《无机非金属材料的主角—硅》课件3.ppt

第四章 材料家族中的元素,4.1 无机非金属材料-硅,在美国旧金山，有个最大的高科技工业园区，称之为“硅谷”，它是现代电子工业和计算机发展的基地。这说明硅在电子工业革命中起着非常重要作用。以硅为基础而制成的晶体管是计算机的心脏。,硅在电子工业中重要作用,元素周期表,半导体,一、硅（Silicon）,1、含量和存在在地壳中，硅的含量居第二位，仅次于氧自然界中，硅无游离态存在，只以化合态存在（以SiO2或硅酸盐的形式存在）是构成矿物和岩石的主要成分,半导体材料：指导电能力介于 和 之间的一类材料，最早使用的半导体材料是，现在最广泛使用的半导体材料是,导体,绝缘体,锗,硅,二氧化硅、硅酸盐；地壳中含量26.3%。约占地壳质量的90%以上。,为什么构成岩石和矿物的基本元素是硅?,硅,半导体材料。,硅有晶体硅和无定形硅两种单质,二、硅单质（Si）,1.物理性质：灰黑色，硬而脆，有金属光泽的固体，熔点、沸点高，硬度大，,2.硅的原子结构,碳是构成有机物的主要元素,硅是构成岩石与许多矿物的基本元素,Si,C,因为硅和碳一样,其原子既不易失去又不易得到电子,主要形成四价的化合物.,所以常温下，碳、硅单质的化学性质不活泼,3.化学性质,常温下，化学性质稳定，只与强碱、氢氟酸、氟气反应,Si+2F2=SiF4,Si+4HF=SiF4+2H2,Si+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H2,加热下，较活泼,Si+O2 SiO2,（唯一与NaOH 溶液反应放出H2的非金属单质）,经蒸馏提纯后，再用氢气还原制得纯硅。,4、硅的制备,工业上先在电炉里高温下用碳还原二氧化硅制得粗硅,然后将粗硅在高温下跟氯气 反应生成一种液态物质。,5、用途：,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、硅的合金可用来制造变压器铁芯等。,三、二氧化硅（SiO2）,1.存在：广泛存在与自然界，是沙子、石英的主要成分。天然的二氧化硅也叫硅石。石英晶体是结晶的二氧化硅.,石英,水晶,玛瑙,2 物理性质,坚硬难熔的固体，熔沸点比较高，不溶于水，硬度比较大。,180,10928,Si,o,二氧化硅的晶体结构示意图,基本结构单元为硅氧四面体Si2O4，晶体中不存在二氧化硅分子，SiO2是化学式不是分子式。,（1）、酸性氧化物,b、常温下、与NaOH溶液缓慢反应：SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O,3、化学性质：,（3）与还原剂作用,硅的制取,4、用途：,光导纤维石英：耐高温化学仪器、石英电子表、石英钟水晶：电子工业的重要部件、光学仪器、高级工艺品和眼镜片玛瑙：精密仪器轴承、耐磨器皿和装饰品,光纤视频,玛瑙饰品,练一练,1下列叙述中，正确的是A自然界中存在大量单质硅 B硅元素是形成地壳的主要元素，在地壳中的含量占第一位C纯硅可以通过下列反应制得：SiO2+2C=Si+2CO D单晶硅是良好的半导体材料,D,2、下列物质中，不能与二氧化硅反应的是（）A、烧碱 B、氢氟酸 C、硝酸 D、生石灰,c,四、硅酸（H2SiO3),（1）制取：,Na2SiO3+2HCl=2NaCl+H2SiO3,白色胶状,强酸制弱酸,（2）性质：,白色粉末，难溶,弱酸性(酸性 H2SiO3 H2CO3)不能使指示剂变色,脱水形成硅胶,Na2SiO3+CO2+H2O=H2SiO3+Na2CO3,（用作干燥剂）,原理,思考：二氧化硅不溶于水，如何由二氧化硅制取硅酸？,H2SiO3+2NaOH=Na2SiO3+2H2O,五、硅酸盐（由硅、氧、金属元素组成的化合物的总称）,1、结构复杂、种类繁多，一般不溶于水，性质稳定。,3、硅酸钠（Na2SiO3）：白色固体，可溶于水，其水溶液（无色）俗称水玻璃、泡花碱，具有一定黏性,4、用途：用作肥皂填料、木材防火剂、黏胶剂等,2、用氧化物形式表示硅酸盐的方法：,表示成氧化物形式的顺序是：金属氧化物二氧化硅水,例如：高岭石Al2（Si2O5）（OH）4表示成氧化物的方法是：,与酸反应：Na2SiO3+CO2+H2O=H2SiO3+Na2CO3,所以，不能用磨口玻璃塞盛碱性溶液，如NaOH、KOH、Na2CO3、Na2SiO3等溶液。应用橡胶塞,SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O,4、无机非金属材料：,主要包括：玻璃、陶瓷、无机非金属涂层等。,特点：耐高温、硬度高、抗腐蚀；有的还有独特的光电特性,（1）传统无机非金属材料：以硅酸盐为主要成分，包括玻璃、水泥、陶瓷等。,（2）新型无机非金属材料：如高温结构陶瓷、生物陶瓷、压电陶瓷等。,（1）陶瓷(人类应用最早的硅酸盐材料）,硅酸盐的丰富性和多样性,人面鱼纹盆(陶瓷),砖瓦(陶瓷),（2）玻璃,1、原 料：纯碱、石灰石和石英,2、主要设备：玻璃熔炉,3、生产过程：原料粉碎，玻璃熔炉中强热，成型冷却,5、主要成分：Na2SiO3、CaSiO3、SiO2（Na2OCaO6SiO2）,4、原理：,玻璃:普通玻璃:Na2OCaO6SiO2,（3）水泥：,1、主要原料：粘土和石灰石,2、主要设备：水泥回转窑,3、生产过程：生料研磨，高温煅烧得熟料，再加石膏研成粉末得普通硅酸盐水泥,4、特性：水硬性,新型陶瓷人造骨,即耐高温又耐低温的硅橡胶制品,结构陶瓷：主要是指发挥其机械、热、化学等性能的一大类新型陶瓷材料，它可以在许多苛刻的工作环境下服役，因而成为许多新兴科学技术得以实现的关键。在空间技术领域，制造宇宙飞船需要能承受高温和温度急变、强度高、重量轻且长寿的结构材料和防护材料，在这方面，结构陶瓷占有绝对优势。从第一艘宇宙飞船即开始使用高温与低温的隔热瓦，碳-石英复合烧蚀材料已成功地应用于发射和回收人造地球卫星。压电陶瓷：你听说过会说话、会唱歌的陶瓷吗？会侦察、会指挥、能诊断、能生电的陶瓷吗？这就是压电陶瓷，属于现代功能陶瓷。神奇的压电陶瓷-海中“雷达”侦察兵：雷达是用无线电原理对空中目标搜索、定位、导向的通讯工具，而在水中不能发挥作用。用压电陶瓷制成的声纳系统可在水中起到同样的作用。,用高温结构陶瓷做的发动机叶片,透明陶瓷：陶瓷一般是不透光的，由于陶瓷的不透光，使陶瓷的用途受到很多的限制。科学家经过长时间悉心研究后，终于在1957年制成了世界上第一片透光陶瓷。透光陶瓷有着广泛的用途。当透光陶瓷问世后，使高压钠灯的研制成功。高压钠灯是一种发光效率很高的电光源，在同样功率下一盏高压钠灯能顶两盏高压汞灯，且光线柔和、银白，在高压钠灯下看物体不但清楚，且不刺眼。另外高压钠灯还具有特殊的本领，光线能透过浓雾不被散射，作为道路、汽车、广场的用灯特别合适。,高压钠灯,透明氧化铝陶瓷,超导陶瓷：1973年，人们发现了超导合金铌锗合金，其临界超导温度为23.2K，该记录保持了13年。1986年，设在瑞士苏黎士的美国IBM公司的研究中心报道了一种氧化物（镧钡铜氧）具有35K的高温超导性，打破了传统“氧化物陶瓷是绝缘体”的观念，引起世界科学界的轰动。此后，科学家们争分夺秒地攻关，几乎每隔几天，就有新的研究成果出现。1987年2月，美国华裔科学家朱经武和中国科学家赵忠贤相继在钇钡铜氧系材料上把临界超导温度提高到90K以上，液氮的禁区（77K）也奇迹般地被突破了。1987年底，铊钡钙铜氧系材料又把临界超导温度的记录提高到125K。从19861987年的短短一年多的时间里，临界超导温度竟然提高了100K以上，这在材料发展史，乃至科技发展史上都堪称是一大奇迹！,生物陶瓷：生物陶瓷指与生物体或生物化学有关的新型陶瓷。生物陶瓷可分为与生物体相关的植入陶瓷和与生物化学相关的生物工艺学陶瓷。前者植入体内以恢复和增强生物体的机能，是直接与生物体接触使用的生物陶瓷。后者用于固定酶、分离细菌和病毒以及作为生物化学反应的催化剂，是使用时不直接与生物体接触的生物陶瓷。,生 物 陶 瓷 应 用,1、在碳族元素中 最高价氧化物的水化物中酸性最强的是（）密度最大的金属是（）其稳定的价态是（）硬度最大的是（）,2、试写出三个能产生氢气的反应（不能用金属），并用双线桥分析。,3、石墨炸弹爆炸时，在方圆几百米范围内撒下大量石墨纤维，造成输电线、电厂设备损坏，这是由于石墨能（）,4、写出以SiO2为原料制取硅酸的离子反应方程式,5、试用一种试剂可以区分碳酸钠、碳酸氢钠、硝酸钠和硅酸钠四种溶液，写出有关的离子方程式。,6、设计一个实验用一种试剂证明生石灰中有石英和石灰石,7、2MgOSiO2中的酸根离子是（），滑石的化学式为Mg3(Si4O10)(OH)2，把它改写成氧化物的形式（）,8、用化学方程式解释：实验室中盛放碱液的试剂瓶为什么不用玻璃塞？实验室盛放氢氟酸的试剂瓶为什么不用玻璃瓶？,9、写一个高温下，C既做氧化剂又做还原剂的反应,