硅無(wú)機(jī)非金屬材料

1、硅 無(wú)機(jī)非金屬材料,一、單質(zhì)硅與半導(dǎo)體材料,半導(dǎo)體材料特指導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的一類(lèi)材料。最早使用的半導(dǎo)體材料是鍺(Ge)，但由于鍺在地殼中含量很低提煉工藝復(fù)雜，價(jià)格昂貴不適于廣泛使用。,硅(silicon)在地殼中含量?jī)H次于氧，儲(chǔ)量豐富，現(xiàn)已成為應(yīng)用廣泛的半導(dǎo)體材料。,1.硅的物理性質(zhì),單質(zhì)硅有晶體硅和無(wú)定形硅(非晶硅)兩種?；液谏⒂捕?、有金屬光澤的固體。熔點(diǎn)(1410 ℃)、沸點(diǎn)(2355 ℃)高、是重要的半導(dǎo)體材料。,

2、2.硅的化學(xué)性質(zhì),硅原子最外層有4個(gè)電子，可得4個(gè)電子，顯氧化性；也可失4個(gè)電子，顯還原性；但都比較難。故常溫下，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，只與強(qiáng)堿溶液、HF、F2反應(yīng)，不與氧氣、Cl2、硫酸、鹽酸、HNO3等反應(yīng)，高溫下較活潑。,,Si+2F2===SiF4,Si+4HF===SiF4+2H2,Si+2NaOH+H2O===Na2SiO3+2H2↑,常溫,(1)反應(yīng)Si+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H2↑是不是離子反應(yīng)？如是，寫(xiě)出反應(yīng)的

3、離子方程式。,思考：,是 Si+2OH- +H2O =SiO32- +2H2↑,(2)硅與強(qiáng)堿溶液的反應(yīng)是不是氧化還原反應(yīng)?,第一步:,Si+4H2O = H4SiO4 + 2H2 ↑,第二步:,H4SiO4 = H2SiO3 + H2O,第三步:,H2SiO3 + 2NaOH= Na2SiO3 +2H2О,Si+2NaOH+4H2O=Na2SiO3 + 3H2O +2H2↑,現(xiàn)把11.5g鈉和4.2g硅同時(shí)投入100g水中，在標(biāo)況

4、下可收集到H2多少L?,解：,2Na+2H2O=2NaOH+H2↑2×23 g 22.4L11.5 g V1(H2),Si+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H2↑28g 2×22.4L4.2g

5、 V1(H2),V(H2)=5.6+6.72=12.32(L),練習(xí)1,集成電路、晶體管、硅整流器等半導(dǎo)體材料，還可以制成太陽(yáng)能電池、含硅4%的鋼(硅鐵合金)可用來(lái)制造變壓器鐵芯等，含硅15%的鋼具有耐酸性，制耐酸設(shè)備。,集成電路 晶體管,3.用途,,(2)工業(yè)制粗硅：,(3)粗硅提純：,(1)在自然界中，只以化合態(tài)存在(SiO2或硅酸鹽的形式存在)在于地殼的礦物和巖石里在地殼中，硅的含量居第二位。,

6、4.制法,生成的液態(tài)SiCl4經(jīng)蒸餾，再用H2還原,有晶體和無(wú)定形兩大類(lèi)。晶體二氧化硅叫石英、水晶、瑪瑙，天然二氧化硅叫硅石、石英砂。,二.二氧化硅(SiO2)與光導(dǎo)纖維,晶體中每個(gè)硅原子通過(guò)共價(jià)鍵與周?chē)?個(gè)氧原子結(jié)合成正四面體形結(jié)構(gòu)單元，硅原子之間通過(guò)氧原子連接，晶體中所有原子成一種空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，化學(xué)式為SiO2，不表示有SiO2分子組成，晶體中只有Si、O原子，無(wú)分子。,1.性質(zhì)：,,,熔點(diǎn)高、硬度大的固體。,2NaOH+SiO2=

7、=Na2SiO3+H2O,所以盛堿性溶液(如NaOH、KOH、Na2CO3、NaSiO3等)溶液的試劑瓶不能用磨口玻璃塞),(1) 酸性氧化物:但是不溶于水,也不與水反應(yīng).,(2)常溫與氫氟酸反應(yīng),4HF+SiO2==SiF4↑+2H2O,此反應(yīng)常被用來(lái)刻蝕玻璃。,(1)無(wú)色透明晶體，折射率大可制光導(dǎo)纖維、光學(xué)儀器、電子儀器、工藝品（水晶、瑪瑙）、石英玻璃、玻璃原料和建筑材料等。,2.用途：,(2)功能材料—光導(dǎo)纖維(光纖),是高質(zhì)量傳

8、導(dǎo)光的玻璃纖維，信息高速公路的“基石. 光纖除了可以用于通訊外,還用于醫(yī)療、信息處理、傳能傳像、遙測(cè)遙控、照明等許多方面。,光學(xué)纖維胃鏡,,6,水晶制品,(3)光纖光纜與普通電纜比較:,光導(dǎo)纖維手術(shù)頭燈,光纖面板,石 英 制 品,瑪 瑙,光纖路面燈與花園燈：,光纖吸頂燈：,光纖工程案例外景：,光導(dǎo)纖維,下列說(shuō)法正確的是 ( ) A.晶體

9、硅和無(wú)定形硅是兩種不同的物質(zhì) B.二氧化硅可用做半導(dǎo)體材料 C.硅可與氧氣反應(yīng)，單質(zhì)硅不能在空氣中穩(wěn)定存在 D.SiO2 +3C====SiC+2CO↑中，氧化劑與還原劑的物質(zhì)的量比為1:2,練習(xí)2:,D,練習(xí)3:,下列溶液可以盛放在玻璃瓶中，但不能用磨口玻璃塞的是 ( ) A.氫氟酸

10、 B.濃硝酸 C.NaOH溶液 D.氯水,C,(1)如何除去二氧化硅中少量的碳酸鈣雜質(zhì)？ 用化學(xué)方程式表示。(2)如何除去碳酸鈣中少量的二氧化硅雜質(zhì)？ 用化學(xué)方程式表示。,練習(xí)4,1.硅酸、原硅酸:都不溶于水，酸酐都是SiO2,酸性均比較弱(比碳酸弱)。原硅酸(H4SiO4)是一種白色膠狀物質(zhì)，在干燥的空氣中易分解失水變成硅酸(H2SiO3),三.硅酸及其鹽,H4Si

11、O4===H2SiO3+H2O(易),受熱可繼續(xù)失水:,(硅膠—實(shí)驗(yàn)室里常用的干燥劑),H2SiO3+2NaOH=Na2SiO3+2H2O,均可溶于NaOH、KOH等強(qiáng)堿溶液:,,Na2SiO3+CO2+2H2O==Na2CO3+H4SiO4↓,2.硅酸鹽,Na2SiO3+CO2+H2O==Na2CO3+H2SiO3↓,Na2SiO3+2CO2+2H2O=2NaHCO3+H2SiO3↓,Na2SiO3+2CO2+3H2O=2NaHCO3

12、+H4SiO4↓,Na2SiO3+2HCl=2NaCl+H2SiO3↓,(1)除Na2SiO3 、K2SiO3以外幾乎都不溶于水。其中Na2SiO3又稱(chēng)泡花堿，其 水溶液俗稱(chēng)水玻璃----無(wú)色粘稠的液體，是一種礦物膠，常做粘合劑、防腐劑。,書(shū)寫(xiě)格式：活潑金屬氧化物、不活潑金屬氧化物、二氧化硅、水.,,(2)地殼中硅酸鹽特別是地殼深處的尤為復(fù)雜，為方便起見(jiàn)多改寫(xiě)成氧化物形式表示：,高嶺土: Al2(Si2O5)(OH)4---Al2O3&

13、#183;2SiO2 ·2H2O,正長(zhǎng)石: K2Al2Si6O16--------K2O ·Al2O3 ·6SiO2,石 棉: CaMg3(SiO3)4 -----CaO ·3MgO ·4SiO2,鈣沸石: Ca2Al2Si3O11.3H2O— 2CaO ·Al2O3 ·3SiO2.3H2O,鎂敢欖石: M

14、g2SiO4-------2MgO ·SiO2,(1)按化學(xué)組成和特性分,,無(wú)機(jī)非金屬材料,,傳統(tǒng)無(wú)機(jī)非金屬材料,新型無(wú)機(jī)非金屬材料,金屬材料,高分子材料：塑料、合成橡膠、合成纖維,(2)按用途分,,結(jié)構(gòu)材料：,利用材料的力學(xué)和理、化性質(zhì)，廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、工程建設(shè)、交通運(yùn)輸?shù)雀鱾€(gè)工業(yè)部門(mén),功能材料：,利用材料的熱、光、電、磁等性能用于電子、激光、通訊、能源和生物工程等許多高新技術(shù)領(lǐng)域。,四.無(wú)機(jī)非金屬材料,無(wú)機(jī)非金屬材料(

15、inorganic nonmetallic material)指某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、硼化物、硫系化合物（包括硫化物、硒化物和碲化物）和硅酸鹽等為主要組成的無(wú)機(jī)材料。這類(lèi)材料一般耐高溫、硬度高、抗腐蝕,有些還有獨(dú)特的光學(xué)特性。,以含硅物質(zhì)為原料，經(jīng)加工制得硅酸鹽產(chǎn)品的工業(yè)稱(chēng)為硅酸鹽工業(yè)。以硅酸鹽為主要成份的傳統(tǒng)無(wú)機(jī)非金屬材料如玻璃、水泥、陶瓷等的應(yīng)用有悠久的歷史;,⑴玻璃、水泥、陶瓷,⑷玻璃刀（金剛砂）,⑺煤氣爐中的電子

16、打火,⑹彩電（熒光材料）,⑻海底電纜（光導(dǎo)纖維）,⑼電腦的CPU（單晶硅）,⑽隱形飛機(jī)（特殊光學(xué)材料）,(壓電陶瓷),⑵石英鐘表,⑶手表上的“19鉆”(人造紅寶石軸承的數(shù)目),⑸金剛石鉆頭,生活中的無(wú)機(jī)非金屬材料,(1)主要原料：粘土和石灰石,,輔助原料：石膏作用是調(diào)節(jié)水泥硬化速度,1.水泥：,(2)主要過(guò)程：原料拌和后研磨制成生料，在水泥回轉(zhuǎn)窯內(nèi)高溫煅燒得熟料，再加石膏后研成粉末得普通硅酸鹽水泥。,(4)主要性能：水硬性，即與水摻和攪

17、拌并靜置后很快凝固變硬。正因如此，水泥被廣泛用做建筑材料。現(xiàn)在還發(fā)明了特種水泥如礬土水泥、膨脹水泥以及凝固水泥等。其中凝固水泥常用于橋梁、大壩等水下工程。 水泥、沙子和碎石的混合物叫混凝土?；炷脸Ｓ娩摻钭鼋Y(jié)構(gòu)，這就是鋼筋混凝土。它強(qiáng)度大，常用于建造高樓大廈、橋梁等高大建筑。,(3)主要成分:硅酸三鈣(3CaO?SiO2),硅酸二鈣     (2CaO?SiO2)、鋁酸三鈣(3CaO

18、?Al2O3)等,(1)原 料:純堿、石灰石和石英,(2)過(guò)程:把原料粉碎并按照適當(dāng)比例混合后，放入玻璃熔爐里加強(qiáng)熱，發(fā)生復(fù)雜的物理、化學(xué)變化，成型冷卻即可。,(3)主要成分：Na2SiO3、CaSiO3、SiO2的混合物，無(wú)固定的熔點(diǎn)，只是在一定的溫度范圍內(nèi)逐漸軟化。在軟化狀態(tài)時(shí)，玻璃可以制成任何形狀制品。普通鈉玻璃可寫(xiě)成氧化物的形式 ：（Na2O?CaO?6SiO2）,2.玻璃,(4)幾種特殊玻璃,B:鉛玻璃：加入PbO制

19、成光學(xué)玻璃,折光率強(qiáng)而制光學(xué)儀器。,C:鋼化玻璃:把普通玻璃放入電爐里加熱使它軟化，然后急速冷卻制成的。其強(qiáng)度為普通玻璃機(jī)械強(qiáng)度的4—6倍，不易破碎，且破碎時(shí)碎塊也沒(méi)有尖銳的棱角，不易傷人?？捎脕?lái)制汽車(chē)和火車(chē)的車(chē)窗等。,A:有色玻璃：一般是在原料里加入金屬氧化物制成的。金屬氧化物均勻地分散到玻璃態(tài)物質(zhì)里，使玻璃呈現(xiàn)特征的顏色。如加Co2O3呈藍(lán)色、加Cu2O呈紅色、加FeO呈淡綠色。,D:硼酸鹽玻璃：加入硼砂(Na2B4O7.10H2O

20、)制成的。耐驟熱、驟冷、耐酸堿的腐蝕，常用來(lái)制化學(xué)儀器。,化學(xué)儀器玻璃 硼砂 （Na2B4O710H2O),(1)主要原料：粘土,(2)傳統(tǒng)生產(chǎn)過(guò)程：混和、成型、干燥、燒結(jié)、 冷卻復(fù)雜的物理、化學(xué)變化,3.陶瓷(China),E:玻璃纖維和玻璃鋼：玻璃在熔化狀態(tài)下抽成絲成為玻璃纖維，玻璃纖維用合成樹(shù)脂一層層膠合壓制成一定形狀，并在加壓下加熱固化，形成玻璃鋼，強(qiáng)度大如鋼，比鋼輕。玻璃纖維耐腐蝕、不怕燒

21、、不導(dǎo)電、不吸水、隔熱、吸聲、防蟲(chóng)蛀等。,注意：有機(jī)玻璃、水玻璃都不是玻璃。,(3)主要成分：硅酸鹽,(5)種類(lèi)：,土器:磚瓦,紅瓦(自然冷卻，F(xiàn)e2O3含量較多),青瓦(淋水冷卻，F(xiàn)e3O4、FeO較多),江蘇宜興的紫砂壺、秦漢兵馬俑,瓷器：,炻器：,(4)主要特性：抗氧化、抗酸堿腐蝕、 耐高溫、絕緣、易成型等優(yōu)點(diǎn)。,陶器：,彩陶,水缸、砂鍋,茶具、瓷雕、收藏珍品,注：搪瓷不屬于陶瓷,4.新型無(wú)機(jī)非金屬材料,小結(jié):硅酸鹽工業(yè)

22、的特點(diǎn)：原料---含硅的物質(zhì)。反應(yīng)條件----高溫。反應(yīng)原理------復(fù)雜的物理、化學(xué)變化。產(chǎn)品-----硅酸鹽。,(2)具有電學(xué)特性，一些新型無(wú)機(jī)非金屬材料可以作為半導(dǎo)體、導(dǎo)體、超導(dǎo)體等，一些絕緣性材料常被用于集成電路的基板。,處于高溫下的光導(dǎo)纖維,(3)具有光學(xué)特性。有些新型無(wú)機(jī)非金屬材料能發(fā)出各色的光，有的能透過(guò)可見(jiàn)光，有的能使紅外線(xiàn)、雷達(dá)射線(xiàn)穿過(guò)。,人造關(guān)節(jié),(4)具有生物特性。有些新型無(wú)機(jī)非金屬材料強(qiáng)度高、無(wú)毒、不溶于水，對(duì)

23、人體組織有較好的適應(yīng)性，可直接植入人體內(nèi)，用這類(lèi)材料制成的人造牙齒、人造骨骼，已被應(yīng)用在醫(yī)療上。,①結(jié)構(gòu)材料—高溫結(jié)構(gòu)陶瓷,壓電陶瓷,高壓鈉燈管1．燈內(nèi)溫度高達(dá)1400 ℃。 2．鈉蒸氣具有強(qiáng)烈的腐蝕作用。,高壓鈉燈的外罩是玻璃。里面的燈管是氧化鋁陶瓷，又叫人造剛玉，是一種高溫結(jié)構(gòu)陶瓷。高溫結(jié)構(gòu)陶瓷是新型無(wú)機(jī)非金屬材料中的一類(lèi)。,高壓鈉燈:,紅寶石和藍(lán)寶石的主要成分都是Al2O3（剛玉）。紅寶石呈現(xiàn)紅色是由于其中混有少量含鉻化合物；