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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 無機非金屬材料無機非金屬材料-硅硅 在美國舊金山在美國舊金山，有個最大的高有個最大的高科技工業(yè)園區(qū)科技工業(yè)園區(qū)，稱之為稱之為“硅谷硅谷”，它是現代電子工業(yè)和計算機發(fā)展的它是現代電子工業(yè)和計算機發(fā)展的基地基地。這說明硅在電子工業(yè)革命中這說明硅在電子工業(yè)革命中起著非常重要作用起著非常重要作用。以硅為基礎而以硅為基礎而制成的晶體管是計算機的心臟制成的晶體管是計算機的心臟。 硅在硅在電子工業(yè)電子工業(yè)中重要作用中重要作用 元素周期表元素周期表 半導體 一、硅（一、硅（Silicon） 1、含量和存在、含量和存在 在地殼中，硅的含量居在地殼中，硅的含
2、量居第二位，第二位，僅次于僅次于氧氧 自然界中，硅自然界中，硅無游離態(tài)無游離態(tài)存在，只以存在，只以化合態(tài)化合態(tài)存在存在（以（以SiO2或或硅酸鹽硅酸鹽的形式存在）的形式存在） 是構成是構成礦物礦物和和巖石巖石的主要成分的主要成分 半導體材料：半導體材料：指導電能力介于 和 之間的 一類材料，最早使用的半導體材料是 ，現在 最廣泛使用的半導體材料是 導體導體 絕緣體絕緣體 鍺鍺 硅硅 二氧化硅、硅二氧化硅、硅酸鹽；地殼中酸鹽；地殼中含量含量26.3%。約。約占地殼質量的占地殼質量的90%以上。以上。 為什么構成巖石和礦物的基本元素是硅為什么構成巖石和礦物的基本元素是硅? ? 硅硅 半導體材料。半
3、導體材料。 硅有硅有晶體硅晶體硅和和無定形硅無定形硅兩種單質兩種單質 二、硅單質（二、硅單質（SiSi） 1.物理性質物理性質 ： 灰黑色，硬而脆，有灰黑色，硬而脆，有金屬光澤金屬光澤的固體，的固體， 熔點、沸點高，硬度大，熔點、沸點高，硬度大， +14 2 8 4 +6 2 4 2.硅的原子結構硅的原子結構 碳是構成有機碳是構成有機物的主要元素物的主要元素 硅是構成巖石與許硅是構成巖石與許多礦物的基本元素多礦物的基本元素 Si C 因為硅和碳一樣因為硅和碳一樣,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電子到電子,主要形成四價的化合物主要形成四價的化合物. 所以常溫下，碳、硅單質的化
4、學性質不活潑所以常溫下，碳、硅單質的化學性質不活潑 3.化學性質化學性質 常溫常溫下，化學性質下，化學性質穩(wěn)定穩(wěn)定，只與，只與強堿、氫氟酸、強堿、氫氟酸、 氟氣氟氣反應反應 Si+2F2=SiF4 Si+4HF=SiF4 +2H2 Si+ 2NaOH + H2O = Na2SiO3 +2H2 加熱加熱下，下，較活潑較活潑 Si + O2 SiO2 （唯一與（唯一與NaOH 溶液反應放出溶液反應放出H2的非金屬單質）的非金屬單質） Si2Cl2 SiCl4（液體，易揮發(fā)）（液體，易揮發(fā)） 高溫高溫 經蒸餾提純后，再用經蒸餾提純后，再用氫氣還原氫氣還原制得純硅。制得純硅。 4、硅的制備、硅的制備
5、工業(yè)上先在電爐里高溫下用工業(yè)上先在電爐里高溫下用碳還原二氧化硅碳還原二氧化硅制得粗硅制得粗硅 SiO22C = Si2CO 高溫高溫 然后將粗硅在然后將粗硅在高溫下跟氯氣高溫下跟氯氣 反應生成一種液態(tài)物質。反應生成一種液態(tài)物質。 Si2Cl2 SiCl4（液體，易揮發(fā)）（液體，易揮發(fā)） 高溫高溫 高溫高溫 SiCl4 2H2 Si 4HCl 5、用途：、用途： 集成電路、晶體管、硅整流器等半導體材料，集成電路、晶體管、硅整流器等半導體材料，還可以制成太陽能電池、硅的合金可用來制還可以制成太陽能電池、硅的合金可用來制造變壓器鐵芯等。造變壓器鐵芯等。 三、二氧化硅（三、二氧化硅（SiOSiO2 2
6、） 1.1.存在：存在：廣泛存在與自然界，是沙子、石英的主要廣泛存在與自然界，是沙子、石英的主要成分。成分。天然的二氧化硅也叫硅石。石英晶體是結晶天然的二氧化硅也叫硅石。石英晶體是結晶的二氧化硅的二氧化硅. . 石英石英 水晶水晶 瑪瑙瑪瑙 2 物理性質物理性質 堅硬難熔的固體，熔沸點比較高，不溶于水，硬度比堅硬難熔的固體，熔沸點比較高，不溶于水，硬度比較大。較大。 180 109 28 Si o 基本結構單元為硅氧四面體基本結構單元為硅氧四面體SiSi2 2O O4 4 ，晶體中不存在二氧化硅分子，晶體中不存在二氧化硅分子，SiOSiO2 2是化學是化學式不是分子式。式不是分子式。 （1）、
7、酸性氧化物）、酸性氧化物 b、常溫下、與、常溫下、與NaOH溶液緩慢反應：溶液緩慢反應：SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O 3 3、化學性質：、化學性質： SiO2 + H2O = a、SiO2是是H2SiO3的酸酐，不溶于水，不能直接與水反應制取硅酸的酸酐，不溶于水，不能直接與水反應制取硅酸 SiO2 + CaO = CaSiO3 高溫高溫 c、高溫下、與、高溫下、與堿性氧化物反應：堿性氧化物反應： （2）與氫氟酸作用）與氫氟酸作用（SiO2很不活潑，很不活潑，HF是唯一是唯一 能跟其反應的酸能跟其反應的酸） 4HF+SiO2=SiF4+2H2O 用來刻蝕玻璃 （3）與還原劑作用）
8、與還原劑作用 硅的制取硅的制取 SiO22C Si2CO 高溫 d、高溫下，高溫下，與某些鹽反應與某些鹽反應 SiO2+CaCO3 = CaSiO3+CO2 高溫高溫 SiO2+Na2CO3 = Na2SiO3+CO2 高溫高溫 4、用途、用途： 光導纖維光導纖維 石英：石英：耐高溫化學儀器、石英電子表、石英鐘耐高溫化學儀器、石英電子表、石英鐘 水晶：水晶：電子工業(yè)的重要部件、光學儀器、電子工業(yè)的重要部件、光學儀器、 高級工藝品和眼鏡片高級工藝品和眼鏡片 瑪瑙：瑪瑙：精密儀器軸承、耐磨器皿和裝飾品精密儀器軸承、耐磨器皿和裝飾品 光纖視頻光纖視頻 瑪瑙飾品瑪瑙飾品 練一練練一練 1下列敘述中，正
9、確的是下列敘述中，正確的是 A自然界中存在大量單質硅自然界中存在大量單質硅 B硅元素是形成地殼的主要元素，在地殼中的含量占硅元素是形成地殼的主要元素，在地殼中的含量占第一位第一位 C純硅可以通過下列反應制得：純硅可以通過下列反應制得：SiO2+2C=Si+2CO D單晶硅是良好的半導體材料單晶硅是良好的半導體材料 D 2、下列物質中，不能與二氧化硅反應的是（、下列物質中，不能與二氧化硅反應的是（ ） A、燒堿、燒堿 B、氫氟酸、氫氟酸 C、硝酸、硝酸 D、生石灰、生石灰 c 四、硅酸（四、硅酸（H H2 2SiOSiO3 3) ) （1）制取：）制?。?Na2SiO3+2HCl=2NaCl+H
10、2SiO3 白色膠狀白色膠狀 強酸制弱酸強酸制弱酸 （2）性質：）性質： 白色粉末，難溶白色粉末，難溶 弱酸性弱酸性(酸性酸性 H2SiO3 H2CO3) 不能使指示劑變色不能使指示劑變色 脫水形成脫水形成硅膠硅膠 Na2SiO3+CO2+H2O=H2SiO3+Na2CO3 （用作干燥劑）（用作干燥劑） 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 不穩(wěn)定性不穩(wěn)定性 H2SiO3 SiO2 + H2O 五、硅酸鹽五、硅酸鹽（由硅、氧、金屬元素組成的化合物的總稱）（由硅、氧、金屬元素
11、組成的化合物的總稱） 1 1、結構復雜、種類繁多，一般不溶于水，性質穩(wěn)定。、結構復雜、種類繁多，一般不溶于水，性質穩(wěn)定。 3 3、硅酸鈉（硅酸鈉（NaNa2 2SiOSiO3 3）：）：白色固體，可溶于水，其水溶白色固體，可溶于水，其水溶液（無色）俗稱液（無色）俗稱水玻璃、泡花堿水玻璃、泡花堿，具有一定，具有一定黏性黏性 4 4、用途：用作肥皂填料、木材防火劑、用途：用作肥皂填料、木材防火劑、黏膠劑黏膠劑等等 2 2、用氧化物形式表示硅酸鹽的方法：、用氧化物形式表示硅酸鹽的方法： 表示成氧化物形式的順序是：表示成氧化物形式的順序是： 金屬氧化物金屬氧化物 二氧化硅二氧化硅 水水 例如：高嶺石例
12、如：高嶺石AlAl2 2（SiSi2 2OO5 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 2OO 與酸反應：與酸反應：Na2SiO3+CO2+H2O=H2SiO3+Na2CO3 所以，所以，不能不能用磨口玻璃塞用磨口玻璃塞 盛堿性溶液盛堿性溶液， 如如NaOH、KOH、 Na2CO3、Na2SiO3等溶液等溶液。 應用應用橡膠塞橡膠塞 SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O 5 5、硅酸鹽的工業(yè)：、硅酸鹽的工業(yè)： （3 3）水泥）水泥 （2 2）玻璃）玻璃 （1 1）陶瓷）陶瓷 4 4、無機非金屬材
13、料：、無機非金屬材料： 主要包括主要包括：玻璃玻璃、陶瓷陶瓷、無機非金屬涂層無機非金屬涂層等。等。 特點特點：耐高溫耐高溫、硬度高硬度高、抗腐蝕抗腐蝕；有的還有獨特的光；有的還有獨特的光電特性電特性 （1 1）傳統(tǒng)無機非金屬材料：）傳統(tǒng)無機非金屬材料：以以硅酸鹽硅酸鹽為主要成分，包括為主要成分，包括玻璃玻璃、水泥水泥、陶瓷陶瓷等。等。 （2 2）新型無機非金屬材料：）新型無機非金屬材料：如如高溫結構陶瓷高溫結構陶瓷、生物陶瓷生物陶瓷、壓壓電陶瓷電陶瓷等。等。 （1 1）陶瓷）陶瓷( (人類應用最早的硅酸鹽材料人類應用最早的硅酸鹽材料） 硅酸鹽的豐富性和多樣性硅酸鹽的豐富性和多樣性 人面魚紋盆人
14、面魚紋盆(陶瓷陶瓷) 磚瓦磚瓦(陶瓷陶瓷) （2 2）玻璃）玻璃 1 1、原、原 料：料：純堿、石灰石和石英純堿、石灰石和石英 2 2、主要設備：玻璃熔爐、主要設備：玻璃熔爐 3 3、生產過程：原料粉碎，玻璃熔爐中強熱，、生產過程：原料粉碎，玻璃熔爐中強熱，成型冷卻成型冷卻 5 5、主要成分：、主要成分：NaNa2 2SiOSiO3 3、CaSiOCaSiO3 3、SiOSiO2 2 （NaNa2 2OCaO6SiOOCaO6SiO2 2） SiO2+CaCO3 = CaSiO3+CO2 高溫高溫 SiO2+Na2CO3 = Na2SiO3+CO2 高溫高溫 4 4、原、原 理：理： 玻璃玻璃
15、: : 普通玻璃普通玻璃: : NaNa2 2O O CaOCaO 6SiO6SiO2 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、主要設備：水泥回轉窯、主要設備：水泥回轉窯 3 3、生產過程：生料研磨，、生產過程：生料研磨， 高溫煅燒得熟料，再加石高溫煅燒得熟料，再加石 膏研成粉末得普通硅酸鹽膏研成粉末得普通硅酸鹽 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 即耐高溫又耐低溫的硅橡膠制品即耐高溫又耐低溫的硅橡膠制品 結構陶瓷：結構陶瓷：主要是指發(fā)揮其機械、熱、化學等性能的一主要是指發(fā)揮其機械、熱、化學等性能的一
16、大類新型陶瓷材料，它可以在許多苛刻的工作環(huán)境下服役，大類新型陶瓷材料，它可以在許多苛刻的工作環(huán)境下服役，因而成為許多新興科學技術得以實現的關鍵。因而成為許多新興科學技術得以實現的關鍵。 在空間技在空間技術領域，制造宇宙飛船需要能承受高溫和溫度急變、強度術領域，制造宇宙飛船需要能承受高溫和溫度急變、強度高、重量輕且長壽的結構材料和防護材料，在這方面，結高、重量輕且長壽的結構材料和防護材料，在這方面，結構陶瓷占有絕對優(yōu)勢。從第一艘宇宙飛船即開始使用高溫構陶瓷占有絕對優(yōu)勢。從第一艘宇宙飛船即開始使用高溫與低溫的隔熱瓦，碳與低溫的隔熱瓦，碳- -石英復合燒蝕材料已成功地應用于石英復合燒蝕材料已成功地應
17、用于發(fā)射和回收人造地球衛(wèi)星。發(fā)射和回收人造地球衛(wèi)星。 壓電陶瓷：壓電陶瓷：你聽說過會說話、會唱歌的陶瓷嗎？會偵察你聽說過會說話、會唱歌的陶瓷嗎？會偵察、會指揮、能診斷、能生電的陶瓷嗎？這就是壓電陶瓷，、會指揮、能診斷、能生電的陶瓷嗎？這就是壓電陶瓷，屬于現代功能陶瓷。神奇的壓電陶瓷屬于現代功能陶瓷。神奇的壓電陶瓷-海中“雷達”偵察海中“雷達”偵察兵：雷達是用無線電原理對空中目標搜索、定位、導向的兵：雷達是用無線電原理對空中目標搜索、定位、導向的通訊工具，而在水中不能發(fā)揮作用。用壓電陶瓷制成的聲通訊工具，而在水中不能發(fā)揮作用。用壓電陶瓷制成的聲納系統(tǒng)可在水中起到同樣的作用。納系統(tǒng)可在水中起到同樣
18、的作用。 用高溫結構陶瓷做的發(fā)動機葉片用高溫結構陶瓷做的發(fā)動機葉片 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?？茖W家經過長時間悉心研究后用途受到很多的限制?？茖W家經過長時間悉心研究后，終于在，終于在19571957年制成了世界上第一片透光陶瓷。透光年制成了世界上第一片透光陶瓷。透光陶瓷有著廣泛的用途。當透光陶瓷問世后，使高壓鈉陶瓷有著廣泛的用途。當透光陶瓷問世后，使高壓鈉燈的研制成功。高壓鈉燈是一種發(fā)光效率很高的電光燈的研制成功。高壓鈉燈是一種發(fā)光效率很高的電光源，在同樣功率下一盞高壓鈉燈能頂兩盞高壓汞
19、燈，源，在同樣功率下一盞高壓鈉燈能頂兩盞高壓汞燈，且光線柔和、銀白，在高壓鈉燈下看物體不但清楚，且光線柔和、銀白，在高壓鈉燈下看物體不但清楚，且不刺眼。另外高壓鈉燈還具有特殊的本領，光線能且不刺眼。另外高壓鈉燈還具有特殊的本領，光線能透過濃霧不被散射，作為道路、汽車、廣場的用燈特透過濃霧不被散射，作為道路、汽車、廣場的用燈特別合適。別合適。 高壓鈉燈高壓鈉燈 透明氧化鋁陶瓷透明氧化鋁陶瓷 超導陶瓷：超導陶瓷： 19731973年，人們發(fā)現了超導合金年，人們發(fā)現了超導合金鈮鍺合金，其臨界超鈮鍺合金，其臨界超導溫度為導溫度為23.2K23.2K，該記錄保持了，該記錄保持了1313年。年。19861
20、986年，設在瑞士年，設在瑞士蘇黎士的美國蘇黎士的美國IBMIBM公司的研究中心報道了一種氧化物（鑭公司的研究中心報道了一種氧化物（鑭鋇銅氧）具有鋇銅氧）具有35K35K的高溫超導性，打破了傳統(tǒng)“氧的高溫超導性，打破了傳統(tǒng)“氧化物陶瓷是絕緣體”的觀念，引起世界科學界的轟動。此化物陶瓷是絕緣體”的觀念，引起世界科學界的轟動。此后，科學家們爭分奪秒地攻關，幾乎每隔幾天，就有新的后，科學家們爭分奪秒地攻關，幾乎每隔幾天，就有新的研究成果出現。研究成果出現。19871987年年2 2月，美國華裔科學家朱經武和中月，美國華裔科學家朱經武和中國科學家趙忠賢相繼在釔鋇銅氧系材料上把臨界超國科學家趙忠賢相繼在
21、釔鋇銅氧系材料上把臨界超導溫度提高到導溫度提高到90K90K以上，液氮的禁區(qū)（以上，液氮的禁區(qū)（77K77K）也奇跡般地被）也奇跡般地被突破了。突破了。19871987年底，鉈鋇鈣銅氧系材料又把臨界年底，鉈鋇鈣銅氧系材料又把臨界超導溫度的記錄提高到超導溫度的記錄提高到125K125K。從。從1986198619871987年的短短一年年的短短一年多的時間里，臨界超導溫度竟然提高了多的時間里，臨界超導溫度竟然提高了100K100K以上，這在材以上，這在材料發(fā)展史，乃至科技發(fā)展史上都堪稱是一大奇跡！料發(fā)展史，乃至科技發(fā)展史上都堪稱是一大奇跡！ 生物陶瓷：生物陶瓷： 生物陶瓷指與生物體或生物化學有關
22、的新型陶瓷。生生物陶瓷指與生物體或生物化學有關的新型陶瓷。生物陶瓷可分為與生物體相關的植入陶瓷和與生物化學物陶瓷可分為與生物體相關的植入陶瓷和與生物化學相關的生物工藝學陶瓷。前者植入體內以恢復和增強相關的生物工藝學陶瓷。前者植入體內以恢復和增強生物體的機能，是直接與生物體接觸使用的生物陶瓷。生物體的機能，是直接與生物體接觸使用的生物陶瓷。后者用于固定酶、分離細菌和病毒以及作為生物化學后者用于固定酶、分離細菌和病毒以及作為生物化學反應的催化劑，是使用時不直接與生物體接觸的生物反應的催化劑，是使用時不直接與生物體接觸的生物陶瓷。陶瓷。 生生 物物 陶陶 瓷瓷 應應 用用 1、在碳族元素中、在碳族元
23、素中 最高價氧化物的水化物中酸性最強的是（最高價氧化物的水化物中酸性最強的是（ ） 密度最大的金屬是（密度最大的金屬是（ ）其穩(wěn)定的價態(tài)是（）其穩(wěn)定的價態(tài)是（ ） 硬度最大的是（硬度最大的是（ ） 2、試寫出三個能產生氫氣的反應（不能用金屬），、試寫出三個能產生氫氣的反應（不能用金屬）， 并用雙線橋分析。并用雙線橋分析。 3、石墨炸彈爆炸時，在方圓幾百米范圍內撒下、石墨炸彈爆炸時，在方圓幾百米范圍內撒下大量石墨纖維，造成輸電線、電廠設備損壞，這大量石墨纖維，造成輸電線、電廠設備損壞，這是由于石墨能（是由于石墨能（ ） 4、寫出以、寫出以SiO2為原料制取硅酸的離子反應方程式為原料制取硅酸的離子
24、反應方程式 5、 試用一種試劑可以區(qū)分碳酸鈉、碳酸氫鈉、硝酸試用一種試劑可以區(qū)分碳酸鈉、碳酸氫鈉、硝酸鈉和硅酸鈉四種溶液，寫出有關的離子方程式鈉和硅酸鈉四種溶液，寫出有關的離子方程式 。 6、設計一個實驗用一種試劑證明生石灰中有石英和、設計一個實驗用一種試劑證明生石灰中有石英和石灰石石灰石 7、2MgO SiO2中的酸根離子是（中的酸根離子是（ ），滑石的化學），滑石的化學式為式為Mg3(Si4O10)(OH)2，把它改寫成氧化物的形式，把它改寫成氧化物的形式（ ） 8、用化學方程式解釋：、用化學方程式解釋： 實驗室中盛放堿液的試劑瓶為什么不用玻璃塞？實驗室中盛放堿液的試劑瓶為什么不用玻璃塞？ 實驗室盛放氫氟酸的試劑瓶為什么不用玻璃瓶？實驗室盛放氫氟酸的試劑瓶為什么不用玻璃瓶？ 9、寫一個高溫下，、寫一個高溫下，C既做氧化劑又做還原劑的反應既做氧化劑又做還原劑的反應
《無機非金屬材料的主角—硅》課件3
