1、第1节 硅 无机非金属材料1 半导体材料与单质硅1半导体材料半导体材料特指导电能力介于导体和绝缘体之间的一类材料。最早使用的半导体材料是锗，但因其含量低，提炼工艺复杂，价格昂贵，而不适合广泛使用。目前广泛使用的半导体材料是硅元素，在地壳中含量居第二位，该元素全部以化合态存在于自然界中，储量丰富。常见的有晶体硅和无定形硅等形式存在。2单质硅（1）存在：自然界中无单质硅，硅元素全部以化合态存在，如二氧化硅、硅酸盐等。化合态的硅是构成地壳的矿石和岩石的主要成分，硅在地壳中的含量居第二位。（2）物理性质：单质硅有晶体硅和无定形硅两种。晶体硅呈灰黑色，有金属光泽，硬而脆，熔点很高（1410），是良好的半
2、导体材料。（3）化学性质：在常温下，硅的化学性质不活泼，不与O2、Cl2、H2SO4、HNO3等发生反应，但能与F2、HF和强碱反应。例如：Si + 2NaOH + H2O Na2SiO3 + 2H2；Si + 2F2 SiF4；Si + 4HF SiF4+ 2H2。在加热时纯硅与某些非金属单质发生反应。如研细的硅能在氧气中燃烧：Si + O2 SiO2 （3）硅的制备由于自然界中没有单质硅的存在，因此我们使用的硅，都是从它的化合物中提取的。在工业上，用碳在高温下还原二氧化硅的方法可制得含有少量杂质的粗硅，将粗硅提纯后，可以得到半导体材料的高纯硅。制粗硅： SiO22C Si2CO 制高纯硅：
3、 Si2Cl2 SiCl4 SiCl42H2 Si4HCl（4）硅的用途：硅可用来制造集成电路，太阳能电池，硅整流器等。硅合金可用来制造变压器铁芯，耐酸设备等。【知识链接】半导体材料的用途物质的电阻率介于导体和绝缘体之间（电阻率在103108欧姆厘米之间）时，为半导体。半导体材料可以制造出具有各种功能的半导体器件来取代真空管用来整流、检波、放大，并有缩小电子设备体积、减轻重量、延长寿命、耐冲击、效率高和可靠性好等优点。用半导体材料制成的集成电路还可以将成千上万个分立的晶体管、电阻、电容等电子元件融为一体，使上述优点得到进一步发挥，广泛应用于通讯、电讯、电子计算机中。另外，超纯硅对红外光有很高的
4、透过能力，可以用以制作红外聚焦透镜，对红外辐射目标进行夜间跟踪、照像、追击。利用半导体的导电能力随温度的升高或光线的照射而有显著的增大的特性，可以做成自动控制用的热敏元件(如热敏电阻等)和光敏元件。半导体材料是制作太阳能电池的主要材料半导体材料还可制成激光二极管，用于激光通讯、测距和空间导航等方面。2 二氧化硅与光导纤维1、二氧化硅的存在二氧化硅广泛存在与自然界中，天然二氧化硅叫硅石。石英的主要成分为二氧化硅晶体，透明的石英晶体叫做水晶，含有有色杂质的石英晶体叫做玛瑙。另外二氧化硅也是构成岩石的重要成分。2、二氧化硅的物理性质纯净的二氧化硅晶体呈无色，熔点高，硬度大，不溶于水，也不溶于其他一般
5、的溶剂。3、二氧化硅的化学性质（1）二氧化硅是一种酸性氧化物，具有酸性氧化物的通性二氧化硅在常温时可以与碱溶液缓慢反应生成盐和水：SiO2+ 2NaOH Na2SiO3 + H2 O二氧化硅在高温下可与碱性氧化物反应：SiO2 CaO CaSiO3 （2）特性SiO2不溶于水，也不与水反应。二氧化硅在常温下与氢氟酸反应： Si O24HF SiF42H2O 二氧化硅中的硅为4价，具有弱的氧化性，如在高温时，二氧化硅中的硅可以被碳置换出来。思考：1如何制取硅酸？ 2保存氢氟酸、NaOH溶液时应该注意什么问题？提示：1不能通过SiO2与H2O反应的方法来制取其对应的水化物硅酸(H2SiO3)制取H
6、2SiO3的方法如下： Na2SiO3 + 2HCl 2NaCl + H2SiO3或 Na2SiO3 + CO2 + H2O Na2CO3 + H2SiO3硅酸(H2SiO3)不溶于水，其酸性比H2CO3还弱。2氢氟酸不能保存在玻璃瓶中，应保存在塑料瓶中。NaOH 溶液不能保存在玻璃塞的玻璃瓶中，应保存在橡胶塞的玻璃瓶中或塑料瓶中。4、SiO2与CO2的比较CO2SiO2与碱性氧化物反应CaOCO2CaCO3CaOSiO2CaSiO3与碱液的反应2NaOHCO2Na2CO3H2OSiO22NaOHNa2SiO3H2O与盐反应Na2SiO3CO2H2ONa2CO3H2SiO3Ca(ClO)2CO
7、2H2OCaCO32HClOSiO2CaCO3CaSiO3 CO2SiO2Na2CO3Na2SiO3CO2与碳反应CCO22CO2CSiO2Si2CO与H2O作用CO2H2OH2CO3不与水化合与酸反应不反应只与HF反应SiO24HFSiF4H2O5、二氧化硅的用途（1）石英可用于制作石英表和石英玻璃。（2）石英砂常用作制薄玻璃和建筑材料。（3）水晶常用来制造电子部件、光学仪器、工艺品和眼镜片等。（4）玛瑙用于制造精密仪器轴承、耐磨器皿和装饰品。（5）SiO2 被用于制造高性能的现代通讯材料光导纤维。6、光导纤维光导纤维，简称“光纤”，就是一种能利用光的全反射作用来传导光线的透明度极高的玻璃细
8、丝。如果将许多根经过技术处理的光纤绕在一起，就得到我们常说的光缆。光导纤维是用石英玻璃制造的，制作时需要较高的技术，它传导光的能力非常强。如1000米长的单模光纤，重量只有27克，传送波长为1.55微米的激光时，每传播1000米，光能的损耗不到0.2分贝若利用光缆通讯，能同时传输大量信息。光纤通信的优点有：（1）信息容量大，一条光缆通路可同时容纳10亿人通话，也可同时传送多套电视节目。（2）光纤的抗干扰性能好，不发生电辐射，通讯质量高，能防窃听。（3）光缆质量小而且细，不怕腐蚀，铺设方便。（4）光纤通信损耗低，适合远距离信息传输。另外，光导纤维在医学上也有很重要的应用。目前在医学领域，普遍使用
9、着一种连接着许多光纤的胃镜，光纤胃镜的光源是在体外由光纤传进去的，它不产生热辐射，能减轻病人的痛苦。在光导纤维的一头装着精致小巧的微型镜头，可将胃内的情况传到体外拍摄下来或显示在屏幕上。光导纤维在医学上的另一个重要应用是通过微细的光纤将高强度的激光输入人体的病变部位，用激光来切除病变部位。这种“手术”不用切开皮肤和切割肌肉组织，而且切割部位准确，手术效果好。除此以外，光导纤维还可用于信息处理、传能传像、遥测遥控、照明等许多方面。【知识链接】多姿多彩的光纤光纤内窥镜：束状光导纤维能对图像进行传递、分解、合成和修正等医用内窥镜能直接插入人体某个部位进行检查，而不会引起病人痛苦与不舒服感。在工业生产
10、中，利用内窥镜检查一些由于各种原因而不能打开的系统的内部结构，使生产能照常进行。军事用光纤：光纤技术在军事方面的应用的发展速度之快、范围之广，令人振奋它已从最初在军舰和飞机上应用，延伸到军事的各个领域，包括长距离光纤传输系统、战术光纤通信网络系统、雷达防御系统、空战指挥及控制系统、导弹和鱼雷制导系统等等。光纤装潢艺术：光纤装潢是用不同的光纤根据设计需要组成不同的形状，如光纤广告显示屏、光纤盆景、光纤舞台装置及光纤工艺品等。它们具有亮度适宜、色彩柔和、图案细腻、造型奇特，集光、电、声于一体等特点。光纤采光：用光纤传递光能的方式将天空中的散射光或太阳光引入室内，是一种有前途的采光照明方式，再辅以太
11、阳能电池还可供建筑在夜间照明。3 硅酸盐与无机非金属材料1硅酸盐（1）硅酸盐在自然界中的存在硅酸盐是构成地壳中岩石的主要成分，自然界中存在的各种天然硅酸盐矿石，约占地壳的5，粘土的主要成分也是硅酸盐。粘土的种类很多，常见的有高岭土和一般粘土，前者含杂质较少，后者含杂质较多。（2）硅酸盐组成的表示方法硅酸盐的种类很多，结构复杂，无论是天然的还是人工制成的硅酸盐，其组成的表示方法有两种。 化学式法： 一般用于组成较简单的硅酸盐。如：硅酸钠 Na2SiO3； 硅酸钙Ca2SiO3 氧化物法：常用的表示方法。 如：镁橄榄石（Mg2SiO4） 2MgOSiO2高岭石Al2(Si2O5)(OH)4 Al2
12、O32SiO22H2O正长石(2KAlSi3O8 ) K2OAl2O36SiO2说明：用氧化物的形式表示硅酸盐的组成时，各氧化物的排列顺序为：较活泼金属氧化物 较不活泼金属氧化物 二氧化硅 水（3）硅酸钠硅酸钠的水溶液俗称水玻璃，它是一种矿物胶，具有粘合性。【联想发散】硅及其化合物的特殊性：（1）硅的还原性比碳强，而碳在高温下能从二氧化硅中还原出硅。（2）非金属单质与强碱溶液反应一般不生成氢气，而硅与氢氧化钠等强碱溶液反应产生氢气。（3）非金属单质一般不与非氧化性酸反应，而硅不但与氢氟酸反应，而且有氢气生成。（4）酸性氧化物一般不与酸发生复分解反应，而二氧化硅却能与氢氟酸反应，生成四氟化硅和水
13、。（5）无机酸一般易溶于水，而硅酸和原硅酸却难溶于水。（6）在水溶液中，碳酸的酸性比硅酸强，二氧化碳与硅酸钠反应生成碳酸钠和硅酸沉淀在高温下碳酸钠与二氧化硅反应生成硅酸钠和二氧化碳，其原因是在高温条件下，生成的二氧化碳离开反应体系而使反应进行到底。2无机非金属材料（1）传统无机非金属材料 玻璃原料：生产普通玻璃的主要原料是纯碱（Na2CO3），石灰石（CaCO3）和石英（SiO2 ）。主要设备：玻璃熔炉反应原理：将粉碎混匀的原料加强热使之熔化，发生复杂的物理化学变化，冷却即成玻璃。其中主要化学反应是：CaCO3 + SiO2 CaSiO3 + CO2 Na2CO3 + SiO2Na2SiO3
14、+ CO2 主要成分： 制造玻璃的原料中，石英是过量的，所以，普通玻璃是CaSiO3，Na2SiO3和SiO2 熔化在一起得到的物质，其物质的量之比为1：1：4，因此玻璃可表示为：Na2OCaO6SiO2。主要性质：硬而脆，受热时在一定温度范围内逐渐软化，没有一定的熔点，故作玻璃态物质，耐酸腐蚀（HF除外）。水泥a. 普通水泥的主要成分为硅酸三钙（3CaOSiO2），硅酸二钙（2CaOSiO2）和铝酸三钙（3CaOAl2O3）等。b. 水泥的特点是水泥具有水硬性，与水搀和搅拌并静置后，很容易凝固变硬。c. 混凝土是指水泥、沙子和碎石的混合物，混凝土常用钢筋作结构，这就是通常所说的钢筋混凝土。（2）新型无机非金属材料类别示例特性用途高温结构陶瓷氮化硅陶瓷硬度极高，耐磨损，耐高温，抗腐蚀，抗氧化能力强，电绝缘性好汽轮机叶片、轴承、发动机部件、永久性模具碳化硅陶瓷硬度仅次于金刚石，耐高温，且在室温下能导电电热元件生物陶瓷氧化铝陶瓷氧化锆陶瓷强度高，耐磨，无毒，不溶于水，对人体组织有较好的适应性，可直接植于人体人造牙齿、人造骨骼压电陶瓷钛酸钡陶瓷钛酸铅陶瓷可将极其微弱的机械振动转换成信号声呐系统、气象检测、遥控环境保护、家用电器、压电地震仪.精品资料。欢迎使用。