1、第1頁 共 37 頁第第18講講 硅及其化合物硅及其化合物 無機非金屬材料無機非金屬材料第2頁 共 37 頁自主復習自主復習 夯實基礎夯實基礎第3頁 共 37 頁考綱要求考綱要求1.掌握硅及其重要化合物的性質和用途掌握硅及其重要化合物的性質和用途 2.初步了解硅及初步了解硅及SiO2晶體結構以及性質關系晶體結構以及性質關系 3.了解了解SiO2粉末對環境及人類健康的影響粉末對環境及人類健康的影響 4.了解硅酸鹽工業及新型無機非金屬材料的特征及應用了解硅酸鹽工業及新型無機非金屬材料的特征及應用 第4頁 共 37 頁教材回扣教材回扣一一 硅硅1.原子晶體原子晶體,具有正四面體結構具有正四面體結構

2、第5頁 共 37 頁2.硅常溫下性質穩定硅常溫下性質穩定,只能與只能與F2 HF NaOH溶液反應溶液反應 (1)Si+O2 SiO2(可在空氣中燃燒可在空氣中燃燒) (2)Si+4HFSiF4+2H2 (3)Si+2F2SiF4 (4)Si+2NaOH+H2ONa2SiO3+2H2 第6頁 共 37 頁二二 二氧化硅二氧化硅1.原子晶體原子晶體,具有正四面體結構具有正四面體結構,不溶于水不溶于水 2.二氧化硅具有弱氧化性和酸性氧化物的通性二氧化硅具有弱氧化性和酸性氧化物的通性 例例:(1)SiO2+2C Si+2CO (2)SiO2+2NaOHNa2SiO3+H2O (3)SiO2+4HFS

3、iF4+2H2O (4)SiO2+CaCO3 CaSiO3+CO2 (5)SiO2+Na2CO3 Na2SiO3+CO2 高溫高溫高溫第7頁 共 37 頁三三 硅酸硅酸 硅酸鹽性質硅酸鹽性質1.硅酸硅酸:不溶于水不溶于水,為弱酸為弱酸,其酸性比碳酸還要弱其酸性比碳酸還要弱 H2SiO3+2NaOHNa2SiO3+2H2O2.硅酸鹽硅酸鹽:Na2SiO3的水溶液俗稱水玻璃的水溶液俗稱水玻璃 Na2SiO3+2HCl2NaCl+H2SiO3 Na2SiO3+CO2+H2ONa2CO3+H2SiO3 (酸性酸性:H2CO3H2SiO3)第8頁 共 37 頁四四 硅酸鹽工業硅酸鹽工業1.概念概念以含硅

4、物質為原料以含硅物質為原料,經過加熱制成硅酸鹽產品的工業經過加熱制成硅酸鹽產品的工業,如制造如制造玻璃玻璃 水泥水泥 陶瓷等產品的工業陶瓷等產品的工業 2.硅酸鹽工業的特點硅酸鹽工業的特點:(1)用用含硅含硅的物質作原料的物質作原料;(2)反應條件是反應條件是高溫高溫;(3)反應原理復雜反應原理復雜,含復雜的含復雜的物理物理 化學化學變化變化;(4)生成物生成物是是硅酸鹽硅酸鹽 第9頁 共 37 頁3.水泥水泥 玻璃和陶瓷工業對比玻璃和陶瓷工業對比項目項目水泥工業水泥工業玻璃工業玻璃工業陶瓷工業陶瓷工業主要原料主要原料石灰石石灰石 黏黏土土 石膏石膏純堿純堿 石灰石灰石石 石英石英黏土黏土第1

5、0頁 共 37 頁第11頁 共 37 頁主要成分主要成分3CaOSiO22CaOSiO23CaOAl2O3普通玻璃普通玻璃Na2OCaO6SiO2種類種類:土器土器 陶器陶器 瓷器瓷器主要性能主要性能水硬性水硬性無固定熔點無固定熔點,在一定溫度在一定溫度范圍內熔化范圍內熔化抗氧化抗氧化,耐高耐高溫溫,抗酸堿腐抗酸堿腐蝕蝕第12頁 共 37 頁五五 新型無機非金屬材料新型無機非金屬材料無機非金屬材料包括兩大類無機非金屬材料包括兩大類:一類是一類是傳統無機非金屬材料傳統無機非金屬材料,第第二類是二類是新型無機非金屬材料新型無機非金屬材料 1.傳統無機非金屬材料傳統無機非金屬材料:主要指硅酸鹽材料主

6、要指硅酸鹽材料,如水泥如水泥 玻璃玻璃 陶瓷等陶瓷等,其優點是抗腐蝕其優點是抗腐蝕 耐高溫等耐高溫等,但也有質脆但也有質脆,經不起熱經不起熱沖擊等弱點沖擊等弱點 第13頁 共 37 頁2.新型無機非金屬材料新型無機非金屬材料:主要指高溫結構陶瓷主要指高溫結構陶瓷 光導纖維等光導纖維等 新型無機非金屬材料除繼承傳統無機非金屬材料的許多優新型無機非金屬材料除繼承傳統無機非金屬材料的許多優點點,克服某些弱點外克服某些弱點外,還具有如下特性還具有如下特性:(1)耐高溫耐高溫 強度高強度高 (2)具有具有電學特性電學特性 如氧化錫陶瓷如氧化錫陶瓷,可用作集成電路中的半導可用作集成電路中的半導體體 (3)

7、具有具有光學特性光學特性 如光導纖維如光導纖維,用于光纜通訊用于光纜通訊 醫療醫療 信息信息處理等處理等 (4)具有具有生物功能生物功能 如磷酸鈣系陶瓷如磷酸鈣系陶瓷,可用于制造人造骨骼等可用于制造人造骨骼等 第14頁 共 37 頁課堂互動課堂互動 熱點突破熱點突破第15頁 共 37 頁熱點考向熱點考向1.Si、SiO2的結構性質及用途的考查的結構性質及用途的考查 2.Si SiO2特殊性質考查及有關框圖推斷特殊性質考查及有關框圖推斷 3.新型無機非金屬材料的應用新型無機非金屬材料的應用 第16頁 共 37 頁熱點探究熱點探究熱點熱點1 硅及其化合物硅及其化合物 1.硅的性質和制法硅的性質和制

8、法硅的還原性大于碳的還原性硅的還原性大于碳的還原性,但碳卻能在高溫下還原出硅但碳卻能在高溫下還原出硅 這這是因為是因為SiO2+2C Si+2CO,CO是氣體是氣體,根據平均移動原根據平均移動原理理,減小減小CO濃度濃度,平衡向正反應方向移動平衡向正反應方向移動,促進該反應發生促進該反應發生 通常在氧化還原反應中通常在氧化還原反應中“強弱規律強弱規律”主要用于在水溶液中發主要用于在水溶液中發生的反應生的反應 高溫第17頁 共 37 頁2.二氧化硅的性質和用途二氧化硅的性質和用途(1)物理性質物理性質:SiO2是空間網狀結構的原子晶體是空間網狀結構的原子晶體,硬度大硬度大,熔點高熔點高,不溶于水

9、不溶于水 (2)化學性質化學性質酸性氧化物酸性氧化物:SiO2+CaO CaSiO3,SiO2+2NaOHNa2SiO3+H2O(堿性溶液不宜用帶磨口玻璃塞的試劑瓶盛裝堿性溶液不宜用帶磨口玻璃塞的試劑瓶盛裝) 弱氧化性弱氧化性:SiO2+2C Si+2CO 特性特性:SiO2+4HFSiF4+2H2O 高溫高溫第18頁 共 37 頁 (3)用途用途:SiO2是制造光導纖維的主要原料是制造光導纖維的主要原料 石英常用于石英常用于制作石英玻璃制作石英玻璃 石英鐘等石英鐘等 水晶常用來制造電子工業的水晶常用來制造電子工業的重要部件重要部件 光學儀器光學儀器 工藝品等工藝品等 石英砂常用作制玻璃石英砂

10、常用作制玻璃和建筑材料和建筑材料 第19頁 共 37 頁3.硅酸與硅酸鹽硅酸與硅酸鹽(1)硅酸硅酸:不溶于水不溶于水,其酸性小于碳酸其酸性小于碳酸 Na2SiO3+CO2+H2ONa2CO3+H2SiO3,Na2SiO3+2HCl2NaCl+H2SiO3 第20頁 共 37 頁 (2)硅酸鹽硅酸鹽常見的硅酸鹽是常見的硅酸鹽是Na2SiO3,俗稱俗稱“泡花堿泡花堿”,易溶于水易溶于水,其水其水溶液叫水玻璃溶液叫水玻璃,是一種礦物膠是一種礦物膠,顯堿性顯堿性,易吸收空氣中的易吸收空氣中的CO2而生成硅酸而生成硅酸,因而需密封保存因而需密封保存 硅酸鹽是構成地殼巖石的主要成分硅酸鹽是構成地殼巖石的主

11、要成分,種類很多種類很多,結構復雜結構復雜,常常用氧化物的形式來表示其組成用氧化物的形式來表示其組成 表示順序一般為活潑金屬表示順序一般為活潑金屬氧化物氧化物 較活潑金屬氧化物較活潑金屬氧化物 二氧化硅二氧化硅 水水 例如例如:硅酸硅酸鈉鈉Na2SiO3:Na2OSiO2;鈣沸石鈣沸石CaAl2Si3O103H2O:CaOAl2O33SiO23H2O 第21頁 共 37 頁4.硅及化合物的特殊性硅及化合物的特殊性(1)Si的還原性大于的還原性大于C,但但C卻能在高溫下還原出卻能在高溫下還原出Si (2)非金屬與強堿溶液反應一般無氫氣放出非金屬與強堿溶液反應一般無氫氣放出,但但Si例外例外:Si

12、+2NaOH+H2ONa2SiO3+2H2,起氧化作用的只是起氧化作用的只是H2O,而而NaOH既不是氧化劑也不是還原劑既不是氧化劑也不是還原劑,僅為反應物僅為反應物 此反應類似于此反應類似于Al與與NaOH溶液的反應溶液的反應 非金屬單質一般不非金屬單質一般不與弱氧化性酸反應與弱氧化性酸反應,但硅可以與氫氟酸反應但硅可以與氫氟酸反應 非金屬單質非金屬單質一般為非導體一般為非導體,原子晶體一般也為非導體原子晶體一般也為非導體,但但Si可以作為半可以作為半導體導體 第22頁 共 37 頁 (3)SiO2是硅酸的酸酐是硅酸的酸酐,但不溶于水但不溶于水,不能用不能用SiO2與水反應制備與水反應制備硅

13、酸硅酸,而只能用可溶性硅酸鹽跟酸作用來制備而只能用可溶性硅酸鹽跟酸作用來制備 (4)Na2CO3+SiO2 Na2SiO3+CO2,CaCO3+SiO2 CaSiO3+CO2,上述反應都是在高溫條件上述反應都是在高溫條件下進行的下進行的,有利于二氧化碳從體系中揮發出來有利于二氧化碳從體系中揮發出來,所以反應可以所以反應可以進行進行,符合難揮發性酸的酸酐制取易揮發性酸的酸酐的道理符合難揮發性酸的酸酐制取易揮發性酸的酸酐的道理 上述反應不與上述反應不與“Na2SiO3+CO2+H2ONa2CO3+H2SiO3”矛矛盾盾,因為后者是在溶液中進行的因為后者是在溶液中進行的,符合復分解反應的原理符合復分

14、解反應的原理 高溫高溫第23頁 共 37 頁 (5)SiH4中的中的H呈呈-1價價,因此因此SiH4具有極強的還原性具有極強的還原性,在空氣中在空氣中能自燃能自燃:SiH4+2O2SiO2+2H2O (6)通常的鈉鹽通常的鈉鹽 鉀鹽和銨鹽都易溶于水鉀鹽和銨鹽都易溶于水,但但 與與 會發會發生雙水解反應而在溶液中不能大量共存生雙水解反應而在溶液中不能大量共存: H2SiO3+2NH3 4NH23SiO2432NHSiO第24頁 共 37 頁(7)由于由于SiO2易與堿液反應生成易與堿液反應生成Na2SiO3,Na2SiO3水溶液是一水溶液是一種礦物膠種礦物膠,有很強的黏合性有很強的黏合性,因此盛

15、因此盛NaOH等強堿性溶液的等強堿性溶液的瓶子不能使用玻璃塞瓶子不能使用玻璃塞(中和滴定時所用標準堿液不得用酸中和滴定時所用標準堿液不得用酸式滴定管來盛式滴定管來盛),以防止以防止NaOH和玻璃中的和玻璃中的SiO2反應生成反應生成Na2SiO3,把瓶口和旋塞粘住把瓶口和旋塞粘住 當然當然,盛水玻璃的試劑瓶同盛水玻璃的試劑瓶同樣不得使用玻璃塞樣不得使用玻璃塞,而應使用軟木塞或橡皮塞而應使用軟木塞或橡皮塞,并注意密封并注意密封,防止防止CO2與與Na2SiO3溶液反應生成硅酸而變質溶液反應生成硅酸而變質 由于由于SiO2易與易與HF反應反應,所以制取所以制取HF氣體不得使用玻璃器皿而應用鉛氣體不

16、得使用玻璃器皿而應用鉛皿皿,盛氫氟酸的瓶子不得使用玻璃瓶和玻璃塞盛氫氟酸的瓶子不得使用玻璃瓶和玻璃塞,而應用塑料而應用塑料瓶瓶 第25頁 共 37 頁【例【例1】 A B C D E代表單質或化合物代表單質或化合物,它們之間的相它們之間的相互轉換關系如圖所示互轉換關系如圖所示 A為地殼中含量僅次于氧的非金屬為地殼中含量僅次于氧的非金屬元素的單質元素的單質,其晶體結構與金剛石相似其晶體結構與金剛石相似 第26頁 共 37 頁請填空請填空:(1)形成單質形成單質A的原子的結構示意圖為的原子的結構示意圖為_,它的最高化它的最高化合價為合價為_ (2)B的化學式為的化學式為_,B的晶體類型為的晶體類型

17、為_,B和碳和碳反應生成反應生成A和和E的化學方程式是的化學方程式是_ (3)C的化學式為的化學式為_,D的化學式為的化學式為_ +4SiO2 原子晶體 2SiO2CSi2CO高溫CaSiO3 Na2SiO3 第27頁 共 37 頁 解析解析 這是一道元素化合物的推斷題這是一道元素化合物的推斷題,其中其中“地殼中含量僅地殼中含量僅次于氧的非金屬元素的單質次于氧的非金屬元素的單質”是該推斷題的是該推斷題的“題眼題眼”,由由該該“題眼題眼”可知可知A是是Si,A的的“晶體結構與金剛石相似晶體結構與金剛石相似”充充分驗證了分驗證了A的確是的確是Si單質單質 分析框圖分析框圖,綜合綜合B生成生成C D

18、 E,可以推斷可以推斷B是是SiO2;E是是CO;C是是CaSiO3;D是是Na2SiO3 該該題對于題對于E的推斷的推斷,學生容易推斷為學生容易推斷為CO2,沒有考慮到從沒有考慮到從B到到E和和A的條件是的條件是“高溫高溫” 第28頁 共 37 頁變式變式1:2008年年8月月1日京津城際開通高速列車日京津城際開通高速列車,從天津到北京從天津到北京只需只需29分鐘分鐘,高速列車使用太陽能電池板高速列車使用太陽能電池板,硅和二氧化硅都是硅和二氧化硅都是制造太陽能電池的重要物質制造太陽能電池的重要物質,下列有關硅和二氧化硅的說法正下列有關硅和二氧化硅的說法正確的是確的是( )A.Si和和SiO2

19、都是半導體材料都是半導體材料B.由由SiO2得到粗硅是用碳作還原劑得到粗硅是用碳作還原劑,說明碳的還原性比硅強說明碳的還原性比硅強C.Si+3HCl SiHCl3+H2,此反應為置換反應此反應為置換反應D.Si和和SiO2都能跟都能跟NaOH溶液反應溶液反應高溫答案答案:CD第29頁 共 37 頁熱點熱點2 無機非金屬材料無機非金屬材料1.無機非金屬材料無機非金屬材料(1)傳統無機非金屬材料傳統無機非金屬材料:指硅酸鹽無機非金屬材料指硅酸鹽無機非金屬材料 (2)新型無機非金屬材料新型無機非金屬材料:新開發利用的無機非金屬材料主要新開發利用的無機非金屬材料主要有氮化硅有氮化硅(Si3N4) 剛玉

20、剛玉(Al2O3)等陶瓷等陶瓷,碳化硼碳化硼 光導纖維光導纖維(主要成分是主要成分是SiO2)等等,這些材料具有特殊結構這些材料具有特殊結構 特殊功能特殊功能 第30頁 共 37 頁 (3)傳統非金屬材料和新型非金屬材料的性質比較傳統非金屬材料和新型非金屬材料的性質比較:傳統非金傳統非金屬材料具有抗腐蝕屬材料具有抗腐蝕 耐高溫等許多優點耐高溫等許多優點,但質脆但質脆,耐熱沖擊耐熱沖擊差差 新型非金屬材料繼承了傳統非金屬材料的優點新型非金屬材料繼承了傳統非金屬材料的優點,并克并克服了缺點服了缺點,主要具有以下特性主要具有以下特性:(1)能承受高溫能承受高溫;(2)具有電學具有電學特性特性;(3)

21、具有光學特性具有光學特性;(4)具有生物功能具有生物功能 第31頁 共 37 頁2.今后無機非金屬材料的發展趨勢今后無機非金屬材料的發展趨勢(1)新型能源轉換和儲能材料新型能源轉換和儲能材料:主要在電動汽車和混合動力車主要在電動汽車和混合動力車等新一代環境協調型交通工具上發展等新一代環境協調型交通工具上發展 (2)新型光電子材料及器件新型光電子材料及器件:集中在信息技術數字化集中在信息技術數字化 網絡化網絡化 超大容量信息傳輸超大容量信息傳輸 超高密度信息儲存方面發揮巨大作超高密度信息儲存方面發揮巨大作用用 第32頁 共 37 頁 (3)生物醫用材料生物醫用材料:除了人工骨除了人工骨 人工牙齒

22、人工牙齒 HAP陶瓷陶瓷 心臟心臟瓣膜與血管支架等生物材料之外瓣膜與血管支架等生物材料之外,還將利用特種納米粒子還將利用特種納米粒子,進行細胞分離進行細胞分離 染色染色,生物探針標記及利用納米制成藥物生物探針標記及利用納米制成藥物或新型抗體進行臨床疾病診斷或新型抗體進行臨床疾病診斷 (4)信息功能材料信息功能材料:主要應用于信息技術中主要應用于信息技術中,材料的制作將向著材料的制作將向著微型化和智能化方向發展微型化和智能化方向發展,在第三代移動通訊及數字化信在第三代移動通訊及數字化信息技術中能扮演重要角色息技術中能扮演重要角色 第33頁 共 37 頁 (5)輕質高強材料輕質高強材料:在未來汽車

23、工業和高速列車上在未來汽車工業和高速列車上,對新一代輕對新一代輕質高強質高強 高韌的復合材料提出了要求高韌的復合材料提出了要求 尤其是美國尤其是美國911恐怖事件發生之后恐怖事件發生之后,對超高層建筑用無機結構材料的需求對超高層建筑用無機結構材料的需求更為迫切更為迫切 而輕質而輕質 高強高強 耐高溫耐高溫 多功能防災的水泥基多功能防災的水泥基復合材料復合材料,以及能診斷以及能診斷 自修復智能化建筑結構材料將是自修復智能化建筑結構材料將是明確的研究方向明確的研究方向 (6)納米無機材料納米無機材料:主要集中在光子電子納米信息材料主要集中在光子電子納米信息材料;納米發納米發光材料光材料;納米結構器

24、件設計等方面納米結構器件設計等方面 這類材料有可能成為這類材料有可能成為下一代微電子和光電子器件的核心下一代微電子和光電子器件的核心,及新一代發光器件及新一代發光器件 第34頁 共 37 頁【例【例2】 下列材料的特性及用途敘述不正確的是下列材料的特性及用途敘述不正確的是( )A.氧化鋁陶瓷具有兩性氧化鋁陶瓷具有兩性,可用來制造人造牙齒可用來制造人造牙齒B.氮化硅陶瓷耐高溫且不易傳熱氮化硅陶瓷耐高溫且不易傳熱,可用來制造柴油機可用來制造柴油機C.光導纖維傳導光的性能很強光導纖維傳導光的性能很強,是非常好的通訊材料是非常好的通訊材料D.人造剛玉硬度高人造剛玉硬度高,用于制造剛玉球磨機用于制造剛玉球磨機答案答案 A第35頁 共 37 頁 解析解析 根據不同材料的特性及相應用途來判斷根據不同材料的特性及相應用途來判斷 氧化鋁陶氧化鋁陶瓷對人體無