5.3.1 无机非金属材料（硅） 课件 2023-2024学年高一下学期化学人教版（2019）必修第二册

无机非金属材料（硅） 第五章 第3节 无机非金属材料 1 Si 单质 1 硅的存在 硅是亲氧元素，没有游离态，只有化合态。硅在自然界中主要以： 硅酸盐（如地壳中的大多数矿物） 氧化物（如水晶、玛瑙）的形式存在 硅在地壳中的含量【第二位】 硅单质的类型 晶体硅： 有正四面体形网状结构，与金刚石结构相似 不定形硅： 不是严格的正四面体结构，具有不稳定性 Si 性质 物理性质 晶体硅是灰黑色、有金属光泽的固体，结构类似金刚石，熔沸点高、硬度大， 导电能力介于导体和绝缘体之间，是良好的半导体材料。 硅单质可用于：太阳能电池、芯片、半导体材料 Si 的空间网状结构 Si +14 8 4 2 硅的化学性质不活泼 主要形成四价化合物 化学性质 Si 性质 常温下，硅的化学性质不活泼， 只与HF、F2、强碱反应 与氟气反应： Si + 2F2 = SiF4 与氢氟酸反应： Si + 4HF = SiF4↑ + 2H2↑ 与强碱溶液反应： Si + 2NaOH + H2O = Na2SiO3 + 2H2↑ 加热条件下，也能和一些非金属反应 与氯气反应： 与氧气反应： Si+2Cl2 SiCl4 Si + O2 SiO2 与碳反应： Si + C SiC 高温 Si 的制备 制备原理： 用焦炭还原石英砂，得到含少量杂质的粗硅，然后转化为三氯硅烷，再经H2还原。 SiO2（石英砂）＋2C ======== Si（粗）＋2CO↑ 800～2 000 ℃ 300 ℃ Si（粗）＋3HCl=====SiHCl3＋H2 SiHCl3＋H2=====Si（纯）＋3HCl。 1100 ℃ 制备方程 SiO2 1 SiO2 光纤 SiO2 物理性质： 硬度大，熔点高，难溶于水 SiO2 的结构 四面体结构 每1个Si周围结合4个O， Si在中心，O在四个顶角 空间网状结构 每1个O 被 2个Si 共用 Si 原子和 O 原子比例 1:2， 通常用SiO2来表示二氧化硅的组成 SiO2 的化学性质 化学性质 酸性氧化物 与水反应 与碱反应 与碱性氧化物反应 【SiO2不溶于水，也不与水反应】 SiO2 特性 与HF(氢氟酸)反应 氧化性 与C反应 SiO2 的化学性质 化学性质 与强碱反应(如NaOH) SiO2+2NaOH = Na2SiO3+H2O 与碱性氧化物反应(如CaO) SiO2+CaO CaSiO3 高温 硅酸钠 俗称泡花碱，其水溶液俗称“水玻璃”， 可作粘合剂、防火剂 ①、SiO2 酸性氧化物通性 SiO2 的化学性质 化学性质 ②、SiO2 的氧化性（弱） SiO2+2C Si+2CO↑ 高温 工业制粗硅 ③、SiO2 的特性 与HF反应 SiO2+4HF = SiF4↑+2H2O HF能腐蚀玻璃，因此不能用玻璃瓶装，需要用塑料瓶 HF能腐蚀玻璃，可用于玻璃雕刻 SiO2 的化学性质 思考 ①、为什么实验室盛放碱溶液的试剂瓶使用橡胶塞，而不用玻璃塞？ ②、加热熔融NaOH时，为什么不能使用陶瓷坩埚，石英坩埚和铝坩埚，只能使用铁坩埚？ ③、SiO2既能与强碱反应，又能与HF反应，SiO2是两性氧化物吗？ 碱液能与玻璃中SiO2发生反应生成Na2SiO3，导致玻璃塞与瓶口内侧粘连 陶瓷和石英的主要成分都含有SiO2，能与NaOH反应， 铝坩埚的主要成分是氧化铝，也能与NaOH反应。 不是两性氧化物，SiO2和其他酸不反应，只能与HF酸反应，且生成的SiF4不是盐 H2SiO3 1 透明小球是硅酸逐渐聚合而形成的胶体-硅酸溶胶，硅酸浓度较大时，则形成软而透明的、胶冻状的硅酸凝胶。硅酸凝胶经干燥脱水就形成硅酸干胶，称为“硅胶”。硅胶多孔，吸附水分能力强，常用做实验室和袋装食品、瓶装药品等的干燥剂，也可以用作催化剂的载体。 硅酸 硅酸是一种白色胶状固体，不溶于水。 弱酸性：(酸性： HCl > H2CO3 > H2SiO3) H2SiO3 不能使指示剂变色 不稳定性：受热易分解 硅酸 物理性质 化学性质 H2SiO3 硅酸的制备 硅酸的制备 制备思路：强酸制弱酸 Na2SiO3 + 2HCl == 2NaCl + H2SiO3(胶体) Na2SiO3 + CO2 + H2O == H2SiO3(胶体) + Na2CO3 制备方法：可溶硅酸盐（例如Na2SiO3) + 酸 上述反应也可以用于比较碳酸和硅酸的酸性强弱 硅酸盐材料 ——传统无机非金属材料 1 传统无机非金属材料——陶瓷、玻璃、水泥 陶瓷 玻璃 水泥 传统无机非金属材料 原料：纯碱、石灰石、石英砂(主要成分为SiO2), 主要成分：Na2SiO3、CaSiO3、SiO2 传统无机非金属材料 玻璃 主要成分：黏土（含水的铝硅酸盐） 目前，陶瓷仍然在人类的生产和生活中扮演着重要的角色，得到了广泛应用，如用于生产建筑材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具等。 传统无机非金属材料 主要成分：黏土和石灰石，加入适量石膏调节水泥硬化速率 水泥、沙子和碎石等与水混合可以得到混凝土，大量用于建筑和水利工程。 陶瓷 水泥 判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”) (1)硅元素在自然界中既有化合态，又有游离态。(　　) (2)氢氟酸不能用玻璃试剂瓶保存。(　　) (3)水晶、石英、沙子、玛瑙、光导纤维的主要成分均是SiO2。(　　) (4)光导纤维在强碱性条件下易发生“断路”。(　　) (5)普通玻璃和水泥的生产原料均含石灰石。(　　) × √ √ √ √ 课后诊断 新型无机非金属材料 1 新型陶瓷 新型陶瓷在组成上不再限于传统的硅酸盐体系，在光学、热学、电学、磁学等方面有很多新的特性和功能。 高温陶瓷 压电陶瓷 透明陶瓷 碳化硅（SiC）俗称金刚砂 硬度很大，可用作砂纸和砂轮的磨料 还具有优异的高温抗氧化性能，可以用作耐高温结构材料、耐高温半导体材料等。 超导陶瓷 新型无机非金属材料 富勒烯C60 石墨烯 碳纳米管（单壁） 碳纳米管（多壁） 碳纳米材料在能源、信息、医药等领域有着广阔的应用前景。 结构特点 应用 富勒烯 由碳原子构成的一系列笼形分子的总称 代表物C60开启碳纳米材料研究和应用的新时代 碳纳米管 由石墨片层卷成的管状物，具有纳米尺度的直径 用于生产复合材料、电池和传感器等 石墨烯 只有一个碳原子直径厚度的单层石墨 应用于光电器件、超级电容器、电池和复合材料等 新型无机非金属材料 $$