二氧化硅和硅酸盐

2020/2/29114.4.6二氧化硅和硅酸盐1.二氧化硅●存在——硅的丰度为29.50％，居第二位。是构成矿物的主要元素。硅易与氧结合，自然界无游离的硅，以硅石SiO2及硅酸盐形式存在——硅石有晶形和无定形两种形态。硅藻土是无定形的SiO2，由硅藻和放射虫的遗骸构成，具有多孔性，是良好的吸附剂●结构与性质——结构SiO2是原子晶体，每个硅原子与4个氧原子以单键相连，构成[SiO4]四面体结构单元。晶体的最简式为SiO2，但SiO2并不代表一个简单的分子。四面体排列的形式不同构成了不同的晶型2020/2/292——物理性质纯净的石英称水晶，是坚硬，脆性、难溶的无色透明晶体，膨胀系数很小，骤热骤冷也不易破裂，常用以作光学仪器，是光导纤维的主要材料，紫水晶、烟水晶是由于混入杂质所致——化学性质SiO2的化学性质不活泼，不溶于水与酸作用情况只有浓磷酸和氢氟酸可与之作用SiO2+2H3PO4(浓)====SiP2O7+3H2OSiO2+4HF====SiF4+2H2OSiF4极易与HF配位形成氟硅酸SiF4+2HF====H2SiF6氟硅酸在水溶液内很稳定，是强酸，酸性与硫酸相仿2020/2/293与碱作用情况SiO2是酸性氧化物，能缓慢地溶解在强碱中生成硅酸盐SiO2+2NaOH====Na2SiO3+H2O高温时，SiO2与氢氧化钠或碳酸钠共熔得到硅酸钠SiO2+2Na2CO3====Na2SiO3+CO2Na2SiO3呈玻璃状，能溶于水，水溶液称为水玻璃，可作粘合剂、防火涂料和防腐剂2.硅酸●概况SiO2是硅酸的酸酐，可构成多种硅酸，组成随形成条件而变，以SiO2yH2O表示。已知的有：偏硅酸H2SiO3（SiO2H2O）它最简单，常以H2SiO3代表硅酸；二硅酸H6Si2O7（2SiO23H2O）；三硅酸H4Si3O8（3SiO22H2O）；二偏硅酸H2Si2O5（2SiO2H2O）；正硅酸H4SiO4（SiO22H2O）2020/2/294●性质——制取实验室用可溶性硅酸盐和酸作用制取硅酸SiO32-+2H+====H2SiO3——硅酸是二元弱酸，Ka1=310-10，Ka2=210-12。硅酸在纯水中溶解度很小。生成的硅酸不立即沉淀。原因：单个硅酸分子可溶。硅酸分子会逐渐进行聚合成多硅酸溶胶，加电解质于稀的硅酸溶胶中方可得粘浆状的硅酸沉淀，若硅酸较浓则得硅酸凝胶。蒸发硅酸凝胶部分水，得到硅酸干胶，即硅胶(silicagel)——关于硅胶白色稍透明的固体，多孔性，内表面积很大，可达800m2·g-1~900m2·g-1，有强的吸附性能，可作吸附剂、干燥剂和催化剂载体。实验室用变色硅胶作干燥剂：硅胶用CoCl2溶液浸透后烘干。无水Co2+为蓝色，水合Co(H2O)62+为粉红色。吸附水分增多，颜色由蓝向粉红转变，重新烘干变为蓝色2020/2/2953.硅酸盐●性质溶解性所有硅酸盐中，仅碱金属硅酸盐可溶水，其余金属的硅酸盐都难溶于水。贵金属硅酸盐一般具有特征的颜色水溶液性质溶液呈碱性。在硅酸钠溶液中加入NH4Cl，NH4+与水作用而显酸性，SiO32-与水作用显碱性，相互促进，使其与水作用更完全，H2SiO3沉淀和氨气放出，可鉴定可溶性硅酸盐SiO32-+2NH4++2H2O====H2SiO3+2NH3H2O2NH3+2H2O分布硅酸盐分布极广，种类繁多，约占矿物总类的1/4，构成地壳总质量的80%。硅酸盐组成非常复杂，为方便，常看作硅酐和金属氧化物相结合的化合物，化学式可写作2020/2/296钾长石K2OAl2O36SiO2或K2Al2Si6O16高岭土Al2O32SiO22H2O或Al2H4Si2O9白云母K2OAl2O36SiO22H2O或K2H4Al2(SiO3)6石棉CaO3MgO4SiO2或CaMg3(SiO3)4沸石Na2OAl2O32SiO2nH2O或Na2A12(SiO4)2nH2O滑石3MgO4SiO2H2O或Mg3H2(SiO3)4高岭土是粘土的基本成分。纯高岭土为制造瓷器的原料。钾长石、云母和石英是构成花岗岩的主要成分。花岗岩和粘土都是主要的建筑材料。石棉耐酸、耐热，可用来包扎蒸气管道和过滤酸液，也可制成耐火布。云母透明、耐热，可作炉窗和绝缘材料。沸石可作硬水的软化剂，也是天然的分子筛2020/2/297●结构类型硅酸盐基本结构单位都是[SiO4]四面体。[SiO4]四面体不同的连接方式构成4类不同的硅氧骨干结构形式（1）分立型硅酸盐结构中含有单个的负离子[SiO4]2-或2，3，4，6个[SiO4]四面体，联成直链或环状结构的负离子[Si2O7]6-，[SinO3n]2n-，这些分立的硅氧骨干靠带正电的金属离子相互联结（2）链型硅酸盐许多[SiO4]四面体连接成无限长的单链或双链，因而此类结构中含有在一个方向上无限延伸的硅氧骨干如[SiO3]n2n-，[Si4O11]n6n-（3）层型硅酸盐许多[SiO4]四面体通过共用顶角氧原子连成片状结构。含有在二维平面上延伸的硅氧骨干[Si2O5]n2n-，[AlSi3O10]n5-（4）骨架型硅酸盐许多[SiO4]四面体联结成无限个三维网格结构。[SiO4]四面体通过共用4个氧原子而组成各种各样的空间格架，其硅氧骨干如[AlSi3O8]nn-等2020/2/298§14.5*无机非金属材料见第19章材料与化学§14.6*常见离子的鉴定方法略2020/2/299第十九章材料与化学本章要点本章主要介绍化学与材料科学之间的关系，重点是化学在各种新材料的开发和应用中的作用，包括金属材料、新型无机非金属材料、有机高分子材料、复合材料以及纳米材料等2020/2/2910§19.1引言●定义材料（materials）是能用以制作有用物件的物质●分类按化学组成——金属材料以金属元素为基础的材料——无机非金属材料除金属和高分子材料外的几乎所有的材料——有机高分子材料——复合材料●意义国际社会公认，材料、能源和信息技术是新科技革命的三大支柱。从现代科学技术发展史中可以看到，每一项重大的新技术发现，往往都有赖于新材料的发展2020/2/2911§19.2金属材料●概况——金属材料是以金属元素为基础的材料。纯金属的机械性能常难满足工程技术的需要，故金属材料常以合金的形式使用——合金在纯金属中，加人一种或多种其他元素，通过适当的成型加工，制造出具有不同性能的各种金属材料19.2.1轻质合金●定义轻质合金是以轻金属为主要成分的合金材料。有色金属与合金中的铝、镁及其合金属于轻金属和轻合金2020/2/2912●类型——铝合金按加工方式分为变形铝合金和铸造铝合金。经热处理提高强度的变形铝合金为硬铝合金，其制品的强度和钢相近，而质量仅为钢的1／4左右，但耐腐蚀性较差。用压力加工法提高强度的变形铝合金称为防锈铝合金，可耐海水腐蚀，用于造船工业——铝锂合金轻合金中用途最广泛。特点：高强高模。原因：锂的密度为0.534g／cm3，是铝的1／5，钢的1／15。在铝合金中增加少量锂可使密度显著降低。对于追求轻质高强材料的航空航天工业有很大吸引力。民航机上改用铝锂合金，飞机重量可以减轻8％～16％，如B737将可减重2178kg，B747SP可减重4200kg，B747—200可减重5200kg，A310可减重2600kg，A340可减重3900kg2020/2/291319.2.2形状记忆合金●形状记忆效应合金材料在一定条件下变形后仍能恢复到变形前原始形状的能力。原因：合金存在着一对可逆转变的晶体结构的。1951年美国人首先发现金一镉（Au—Cd）合金有记忆形状的特性。以后发现铟一铊（In—Tl）、镍一钛（Ni—Ti）等●应用——加工成内径比欲连接管外径小的套管，再扩径，把欲连管道插入。温度至常温时，套管收缩即形成紧固密封。20世纪70年代初，Ni—Ti合金管接头在美国F14飞机油路连接系统上得到应用——优点连接方式接触紧密，防渗漏、装配时间短，远胜于焊接，特别适合于航空、航天、核工业及海底输油管道等危险场合等领域。Ni—Ti形状记忆合金可制成人造卫星天线而卷入卫星体内，当卫星进入轨道后，借助于太阳热或其他热源在太空展开2020/2/291419.2.3贮氢合金●概况——贮氢材料某些过渡金属、合金和金属间化合物有特殊的晶体结构，使氢易进入其晶格间隙形成金属氢化物，这些金属氢化物可贮存1000～1300倍的氢，加热时氢能从金属中释放出来——发现史1968年美国布鲁海文国家实验室首先发现镁一镍合金具有吸氢特性，1969年荷兰菲利普实验室发现钐钴（SmCo5）合金能大量吸收氢，随后又发现镧一镍（LaNi5）合金在常温下具有良好的可逆吸放氢性能，现贮氢合金正在向合金系的多元化发展●应用利用贮氢合金贮运氢气，既轻便又安全，不仅没有爆炸危险，还有贮存时间长、无损耗等优点。贮氢合金的迅速发展，必为氢气的利用开辟更广阔的前途2020/2/291519.2.4金属磁性材料●磁性材料（体）能磁化到较大磁化强度并在实际中可利用其磁性的强磁性体即称为磁性材料发展史——指南针、指南车——20世纪60年代：第一代稀土永磁合金。目前第四代稀土永磁材料●应用主要有两大类——硬磁材料或永磁材料用于发电机、电气仪表等方面——软磁材料用于电动机及变压器的磁芯以及各种磁头材料2020/2/2916§19.3（新型）无机非金属材料●概况——范围无机非金属材料包括了除金属材料和高分子材料以外的几乎所有的材料。所有材料中用量最大——无机非金属材料的种类陶瓷、砖瓦、玻璃、水泥和耐火材料等以硅酸盐化合物为主要成分制成的传统无机材料由氧化物、碳化物、氮化物、硼化物等制成的新型无机非金属材料——性能特点耐高温、高硬度、抗腐蚀等优异性能，以及优良的介电、压电、光学、电磁学及其功能转换等特性2020/2/291719.3.1陶瓷材料●陶瓷(ceramics)——一般的陶瓷，是以黏土为主要原料，高温煅烧而制得的硬而强、耐水、性脆的硅酸盐材料——陶瓷的制作黏土等与适量水充分调制后，制成一定形状的坯体。经低温干燥，高温烧结和冷却阶段，生成以3A12O32SiO2为主要成分的陶瓷材料——类型陶器用普通黏土为原料，在不高于1000℃的温度下烧结而得细瓷用较纯净的黏土，在更高的温度下烧成，并经上釉而得新型陶瓷用高纯度无机化合物为原料，在严格控制条件下成型、烧结或作其他处理制成具有微细结晶组织的无机材料2020/2/2918——陶瓷材料的优点化学稳定性好，耐酸碱侵蚀和抗高温氧化，制备工艺简单，组成可变，可通过控制其组成获得新性能。某些材料经适当处理，还可以和晶体材料一样显示各向异性，有的性能甚至比晶体材料还要优越——新型陶瓷或高性能陶瓷（highperformanceceramics）几乎不含有玻璃相的结晶态陶瓷。为有别于传统陶瓷，称先进陶瓷（advancedceramics），或高技术陶瓷（hightechceramics）；有时也称为精细陶瓷（fineceramics），取其显微结构非常精细，制备技术非常精细之意；也称为工程陶瓷（engineeringceramics）。可分为先进结构陶瓷利用材料本身具有的优异力学性质用于制备各种机械结构的零部件，以至切削刀具。它提供了其他材料不能提供的高使用效能。先进结构陶瓷代表了当代陶瓷科学的最高水平，生产和市场容量以每年15％～18％的速度增长2020/2/2919先进功能陶瓷利用材料的电、磁、声、光、热、弹等方面直接的或耦合的效应以实现某种使用功能的陶瓷。功能陶瓷与电子技术有着很密切的关系，所谓的“功能”在很多情况下都与电子技术有联系。特点：品种繁多、丰富多彩，如电容器陶瓷、磁性陶瓷、压电陶瓷、电致伸缩陶瓷、热释电陶瓷、半导电陶瓷、导电陶瓷、透明和电光陶瓷等。电容器陶瓷作为云母电容器代用品的陶瓷电容器已经成为使用最多的电容器。世界每年生产的陶瓷电容器在500亿只以上，超过电容器总产量的一半，并且还在以每年15％的速度增长。