 SiCl4（液体，易挥发）液体，易挥发）高温高温高温高温SiCl4 2H2 Si 4HCl5、用途：、用途： 集成电路、晶体管、硅整流器等半导体材料，集成电路、晶体管、硅整流器等半导体材料，还可以制成太阳能电池、硅的合金可用来制还可以制成太阳能电池、硅的合金可用来制造变压器铁芯等。造变压器铁芯等。三、二氧化硅（三、二氧化硅（SiOSiO2 2）1.1.存在：存在：广泛存在与自然界，是沙子、石英的主要广泛存在与自然界，是沙子、石英的主要成分。成分
6、。天然的二氧化硅也叫硅石。石英晶体是结晶天然的二氧化硅也叫硅石。石英晶体是结晶的二氧化硅的二氧化硅. .石英石英水晶水晶玛瑙玛瑙2 物理性质物理性质 坚硬难熔的固体，熔沸点比较高，不溶于水，硬度比坚硬难熔的固体，熔沸点比较高，不溶于水，硬度比较大。较大。18010928Sio 基本结构单元为硅氧四面体基本结构单元为硅氧四面体SiSi2 2O O4 4 ，晶体中不存在二氧化硅分子，晶体中不存在二氧化硅分子，SiOSiO2 2是化学式不是分子式。是化学式不是分子式。（1）、酸性氧化物）、酸性氧化物b、常温下、与、常温下、与NaOH溶液缓慢反应：溶液缓慢反应：SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H
7、2O3 3、化学性质：、化学性质：SiO2 + H2O =a、SiO2是是H2SiO3的酸酐，不溶于水，不能直接与水反应制取硅酸的酸酐，不溶于水，不能直接与水反应制取硅酸SiO2 + CaO = CaSiO3高温高温c、高温下、与、高温下、与碱性氧化物反应：碱性氧化物反应：（2）与）与氢氟酸氢氟酸作用作用（SiO2很不活泼，很不活泼，HF是唯一是唯一 能跟其反应的酸能跟其反应的酸）4HF+SiO2=SiF4+2H2O用来刻蚀玻璃（3）与还原剂作用）与还原剂作用硅的硅的制取制取SiO22C Si2CO高温d、高温下，高温下，与某些盐反应与某些盐反应SiO2+CaCO3 = CaSiO3+CO2高
8、温高温SiO2+Na2CO3 = Na2SiO3+CO2高温高温4、用途、用途：光导纤维光导纤维石英：石英：耐高温化学仪器、石英电子表、石英钟耐高温化学仪器、石英电子表、石英钟水晶：水晶：电子工业的重要部件、光学仪器、电子工业的重要部件、光学仪器、 高级工艺品和眼镜片高级工艺品和眼镜片玛瑙：玛瑙：精密仪器轴承、耐磨器皿和装饰品精密仪器轴承、耐磨器皿和装饰品光纤视频光纤视频玛瑙饰品玛瑙饰品练一练练一练1下列叙述中，正确的是下列叙述中，正确的是A自然界中存在大量单质硅自然界中存在大量单质硅 B硅元素是形成地壳的主要元素，在地壳中的含量占硅元素是形成地壳的主要元素，在地壳中的含量占第一位第一位C纯硅
9、可以通过下列反应制得：纯硅可以通过下列反应制得：SiO2+2C=Si+2CO D单晶硅是良好的半导体材料单晶硅是良好的半导体材料D2、下列物质中，不能与二氧化硅反应的是（、下列物质中，不能与二氧化硅反应的是（ ） A、烧碱、烧碱 B、氢氟酸、氢氟酸 C、硝酸、硝酸 D、生石、生石灰灰 c四、硅酸四、硅酸（H H2 2SiOSiO3 3) )（1）制取：）制取：Na2SiO3+2HCl=2NaCl+H2SiO3白色胶状白色胶状强酸制弱酸强酸制弱酸（2）性质：）性质： 白色粉末，难溶白色粉末，难溶 弱酸性弱酸性(酸性酸性 H2SiO3 H2CO3) 不能使指示剂变色不能使指示剂变色 脱水形成脱水形
10、成硅胶硅胶Na2SiO3+CO2+H2O=H2SiO3+Na2CO3（用作干燥剂）（用作干燥剂）原原理理思考：思考：二氧化硅不溶于水，如何由二氧化硅制取硅酸？二氧化硅不溶于水，如何由二氧化硅制取硅酸？H2SiO3+2NaOH=Na2SiO3+2H2O不稳定性不稳定性H2SiO3SiO2 + H2O五、硅酸盐五、硅酸盐（由硅、氧、金属元素组成的化合物的总称）（由硅、氧、金属元素组成的化合物的总称）1 1、结构复杂、种类繁多，一般不溶于水，性质稳定。、结构复杂、种类繁多，一般不溶于水，性质稳定。3 3、硅酸钠（硅酸钠（NaNa2 2SiOSiO3 3）：）：白色固体，可溶于水，其水溶白色固体，可溶
11、于水，其水溶液（无色）俗称液（无色）俗称水玻璃、泡花碱水玻璃、泡花碱，具有一定，具有一定黏性黏性4 4、用途：用作肥皂填料、木材防火剂、用途：用作肥皂填料、木材防火剂、黏胶剂黏胶剂等等2 2、用氧化物形式表示硅酸盐的方法：、用氧化物形式表示硅酸盐的方法：表示成氧化物形式的顺序是：表示成氧化物形式的顺序是： 金属氧化物金属氧化物 二氧化硅二氧化硅 水水例如：高岭石例如：高岭石AlAl2 2（SiSi2 2O O5 5）（）（OHOH）4 4表示成氧化物的方法是：表示成氧化物的方法是：AlAl2 2O O3 32SiO2SiO2 22H2H2 2O O与酸反应：与酸反应：Na2SiO3+CO2+H
12、2O=H2SiO3+Na2CO3所以，所以，不能不能用磨口玻璃塞用磨口玻璃塞盛碱性溶液盛碱性溶液，如如NaOH、KOH、Na2CO3、Na2SiO3等溶液等溶液。应用应用橡胶塞橡胶塞SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O5 5、硅酸盐的工业：、硅酸盐的工业：（3 3）水泥）水泥（2 2）玻璃）玻璃（1 1）陶瓷）陶瓷4 4、无机非金属材料：、无机非金属材料：主要包括主要包括：玻璃玻璃、陶瓷陶瓷、无机非金属涂层无机非金属涂层等。等。特点特点：耐高温耐高温、硬度高硬度高、抗腐蚀抗腐蚀；有的还有独特的光；有的还有独特的光电特性电特性（1 1）传统无机非金属材料：）传统无机非金属材料：以以硅酸盐
13、硅酸盐为主要成分，包括为主要成分，包括玻璃玻璃、水泥水泥、陶瓷陶瓷等。等。（2 2）新型无机非金属材料：）新型无机非金属材料：如如高温结构陶瓷高温结构陶瓷、生物陶瓷生物陶瓷、压压电陶瓷电陶瓷等。等。（1 1）陶瓷）陶瓷( (人类应用最早的硅酸盐材料人类应用最早的硅酸盐材料）硅酸盐的丰富性和多样性硅酸盐的丰富性和多样性人面鱼纹盆人面鱼纹盆(陶瓷陶瓷)砖瓦砖瓦(陶瓷陶瓷)（2 2）玻璃）玻璃1 1、原、原 料：料：纯碱、石灰石和石英纯碱、石灰石和石英 2 2、主要设备：玻璃熔炉、主要设备：玻璃熔炉 3 3、生产过程：原料粉碎，玻璃熔炉中强热，、生产过程：原料粉碎，玻璃熔炉中强热，成型冷却成型冷却5
14、 5、主要成分：、主要成分：NaNa2 2SiOSiO3 3、CaSiOCaSiO3 3、SiOSiO2 2 （NaNa2 2O O CaOCaO 6SiO6SiO2 2） SiO2+CaCO3 = CaSiO3+CO2高温高温SiO2+Na2CO3 = Na2SiO3+CO2高温高温4 4、原、原理：理：玻璃玻璃: :普通玻璃普通玻璃: : Na Na2 2OCaO6SiOOCaO6SiO2 2（3 3）水泥：）水泥：1 1、主要原料：、主要原料：粘土和石灰石粘土和石灰石 2 2、主要设备：水泥回转窑、主要设备：水泥回转窑 3 3、生产过程：生料研磨，、生产过程：生料研磨，高温煅烧得熟料，再
15、加石高温煅烧得熟料，再加石膏研成粉末得普通硅酸盐膏研成粉末得普通硅酸盐水泥水泥4 4、特性：、特性：水硬性水硬性 新型陶瓷新型陶瓷人造骨人造骨即耐高温又耐低温的硅橡胶制品即耐高温又耐低温的硅橡胶制品结构陶瓷：结构陶瓷：主要是指发挥其机械、热、化学等性能的主要是指发挥其机械、热、化学等性能的一大类新型陶瓷材料，它可以在许多苛刻的工作环境下服一大类新型陶瓷材料，它可以在许多苛刻的工作环境下服役，因而成为许多新兴科学技术得以实现的关键。役，因而成为许多新兴科学技术得以实现的关键。在空在空间技术领域，制造宇宙飞船需要能承受高温和温度急变、间技术领域，制造宇宙飞船需要能承受高温和温度急变、强度高、重量轻
16、且长寿的结构材料和防护材料，在这方面，强度高、重量轻且长寿的结构材料和防护材料，在这方面，结构陶瓷占有绝对优势。从第一艘宇宙飞船即开始使用高结构陶瓷占有绝对优势。从第一艘宇宙飞船即开始使用高温与低温的隔热瓦，碳温与低温的隔热瓦，碳- -石英复合烧蚀材料已成功地应用石英复合烧蚀材料已成功地应用于发射和回收人造地球卫星。于发射和回收人造地球卫星。压电陶瓷：压电陶瓷：你听说过会说话、会唱歌的陶瓷吗？会侦察、你听说过会说话、会唱歌的陶瓷吗？会侦察、会指挥、能诊断、能生电的陶瓷吗？这就是压电陶瓷，属会指挥、能诊断、能生电的陶瓷吗？这就是压电陶瓷，属于现代功能陶瓷。神奇的压电陶瓷于现代功能陶瓷。神奇的压电
17、陶瓷-海中海中“雷达雷达”侦察兵：侦察兵：雷达是用无线电原理对空中目标搜索、定位、导向的通讯雷达是用无线电原理对空中目标搜索、定位、导向的通讯工具，而在水中不能发挥作用。用压电陶瓷制成的声纳系工具，而在水中不能发挥作用。用压电陶瓷制成的声纳系统可在水中起到同样的作用。统可在水中起到同样的作用。用高温结构陶瓷做的发动机叶片用高温结构陶瓷做的发动机叶片透明陶瓷：透明陶瓷：陶瓷一般是不透光的，由于陶瓷的不透光，使陶瓷的陶瓷一般是不透光的，由于陶瓷的不透光，使陶瓷的用途受到很多的限制。科学家经过长时间悉心研究后，用途受到很多的限制。科学家经过长时间悉心研究后，终于在终于在19571957年制成了世界上
18、第一片透光陶瓷。透光陶年制成了世界上第一片透光陶瓷。透光陶瓷有着广泛的用途。当透光陶瓷问世后，使高压钠灯瓷有着广泛的用途。当透光陶瓷问世后，使高压钠灯的研制成功。高压钠灯是一种发光效率很高的电光源，的研制成功。高压钠灯是一种发光效率很高的电光源，在同样功率下一盏高压钠灯能顶两盏高压汞灯，且光在同样功率下一盏高压钠灯能顶两盏高压汞灯，且光线柔和、银白，在高压钠灯下看物体不但清楚，且不线柔和、银白，在高压钠灯下看物体不但清楚，且不刺眼。另外高压钠灯还具有特殊的本领，光线能透过刺眼。另外高压钠灯还具有特殊的本领，光线能透过浓雾不被散射，作为道路、汽车、广场的用灯特别合浓雾不被散射，作为道路、汽车、广
19、场的用灯特别合适。适。高压钠灯高压钠灯透明氧化铝陶瓷透明氧化铝陶瓷超导陶瓷：超导陶瓷： 19731973年，人们发现了超导合金年，人们发现了超导合金铌锗合金，其临界超铌锗合金，其临界超导温度为导温度为23.2K23.2K，该记录保持了该记录保持了1313年。年。19861986年，设在瑞士年，设在瑞士苏黎士的美国苏黎士的美国IBMIBM公司的研究中心报道了一种氧化物（镧公司的研究中心报道了一种氧化物（镧钡铜氧）具有钡铜氧）具有35K35K的高温超导性，打破了传统的高温超导性，打破了传统“氧氧化物陶瓷是绝缘体化物陶瓷是绝缘体”的观念，引起世界科学界的轰动。此的观念，引起世界科学界的轰动。此后，科
20、学家们争分夺秒地攻关，几乎每隔几天，就有新的后，科学家们争分夺秒地攻关，几乎每隔几天，就有新的研究成果出现。研究成果出现。19871987年年2 2月，美国华裔科学家朱经武和中月，美国华裔科学家朱经武和中国科学家赵忠贤相继在钇钡铜氧系材料上把临界超国科学家赵忠贤相继在钇钡铜氧系材料上把临界超导温度提高到导温度提高到90K90K以上，液氮的禁区（以上，液氮的禁区（77K77K）也奇迹般地被也奇迹般地被突破了。突破了。19871987年底，铊钡钙铜氧系材料又把临界年底，铊钡钙铜氧系材料又把临界超导温度的记录提高到超导温度的记录提高到125K125K。从从1986198619871987年的短短一年
21、年的短短一年多的时间里，临界超导温度竟然提高了多的时间里，临界超导温度竟然提高了100K100K以上，这在材以上，这在材料发展史，乃至科技发展史上都堪称是一大奇迹！料发展史，乃至科技发展史上都堪称是一大奇迹！生物陶瓷：生物陶瓷：生物陶瓷指与生物体或生物化学有关的新型陶瓷。生生物陶瓷指与生物体或生物化学有关的新型陶瓷。生物陶瓷可分为与生物体相关的植入陶瓷和与生物化学物陶瓷可分为与生物体相关的植入陶瓷和与生物化学相关的生物工艺学陶瓷。前者植入体内以恢复和增强相关的生物工艺学陶瓷。前者植入体内以恢复和增强生物体的机能，是直接与生物体接触使用的生物陶瓷。生物体的机能，是直接与生物体接触使用的生物陶瓷。
22、后者用于固定酶、分离细菌和病毒以及作为生物化学后者用于固定酶、分离细菌和病毒以及作为生物化学反应的催化剂，是使用时不直接与生物体接触的生物反应的催化剂，是使用时不直接与生物体接触的生物陶瓷。陶瓷。生生 物物 陶陶 瓷瓷 应应 用用1、在碳族元素中、在碳族元素中 最高价氧化物的水化物中酸性最强的是（最高价氧化物的水化物中酸性最强的是（ ） 密度最大的金属是（密度最大的金属是（ ）其稳定的价态是（）其稳定的价态是（ ） 硬度最大的是（硬度最大的是（ ）2、试写出三个能产生氢气的反应（不能用金属），、试写出三个能产生氢气的反应（不能用金属）， 并用双线桥分析。并用双线桥分析。3、石墨炸弹爆炸时，在方
23、圆几百米范围内撒下大、石墨炸弹爆炸时，在方圆几百米范围内撒下大量石墨纤维，造成输电线、电厂设备损坏，这是量石墨纤维，造成输电线、电厂设备损坏，这是由于石墨能（由于石墨能（ ） 4、写出以、写出以SiO2为原料制取硅酸的离子反应方程式为原料制取硅酸的离子反应方程式5、 试用一种试剂可以区分碳酸钠、碳酸氢钠、硝酸试用一种试剂可以区分碳酸钠、碳酸氢钠、硝酸钠和硅酸钠四种溶液，写出有关的离子方程式钠和硅酸钠四种溶液，写出有关的离子方程式 。6、设计一个实验用一种试剂证明生石灰中有石英和、设计一个实验用一种试剂证明生石灰中有石英和石灰石石灰石7、2MgOSiO2中的酸根离子是（中的酸根离子是（ ），滑石的化学），滑石的化学式为式为Mg3(Si4O10)(OH)2，把它改写成氧化物的形式（把它改写成氧化物的形式（ ）8、用化学方程式解释：、用化学方程式解释：实验室中盛放碱液的试剂瓶为什么不用玻璃塞？实验室中盛放碱液的试剂瓶为什么不用玻璃塞？ 实验室盛放氢氟酸的试剂瓶为什么不用玻璃瓶？实验室盛放氢氟酸的试剂瓶为什么不用玻璃瓶？9、写一个高温下，、写一个高温下，C既做氧化剂又做还原剂的反应既做氧化剂又做还原剂的反应
