玻璃的主要成分是什么?硅的化学性质是什么?
20世纪60年代,随着集成电路的研制成功,电子工业飞速发展,各种电子产品层出不穷。越来越多的产品如收音机、电视机和电脑进入了我们的生活。硅在电子工业的发展中起着非常重要的作用。硅与我们的生活息息相关。除了电子产品的材料中含有硅之外,建筑房屋的水泥、窗户上的玻璃、日常餐具等也都是由含硅物质制成的。接下来,我们将介绍一些与硅相关的知识。
我们在初中学过碳及其化合物的一些性质。学习了原子结构和元素周期律的知识后,我们知道每个元素在周期表中都有其对应的位置。那么,碳在元素周期表的什么位置呢?还有哪些元素与之相关?
一.碳族元素
碳原子最外层电子层有四个电子,和碳的电子层一样。硅(Si)、锗(Ge)、锡(Sn)和铅(Pb)原子的最外层电子层也有四个电子。这五种元素位于元素周期表的ⅳ a族,我们称之为碳族元素。
讨论1根据元素周期律的知识,我们尝试推断出一些碳族元素性质变化的规律。
随着核电荷的增加,碳元素的某些性质呈现出规律性的变化。比如元素周期表,从上到下,元素原子半径逐渐增大,失去电子的能力逐渐增强,获得电子的能力逐渐减弱,非金属向金属性的趋势明显。在碳族元素的单质中,碳是非金属;虽然硅看起来像金属,但它在化学反应中表现出非金属性,通常被认为是非金属。锗的金属性比非金属性强;锡和铅都是金属。
碳元素的化合价主要是+4和+2。碳、硅、锗和锡的+4价化合物是稳定的,而铅的+2价化合物是稳定的。
表1列出了碳族元素及其单质的一些性质。
从表1可以看出,碳同素异形体金刚石和石墨的物理性质明显不同,这是由于金刚石和石墨中碳原子的成键方式不同造成的。近年来,科学家发现了一些新形式的碳,其中最重要的是1985年发现的C60。C60是由60个碳原子组成的分子,外形酷似足球(图7-2),所以常被称为足球烯。此外,还发现了一些与C60结构相似的碳分子,如C70。
目前,C60的研究取得了很大进展,将C60应用于超导体、材料科学等领域的探索正在不断深入。中国在这一领域也取得了巨大成就。比如北京大学和中科院物理所已经成功研制出金属掺杂的C60超导体。可以说,C60的发现对碳化学乃至整个化学领域的研究都具有重要意义。
初中化学学过一些碳及其化合物的性质。在这里,我将重点学习一些关于硅及其化合物的知识。
我们已经知道,硅是自然界中分布很广的元素,在地壳中的含量仅次于氧。自然界中没有游离硅,只有结合态的硅,如二氧化硅和硅酸盐。硅的这些结合形式广泛存在于地壳中的各种矿物和岩石中,是矿物和岩石的主要成分。
硅有两种同素异形体:晶体硅和非晶硅。晶体硅是一种灰黑色的金属硬而脆的固体(见元素硅的大晶体图)。其结构与钻石相似,熔点和沸点高,硬度大。晶体硅的另一个重要性质是其导电性介于导体和绝缘体之间,是一种很好的半导体材料。
我们知道,碳在常温下是化学稳定的,在高温下可以和氧等物质发生反应。作为碳的同族元素,硅的化学性质如何?
讨论2根据碳和元素周期律的知识,总结出硅的一些化学性质。
硅原子最外层电子层的电子数和碳原子最外层电子层的电子数相同,都是4个电子,所以硅的很多化学性质和碳相似。在室温下,硅的化学性质是不活跃的。除氟气、氢氟酸、强碱外,硅不与其他物质反应,如氧气、氯气、硫酸、硝酸等。在加热条件下,硅可以与一些非金属发生反应。例如,当加热时,精细研磨的硅可以在氧气中燃烧,产生二氧化硅并释放大量热量。
硅+氧二氧化硅
硅是一种重要的非金属单质,用途广泛。作为一种良好的半导体材料,硅可用于制造集成电路、晶体管和硅整流器等半导体器件。此外,硅的合金也有广泛的用途。例如,含硅量为4%(质量分数)的钢具有良好的导磁性,可用于制造变压器铁芯。含硅量约为15%(质量分数)的钢具有良好的耐酸性,可用于制造耐酸设备。
因为自然界没有简单的硅,我们使用的硅都是从其化合物中提取的。在工业上,高温下用碳还原二氧化硅可以得到含少量杂质的粗硅。
二氧化硅+2C硅+2CO
粗硅提纯后,可获得用作半导体材料的高纯硅。
二。二氧化硅
二氧化硅是硅的氧化物,广泛存在于自然界,与其他矿物类质同象形成岩石。天然二氧化硅,也称为二氧化硅,是一种坚硬的耐火固体。
二氧化硅化学性质不活泼,不与水或酸(氢氟酸除外)反应,但能与碱性氧化物或强碱反应生成盐。举个例子,
二氧化硅+氧化钙
二氧化硅+2氢氧化钠=硅酸钠+H2O
讨论3为什么实验室中盛放碱液的试剂瓶要用胶塞而不是玻璃塞(玻璃中含有SiO2)?
二氧化硅是一种酸性氧化物,其对应的水合物是硅酸(H2SiO3)。硅酸不能直接由二氧化硅制得,只能由可溶性硅酸盐与酸反应制得。硅酸不溶于水,是一种弱酸,比碳酸弱。
二氧化硅用途广泛。目前高性能通信材料光纤的主要原料是二氧化硅。
应时的主要成分也是二氧化硅,相对纯净的应时可以用来制造应时玻璃。我们实验室里使用的一些耐高温化学仪器是由应时玻璃制成的。应时制造的石英电子表和石英钟也很受人们的欢迎。
透明的应时水晶就是我们常说的水晶(如下图)。晶体常用于制造电子工业中的重要零件和光学仪器,以及高档工艺品和玻璃。
三。硅酸盐
硅酸盐是地壳岩石的主要成分,自然界存在各种天然硅酸盐矿物,约占地壳的5%。硅酸盐种类繁多,结构非常复杂。通常,它们的组成可以用二氧化硅和金属氧化物的形式表示。举个例子,
硅酸钠(Na2O SiO2)
高岭石Al _ 2(Si _ 2O _ 5)(OH)_ 4(Al _ 2O _ 3.2 SiO _ 2.2 H2O)
硅酸钠是最常见的硅酸盐,其水溶液俗称硅酸钠。水玻璃是一种无色粘稠液体,一种矿物胶,可用作建筑粘合剂。硅酸钠不能燃烧,不易被腐蚀,可以作为防腐剂。木材、纺织品用硅酸钠浸泡后,既能防腐,又不易着火。
粘土的主要成分是硅酸盐。粘土有很多种,常见的有高岭土和普通粘土。粘土是制作陶瓷的主要原料。
阅读二氧化硅粉尘的危害
二氧化硅在日常生活、生产和科研中发挥着重要作用,但有时也会对人体产生危害。人如果长期吸入含有二氧化硅的粉尘,就会患上矽肺(因为硅叫硅,矽肺叫矽肺)。矽肺是一种职业病,其发生和严重程度取决于空气中的粉尘含量、粉尘中的二氧化硅含量以及与人接触的时间。长期在二氧化硅粉尘含量高的地方工作的人,如采矿、翻砂、喷砂、制陶瓷、制耐火材料等地方,容易患此病。因此,在这些粉尘较多的工作场所,应采取严格的劳动保护措施,采用各种技术和设备控制工作场所的粉尘含量,以保证劳动者的健康。
小家庭实验
在水槽或大玻璃容器底部铺一层洗过的细沙(约1 cm厚),然后放一块假山形状的石头或矿渣。将20%的过滤产品注入容器中。
Na _ 2 SiO _ 3溶液(约为容器体积的3/4),用玻璃棒在底部铺上沙子。静置,液面停止晃动后,用镊子分离出各种盐类固体(红豆大小),如CuSO4、
MnCl2、CaCl2、CoCl2(氯化钴)等,被放入沉淀池中不同位置的沉淀物中。很快就可以看到,放盐的地方,晶体从水底的细沙慢慢向上“生长”。几个小时后,它会长成各种颜色的“水草”,形成一个美丽的“水下花园”。
(见上文)
第二节硅酸盐行业简介
在日常生活中,我们经常会接触到一些硅酸盐材料,比如我们使用的碗碟,居住的房屋。硅酸盐材料是由含硅材料加热制成的。这种制造业称为硅酸盐工业,如水泥、玻璃、陶瓷等产品。硅酸盐工业在国民经济中占有重要地位。
1.水泥
水泥是一种非常重要的建筑材料,是高层建筑和各种建筑工程不可或缺的材料。水泥是水硬性的,与水混合后容易凝固变硬。由于这种优良的特性,水泥被用作建筑材料。因为它在水中也能硬化,所以也是水下工程的必备材料。
以粘土和石灰石为主要原料,经研磨混合后,在水泥回转窑中煅烧,再加入适量石膏,研磨成细粉,得到普通水泥。
普通水泥的主要成分是硅酸三钙(3CaO SiO2)、硅酸二钙(2CaO SiO2)、铝酸三钙(3CaO Al2O3)。
水泥、沙子和水的混合物称为水泥砂浆,是一种建筑粘合剂,可以粘合砖块和石头。
水泥、沙子和砾石的混合物叫做混凝土。混凝土往往由钢筋制成,也就是我们常说的钢筋混凝土结构。钢筋混凝土具有很大的强度,常用于建造高层建筑,如高层建筑和桥梁。
解放前,中国使用的水泥主要依赖进口。新中国成立后,水泥工业发展迅速。目前,中国水泥产量已跃居世界前列。
数据水泥标签
水泥在空气中硬化后,具有抗压强度,抗压强度以kg/cm2计算。水泥和砂以1 ∶ 2.5的比例混合制成砂浆试样。该样品在水中28天后的抗压强度称为水泥标号。例如,1份水泥与2.5份砂混合制成的砂浆试样,在水中硬化28天后抗压强度为425 kg/cm2,这种水泥的标号为425。水泥标号越大,性能越好。常用的硅酸盐水泥有325号、425号、525号、625号,部分高强水泥标号超过1000。
2.玻璃
玻璃是我们每天都能看到的硅酸盐产品。
窗玻璃是最常见的玻璃,称为普通玻璃。制造普通玻璃的原料是纯碱、石灰石和应时。生产时,将原料粉碎,按适当的比例混合,放入玻璃窑中加强热量。原料熔化后发生了复杂的物理和化学变化,其中主要反应有:
Na2CO3+SiO2 Na2SiO3+CO2↑
CaCO3+SiO2 CaSiO3+CO2↑
在制作玻璃的过程中,如果加入一些金属氧化物,可以制成彩色玻璃。比如含Co2O3(氧化钴)的玻璃是蓝色的,含Cu2O的玻璃是红色的。我们看到的普通玻璃一般都是浅绿色的,这是因为原料中掺杂了亚铁。
玻璃有很多种,除了上面提到的普通玻璃,还有其他玻璃,如应时玻璃、光学玻璃等等。表2列出了几种玻璃的特性和用途。
表2几种玻璃的特性和用途
3.制陶术
陶瓷在中国有着悠久的历史。在新石器时代,我们的祖先就能制造陶器,到了唐宋时期,制造水平已经很高了。唐代的“三彩”和宋代的“钧瓷”举世闻名,流传至今。作为陶瓷之乡,中国陶都宜兴的陶器和瓷都景德镇的瓷器在世界上享有盛誉。
制作陶瓷的主要原料是粘土,制作陶瓷的大致流程如下图所示。
陶瓷的种类很多,根据原料和烧制温度的不同,主要分为土陶、陶器、瓷器和炻器。比如,常见的砖、瓦属于土陶,是用含有杂质的泥土在适当的温度下制成的;制瓷要求比较高,需要纯粘土做原料,烧成温度比较高,所以瓷器比陶瓷更白,更致密。
通常,烧制的陶瓷产品具有粗糙的表面和不同程度的渗透性。为了弥补这一缺陷,烧制前往往在坯体表面涂上一层釉,使成品光滑不漏水。
陶瓷具有抗氧化、耐酸碱腐蚀、耐高温、绝缘、易成型等诸多优点,因此陶瓷制品一直受到人们的喜爱。从地下挖掘出来的古陶瓷,历经数年仍保持着本来面目,不仅成为人们欣赏的艺术珍品,而且对后人研究历史也有很大帮助。如今,陶瓷仍广泛应用于生活和生产中,如日常生活中的一些餐具,建筑中的砖瓦,电器中的绝缘瓷,化学实验室中的坩埚和蒸发皿等。,都是陶瓷制品。
数据色釉
我们日常生活中看到的很多陶瓷制品都是光滑的,不透水的,色彩鲜艳,非常漂亮。这是因为坯体在烧制前涂上了彩釉。在普通釉料中加入一些重金属离子,可以制成彩釉(颜色见下表)。涂有彩色釉料的彩色陶瓷产品受到人们的喜爱。
阅读搪瓷
我们经常使用一些搪瓷制品,如搪瓷锅、杯、壶、碗等。,还有一些电器的外壳也是搪瓷的。搪瓷是在金属表面涂上类似玻璃的搪瓷,然后高温烧结而成的一种金属和无机材料结合的复合材料。搪瓷通常由钢板、铁、铝、铜和银制成,搪瓷的外层起到保护和装饰金属的作用。
我国很早就掌握了烧制珐琅的工艺。景泰蓝是明代宣德至景泰间制作的精美青铜珐琅工艺品,至今仍是人们喜爱和珍藏的艺术品,多年来珐琅技术不断完善和发展,并应用于现代化学工业和现代科学技术等诸多领域。比如化工行业的反应塔;汽车和火车的排气管;搪瓷用于飞机和火箭的耐高温部件。搪瓷还用于电子、红外、激光、同位素等高科技领域。
总结
碳族元素位于元素周期表的ⅳ a族,随着核电荷的增加,其性质发生有规律的变化。
硅和二氧化硅的主要性质和用途;