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无机非金属材料（硅）
第五章 第3节 无机非金属材料
Si 单质
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
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
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
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
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

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