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第三節 無機非金屬材料
第2課時 新型無機非金屬材料
第五章 化工生產中的重要非金屬元素
---- 含硅材料的認識與應用
硅酸鹽
二氧化硅
硅蛋白 SiO2·nH2O
天然水晶 SiO2
硅
石
土土
教材描述：
材料是人類賴以生存的物質基礎，人類使用材料除了金屬材料，還有無機非金屬材料等。從組成上來看，許多無機非金屬材料含有硅、氧等元素，具有耐高溫、抗腐蝕、硬度高等特點，以及特殊的光學、電學等性能。隨著工業生產和社會發展對材料性能要求的提高，一批新型無機非金屬材料相繼誕生……
無機非金屬材料：
人類發展的漫長歷史中，無機非金屬材料的使用遠遠早于金屬材料的使用
不知不覺中利用了這些材料的“抗腐蝕、高硬度”等特性
（公元前5000年~公元前3000年）
（公元前1500年~公元前1300年）
（1756年）
從公元前5000多年開始~至今……
傳統無機非金屬材料---硅酸鹽材料
陶瓷
玻璃
水泥
nAl2O3·mSiO2·xH2O
Na2SiO3 、CaSiO3、SiO2
2CaO·SiO2、3CaO·SiO2、
3CaO·Al2O3
(Na2O·SiO2、CaO·SiO2)
無機非金屬材料：
教材描述：
材料是人類賴以生存的物質基礎，人類使用材料除了金屬材料，還有無機非金屬材料等。從組成上來看，許多無機非金屬材料含有硅、氧等元素，具有耐高溫、抗腐蝕、硬度高等特點，以及特殊的光學、電學等性能。隨著工業生產和社會發展對材料性能要求的提高，一批新型無機非金屬材料相繼誕生……
硅與氧之間有非常強的親合力---“親氧”
【思考1】“許多無機非金屬材料中含有硅、氧元素”，你能否作出某種猜測？
自然界中硅元素的含量很高，但沒有游離態的硅
教材描述：
……從組成上來看，許多無機非金屬材料含有硅、氧等元素，具有耐高溫、抗腐蝕、硬度高等特點，以及特殊的光學、電學等性能。隨著工業生產和社會發展對材料性能要求的提高，一批新型無機非金屬材料相繼誕生……


Si


①在硅酸鹽中，Si和O構成了硅氧四面體，每個Si結合4個O，Si在中心，O在四面體的4個頂角；
②許多這樣的四面體還可以通過頂角的O相互連接，每個O為兩個四面體共有，與2個Si相結合；
③硅氧四面體結構的特殊性，決定了硅酸鹽材料大多具有硬度高、難溶于水、耐高溫、耐腐蝕等特點
【問題1】你還記得CO2的電子式和結構式嗎？
【問題2】你能理解教材P19“硅酸鹽的結構”描述嗎？
SiO44-
-
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【思考2】 自然界的巖石其外觀、紋理、硬度等均存在巨大差異，試推測其原因是什么？
SiO44-離子
硅氧四面體
【思考3】根據含硅酸鹽礦物的外部特征，能否將三類物質微觀結構與其匹配？
絲光沸石K2Al2Si10O24 ·7H2O
K2O·Al2O3·10SiO2·7H2O
云母
KAl3Si3O11
K2O·3Al2O3·6SiO2
天然水晶
SiO2

教材描述：
……從組成上來看，許多無機非金屬材料含有硅、氧等元素，具有耐高溫、抗腐蝕、硬度高等特點，以及特殊的光學、電學等性能。隨著工業生產和社會發展對材料性能要求的提高，一批新型無機非金屬材料相繼誕生……
教材描述：
現代信息技術式建立在半導體材料基礎上的。位于元素周期表第三周期、第ⅣA族的硅元素，正好處于金屬與非金屬的過渡位置，其單質的導電性介于導體與絕緣體之間，是應用最微廣泛的半導體材料。
現代信息技術材料
信息的處理與存儲
1956---硅集成電路
信息的傳輸
1970美國康寧公司研制成低傳輸損耗的石英光纖
【思考4】從物質價態角度分析，工業上如何利用SiO2獲取Si單質
單質 氧化物
+4
0
SiO2
Si
還原劑
C H2
書寫上述過程涉及的化學反應方程式:
【你有質疑嗎？】
原子半徑：
非金屬性：
氧化性：
r（C）＜r（Si）
C>Si
C>Si
信息的處理與存儲 ---- Si
硅材料按照純度可以分為
冶金級硅 太陽能級硅 電子級硅
90%~95%，
有的可達99.8%
99.9999999%以上
超高純的達到11~12個9
99.99%~99.9999%
也就是4~6個9
2019年7月4日，日本政府限制向韓國出口三種半導體生產原料：含氟聚酰亞胺、光刻膠及高純度氟化氫。日本方面宣稱，此舉并非歷史問題或政治原因。
2023年3月日本經濟產業省周四宣布正式放寬對氟化聚酰亞胺、氟化氫和光刻膠的許可要求，并稱此舉當日生效。
自韓國總統尹錫悅上臺之后，韓國對日本態度也開始軟化，徹底改變了此前要求日本企業負責賠償責任的強硬態度。
HF刻蝕
氟化氫主要用來腐蝕半導體基板，在半導體產品制造的600多道工序中，使用氟化氫的次數有時多達十多次。
【思考5】SiO2、Si均能被HF所腐蝕，試寫出相關反應的方程式。
4HF + Si = SiF4 + 2H2
4HF + SiO2 = SiF4 + 2H2O
信息的傳送----SiO2
【思考6】從物質類別角度分析，SiO2具有怎樣的化學性質？
這對石英光纖的使用環境有何要求？
單質 氧化物 酸 鹽
+4
0
SiO2 H2SiO3 Na2SiO3
CaSiO3
Si
酸性氧化物的通性：SiO2 + 2NaOH = Na2SiO3 + H2O
SiO2 + CaO === CaSiO3
高溫
堿溶液長期存放？
SiO2 + Na2CO3 === Na2SiO3 + CO2
SiO2 + CaCO3 === CaSiO3 + CO2
高溫
高溫
【問題3】你是怎樣理解玻璃工業生產過程中如下的兩個反應的？
酸性：H2CO3
H2SiO3
Na2SiO3 + H2O + CO2 == Na2CO3 + H2SiO3↓
高溫條件下碳酸鹽的不穩定性 --- 產生堿性氧化物
硅酸鈉的水溶液俗稱“水玻璃”
建筑行業粘合劑
耐火材料
耐腐蝕材料
＞
SiO2 H2SiO3 Na2SiO3
CaSiO3
Si
單質 氧化物 酸 鹽
+4
0
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