第09讲 无机非金属材料
【化学学科素养】
1.变化观念与平衡思想：根据碳、硅的结构，预测在一定条件下碳、硅及其化合物可能发生的化学变化。
2.科学态度与社会责任：关注与碳、硅有关的热点问题（如光导纤维、硅电池、半导体材料），形成可持续发展的意识；知道碳、硅及其化合物对社会发展的重大贡献。
【必备知识解读】
一、硅单质
1．存在
硅单质主要有晶体和无定形两大类。
2．物理性质
带有金属光泽的灰黑固体，熔点高，硬度大，有脆性。
3．化学性质
常温下与F2、HF、NaOH反应；加热时能与H2化合生成不稳定的氢化物SiH4，加热时还能与Cl2、O2化合分别生成SiCl4、SiO2。涉及的化学方程式如下：
①与非金属单质反应
②与反应：Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑。
③与NaOH溶液反应：
Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑。
(4)制备方法
①制取粗硅：工业上，用焦炭在电炉中还原SiO2得到含有少量杂质的粗硅：SiO2＋2CSi＋2CO↑。
②粗硅提纯：Si＋2Cl2SiCl4，SiCl4＋2H2Si＋4HCl。
【特别提醒】①用焦炭还原SiO2，产物是CO而不是CO2强化武器技巧。
②粗硅中含碳等杂质，与Cl2反应生成的SiCl4中含有CCl4等杂质，经过分馏提纯SiCl4后，再用H2还原，得到高纯度硅。
(5)主要用途
①良好的半导体材料；②太阳能电池；③计算机芯片。
二、二氧化硅
1．存在
自然界中，碳元素既有游离态，又有化合态，而硅元素仅有化合态，主要以氧化物和硅酸盐的形式存在。天然SiO2有晶体和无定形两种，统称硅石。
2．结构
SiO2晶体有多种晶型，其基本结构单元为硅氧四面体(如下图甲所示)，硅氧四面体通过氧原子相互连接为空间的网状结构(如下图乙所示)。每个硅原子与4个氧原子相连，而每个氧原子与2个硅原子相连，故SiO2晶体中Si和O的比例为1∶2。
3．二氧化硅的性质及用途
物理性质 | 硬度大，熔、沸点高，常温下为固体，不溶于水 | |
化学性质赵立新言论事件爆发 | 与水反应 | 不反应 |
与酸反应 | 只与反应：SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O | |
与碱反应 | 如与NaOH反应：SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O(盛碱液的试剂瓶用橡胶塞) | |
与盐反应 | 如与Na2CO3反应： SiO2＋Na2CO3Na2SiO3＋CO2↑ | |
与碱性氧 化物反应 | 如与CaO反应：CaO＋SiO2CaSiO3 | |
用途 | 光导纤维、光学仪器、电子部件 | |
【特别提醒】
①SiO2是H2碳化硅用途SiO3的酸酐，但SiO2不与水反应，不能用SiO2直接与水作用制备H2SiO3。
冰箱不制冷是什么原因 解决办法②能与SiO2反应，故不能盛放在玻璃瓶中，而应存放在塑料瓶中。
三、硅酸、硅酸盐
1．硅酸
(1)物理性质
硅酸的溶解度小，新制备的硅酸为透明、胶冻状，干燥硅胶多孔，吸水性和吸附性强。
(2)化学性质
①弱酸性：酸性比碳酸弱，与NaOH溶液反应的化学方程式为H2SiO3＋2NaOH===Na2SiO3＋2H2O。
②不稳定性：受热易分解，反应的化学方程式为
H2SiO3SiO2＋H2O。
8023是什么意思啊百科(3)制备：通过可溶性硅酸盐与其他酸反应制得，如Na2SiO3溶液与盐酸反应：Na2SiO3＋2HCl===2NaCl＋H2SiO3(胶体)。
(4)用途：硅胶可用作干燥剂、催化剂的载体等。
2．硅酸盐
①白、可溶于水的粉末状固体，其水溶液俗称水玻璃，有黏性，水溶液显碱性。
②与酸性较硅酸强的酸反应：
a．与盐酸反应的化学方程式：
Na2SiO3＋2HCl===2NaCl＋H2SiO3↓。
b．与CO2水溶液反应的化学方程式：
Na2SiO3＋H2O＋CO2===Na2CO3＋H2SiO3↓。
③用途：黏合剂(矿物胶)，耐火阻燃材料。
(3)硅酸盐组成的表示
通常用二氧化硅和金属氧化物的组合形式表示硅酸盐的组成。如硅酸钠(Na2SiO3)可表示为Na2O·SiO2，石棉(CaMg3Si4O12)可表示为CaO·3MgO·4SiO2。
①Na2SiO3的水溶液是一种黏合剂，是制备硅胶和木材防火剂等的原料；Na2SiO3易与空气中的CO2、H2O反应，要密封保存。
②可溶性碳酸盐、硅酸盐的水溶液呈碱性，保存该溶液的试剂瓶不能用玻璃塞，应用橡胶塞。
四、无机非金属材料
1．传统无机非金属材料，如水泥、玻璃、陶瓷等硅酸盐材料。
(1)常见硅酸盐材料比较
水泥 | 玻璃 | 陶瓷 | |
生产原料 | 石灰石、黏土 | 纯碱、石灰石、石英 | 黏土 |
主要设备 | 水泥回转窑 | 玻璃窑 | 陶瓷窑 |
(2)玻璃生产中的两个重要反应：Na2CO3＋SiO2Na2SiO3＋CO2↑；CaCO3＋SiO2CaSiO3＋CO2↑。
2．新型陶瓷
高温结构陶瓷(碳化硅、氮化硅)；压电陶瓷(钛酸盐和锆酸盐)；透明陶瓷(氧化铝、氧化钇、氮化铝、氟化钙)；超导陶瓷等。
材料类型 | 主要特性 | 示例 | 用途 |
高温结构陶瓷 | 耐高温、抗氧化、耐磨蚀 | 碳化硅、氮化硅与某些金属氧化物等烧结而成 | 火箭发动机的尾管及燃烧室、汽车发动机、高温电极材料等 |
压电陶瓷 | 实现机械能与电能的相互转化 | 钛酸盐、锆酸盐 | 滤波器、扬声器、声纳探伤器、点火器等 |
我一生中最爱的人透明陶瓷 | 优异的光学性能，耐高温，绝缘性好 | 氧化铝、氧化钇、氮化铝、氟化钙 | 高压钠灯、激光器、高温探测窗等 |
超导陶瓷 | 在某一临界温度下电阻为零 | 可用于电力、交通、医疗等领域 | |
(1)新型陶瓷在组成上不再限于传统的硅酸盐体系，在光学、热学、电学、磁学等方面具有很多新的特性和功能。
版权声明：本站内容均来自互联网，仅供演示用，请勿用于商业和其他非法用途。如果侵犯了您的权益请与我们联系QQ:729038198，我们将在24小时内删除。
发表评论