資源簡介

(共33張PPT)
第五章 化工生產中的重要非金屬元素
第三節 無機非金屬材料
硅 二氧化硅 硅酸 硅酸鹽
想一想：它們用到哪些材料？列舉生活中有哪些材料？
材料按照化學組成和特性來分：
復合材料：由兩種或兩種以上的材料按照一定方式組成的材料。
高分子材料：纖維、橡膠、樹脂、塑料
材料
金屬材料：純金屬材料和合金材料
無機非金屬材料：傳統和新型無機非金屬材料
三大傳統硅酸鹽材料：玻璃、陶瓷、水泥
傳統無機非金屬材料-硅酸鹽材料
結構：在硅酸鹽中，Si和O構成了硅氧四面體。
性質：硬度大、熔點高、難溶于水、化學性質穩定等。
硅酸鹽概念：由硅、氧和金屬組成的化合物的總稱
玻璃
制備原理：
SiO2+Na2CO3 Na2SiO3+CO2↑
SiO2+CaCO3 CaSiO3+CO2↑
純堿、石灰石、石英沙（SiO2）
Na2SiO3、CaSiO3和SiO2
建筑材料、光學儀器、各種器皿、
玻璃纖維
原料：
成分：
用途：
性能：
透光性好、硬度大、無固定熔點
水泥
黏土和石灰石，適量石膏（調節水泥硬化速率）
水泥回轉窖(復雜的物理和化學變化)
設備：
原料：
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
用途：
成分： 硅酸鹽，包括硅酸三鈣(3CaO·SiO2) 硅酸二鈣 (2CaO·SiO2)、 鋁酸三鈣(3CaO·Al2O3)
黏土（含水的鋁硅酸鹽）
高溫燒結(復雜的物理和化學變化)
建筑材料、絕緣材料、日用器皿、衛生潔具
原料：
條件：
用途：
陶瓷
我國具有悠久的陶瓷制造歷史，在新石器時代，我們的祖先已能燒制陶器，至唐宋時期，我國的陶瓷制品已經享譽海內外。
玻璃,水泥,陶瓷的原料有哪些區別？組成成分上玻璃與水泥和陶瓷相比有什么不同
成分： 含水的鋁硅酸鹽
玻璃的成分含有二氧化硅
1．湖南省博物院被國家文物局列為首批“國家一級博物館”，現有院藏文物18萬余件。下列文物的主要成分為硅酸鹽材料的是
C
2“九秋風露越窯開，奪得千峰翠色來”是贊譽越窯秘色青瓷的詩句，描繪我國古代精美的青瓷工藝品。玻璃、水泥和陶瓷均為硅酸鹽制品，下列有關說法正確的是(　 　)
A．玻璃是人類最早使用的硅酸鹽制品
B．制水泥的原料為純堿、石灰石和石英
C．硅酸鹽制品的性質穩定、熔點較高
D．沙子和黏土的主要成分均為硅酸鹽
C
硅谷最早是研究和生產以硅為基礎的半導體芯片的地方，因此得名。
新型無機非金屬材料
硅在地殼中的含量：
地殼中含量前五位的元素
氧、硅、鋁、鐵、鈣
僅次于氧，排在第二位。
一.硅
1.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）和 氧化物（如水晶、瑪瑙）的形式存在。
硅酸鹽——石榴石
氧化物——水晶
是構成礦物和巖石的基本元素。
氧化物——沙子
硅元素位于元素周期表第三周期、第ⅣA族。處于金屬和非金屬的過渡位置
，導電能力介于導體和絕緣體之間，是良好的半導體材料
1.硅
硅是信息技術的關鍵材料。
半導體材料
Si
+14
8
4
2
+6
4
2
C
硅的化學性質不活潑，主要形成四價化合物
單質硅是灰黑色具有金屬光澤的固體,結構類似金剛石，熔沸點很高、硬度大
2.硅的物理性質
硅的類型：分為晶體硅和不定型硅
晶 體 硅
不 定 型 硅
正四面體形網狀結構的晶體，與金剛石結構相似
并非所有的原子都與其它原子嚴格地按照正四面體排列 (不穩定性)
3.硅單質的化學性質
（1）常溫下，硅的化學性質不活潑，除氫氟酸、氟氣、強堿外不跟其他物質反應。
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↑
（2）加熱條件下，硅也能和一些非金屬反應。
Si+2Cl2 SiCl4
Si + O2 SiO2
Si + C SiC
高溫
3.硅的用途
良好的半導體材料可制成硅芯片和太陽能電池極板
半導體發光二極管
思考:如何理解工業上的“從沙灘到用戶”？怎么獲得高純硅呢？
SiO2＋2C Si＋2CO↑
4.高純硅的制備
其中涉及的主要化學反應為
①________________________________
②_________________________
③__________________________
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，再經氫氣還原。
能否通過該反應證明C、Si的還原性強弱？
氧化性、還原性的強弱，必須是在通常的情況下發生的反應，上述反應是在高溫條件下發生的，故不能比較還原性的強弱。
SiO2是硅的重要化合物，地球上存在的天然二氧化硅約占地殼質量的12％，其存在形態有結晶形和無定形兩大類，通稱硅石。
二，二氧化硅
瑪瑙
水晶
石英
結晶形
無定形
2.SiO2的結構
空間構型：硅氧四面體（空間網狀）
物理性質：難溶于水，熔點高，硬度大 化學性質：化學穩定性好
①1mol SiO2中含4mol Si-O鍵
②SiO2是不是分子式，SiO2是由原子組成的，沒有SiO2分子
二氧化硅中氧原子與硅原子個數比為2：1，用SiO2來表示二氧化硅的組成，表示O與Si的原子個數比，不是分子式是化學式
導入：光導纖維被認為是20世紀最偉大的發明之一，它使信息高速公路在全球迅猛發展。光導纖維的主要成分是SiO2，堿性環境下，光導纖維為什么會失去傳播信號的能力？
思考：SiO2具有酸性氧化物的通性，你能否說出CO2能與哪類物質發生反應？
CO2能與水反應，與堿反應，與堿性氧化物反應，SiO2能與這些物質反應嗎？
a.酸性氧化物
①與堿溶液反應：
SiO2 + 2NaOH = Na2SiO3 + H2O
②與堿性氧化物反應：
SiO2 + CaO CaSiO3
③與某些鹽反應：工業制玻璃
3.SiO2的化學性質
SiO2+Na2CO3 Na2SiO3+CO2↑
SiO2+CaCO3 CaSiO3+CO2↑
【思考】為什么實驗室盛裝NaOH溶液的試劑瓶用橡皮塞而不用玻璃塞？
因為玻璃中含有SiO2，會與NaOH溶液反應生成硅酸鈉，硅酸鈉具有黏性，會使瓶塞與瓶口粘在一起而打不開。但此反應在成型的玻璃表面進行時很慢的，幾乎不會影響瓶子本身。所以可以用玻璃瓶
SiO2 + 4HF = SiF4 ↑+2H2O
用途：刻蝕玻璃
b.特性：與酸反應（只能與HF反應）
注意：盛裝氫氟酸不能用玻璃試劑瓶而要用塑料瓶
思考：某同學根據SiO2既可與堿反應,也能與氫氟酸反應推斷SiO2為兩性氧化物，是否正確
不是，二氧化硅和其他酸不反應，只能與HF酸反應，且生成的SiF4不是鹽
加熱熔融燒堿時應使用下列哪種坩堝（ ）
A.石英坩堝 B.普通玻璃坩堝
C.鐵坩堝 D.氧化鋁坩堝
C
練一練：
解析： 陶瓷和石英的主要成分都含有SiO2，SiO2能與NaOH反應，鋁坩堝的主要成分是氧化鋁，也能與NaOH反應。
4.二氧化硅的用途
光導纖維
石英坩堝
玻璃儀器
水晶、瑪瑙飾品
還可以用于工業制粗硅：
SiO2+2C Si+2CO↑
高溫
3.新型陶瓷：高溫陶瓷，壓電陶瓷，透明陶瓷，超導陶瓷
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。
三，其他新型非金屬材料
富勒烯C60
石墨烯
碳納米管
4.碳納米材料：碳單質的同素異形體
在能源、信息、醫藥等領域有著廣闊的應用前景
硅膠是什么？為什么可以用作干燥劑呢？
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。
1. H2SiO3物理性質：
白色膠狀固體不溶于水
四：硅酸
2. H2SiO3化學性質：
①硅酸是一種不溶于水的弱酸，酸性比碳酸H2CO3 弱，不能使指示劑變色
3. H2SiO3的制備：（強酸制弱酸）可溶性硅酸鹽與酸反應制備H2SiO3
Na2SiO3+2HCl = 2NaCl+H2SiO3↓
Na2SiO3+H2O+CO2 (少)= Na2CO3+H2SiO3↓
Na2SiO3+2H2O+2CO2(過) =2NaHCO3+H2SiO3↓
②H2SiO3不穩定，受熱易分解
H2SiO3 SiO2 + H2O
【例】下列關于硅酸的說法正確的是(　　 )
A.硅酸可以通過SiO2和水的化合反應直接制得
B.用反應Na2SiO3＋2HCl=2NaCl＋H2SiO3(膠體)制取硅酸是利用了可溶性酸制難溶性酸的性質
C.因為硅酸難溶于水，所以它不能與NaOH溶液反應
D.硅膠可用作袋裝食品的干燥劑
D
1.概念：由硅、氧和金屬組成的化合物的總稱（Na2SiO3 )
結構：在硅酸鹽中硅原子和氧原子構成了硅氧四面體
性質：硬度高、難溶于水、耐高溫、耐腐蝕等特點
五、硅酸鹽
2.簡單的硅酸鹽——Na2SiO3
①物理性質:俗稱泡花堿，白色固體，可溶于水，水溶液俗稱水玻璃
②化學性質:Na2SiO3+2HCl = 2NaCl+H2SiO3↓
③硅酸鈉的用途:制硅酸、黏合劑、耐火阻燃材料(防火劑)
3.硅酸鹽的組成表示：
用氧化物形式表示：硅酸鈉Na2SiO3 ：Na2O · SiO2
書寫順序：活潑金屬氧化物·較活潑金屬氧化物·SiO2·H2O
在氧化物前面按化學式中的比例添加系數，計量數以整數書寫！
黏土：Al2Si2H4O9
長石：KAlSi3O8
鉀云母：K(Al3Si3O10)(OH)2
Al2O3·2SiO2·2H2O
K2O·Al2O3·6SiO2
K2O·3Al2O3·6SiO2·2H2O
鈣沸石：Ca(Al2Si3O10) ·3H2O
CaO ·Al2O3 ·3SiO2·3H2O
練習.將下列硅酸鹽改寫為氧化物
練習：青石棉是一種致癌物質，是《鹿特丹公約》中受限制的46種化學品之一，其化學式為Na2Fe5Si8O22(OH)2。青石棉用稀硝酸處理時，還原產物只有NO，下列說法不正確的是(　　 )
A．青石棉是一種硅酸鹽產品
B．青石棉能完全溶解在NaOH溶液中
C．青石棉的化學組成可表示為Na2O·3FeO·Fe2O3·8SiO2·H2O
D．1 mol青石棉能使1 mol HNO3被還原
B
Si
Na2SiO3
SiO2
H2SiO3
O2 /△
Na2O、NaOH
H2O+CO2/HCl
NaOH
物質類別
化
合
價
單質
氧化物
鹽
含氧酸
0
+4
Na2CO3
C/高溫
SiF4
HF
NaOH
SiCl4
氯化物
△
硅元素的價類圖
+2
1.二氧化硅是玻璃的主要成分之一。下列說法不正確的是(　　)
A.二氧化硅是一種立體網狀結構的晶體，熔點高、硬度大
B.二氧化硅為酸性氧化物，能與水反應生成硅酸
C.實驗室不能用磨口玻璃塞試劑瓶盛放氫氧化鈉溶液
D.氫氟酸能雕刻玻璃，不能用玻璃瓶盛放氫氟酸
B
2.下列物品或設備的成分中含有二氧化硅的是(　　)
①門窗玻璃　 ②水晶鏡片　 ③石英鐘表　 ④瑪瑙首飾　
⑤硅太陽能電池 ⑥光導纖維　 ⑦計算機芯片
A.①②③④⑥ B.全部 C.⑤⑦ D.①②⑥⑦
A
3.下列關于硅酸的說法正確的是(　　)
A.硅酸可以通過 SiO2 和 H2O 化合反應直接制得
B.可用反應 Na2SiO3+2HCl = 2NaCl + H2SiO3↓ 制取硅酸
C.因為硅酸難溶于水，所以它不能與 NaOH 溶液反應
D.干燥劑“硅膠”的主要成分是硅酸鈉
B
4.下列敘述正確的是(　　)
A.SiO2既和NaOH溶液反應，又和HF反應，所以SiO2屬于兩性氧化物
B.因為Na2CO3＋SiO2 Na2SiO3＋CO2↑，所以硅酸的酸性比碳酸強
C.CO2和SiO2都能與碳反應，且都作氧化劑
D.CO2和SiO2都是由分子構成的化合物，所以兩者物理性質相似
C
5.利用“強酸制弱酸”原理可用來設計酸性強弱比較的實驗，如比較HCl、H2CO3、H2SiO3酸性強弱：
①分液漏斗所盛試劑是稀鹽酸，錐形瓶所盛試劑是______________，裝置A中反應的化學方程式是____________________________________。
②裝置B所盛試劑是飽和NaHCO3溶液，其作用是：
_____________________________________。
③裝置C所盛試劑是_____________，C中反應的
離子方程式是______________________。
④結論：HCl、H2CO3、H2SiO3酸性強弱：_____＞______＞______。
能否說明非金屬性：Cl > C > Si ？
Na2CO3溶液
Na2CO3 + 2HCl === 2NaCl + CO2↑+ H2O
除去鹽酸中揮發出的HCl氣體
Na2SiO3溶液
HCl H2CO3 H2SiO3

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