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:Si+2F2=SiF4
B、硅跟氢氟酸:Si+4HF=SiF4↑+2H2↑
C、硅跟强碱(以NaOH为例):Si+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H2↑
(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:Si+O2SiO2
B、硅与氯气:Si+2Cl2SiCl4
5、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)+2Cl2=SiCl4 SiCl4+2H2=Si(纯)+4HCl
6、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:SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O(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:SiO2+CaOCaSiO3
(2) 弱氧化性: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:SiO2+4HF=SiF4↑+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)
Na2SiO3+2HCl=2NaCl+H2SiO3↓
Na2SiO3+CO2+H2O=H2SiO3↓+Na2CO3(此方程式证明酸性:H2SiO3<H2CO3)
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:Na2SiO3+CO2+H2O=Na2CO3+H2SiO3↓(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 K2O·Al2O3·3SiO2,应写成K2O·Al2O3·6SiO2
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+SiO2Na2SiO3+CO2↑ CaCO3+SiO2CaSiO3+CO2↑
D、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 CaO·SiO2)、
硅酸二钙(2CaO·SiO2)、铝酸三钙(3 CaO·Al2O3)。
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
本文来源:https://www.2haoxitong.net/k/doc/349c82341b37f111f18583d049649b6649d7092c.html
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