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硅酸鹽材料
第五章 化工生產中的重要非金屬元素
1、通過閱讀和討論，了解陶瓷、玻璃、水泥等傳統硅酸鹽材料的生產原料、性能和主要用途，知道玻璃的主要成分，感受傳統硅酸鹽材料在城鄉建設中發揮的重要作用
2、了解晶體硅、性能和用途，感受其在高科技領域所發揮的重要作用
人類使用的無機非金屬材料
一、傳統無機非金屬材料——陶瓷、玻璃、水泥
陶瓷 玻璃 水泥
主要原料 黏土（主要成分為含水的鋁硅酸鹽） 純堿、石灰石、石英砂（主要成分是SiO2） 黏土、石灰石
主要成分 Al2O3·2SiO2·2H2O Na2CO3、CaCO3、SiO2 硅酸二鈣、鋁酸三鈣等
反應原理 高溫燒結而成 高溫下發生復雜的物理和化學變化 用途 建筑材料、絕緣材料、日用器皿、衛生潔具等 建筑材料、光學儀器和各種器皿、制造玻璃纖維用于高強度復合材料等 制混凝土，大量用于建筑和水利工程
一、傳統無機非金屬材料——陶瓷、玻璃、水泥
玻璃
原料：
工業設備：
應用：
純堿、石灰石和石英砂（主要成分SiO2）
玻璃窯
主要成分：
生產建筑材料、光學儀器、各種器皿，制造玻璃纖維用于高強度復合材料等。
反應條件：
高溫熔融
反應方程式：
SiO2＋Na2CO3 Na2SiO3＋CO2↑
SiO2＋CaCO3 CaSiO3＋CO2↑
Na2SiO3 、CaSiO3、SiO2
加入元素或物質 玻璃特性 用途
含鉛原料 光學玻璃:透光性好,折射率高 制造眼鏡、照相機和光學儀器的透鏡
硼酸鹽 耐化學腐蝕、耐溫度急劇變化 制造可用于實驗室使用的玻璃儀器
金屬氧化物或鹽 彩色玻璃 用于建筑和裝飾
特種玻璃
（Co2O3、CuO）
水泥
原料：
工業設備：
黏土、石灰石、石膏
水泥回轉窯
混凝土：
水泥、沙子和碎石等與水混合
石膏的作用：
條件：
高溫煅燒
調節水泥硬化速率
水泥是一種非常重要的建筑材料。萬丈高樓平地起，穿針引線是水泥。
關于水泥的認識
(1)水泥具有吸水性,在空氣中吸水發生復雜的物理、化學變化而失去了原有的性質,因而變硬的水泥不能使用。
(2)水泥不能抗酸的腐蝕是因為水泥的成分中有碳酸鹽,碳酸鹽與酸反應會放出CO2。
長江三峽大壩使用了大量的水泥
二、硅酸鹽的概念、結構與特點
1．概念：由硅元素、氧元素和金屬元素組成的化合物。
2．結構：
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
許多四面體通過頂角的O相互連接
每個 O 為兩個四面體所共有，與 2 個 Si 相結合
3．特點：
大多硬度高、熔點高、難溶于水、化學性質穩定、耐腐蝕等
二、硅酸鹽的概念、結構與特點
最簡單的硅酸鹽—Na2SiO3
1.物理性質
易溶于水，其水溶液俗稱水玻璃，又稱泡花堿，是一種無色黏稠的液體，黏性很強。
硅酸鈉水溶液呈堿性，易吸收空氣中CO2而變質
Na2SiO3+H2O+CO2=H2SiO3↓+Na2CO3
3.具體應用
① Na2SiO3溶液（水玻璃）——木材防火、黏膠劑等
②制備硅酸：
2.化學性質
阻燃材料Na2SiO3
硅酸鹽礦物的成分復雜，多用氧化物的形式表示它們的組成，如：
硅酸鈉（Na2SiO3）→ Na2O·SiO2
高嶺石（Al2H4Si2O9）→Al2O3·2SiO2·2H2O
資料卡片——硅酸鹽的表示方法
順序：活潑金屬氧化物·較活潑金屬氧化物·非金屬氧化物·水
Ca(Al2Si3O10) ·3H2O
Mg2SiO4
Al2(Si2O5)(OH)4
K(Al3Si3O10)(OH)2
CaO ·Al2O3 ·3SiO2·3H2O
2MgO ·SiO2
K2O·3Al2O3·6SiO2·2H2O
Al2O3·2SiO2·2H2O
將下列硅酸鹽改寫為氧化物
氧化物之間用小點隔開，若出現分數，需要化為整數。
《天工開物》記載：“凡埏泥造瓦，掘地二尺余，擇取無沙黏土而為之”“凡坯既成，干燥之后，則堆積窖中燃薪舉火”“澆水轉釉(主要為青色)，與造磚同法”。下列說法錯誤的是（ ）
A．“燃薪舉火”使黏土發生了復雜的物理化學變化
B．沙子和黏土的主要成分為硅酸鹽
C．燒制后自然冷卻成紅瓦，澆水冷卻成青瓦
D．黏土是制作磚瓦和陶瓷的主要原料
B
小明參觀了舉世矚目的北京大興國際機場，該機場建設時應用了許多先進技術，其中之一是“重載水泥混凝土鋪面技術”。下列原料可用于制造普通水泥的是（ ）
A．膽礬 B．純堿 C．石膏 D．小蘇打
C
玻璃
水泥
你了解生活中含硅及其化合物的物品嗎？
陶瓷
通訊材料——光導纖維(SiO2)
硅太陽能電池(Si)
芯片的基礎材料——硅晶片(Si)
怎么認識硅及其化合物的性質？
【類比思考】根據硅的原子結構示意圖以及在元素周期表的位置，找出硅及其化合物并推測對應的性質
Si
SiO2
H2SiO3
Na2SiO3
C
CO2
H2CO3
Na2CO3
自然界中的碳元素既有游離態（石墨、金剛石、C60等）,又有化合態；碳的最外層都是4個電子，位于元素周期表的第IV A族，不容易失也不容易得電子，通?；瘜W性質穩定，但在一定條件下也能與許多物質發生化學反應。
硬度高、熔點高、難溶于水，化學性質穩定
2CuO+C 2Cu+CO2↑
石墨
金剛石
C+O2(少量) 2CO
點燃
C+O2(足量) CO2
點燃
C+H2O(g) CO+H2
C + CO2 2CO
高溫
高溫
高溫
硅在自然界以什么形式存在？硅單質具有哪些性質？
水晶
主要成分SiO2
瑪瑙
主要成分SiO2
Na2SiO3泡花堿
水溶液俗稱水玻璃
主要成分：
3MgO·2siO2·2H2O
蛇紋石石棉
（1）存在：硅元素含量在地殼中居第二位。
硅是親氧元素，在自然界中沒有游離態，主要以硅酸鹽和氧化物的形式存在。
三、硅單質的性質
硅單質主要有無定型硅和晶體硅兩大類
1.物理性質：晶體硅為灰黑色固體，有金屬光澤、硬度大、熔點高。
晶體硅的結構
晶體硅
晶體硅產品
2.化學性質：化學性質穩定，在常溫下只能與氟氣(F2)、HF、NaOH反應，不能與H2、O2、Cl2、硫酸、硝酸等氧化劑反應，加熱時能與氧氣、氯氣反應。
Si+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H2↑
2Al+2NaOH+2H2O=2NaAlO2+3H2↑
硅處于金屬元素和非金屬元素過渡位置，單質用作半導體材料。
三、硅單質的性質
1.與氧氣反應：
2.與非金屬的反應：
3.與堿的反應：
4.與酸的反應（唯一）：
△
Si+O2 == SiO2
Si+2F2 == SiF4
△
Si+Cl2 == SiCl4
高溫
Si+C == SiC(金剛砂)
Si+2NaOH+H2O == Na2SiO3+2H2↑
Si+4HF == SiF4↑+2H2↑
三、硅單質的性質
小結：化學性質
3.硅的制備
制備原理
制備流程
反應 方程式
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。
若C過量： SiO2+3C == SiC + 2CO ↑
高溫
碳化硅(俗名：金剛砂)
工業上利用焦炭與SiO2在高溫下反應制備粗硅，由此能否說明碳的還原性大于硅？
提示：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。
提純
硅晶片是生產芯片的基礎材料 　　　
硅太陽能電池
①良好的半導體材料
②太陽能電池
③計算機芯片
4.硅的用途
Si導電性介于導體和半導體之間,是良好的半導體材料,硅是信息技術的關鍵材料
價值5元的沙子
SiO2
Si
價值5000元的芯片
點沙 成金
從沙灘到用戶
4.硅的用途

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