第七章碳和硅Word下载.docx
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三、特殊性
1、四种晶体类型
原子晶体（金刚石、晶体硅、晶体锗）
分子晶体：
C60、C70
金属晶体：
Sn、Pb
过渡晶体：
石墨
2、碳的化合物种类多
3、Sn、Pb的金属性与金属活动性不一致
金属性：
Pb>
Sn
金属活动性：
Sn>
Pb
4、化合价稳定性物质的氧化性、还原性
CO、SnCl2—→强还原性
PbO2—→强氧化性
2Fe3++Sn2+==2Fe2++Sn4+
PbO2+2Cl—+4H+==Pb2++Cl2↑+2H2O
5PbO2+2Mn2++4H+==5Pb2++2MnO4—+2H2O
第二部分碳及其化合物
一、碳的单质
1、同素异形体
（1）金刚石：
无色透明晶体，坚硬，不导电。
（2）石墨：
深灰色固体，导电（石墨炸弹）
木炭
活性炭（具有吸附性）
（3）无定形碳
实际上是石墨的微小晶体和少量杂质
（4）球碳分子
2、性质
（1）稳定性：
难氧化、难还原
△
（2）还原性：
C+CuO==2Cu+CO2↑
C+Cl2==CCl4
C+2S==CS2
C+4HNO3==CO2↑+4NO2↑+2H2O
一般地，C被氧化的产物可以是CO，也可以是CO2。
当环境温度较高T>
1000℃，主要生成CO。
当环境温度较高T<
710℃，主要生成CO2。
O2
CO2
（3）可燃性：
C
高温
（4）氧化性
C+2H2===CH4
C+Si===SiC
3C+CaO===CaC2+CO
二、碳的氧化物
1、CO2O=C=O
（1）直线型分子晶体
（2）性质：
无色略带酸，微溶，无毒（但空气中含量过量产生窒息）
不支持燃烧（相对）
点燃
①氧化性：
CO2+C==2CO
CO2+Mg===MgO+C
3CO2+4Na==2Na2CO3+C
②酸酐：
CO2+H2O
H2CO3
CO2+NH3+H2O==NH4HCO3
CO2+CaO==CaCO3
CO2+NaOH==NaHCO3
CO2+2NaOH==Na2CO3+H2O
发散1、用NaOH、CO2如何制Na2CO3.
催
2、CO2+2NH3==CO（NH2）2+H2O
2、CO
（1）物性：
无色、无味、难溶、有毒（与血红蛋白作用）
（2）化性——还原性
Fe2O3+3CO===2Fe+3CO2（炼铁）
2CO+O2===2CO2（淡蓝色火焰）
CO+H2O===CO2+H2（碳族元素其它RO均不与水反应）
浓H2SO4
（3）制法
HCOOH======CO+H2O
（注：
H2C2O4======CO↑+CO2↑+H2O）
三、碳酸、碳酸盐
1、碳酸
O
||
（1）结构：
HO—C—OH（甲酸的氧化产物）
（2）二元弱酸
<
H2SO3、HAc
>
HClO、H2SiO3、H2S、
①能使石蕊变红
—OH
②酸性
③成盐：
正盐、酸式盐
2—
2、碳酸盐
（1）CO32—：
O—C—O平面三角形
（2）性质
①溶解性
a.正盐：
铵盐和碱金属易溶于水
b.酸式盐：
均溶于水
②水解性
呈碱性
a.CO32—水解只水解，程度大
b.HCO32—水解HCO3—水解程度大于电离程度
c.双水解
—→
Al3+、Fe3+Al（OH）3↓、Fe（OH）3↓
CO2—、HCO3—CO2↑
2Cu2++2CO32—+H2O==Cu2（OH）2CO3+CO2↑
③热稳定性
a.正盐>
酸式盐
CaCO3、ZnCO3、PbCO3加热分解
Na、K、Ba的碳酸盐高温难分解
b.
300℃
NaHCO3——→Na2CO3+CO2+H2O
Ca（HCO3）2、Mg（HCO3）2低于100℃可分解
c.
④酸解
H+
CO32——→HCO3——→H2CO3—→CO2↑—→H2O
2H+
四、硫化物和氯化物
1、CS2
（1）S=C=S
（2）无色有毒挥发性液体
（3）不溶于水，易溶解S单质，P4
（4）易燃
2、CCl4
（1）正四面体，非极性溶剂。
（2）无色液体，有机溶剂。
（3）较稳定，不易燃，常用作高效灭火剂。
第三部分硅及其化合物
[在美国旧金山，有一个最大高科技工业园区，称之为“硅谷”，它是现代电子工业和计算机发展的基地]。
一、硅的单质
1、硅的存在
硅在地壳中含量仅次于氧，只以化合态存在于自然界。
硅酸盐
无定形：
灰黑色粉末
晶形：
银灰色，有金属光泽，硬而脆，原子晶体（与金刚石结构相似）
2、物性
同素异形体
半导体（Ge）—→电子工业
3、化性——主要非金属性质（难金属、类金属、半金属）
（1）常温下
Si+2F2==SiF4
Si+4HF==SiF2↑+H2↑
Si在含氧酸中被钝化—→不反应
Si+2NaOH+H2O==Na2SiO3+2H2↑
发散1、与NaOH溶液反应产生H2实与H2O反应
非金属单质：
Si
金属：
碱金属、碱土金属、Al
2、Si与NaOH溶液反应实质
4e
Si+3H2O===H2SiO3+2H2↑
H2SiO3+2NaOH===Na2SiO3+2H2O
Si+O2==SiO2
Si+2H2==SiH4Si+2Mg==Mg2Si
（2）常温下
873K
673KSi+2Cl2==SiCl4
1573K3Si+2N2==Si3N4
2273KSi+C==SiC
Si+FeO==SiO2+Fe（炼钢脱氧）
SiCl4（L）水解
SiCl4+4H2O==H4SiO4↓+4HCl（白雾）
3、工业制法
←焦炭
←电炉
H2
高T
SiOSi（粗）SiCl4Si（纯）——99.9999%
3273K
SiO2+2C====Si+2CO
Si（粗）+2Cl===SiCl4（L）
SiCl4+2H2===Si（纯）+4HCl
二、硅的氢化物
硅与碳相似，有一系列氢化物，不过由于硅自相结合成链的能力比碳差，生成的氢化物要少得多。
到目前为止，已制得的硅烷不到12种。
1、如：
SiH4（g）Si2H6（g）Si3H8（L）Si4H10（L）
一硅烷二硅烷……
甲硅烷
2、生成（由于硅与H2直接反应较难）
常用金属硅化物与酸反应
Mg2Si+4HCl==SiH4↑+2MgCl2
3、性质活泼
（1）自燃：
SiH4+2O2===SiO2+2H2O
（2）强还原性：
SiH4+2KMnO4==2MnO2↓+H2↑+K2SiO3+H2O（检验硅烷）
（3）分解：
热稳定性差
1873K
773K
SiH4====Si+2H2（制高纯硅）
三、含氧化合物——SiO2（SiO只有在高温下存在Si+SiO2====SiO）
1、结构（比较CO2）
CO2：
O=C=OEC=0RC直线型分子晶体
SiO2：
—O—Si—O—ESi—ORSi空间网状结构原子晶体
2、形态及物理性质
①SiO2也叫硅石（石英主要成分：
SiO2）
②形态（天然）
a.晶态—→石英矿纯石英—→水晶（透明，棱柱状石英），立体网状结构，原子晶体
（紫水晶、玛瑙、碧玉是含杂质有色晶体）
（砂子也混有石英细粒）
b.无定形态：
硅澡土：
多孔、质轻、松软、表面积大、吸附剂、催化剂载体、保温材料
熔融
冷却
3、硬度大、熔点高
4、石英玻璃
（1）石英—→—→硬化
石英玻璃（成分：
SiO2，区别普通Na玻璃）
晶体排列打乱
（2）石英玻璃：
热膨胀系数小，耐受温度剧变，能透过紫外线，光学仪器，光导纤维。
3、化性——不活泼
（1）酸酐（但不与H2O反应）
SiO2+2NaOH===Na2SiO3+H2O（碱对玻璃腐蚀）
SiO2+CaO===CaSiO3（炼铁炉中造渣反应）
（玻璃熔炉中的主反应）
SiO2+CaCO3====CaSiO3+CO2↑
SiO2+Na2CO3===Na2SiO3+CO2↑
（2）特性
SiO2+4HF===SiF4+2H2O（HF对玻璃的腐蚀）
SiO2+2Mg===2MgO+Si
2Mg+Si===Mg2Si
MgO+SiO2===MgSiO3
SiO2+2C===Si+2CO↑
4、用途
制造光导纤维、光学仪器、玻璃原料、建筑材料
四、硅酸（硅酸、原硅酸和由它们缩小结合而成酸）
1、原硅酸
OH
|
HO—Si—OH不稳定，在空气中易发水，几乎不溶于水很弱的酸
2、硅酸：
HO—Si—OH难溶弱酸（<
H2CO3）水溶液胶体
H2SiO3==SiO2+H2O
3、制取：
可溶盐加酸
空气中失水
HCl
或CO2
Na2SiO3——→H4SiO4↓———→H2SiO3
不是“风化”
白色胶状———→白色粉状
4、多硅酸—→xSiO2·
yH2O
二硅酸：
HO—Si—O—Si—OH
三硅酸：
HO—Si—O—Si—O—Si—OH
n硅酸：
H2n+2SnO3n+1←—nH4SiO4–（n–1）H2O
5、硅胶
（1）是单分子硅酸逐渐缩合失水变为多酸时，形成硅酸凝胶，将凝胶洗涤除去可溶性盐类，烘干胶水后形成。
（2）约含水4%的SiO2，化学式为mSiO2·
nH2O
（3）多孔性固体，表面积大，吸附能力强。
（4）干燥剂、吸附剂、催化剂载体
对H2O、BCl3、PCl5等极性物质有较强吸附作用
（5）常呈淡蓝色，添加无水CaCl2表示吸水程度
吸水
粉红色
五、硅酸盐（硅酸、原硅酸和由它们缩水结合而成的各种酸所对应的盐）
1、典型——Na2SiO3
①Na2SiO3水溶液俗称“水玻璃”、“泡花碱”，无色粘稠液体。
矿物胶
不能用带玻璃塞的玻璃装
②反应：
Na2SiO3+CO2+H2O==Na2CO3+H4SiO4↓（密封保存）
HCl、H2SO4……
③用途：
矿物胶、防腐剂、耐火材料
2、表示方法
x·
金属氧化物·
ySiO2·
zH2O
正长石：
K[AlSi3O8]：
K2O·
Al2O3·
6SiO2
白云母：
KAl2[Si3AlO10]（OH）2：
3Al2O3·
6SiO2·
2H2O
高岭石：
Al2（Si2O5）（OH）4：
2SiO2·
V最外层达8电子←—钾钒铀矿：
K2H6U2V2O15—→K2O·
V2O5·
2VO3·
3H2O
第四部分硅酸盐工业
一、比较水泥和玻璃的生产方法
水泥
玻璃
主要设备
回转窑
玻璃熔炉
原料
石灰石、粘土
纯碱、石灰石、石英（过量）
反应原理
发生复杂的物理、化学变化
Na2CO3+SiO2===Na2SiO3+CO2↑
CaCO3+SiO2===CaSiO3+CO2↑
主要成分
3CaO·
SiO2、2CaO·
SiO2、3CaO·
Al2O3
Na2SiO3、CaSiO3、SiO2
反应条件
高温
添加剂
石膏
PbO、硼砂、Co2O3、Co2O等
1、玻璃态物质指没有固定熔点，能在一定温度内软化的非晶体物质，一般属于混合物，混合物有固定的熔沸点，纯净物有固定熔沸点。
2、玻璃既不是晶体，也不是上述物质（Na2SiO3、CaSiO3、SiO2）机械混合，而是构成复杂的玻璃态物质。
STS内容专题讲座
——新型无机材料
1、新型无机材料
材料可以分为金属材料、有机高分子材料和无机材料三大类。
本课所要介绍的新型无机材料主要是指近几十年来所发展起来的以特种陶瓷为代表的一些新型材料。
这些新型无机材料与传统的无机材料主要有以下区别：
（1）其生产原料不是直接取自自然界，而是通过化学过程加工制得。
（2）其化学组成已远远超出了硅酸盐范围，既有氧化物，含氧酸盐，也有氮化物、碳化物、硼化物等。
（3）其制造工艺有了重大发展，传统的陶瓷工艺虽然还常常采用，但工艺条件的控制要求更为严格。
新型无机材料按其在使用中的作用和要求可分为结构材料和功能材料。
①结构材料：
主要是应用于一些极端条件下具有耐高温、耐化学腐蚀、耐热冲击的坚固耐用材料。
例如用作钠光灯管的透明氧化铝陶瓷就是一种能在1000℃以上高温下工作，并具有良好透光性能的新型结构材料。
②功能材料：
功能材料则是利用其所具有特殊的力学、热学、光学、磁学、电学及化学性质来完成特定功能的材料。
例如电视机显像管中的萤光体，具有受到电子轰击时高效率地放出红、蓝、绿光的性质，显像管就是利用它的这种性质来完成显示图像功能的，荧光体就是一种无机功能材料。
纳米粒子是指粒径为1nm至100nm的超细微粒由于表面效应和体积效应，纳米粒子常有奇特的光、电、磁、热性质。
故可开发为新型功能材料。
人工制造纳米材料的历史至少可以追溯到一千多年前。
中国古代铜镜表面的防锈层，经证实为氧化锡钠米粒子构成的薄膜。
2、新型无机材料的特性
（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绝缘体，有的可作半导体、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单色的光，有的能透过可见光。
有的能使红外线、雷达射线穿过。
（4）具有生物功能。
一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，可直接植于人体内，用这类材料制成的人造牙齿、人造骨骼，已被应用在医学上。
两种新型无机非金属材料：
①高温结构陶瓷：
氧化铝陶瓷（人称人造刚玉）、氮化硅陶瓷。
②光导纤维——光纤（SiO2）
3、科技展望：
几种现代陶瓷的特殊功能
（1）玻璃陶瓷：
用于第三代光源——高压钠灯放电管的制作上，其发光率是高压汞灯的2倍，透雾性能好、寿命长、节能，适于城市公路、港口、机场、码头等处的照明。
尖晶石（MgAl2O4）玻璃陶瓷：
其表面具有非凡的抗损坏性能，常用作超音速飞机风挡，高级轿车的防弹窗，雷达的天线罩，导弹的防风镜等。
（2）金属陶瓷：
含20%的超微金属钴粉末的金属陶瓷是优质耐高温材料，可制作运载火箭的喷嘴。
金属陶瓷由于耐高温摩擦，常用于原子反应堆和航天事业。
（3）导电陶瓷：
而2400℃～3000℃的高温、耐腐蚀性气流的高速冲刷且具有良好的高温导热导电性能。
适用于磁流体发电设备。
（4）耐热陶瓷：
碳化硅、四氮化硅制成的碳化硅陶瓷和氮化硅陶瓷，都具有良好的耐高温性能。
用碳化硅陶瓷制成柴油发动机的气缸活塞，活塞杆耐磨、耐高温，用它制成的耐高温热交换器管子，在1000℃～1100℃使用，经过几百次循环后仍安然无恙。
（5）压电陶瓷：
陶瓷的压电现象在电声、水声、超声、引燃、引爆等方面都获得了广泛应用，如压电扬声器、地震预报、海洋鱼群和粮仓害虫探测等。
（6）超大规模集成电路陶瓷，用纯度在99.99%，粒度在1微米以下的碳化硅粉末，加入少量极纯的金属铍粉末，经烧结而成的陶瓷，可用作超大规模集成电路的衬底，具有传统元件从没有的绝缘性、导热性和热膨胀性。
导热率是铝的14倍，热膨胀率与半导体硅基本相同，但不象铝会从硅上剥离。
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