無機非金屬材料（硅）第五章

第3節無機非金屬材料

Si單質硅的存在硅是親氧元素，沒有游離態，只有化合態。硅在自然界中主要以：硅酸鹽（如地殼中的大多數礦物）氧化物（如水晶、瑪瑙）的形式存在硅在地殼中的含量【第二位】硅單質的類型晶體硅：有正四面體形網狀結構，與金剛石結構相似不定形硅：不是嚴格的正四面體結構，具有不穩定性Si性質物理性質晶體硅是灰黑色、有金屬光澤的固體，結構類似金剛石，熔沸點高、硬度大，導電能力介于導體和絕緣體之間，是良好的半導體材料。硅單質可用于：太陽能電池、芯片、半導體材料Si的空間網狀結構Si+14842硅的化學性質不活潑主要形成四價化合物化學性質Si性質常溫下，硅的化學性質不活潑，只與HF、F2、強堿反應與氟氣反應：Si+2F2=SiF4與氫氟酸反應：Si+4HF=SiF4↑+2H2↑與強堿溶液反應：Si+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H2↑加熱條件下，也能和一些非金屬反應與氯氣反應：與氧氣反應：Si+2Cl2SiCl4Si+O2SiO2與碳反應：Si+CSiC高溫Si的制備制備原理：用焦炭還原石英砂，得到含少量雜質的粗硅，然后轉化為三氯硅烷，再經H2還原。SiO2（石英砂）＋2C

========Si（粗）＋2CO↑800～2000℃300℃Si（粗）＋3HCl=====SiHCl3＋H2SiHCl3＋H2=====Si（純）＋3HCl。1100℃制備方程

SiO2SiO2光纖SiO2物理性質：硬度大，熔點高，難溶于水SiO2的結構四面體結構每1個Si周圍結合4個O，Si在中心，O在四個頂角空間網狀結構每1個O被2個Si共用Si原子和O原子比例1:2，通常用SiO2來表示二氧化硅的組成SiO2的化學性質化學性質酸性氧化物與水反應與堿反應與堿性氧化物反應【SiO2不溶于水，也不與水反應】SiO2特性與HF(氫氟酸)反應氧化性與C反應SiO2的化學性質化學性質與強堿反應(如NaOH)SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O與堿性氧化物反應(如CaO)SiO2+CaOCaSiO3高溫硅酸鈉俗稱泡花堿，其水溶液俗稱“水玻璃”，可作粘合劑、防火劑①、SiO2酸性氧化物通性SiO2的化學性質化學性質②、SiO2的氧化性（弱）SiO2+2CSi+2CO↑高溫工業制粗硅③、SiO2的特性與HF反應SiO2+4HF=SiF4↑+2H2OHF能腐蝕玻璃，因此不能用玻璃瓶裝，需要用塑料瓶HF能腐蝕玻璃，可用于玻璃雕刻SiO2的化學性質思考①、為什么實驗室盛放堿溶液的試劑瓶使用橡膠塞，而不用玻璃塞？②、加熱熔融NaOH時，為什么不能使用陶瓷坩堝，石英坩堝和鋁坩堝，只能使用鐵坩堝？③、SiO2既能與強堿反應，又能與HF反應，SiO2是兩性氧化物嗎？堿液能與玻璃中SiO2發生反應生成Na2SiO3，導致玻璃塞與瓶口內側粘連陶瓷和石英的主要成分都含有SiO2，能與NaOH反應，鋁坩堝的主要成分是氧化鋁，也能與NaOH反應。

不是兩性氧化物，SiO2和其他酸不反應，只能與HF酸反應，且生成的SiF4不是鹽

H2SiO3透明小球是硅酸逐漸聚合而形成的膠體-硅酸溶膠，硅酸濃度較大時，則形成軟而透明的、膠凍狀的硅酸凝膠。硅酸凝膠經干燥脫水就形成硅酸干膠，稱為“硅膠”。硅膠多孔，吸附水分能力強，常用做實驗室和袋裝食品、瓶裝藥品等的干燥劑，也可以用作催化劑的載體。硅酸硅酸是一種白色膠狀固體，不溶于水。弱酸性：(酸性：HCl>H2CO3>H2SiO3)H2SiO3不能使指示劑變色不穩定性：受熱易分解硅酸物理性質化學性質H2SiO3硅酸的制備硅酸的制備制備思路：強酸制弱酸Na2SiO3+2HCl==2NaCl

+H2SiO3(膠體)Na2SiO3+CO2+H2O==H2SiO3(膠體)+Na2CO3制備方法：可溶硅酸鹽（例如Na2SiO3)+酸上述反應也可以用于比較碳酸和硅酸的酸性強弱硅酸鹽材料——傳統無機非金屬材料傳統無機非金屬材料——陶瓷、玻璃、水泥

陶瓷

玻璃

水泥傳統無機非金屬材料原料：純堿、石灰石、石英砂(主要成分為SiO2),主要成分：Na2SiO3、CaSiO3、SiO2傳統無機非金屬材料玻璃主要成分：黏土（含水的鋁硅酸鹽）目前，陶瓷仍然在人類的生產和生活中扮演著重要的角色，得到了廣泛應用，如用于生產建筑材料、絕緣材料、日用器皿、衛生潔具等。傳統無機非金屬材料

主要成分：黏土和石灰石，加入適量石膏調節水泥硬化速率

水泥、沙子和碎石等與水混合可以得到混凝土，大量用于建筑和水利工程。陶瓷水泥判斷正誤(正確的打“√”，錯誤的打“×”)(1)硅元素在自然界中既有化合態，又有游離態。(

)(2)氫氟酸不能用玻璃試劑瓶保存。(

)(3)水晶、石英、沙子、瑪瑙、光導纖維的主要成分均是SiO2。(

)(4)光導纖維在強堿性條件下易發生“斷路”。(

)(5)普通玻璃和水泥的生產原料均含石灰石。(

)×√√√√課后診斷新型無機非金屬材料新型陶瓷

新型陶瓷在組成上不再限于傳統的硅酸鹽體系，在光學、熱學、電學、磁學等方面有很多新的特性和功能。高溫陶瓷壓電陶瓷透明陶瓷碳化硅（SiC）俗稱金剛砂硬度很大，可用作砂紙和砂輪的磨料還具有優異的高溫抗氧化性能，可以用作耐高溫結構材料、耐高溫半導體材料等。超導陶瓷新型無機非金屬材料富勒烯C60石墨烯碳納米管（單壁）碳納米管（多壁）碳納米材料在能源、信息、醫藥等領域有著廣闊的應用前景。結構特點