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無機非金屬材料（硅）
第五章 第3節 無機非金屬材料
Si 單質
硅的存在
硅是親氧元素，沒有游離態，只有化合態。硅在自然界中主要以：
硅酸鹽（如地殼中的大多數礦物） 氧化物（如水晶、瑪瑙）的形式存在
硅在地殼中的含量【第二位】
硅單質的類型
晶體硅：
有正四面體形網狀結構，與金剛石結構相似
不定形硅：
不是嚴格的正四面體結構，具有不穩定性
Si 性質
物理性質
晶體硅是灰黑色、有金屬光澤的固體，結構類似金剛石，熔沸點高、硬度大，
導電能力介于導體和絕緣體之間，是良好的半導體材料。
硅單質可用于：太陽能電池、芯片、半導體材料
Si 的空間網狀結構
Si
+14
8
4
2
硅的化學性質不活潑
主要形成四價化合物
化學性質
Si 性質
常溫下，硅的化學性質不活潑，
只與HF、F2、強堿反應
與氟氣反應：
Si + 2F2 = SiF4
與氫氟酸反應：
Si + 4HF = SiF4↑ + 2H2↑
與強堿溶液反應：
Si + 2NaOH + H2O = Na2SiO3 + 2H2↑
加熱條件下，也能和一些非金屬反應
與氯氣反應：
與氧氣反應：
Si+2Cl2 SiCl4
Si + O2 SiO2
與碳反應：
Si + C SiC
高溫
Si 的制備
制備原理：
用焦炭還原石英砂，得到含少量雜質的粗硅，然后轉化為三氯硅烷，再經H2還原。
SiO2（石英砂）＋2C ======== Si（粗）＋2CO↑
800～2 000 ℃
300 ℃
Si（粗）＋3HCl=====SiHCl3＋H2
SiHCl3＋H2=====Si（純）＋3HCl。
1100 ℃
制備方程
SiO2
SiO2
光纖
SiO2
物理性質：
硬度大，熔點高，難溶于水
SiO2 的結構
四面體結構
每1個Si周圍結合4個O，
Si在中心，O在四個頂角
空間網狀結構
每1個O 被 2個Si 共用
Si 原子和 O 原子比例 1:2，
通常用SiO2來表示二氧化硅的組成
SiO2 的化學性質
化學性質
酸性氧化物
與水反應
與堿反應
與堿性氧化物反應
【SiO2不溶于水，也不與水反應】
SiO2
特性
與HF(氫氟酸)反應
氧化性
與C反應
SiO2 的化學性質
化學性質
與強堿反應(如NaOH)
SiO2+2NaOH = Na2SiO3+H2O
與堿性氧化物反應(如CaO)
SiO2+CaO CaSiO3
高溫
硅酸鈉
俗稱泡花堿，其水溶液俗稱“水玻璃”，
可作粘合劑、防火劑
①、SiO2 酸性氧化物通性
SiO2 的化學性質
化學性質
②、SiO2 的氧化性（弱）
SiO2+2C Si+2CO↑
高溫
工業制粗硅
③、SiO2 的特性
與HF反應
SiO2+4HF = SiF4↑+2H2O
HF能腐蝕玻璃，因此不能用玻璃瓶裝，需要用塑料瓶
HF能腐蝕玻璃，可用于玻璃雕刻
SiO2 的化學性質
思考
①、為什么實驗室盛放堿溶液的試劑瓶使用橡膠塞，而不用玻璃塞？
②、加熱熔融NaOH時，為什么不能使用陶瓷坩堝，石英坩堝和鋁坩堝，只能使用鐵坩堝？
③、SiO2既能與強堿反應，又能與HF反應，SiO2是兩性氧化物嗎？
堿液能與玻璃中SiO2發生反應生成Na2SiO3，導致玻璃塞與瓶口內側粘連
陶瓷和石英的主要成分都含有SiO2，能與NaOH反應，
鋁坩堝的主要成分是氧化鋁，也能與NaOH反應。
不是兩性氧化物，SiO2和其他酸不反應，只能與HF酸反應，且生成的SiF4不是鹽
H2SiO3
透明小球是硅酸逐漸聚合而形成的膠體-硅酸溶膠，硅酸濃度較大時，則形成軟而透明的、膠凍狀的硅酸凝膠。硅酸凝膠經干燥脫水就形成硅酸干膠，稱為“硅膠”。硅膠多孔，吸附水分能力強，常用做實驗室和袋裝食品、瓶裝藥品等的干燥劑，也可以用作催化劑的載體。
硅酸
硅酸是一種白色膠狀固體，不溶于水。
弱酸性：(酸性： HCl > H2CO3 > H2SiO3)
H2SiO3 不能使指示劑變色
不穩定性：受熱易分解
硅酸
物理性質
化學性質
H2SiO3
硅酸的制備
硅酸的制備
制備思路：強酸制弱酸
Na2SiO3 + 2HCl == 2NaCl + H2SiO3(膠體)
Na2SiO3 + CO2 + H2O == H2SiO3(膠體) + Na2CO3
制備方法：可溶硅酸鹽（例如Na2SiO3) + 酸
上述反應也可以用于比較碳酸和硅酸的酸性強弱
硅酸鹽材料
——傳統無機非金屬材料
傳統無機非金屬材料——陶瓷、玻璃、水泥
陶瓷 玻璃 水泥
傳統無機非金屬材料
原料：純堿、石灰石、石英砂(主要成分為SiO2),
主要成分：Na2SiO3、CaSiO3、SiO2
傳統無機非金屬材料
玻璃
主要成分：黏土（含水的鋁硅酸鹽）
目前，陶瓷仍然在人類的生產和生活中扮演著重要的角色，得到了廣泛應用，如用于生產建筑材料、絕緣材料、日用器皿、衛生潔具等。
傳統無機非金屬材料
主要成分：黏土和石灰石，加入適量石膏調節水泥硬化速率
水泥、沙子和碎石等與水混合可以得到混凝土，大量用于建筑和水利工程。
陶瓷
水泥
判斷正誤(正確的打“√”，錯誤的打“×”)
(1)硅元素在自然界中既有化合態，又有游離態。(　　)
(2)氫氟酸不能用玻璃試劑瓶保存。(　　)
(3)水晶、石英、沙子、瑪瑙、光導纖維的主要成分均是SiO2。(　　)
(4)光導纖維在強堿性條件下易發生“斷路”。(　　)
(5)普通玻璃和水泥的生產原料均含石灰石。(　　)
×
√
√
√
√
課后診斷
新型無機非金屬材料
新型陶瓷
新型陶瓷在組成上不再限于傳統的硅酸鹽體系，在光學、熱學、電學、磁學等方面有很多新的特性和功能。
高溫陶瓷
壓電陶瓷
透明陶瓷
碳化硅（SiC）俗稱金剛砂
硬度很大，可用作砂紙和砂輪的磨料
還具有優異的高溫抗氧化性能，可以用作耐高溫結構材料、耐高溫半導體材料等。
超導陶瓷
新型無機非金屬材料
富勒烯C60
石墨烯
碳納米管（單壁）
碳納米管（多壁）
碳納米材料在能源、信息、醫藥等領域有著廣闊的應用前景。
結構特點 應用
富勒烯 由碳原子構成的一系列籠形分子的總稱 代表物C60開啟碳納米材料研究和應用的新時代
碳納米管 由石墨片層卷成的管狀物，具有納米尺度的直徑 用于生產復合材料、電池和傳感器等
石墨烯 只有一個碳原子直徑厚度的單層石墨 應用于光電器件、超級電容器、電池和復合材料等
新型無機非金屬材料

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