一、材料

1.1 材料的分类

1.2 无机非金属材料

  1. 概念：无机非金属材料是以某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、卤素化合物、硼化物、硅酸盐、铝酸盐、硼酸盐、等物质组成的材料
  2. 性能：①耐高温、耐腐蚀、硬度高、②特殊的光学、电学性能
  3. 应用：①日常生活②航空、航天③信息技术④新能源技术

二、硅酸盐材料

  1. 概况：传统的无机非金属材料多为硅酸盐材料，生活种常见的传统的无机非金属材料有玻璃、水泥、陶瓷
  2. 性质 ：是一大类结构复杂的固态物质，大多难溶于水，化学性质稳定
  3. 常见的三大硅酸盐材料的对比
    • 共同点：①原料都含硅②反应条件都是高温③发生复杂的物理及化学变化④冷却后都形成复杂的硅酸盐
项目陶瓷普通玻璃普通水泥
主要原料黏土（铝硅酸盐）纯碱、石灰石、石英砂（\(\ce{SiO2}\)）石灰石、黏土
成品成分硅酸盐\(\ce{Na2SiO3}\)、\(\ce{CaSiO3}\) 、\(\ce{SiO2}\)\(\ce{3CaO·SiO2}\) 、\(\ce{2CaO·SiO2}\) 、\(\ce{3CaO·Al2O3}\)
备注没有固定熔点
\(\ce{Na2CO3 + SiO2 \xlongequal[]{高温} Na2SiO3 + CO2 ^}\)		具有吸水性，空气中吸水发生复杂物理及化学变化，使性质改变
  1. 硅酸盐用氧化物表示的方法：活泼金属氧化物在前，不活泼金属氧化物在后；低价金属氧化物在前，高价金属氧化物在后

三、新型无机非金属材料

3.1 硅

  1. 组成及概况 ：直接由原子构成，在自然界中存在形态为氧化物和硅酸盐
  2. 物理性质 ：晶体硅是灰黑色，有金属光泽、硬而脆的固体，熔沸点很高，硬度大，导电性介于导体和半导体之间，是良好的半导体材料
  3. 化学性质 ：化学性质不活泼，但在一定条件下可以反应，基本都是体现还原性
  4. 转化规律 ：
    1. 可以和\(\ce{F2}\) 、氢氟酸、强碱溶液发生反应
      • \(\ce{Si + 2F2 \xlongequal[]{} SiF4}\)
      • \(\ce{Si + 4HF \xlongequal[]{} SiF4 ^ + 2H2 ^}\)
      • \(\ce{Si + 2NaOH +H2O \xlongequal[]{} Na2SiO3 + 2H2 ^}\)
    2. 在加热条件下可以和很多非金属单质反应
      • \(\ce{Si + O2 \xlongequal[]{\Delta} SiO2}\)
      • \(\ce{Si + 2Cl2 \xlongequal[]{\Delta} SiCl4}\)
  5. 高纯硅的制备 ：
高纯硅的制备.png
高纯硅的制备

① \(\ce{SiO2 + 2C \xlongequal[]{1800-2000℃} Si + 2CO ^}\) （不能说明 \(\ce{C}\) 的还原性大于 \(\ce{Si}\) ） ② \(\ce{Si + 3HCl \xlongequal[]{300℃} SiHCl + H2}\) ③ \(\ce{SiHCl3 + H2 \xlongequal[]{1100℃} Si + 3HCl}\)

  1. 用途 ：制造芯片和太阳能电池
  2. 硅的特殊性的体现 ：
    1. 能导电的单质不一定是金属单质，如晶体硅
    2. 有金属光泽的单质不一定是金属，如晶体硅
    3. 一般情况下，非金属单质的熔沸点都比较低，但是晶体硅的熔沸点比较高
    4. 一般情况下，还原性一定是：还原剂>还原产物，但晶体硅有个意外\(\ce{SiO2 + 2C \xlongequal[]{高温} Si + 2CO ^}\) 晶体硅的还原性是要比碳强的，之所以能被还原出来，是因为在高温条件下
    5. 非金属单质一般不与非氧化性酸反应，但是硅可以：\(\ce{SiO2 + 4HF \xlongequal[]{} SiF4 ^ + 2H2O}\)
    6. 非金属单质与强碱溶液反应，一般无氢气放出，但是硅可以：\(\ce{Si + 2NaOH +H2O \xlongequal[]{} Na2SiO3 + 2H2 ^}\)

3.2 二氧化硅

  1. 组成及概况 ：属于由原子构成的原子晶体；存在于石英，水晶，玛瑙等
  2. 物理性质 ：熔沸点高，硬而脆，不溶于水
  3. 化学性质 ：酸性氧化物，与\(\ce{HF}\) (氢氟酸)反应，与\(\ce{Na2CO3}\) 、\(\ce{CaCO3}\) 反应
  4. 转化规律 ：
    1. 酸性氧化物：与碱、与碱性氧化物反应
      • 与碱：\(\ce{SiO2 + 2NaOH \xlongequal[]{} Na2SiO3 + H2O}\) （该反应说明\(\ce{NaOH}\) 溶液不能用带玻璃塞的试剂瓶存放）
      • 与碱性氧化物：\(\ce{SiO2 + CaO \xlongequal[]{高温} CaSiO3}\)
    2. 与\(\ce{HF}\) (氢氟酸)反应：\(\ce{SiO2 + 4HF \xlongequal[]{} SiF4 ^ + 2H2O}\) (刻蚀玻璃的反应)
    3. 与\(\ce{Na2CO3}\) 、\(\ce{CaCO3}\) 反应：
      • \(\ce{SiO2 + Na2CO3 \xlongequal[]{高温} Na2SiO3 + CO2 ^}\)
      • \(\ce{SiO2 + CaCO3 \xlongequal[]{高温} CaSiO3 + CO2 ^}\)
  5. 用途 ：制作光导纤维、光学仪器、电子部件、水晶可制作饰品
  6. 二氧化硅的特殊性的体现 ：
    1. 非金属氧化物的熔沸点一般较低，但是\(\ce{SiO2}\) 的熔沸点很高
    2. 虽然\(\ce{SiO2}\) 是\(\ce{H2SiO3}\) 的酸酐，但是由于其既不溶于水也不与水反应，所以不能用\(\ce{SiO2}\) 与水反应制 \(\ce{H2SiO3}\) ，只能：\(\ce{Na2SiO3 + 2HCl \xlongequal[]{} NaCl + H2SiO3 v}\)
    3. 酸性氧化物一般不与非强氧化性酸反应，但是 \(\ce{SiO2}\) 可以：\(\ce{SiO2 + 4HF \xlongequal[]{} SiF4 ^ + 2H2O}\)

四、硅酸及其盐类相关物质的对比

4.1 二氧化碳与二氧化硅的性质比较

二氧化碳二氧化硅
同1与碱性氧化物反应\(\ce{CaO + CO2 \xlongequal[]{} CaCO3}\)\(\ce{SiO2 + CaO \xlongequal[]{高温} CaSiO3}\)
同2与碱溶液反应\(\ce{CO2(少量) + 2NaOH \xlongequal[]{} Na2CO3 + H2O}\)
\(\ce{CO2(过量) + NaOH \xlongequal[]{} NaHCO3}\)		\(\ce{SiO2 + 2NaOH \xlongequal[]{} Na2SiO3 + H2O}\)
同3与某些盐反应\(\ce{CO2 + H2O + Na2CO3 \xlongequal[]{} 2NaHCO3}\)\(\ce{SiO2 + Na2CO3 \xlongequal[]{高温} Na2SiO3 + CO2 ^}\)
同4氧化性\(\ce{C + CO2 \xlongequal[]{高温} 2CO}\)
\(\ce{SiO2 + 2C \xlongequal[]{高温} Si + 2CO ^}\)

异1熔、沸点较低较高
异3与水反应\(\ce{CO2 + H2O <=> H2CO3}\)

不反应
异3与酸反应不反应\(\ce{SiO2 + 4HF \xlongequal[]{} SiF4 ^ + 2H2O}\)

4.2 硅酸与硅酸钠的比较

硅酸硅酸钠
化学式\(\ce{H2SiO3}\)\(\ce{Na2SiO3}\)
俗称硅酸干凝胶俗称硅胶其水溶液俗称水玻璃
物理性质不溶于水的白色沉淀硅酸钠溶液是无色黏稠液体
化学性质①不稳定性：\(\ce{H2SiO3 \xlongequal[]{\Delta} SiO2 + H2O}\)
②与强碱：\(\ce{H2SiO3 + 2NaOH \xlongequal[]{} Na2SiO3 + 2H2O}\)		①与盐酸：\(\ce{Na2SiO3 + 2HCl \xlongequal[]{} NaCl + H2SiO3 v}\)
②与\(\ce{CO2}\) :\(\ce{Na2SiO3 + CO2 + H2O \xlongequal[]{} Na2CO3 + H2SiO3 v}\) ③硅酸钠溶液显碱性
制备\(\ce{Na2SiO3 + 2HCl \xlongequal[]{} NaCl + H2SiO3 v}\)\(\ce{SiO2 + 2NaOH \xlongequal[]{} Na2SiO3 + H2O}\)
保存密封保存试剂瓶不能配置磨口玻璃塞
用途干燥剂，也用作催化剂的载体常用于制备硅胶和木材防火剂

硅酸的特殊性 :无机酸一般易溶于水，但是\(\ce{H2SiO3}\) 不溶于水，酸性比碳酸还弱