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4-1《第一节 无机非金属材料的主角——硅》PPT课件


第四章 非金属及其化合物 第一节 无机非金属材料的主角 ——硅

硅元素(silicon)在地壳中的含量 氢0.16% 其他1.20% 镁2.00% 钾2.47% 钠2.74% 硅26.3% 钙3.45% 铁4.75% 铝7.73% 硅26.3% 氧48.6%

硅的氧化物及硅酸盐构成了地壳 中大部分的岩石、沙子和土壤、约 占地壳总量的90%以上。

硅的分布与存在
? 存在:没有游离态,只有化合态

? 分布:自然界中分布广泛,在地 壳中居第二位,仅次于氧。是构 成矿物和岩石的基本元素。

思考1:硅原子最外层电子数是多少? 我们很熟悉的哪种元素最外层电子数与 它相同? Si
+14

2 8 4

最外层电子数是4,碳也是。 思考2:碳、硅原子主要显几价?
正四价(+4价)

一、硅单质 1、硅的工业制法 :
粗硅:

2C+ SiO2=== Si+2CO↑
纯硅: Si+2Cl2====SiCl4
高温

高温

SiCl4+2H2===Si+4HCl

2.物理性质 结构类似金刚石,为 硬而脆的灰黑色固体, 熔点高,硬度大。

3.化学性质 在常温下化学性质不活泼
Si + O2 === SiO2 Si+2F 2==SiF4 4↑+2H2↑ Si+4HF==SiF

Si+2NaOH+H2O=Na2SiO3 +2H2↑ Si+2Cl2==SiCl4

4.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

利用硅的半导体 性能,制成光电 池 ,将光能转化 为电能。

太阳能电池

电脑的中央处理器(CPU) 硅芯片的使用,使计算机的体积已缩小到笔 记本一样大小了。

大规模集成电路

硅的用途非常广泛,可用来制造集 成电路、晶体管、硅整流器等半导 体器件,还可以制太阳能电池,制 铝合金、铁合金等多种合金。

硅 芯 片

硅在电子工业中重要作用 在美国旧金山,有个最大的高 科技工业园区,称之为“硅谷”, 它是现代电子工业和计算机发展的 基地。这说明硅在电子工业革命中 起着非常重要作用。 以硅为基础而

制成的晶体管是计算机的心脏。

二、二氧化硅和硅酸

二氧化硅(SiO2)
硅矿 山

硅石

二氧化硅广泛存 在于自然界中,与其 他矿物共同构成了岩 石。是一种坚硬难熔 的固体。

二、二氧化硅 1.二氧化硅的存在 结晶形
无定形

硅石(天然)

晶 体 二 氧 化 硅

水晶

玛瑙





无 定 形 二 氧 化 硅

硅藻土 中国硅藻土资源丰富。全国10个省(区) 有硅藻土矿产出。探明储量的矿区有354 处,总保有储量矿石3.85亿吨。 仅次于美国,居世界第2位。在地区分布 上,以吉林最多,占全国储量的54.8%, 云南、福建、河北等地次之。矿床类型 主要为火山物源沉积型矿床(吉林长白、 山东临胸、浙江嵊州市硅藻土矿等)和 陆源沉积型(云南寻甸、四川米易硅藻 土矿等)矿床。

2.二氧化硅的结构
Si O

.

SiO2
原子晶体

Si

O

SiO2是正四面体的空间网状结构,

因此性质很稳定

3.二氧化硅物理性质

坚硬难熔的固体, 熔沸点比较高, 不溶于水, 硬度比较大。

实验室盛装NaOH溶液 的试剂瓶用橡皮塞而不 用玻璃塞,你知道为什 么吗?

防止玻璃中的SiO2与NaOH 溶液反应生成粘稠的Na2SiO3, 使瓶塞和瓶口粘在一起。

4.二氧化硅化学性质

① 是酸性氧化物 SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O SiO2 + 2OH— ==SiO3 2-+ H2O SiO2+CaO===CaSiO3 ②不能与水反应
高温

③在高温下与碳酸盐的反应
高温 SiO2+Na2CO3==CO2 ? +Na2SiO3 高温 SiO2+CaCO3===CO2 ? +CaSiO3

④不与酸反应(除氢氟酸以外)
SiO2 + 4HF == SiF4 ? + 2H2O 玻璃花雕刻工艺和我们化学有什么深 厚的合作关系?

④弱的氧化性

? SiO2+2C== Si+2CO

高温

实验室现提供下列试剂瓶, ①细口磨口塞玻璃瓶 ②广口瓶 ③细口橡皮塞玻璃瓶 ④棕色广口瓶 ⑤细口塑料瓶, 如何存放下列药品?依据是什么? ② 氢氧化钠溶液 ③ a.二氧化硅__b. ⑤ c.硝酸银晶体④ __ d.氢氟酸_ e.浓硫酸① __

二氧化硅(SiO2)二氧化(CO2)
物理性质 熔沸点高、硬度大 熔沸点低硬度小
与水反应 与碱反应 与碱性氧 化物反应

不反应
SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O
高温

CO2+H2O=H2CO3
CO2+2NaOH=Na2CO3+H2O

SiO2+CaO== Ca SiO3 SiO2+4HF=SiF4↑+2H2O
高温

CO2+Na2O= Na2CO3

与酸反应
与碳反应

不反应
高温

SiO2+2C== Si+2CO

CO2+C== 2CO

5、二氧化硅的用途 由于 SiO2 具 有优良的物理化学性能加上 SiO2在自然界的广泛存在,因此从古到今 都被人类广泛地应用。

光 学 纤 维 胃 镜

石 英 制 品

水晶

石英、玛瑙

二氧化硅用来制光导纤维

光导纤维就是比头发丝还细的、能传导光信号的玻璃丝。
制造光导纤维的材料就是二氧化硅。光导纤维主要用于 通讯、传感、测量等,光纤通讯的优点就是通信容量大,

一对光纤上可同时传送3万门电话。

三、硅酸(H2SiO3) 酸性较弱,比碳酸的酸性还弱。 硅酸凝胶经干燥脱水就形 成干胶,称为“硅胶”。

干燥硅胶 湿硅胶

(1)硅酸的制备

? Na2SiO3+2HCl=2NaCl+H2SiO3↓
Na2SiO3 + H2O + CO2 == Na2CO3 + H2SiO3↓

? (2)硅酸的性质
①不稳定性 H2SiO3===H2O+SiO2 ②弱酸性
加热

H2SiO3+2NaOH=2 H2O +Na2SiO3

(3)硅胶(SiO2)
? 制备: ? H2SiO3 ? 用途:
硅酸凝胶

硅酸干凝胶 “硅胶”

? 硅胶多孔,吸附水份能力强,常用作实 验室和袋装食品,瓶装药品等的干燥剂, 也可以用作催化剂的载体。

1、下列各组物质有关性质关系 的比较,正确的是( C )

A.溶解性:CO2 <SiO2 B.酸性:H2SiO3 > H2CO3 C.熔点:SiO2 > CO2(干冰) D.硬度: SiO2 <CO2

2、下列物质中,不能用玻璃瓶来 盛装的是( C ) A.烧碱溶液 B.浓硫酸 C.氢氟酸 D.碳酸钠溶液

3、要除去SiO2中的CaO杂质, 最适宜的试剂是( B ) A.纯碱溶液 B 盐酸 C 硫酸 D 苛性钠溶液

四、硅酸盐
1.含义:硅酸盐是由硅、氧和金属元素 组成的化合物的总称

硅酸盐结构复杂的固态化合物, 一般都不溶于水。

2.硅酸盐的表示方法: ①化学式法: 硅酸钠:Na2SiO3 硅酸钙:CaSiO3 ②氧化物法: 硅酸钠:Na2O · SiO2

硅酸钙: CaO· SiO2

高岭石:Al2O3 · 2SiO2 · 2H2O

石棉:CaO · 3MgO· 4SiO2

沸石:Na2 O · Al2O3 ·3SiO2· 2H2O 云母: K2O· 3Al2O3 ·6SiO2· 2H2O 长石:K2O ·Al2O3 ·6SiO2 水泥:3CaO · SiO2 · 2CaO· SiO2

玻璃:Na2 O · CaO·6SiO2 粘土: Al2O3 ·2SiO2· 2H2O

3.硅酸钠 (Na2SiO3)

最简单的硅酸盐是硅酸钠 (Na2SiO3), 其水溶液俗称为水玻璃, 硅酸钠不能燃烧且不易受腐蚀, 可用作肥皂填料、木材防火剂等 。

关于硅酸盐说明:
2.硅酸钠是常见的可溶性硅酸盐之一,俗 称泡花碱;它的水溶液俗称水玻璃,是一 种粘合剂;
[水玻璃可保存玻璃瓶中,但不能使用玻璃塞,要用橡胶塞] 2HCl + Na2SiO3 + H2O == H4SiO4↓+ 2NaCl H4SiO4
常温分解

1.除硅酸钾、硅酸钠、硅酸铵以外均难溶于水

硅酸和二氧化硅的制备: 较强酸和可溶性硅酸盐反应制硅酸
受热分解

H2SiO3

SiO2

无 机 非 金 属 材 料

四、硅酸盐工业
硅 酸 盐 产 品

陶瓷 水泥 玻璃

t

水泥是一种非常重要的建筑材料。

万丈高楼平地起,穿针引线是水泥。

1 、水泥 ⑴水泥的生产原料:黏土和石灰石 ⑵生产过程: 两磨、一烧。 研磨→煅烧→再磨成细粉; ⑶普通硅酸盐水泥的成分:
硅酸三钙(3CaO· SiO2) 硅酸二钙(2CaO· SiO2) 混合物 铝酸三钙(3CaO· Al2O3)

⑷水泥的性能: 水泥具有水硬性。 水泥砂浆: 水泥、沙子和水的混合 物——建筑黏合剂。 混凝土: 水泥、沙子和碎石的混合物。

2、玻璃: ⑴玻璃的生产原料:
纯碱、石灰石和石英。

⑵生产过程: Na2CO3+SiO2===Na2SiO3+CO2↑
CaCO3 +SiO2===CaSiO3 + CO2↑
高温 高温

⑶普通玻璃的成分:
Na2SiO3、CaSiO3和SiO2组成

的混合物。 或Na2O· CaO· 6SiO2;
⑷玻璃的性能:

玻璃无固定的熔沸点, 在一定温度范围内软化。

3、陶瓷: 陶瓷具有抗氧化、抗酸碱腐 蚀、耐高温、绝缘、易成型等 许多优点,因此,陶瓷制品一 直为人们所喜爱。 江苏宜兴,
家用陶瓷 有陶都之称。

隋带烧制的三 彩陶骆驼

瓷器是中华文明的象征。在许多 拉 丁 语 系 国 家 中, “ 瓷 器”和 “中国”都以“ CHINA” 用同一 字母拼音表示。 我国素有“瓷都”之称的地方 江西景德镇。 江西景德镇所烧制的薄胎瓷 器被誉为:“洁如玉、明如镜、 薄如纸、声如罄。”

江西景德镇所烧制的瓷器

传统无机非金属材料: 陶瓷、玻璃、水泥 新型无机非金属材料:
高温结构陶瓷、压电陶瓷 新型陶瓷
透明陶瓷、超导陶瓷等

新型无机非金属材料: 1、新型无机非金属材料的特征:

(1)耐高温、强度高;

(2)具有电学性质; (3)具有光学性质; (4)具有生物功能;

2、结构材料——高温结构陶瓷: (1)氧化铝陶瓷(人造刚玉):
氧化铝陶瓷制品

氧化铝透 明陶瓷管

高压钠灯的灯管就是用 氧化铝陶 瓷 制作的。高压钠灯是发光效率很 高的一种电光源,光色金白,在它 的灯光下看物清晰,不刺眼。平均 寿命长达 1 万小时 ~ 2 万小时,比高

压汞灯寿命长 2倍,是白炽灯寿命的 10倍,是目前寿命最长的灯。

透明氧化铝陶瓷
高压钠灯

注:钠蒸气放电发光问题早在 1950年就得以解决,由于没有一 种能抵御高温钠蒸气(1400℃) 强烈腐蚀的特殊材料,所以,直 到1965年才制取第一支高压钠灯。

用高温结构陶瓷做的发动机叶片

1.下列物质中属于纯净物的是( A ) A.Na2CO3· 10H2O B.水泥 C.纯净的盐酸 D.普通玻璃 2.下列叙述正确的是( BD ) A.酸均不能与酸性氧化物反应 B.玻璃、陶瓷、水泥容器都不能贮存氢氟酸 C.石灰抹墙、水泥砌墙过程的硬化原理相同 D.石灰窑、玻璃熔炉出来的气体主要成分相同 3.下列物质有固定熔点的是( C ) A.水泥 B.玻璃 C.Na2O· SiO2 D.水玻璃


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