1、硅 无机非金属材料,一、单质硅与半导体材料,半导体材料特指导电能力介于导体和绝缘体之间的一类材料。最早使用的半导体材料是锗(Ge)，但由于锗在地壳中含量很低提炼工艺复杂，价格昂贵不适于广泛使用。,硅(silicon)在地壳中含量仅次于氧，储量丰富，现已成为应用广泛的半导体材料。,1.硅的物理性质,单质硅有晶体硅和无定形硅(非晶硅)两种。灰黑色、硬而脆、有金属光泽的固体。熔点(1410 )、沸点(2355 )高、是重要的半导体材料。,2.硅的化学性质,硅原子最外层有4个电子，可得4个电子，显氧化性；也可失4个电子，显还原性；但都比较难。故常温下，化学性质稳定，只与强碱溶液、HF、F2反应，不与氧
2、气、Cl2、硫酸、盐酸、HNO3等反应，高温下较活泼。,Si+2F2=SiF4,Si+4HF=SiF4+2H2,Si+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H2,常温,(1)反应Si+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H2是不是离子反应？如是，写出反应的离子方程式。,思考：,是 Si+2OH- +H2O =SiO32- +2H2,(2)硅与强碱溶液的反应是不是氧化还原反应?,第一步:,Si+4H2O = H4SiO4 + 2H2 ,第二步:,H4SiO4 = H2SiO3 + H2O,第三步:,H2SiO3 + 2NaOH= Na2SiO3 +2H2,Si+2NaOH+4H2O=Na2Si
3、O3 + 3H2O +2H2,现把11.5g钠和4.2g硅同时投入100g水中，在标况下可收集到H2多少L?,解：,2Na+2H2O=2NaOH+H2223 g 22.4L11.5 g V1(H2),Si+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H228g 222.4L4.2g V1(H2),V(H2)=5.6+6.72=12.32(L),练习1,集成电路、晶体管、硅整流器等半导体材料，还可以制成太阳能电池、含硅4%的钢(硅铁合金)可用来制造变压器铁芯等，含硅15%的钢具有耐酸性，制耐酸设备。,集成电路 晶体管,3.用途,(2)工业制粗硅：,(3)粗硅提纯：,(1)在自然界中，只以化合态存在(S
4、iO2或硅酸盐的形式存在)在于地壳的矿物和岩石里在地壳中，硅的含量居第二位。,4.制法,生成的液态SiCl4经蒸馏，再用H2还原,有晶体和无定形两大类。晶体二氧化硅叫石英、水晶、玛瑙，天然二氧化硅叫硅石、石英砂。,二.二氧化硅(SiO2)与光导纤维,晶体中每个硅原子通过共价键与周围4个氧原子结合成正四面体形结构单元，硅原子之间通过氧原子连接，晶体中所有原子成一种空间网状结构，化学式为SiO2，不表示有SiO2分子组成，晶体中只有Si、O原子，无分子。,1.性质：,熔点高、硬度大的固体。,2NaOH+SiO2=Na2SiO3+H2O,所以盛碱性溶液(如NaOH、KOH、Na2CO3、NaSiO3
5、等)溶液的试剂瓶不能用磨口玻璃塞),(1) 酸性氧化物:但是不溶于水,也不与水反应.,(2)常温与氢氟酸反应,4HF+SiO2=SiF4+2H2O,此反应常被用来刻蚀玻璃。,(1)无色透明晶体，折射率大可制光导纤维、光学仪器、电子仪器、工艺品（水晶、玛瑙）、石英玻璃、玻璃原料和建筑材料等。,2.用途：,(2)功能材料光导纤维(光纤),是高质量传导光的玻璃纤维，信息高速公路的“基石. 光纤除了可以用于通讯外,还用于医疗、信息处理、传能传像、遥测遥控、照明等许多方面。,光学纤维胃镜,6,水晶制品,(3)光纤光缆与普通电缆比较:,光导纤维手术头灯,光纤面板,石 英 制 品,玛 瑙,光纤路面灯与花园灯
6、：,光纤吸顶灯：,光纤工程案例外景：,光导纤维,下列说法正确的是 ( ) A.晶体硅和无定形硅是两种不同的物质 B.二氧化硅可用做半导体材料 C.硅可与氧气反应，单质硅不能在空气中稳定存在 D.SiO2 +3C=SiC+2CO中，氧化剂与还原剂的物质的量比为1:2,练习2:,D,练习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.氢氟酸 B.浓硝酸 C.NaOH溶液 D.氯水,C,(1)如何除去二氧化硅中少量的碳酸钙杂质？ 用化学方程式表示。(2)如何除去碳酸钙中少量的二氧化硅杂质？ 用化学方程式表示。,练习4,1.硅酸、原硅酸:都不溶于水，酸酐都是SiO2,酸性均比较弱
7、(比碳酸弱)。原硅酸(H4SiO4)是一种白色胶状物质，在干燥的空气中易分解失水变成硅酸(H2SiO3),三.硅酸及其盐,H4SiO4=H2SiO3+H2O(易),受热可继续失水:,(硅胶实验室里常用的干燥剂),H2SiO3+2NaOH=Na2SiO3+2H2O,均可溶于NaOH、KOH等强碱溶液:,Na2SiO3+CO2+2H2O=Na2CO3+H4SiO4,2.硅酸盐,Na2SiO3+CO2+H2O=Na2CO3+H2SiO3,Na2SiO3+2CO2+2H2O=2NaHCO3+H2SiO3,Na2SiO3+2CO2+3H2O=2NaHCO3+H4SiO4,Na2SiO3+2HCl=2Na
8、Cl+H2SiO3,(1)除Na2SiO3 、K2SiO3以外几乎都不溶于水。其中Na2SiO3又称泡花碱，其 水溶液俗称水玻璃-无色粘稠的液体，是一种矿物胶，常做粘合剂、防腐剂。,书写格式：活泼金属氧化物、不活泼金属氧化物、二氧化硅、水.,(2)地壳中硅酸盐特别是地壳深处的尤为复杂，为方便起见多改写成氧化物形式表示：,高岭土: Al2(Si2O5)(OH)4-Al2O32SiO2 2H2O,正长石: K2Al2Si6O16-K2O Al2O3 6SiO2,石 棉: CaMg3(SiO3)4 -CaO 3MgO 4SiO2,钙沸石: Ca2Al2Si3O11.3H2O 2CaO Al2O3 3
9、SiO2.3H2O,镁敢榄石: Mg2SiO4-2MgO SiO2,(1)按化学组成和特性分,无机非金属材料,传统无机非金属材料,新型无机非金属材料,金属材料,高分子材料：塑料、合成橡胶、合成纤维,(2)按用途分,结构材料：,利用材料的力学和理、化性质，广泛应用于机械制造、工程建设、交通运输等各个工业部门,功能材料：,利用材料的热、光、电、磁等性能用于电子、激光、通讯、能源和生物工程等许多高新技术领域。,四.无机非金属材料,无机非金属材料(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）和硅酸盐等
10、为主要组成的无机材料。这类材料一般耐高温、硬度高、抗腐蚀,有些还有独特的光学特性。,以含硅物质为原料，经加工制得硅酸盐产品的工业称为硅酸盐工业。以硅酸盐为主要成份的传统无机非金属材料如玻璃、水泥、陶瓷等的应用有悠久的历史;,玻璃刀（金刚砂）,煤气炉中的电子打火,彩电（荧光材料）,海底电缆（光导纤维）,电脑的CPU（单晶硅）,隐形飞机（特殊光学材料）,(压电陶瓷),石英钟表,手表上的“19钻”(人造红宝石轴承的数目),金刚石钻头,生活中的无机非金属材料,(1)主要原料：粘土和石灰石,辅助原料：石膏作用是调节水泥硬化速度,1.水泥：,(2)主要过程：原料拌和后研磨制成生料，在水泥回转窑内高温煅烧得
11、熟料，再加石膏后研成粉末得普通硅酸盐水泥。,(4)主要性能：水硬性，即与水掺和搅拌并静置后很快凝固变硬。正因如此，水泥被广泛用做建筑材料。现在还发明了特种水泥如矾土水泥、膨胀水泥以及凝固水泥等。其中凝固水泥常用于桥梁、大坝等水下工程。 水泥、沙子和碎石的混合物叫混凝土。混凝土常用钢筋做结构，这就是钢筋混凝土。它强度大，常用于建造高楼大厦、桥梁等高大建筑。,(3)主要成分:硅酸三钙(3CaOSiO2),硅酸二钙 (2CaOSiO2)、铝酸三钙(3CaOAl2O3)等,(1)原料:纯碱、石灰石和石英,(2)过程:把原料粉碎并按照适当比例混合后，放入玻璃熔炉里加强热，发生复杂的物理、化学变化，成型冷
12、却即可。,(3)主要成分：Na2SiO3、CaSiO3、SiO2的混合物，无固定的熔点，只是在一定的温度范围内逐渐软化。在软化状态时，玻璃可以制成任何形状制品。普通钠玻璃可写成氧化物的形式 ：（Na2OCaO6SiO2）,2.玻璃,(4)几种特殊玻璃,B:铅玻璃：加入PbO制成光学玻璃,折光率强而制光学仪器。,C:钢化玻璃:把普通玻璃放入电炉里加热使它软化，然后急速冷却制成的。其强度为普通玻璃机械强度的46倍，不易破碎，且破碎时碎块也没有尖锐的棱角，不易伤人。可用来制汽车和火车的车窗等。,A:有色玻璃：一般是在原料里加入金属氧化物制成的。金属氧化物均匀地分散到玻璃态物质里，使玻璃呈现特征的颜色
13、。如加Co2O3呈蓝色、加Cu2O呈红色、加FeO呈淡绿色。,D:硼酸盐玻璃：加入硼砂(Na2B4O7.10H2O)制成的。耐骤热、骤冷、耐酸碱的腐蚀，常用来制化学仪器。,化学仪器玻璃 硼砂 （Na2B4O710H2O),(1)主要原料：粘土,(2)传统生产过程：混和、成型、干燥、烧结、 冷却复杂的物理、化学变化,3.陶瓷(China),E:玻璃纤维和玻璃钢：玻璃在熔化状态下抽成丝成为玻璃纤维，玻璃纤维用合成树脂一层层胶合压制成一定形状，并在加压下加热固化，形成玻璃钢，强度大如钢，比钢轻。玻璃纤维耐腐蚀、不怕烧、不导电、不吸水、隔热、吸声、防虫蛀等。,注意：有机玻璃、水玻璃都不是玻璃。,(3)
14、主要成分：硅酸盐,(5)种类：,土器:砖瓦,红瓦(自然冷却，Fe2O3含量较多),青瓦(淋水冷却，Fe3O4、FeO较多),江苏宜兴的紫砂壶、秦汉兵马俑,瓷器：,炻器：,(4)主要特性：抗氧化、抗酸碱腐蚀、 耐高温、绝缘、易成型等优点。,陶器：,彩陶,水缸、砂锅,茶具、瓷雕、收藏珍品,注：搪瓷不属于陶瓷,4.新型无机非金属材料,小结:硅酸盐工业的特点：原料-含硅的物质。反应条件-高温。反应原理-复杂的物理、化学变化。产品-硅酸盐。,(2)具有电学特性，一些新型无机非金属材料可以作为半导体、导体、超导体等，一些绝缘性材料常被用于集成电路的基板。,处于高温下的光导纤维,(3)具有光学特性。有些新型
15、无机非金属材料能发出各色的光，有的能透过可见光，有的能使红外线、雷达射线穿过。,人造关节,(4)具有生物特性。有些新型无机非金属材料强度高、无毒、不溶于水，对人体组织有较好的适应性，可直接植入人体内，用这类材料制成的人造牙齿、人造骨骼，已被应用在医疗上。,结构材料高温结构陶瓷,压电陶瓷,高压钠灯管1灯内温度高达1400 。 2钠蒸气具有强烈的腐蚀作用。,高压钠灯的外罩是玻璃。里面的灯管是氧化铝陶瓷，又叫人造刚玉，是一种高温结构陶瓷。高温结构陶瓷是新型无机非金属材料中的一类。,高压钠灯:,红宝石和蓝宝石的主要成分都是Al2O3（刚玉）。红宝石呈现红色是由于其中混有少量含铬化合物；而蓝宝石呈蓝色则是由于其中混有少量含钛化合物。1900年，科学家曾用氧化铝熔融后加入少量氧化铬的方法，制出了质量为2g-4g的红宝石。 现在，已经能制造出大到10g的红宝石和蓝宝石。,人造宝石,
