第四章 非金属及其化合物
第一节 无机非金属材料的主角—硅
硅元素(silicon)在地壳中的含量
氧48.6%
硅26.3%
铝7.73%
铁4.75%
钙3.45%
钠2.74%
钾2.47%
硅26.3%
硅的分布与存在
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90%以上。
硅是一种亲氧元素,在自然界中它总是与氧相互化合的，因此硅都以化合态存在于自然界，主要以氧化物及硅酸盐的形式存在。
第ⅣA族的二兄弟碳和硅—豪门二杰
构成了地壳大部分岩石、沙子和土壤， “统治了地壳”
硅是构成岩石与许多矿物的基本元素, “ 统治无机矿物界”
硅酸盐工业的陶瓷、玻璃、水泥等使人类生活日新月异
1、存在形式
{
晶体硅
无定形硅
硅有晶体硅和无定形硅两种。
一、硅单质
2、物理性质：
晶体硅是灰黑色、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(1410℃)和沸点都很高，硬度大。
导电性介于导体和绝缘体之间。
思考1：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？
硅的原子结构
硅原子和碳原子的最外电子层均有4个电子，其原子既不易失去也不易得到电子，主要形成四价的化合物。
C
②在高温条件下，单质硅能与O2和Cl2等非金属单质反应。
①常温下化学性质不活泼，只能跟F2、HF和 NaOH溶液反应。
Si＋2F2＝SiF4 Si＋4HF＝SiF4↑＋2H2↑
Si＋2NaOH＋H2O＝Na2SiO3＋2H2↑
3 、硅单质的化学性质
工业上，用焦炭在高温下还原石英砂可制得粗硅，粗硅跟氯气反应经提纯得到 SiCl4后再用氢气还原制得纯硅：
4、硅的工业制备
硅单质
（1）反应①中焦炭做（ ）
A.还原剂 B.氧化剂 C.二者都不是
（2）反应 ②属于（ ），反应③ 属于（ ）
A.化合反应 B.分解反应 C.氧化还原反应
D.非氧化还原反应 E.置换反应
A
AC
CE
做一做
SiO2＋2C＝Si(粗)＋2CO↑ ①
Si(粗)＋2Cl2＝SiCl4 ②
SiCl4＋2H2＝Si(纯)＋4HCl ③
根据以下反应回答下列问题：
5、用途：太阳能电池、计算机芯片以及半导体材料、信息技术等材料和人造卫星、登月车、火星探测器等动力设备新能源。
硅太阳能电池
硅芯片是各种计算机、微电子产品的核心
硅单质
观看下列图片总结单质硅的用途
硅是一种亲氧元素，在自然界它总是与氧相互化合。所以在氧化气氛包围的地球上，硅主要以熔点很高的氧化物及硅酸盐的形式存在。
二、二氧化硅和硅酸
SiO2是硅的重要化合物。地球上存在的天然二氧化硅约占地壳质量的12％，其存在形态有结晶形和无定形两大类，通称硅石。
（一）、二氧化硅
1、存在
硅石（12%）
结晶形（石英晶体）
无定形——硅藻土
SiO2是硅的重要化合物。地球上存在的天然二氧化硅约占地壳质量的12％，其存在形态有结晶形和无定形两大类，通称硅石。
晶体二氧化硅
晶体二氧化硅
玛瑙
晶体二氧化硅
硅藻土　　
中国硅藻土资源丰富。全国10个省(区)有硅藻土矿产出。探明储量的矿区有354处，总保有储量矿石3.85亿吨。仅次于美国，居世界第2位。在地区分 布上，以吉林最多，占全国储量的54.8%，云南、福建、河北等地次之。矿床类型主要为火山物源沉积型矿床(吉林长白、山东临胸、浙江嵊州市硅藻土矿等)和陆源沉积型(云南寻甸、四川米易硅藻土矿等)矿床。成矿时代集中在第三纪和第四纪，以第三纪为主。
无定形二氧化硅
二氧化硅的用途
二氧化硅的用途
二氧化硅的用途
光导纤维
二氧化硅的用途
危害：
在隧道开凿，石英粉加工等工作环境下易形成含有二氧化硅的粉尘，人长期吸入含有二氧化硅的粉尘，就会患硅肺病（旧称矽肺）。
思考与交流
物理性质:_____________________________
化学稳定性:_________________________
通常条件下，很稳定
硬度大、熔点高、难溶于水
思考
为什么二氧化硅和二氧化碳物理性质有这么大的差别？
是结构上的不同
Si
O
二氧化硅的晶体结构示意图
SiO2是由Si和O按1：2的比例组成的立体空间网状结构，没有SiO2 分子存在，只存在硅氧原子。 因此性质很稳定
CDE
下列说法错误的是（ ）
A . SiO2 是二氧化硅的化学式
B . SiO2 晶体是由Si和O按1:2的比例所
组成的立体网状结构的晶体 C .[SiO4 ] 四面体只存在于二氧化硅晶体中
D . 沙子里含无定形二氧化硅
E . 石英就是水晶
F . SiO2 从古到今被人类广泛地应用着，
是因为SiO2 的立体网状结构和它在自
然界的广泛存在
“火眼金睛”
化学性质很不活泼，氢氟酸（ HF）是唯一可以与之反应的酸。
SiO2+4HF=SiF4￪+2H2O
化学性质:
实验室能不能用玻璃瓶盛装氢氟酸？
注意：玻璃中含有SiO2，所以可以用HF
来刻蚀玻璃。
（1）特性：
2.酸性氧化物
化学性质:
因为玻璃中含有SiO2，会与NaOH反应生成硅酸钠，使瓶塞与瓶口粘在一起而打不开。

实验室盛装NaOH溶液的试剂瓶为什么用橡胶塞而不用玻璃塞？
与碱性氧化物反应生成盐
与强碱反应生成盐和水
3、与盐反应：
(所以，不能用磨口玻璃塞盛碱性溶液，如NaOH、KOH、Na2CO3、Na2SiO3等溶液。)
4、弱氧化性：
某同学根据SiO2既可与碱反应,也能与氢氟酸反应,推断SiO2为两性氧化物.是否正确?
?
思考与交流
SiO2与CO2化学性质的比较
CO2+H2O=H2CO3
CO2+2NaOH=Na2CO3+H2O
CO2+Na2O=Na2CO3
SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O
SiO2+ CaO == CaSiO3
高温
——
——
酸性氧化物
与碱性氧化物反应
与碱反应
与水反应
与氢氟酸反应
Na2CO3+CO2===2NaHCO3

CaCO3 +CO2 === Ca(HCO3)2
与盐反应
我们知道二氧化碳与水反应生成碳酸，但是SiO2不能与水直接化合成H2SiO3，这是一个特例。
思考：SiO2不能直接和水化合成H2SiO3，那怎样制备H2SiO3呢？
思考2

制取原理：强酸制弱酸
①滴入酚酞溶液呈红色
Na2SiO3+2HCl = H2SiO3（胶体）+2NaCl
②再滴入稀盐酸，溶液红色变浅至无色，有透明胶冻状物质产生
SiO32- + 2H+ == H2SiO3 （胶体）
a、Na2SiO3溶液呈碱性，b、可溶性
硅酸盐与盐酸反应生成不溶于水的硅酸，
c、先形成硅酸溶胶，后形成硅酸凝胶
硅酸是一种白色粉末状的固体，它不溶于水；是一种很弱的酸，不能使指示剂变色。
二、硅酸( )
H2SiO3
问一问
硅酸钠水溶液久置在空气中会出现什
么现象？为什么？
硅酸钠水溶液久置在空气中会出现白色浑浊。因为发生下列反应：
SiO32- + H2O + CO2== CO32- + H2SiO3↓
Na2SiO3 + H2O + CO2 == Na2CO3 + H2SiO3↓
CO2通入下列各溶液中，无明显现象发生的是（ ）
A、氯化钙溶液
B、澄清石灰水
C、硅酸钠溶液
A
合作讨论：
H2SiO3 + 2NaOH == Na2SiO3 + 2H2O
（2）不稳定（比H2CO3稳定），受热易分解
化学性质:
①弱酸性。只能与强碱发生中和反应
生成的硅酸逐渐聚合而形成硅酸溶胶（能流动），当硅酸的浓度较大时，就会形成硅酸凝胶（不能流动），硅酸凝胶经过干燥脱水就形成硅胶。
硅胶多孔，吸附水份能力强，常用作实验室和袋装食品，瓶装药品等的
干燥剂，也可以用
作催化剂的载体。
用途：
1、定义：
硅酸盐是由硅、氧和金属组成的化合物的总称
2、性质：
硅酸盐种类很多，是一大类结构复杂的固态物质，
大多数不溶于水，化学性质很稳定。
3、表示方法：
（1）化学式法：
适用于简单的硅酸盐如：Na2SiO3，K2SiO3、
CaSiO3等。
三、硅酸盐
活泼金属氧化物→较活泼金属氧化物→二氧化硅→水

氧化物前系数配置原则：除氧元素外，其他元素按配置前后原子个数守恒原则配置系数。

硅酸钠： Na2SiO3 Na2O·SiO2
硅酸钙： CaSiO3 CaO·SiO2
高岭石：Al2(Si2O5)(OH)4 Al2O3·2SiO2·2H2O
正长石：KAlSi3O8不能写 K2O·Al2O3·3SiO2，
应写成K2O·Al2O3·6SiO2
（2）氧化物法：
资料卡片
K2O·2Al2O3·6SiO2·H2O
K(Al2Si3O9)(OH)
4、最简单的硅酸盐------硅酸钠（Na2SiO3）
硅酸钠是白色固体，可溶于水，其水溶液俗称水玻璃。是制备硅胶和木材防火剂等的原料。
（1）、硅酸钠的物理性质
放入蒸馏水
现象
结论
水份蒸发后木条燃烧
放入Na2SiO3溶液
水份蒸发后
木条不燃烧
水份蒸发后
失去防火作用
防火效果好
Na2SiO3可作防火剂
[实验4-2]
（2）、硅酸钠化学性质
硅酸钠的化学性质相对稳定，不能燃烧，不易被腐蚀，热稳定性好。
（3）用途
可以作肥皂填料，还可以用做建筑、纸张的
黏合剂和木材、织物的防腐剂及防火剂
②与盐反应
①与酸反应
Na2SiO3 + 2HCl =2NaCl + H2SiO3↓
CaCl2+Na2SiO3=CaSiO3+2NaCl
用途广泛的硅酸盐产品
四、硅酸盐工业
水泥是一种非常重要的建筑材料。万丈高楼平地起，穿针引线是水泥。
⑵生产过程：
黏土和石灰石
两磨、一烧。
研磨→煅烧→再磨成细粉；
⑴水泥的生产原料：
⑶普通硅酸盐水泥的成分：
1 、水泥
⑷水泥的性能：
水泥具有水硬性。
水泥、沙子和水的混合物——建筑黏合剂。
水泥、沙子和碎石的混合物。
混凝土：
水泥砂浆：
玻璃
玻璃
玻璃
有色玻璃
钢化玻璃
加入了不同的金属氧化物
普通玻璃加热接近熔化再急速冷却
2、玻璃：
⑵生产过程：
纯碱、石灰石和石英。
⑴玻璃的生产原料：
⑶普通玻璃的成分：
Na2SiO3、CaSiO3和SiO2组成
的混合物。
或Na2O·CaO·6SiO2；
玻璃无固定的熔沸点，
在一定温度范围内软化。
⑷玻璃的性能：
陶器
瓷器
3、陶瓷：
陶瓷具有抗氧化、抗酸碱腐蚀、耐高温、绝缘、易成型等许多优点，因此，陶瓷制品一直为人们所喜爱。
家用陶瓷
江苏宜兴，
有陶都之称。
隋带烧制的三彩陶骆驼
瓷器是中华文明的象征。在许多拉丁语系国家中，“瓷器”和“中国”都以“CHINA”用同一字母拼音表示。
江西景德镇。
江西景德镇所烧制的薄胎瓷器被誉为：“洁如玉、明如镜、薄如纸、声如罄。”
我国素有“瓷都”之称的地方
江西景德镇所烧制的瓷器
传统无机非金属材料：
陶瓷、玻璃、水泥
新型无机非金属材料：
新型陶瓷
高温结构陶瓷、压电陶瓷
透明陶瓷、超导陶瓷等
五、新型无机非金属材料的特性
1.能承受高温、强度高。
例如：氮化硅陶瓷在1200℃左右的高温下，
仍具有很高的强度，可用来制造汽轮机叶
片、轴承、永久性模具等。
2.具有电学特性，一些新型无机非金属材料可以作为半导体、导体、超导体等，一些绝缘性材料常被用于集成电路的基板。
3.具有光学特性。有些新型无机非金属材料能发出各色的光，有的能透过可见光，有的能使红外线、雷达射线穿过。
处于高温下的光导纤维
F-117是一种单座战斗轰炸机。设计目的是凭隐身性能，突破敌火力网，压制敌方防空系统，摧毁严密防守的指挥所、战略要地、重要工业目标，还可执行侦察任务，具有一定空战能力。
4. 具有生物特性。有些新型无机非金属材料强度高、无毒、不溶于水，对人体组织有较好的适应性，可直接植入人体内，用这类材料制成的人造牙齿、人造骨骼，已被应用在医疗上。
人造关节
硅元素
单质硅
Si + F2
Si + HF
Si + NaOH
加热能与某
些非金属单
质反应（O2、Cl2）
概括、整合
练习:
1.下列说法正确的是( )
A.二氧化硅溶于水显酸性
B.二氧化碳通入水玻璃(Na2SiO3的水溶液)可以得到原硅酸.
C.因为高温时,二氧化硅与碳酸钠反应放出二氧化碳,所以硅酸的酸性比碳酸强.
D.二氧化硅是酸性氧化物,它不溶于任何酸
B
2.硅酸钠溶液俗称水玻璃,呈碱性.下列物质中,能用带磨口玻璃塞的试剂瓶盛放的是( )
A.浓硫酸 B.水玻璃 C.氢氟酸 D 苛性碱
A
3.下列物质中能跟SiO2发生反应的是( )
A 盐酸 B 硝酸 C 硫酸 D 烧碱溶液
D
4.光纤通讯是光作为信息的载体,让光在光导纤维中传输,制造光导纤维的基本原料是( )
A 铜 B 钢 C 石英 D 铝
C
5.除去二氧化硅固体中混有的CaCO3固体,方法正确的是( )
A 加水,过滤 B 加热
C 加盐酸,过滤 D 加NaOH溶液,过滤
C
6.将过量的CO2分别通入(1)CaCl2溶液(2)Na2SiO3溶液(3)Ca(ClO)2溶液(4)饱和Na2CO3溶液.最终溶液中有白色沉淀的是( )
A (1)(2)(3)(4) B(2)(4)
C(1) (2)(3) D(2)(3)
B