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第三节 无机非金属材料
第2课时 新型无机非金属材料
第五章 化工生产中的重要非金属元素
---- 含硅材料的认识与应用
硅酸盐
二氧化硅
硅蛋白 SiO2·nH2O
天然水晶 SiO2
硅
石
土土
教材描述：
材料是人类赖以生存的物质基础，人类使用材料除了金属材料，还有无机非金属材料等。从组成上来看，许多无机非金属材料含有硅、氧等元素，具有耐高温、抗腐蚀、硬度高等特点，以及特殊的光学、电学等性能。随着工业生产和社会发展对材料性能要求的提高，一批新型无机非金属材料相继诞生……
无机非金属材料：
人类发展的漫长历史中，无机非金属材料的使用远远早于金属材料的使用
不知不觉中利用了这些材料的“抗腐蚀、高硬度”等特性
（公元前5000年~公元前3000年）
（公元前1500年~公元前1300年）
（1756年）
从公元前5000多年开始~至今……
传统无机非金属材料---硅酸盐材料
陶瓷
玻璃
水泥
nAl2O3·mSiO2·xH2O
Na2SiO3 、CaSiO3、SiO2
2CaO·SiO2、3CaO·SiO2、
3CaO·Al2O3
(Na2O·SiO2、CaO·SiO2)
无机非金属材料：
教材描述：
材料是人类赖以生存的物质基础，人类使用材料除了金属材料，还有无机非金属材料等。从组成上来看，许多无机非金属材料含有硅、氧等元素，具有耐高温、抗腐蚀、硬度高等特点，以及特殊的光学、电学等性能。随着工业生产和社会发展对材料性能要求的提高，一批新型无机非金属材料相继诞生……
硅与氧之间有非常强的亲合力---“亲氧”
【思考1】“许多无机非金属材料中含有硅、氧元素”，你能否作出某种猜测？
自然界中硅元素的含量很高，但没有游离态的硅
教材描述：
……从组成上来看，许多无机非金属材料含有硅、氧等元素，具有耐高温、抗腐蚀、硬度高等特点，以及特殊的光学、电学等性能。随着工业生产和社会发展对材料性能要求的提高，一批新型无机非金属材料相继诞生……


Si


①在硅酸盐中，Si和O构成了硅氧四面体，每个Si结合4个O，Si在中心，O在四面体的4个顶角；
②许多这样的四面体还可以通过顶角的O相互连接，每个O为两个四面体共有，与2个Si相结合；
③硅氧四面体结构的特殊性，决定了硅酸盐材料大多具有硬度高、难溶于水、耐高温、耐腐蚀等特点
【问题1】你还记得CO2的电子式和结构式吗？
【问题2】你能理解教材P19“硅酸盐的结构”描述吗？
SiO44-
-
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-
【思考2】 自然界的岩石其外观、纹理、硬度等均存在巨大差异，试推测其原因是什么？
SiO44-离子
硅氧四面体
【思考3】根据含硅酸盐矿物的外部特征，能否将三类物质微观结构与其匹配？
丝光沸石K2Al2Si10O24 ·7H2O
K2O·Al2O3·10SiO2·7H2O
云母
KAl3Si3O11
K2O·3Al2O3·6SiO2
天然水晶
SiO2

教材描述：
……从组成上来看，许多无机非金属材料含有硅、氧等元素，具有耐高温、抗腐蚀、硬度高等特点，以及特殊的光学、电学等性能。随着工业生产和社会发展对材料性能要求的提高，一批新型无机非金属材料相继诞生……
教材描述：
现代信息技术式建立在半导体材料基础上的。位于元素周期表第三周期、第ⅣA族的硅元素，正好处于金属与非金属的过渡位置，其单质的导电性介于导体与绝缘体之间，是应用最微广泛的半导体材料。
现代信息技术材料
信息的处理与存储
1956---硅集成电路
信息的传输
1970美国康宁公司研制成低传输损耗的石英光纤
【思考4】从物质价态角度分析，工业上如何利用SiO2获取Si单质
单质 氧化物
+4
0
SiO2
Si
还原剂
C H2
书写上述过程涉及的化学反应方程式:
【你有质疑吗？】
原子半径：
非金属性：
氧化性：
r（C）＜r（Si）
C>Si
C>Si
信息的处理与存储 ---- Si
硅材料按照纯度可以分为
冶金级硅 太阳能级硅 电子级硅
90%~95%，
有的可达99.8%
99.9999999%以上
超高纯的达到11~12个9
99.99%~99.9999%
也就是4~6个9
2019年7月4日，日本政府限制向韩国出口三种半导体生产原料：含氟聚酰亚胺、光刻胶及高纯度氟化氢。日本方面宣称，此举并非历史问题或政治原因。
2023年3月日本经济产业省周四宣布正式放宽对氟化聚酰亚胺、氟化氢和光刻胶的许可要求，并称此举当日生效。
自韩国总统尹锡悦上台之后，韩国对日本态度也开始软化，彻底改变了此前要求日本企业负责赔偿责任的强硬态度。
HF刻蚀
氟化氢主要用来腐蚀半导体基板，在半导体产品制造的600多道工序中，使用氟化氢的次数有时多达十多次。
【思考5】SiO2、Si均能被HF所腐蚀，试写出相关反应的方程式。
4HF + Si = SiF4 + 2H2
4HF + SiO2 = SiF4 + 2H2O
信息的传送----SiO2
【思考6】从物质类别角度分析，SiO2具有怎样的化学性质？
这对石英光纤的使用环境有何要求？
单质 氧化物 酸 盐
+4
0
SiO2 H2SiO3 Na2SiO3
CaSiO3
Si
酸性氧化物的通性：SiO2 + 2NaOH = Na2SiO3 + H2O
SiO2 + CaO === CaSiO3
高温
碱溶液长期存放？
SiO2 + Na2CO3 === Na2SiO3 + CO2
SiO2 + CaCO3 === CaSiO3 + CO2
高温
高温
【问题3】你是怎样理解玻璃工业生产过程中如下的两个反应的？
酸性：H2CO3
H2SiO3
Na2SiO3 + H2O + CO2 == Na2CO3 + H2SiO3↓
高温条件下碳酸盐的不稳定性 --- 产生碱性氧化物
硅酸钠的水溶液俗称“水玻璃”
建筑行业粘合剂
耐火材料
耐腐蚀材料
＞
SiO2 H2SiO3 Na2SiO3
CaSiO3
Si
单质 氧化物 酸 盐
+4
0
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