《無機非金屬材料的主角—硅》課件

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1、問 題v 自 然 界 中 的 巖 石 、 沙 子 、 土 壤 是由 什 么 構(gòu) 成 ？ 你 還 知 道哪 些 含 硅的 物 質(zhì) ？ 水 晶 瑪 瑙 硅的廣泛存在 元 素 周 期 表 第 A族 的 二 兄 弟 碳 和 硅 豪 門 二 杰碳 元 素 硅 元 素形 成 了 無 數(shù) 種 構(gòu) 成 人 類 和 其 它地 球 生 物 等 的 有 機 物 ， “ 統(tǒng) 治了 有 機 界 ” 。煤 、 石 油 等 有 機 化 產(chǎn) 品 和 材 料是 現(xiàn) 代 化 的 基 石 地 殼 質(zhì) 量 的 約 90%， 構(gòu) 成 了 地 殼大 部 分 巖 石 、 沙 子 和 土 壤 ， “ 統(tǒng) 治 了 地 殼 ”硅 酸 鹽 工 業(yè)

2、 的 陶 瓷 、 玻 璃 、水 泥 等 使 人 類 生 活 日 新 月 異 一 、 二 氧 化 硅 和 硅 酸 硅 是 一 種 親 氧 元 素 ， 在 自 然 界 它 總 是 與 氧 相 互 化 合 。所 以 在 氧 化 氣 氛 包 圍 的 地 球 上 ， 硅 主 要 以 熔 點 很 高 的氧 化 物 及 硅 酸 鹽 的 形 式 存 在 。1、二氧化硅（SiO2） SiO2是 硅 的 重 要 化 合 物 。 地 球 上 存 在 的 天 然 二 氧 化 硅 約 占 地 殼質(zhì) 量 的 12 ， 其 存 在 形 態(tài) 有 結(jié) 晶 形 和 無 定 形 兩 大 類 ， 通 稱 硅 石 。SiO2的 結(jié) 構(gòu)

3、 瑪 瑙水 晶晶體二氧化硅 硅 藻 土 中 國 硅 藻 土 資 源 豐 富 。 全 國 10個 省 (區(qū) )有 硅 藻 土 礦 產(chǎn) 出 。 探 明 儲 量 的 礦 區(qū) 有354處 ， 總 保 有 儲 量 礦 石 3.85億 噸 。僅 次 于 美 國 ， 居 世 界 第 2位 。 在 地 區(qū) 分 布 上 ， 以 吉 林 最 多 ， 占 全 國 儲 量 的 54.8%，云 南 、 福 建 、 河 北 等 地 次 之 。 礦 床 類 型主 要 為 火 山 物 源 沉 積 型 礦 床 (吉 林 長 白 、山 東 臨 胸 、 浙 江 嵊 州 市 硅 藻 土 礦 等 )和陸 源 沉 積 型 (云 南 尋

4、甸 、 四 川 米 易 硅 藻土 礦 等 )礦 床 。 成 礦 時 代 集 中 在 第 三 紀(jì)和 第 四 紀(jì) ， 以 第 三 紀(jì) 為 主 。 無定形二氧化硅 光學(xué)纖維胃鏡二 氧 化 硅 的 用 途 二 氧 化 硅 的 用 途 堅 硬 難 熔 的 固 體 ， 熔 沸 點 比 較 高 ，不 溶 于 水 ， 硬 度 比 較 大 。（ 1） 物 理 性 質(zhì) ： （ 2） 化 學(xué) 性 質(zhì) ：（ a） 常 溫 與 氫 氟 酸 （ SiO2很 不 活 潑 ， HF是唯 一 能 跟 其 反 應(yīng) 的 酸 ）4HF+SiO2=SiF4 +2H2O（ b） 酸 性 氧 化 物 ： 不 溶 于 水 ， 也 不 與 水

5、 反 應(yīng) 。2NaOH +SiO2=Na2SiO3+H 2O與 強 堿 反 應(yīng) ：與 堿 性 氧 化 物 反 應(yīng) ： SiO2+CaO=CaSiO3高 溫(所 以 ， 不 能 用 磨 口 玻 璃 塞 盛 堿 性 溶 液 ， 如 NaOH、KOH、 Na 2CO3、 Na2SiO3等 溶 液 。 ) 2.硅 酸 （ H2SiO3）思 考 ： 1.二 氧 化 硅 不 溶 于 水 ， 不 跟 水 反 應(yīng) ，如 何 從 二 氧 化 硅 來 制 備 H2SiO3是 一 種 很 弱 的 酸 ， 比 碳 酸 的 酸 性 還 弱Na2SiO3+2HCl=2NaCl+H2SiO3 所 生 成 的 硅 酸 逐 漸

6、 聚 合 而 形 成 膠 體 硅 酸 溶 膠 ，硅 酸 濃 度 較 大 時 ， 則 形 成 軟 而 透 明 的 、 膠 凍 狀 的 硅 酸凝 膠 。 硅 酸 凝 膠 經(jīng) 干 燥 脫 水 就 形 成 硅 酸 干 膠 ， 稱 為“ 硅 膠 ” 。 硅 膠 多 孔 ， 吸 附 水 分 能 力 強 ， 常 用 做 實 驗室 和 袋 裝 食 品 、 瓶 裝 藥 品 等 的 干 燥 劑 ， 也 可 以 用 作 催化 劑 的 載 體 。實 驗 4 1 二 、 硅 酸 鹽 硅 酸 鹽 是 由 硅 、 氧 和 金 屬 組 成 的 化 合 物 的 總 稱 ， 在自 然 界 分 布 極 廣 。 硅 酸 鹽 是 一

7、類 結(jié) 構(gòu) 復(fù) 雜 的 化 合 物 ，一 般 都 不 溶 于 水 ， 化 學(xué) 性 質(zhì) 很 穩(wěn) 定 。 最 簡 單 又 常 用 的 硅 酸 鹽 是 硅 酸 鈉 （ Na2SiO3） ， 其水 溶 液 稱 為 水 玻 璃 ， 可 以 作 肥 皂 填 料 、 木 材 防 火 劑 及黏 膠 劑 等 。 實 驗 4 2 幾 種 硅 酸 鹽 產(chǎn) 品 陶 瓷 、 玻 璃 、 水 泥 ， 最 重 要的 無 機 非 金 屬 材 料 。新 型 的 陶 瓷 1.能 承 受 高 溫 、 強 度 高 。例 如 ： 氮 化 硅 陶 瓷 在 1200 左 右 的 高 溫 下 ，仍 具 有 很 高 的 強 度 ， 可 用 來

8、 制 造 汽 輪 機 葉片 、 軸 承 、 永 久 性 模 具 等 。 2.具 有 電 學(xué) 特 性 ， 一 些 新 型 無 機 非 金 屬材 料 可 以 作 為 半 導(dǎo) 體 、 導(dǎo) 體 、 超 導(dǎo) 體 等 ，一 些 絕 緣 性 材 料 常 被 用 于 集 成 電 路 的 基板 。 3.具 有 光 學(xué) 特 性 。 有 些 新 型 無 機非 金 屬 材 料 能 發(fā) 出 各 色 的 光 ，有 的 能 透 過 可 見 光 ， 有 的 能 使紅 外 線 、 雷 達 射 線 穿 過 。 處于高溫下的光導(dǎo)纖維 F-117是 一 種 單 座 戰(zhàn) 斗 轟 炸 機 。 設(shè) 計 目 的 是 憑 隱 身 性 能 ，

9、突 破 對手 火 力 網(wǎng) ， 壓 制 對 手 防 空 系 統(tǒng) ， 摧 毀 嚴 密 防 守 的 指 揮 所 、 戰(zhàn) 略 要地 、 重 要 工 業(yè) 目 標(biāo) ， 還 可 執(zhí) 行 偵 察 任 務(wù) ， 具 有 一 定 空 戰(zhàn) 能 力 。 4. 具 有 生 物 特 性 。 有 些 新 型 無 機 非 金 屬 材 料強 度 高 、 無 毒 、 不 溶 于 水 ， 對 人 體 組 織 有 較好 的 適 應(yīng) 性 ， 可 直 接 植 入 人 體 內(nèi) ， 用 這 類 材料 制 成 的 人 造 牙 齒 、 人 造 骨 骼 ， 已 被 應(yīng) 用 在醫(yī) 療 上 。 人造關(guān)節(jié) 用 二 氧 化 硅 和 金 屬 氧 化 物 的

10、形 式 表 示其 組 成 。 實 例Na2SiO3Na2OSiO2 高 嶺 石Al2（ Si2O5） （ OH） 4Al2O3 2SiO22H2O l要 領(lǐng) ： 兩 邊 原 子 個 數(shù) 守 恒l格 式 ： 金 屬 氧 化 物 、 二 氧 化 硅 、 水l順 序 ： 金 屬 按 活 動 順 序 表 K2O3Al2O36SiO22H 2OK(Al3Si3O10)(OH )2 三 、 硅 （ Si）硅 有 晶 體 硅 和 無 定 形 硅 兩 種 同 素 異 形 體1、 灰 黑 色 ， 有 金 屬 光 澤 ， 硬 而 脆 的 固 體2、 熔 、 沸 點 高 、 硬 度 大3、 晶 體 硅 是 良 好

11、的 半 導(dǎo) 體常 溫 下 ， 硅 的 化 學(xué) 性 質(zhì) 不 活 潑 ，除 氫 氟 酸 、 氟 氣 、 強 堿 外 不 跟 其他 物 質(zhì) 如 ： 氧 氣 、 氯 氣 、 硫 酸 等起 反 應(yīng) ， 但 在 加 熱 情 況 下 ， 硅 也能 跟 一 些 非 金 屬 反 應(yīng) 。 1、 與 氟 氣 反 應(yīng) ：2、 與 氫 氟 酸 反 應(yīng) ：3、 與 強 堿 溶 液 反 應(yīng) ：4、 與 氯 氣 反 應(yīng) ：5、 與 氧 氣 反 應(yīng)Si+2F2=SiF4Si+4H F=SiF4+2H 2Si+2NaOH +H 2O=Na2SiO3+2H 2Si+2Cl2=SiCl4Si+O 2=SiO2 存在在 自 然 界 中

12、 ， 沒 游 離 態(tài) 的 硅 ， 以 化 合 態(tài) 存 在 ， 例 如 ：硅 酸 鹽 等 ， 在 地 殼 中 含 量 居 第 二 位 。用途集 成 電 路 、 晶 體 管 、 硅 整 流 器 等 半 導(dǎo) 體 材 料 ， 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 。 集 成 電 路 晶 體 管 制 備工 業(yè) 上 ： SiO2 粗 硅 SiCl4 Si+C +Cl2 精 餾 +H2高 溫 高 溫 高 溫Si+2C = 2CO+Si(含 雜 質(zhì) 的 粗 硅 )Si+2Cl2 = SiCl4生 成 的 液 態(tài) SiCl4經(jīng) 精 餾 、 除 硼

13、、 砷 等 ， 再 用 H2還 原SiCl 4+2H2=4HCl+Si(純 度 高 的 多 晶 硅 )高 溫高 溫 高 溫 相 應(yīng) 練 習(xí) 1已 知 硅 與 強 堿 氫 氧 化 鈉 溶 液 反 應(yīng) 的 化 學(xué) 方 程 式 為 ：Si+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H2現(xiàn) 把 11.5g鈉 和 4.2g硅 同 時 投 入 100g水 中 ， 在 標(biāo) 況 下可 收 集 到 H2多 少 L？ （ 提 示 ： 與 Si反 應(yīng) 的 NaOH是 過量 的 ）解 ：Na1/2H 223 1/2 22.411.5 XSi2H 228 2 22.44.2 Y Y=(4.2 2 22.4)/28=6.72

14、(L)VH2=5.6+6.72=12.32(L)12 22.4 11.523 5.6LX 相 應(yīng) 練 習(xí) 2在 實 驗 室 里 ， 將 細 砂 粉 （ SiO2） 與 鎂 粉 混 合 加 熱 ，也 可 得 到 粗 硅 ， 反 應(yīng) 的 化 學(xué) 方 程 式 為這 樣 得 到 的 硅 不 純 凈 ， 往 往 含 有 過 量 的 鎂 、 氧 化鎂 及 硅 化 鎂 （ Mg 2Si） 等 ， 這 些 雜 質(zhì) 可 用 鹽 酸 除 去 ，有 關(guān) 反 應(yīng) 的 化 學(xué) 方 程 式 為SiO2+2Mg=2MgO+Si高 溫 MgO+2HCl=MgCl2+H2OMg2Si+4HCl=2MgCl2+SiH4Mg+2HCl=MgCl2+H2 硅 元 素單 質(zhì) 硅Si + F2Si + HFSi + NaOH 加 熱 能 與 某些 非 金 屬 單質(zhì) 反 應(yīng) （ O2、Cl 2） O2 Na2SiO3、CaSiO3二 氧 化 硅 是 光 導(dǎo) 纖 維的 主 要 原 料 ， 光 導(dǎo) 纖維 可 用 作 通 訊 材 料 和制 造 醫(yī) 用 內(nèi) 窺 鏡 等硅 可 制 造 集 成 路 、太 陽 能 電 池 等 ； 硅合 金 可 用 來 制 造 變壓 器 鐵 芯 、 耐 酸 設(shè)備 等 。 只 有 化 合 態(tài)SiO2 硅 酸 鹽C 高 溫 HF無 游 離 態(tài)常 溫 不 活 潑作 業(yè) ： 習(xí) 題 1 、 4 歸 納總 結(jié)