硅无机非金属材料.pptx

1 1、了解硅的主要性质；、了解硅的主要性质；2 2、了解二氧化硅的主要性质。、了解二氧化硅的主要性质。第第1页页/共共66页页你知道硅谷吗？你知道硅谷吗？第第2页页/共共66页页你知道硅谷吗？你知道硅谷吗？高技术产业开发区高技术产业开发区,电子技术研究中心电子技术研究中心,计算机生产的重要基地计算机生产的重要基地,最早位于加利福尼亚最早位于加利福尼亚州圣弗朗西斯科南端州圣弗朗西斯科南端.第第3页页/共共66页页硅的氧化物及硅酸盐构成了地壳中大部分的岩石、沙子和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、约占地壳总量的土壤、约占地壳总量的90%以上。以上。第第4页页/共共66页页半导体材料半导体材料导电能力介于导体和绝缘体之间的一类材料。导电能力介于导体和绝缘体之间的一类材料。一、单质硅与半导体材料一、单质硅与半导体材料 最早使用的半导体材料最早使用的半导体材料 ，现在最广泛使用的半导，现在最广泛使用的半导体材料体材料 。锗锗硅硅第第5页页/共共66页页硅在自然界的存在形态：硅在自然界的存在形态：无游离态，只有化合态。无游离态，只有化合态。常见存在物质形式：常见存在物质形式：二氧化硅二氧化硅和和硅酸盐硅酸盐等。等。第第6页页/共共66页页氧氧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%镁镁2.00%氢氢0.16%其他其他1.20%硅元素硅元素(silicon)在地壳中的含量在地壳中的含量硅在地壳中的硅在地壳中的含量仅次于氧含量仅次于氧，储量丰富，现已，储量丰富，现已成为应用广泛的成为应用广泛的半导体材料半导体材料。第第7页页/共共66页页观察硅单质的实物图片观察硅单质的实物图片并阅读教材并阅读教材P108第一段，总结硅的物理性质第一段，总结硅的物理性质第第8页页/共共66页页硅有晶体硅和无定形硅两种。晶体硅是灰黑色、硅有晶体硅和无定形硅两种。晶体硅是灰黑色、有金属光泽、硬而脆的固体。有金属光泽、硬而脆的固体。晶体硅的结构类似于金刚石，熔点和沸点都很高，晶体硅的结构类似于金刚石，熔点和沸点都很高，硬度大。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,是重要的半导体材是重要的半导体材料。料。物物理理性性质质1 1、硅单质的物理性质、硅单质的物理性质第第9页页/共共66页页碳族元素在元素周期表中的位置碳族元素在元素周期表中的位置第第10页页/共共66页页Si最外层电子数是最外层电子数是4 4，碳也是。，碳也是。思考思考2 2：碳、硅原子主要显几价？碳、硅原子主要显几价？正四价（正四价（+4+4价）价）思考思考1 1：硅原子最外层电子数是多少？我们很熟悉的哪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它相同？种元素最外层电子数与它相同？+142 8 4第第11页页/共共66页页晶体硅的结构晶体硅的结构第第12页页/共共66页页（不易与（不易与H2、O2、Cl2、硫酸、硝酸、盐酸等物质反应）、硫酸、硝酸、盐酸等物质反应）加热，加热，Si能与某些非金属单质反应能与某些非金属单质反应（燃烧，放出大量的热）（燃烧，放出大量的热）Si+O2=SiO2 Si+2Cl2=SiCl42 2、硅单质的化学性质、硅单质的化学性质（1 1）常温下，）常温下，化学性质稳定化学性质稳定第第13页页/共共66页页（2 2）常温下）常温下只与强碱、氢氟酸、氟气反应只与强碱、氢氟酸、氟气反应Si+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H2Si+2F2=SiF4Si+4HF=SiF4+2H2 第第14页页/共共66页页制粗硅：制粗硅：硅铁硅铁硅锰合金硅锰合金硅钡合金硅钡合金（粗硅）（粗硅）粗硅提纯后可以得到高纯硅，作为半导体粗硅提纯后可以得到高纯硅，作为半导体材料。材料。SiO2 +2C =Si+2CO高温高温氧化剂：氧化剂：SiO2 得到电子发生还原反应得到电子发生还原反应还原剂：还原剂：C 失去电子发生氧化反应失去电子发生氧化反应3 3、硅的工业制法、硅的工业制法第第15页页/共共66页页 硅芯片、大规模集成电路及相应的计硅芯片、大规模集成电路及相应的计算机技术都需要有高纯度的硅才能实现，所以需要对粗算机技术都需要有高纯度的硅才能实现，所以需要对粗硅进行提纯：硅进行提纯：Si+2Cl2=SiCl4（粗硅）（粗硅）高温高温SiCl4+2H2=Si+4HCl （高纯硅）（高纯硅）提纯：提纯：第第16页页/共共66页页 碳（碳（C）硅（硅（Si）常温下很稳定，在高温或点燃的常温下很稳定，在高温或点燃的条件下有较强还原性。条件下有较强还原性。常温下很稳定，高温时也能发生反常温下很稳定，高温时也能发生反应。应。Si+O2=SiO2Si+2F2=SiF4Si+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H2Si+4HF=SiF4+2H2Si+2Cl2=SiCl44 4、硅与碳的化学性质比较、硅与碳的化学性质比较点燃点燃C+O2=CO22C+O2=2COC+CuO=Cu+COC+H2O=H2+CO点燃点燃高温高温C+CO2=2CO高温高温高温高温C+O2=CO2第第17页页/共共66页页5 5、硅的用途、硅的用途（1 1）硅硅芯片芯片；半导体材料半导体材料（2 2）制）制集成电路、晶体管集成电路、晶体管、硅整流器等半导体材料、硅整流器等半导体材料（3 3）含硅）含硅4%4%的钢可制的钢可制变压器铁芯变压器铁芯（4 4）含硅含硅15%15%的钢具有耐酸性，制的钢具有耐酸性，制耐酸设备耐酸设备第第18页页/共共66页页硅芯片的使用，使计算机的体积已缩小到笔记本一样大硅芯片的使用，使计算机的体积已缩小到笔记本一样大小了。小了。太阳能电池太阳能电池电脑的中央处理器（电脑的中央处理器（CPUCPU）第第19页页/共共66页页硅光电池硅光电池大规模集成电路大规模集成电路 硅的用途非常广泛，可用来制造集成电路、晶体管、硅的用途非常广泛，可用来制造集成电路、晶体管、硅整流器等半导体器件，还可以制太阳能电池，制铝合金、硅整流器等半导体器件，还可以制太阳能电池，制铝合金、铁合金等多种合金。铁合金等多种合金。第第20页页/共共66页页1 1、下列关于硅的叙述，不正确的是（、下列关于硅的叙述，不正确的是（）A A、硅是非金属元素，但其单质是灰黑色有金属光泽的固、硅是非金属元素，但其单质是灰黑色有金属光泽的固体体B B、硅的导电性介于导体和绝缘体之间，是良好的半导体、硅的导电性介于导体和绝缘体之间，是良好的半导体材料材料C C、硅的化学性质不活泼，常温下不与任何物质反应、硅的化学性质不活泼，常温下不与任何物质反应D D、当加热到一定温度时，硅能与氧气、氢气等非金属单、当加热到一定温度时，硅能与氧气、氢气等非金属单质反应质反应C C第第21页页/共共66页页2 2、下列关于、下列关于Si的化学性质中正确的是（的化学性质中正确的是（）A A、常温下能与任何酸反应、常温下能与任何酸反应B B、常温下可与强碱溶液反应、常温下可与强碱溶液反应C C、常温下可与氧气反应、常温下可与氧气反应D D、常温下不与任何酸反应、常温下不与任何酸反应B B第第22页页/共共66页页二氧化硅二氧化硅(SiO2)二氧化硅广泛存二氧化硅广泛存在于自然界中，与其在于自然界中，与其他矿物共同构成了岩他矿物共同构成了岩石。是一种坚硬难熔石。是一种坚硬难熔的固体。的固体。硅石硅矿山第第23页页/共共66页页1 1、二氧化硅的存在、二氧化硅的存在硅石硅石(天然天然)结晶形（水晶、玛瑙结晶形（水晶、玛瑙 、沙子）、沙子）无定形（硅藻土）无定形（硅藻土）晶体二氧化硅晶体二氧化硅第第24页页/共共66页页无无定定形形二二氧氧化化硅硅自然界存在的硅藻土是无定形二氧化硅，是低等水生植自然界存在的硅藻土是无定形二氧化硅，是低等水生植物硅藻的遗体，为白色固体或粉末状，多孔、质轻、松物硅藻的遗体，为白色固体或粉末状，多孔、质轻、松软的固体，吸附性强。软的固体，吸附性强。第第25页页/共共66页页SiO2 2、二氧化硅的结构、二氧化硅的结构SiO2属于原子晶体属于原子晶体SiO2是正四面体的空间网状结构，因此性质很稳定是正四面体的空间网状结构，因此性质很稳定 第第26页页/共共66页页3 3、二氧化硅的用途、二氧化硅的用途由于由于SiO2具有优良的物理化学性能，加上具有优良的物理化学性能，加上SiO2在自然在自然界的广泛存在，因此从古到今都被人类广泛地应用。界的广泛存在，因此从古到今都被人类广泛地应用。第第27页页/共共66页页二氧化硅用来制光导纤维二氧化硅用来制光导纤维 光导纤维就是比头发丝还细的、能传导光信号的玻璃丝。制造光光导纤维就是比头发丝还细的、能传导光信号的玻璃丝。制造光导纤维的材料就是二氧化硅。光导纤维主要用于通讯、传感、测量等，导纤维的材料就是二氧化硅。光导纤维主要用于通讯、传感、测量等，光纤通讯的优点就是通信容量大，一对光纤上可同时传送光纤通讯的优点就是通信容量大，一对光纤上可同时传送3 3万门电话。万门电话。第第28页页/共共66页页光学纤维胃镜光学纤维胃镜用光导纤维做手术用光导纤维做手术第第29页页/共共66页页实验室使用的石英坩埚实验室使用的石英坩埚第第30页页/共共66页页第第31页页/共共66页页总结：总结：用途用途:制造电子元器件、光学仪器制造电子元器件、光学仪器 精密仪器轴承、光导纤维、医疗器精密仪器轴承、光导纤维、医疗器械械、石英钟、工艺品、玻璃等。、石英钟、工艺品、玻璃等。第第32页页/共共66页页根据根据SiO2用途和结构思考用途和结构思考:二氧化硅具有哪些物理性质二氧化硅具有哪些物理性质?化学稳定性如何化学稳定性如何?第第33页页/共共66页页无色，沸点高、硬度大、不溶于水、不导电的晶体无色，沸点高、硬度大、不溶于水、不导电的晶体4 4、二氧化硅的物理性质、二氧化硅的物理性质（2 2）SiO2不溶于水不溶于水而且不与水反应而且不与水反应 SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2OSiO2+CaO=CaSiO3 高温高温（1 1）是酸性氧化物）是酸性氧化物SiO2+2OH=SiO3 2-+H2O5 5、二氧化硅的化学性质、二氧化硅的化学性质第第34页页/共共66页页（3 3）在高温下与碳酸盐的反应）在高温下与碳酸盐的反应SiO2+Na2CO3=CO2 +Na2SiO3高温高温SiO2+CaCO3=CO2 +CaSiO3高温高温（4 4）特性特性：能与氢氟酸反应：能与氢氟酸反应SiO2+4HF=SiF4 +2H2O（5 5）弱的氧化性）弱的氧化性SiO2+2C=Si+2CO高温高温工业上用此反应制备粗硅，这就是工业上用此反应制备粗硅，这就是“从沙滩到用户从沙滩到用户”！第第35页页/共共66页页二氧化碳二氧化碳CO2二氧化硅二氧化硅SiO2物质分类物质分类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与HF反应反应均属于酸性氧化物均属于酸性氧化物CO2 CaO=CaCO3CaOSiO2=CaSiO3高温高温CO2 2NaOH=Na2CO3+H2O SiO2 2NaOH=Na2SiO3+H2OCO2 H2O H2CO3不反应不反应不反应不反应SiO2+4HF=SiF4+2H2O二氧化硅与二氧化碳的比较二氧化硅与二氧化碳的比较第第36页页/共共66页页1 1、下列各组物质有关性质关系的比较，正确的是（下列各组物质有关性质关系的比较，正确的是（）A A、溶解性：溶解性：CO2 H2CO3C C、熔点：熔点：SiO2 CO2（干冰）（干冰）D D、硬度：硬度：SiO2 CO22 2、下列物质中下列物质中,不能用玻璃瓶来盛装的是（不能用玻璃瓶来盛装的是（）A A、烧碱溶液烧碱溶液 B B、浓硫酸浓硫酸 C C、氢氟酸氢氟酸 D D、碳酸钠溶液碳酸钠溶液 C CC C第第37页页/共共66页页3 3、要除去要除去SiO2中的中的CaO杂质，最适宜的试剂是（杂质，最适宜的试剂是（）A A、纯碱溶液、纯碱溶液 B B、盐酸、盐酸 C C、硫酸、硫酸 D D、苛性钠溶液、苛性钠溶液B B第第38页页/共共66页页硅酸盐与无机非金属材料硅酸盐与无机非金属材料第第39页页/共共66页页硅酸盐是结构复杂的固态化合物，硅酸盐是结构复杂的固态化合物，除除硅酸钾、硅酸钠、硅酸钾、硅酸钠、硅酸铵硅酸铵以外均难溶于水以外均难溶于水1.1.含义：含义：硅酸盐是由硅、氧和金属元素组成的化合物的总称硅酸盐是由硅、氧和金属元素组成的化合物的总称 一、硅酸盐一、硅酸盐2.2.硅酸盐的表示方法：硅酸盐的表示方法：（1 1）化学式法：）化学式法：（2 2）氧化物法：）氧化物法：硅酸钠：硅酸钠：Na2SiO3硅酸钙：硅酸钙：CaSiO3硅酸钠：硅酸钠：Na2O SiO2硅酸钙：硅酸钙：CaO SiO2第第40页页/共共66页页高岭石：高岭石：Al2O3 2SiO2 2H2O石棉：石棉：CaO 3MgO 4SiO2 沸石：沸石：Na2 O Al2O3 3SiO2 2H2O云母：云母：K2O 3Al2O3 6SiO2 2H2O长石：长石：K2O 3CaO 6SiO2 粘土：粘土：Al2O3 2SiO2 2H2O第第41页页/共共66页页（1）物理性质）物理性质Na2SiO3是白色固体，俗称是白色固体，俗称“泡花碱泡花碱”，易溶于水，其水，易溶于水，其水溶液俗称溶液俗称“水玻璃水玻璃”，是一种无色粘稠状液体，是一种，是一种无色粘稠状液体，是一种矿物胶，可做粘合剂。矿物胶，可做粘合剂。3.3.硅酸钠（硅酸钠（Na2SiO3）第第42页页/共共66页页（2）化学性质）化学性质 与比硅酸酸性强的酸反应，制备硅酸与比硅酸酸性强的酸反应，制备硅酸 2HCl+Na2SiO3=H2SiO3+2NaCl（硅酸的制备方法）（硅酸的制备方法）硅酸钠不能燃烧且不易受腐蚀，热稳定性好硅酸钠不能燃烧且不易受腐蚀，热稳定性好（3）用途）用途 可用于建筑、纸张的粘合剂，木材、织物的防腐剂、防火剂等。可用于建筑、纸张的粘合剂，木材、织物的防腐剂、防火剂等。第第43页页/共共66页页硅酸的性质硅酸的性质 物理物理性质性质:白色白色,胶状胶状,不溶于水的弱酸不溶于水的弱酸 化学化学性质性质:弱酸性，弱酸性，酸性比碳酸弱，能与强碱酸性比碳酸弱，能与强碱反应反应 H2SiO3+2NaOH=2 H2O+Na2SiO3 不稳定性不稳定性 H2SiO3=H2O+SiO2（3）用途：可作干燥剂和催化剂的载体）用途：可作干燥剂和催化剂的载体第第44页页/共共66页页t t二、传统无机非金属材料（硅酸盐产品）二、传统无机非金属材料（硅酸盐产品）第第45页页/共共66页页1 1、玻璃：、玻璃：(2)(2)生产过程：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 高温高温 玻璃的生产原料：玻璃的生产原料：(3)(3)普通玻璃的成分：普通玻璃的成分：Na2SiO3、CaSiO3和和SiO2组成的混合物。组成的混合物。或或Na2OCaO6SiO2；玻璃无固定的熔沸点，在一定温度范围内软化。玻璃无固定的熔沸点，在一定温度范围内软化。(4)(4)玻璃的性能：玻璃的性能：第第46页页/共共66页页玻璃的种类：玻璃的种类：a.铅玻璃（用于制光学仪器）铅玻璃（用于制光学仪器）防辐射铅防辐射铅玻璃玻璃重铅玻璃重铅玻璃人造水晶人造水晶第第47页页/共共66页页b.有色玻璃有色玻璃 【蓝色钴玻璃（蓝色钴玻璃（CoO3)、红色玻璃（、红色玻璃（Cu2O）】第第48页页/共共66页页c.钢化玻璃（用于汽车、火车窗）钢化玻璃（用于汽车、火车窗）第第49页页/共共66页页 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，万丈高楼平地起，穿针引线是水泥。穿针引线是水泥。2、水泥、水泥第第50页页/共共66页页 硅酸三钙（硅酸三钙（3CaO SiO2）、）、硅酸二钙（硅酸二钙（2CaO SiO2）、）、铝酸三钙（铝酸三钙（3CaO Al2O3）水泥是最重要的建筑材料，普通水泥主要成分是：水泥是最重要的建筑材料，普通水泥主要成分是：水泥的特点是水泥具有水泥的特点是水泥具有 ，与水掺和搅拌并与水掺和搅拌并静置后，很容易凝固变硬静置后，很容易凝固变硬。混凝土是混凝土是 、和和 的混合物的混合物，混凝土常用钢筋做混凝土常用钢筋做结构，就是通常说的钢筋混凝土。结构，就是通常说的钢筋混凝土。水硬性水硬性水泥水泥 砂子砂子碎石碎石现在，还发明了各种新式水泥，如矾土水泥、膨胀水泥现在，还发明了各种新式水泥，如矾土水泥、膨胀水泥和混凝土水泥等。和混凝土水泥等。第第51页页/共共66页页3 3、陶瓷：、陶瓷：陶陶瓷瓷具具有有抗抗氧氧化化、抗抗酸酸碱碱腐腐蚀蚀、耐耐高高温温、绝绝缘缘、易易成型等许多优点，因此，陶瓷制品一直为人们所喜爱。成型等许多优点，因此，陶瓷制品一直为人们所喜爱。家用陶瓷家用陶瓷江苏宜兴，江苏宜兴，有陶都之称。有陶都之称。第第52页页/共共66页页隋代烧制的三彩隋代烧制的三彩陶骆驼陶骆驼第第53页页/共共66页页瓷器是中华文明的象征。瓷器是中华文明的象征。在在许许多多拉拉丁丁语语系系国国家家中中，“瓷瓷器器”和和“中中国国”都都以以“CHINA”用同一字母拼音表示。用同一字母拼音表示。江西景德镇所烧制的薄胎瓷器被誉为：江西景德镇所烧制的薄胎瓷器被誉为：“洁如玉、明如洁如玉、明如镜、薄如纸、声如罄。镜、薄如纸、声如罄。”我国我国江西景德镇江西景德镇素有素有“瓷都瓷都”之称之称第第54页页/共共66页页江西景德镇所烧制的瓷器江西景德镇所烧制的瓷器第第55页页/共共66页页第第56页页/共共66页页1 1、新型无机非金属材料的特征：、新型无机非金属材料的特征：（1）耐高温、强度高；）耐高温、强度高；（2 2）具有电学性质；）具有电学性质；（3 3）具有光学性质；）具有光学性质；（4 4）具有生物功能；）具有生物功能；三、新型无机非金属材料：三、新型无机非金属材料：第第57页页/共共66页页2、目前几种新型陶瓷材料主要有：、目前几种新型陶瓷材料主要有：高温结构陶瓷高温结构陶瓷，如氮化硅（，如氮化硅（Si3N4)陶瓷，碳化硅陶瓷，碳化硅（SiC)陶瓷等。陶瓷等。发动机中的氮化硅陶瓷部件发动机中的氮化硅陶瓷部件氮化硅陶瓷（Si3N4）是灰白色固体，硬度为9，是最硬的材料之一。它的导热性好且膨胀系数小，可经受低温高温、骤冷骤热反复上千次的变化而不破坏，因此是十分理想的高温结构材料。第第58页页/共共66页页碳化硅制成的涡轮叶片碳化硅SiC,俗称金刚砂。熔点高(2450),硬度大(9.2),是重要的工业磨料。如其中掺入某些杂质,会使之出现半导体,作为高温半导体,用于电热元件。作为高温结构陶瓷,日益受到人们的重视。它最适宜的应用领域是高温、耐磨和耐蚀的环境,现已用作火箭喷嘴,热电偶保护管,热交换器和耐磨、耐蚀的零件。第第59页页/共共66页页 科技人员发现，如果用耐高温的陶瓷，如氮化硅陶瓷等代替合金钢制造陶瓷发动机，其工作温度可达13001500。步兵战车用绝热陶瓷发动机可使其不易被红外探测器发现并被红外制导武器所摧毁，提高了生存率第第60页页/共共66页页生物陶瓷生物陶瓷：氧化铝（：氧化铝（Al2O3）陶瓷，氧化锆）陶瓷，氧化锆 （ZrO2）)陶瓷陶瓷氧化铝陶瓷（人造刚玉Al2O3）熔点高，可作高级耐火材料；硬度高，可作研磨材料。经特殊烧结，可制成微晶氧化铝，透光性很强，用作高压钠灯灯管等高温透明部件。第第61页页/共共66页页用于软用于软骨组织骨组织修复的修复的多孔生多孔生物陶瓷物陶瓷第第62页页/共共66页页压电陶瓷：压电陶瓷：以钛酸钡（以钛酸钡（BaTiO3)和钛酸铅（和钛酸铅（PbTiO4)等为主要成分。等为主要成分。压电陶瓷变压器压电陶瓷变压器第第63页页/共共66页页1.1.下列物质中属于纯净物的是下列物质中属于纯净物的是()()A A、Na2CO310H2O B B、水泥、水泥C C、纯净的盐酸、纯净的盐酸 D D、普通玻璃、普通玻璃A A第第64页页/共共66页页2 2、下列叙述正确的是、下列叙述正确的是()()A A、酸均不能与酸性氧化物反应、酸均不能与酸性氧化物反应B B、玻璃、陶瓷、水泥容器都不能贮存氢氟酸、玻璃、陶瓷、水泥容器都不能贮存氢氟酸C C、石灰抹墙、水泥砌墙过程的硬化原理相同、石灰抹墙、水泥砌墙过程的硬化原理相同D D、石灰窑、玻璃熔炉出来的气体主要成分相同、石灰窑、玻璃熔炉出来的气体主要成分相同3 3、下列物质有固定熔点的是（）、下列物质有固定熔点的是（）A A、水泥、水泥 B B、玻璃、玻璃 C C、Na2OSiO2 D D、水玻璃、水玻璃BDBDC C第第65页页/共共66页页普通玻璃的生产过程普通玻璃的生产过程液态玻璃液态玻璃第第66页页/共共66页页