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1、第一节第一节 无机非金属材料的主角无机非金属材料的主角_硅硅美国的硅谷美国的硅谷“斯坦福科研斯坦福科研工业区工业区”是美国电子和计算机工业是美国电子和计算机工业中心，位于美国西海岸加利福尼亚中心，位于美国西海岸加利福尼亚州北部旧金山南郊，圣克拉拉县和州北部旧金山南郊，圣克拉拉县和圣胡安两城之间的一条长公里，圣胡安两城之间的一条长公里，宽公里的长条形地带上。由于宽公里的长条形地带上。由于它集中了全世界它集中了全世界0 0以上的著名半以上的著名半导体公司，而半导体的基本元件是导体公司，而半导体的基本元件是硅片，所以该地区被称为硅片，所以该地区被称为“硅谷硅谷”。硅谷硅谷 silicon valle
2、ysilicon valley1、画出碳和硅的原子结构示意图、画出碳和硅的原子结构示意图分析：分析：既不易失电子，又不易得电子，既不易失电子，又不易得电子，主要形成四价的化合物。主要形成四价的化合物。硅元素（硅元素（Si）硅在自然界的存在形态：硅在自然界的存在形态：没有游离态，只有化合态，以二没有游离态，只有化合态，以二氧化硅和硅酸盐的形式存在于岩石和氧化硅和硅酸盐的形式存在于岩石和矿物中。矿物中。2、硅元素在自然界中的存在、硅元素在自然界中的存在 常温下，单质碳、硅的化学性质常温下，单质碳、硅的化学性质都不活泼，为什么碳在自然界中有都不活泼，为什么碳在自然界中有稳定的单质（金刚石）存在，而硅
3、稳定的单质（金刚石）存在，而硅却没有，说明了什么？却没有，说明了什么？阅读阅读:课本课本P741、存、存 在在硅石（硅石（12%）结晶形：石英结晶形：石英无定形（沙子）无定形（沙子）水晶水晶玛瑙玛瑙阅读课本阅读课本P75P75一、二氧化硅一、二氧化硅2、用途、用途3、物理性质、物理性质物质物质SiO2CO2状态（常温）状态（常温）气体气体熔点熔点-56.6 沸点沸点-78.5-78.5 溶解性溶解性1：1硬度硬度固体固体1610161022302230不溶不溶大大SiO4、二氧化硅的晶体结构（课本、二氧化硅的晶体结构（课本P75）四面体结构，每个四面体结构，每个四面体结构，每个四面体结构，每个
4、Si接接接接4 4个个个个OO，每个，每个，每个，每个OO接接接接2 2个个个个SiSi，是由是由是由是由SiSi和和和和OO按按按按1 1：2 2的比例所组成的立体网状结构的晶体。的比例所组成的立体网状结构的晶体。的比例所组成的立体网状结构的晶体。的比例所组成的立体网状结构的晶体。5 5、化学性质、化学性质性质稳定性质稳定,不活泼不活泼SiO2 +CaO =CaSiO3 SiO2+2NaOH=Na2SiO3 +H2O高温高温高温高温（1）是酸性氧化物是酸性氧化物Na2SiO3可溶于水，其水溶液俗名水玻璃，是一种矿物胶可溶于水，其水溶液俗名水玻璃，是一种矿物胶A A、与强碱生成硅酸盐和水、与强
5、碱生成硅酸盐和水B B、与碱性氧化物生成盐、与碱性氧化物生成盐（2）难溶于水，不与水反应难溶于水，不与水反应4HF+SiO2=SiF4+2H2O （3）SiO2的特性的特性 与氢氟酸（与氢氟酸（HF）反应）反应*用途：雕刻玻璃用途：雕刻玻璃讨论：讨论：1、为什么实验室中盛放、为什么实验室中盛放碱液的试剂瓶要用橡碱液的试剂瓶要用橡皮塞而不能用玻璃塞皮塞而不能用玻璃塞（玻璃中含（玻璃中含SiO2）？）？2、实验室能否用玻璃、实验室能否用玻璃瓶保存氢氟酸？瓶保存氢氟酸？用塑料瓶保存氢用塑料瓶保存氢氟酸氟酸（1）向饱和）向饱和Na2SiO3溶液中滴入酚酞，溶液中滴入酚酞，再滴入稀盐酸再滴入稀盐酸现现
6、象象结结 论论方程式方程式 滴入酚酞溶液呈红色滴入酚酞溶液呈红色Na2SiO3呈碱性呈碱性Na2SiO3+2HCl=H2SiO3+2NaCl滴入盐酸有硅酸凝胶产生滴入盐酸有硅酸凝胶产生硅酸难溶于水硅酸难溶于水二二.硅酸硅酸(H(H2 2SiOSiO3 3)（2）把稀硫酸加入到）把稀硫酸加入到Na2SiO3溶液溶液中，会有中，会有什么现象？什么现象？现现 象象结结 论论方程式方程式滴入硫酸有硅酸凝胶产生滴入硫酸有硅酸凝胶产生硅酸难溶于水（白色胶状沉淀）硅酸难溶于水（白色胶状沉淀）Na2SiO3+H2SO4=H2SiO3+Na2SO4（3）把二氧化碳通入到）把二氧化碳通入到Na2SiO3溶液中溶液
7、中Na2SiO3+CO2+H2O=H2SiO3+Na2CO3结论：硅酸是一种比碳酸酸性还弱酸，结论：硅酸是一种比碳酸酸性还弱酸，溶解度小。溶解度小。注：注：1 1、硅酸的制备；、硅酸的制备；2 2、原硅酸、原硅酸n n77实实验验、硅酸钠：水溶液俗称、硅酸钠：水溶液俗称“水玻璃水玻璃”，具有，具有粘性粘性和和阻燃性阻燃性。用作肥皂填料、木材防火剂及胶粘。用作肥皂填料、木材防火剂及胶粘剂等。剂等。放入蒸馏水放入蒸馏水放入放入Na2SiO3饱和溶液饱和溶液现象现象结论结论三、硅酸盐：三、硅酸盐：由硅、氧和金属组成的化合物的总称由硅、氧和金属组成的化合物的总称n n观观察察现现象并填写下表象并填写下
8、表木条先变干，后燃烧木条先变干，后燃烧木条先变干，后燃烧木条先变干，后燃烧木条变干，不燃烧木条变干，不燃烧木条变干，不燃烧木条变干，不燃烧NaNa2 2SiOSiO3 3的水溶液可用作木材的防火剂的水溶液可用作木材的防火剂的水溶液可用作木材的防火剂的水溶液可用作木材的防火剂2、硅酸盐组成的表示（课本硅酸盐组成的表示（课本P77）用金属氧化物用金属氧化物 二氧化硅二氧化硅 水水 的的化学式表示化学式表示钾云母：钾云母：K2 H4 Al6 Si6 O24K2O 3Al2O3 6SiO2 2H2 O练习：镁橄榄石:(Mg2SiO4)高岭石:Al2(Si2O5)(OH)43、硅酸盐产品及用途硅酸盐产品
9、及用途：陶瓷、玻璃、水泥：陶瓷、玻璃、水泥 四、硅（四、硅（SiSi）硅有晶体硅和无定形硅两种硅有晶体硅和无定形硅两种、物理性质：、物理性质：（1 1）灰黑色，有金属光泽，硬而脆的固体）灰黑色，有金属光泽，硬而脆的固体（2 2）熔、沸点高、硬度大）熔、沸点高、硬度大（3 3）晶体硅是良好的半导体）晶体硅是良好的半导体、化学性质：、化学性质：(不活泼）不活泼）常温下，硅的化学性质不活泼，常温下，硅的化学性质不活泼，除氢氟酸、氟气、强碱外不跟其他除氢氟酸、氟气、强碱外不跟其他物质如：氧气、氯气、硫酸等起反物质如：氧气、氯气、硫酸等起反应，但在加热情况下，硅也能跟一应，但在加热情况下，硅也能跟一些非
10、金属反应。些非金属反应。3 3、硅的用途、硅的用途集成电路、晶体管、硅整流器等半集成电路、晶体管、硅整流器等半导体材料，还可以制成太阳能电池、导体材料，还可以制成太阳能电池、硅的合金可用来制造变压器铁芯等硅的合金可用来制造变压器铁芯等。集成电路集成电路 晶体管晶体管l（1）SiO2+2C=Si+2CO （粗硅）（粗硅）若若C过量：过量：SiO2+3C=SiC+2CO l（2）Si+2Cl2=SiCl4l（3）SiCl4+2H2 =Si+4HCl （高纯硅）（高纯硅）4、硅的制备、硅的制备高温高温高温高温高温高温高温高温氧化剂、还原剂质量比：氧化剂、还原剂质量比：氧化剂、还原剂质量比：氧化剂、还
11、原剂质量比：1/21/20 04 42 2碳化硅（俗名：金刚砂）碳化硅（俗名：金刚砂）碳化硅（俗名：金刚砂）碳化硅（俗名：金刚砂）课本课本课本课本P78P78玻璃玻璃（1）玻璃）玻璃原料：纯碱、石灰石、石英原料：纯碱、石灰石、石英设备：玻璃窑设备：玻璃窑条件：高温熔融条件：高温熔融主要反应：主要反应：主要成份：硅酸钠、硅酸钙、主要成份：硅酸钠、硅酸钙、二氧化硅二氧化硅二氧化硅二氧化硅高温SiO2+CaCO3=CaSiO3+CO2 SiO2+Na2CO3=Na2SiO3+CO2 高温玻璃玻璃玻璃玻璃有色玻璃有色玻璃钢化玻璃钢化玻璃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
12、急速冷却水泥水泥（2）水泥）水泥原料：黏土、石灰石、石膏原料：黏土、石灰石、石膏设备：水泥回转窑设备：水泥回转窑条件：煅烧条件：煅烧主要成份：硅酸三钙、硅酸二钙、铝主要成份：硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙等酸三钙等陶器陶器瓷器瓷器（3）陶瓷）陶瓷原料：黏土原料：黏土条件：高温烧结条件：高温烧结描述景德镇的陶描述景德镇的陶瓷有这样一句话瓷有这样一句话:薄如纸薄如纸,声如声如磬磬,色如玉色如玉.产产品品主要原料主要原料主要主要设备设备反反应应条件条件主要成分主要成分水水泥泥粘土、石灰粘土、石灰石、石膏石、石膏水泥回水泥回转转窑窑 高温高温硅酸三硅酸三钙钙：3CaOSiO3CaOSiO2 2硅酸二硅酸
13、二钙钙：2CaOSiO2CaOSiO2 2铝铝酸三酸三钙钙：CaOAlCaOAl2 2O O3 3玻玻璃璃纯纯碱、石灰碱、石灰石、石英石、石英玻璃窑玻璃窑高温高温NaNa2 2SiOSiO3 3 、CaSiOCaSiO3 3 、SiOSiO2 2硅酸盐产品简介 新型新型无机非金属材料的优点：无机非金属材料的优点：1、能承受高温，强度高、能承受高温，强度高2 2、具有电学特性、具有电学特性3 3、具有光学特性、具有光学特性4 4、具有生物功能、具有生物功能玻璃刀玻璃刀玻璃刀轮片玻璃刀轮片红宝石为轴的雷达表红宝石为轴的雷达表人造金刚石锯片人造金刚石锯片新型无机非金属材料之一：新型无机非金属材料之一
14、：高温结构陶瓷、压电陶瓷高温结构陶瓷、压电陶瓷新型陶瓷新型陶瓷透明陶瓷、超导陶瓷等透明陶瓷、超导陶瓷等79 科学视野：新型陶瓷l、高温结构陶瓷、高温结构陶瓷l、压电陶瓷、压电陶瓷l、透明陶瓷、透明陶瓷l、超导陶瓷、超导陶瓷新型陶瓷的用途之一新型陶瓷的用途之一:航天飞机的航天飞机的“防火衣防火衣”防热防热瓦瓦生产过程：使用硅土黏合剂将低密度生产过程：使用硅土黏合剂将低密度非晶硅增强纤维粘合成长非晶硅增强纤维粘合成长15cm，宽，宽15cm，厚，厚210cm的拱形瓦，经过的拱形瓦，经过高温烧结，再在表面涂上一层高温结高温烧结，再在表面涂上一层高温结构陶瓷，就成了一块防热瓦构陶瓷，就成了一块防热瓦高
15、温结构陶瓷的应用高温结构陶瓷的应用防热瓦的优点：防热瓦的优点：l耐热（可承受耐热（可承受2000）l防潮防潮l耐磨耐磨l超群的隔热能力超群的隔热能力l反射太阳光反射太阳光l可重复使用可重复使用航天飞机航天飞机高温结构陶瓷的应用高温结构陶瓷的应用资料资料:两年半前，正是由于塑料泡沫部件在发射两年半前，正是由于塑料泡沫部件在发射时撞坏了一片防热瓦，导致美国的时撞坏了一片防热瓦，导致美国的“哥伦比亚哥伦比亚”号返航时在空中解体。号返航时在空中解体。高温结构陶瓷之所以在航天事业上的有高温结构陶瓷之所以在航天事业上的有如此优秀的表现如此优秀的表现,因为它具有耐高温、耐因为它具有耐高温、耐氧化、超强、超硬
16、等优点，它可以在各氧化、超强、超硬等优点，它可以在各种恶劣环境下使用，同时，也是制造汽种恶劣环境下使用，同时，也是制造汽车发动机，喷气发动机的理想材料，可车发动机，喷气发动机的理想材料，可以大大提高能源的利用率，可以使汽车以大大提高能源的利用率，可以使汽车跑得更快，飞机飞得更高。跑得更快，飞机飞得更高。高温结构陶瓷的应用高温结构陶瓷的应用超导陶瓷：超导陶瓷：l所谓超导现象就是金属的电阻随温度的升所谓超导现象就是金属的电阻随温度的升高而增大，当金属的温度降低时，它的电高而增大，当金属的温度降低时，它的电阻减小阻减小,当温度降到当温度降到-269（液氮温度，为（液氮温度，为4K）左右时，水银的电阻
17、变为零，这种现）左右时，水银的电阻变为零，这种现象叫超导现象象叫超导现象l我国研制的超导陶瓷的临界温度为我国研制的超导陶瓷的临界温度为77K，处，处于世界领先水平。于世界领先水平。超导陶瓷生物陶瓷生物陶瓷l这种陶瓷强度大这种陶瓷强度大,韧性好韧性好,与人体亲和与人体亲和力好，目前它是人体骨骼和牙齿的重力好，目前它是人体骨骼和牙齿的重要移植材料。要移植材料。l在这一领域我国处于世界领先水平。在这一领域我国处于世界领先水平。压电陶瓷压电陶瓷l利用陶瓷，还可实现多种功能互换。利用陶瓷，还可实现多种功能互换。如安放在打火机中的压电陶瓷，一经如安放在打火机中的压电陶瓷，一经敲打即刻产生一个电火花，将机械能敲打即刻产生一个电火花，将机械能转变成电能。转变成电能。材料是社会发展和人类进步的材料是社会发展和人类进步的一种标志一种标志l材料科学和工程是人类科技文明生材料科学和工程是人类科技文明生活和工农业生产的推动器，新材料活和工农业生产的推动器，新材料的发现和它的广泛应用常常会带来的发现和它的广泛应用常常会带来社会生产的变革和新兴产业社会生产的变革和新兴产业的出现的出现l比如硅的出现就引发了现代信息产比如硅的出现就引发了现代信息产业的一场革命业的一场革命