《無機非金屬材料的主角-硅》.ppt

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1、第 四 章 非 金 屬 及 其 化 合 物 4.1 無 機 非 金 屬 材 料 的 主 角 -硅 元 素 周 期 表 半導(dǎo)體 在 美 國 舊 金 山 ， 有 個 最 大 的 高科 技 工 業(yè) 園 區(qū) ， 稱 之 為 “ 硅 谷 ” ，它 是 現(xiàn) 代 電 子 工 業(yè) 和 計 算 機 發(fā) 展 的基 地 。 這 說 明 硅 在 電 子 工 業(yè) 革 命 中起 著 非 常 重 要 作 用 。 以 硅 為 基 礎(chǔ) 而制 成 的 晶 體 管 是 計 算 機 的 心 臟 。 硅 在 電 子 工 業(yè) 中 重 要 作 用 一 、 硅 （ Silicon）在 地 殼 中 ， 硅 的 含 量 居 第 二 位 ， 僅

2、次 于 氧自 然 界 中 ， 硅 無 游 離 態(tài) 存 在 ， 只 以 化 合 態(tài) 存 在（ 以 SiO2或 硅 酸 鹽 的 形 式 存 在 ）是 構(gòu) 成 礦 物 和 巖 石 的 主 要 成 分半 導(dǎo) 體 材 料 ： 指 導(dǎo) 電 能 力 介 于 和 之 間 的一 類 材 料 ， 最 早 使 用 的 半 導(dǎo) 體 材 料 是 ， 現(xiàn) 在最 廣 泛 使 用 的 半 導(dǎo) 體 材 料 是 。導(dǎo) 體 絕 緣 體鍺硅1、 含 量 和 存 在 硅 半 導(dǎo) 體 材 料 。硅 有 晶 體 硅 和 無 定 形 硅 兩 種 單 質(zhì)2、 硅 單 質(zhì) （ Si）（ 1 ） 物 理 性 質(zhì) ： 灰 黑 色 ， 硬 而 脆 ，

3、 有 金 屬 光 澤 的固 體 ， 熔 點 、 沸 點 高 ， 硬 度 大 ， +14 2 8 4 +6 2 4 （ 2） 硅 的 原 子 結(jié) 構(gòu) 碳 是 構(gòu) 成 有 機物 的 主 要 元 素硅 是 構(gòu) 成 巖 石 與 許多 礦 物 的 基 本 元 素Si C因 為 硅 和 碳 一 樣 ,其 原 子 既 不 易 失 去 又 不 易 得到 電 子 ,主 要 形 成 四 價 的 化 合 物 .所 以 常 溫 下 ， 碳 、 硅 單 質(zhì) 的 化 學(xué) 性 質(zhì) 不 活 潑 （ 3） 化 學(xué) 性 質(zhì)常 溫 下 ， 化 學(xué) 性 質(zhì) 穩(wěn) 定 ， 只 與 強 堿 、 氫 氟 酸 、 氟 氣 反 應(yīng) Si+2F2

4、=SiF4 Si+4H F=SiF4 +2H 2 Si+ 2NaOH + H 2O = Na2SiO3 +2H 2加 熱 下 ， 較 活 潑Si + O 2 SiO2（ 唯 一 與 NaOH 溶 液 反 應(yīng) 放 出 H 2的 非 金 屬 單 質(zhì) ）Si 2Cl2 SiCl4（ 液 體 ， 易 揮 發(fā) ）高 溫 經(jīng) 蒸 餾 提 純 后 ， 再 用 氫 氣 還 原 制 得 純 硅 。（ 4） 硅 的 制 備工 業(yè) 上 先 在 電 爐 里 高 溫 下 用 碳 還 原 二 氧 化 硅 制 得 粗 硅SiO2 2C = Si 2CO高 溫然 后 將 粗 硅 在 高 溫 下 跟 氯 氣 反 應(yīng) 生 成 一

5、 種 液 態(tài) 物 質(zhì) 。Si 2Cl2 SiCl4（ 液 體 ， 易 揮 發(fā) ）高 溫 高 溫SiCl4 2H 2 Si 4H Cl 課 本 P81習(xí) 題 9 （ 5） 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 。 硅 是 一 種 親 氧 元 素 ，在 自 然 界 它 總 是 與氧 相 互 化 合 。 硅 主要 以 二 氧 化 硅 和 硅酸 鹽 形 式 存 在 。 二 、 二 氧 化 硅 （ SiO2） 和 硅 酸 （ H 2SiO3)1.存 在

6、 ： 廣 泛 存 在 與 自 然 界 ， 是 沙 子 、 石 英 的 主 要 成 分 。天 然 的 二 氧 化 硅 也 叫 硅 石 。 石 英 晶 體 是 結(jié) 晶 的 二 氧 化 硅 .石 英 水 晶 瑪 瑙2 物 理 性 質(zhì) 堅 硬 難 熔 的 固 體 ， 熔 沸 點 比 較 高 ， 不 溶 于 水 ，硬 度 比 較 大 。(一 )、 二 氧 化 硅 （ SiO2） 18010928Sio 基 本 結(jié) 構(gòu) 單 元 為 硅 氧 四 面 體 Si2O4， 晶 體中 不 存 在 二 氧 化 硅 分 子 ， SiO2是 化 學(xué) 式 不 是 分 子式 。 所 以 ， 不 能 用 磨 口 玻 璃 塞盛

7、堿 性 溶 液 ， 如 NaOH 、K OH 、 Na2CO3、 Na2SiO3等 溶 液 。應(yīng) 用 橡 膠 塞SiO2+2NaOH =Na2SiO3+H 2O （ 1） 、 酸 性 氧 化 物b、 常 溫 下 、 與 NaOH溶 液 緩 慢 反 應(yīng) ： SiO2+2NaOH =Na2SiO3+H 2O3、 化 學(xué) 性 質(zhì) ：SiO2 + H2O =a、 SiO2是 H 2SiO3的 酸 酐 ， 不 溶 于 水 ， 不 能 直 接 與 水 反 應(yīng) 制 取 硅 酸SiO2 + CaO = CaSiO3高 溫c、 高 溫 下 、 與 堿 性 氧 化 物 反 應(yīng) ：（ 2） 與 氫 氟 酸 作 用

8、（ SiO 2很 不 活 潑 ， H F是 唯 一 能 跟 其 反 應(yīng) 的 酸 ）4H F+SiO2=SiF4+2H 2O 用 來 刻 蝕 玻 璃（ 3） 與 還 原 劑 作 用硅 的 制 取 SiO2 2C Si 2CO高 溫d、 高 溫 下 ， 與 某 些 鹽 反 應(yīng) SiO2+CaCO3 = CaSiO3+CO2高 溫SiO2+Na2CO3 = Na2SiO3+CO2高 溫 4、 用 途 ：光 導(dǎo) 纖 維石 英 ： 耐 高 溫 化 學(xué) 儀 器 、 石 英 電 子 表 、 石 英 鐘水 晶 ： 電 子 工 業(yè) 的 重 要 部 件 、 光 學(xué) 儀 器 、 高 級 工 藝 品 和 眼 鏡 片瑪

9、 瑙 ： 精 密 儀 器 軸 承 、 耐 磨 器 皿 和 裝 飾 品 光 纖 視 頻瑪 瑙 飾 品 練 一 練1 下 列 敘 述 中 ， 正 確 的 是A 自 然 界 中 存 在 大 量 單 質(zhì) 硅 B 硅 元 素 是 形 成 地 殼 的 主 要 元 素 ， 在 地 殼 中 的 含 量 占第 一 位C 純 硅 可 以 通 過 下 列 反 應(yīng) 制 得 ： SiO2+2C=Si+2CO D 單 晶 硅 是 良 好 的 半 導(dǎo) 體 材 料 D2、 下 列 物 質(zhì) 中 ， 不 能 與 二 氧 化 硅 反 應(yīng) 的 是 （ ） A、 燒 堿 B、 氫 氟 酸 C、 硝 酸 D、 生 石 灰 c 2、 硅

10、酸 （ H2SiO3)（ 1） 制 取 ： Na2SiO3+2H Cl=2NaCl+H 2SiO3白 色 膠 狀 強 酸 制 弱 酸（ 2） 性 質(zhì) ： 白 色 粉 末 ， 難 溶 弱 酸 性 (酸 性 H 2SiO3 H 2CO3) 不 能 使 指 示 劑 變 色 脫 水 形 成 硅 膠Na2SiO3+CO2+H 2O=H 2SiO3+Na2CO3（ 用 作 干 燥 劑 ） 原理思考：二 氧 化 硅 不 溶 于 水 ， 如 何 由 二 氧 化 硅 制 取 硅 酸 ？H 2SiO3+2NaOH =Na2SiO3+2H 2O 不 穩(wěn) 定 性 H 2SiO3 SiO2 + H 2O 五 、 硅 酸

11、 鹽 （ 由 硅 、 氧 、 金 屬 元 素 組 成 的 化 合 物 的 總 稱 ）1、 結(jié) 構(gòu) 復(fù) 雜 、 種 類 繁 多 ， 一 般 不 溶 于 水 ， 性 質(zhì) 穩(wěn) 定 。3、 硅 酸 鈉 （ Na 2SiO3） ： 白 色 固 體 ， 可 溶 于 水 ， 其 水 溶液 （ 無 色 ） 俗 稱 水 玻 璃 、 泡 花 堿 ， 具 有 一 定 黏 性4、 用 途 ： 用 作 肥 皂 填 料 、 木 材 防 火 劑 、 黏 膠 劑 等2、 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 ： 金 屬 氧 化 物 二 氧 化 硅 水例 如

12、： 高 嶺 石 Al2（ Si2O5） （ OH） 4表 示 成 氧 化 物 的 方 法 是 ：Al2O3 2SiO2 2H2O與 酸 反 應(yīng) ： Na2SiO3+CO2+H 2O=H 2SiO3+Na2CO3 5、 硅 酸 鹽 的 工 業(yè) ： （ 3） 水 泥（ 2） 玻 璃（ 1） 陶 瓷4、 無 機 非 金 屬 材 料 ：主 要 包 括 ： 玻 璃 、 陶 瓷 、 無 機 非 金 屬 涂 層 等 。特 點 ： 耐 高 溫 、 硬 度 高 、 抗 腐 蝕 ； 有 的 還 有 獨 特 的 光電 特 性（ 1） 傳 統(tǒng) 無 機 非 金 屬 材 料 ： 以 硅 酸 鹽 為 主 要 成 分 ， 包

13、 括 玻 璃 、水 泥 、 陶 瓷 等 。（ 2） 新 型 無 機 非 金 屬 材 料 ： 如 高 溫 結(jié) 構(gòu) 陶 瓷 、 生 物 陶 瓷 、 壓電 陶 瓷 等 。 （ 1） 陶 瓷 (人 類 應(yīng) 用 最 早 的 硅 酸 鹽 材 料 ） 硅 酸 鹽 的 豐 富 性 和 多 樣 性人 面 魚 紋 盆 (陶 瓷 ) 磚 瓦 (陶 瓷 ) （ 2） 玻 璃1、 原 料 ： 純 堿 、 石 灰 石 和 石 英 2、 主 要 設(shè) 備 ： 玻 璃 熔 爐 3、 生 產(chǎn) 過 程 ： 原 料 粉 碎 ， 玻 璃 熔 爐 中 強 熱 ，成 型 冷 卻5、 主 要 成 分 ： Na 2SiO3、 CaSiO3、

14、SiO2 （ Na2OCaO6SiO2） SiO2+CaCO3 = CaSiO3+CO2高 溫SiO2+Na2CO3 = Na2SiO3+CO2高 溫4、 原 理 ： 玻 璃 :普 通 玻 璃 : Na2OCaO6SiO2 （ 3） 水 泥 ：1、 主 要 原 料 ： 粘 土 和 石 灰 石 2、 主 要 設(shè) 備 ： 水 泥 回 轉(zhuǎn) 窯 3、 生 產(chǎn) 過 程 ： 生 料 研 磨 ，高 溫 煅 燒 得 熟 料 ， 再 加 石膏 研 成 粉 末 得 普 通 硅 酸 鹽水 泥 4、 特 性 ： 水 硬 性 新型陶瓷人造骨即耐高溫又耐低溫的硅橡膠制品 結(jié) 構(gòu) 陶 瓷 ： 主 要 是 指 發(fā) 揮 其 機

15、 械 、 熱 、 化 學(xué) 等 性 能 的一 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(xué) 技 術(shù) 得 以 實 現(xiàn) 的 關(guān) 鍵 。 在 空間 技 術(shù) 領(lǐng) 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(jié) 構(gòu) 材 料 和 防 護 材 料 ， 在 這 方 面 ，結(jié) 構(gòu) 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 -石 英 復(fù) 合 燒 蝕 材

16、料 已 成 功 地 應(yīng) 用于 發(fā) 射 和 回 收 人 造 地 球 衛(wèi) 星 。壓 電 陶 瓷 ： 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 ，屬 于 現(xiàn) 代 功 能 陶 瓷 。 神 奇 的 壓 電 陶 瓷 -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(dǎo) 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 聲納 系 統(tǒng) 可 在 水 中 起 到 同

17、樣 的 作 用 。 透 明 陶 瓷 ：陶 瓷 一 般 是 不 透 光 的 ， 由 于 陶 瓷 的 不 透 光 ， 使 陶 瓷 的用 途 受 到 很 多 的 限 制 。 科 學(xué) 家 經(jīng) 過 長 時 間 悉 心 研 究 后， 終 于 在 1957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(dāng) 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 、

18、 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(lǐng) ， 光 線 能透 過 濃 霧 不 被 散 射 ， 作 為 道 路 、 汽 車 、 廣 場 的 用 燈 特別 合 適 。 透明氧化鋁陶瓷 超 導(dǎo) 陶 瓷 ： 1973年 ， 人 們 發(fā) 現(xiàn) 了 超 導(dǎo) 合 金 鈮 鍺 合 金 ， 其 臨 界 超導(dǎo) 溫 度 為 23.2K， 該 記 錄 保 持 了 13年 。 1986年 ， 設(shè) 在 瑞 士蘇 黎 士 的 美 國 IBM公 司 的 研 究 中 心 報 道 了 一 種 氧 化 物 （ 鑭 鋇 銅 氧 ） 具

19、有 35K的 高 溫 超 導(dǎo) 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(xué) 界 的 轟 動 。 此后 ， 科 學(xué) 家 們 爭 分 奪 秒 地 攻 關(guān) ， 幾 乎 每 隔 幾 天 ， 就 有 新 的研 究 成 果 出 現(xiàn) 。 1987年 2月 ， 美 國 華 裔 科 學(xué) 家 朱 經(jīng) 武 和 中國 科 學(xué) 家 趙 忠 賢 相 繼 在 釔 鋇 銅 氧 系 材 料 上 把 臨 界 超導(dǎo) 溫 度 提 高 到 90K以 上 ， 液 氮 的 禁 區(qū) （ 77K） 也 奇 跡 般 地 被突 破 了 。 1987年 底 ， 鉈 鋇 鈣 銅 氧 系

20、材 料 又 把 臨 界超 導(dǎo) 溫 度 的 記 錄 提 高 到 125K。 從 1986 1987年 的 短 短 一 年多 的 時 間 里 ， 臨 界 超 導(dǎo) 溫 度 竟 然 提 高 了 100K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 ！ 生 物 陶 瓷 ：生 物 陶 瓷 指 與 生 物 體 或 生 物 化 學(xué) 有 關(guān) 的 新 型 陶 瓷 。 生物 陶 瓷 可 分 為 與 生 物 體 相 關(guān) 的 植 入 陶 瓷 和 與 生 物 化 學(xué)相 關(guān) 的 生 物 工 藝 學(xué) 陶 瓷 。 前 者 植 入 體 內(nèi) 以 恢 復(fù) 和 增 強生 物

21、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(xué)反 應(yīng) 的 催 化 劑 ， 是 使 用 時 不 直 接 與 生 物 體 接 觸 的 生 物陶 瓷 。 生 物 陶 瓷 應(yīng) 用 1、 在 碳 族 元 素 中 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 （ ） 其 穩(wěn) 定 的 價 態(tài) 是 （ ） 硬 度 最 大 的 是 （ ）2、 試 寫 出 三 個 能 產(chǎn) 生 氫 氣 的 反 應(yīng) （ 不 能 用 金 屬 ）

22、， 并 用 雙 線 橋 分 析 。3、 石 墨 炸 彈 爆 炸 時 ， 在 方 圓 幾 百 米 范 圍 內(nèi) 撒 下大 量 石 墨 纖 維 ， 造 成 輸 電 線 、 電 廠 設(shè) 備 損 壞 ， 這是 由 于 石 墨 能 （ ） 4、 寫 出 以 SiO 2為 原 料 制 取 硅 酸 的 離 子 反 應(yīng) 方 程 式 5、 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(guān) 的 離 子 方 程 式 。6、 設(shè) 計 一 個 實 驗 用 一 種 試 劑 證 明 生 石 灰 中 有 石 英 和石 灰 石7、 2MgOSiO2中 的 酸 根 離 子 是 （ ） ， 滑 石 的 化 學(xué)式 為 Mg3(Si4O10)(OH)2， 把 它 改 寫 成 氧 化 物 的 形 式（ ）8、 用 化 學(xué) 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 盛 放 氫 氟 酸 的 試 劑 瓶 為 什 么 不 用 玻 璃 瓶 ？9、 寫 一 個 高 溫 下 ， C既 做 氧 化 劑 又 做 還 原 劑 的 反 應(yīng)