高中化学必修一41《无机非金属材料的主角 硅》课件.ppt

1、u硅元素硅元素(silicon)(silicon)在地壳中的含量在地壳中的含量氧氧48.6%硅硅26.3%铝铝7.73%铁铁4.75%钙钙3.45%钠钠2.74%钾钾2.47%硅硅26.3%u硅的分布与存在硅的分布与存在 硅的氧化物及硅酸盐构成了地壳中大部分的岩石、沙子硅的氧化物及硅酸盐构成了地壳中大部分的岩石、沙子和土壤、约占地壳总量的和土壤、约占地壳总量的90%以上。以上。硅是一种亲氧元素硅是一种亲氧元素,在自然界中它总是与氧相互化合的，因在自然界中它总是与氧相互化合的，因此硅此硅都以化合态都以化合态存在于自然界，主要以氧化物及硅酸盐的存在于自然界，主要以氧化物及硅酸盐的形式存在。形式存在

2、。第第AA族的二兄弟碳和硅族的二兄弟碳和硅豪门二杰豪门二杰碳元素碳元素硅元素硅元素形成了无数种构成人类和其它形成了无数种构成人类和其它地球生物等的有机物，地球生物等的有机物，“统治统治了有机界了有机界”。煤、石油等有机化产品和材料煤、石油等有机化产品和材料是现代化的基石是现代化的基石构成了地壳大部分岩石、沙子构成了地壳大部分岩石、沙子和土壤，和土壤，“统治了地壳统治了地壳”硅是构成岩石与许多矿物的基硅是构成岩石与许多矿物的基本元素本元素,“统治无机矿物界统治无机矿物界”硅酸盐工业的陶瓷、玻璃、硅酸盐工业的陶瓷、玻璃、水泥等使人类生活日新月异水泥等使人类生活日新月异1、存在形式、存在形式晶体硅无

3、定形硅硅有晶体硅和无定形硅两种。硅有晶体硅和无定形硅两种。一一、硅单质硅单质2、物理性质：、物理性质：晶体硅是灰黑色、有金属光泽、硬而脆的固晶体硅是灰黑色、有金属光泽、硬而脆的固体。晶体硅的结构类似于金刚石，熔点体。晶体硅的结构类似于金刚石，熔点(1410)和沸点都很高，硬度大。和沸点都很高，硬度大。导电性介于导体和绝缘体之间。导电性介于导体和绝缘体之间。思考思考1 1：硅原子最外层电子数是多少？：硅原子最外层电子数是多少？我们很熟悉的哪种元素最外层电子数与我们很熟悉的哪种元素最外层电子数与它相同？它相同？u硅的原子结构硅的原子结构 硅原子和碳原子的最外电子层均有硅原子和碳原子的最外电子层均有

4、4个个电子，其原子既不易失去也不易得到电子，电子，其原子既不易失去也不易得到电子，主要形成四价的化合物。主要形成四价的化合物。Si+148 42+642C在高温条件下，单质硅能与在高温条件下，单质硅能与O2和和Cl2等非金属等非金属单质反应。单质反应。常温下化学性质不活泼，只能跟常温下化学性质不活泼，只能跟F2、HF和和 NaOH溶液反应。溶液反应。Si2F2SiF4 Si4HFSiF42H2 Si2NaOHH2ONa2SiO32H2SiO2 SiO23、硅单质的化学性质硅单质的化学性质Si+2Cl2 =SiCl4工业上，用工业上，用焦炭焦炭在高温下在高温下还原还原石英砂石英砂可可制得粗硅制得

5、粗硅，粗粗硅跟氯气反应硅跟氯气反应经提纯得到经提纯得到 SiCl4后再用后再用氢气还原制得氢气还原制得纯硅：纯硅：4、硅的工业制备、硅的工业制备硅单硅单质质SiO22CSi(粗粗)2CO 高温高温SiCl42H2Si(纯纯)4HCl 高温高温Si(粗粗)2Cl2SiCl4 （1）反应）反应中焦炭做（中焦炭做（）A.还原剂还原剂 B.氧化剂氧化剂 C.二者都不是二者都不是（2）反应）反应 属于（属于（），反应），反应 属于（属于（）A.化合反应化合反应 B.分解反应分解反应 C.氧化还原反应氧化还原反应 D.非氧化还原反应非氧化还原反应 E.置换反应置换反应AACCESiO22CSi(粗粗)2C

6、O Si(粗粗)2Cl2SiCl4 SiCl42H2Si(纯纯)4HCl 根据以下反应回答下列问题：根据以下反应回答下列问题：5、用途：太阳能电池、用途：太阳能电池、计算机芯片以及半导体计算机芯片以及半导体材料、信息技术等材料材料、信息技术等材料和人造卫星、登月车、和人造卫星、登月车、火星探测器等动力设备火星探测器等动力设备新能源。新能源。硅太阳能电池硅太阳能电池硅芯片是各种计算机、微电子产品的核心硅芯片是各种计算机、微电子产品的核心硅单硅单质质 硅是一种亲氧元素，在自然界它硅是一种亲氧元素，在自然界它总是与氧相互化合。所以在氧化气氛总是与氧相互化合。所以在氧化气氛包围的地球上，硅主要以熔点很

7、高的包围的地球上，硅主要以熔点很高的氧化物氧化物及及硅酸盐硅酸盐的形式存在。的形式存在。二、二氧化硅和硅酸二、二氧化硅和硅酸 SiO2是硅的重要化合物。地球上是硅的重要化合物。地球上存在的天然二氧化硅约占地壳质量存在的天然二氧化硅约占地壳质量的的12，其存在形态有，其存在形态有结晶形结晶形和和无定形无定形两大类，通称硅石。两大类，通称硅石。（一）、二氧化硅（一）、二氧化硅1、存在、存在硅石（硅石（12%）结晶形结晶形（石英晶体）（石英晶体）无定形无定形硅藻土硅藻土 SiO2是硅的重要化合物。地球上存在的是硅的重要化合物。地球上存在的天然二氧化硅约占地壳质量的天然二氧化硅约占地壳质量的12，其存

8、，其存在形态有在形态有结晶形结晶形和和无定形无定形两大类，通称硅两大类，通称硅石。石。水晶水晶玛瑙玛瑙石英石英水晶晶体二氧化硅晶体二氧化硅紫水晶紫水晶蔷薇石英蔷薇石英茶晶茶晶黄水晶黄水晶晶体二氧化硅晶体二氧化硅玛瑙玛瑙晶体二氧化硅晶体二氧化硅硅藻土硅藻土中国硅藻土资源丰富。全国中国硅藻土资源丰富。全国1010个省个省(区区)有硅藻土矿产出。探明储量的矿区有有硅藻土矿产出。探明储量的矿区有354354处，处，总保有储量矿石总保有储量矿石3.853.85亿吨。仅次于美国，居世界第亿吨。仅次于美国，居世界第2 2位。在地区分位。在地区分 布上，以吉林最多，布上，以吉林最多，占全国储量的占全国储量的5

9、4.8%54.8%，云南、福建、河北等地次之。矿床类型主要为火山物源沉积型，云南、福建、河北等地次之。矿床类型主要为火山物源沉积型矿床矿床(吉林长白、山东临胸、浙江嵊州市硅藻土矿等吉林长白、山东临胸、浙江嵊州市硅藻土矿等)和陆源沉积型和陆源沉积型(云南寻甸、四川云南寻甸、四川米易硅藻土矿等米易硅藻土矿等)矿床。成矿时代集中在第三纪和第四纪，以第三纪为主。矿床。成矿时代集中在第三纪和第四纪，以第三纪为主。无定形二氧化硅无定形二氧化硅二氧化硅的用途二氧化硅的用途二氧化硅的用途二氧化硅的用途二氧化硅的用途二氧化硅的用途光导纤维光导纤维二氧化硅的用途二氧化硅的用途危害：危害：在隧道开凿，石英粉加工等工

10、作在隧道开凿，石英粉加工等工作环境下易形成含有二氧化硅的粉尘，人环境下易形成含有二氧化硅的粉尘，人长期吸入含有二氧化硅的粉尘，就会患长期吸入含有二氧化硅的粉尘，就会患硅肺病（旧称矽肺）。硅肺病（旧称矽肺）。物理性质物理性质:_化学稳定性化学稳定性:_通常条件下，很稳定通常条件下，很稳定硬度大、熔点高、难溶于水硬度大、熔点高、难溶于水思考为什么二氧化硅和二氧化碳物为什么二氧化硅和二氧化碳物理性质有这理性质有这么么大的差别？大的差别？是结构上的不同是结构上的不同SiOSiOSiO2 2是是由由SiSi和和O O按按1 1：2 2的比例组成的的比例组成的立体空间网状结构，立体空间网状结构，没有没有S

11、iOSiO2 2 分子存在，只存在硅氧原子。分子存在，只存在硅氧原子。因此性质很稳定因此性质很稳定 CDE下列说法错误的是（下列说法错误的是（）A.SiO2 是二氧化硅的化学式是二氧化硅的化学式 B.SiO2 晶体是由晶体是由Si和和O按按1:2的比例所的比例所 组成的立体网状结构的晶体组成的立体网状结构的晶体 C.SiO4 四面体只存在于二氧化硅晶体中四面体只存在于二氧化硅晶体中D.沙子里含无定形二氧化硅沙子里含无定形二氧化硅 E.石英就是水晶石英就是水晶 F.SiO2 从古到今被人类广泛地应用着，从古到今被人类广泛地应用着，是因为是因为SiO2 的立体网状结构和它在自的立体网状结构和它在自

12、 然界的广泛存在然界的广泛存在化学性质很不活泼，氢氟酸（化学性质很不活泼，氢氟酸（HFHF）是唯一）是唯一可以与之反应的酸。可以与之反应的酸。SiO2+4HF=SiF4+2H2O化学性质化学性质:实验室能不能用玻璃瓶盛装氢氟酸？注意：玻璃中含有注意：玻璃中含有SiOSiO2 2，所以可以用，所以可以用HFHF来刻蚀玻璃。来刻蚀玻璃。（1 1）特性：）特性：化学性质化学性质:实验室盛装NaOH溶液的试剂瓶为什么用橡胶塞而不用玻璃塞？高温高温3、与盐反应：与盐反应：(所以，不能用磨口玻璃塞盛碱性溶液，如所以，不能用磨口玻璃塞盛碱性溶液，如NaOHNaOH、KOHKOH、NaNa2 2COCO3 3

13、、NaNa2 2SiOSiO3 3等溶液。等溶液。)Na2CO3+SiO2=Na2SiO3+CO2CaCO3+SiO2=CaSiO3+CO2高温高温4、弱氧化性：弱氧化性：SiO2+2C Si+2CO高温高温某同学根据某同学根据氢氟酸反应氢氟酸反应,推断推断性性 质质二氧化碳二氧化碳(CO2)二氧化硅二氧化硅(SiO2)SiO2与与CO2化学性质的比较化学性质的比较 22232222223223223高温高温24 2酸性氧化物酸性氧化物与碱性氧化与碱性氧化物反应物反应与碱反应与碱反应与水反应与水反应与氢氟酸反应与氢氟酸反应Na2CO3+SiO2=Na2SiO3+CO2CaCO3+SiO2=Ca

14、SiO3+CO2高温高温Na2CO3+CO2=2NaHCO3CaCO3+CO2=Ca(HCO3)2与盐反应与盐反应 我们知道二氧化碳与水反应生成碳酸我们知道二氧化碳与水反应生成碳酸，但，但是是SiO2不能与水直接化合成不能与水直接化合成H2SiO3，这，这是一个特例。是一个特例。思考：思考：SiOSiO2 2不能直接和水化合成不能直接和水化合成H H2 2SiOSiO3 3，那怎样制备，那怎样制备H H2 2SiOSiO3呢？呢？思考思考2 2制取原理：强酸制弱酸制取原理：强酸制弱酸现现 象象结结 论论方程式方程式离子方离子方程式程式滴入酚酞溶液呈滴入酚酞溶液呈红色红色Na2SiO3+2HCl

15、=H2SiO3（胶体）（胶体）+2NaCl再滴入稀盐酸，溶液红色变浅至无再滴入稀盐酸，溶液红色变浅至无色，有透明胶冻状物质产生色，有透明胶冻状物质产生SiO32-+2H+=H2SiO3（胶体）（胶体）a、Na2SiO3溶液呈碱性，溶液呈碱性，b、可溶性、可溶性硅酸盐与盐酸反应生成不溶于水的硅酸，硅酸盐与盐酸反应生成不溶于水的硅酸，c、先形成硅酸溶胶，后形成硅酸凝胶、先形成硅酸溶胶，后形成硅酸凝胶 硅酸是一种硅酸是一种白色粉末状白色粉末状的的固固体体，它，它不溶于水不溶于水；是一种很；是一种很弱弱的的酸，酸，不能使指示剂变色不能使指示剂变色。二、硅酸二、硅酸()()H H2 2SiOSiO3 3

16、硅酸钠水溶液久置在空气中会出现什硅酸钠水溶液久置在空气中会出现什么现象？为什么？么现象？为什么？硅酸钠水溶液久置在空气中会出现白硅酸钠水溶液久置在空气中会出现白色浑浊。因为发生下列反应：色浑浊。因为发生下列反应：SiO32-+H2O+CO2=CO32-+H2SiO3Na2SiO3 +H2O+CO2=Na2CO3+H2SiO3 常温下，常温下，Na2SiO3 +H2O+CO2=Na2CO3+H2SiO3，说明，说明H2CO3的酸性强于的酸性强于H2SiO3；在高；在高温下，温下，Na2CO3+SiO2=Na2SiO3+CO2说明说明H2SiO3酸性强于酸性强于H2CO3?高温 CO2通入下列各溶

17、液中，无明显通入下列各溶液中，无明显现象发生的是（现象发生的是（）A、氯化钙溶液、氯化钙溶液 B、澄清石灰水、澄清石灰水C、硅酸钠溶液、硅酸钠溶液A合作讨论：合作讨论：H2SiO3+2NaOH=Na2SiO3+2H2O（2）不稳定（比）不稳定（比H2CO3稳定），受热易分解稳定），受热易分解 H2SiO3 =H2O+SiO2 化学性质化学性质:弱弱酸性。只能与酸性。只能与强碱强碱发生中和反应发生中和反应 生成的硅酸逐渐聚合生成的硅酸逐渐聚合而形成硅酸溶胶（能流动），而形成硅酸溶胶（能流动），当硅酸的浓度较大时，就会形成硅酸凝胶（不能流动），当硅酸的浓度较大时，就会形成硅酸凝胶（不能流动），硅酸

18、凝胶经过干燥脱水就形成硅胶。硅酸凝胶经过干燥脱水就形成硅胶。硅胶多孔，吸附水份能力强，常用作实验室和袋装食硅胶多孔，吸附水份能力强，常用作实验室和袋装食品，瓶装药品等的品，瓶装药品等的干燥剂，也可以用干燥剂，也可以用作催化剂的载体。作催化剂的载体。用途：用途：1、定义：、定义：硅酸盐是由硅、氧和金属组成硅酸盐是由硅、氧和金属组成的化合物的总称的化合物的总称 2、性质：、性质：硅酸盐种类很多，是一大类结构复杂的固态物质，硅酸盐种类很多，是一大类结构复杂的固态物质，大多数不溶于水，化学性质很稳定。大多数不溶于水，化学性质很稳定。3、表示方法：、表示方法：（1）化学式法：）化学式法：适用于简单的硅酸

19、盐如：适用于简单的硅酸盐如：Na2SiO3，K2SiO3、CaSiO3等。等。三、硅酸盐三、硅酸盐活泼金属氧化物活泼金属氧化物较活泼金属氧化物较活泼金属氧化物二氧化硅二氧化硅水水氧化物氧化物前系数配置原则：除氧元素外，其他元素前系数配置原则：除氧元素外，其他元素按配置前后原子个数守恒原则配置系数。按配置前后原子个数守恒原则配置系数。硅酸钠硅酸钠：NaNa2 2SiOSiO3 3 Na Na2 2OSiOOSiO2 2 硅酸钙：硅酸钙：CaSiOCaSiO3 3 CaOSiO CaOSiO2 2高岭石：高岭石：AlAl2 2(Si(Si2 2O O5 5)(OH)(OH)4 4 AlAl2 2O

20、 O3 32SiO2SiO2 22H2H2 2O O 正长石：正长石：KAlSiKAlSi3 3O O8 8不能不能写写 K K2 2OAlOAl2 2O O3 33SiO3SiO2 2，应写成应写成K K2 2OAlOAl2 2O O3 36SiO6SiO2 2（2）氧化物法：）氧化物法：K2O2Al2O36SiO2H2OK(Al2Si3O9)(OH)4、最简单的硅酸盐、最简单的硅酸盐-硅酸钠硅酸钠（Na2SiO3）硅酸钠是白色固体，可溶于水，其水溶液俗硅酸钠是白色固体，可溶于水，其水溶液俗称称水玻璃水玻璃。是制备硅胶和木材防火剂等的原。是制备硅胶和木材防火剂等的原料。料。（1）、硅酸钠的物

21、理性质）、硅酸钠的物理性质放入蒸馏水放入蒸馏水现现象象结结论论水份蒸发后水份蒸发后木条燃烧木条燃烧放入放入Na2SiO3溶液溶液水份蒸发后水份蒸发后木条不燃烧木条不燃烧水份蒸发后水份蒸发后失去防火作用失去防火作用防火效果好防火效果好Na2SiO3可作防火剂可作防火剂 实验实验4-24-2（2）、硅酸钠化学性质）、硅酸钠化学性质 硅酸钠的化学性质相对稳定，不能燃硅酸钠的化学性质相对稳定，不能燃烧，不易被腐蚀，热稳定性好。烧，不易被腐蚀，热稳定性好。（3）用途）用途 可以作肥皂填料，还可以用做建筑、纸张的可以作肥皂填料，还可以用做建筑、纸张的黏合剂和木材、织物的防腐剂及防火剂黏合剂和木材、织物的防

22、腐剂及防火剂与盐反应与盐反应与酸反应与酸反应Na2SiO3+2HCl=2NaCl +H2SiO3CaCl2+Na2SiO3=CaSiO3+2NaCl用途广泛的硅酸盐产品四、硅酸盐工业四、硅酸盐工业 水泥是一种非常重要的建筑材料。水泥是一种非常重要的建筑材料。万丈高楼平地起，穿针引线是水泥。万丈高楼平地起，穿针引线是水泥。生产过程：黏土和石灰石两磨、一烧。研磨煅烧再磨成细粉；硅酸三钙(3CaOSiO2)硅酸二钙(2CaOSiO2)混合物铝酸三钙(3CaOAl2O3)水泥的生产原料：普通硅酸盐水泥的成分：1、水泥 水泥的性能：水泥的性能：水泥具有水硬性。水泥具有水硬性。水泥、沙子和水的混合水泥、沙

23、子和水的混合物物建筑黏合剂。建筑黏合剂。水泥、沙子和碎石的混合物。水泥、沙子和碎石的混合物。混凝土：混凝土：水泥砂浆：水泥砂浆：德国工会大厦梦幻巴黎柏林国会大厦加入了不同的金属氧化物金属氧化物普通玻璃加热接近熔化熔化再急速冷却急速冷却2、玻璃：生产过程：纯碱、石灰石和石英。纯碱、石灰石和石英。Na2CO3+SiO2=Na2SiO3+CO2CaCO3+SiO2=CaSiO3+CO2高温高温玻璃的生产原料：普通玻璃的成分：Na2SiO3、CaSiO3和SiO2组成的混合物。或Na2OCaO6SiO2；玻璃无固定的熔沸点，在一定温度范围内软化。玻璃的性能：3、陶瓷：陶瓷具有抗氧化、抗酸碱腐蚀、耐高温

24、、绝缘、易成型等许多优点，因此，陶瓷制品一直为人们所喜爱。家用陶瓷江苏宜兴，有陶都之称。隋带烧制的三彩陶骆驼瓷器是中华文明的象征。在许多拉丁语系国家中，“瓷器”和“中国”都以“CHINA”用同一字母拼音表示。江西景德镇。江西景德镇所烧制的薄胎瓷器被誉为：“洁如玉、明如镜、薄如纸、声如罄。”我国素有“瓷都”之称的地方 江西景德镇所烧制的瓷器传统无机非金属材料：传统无机非金属材料：陶瓷、玻璃、水泥陶瓷、玻璃、水泥新型无机非金属材料：新型无机非金属材料：新型陶瓷新型陶瓷高温结构陶瓷、压电陶瓷高温结构陶瓷、压电陶瓷透明陶瓷、超导陶瓷等透明陶瓷、超导陶瓷等1.能承受高温、强度高。能承受高温、强度高。例如

25、：氮化硅陶瓷在例如：氮化硅陶瓷在1200左右的高温下，左右的高温下，仍具有很高的强度，可用来制造汽轮机叶仍具有很高的强度，可用来制造汽轮机叶片、轴承、永久性模具等。片、轴承、永久性模具等。2.具有电学特性，一些新型无机非金属具有电学特性，一些新型无机非金属材料可以作为半导体、导体、超导体等，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一些绝缘性材料常被用于集成电路的基板。板。3.具有光学特性。有些新型无机具有光学特性。有些新型无机非金属材料能发出各色的光，非金属材料能发出各色的光，有的能透过可见光，有的能使有的能透过可见光，有的能使红外线、雷达射线穿过。红外线、雷达射

26、线穿过。处于高温下的光导纤维处于高温下的光导纤维F-117F-117是一种单座战斗轰炸机。设计目的是凭隐身性能，突破敌火力网，压制敌方防空系统，摧毁严密防守的指挥所、战略要地、重要工业目标，还可执行侦察任务，具有一定空战能力。4.具有生物特性。有些新型无机非金属具有生物特性。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。骨骼，已被应用在医疗上。人造关节人造关节硅元素硅元素单质硅单质硅Si+F2Si

27、+HFSi+NaOH 加热能与某加热能与某些非金属单些非金属单质反应（质反应（O2、Cl2）O2Na2SiO3、CaSiO3二氧化硅是光导纤维二氧化硅是光导纤维的主要原料，光导纤的主要原料，光导纤维可用作通讯材料和维可用作通讯材料和制造医用内窥镜等制造医用内窥镜等硅可制造集成路、硅可制造集成路、太阳能电池等；硅太阳能电池等；硅合金可用来制造变合金可用来制造变压器铁芯、耐酸设压器铁芯、耐酸设备等。备等。只有化合态只有化合态SiO2硅酸盐硅酸盐C 高温高温HF无游离态无游离态常温不活泼常温不活泼练习练习:1.下列说法正确的是()A.二氧化硅溶于水显酸性B.二氧化碳通入水玻璃(Na2SiO3的水溶液

28、)可以得到原硅酸.C.因为高温时,二氧化硅与碳酸钠反应放出二氧化碳,所以硅酸的酸性比碳酸强.D.二氧化硅是酸性氧化物,它不溶于任何酸B2.硅酸钠溶液俗称水玻璃,呈碱性.下列物质中,能用带磨口玻璃塞的试剂瓶盛放的是()A.浓硫酸B.水玻璃C.氢氟酸D苛性碱A3.下列物质中能跟SiO2发生反应的是()A盐酸B硝酸C硫酸D烧碱溶液D4.光纤通讯是光作为信息的载体,让光在光导纤维中传输,制造光导纤维的基本原料是()A铜B钢C石英D铝C5.除去二氧化硅固体中混有的CaCO3固体,方法正确的是()A加水,过滤B加热C加盐酸,过滤D加NaOH溶液,过滤C6.将过量的CO2分别通入(1)CaCl2溶液(2)Na2SiO3溶液(3)Ca(ClO)2溶液(4)饱和Na2CO3溶液.最终溶液中有白色沉淀的是()A(1)(2)(3)(4)B(2)(4)C(1)(2)(3)D(2)(3)B