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第五章化工生产中的重要非金属元素
第三节无机非金属材料
5.3.2 新型无机非金属材料
新型无机非金属材料
新型无机非金属材料突破了传统的硅酸盐体系， 常见类型有两种。
高纯度的含硅元素的材料：如单晶硅、二氧化硅 等，具有特殊的光学和电学性能，是现代信息技术 的基础材料。
一些含碳、氮元素的物质。如碳化硅、氮化硅等， 在航天、能源和医疗等领域有着广泛的应用。
一、硅
●硅元素含量仅此于氧，位于元素周期表第三周期、第 IVA 族。
● 单质硅是灰黑色具有金属光泽的固体。
主要形成四价的化合物
Si
第三周期、第IVA族 2
4
Be
12
Mg
20
Ca
54
13 14 Xe
Al Si
铝 硅 14) 28436
26.98 28.09 Rn
18
Mc Lv 下 Og
2 思 考】硅的结构(原子结构示意图、元素周期表位置 ) ,
推测硅及其化合物对应的性质
Si
SiO
H SiO
Na SiO
C
CO
H CO
Na CO
1
H
3
Li
11
Na
19
K
37
Rb
55 Cs
87
Fr
III A
5
B
硼 10.81
49 In
81 TI
113 Nh
5
B
13 AI
31
Ga
38 Sr
56 Ba
88 Ra
Ne
L8
Ar
36
Kr
5
s
8
P
11 FI
6
C
碳 12.01
+6
He
IV A
3
c
10
2
一、硅
1、硅元素的存在
-----氧化物、硅酸盐
硅元素含量在地壳中居第二位。
Si— 统治无机矿物界：硅是构成岩石与许多矿物的基本元素。
C—统治有机界：碳是构成有机物的主要元素。
Si是一种亲氧元素，在自然界中它总是与氧相互化合的，因此Si都以“化合
态”存在于自然界，岩石、沙子、土壤，约占地壳总量的90%以上。
氧48.60%
钾2.47% 铁2.00%- 氢0.76% 其他1.20%
硅26.30%
铝7.73% 铁4.75% 钙3.45% 钠2.74%
2、晶体硅的结构与物理性质
结构类似于金刚石，带有金属光泽的灰黑色固体， 晶体硅为原子晶体，熔点高、硬度大、有脆性，导电性 介于导体和绝缘体之间，是良好的半导体材料，高纯度 硅广泛应用于信息技术和新能源技术等领域。
金刚石和晶体硅的结构相似。
在晶体中，每个碳硅原子都以 共价键与相邻4个碳(硅)原 子结合，形成正四面体的立体 网状。所以，金刚石和晶体硅 的熔沸点都很高，硬度也很大。
Si原子
一、硅
3、硅的化学性质
在常温下只能与氟气(F ) 、HF、氢氧化钠反应，加热时能与O 、Cl 反应。
①常温下三反应
Si+2F =SiF 个
Si+2NaOH+H O=Na SiO +2H 个
Si+4HF=SiF 个+2H 个
②还原性：加热(高温)三反应
Si+Cl 型siCl (常温下为液体)
加热
Si+O ==SiO
高 温
Si+C==SiC ( 金 刚 砂 )
①良好的半导体材料； ②太阳能电池； ③计算机芯片
4、硅的用途 教材P22
教材-22页【资料卡片】 如何制备高纯度的硅
工业上制备高纯硅，一般需要先制得纯度为98%左右的粗硅，再以其 为原料制备高纯硅。例如，可以将粗硅转化为三氯硅烷(SiHCl ), 再经H 还 不 百 但 云 立 结 去
目前提得最纯的元素是半导体材料硅。
其纯度已达到12个“9”,即99.9999999999%。
杂质含量不超过一千万亿分之一。
粗硅在高温下跟氯 粗硅的制取 SiO +2C 1800~2000℃ Si+2CO 个
气反应生成一种液体
物质，经蒸馏提纯后， 应Si+3HC1300℃ SiHCl +H 1
再用氢气还原制得纯 粗硅的提纯
硅。 H 还原SiHCl +H 100CSi+3HC1
HCl 反
粗硅与
ru丁
光导纤维的原理
字习原来如此有趣blLb
光导纤维被认为是20世纪最伟大的发明之一，它使信息高速公路在
全球迅猛发展。光导纤维的主要成分是什么 碱性环境下，光导纤维为 什么会失去传播信号的能力 SiO
思考与讨论
二、二氧化硅SiO
1、存在形态
水晶 水晶
天然的 结晶形(石英晶体)玛瑙
(硅石) 无定形 硅藻土
天然的二氧化硅也叫硅石。
石英晶体是结晶的二氧化硅。
石英、水晶的主要成分都是SiO
硅藻土
玛瑙
SiO
物质 SiO
CO
状态(常温) 固体
气体
熔点 高 1610℃
-56.6℃
沸点 高 2230℃
-78.5℃
水溶性 难溶
1:1
硬度 大
二 、二氧化硅SiO
2、物理性质
思考：为什么SiO 和CO 的物理性质差异很大
表示二氧
体的立体网状结构。
SiO 华佳的组碳 决定了SiO 具有优良的
成(化学式)
物理和化学性质
体 结 构
每1个Si原子周围结合4个O 原子，同时每1个O 原子周围结
合2个Si原子相结合，所以SiO 晶体是以1:2的比例组成正四面
0 2
分子晶体
二、二氧化硅SiO
共价晶体
正四面体的立体网状结构
物理性质
硬度大，熔点高，
难溶于水
二、二氧化硅SiO
结构决定性质
化学性质
与强碱溶液反应： SiO +2NaOH==Na SiO +H
与碱性氧化物反应：SiO +Na O 温 =Na SiO 高温
与碳酸盐反应SiO +Na CO == a SiO +CO
SiO +CaCO ====CaSiO +CO
②弱氧化性 SiO +2c 温 si+2Cof 工业制粗石
温
N
③与HF 反 应——唯一能与SiO 反应的酸 SiO +4HF==SiF 个+2H O
用氢氟酸“刻”出的玻璃工艺品
—→ 刻蚀玻璃
装碱性溶液的试剂瓶用橡 胶塞
3 、SiC
①酸
光导纤维被认为是20世纪最伟大的发明之一，它使信息高速公路在
全球迅猛发展。光导纤维的主要成分是什么 碱性环境下，光导纤维为 什么会失去传播信号的能力 SiO
思考与讨论
深度思考
1、碱性环境下，光导纤维为什么会失去传播信号的能力 用离子方程式表示。
SiO +2OH-=SiO -+H O
2、能否用玻璃试剂瓶盛氢氟酸，为什么 应用什么瓶盛放 不能。因为玻璃瓶中含有的SiO 会与HF 反应，最好用特制的塑料瓶。
3 、SiO 既能与HF酸反应又能和NaOH反应，所以它是两性氧化物 不是
4、用什么试剂可以除去SiO 中混有的CaO 杂质 盐酸
5、根据SiO +CaCO CaSiO +CO ^,能否说明碳酸的酸性比硅酸弱：否
6、根据SiO +2C=高溫=Si+2CO个，能否说明C的非金属性强与Si 否
NO SIGNAL
4、SiO 的用途 教材P23
(1)建筑材料
(2)制作首饰与工艺品(水晶、玛瑙、瓷器) 建筑材料
(3)制作光学仪器(石英玻璃、石英坩埚)
(4)生成光导纤维
石英坩埚
光导纤维
光学纤维胃镜
课堂练习
将过量的CO 分别通入：
①CaCl 溶液；②Na SiO 溶液；③Ca(OH) 溶液；
④饱和Na CO 溶液。最终溶液中有白色沉淀析出的是(B)
A.①②③④ B.②④ C.①②③ D.②③
三 、新型陶瓷P23
与传统陶瓷相比，新型陶瓷在成分上有很大的变化，不再局限于传统 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。
高温结构陶瓷(SiC、Si N )
压电陶瓷
透明陶瓷
超导陶瓷
新型陶瓷
A.高温结构陶瓷
①用于高压钠灯、激光器、高温探测窗
B. 压电陶瓷
②主要用于电力、交通、医疗等领域
C. 透明陶瓷
③用于滤声器、扬声器、超声波探伤器
D. 超导陶瓷
④用于火箭、汽车发动机和耐高温材料
课堂练习
常见新型陶瓷及其用途(连线)
C 0是富勒烯的代表物，C 0的发现为纳米科学提供了重要的研究对象，开 启了碳纳米材料研究和应用的新时代。
石墨烯
富勒烯的代表物C 0
碳纳米管
四、纳米材料P23
四、纳米材料P23
类别 成分 性能
应用
富勒烯 由碳原子构成的 一系列笼形分子
纳米汽车
碳纳米管 由石墨层卷成的 管状物，具有纳 米尺度的直径 比表面积大，强 度高、优良电化 学性能
复合材料、电池 传感器
石墨烯 只有一个碳原子 直径厚度的单层 石墨 电阻率低、热导 率高，高强度
光电器件、超级 电容器、电池和 复合材料
四 、纳米材料
跟踪强化
【教材P25 T2】
2.下列物品或设施：
①陶瓷餐具②砖瓦③混凝土桥墩④门窗玻璃⑤水晶镜片
⑥石英钟⑦水晶项链⑧硅太阳能电池⑨光导纤维⑩计算机芯片
(1)使用了硅单质的是 (填序号，下同)。
(2)使用了二氧化硅的是 ③④⑤⑥⑦⑨
(3)使用了硅酸盐材料的是

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