化学高一年级硅无机非金属材料赵少磊.pptx

硅谷硅谷 silicon valleysilicon valley“斯坦福科研工业区斯坦福科研工业区”是美国电子和计算机工业是美国电子和计算机工业中中心，位于美国西海岸加利福尼亚州北部旧金山南郊，圣心，位于美国西海岸加利福尼亚州北部旧金山南郊，圣克拉拉县和圣胡安两城之间的一条长克拉拉县和圣胡安两城之间的一条长4848公里，宽公里，宽1616公里公里的长条形地带上。由于它集中了全世界的长条形地带上。由于它集中了全世界9090以上的著名以上的著名半导体公司，半导体公司，而半导体的基本元件是硅片而半导体的基本元件是硅片。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%一、单质硅与半导体材料一、单质硅与半导体材料1.硅元素在自然界中全部以硅元素在自然界中全部以 态存态存 在，硅元素在地壳中的含量居第在，硅元素在地壳中的含量居第 位位仅次于仅次于 。2.最早使用的半导体材料最早使用的半导体材料 ，现在，现在 最广泛使用的半导体材料最广泛使用的半导体材料 。化合化合锗锗硅硅二二氧氧硅单质的性质硅单质的性质硅有晶体硅和无定形硅两种。晶硅有晶体硅和无定形硅两种。晶体硅是灰黑色、有金属光泽、硬体硅是灰黑色、有金属光泽、硬而脆的固体。而脆的固体。晶体硅的结构类似于金刚石，熔点晶体硅的结构类似于金刚石，熔点和沸点都很高，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。物物理理性性质质半导体材料半导体材料由下列结构示意图你能得到什么结论？由下列结构示意图你能得到什么结论？2 2、硅与碳结构相似，因而性质相似、硅与碳结构相似，因而性质相似2 8 4 2 4+14+6Si C1 1、硅与碳的原子结构相似，最外层均有、硅与碳的原子结构相似，最外层均有4 4个电子个电子3 3、硅硅与与碳碳既不易失去电子，也不易得到电子，既不易失去电子，也不易得到电子，主要形成四价化合物主要形成四价化合物碳是构成有机碳是构成有机物的主要元素物的主要元素硅是构成岩石和许硅是构成岩石和许多矿物的主要元素多矿物的主要元素分组讨论：分组讨论：硅属于哪类物质？这类物质都具有那些化学性质？请大胆猜想硅可能具有那些化学性质？（1）常温下，化学性质稳定）常温下，化学性质稳定 例如，常温下，不易与例如，常温下，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（2）常温下只与碱、氢氟酸、氟气）常温下只与碱、氢氟酸、氟气 反应反应4.硅的化学性质硅的化学性质 Si+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H2 Si+4HF=SiF4+2H2 Si+2F2=SiF4（3）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=SiCl4高温高温（4）加热，）加热，Si能与某些金属单质反应能与某些金属单质反应5.硅的制备硅的制备SiO2+2 C=Si+2CO （粗硅）（粗硅）高温高温提提 纯：纯：Si+2Cl2=SiCl4高温高温SiCl4+2H2=Si+4HCl高温高温（高纯硅）（高纯硅）SiO2+3 C=SiC+2CO （金刚砂）（金刚砂）高温高温5、硅的用途、硅的用途制制集成电路、晶体管、硅整流器集成电路、晶体管、硅整流器等等 半导体材料半导体材料含硅含硅4%的钢可制的钢可制变压器铁芯变压器铁芯含硅含硅15%的钢具有耐酸性，制的钢具有耐酸性，制耐酸设耐酸设 备备硅芯片；硅芯片；半导体材料半导体材料二、二氧化硅与光导纤维二、二氧化硅与光导纤维1.自然界中存在自然界中存在石英岩石英岩水晶水晶玛瑙玛瑙沙子沙子（一）、二氧化硅（一）、二氧化硅(SiO(SiO2 2)石英晶体是结晶的石英晶体是结晶的SiOSiO2 2，无色透明的无色透明的叫做水晶叫做水晶，具有彩色环带状或层状的具有彩色环带状或层状的叫玛瑙叫玛瑙二氧化硅二氧化硅(天然硅石天然硅石)结晶形结晶形无定形无定形玛瑙玛瑙水晶水晶玛瑙玛瑙水晶水晶3.SiO2的结构的结构空间网状结构空间网状结构性质很稳定性质很稳定 物理性质物理性质:_化学稳定性化学稳定性:_硬度大、熔点高、难溶于水硬度大、熔点高、难溶于水很稳定很稳定 根据根据SiO2的存在和应用，请你分析以的存在和应用，请你分析以下问题：下问题：SiO2具有哪些物理性质？化学具有哪些物理性质？化学稳定性如何？你的根据是什么？稳定性如何？你的根据是什么？SiO2这这些性质是由什么决定的？些性质是由什么决定的？分组讨论：（1）二氧化硅属于哪类物质？（2）这类物质都有那些化学性质？（3）二氧化硅可以和那些物质反 应？讨论：已知二氧化硅是一种酸性氧讨论：已知二氧化硅是一种酸性氧化物，其中硅的化合价为化物，其中硅的化合价为4 4价，请你预价，请你预测二氧化硅的化学性质。测二氧化硅的化学性质。(1)(1)属类：属类：(2)(2)价态：价态：(3)(3)特性特性 SiO2为酸性氧化物为酸性氧化物SiO2中中Si显显+4价为最高价价为最高价3.SiO2的化学性质的化学性质SiO2CO2水水CO2+H2O=H2CO3碱碱CO2+2NaOH=Na2CO3+H2O碱性碱性氧化物氧化物CO2+CaO=CaCO3酸性氧化物酸性氧化物高温高温不反应不反应SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2OSiO2+CaO=CaSiO33.二氧化硅的化学性质二氧化硅的化学性质（1）酸性氧化物的通性）酸性氧化物的通性 与与强碱强碱反应反应SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O结论结论：盛放碱液的试剂瓶不能用玻璃塞，盛放碱液的试剂瓶不能用玻璃塞，可用橡胶塞。可用橡胶塞。与某些与某些盐盐反应反应CaCO3+SiO2=CaSiO3+CO2高温高温Na2CO3+SiO2=Na2SiO3+CO2高温高温与与碱性氧化物碱性氧化物反应反应SiO2+CaO=CaSiO3高温高温二氧化硅的注意点：二氧化硅的注意点：不不与与水水反应反应（如何制取硅酸？）（如何制取硅酸？）SiO2+H2OH2SiO3特性：特性：与与氢氟酸氢氟酸反应反应SiO2+4HF=SiF4+2H2O用途用途：刻蚀玻璃花纹刻蚀玻璃花纹结论：结论：氢氟酸不能用玻璃瓶盛装，氢氟酸不能用玻璃瓶盛装，而盛在塑料瓶。而盛在塑料瓶。答：答：玻璃中的玻璃中的SiOSiO2 2 与与NaOH NaOH 反应反应生成有粘胶性的硅酸钠生成有粘胶性的硅酸钠学以致用学以致用 答：答：HFHF能腐蚀玻璃，因此，盛装氢氟酸不能腐蚀玻璃，因此，盛装氢氟酸不能用玻璃试剂瓶而要用塑料瓶。能用玻璃试剂瓶而要用塑料瓶。（3 3）某同学根据）某同学根据SiOSiO2 2既可与碱反应既可与碱反应,也能与也能与氢氟氢氟酸反应酸反应,推断推断SiOSiO2 2为两性氧化物。是否正确为两性氧化物。是否正确?（1 1）为什么在实验室中盛放为什么在实验室中盛放NaOHNaOH 溶液的试剂瓶用橡皮塞而不用玻璃塞？溶液的试剂瓶用橡皮塞而不用玻璃塞？（2 2）实验室为什么不用玻璃瓶盛装氢氟酸？实验室为什么不用玻璃瓶盛装氢氟酸？错误。两性氧化物与酸、碱反应生成盐和水错误。两性氧化物与酸、碱反应生成盐和水2、用途：制光导纤维、电子工业重要部件、光、用途：制光导纤维、电子工业重要部件、光学仪器、耐高温化学仪器、利用石英晶体制造学仪器、耐高温化学仪器、利用石英晶体制造石英电子表、石英钟等。石英电子表、石英钟等。现象现象结论结论反应式反应式 滴入酚酞溶液显红色，再滴入盐酸红色滴入酚酞溶液显红色，再滴入盐酸红色滴入酚酞溶液显红色，再滴入盐酸红色滴入酚酞溶液显红色，再滴入盐酸红色消失，并有透明胶状物质生成消失，并有透明胶状物质生成消失，并有透明胶状物质生成消失，并有透明胶状物质生成NaNaNaNa2 2 2 2SiOSiOSiOSiO3 3 3 3溶液呈碱性，与酸反应生成了溶液呈碱性，与酸反应生成了溶液呈碱性，与酸反应生成了溶液呈碱性，与酸反应生成了HHHH2 2 2 2SiOSiOSiOSiO3 3 3 3NaNa2 2SiOSiO3 3+2HCl=H+2HCl=H2 2SiOSiO3 3+2NaCl+2NaCl（二）、硅酸（二）、硅酸(H H2 2SiOSiO3 3)实验实验4-1：试管中加入试管中加入2 2L NaL Na2 2SiOSiO3 3饱和溶液，滴入饱和溶液，滴入1 1滴酚酞试液，再用胶头滴管逐滴滴入稀盐酸，边滴边振荡，滴酚酞试液，再用胶头滴管逐滴滴入稀盐酸，边滴边振荡，至红色变浅并接近消失停止，观察现象。并填写下表：至红色变浅并接近消失停止，观察现象。并填写下表：NaNa2 2SiOSiO3 3+2HCl=H+2HCl=H2 2SiOSiO3 3+2NaCl+2NaCl1 1、制备、制备2、物理性质、物理性质:白色，胶状，不溶于水的物质白色，胶状，不溶于水的物质4、用途、用途:可作干燥剂和催化剂的载体可作干燥剂和催化剂的载体3、化学性质、化学性质酸性比碳酸弱酸性比碳酸弱（2)2)不稳定性：不稳定性：不稳定性：不稳定性：H2SiO3 =SiO2 +2H2O强酸制弱酸原理（酸性强酸制弱酸原理（酸性HClHHClH2 2COCO3 3）（1)与强碱溶液反应：与强碱溶液反应：H2SiO3 +2NaOH=Na2SiO3+2H2O 硅酸的酸性比盐酸弱，那么硅酸酸性与碳酸相硅酸的酸性比盐酸弱，那么硅酸酸性与碳酸相比较如何呢？请你设计一个实验论证你的推断。比较如何呢？请你设计一个实验论证你的推断。实验探究实验探究实验：实验：将将COCO2 2通入通入NaNa2 2SiOSiO3 3溶液中溶液中现象：现象：透明的硅酸凝胶生成透明的硅酸凝胶生成方程式：方程式：Na2SiO3+H2O+CO2=H2SiO3 +Na2CO3 结论：结论：硅酸是一种很弱的酸，酸性比碳酸还弱硅酸是一种很弱的酸，酸性比碳酸还弱4.二氧化硅的用途二氧化硅的用途注意：注意：硅和二氧化硅的用途易混淆硅和二氧化硅的用途易混淆制造制造光导纤维光导纤维 和石英表中的和石英表中的压电材料压电材料水晶：制造水晶：制造电子部件电子部件和和光学仪器光学仪器二、硅酸盐二、硅酸盐硅酸盐硅酸盐是由硅、氧和金属组成的化合物的是由硅、氧和金属组成的化合物的总称。总称。结构复杂结构复杂一般不溶于水一般不溶于水化学性质很稳定化学性质很稳定硅酸钠硅酸钠（Na2SiO3),其水溶液俗称其水溶液俗称水玻璃水玻璃硅酸盐表示方法：硅酸盐表示方法：硅酸盐的种类很多，结构复杂，为了方便记忆硅酸盐的种类很多，结构复杂，为了方便记忆和计算，常用氧化物的形式表示硅酸盐的组成和计算，常用氧化物的形式表示硅酸盐的组成原则：金属氧化物（较活泼原则：金属氧化物（较活泼 较不活较不活 泼泼）非金属氧化物非金属氧化物方法：方法：1 1、找组成元素、找组成元素 2 2、写成氧化物的形式、写成氧化物的形式 3 3、原子个数比不变、原子个数比不变 4 4、检查有无遗漏、检查有无遗漏请用氧化物的形式表示下列硅酸盐的组成：请用氧化物的形式表示下列硅酸盐的组成：硅酸钠（硅酸钠（Na2SiO3）镁橄榄石（镁橄榄石（Mg2SiO4）高岭土高岭土 Al2(Si2O5)(OH)4 实验4-2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当水分蒸发后当水分蒸发后燃烧燃烧当水分蒸发后不易当水分蒸发后不易燃烧燃烧用水玻璃浸泡过的木材或织物可防火用水玻璃浸泡过的木材或织物可防火制备木材防火剂制备木材防火剂的原料的原料硅酸盐的丰富性和多样性陶瓷陶瓷日用器皿、建筑饰材、卫生洁具日用器皿、建筑饰材、卫生洁具玻璃玻璃普通玻璃普通玻璃:Na2OCaO6SiO21、主要原料主要原料：纯碱、石灰石和石英。：纯碱、石灰石和石英。3、反应原理反应原理：复杂的物理、化学变化：复杂的物理、化学变化2、生产过程生产过程：（玻璃熔炉）（玻璃熔炉）Na2CO3+SiO2=Na2SiO3+CO2 CaCO3+SiO2=CaSiO3+CO2高温高温4、玻璃的主要成分：、玻璃的主要成分：Na2SiO3、CaSiO3 、SiO2 5、玻璃态物质、玻璃态物质玻璃玻璃 没有固没有固定的熔点。定的熔点。没有一定的没有一定的熔点而在某一温熔点而在某一温度范围内逐渐软度范围内逐渐软化的物质。（介化的物质。（介于晶体与非晶体于晶体与非晶体之间。）之间。）实例实例特性特性定义定义玻玻璃璃态态物物质质几几种种常常见见玻玻璃璃简简介介普通玻璃普通玻璃因混有铁的化合物显浅绿色因混有铁的化合物显浅绿色蓝玻璃蓝玻璃红玻璃红玻璃铅玻璃铅玻璃光学仪器玻璃光学仪器玻璃钢化玻璃钢化玻璃光纤玻璃光纤玻璃光导纤维：光导纤维：1964年年8月华裔科学家月华裔科学家高锟首先提出用玻璃纤维代替金属高锟首先提出用玻璃纤维代替金属导线，被誉为导线，被誉为“纤维光学之父纤维光学之父”。比头发丝还细的一对光导纤维上同比头发丝还细的一对光导纤维上同时传送时传送3万门电话且中继距离长达万门电话且中继距离长达2050Km，保密性能好。，保密性能好。在原料里加入某些金属氧化物均匀地在原料里加入某些金属氧化物均匀地分散到玻璃态物质里，使玻璃呈现出特征分散到玻璃态物质里，使玻璃呈现出特征颜色。颜色。把普通玻璃放在电炉里把普通玻璃放在电炉里加热，使它软化，然后急速冷加热，使它软化，然后急速冷却，得到钢化玻璃。其机械强却，得到钢化玻璃。其机械强度比普通玻璃大度比普通玻璃大46倍，不倍，不易破碎。易破碎。6、几种常见的玻璃、几种常见的玻璃水泥水泥以黏土和石灰石为主要原料以黏土和石灰石为主要原料具有特殊功能的含硅物质具有特殊功能的含硅物质碳化硅（金刚砂）碳化硅（金刚砂）硅钢硅钢 导磁性良好，用作变压器铁芯导磁性良好，用作变压器铁芯硅橡胶硅橡胶分子筛分子筛具有均匀微孔结构的铝硅酸盐具有均匀微孔结构的铝硅酸盐新型陶瓷新型陶瓷生物陶瓷生物陶瓷人造骨人造骨三、硅酸盐与无机非金属材料三、硅酸盐与无机非金属材料玻璃玻璃水泥水泥陶瓷陶瓷原料原料反应反应原理原理主要主要成分成分特性特性CaCO3+SiO2=CaSiO3+CO2高温高温Na2CO3+SiO2=Na2SiO3+CO2 高温高温纯碱、石灰石、石英纯碱、石灰石、石英粘土、粘土、石灰石石灰石粘土粘土高温下发生复杂高温下发生复杂的物理、化学变的物理、化学变化化烧结时发生复杂烧结时发生复杂物理、化学变化物理、化学变化 SiO2CaSiO3Na2SiO32CaOSiO2 3CaOSiO2 3CaOAl2O3硅酸盐硅酸盐非晶体非晶体，透明、无固定熔，透明、无固定熔点，可在一定温度范围内点，可在一定温度范围内软化软化水硬性水硬性：无论在水：无论在水中还是在空气中均中还是在空气中均能硬化（是不可逆能硬化（是不可逆过程）过程）抗氧化、抗酸碱腐抗氧化、抗酸碱腐蚀、耐高温、绝缘蚀、耐高温、绝缘本节内容小结本节内容小结：1.硅硅硅的存在硅的存在硅的化学性质硅的化学性质硅的用途硅的用途2.SiO2二氧化硅的化学性质二氧化硅的化学性质二氧化硅的用途二氧化硅的用途3.硅酸盐及无机硅酸盐材料硅酸盐及无机硅酸盐材料练习：练习：完成下列反应方程式完成下列反应方程式1、硅与氧气、硅与氧气2、高纯硅的制取、高纯硅的制取3、二氧化硅与氢氧化钠的反应、二氧化硅与氢氧化钠的反应4、二氧化硅与氢氟酸的反应、二氧化硅与氢氟酸的反应5、制取玻璃时的反应、制取玻璃时的反应随堂训练：随堂训练：1.下列说法正确的是：下列说法正确的是：A.晶体硅和无定形硅是两种不同的物质晶体硅和无定形硅是两种不同的物质B.二氧化硅可用做半导体材料二氧化硅可用做半导体材料C.硅可与氧气反应，单质硅不能在空气硅可与氧气反应，单质硅不能在空气 中稳定存在中稳定存在D.在在SiO2+2 C=Si+2CO高温高温反应中，反应中，氧化剂与还原剂的物质的量比为氧化剂与还原剂的物质的量比为 2：12.下列溶液可以盛放在玻璃瓶中，下列溶液可以盛放在玻璃瓶中，但不能用磨口玻璃塞的是：但不能用磨口玻璃塞的是：A.氢氟酸氢氟酸 B.浓硝酸浓硝酸C.NaOH溶液溶液 D.氯水氯水3.关于碳和硅的叙述中关于碳和硅的叙述中,不正确的是不正确的是:A.其最高价氧化物都能与其最高价氧化物都能与NaOH溶液反应溶液反应 B.单质在加热时都能与氧气反应单质在加热时都能与氧气反应 C.氧化物都能溶于水生成相应的酸氧化物都能溶于水生成相应的酸 D.在常温下，碳和硅的单质化学性质都不在常温下，碳和硅的单质化学性质都不 活泼活泼4.如何除去二氧化硅中少量的碳酸钙杂如何除去二氧化硅中少量的碳酸钙杂 质？用化学方程式表示。质？用化学方程式表示。5.如何除去碳酸钙中少量的二氧化硅杂如何除去碳酸钙中少量的二氧化硅杂 质？用化学方程式表示。质？用化学方程式表示。CaCO3+2HCl=CaCl2+H2O+CO2SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O