1、4.1 硅 无机非金属材料一、半导体材料:1、半导体材料是指导电能力介于导体和绝缘体之间的一类材料。2、最早使用的半导体材料是锗。3、目前使用最广泛的半导体材料是硅。二、硅:1、存在形式: 硅在地壳中的含量仅次于氧,排名第二位 硅在自然界中只仅以化合态存在,主要存在形式为二氧化硅和硅酸盐2、分类:单质硅分为晶体硅和无定形硅(即非晶体硅)两种3、物理性质:晶体硅是灰黑色、有金属光泽、硬而脆的固体4、化学性质:(1) 常温下:化学性质稳定,不活泼,除了跟氟气,氢氟酸,强碱反应外,基本不跟其它物质反应(比如氧气,强酸等)A、硅跟氟气:Si2F2SiF4 B、硅跟氢氟酸:Si4HFSiF42H2C、硅
2、跟强碱(以NaOH为例):Si2NaOHH2ONa2SiO32H2(2) 加热时:在加热条件下,硅可以和氧气、氯气等反应A、硅与氧气:SiO2SiO2B、硅与氯气:Si2Cl2SiCl45、硅的制备:(1) 粗硅的制取:常用焦炭在高温下还原二氧化硅,制得粗硅,方程式为: (2) 粗硅提纯:将粗硅在高温下和氯气生成四氯化硅(液态),四氯化硅经分馏提纯后,再用氢气还原,即可值得高纯度的硅,方程式为:Si(粗)2Cl2SiCl4 SiCl42H2Si(纯)4HCl6、硅的用途:太阳能电池、计算机芯片以及半导体材料等三、二氧化硅1、存在形式:二氧化硅广泛存在自然界中,是沙子、石英的主要成分,其中透明的
3、石英晶体俗称水晶。2、物理性质:熔点高,硬度大,不溶于水。3、结构:立体网状结构,SiO2属于原子晶体,直接由原子构成,不存在单个SiO2分子。4、化学性质:SiO2常温下化学性质很不活泼,不与水、酸反应(氢氟酸除外),能与强碱溶液、氢氟酸反应,高温条件下可以与碱性氧化物反应:(1) 酸性氧化物:可以和碱反应生成盐和水,可以和碱性氧化物反应 与强碱反应:SiO22NaOHNa2SiO3H2O(生成的硅酸钠具有粘性,所以不能用玻璃塞试剂瓶存放NaOH溶液和Na2SiO3溶液,避免Na2SiO3将瓶塞和试剂瓶粘住,打不开,应用橡皮塞)。 高温下与碱性氧化物反应:SiO2CaOCaSiO3(2) 弱
4、氧化性:比如粗硅的制取就是利用二氧化硅的弱氧化性。 方程式为:(3) 与氢氟酸反应:SiO24HFSiF4+2H2O(利用此反应,氢氟酸能雕刻玻璃;氢氟酸不能用玻璃试剂瓶存放,应用塑料瓶)。5、用途:光导纤维、压电材料等四、硅酸(H2SiO3):1、物理性质:不溶于水的白色胶状物,能形成硅胶,吸水能力强。2、化学性质:H2SiO3是一种弱酸,酸性比碳酸还要弱,其酸酐为SiO2,但SiO2不溶于水,故不能直接由SiO2溶于水制得,而用可溶性硅酸盐与酸反应制取:(强酸制弱酸原理)Na2SiO32HCl2NaClH2SiO3 Na2SiO3CO2H2OH2SiO3Na2CO3(此方程式证明酸性:H2
5、SiO3H2CO3)3、用途:硅胶作干燥剂、催化剂的载体。五、硅酸盐:1、简介: 硅酸盐是由硅、氧、金属元素组成的化合物的总称,是传统的无机非金属材料。最常见的可溶性硅酸盐是Na2SiO3,Na2SiO3的水溶液俗称水玻璃,又称泡花碱,是一种无色粘稠的液体,可以作黏胶剂和木材防火剂。硅酸钠水溶液久置在空气中容易变质:Na2SiO3CO2H2ONa2CO3H2SiO3(有白色沉淀生成)2、物理性质:硅酸盐,熔点高,大多数难溶于水,3、表示方法:(1) 化学式法:对于简单的硅酸盐,一般直接用化学式来表示,比如:硅酸钠,硅酸钙等。(2) 氧化物法:对于复杂的硅酸盐,一般用氧化物的形式来表示,但是并不
6、是说硅酸盐就是由各种氧化物组成,其表示方法为:A、先找出组成硅酸盐的组成元素,写成氧化物的形式,氧化物前面用系数来使原子个数前后守恒,其中系数只能是整数,各氧化物之间用隔开,比如:正长石:KAlSi3O8不能写成 K2OAl2O33SiO2,应写成K2OAl2O36SiO2 B、当氧化物的种类有很多种时,一般按照活泼金属氧化物较活泼金属氧化物二氧化硅水的顺序来写,其中金属氧化物的活泼性为氧化钾元氧化钠氧化钙氧化铝4、硅酸盐产品:玻璃、水泥、陶瓷(1) 玻璃:A、生产普通玻璃的主要原料:纯碱、石灰石、石英B、生产设备:玻璃熔炉C、形成玻璃的过程中的主要化学变化:Na2CO3+SiO2Na2SiO
7、3+CO2 CaCO3+SiO2CaSiO3+CO2D、普通玻璃的主要成分:硅酸钠、硅酸钙、石英E、种类:普通玻璃、铅玻璃、有色玻璃、钢化玻璃等。 其中铅玻璃因为折光率好,经常用作光学元件 有色玻璃:蓝色加入氧化钴,红色加入氧化亚铁 钢化玻璃:玻璃加热后,急剧冷却形成的 (2) 水泥 A、 生产水泥的主要原料:黏土、石灰石B、 普通水泥的主要成分:硅酸三钙(3 CaOSiO2)、硅酸二钙(2CaOSiO2)、铝酸三钙(3 CaOAl2O3)。 C、水泥的特点:具有水硬性 D、水泥的用途:用作钢筋混凝土(水泥、沙子、碎石的混合物叫做混凝土) (3) 陶瓷: A、陶瓷是最早使用的硅酸盐产品 B、制造陶瓷的主要原料:黏土C、陶瓷的优点:抗氧化、抗酸碱腐蚀、耐高温、绝缘、易成型等D、新型陶瓷材料: 高温结构陶瓷:主要包括氮化硅陶瓷、碳化硅陶瓷 生物陶瓷:氧化铝陶瓷等 压电陶瓷:能将极其微弱的机械振动转换成电信号5