玻璃主要成分
工作英语-南京东山外国语学校
2023年2月23日发(作者：海清路)玻璃的主要成分是什么？硅有哪些化学性质？
第一节碳族元素
20世纪60年代，随着集成电路的研制成功，电子工业得到了飞
速的发展,各种电子产品相继出现，收音机、电视机、计算机等越来
越多的产品进入我们的生活。在电子工业的发展中，硅起到了非常重
要的作用。硅与我们的生活密切相关，除了电子产品的材料中含有硅
外，建造房屋的水泥，窗户上的玻璃，日常使用的碗碟等，也都是由
含硅物质制造出来的。下面，我们将介绍一些与硅有关的知识。
我们在初中已经学习了碳及其化合物的一些性质。在学习了原
子结构和元素周期律的有关知识以后，我们又知道，每种元素在周期
表中都有它相应的位置。那么，碳元素位于周期表的什么位置呢？与
它同族的还有哪些元素呢？
一．碳族元素
碳元素原子的最外电子层上有4个电子，与碳相同，硅(Si)、锗
(Ge)、锡(Sn)、铅(Pb)元素原子的最外电子层上也都有4个电
子。这五种元素位于周期表的第ⅣA族，我们称它们为碳族元
素。
讨论1根据所学的元素周期律的知识，试推断出碳族元素性质
变化的一些规律性。
碳族元素随着核电荷数的增加，一些性质呈现规律性的变化。
例如，在周期表中从上到下，元素原子的半径逐渐增大，失电
子能力逐渐增强，得电子能力逐渐减弱，非金属性向金属性递
变的趋势很明显。在碳族元素的单质中，碳是非金属；硅虽外
貌像金属，但在化学反应中多显示非金属性，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。
碳族元素的化合价主要有+4和+2，碳、硅、锗、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中可以看出，碳的同素异形体金刚石和石墨的物理性质
存在着明显的差异，这是由于在金刚石和石墨中碳原子的结合
方式不同造成的。近年来，科学家们又发现了一些以新的单质
形态存在的碳，其中比较重要的是1985年发现的C60。C60
是一种由60个碳原子构成的分子，形似足球（图7-2），因此
也常被称为足球烯。除此之外，还发现了一些结构与C60类似
的碳分子，如C70等。
目前，人们对C60的研究已经取得了很大的进展，将C60应
用于超导体、材料科学等领域的探索正在不断地深入。我国在
这方面的研究也取得了重大的成果，如北京大学和中国科学院
物理所合作，已成功地研制出了金属掺杂C60的超导体。可以
说，C60的发现，对于碳化学甚至整个化学领域的研究具有非
常重要的意义。
有关碳及其化合物的性质，在初中化学已经学习过一些，下面
着重学习硅及其化合物的一些知识。
我们已经知道，硅是自然界中分布很广的一种元素，在地壳中，
它的含量仅次于氧,居第二位。在自然界中，没有游离态的硅,
只有以化合态存在的硅，如二氧化硅、硅酸盐等。这些化合态
的硅广泛存在于地壳的各种矿物和岩石里，是构成矿物和岩石
的主要成分。
硅有晶体硅和无定形硅两种同素异形体。晶体硅是灰黑色、有
金属光泽、硬而脆的固体（见元素硅大晶体图），它的结构类似
于金刚石，熔点和沸点都很高，硬度也很大。晶体硅还有一个
重要的性质，就是它的导电性介于导体和绝缘体之间，是良好
的半导体材料。
我们知道，碳在常温下化学性质很稳定，在高温时能跟氧气等
物质反应。硅作为碳的同族元素，它的化学性质又怎样呢？
讨论2根据所学的碳以及元素周期律的知识，归纳出一些硅的
化学性质。
硅元素原子的最外电子层的电子数目与碳元素原子的最外电子
层中的电子数目相同，都有4个电子，所以，硅的许多化学性
质跟碳相似。在常温下，硅的化学性质不活泼，除氟气、氢氟
酸和强碱外，硅不跟其他物质，如氧气、氯气、硫酸、硝酸等
起反应。在加热条件下，硅能跟一些非金属反应。例如，加热
时，研细的硅能在氧气中燃烧，生成二氧化硅并放出大量的热。
Si＋O2SiO2
硅是一种重要的非金属单质，它的用途非常广泛。作为良好的
半导体材料，硅可用来制造集成电路、晶体管、硅整流器等半
导体器件。此外，硅的合金用途也很广，如含硅4％（质量分
数）的钢具有良好的导磁性，可用来制造变压器铁芯；含硅15％
（质量分数）左右的钢具有良好的耐酸性，可用来制造耐酸设
备等。
由于自然界没有单质硅存在，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。
SiO2＋2CSi＋2CO↑
将粗硅提纯后，可以得到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，它广泛存在于自然界中，与其他矿物
共同构成了岩石。天然二氧化硅也叫硅石，是一种坚硬难熔的
固体。
二氧化硅的化学性质不活泼，不与水反应，也不与酸（氢氟酸
除外）反应，但能与碱性氧化物或强碱反应生成盐。例如，
SiO2＋CaOCaSiO3
SiO2＋2NaOH＝Na2SiO3＋H2O
讨论3为什么实验室中盛放碱液的试剂瓶要用橡皮塞而不能
用玻璃塞（玻璃中含有SiO2）？
二氧化硅是酸性氧化物，它对应的水化物是硅酸（H2SiO3）。
硅酸不能由二氧化硅直接制得，只能通过可溶性硅酸盐与酸反
应制取。硅酸不溶于水,是一种弱酸，它的酸性比碳酸还要弱。
二氧化硅的用途很广，目前已被使用的高性能通讯材料光导纤
维的主要原料就是二氧化硅。
石英的主要成分也是二氧化硅，较纯净的石英可用来制造石英
玻璃，我们在实验室中使用的一些耐高温的化学仪器，就是用
石英玻璃制成的。利用石英制造的石英电子表、石英钟等也非
常受人们的喜爱。
透明的石英晶体，就是我们常说的水晶（如下图）。水晶常用来
制造电子工业中的重要部件、光学仪器，也用来制成高级工艺
品和眼镜片等。
三．硅酸盐
硅酸盐是构成地壳岩石的主要成分，自然界中存在的各种天然
硅酸盐矿物，约占地壳质量的5％。硅酸盐的种类很多，结构
也很复杂，通常可用二氧化硅和金属氧化物的形式来表示其组
成。例如，
硅酸钠Na2SiO3(Na2O·SiO2)
高岭石Al2(Si2O5)(OH)4(Al2O3·2SiO2·2H2O)
硅酸钠是一种最常见的硅酸盐，它的水溶液俗称水玻璃。水玻
璃是无色粘稠的液体，是一种矿物胶，可用作建筑上的粘合剂。
硅酸钠不能燃烧且不易受腐蚀，可用作防腐剂，木材、纺织品
等浸过水玻璃后，不但能防腐而且不易着火。
粘土的主要成分是硅酸盐。粘土的种类很多，常见的有高岭土
和一般粘土。粘土是制造陶瓷器的主要原料。
阅读二氧化硅粉尘的危害
二氧化硅在日常生活、生产和科研等方面有着重要的用途，但
有时也会对人体造成危害。如果人长期吸入含有二氧化硅的粉
尘，就会患硅肺病（因硅旧称为矽，因此硅肺旧称为矽肺）。硅
肺是一种职业病，它的发生及严重程度，取决于空气中粉尘的
含量和粉尘中二氧化硅的含量，以及与人的接触时间长短等。
长期在二氧化硅粉尘含量较高的地方，如采矿、翻砂、喷砂、
制陶瓷、制耐火材料等场所工作的人易患此病。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，采用多种
技术和设备控制工作场所的粉尘含量，以保证工作人员的身体
健康。
家庭小实验
在水槽或大玻璃容器的底部铺一层洗净的细沙（约1cm厚），
再放置一块形状像假山的石头或炉渣。向容器中注入过滤后的
质量分数为20％的
Na2SiO3溶液(约占容器体积的3/4)，用玻璃棒将底部的沙子摊
平。静置，待液面停止晃动后，用镊子分别将各种盐的固体(红
豆粒大小)，如CuSO4、MnCl2、CaCl2、CoCl2（氯化钴）等，
投入槽底细沙的不同位置。不久，可以看到，在投入了盐的地
方，有晶体慢慢从水底的细沙中向上“生长”。几小时后，就能
长成各种颜色的“水草”，形成美丽的“水中花园”。（见上图）、
第二节硅酸盐工业简介
在我们的日常生活中，经常接触到一些硅酸盐材料，如使用的
碗碟、居住的房屋等。硅酸盐材料是以含硅物质为原料经加热
制成的。这一制造工业叫做硅酸盐工业，如制造水泥、玻璃、
陶瓷等产品的工业。硅酸盐工业在国民经济中占有很重要的地
位。
1．水泥
水泥是非常重要的建筑材料，高楼大厦和各种建筑工程都离不
开它。水泥具有水硬性，跟水掺和搅拌后很容易凝固变硬，由
于水泥具有这一优良特性，因此被用作建筑材料。又由于它在
水中也能硬化，因此也是水下工程必不可少的材料。
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，并研成细粉就得到普通水泥。
普通水泥的主要成分是硅酸三钙（3CaO·SiO2）、硅酸二钙、
（2CaO·SiO2）和铝酸三钙（3CaO·Al2O3）等。
水泥、沙子和水的混合物叫水泥砂浆，是建筑用粘合剂，可把
砖、石等粘结起来。水泥、沙子和碎石的混合物叫混凝土。混
凝土常用钢筋做结构，这就是我们常说的钢筋混凝土结构。钢
筋混凝土的强度大，常用来建造高楼大厦、桥梁等高大的建筑。
解放前，我国使用的水泥主要依赖进口。新中国成立以后，水
泥工业有了迅速的发展，目前，我国的水泥产量已跃居世界前
列。
资料水泥的标号
水泥在空气中硬固后，具有抗压强度，以kg／cm2来计算。把
水泥与沙子以1∶2．5的比率混合制成砂浆试样，此试样在水
中养护28天时所具有的抗压强度数值，被称为水泥的标号。
例如，1份水泥与2．5份沙子混合制成的砂浆试样，在水中硬
固28天后，测得其抗压强度为425kg／cm2，此水泥的标号
就为425。水泥的标号越大，其性能越好。常用的硅酸盐水泥
有325号、425号、525号和625号，一些高强度水泥，其标
号可达1000以上。
2．玻璃
玻璃是我们每天都可以见到的一种硅酸盐制品。窗玻璃就是最
常见的玻璃，这种玻璃被称为普通玻璃。制造普通玻璃的原料
是纯碱、石灰石和石英。生产时，把原料粉碎，按适当的比率
混合后，放入玻璃窑中加强热。原料熔融后发生了较复杂的物
理变化和化学变化，其中的主要反应是：
Na2CO3＋SiO2Na2SiO3＋CO2↑
CaCO3＋SiO2CaSiO3＋CO2↑
在制造玻璃的过程中，如果加入某些金属氧化物，还可以制成
有色玻璃。例如，加入Co2O3（氧化钴）后的玻璃呈蓝色，加
入Cu2O后的玻璃呈红色。我们看到的普通玻璃，一般都呈淡
绿色，这是因为原料中混有二价铁的缘故。玻璃的种类很多，
除上面所介绍的普通玻璃外，还有其他一些玻璃，如石英玻璃、
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．陶瓷
陶瓷在我国有悠久的历史。在新石器时代，我们的祖先就能制
造陶器，到唐宋时期，制造水平已经很高。唐朝的“三彩”、宋
朝的“钧瓷”闻名于世，流传至今。作为陶瓷的故乡，我国陶都
宜兴的陶器和瓷都景德镇的瓷器，在世界上都享有盛誉。
制造陶瓷器的主要原料是粘土，制造陶瓷器的一般过程如下图
所示。
陶瓷的种类很多，根据原料、烧制温度等的不同，主要分为土
器、陶器、瓷器、炻器等。例如，常见的砖、瓦属于土器，它
是用含杂质的粘土在适当温度下烧制而成的；制瓷器的要求比
较高，需要纯净的粘土作原料，烧制温度也相对高些，所以瓷
器比陶器瓷体白净、质地致密。
一般烧制的陶瓷制品，表面比较粗糙，而且有不同程度的渗透
性。为了弥补这一缺陷，常在烧制前在坯体表面涂一层釉，使
成品光滑、不渗水。
陶瓷具有抗氧化、抗酸碱腐蚀、耐高温、绝缘、易成型等许多
优点，因此，陶瓷制品一直为人们所喜爱。从地下挖掘出的古
代陶瓷器，历经数年仍保持其本色，不但成为人们欣赏的艺术
珍品，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，如日常生活中的部分餐具，建筑中的砖、瓦，
电器中的绝缘瓷，化学实验室中的坩埚、蒸发皿等，都是陶瓷
制品。
资料彩釉
日常生活中我们见到的许多陶瓷制品，表面光滑、不渗水，而
且色彩丰富，非常漂亮。这是由于烧制前在坯体上涂了彩釉的
缘故。在普通釉料中加入一些重金属离子，可制成彩釉（颜色
可参考下表）。涂有彩釉的陶瓷制品绚丽多彩备受人们的喜爱。
阅读搪瓷
我们常用一些搪瓷制品，如搪瓷盆、杯、锅、碗等，有些电器
的外壳也是搪瓷的。搪瓷是在金属表面涂上类似玻璃的瓷釉，
然后在高温下烧结，就可得到一种金属与无机材料结合的复合
材料。搪瓷一般常用钢板、铁、铝、铜、银等作胚体，外层的
瓷釉对金属起到了保护和装饰的作用。
我国在很早以前就掌握了烧制搪瓷的工艺，明朝宣德至景泰年
间生产出的精细铜胎搪瓷工艺品景泰蓝，至今仍是人们喜爱和
珍藏的艺术品。多少年来，搪瓷工艺不断进步、发展，已能应
用于现代化学工业、现代科技等许多领域。例如，化学工业中
的反应塔；汽车、火车排气管；飞机、火箭的耐高温部件等都
用到了搪瓷。搪瓷还应用于电子、红外、激光、同位素等高技
术领域。
小结
碳族元素位于周期表的第ⅣA族，随着核电荷数的增加，它们
的性质呈规律性变化。
玻璃的主要成分是什么？
有关玻璃的资料(1)玻璃生产时的物理、化学变化过程在生产玻璃时，熔炉里
的原料熔融后发生了比较复杂的物理、化学变化。以普通玻璃生产为例，主要反
应过程是下列几个步骤：
开始加热时，粉料在100～120℃的范围内开始脱水，在600℃时，石英玻璃仪
器灰石英玻璃仪器和纯碱通过下列反应生成钙钠的复盐。
CaCO3+Na2CO3=CaNa2(CO3)2
在600～680℃时，所生成的复盐与SiO2开始反应：
CaNa2(CO3)2+2SiO2=Na2SiO3+CaSiO3+2CO2↑
在740～800℃时，低熔混合物[Na2CO3—CaNa2(CO3)2]开始熔化，并不断地和
SiO2作用：
Na2CO3+CaNa2(CO3)2+3SiO2=2Na2SiO3+CaSiO3+3CO2↑
CaO熔体与SiO2的反应是在890～900℃时开始的。CaCO3+SiO2=CaSiO3+CO2↑
在1010℃时，尚未起反应的CaO也和SiO2形成硅酸钙。CaO+SiO2=CaSiO3全
部物质在略高于1200℃时熔化，冷却以后即形成玻璃。
(2)玻璃态玻璃态是介于结晶态和无定形态之间的一种物质状态。玻璃态物质的
结构特点是，它的粒子不像晶体那样有严格的空间排列，但又不像无定形体那样
无规则排列，人们把玻璃态的这种结构特征称为“短程有序、远程无序”，就是
说，从小范围来看，它有一定的晶型排列，从整体来看，却像无定形物质那样无
晶形的排列。所以玻璃态物质没有一定熔点，而是在某一温度范围内逐渐软化变
为液态。(3)钢化玻璃为什么机械强度很大？普通玻璃内由于存在着较大的内
应力而易脆，机械强度不大。为了消除这种内应力，必须在生产玻璃时用偏光仪
观察玻璃内应力变化情况。当温度达到某一下限时，内应力开始减小，再加热至
温度上限，内应力全部消失。生产钢化玻璃时，温度必须略为超过上限，而后急
剧冷却，就好像钢淬火一样，所以叫做钢化玻璃。钢化玻璃大大改变了内应力的
紧张状态，因而减小了它的脆性。1955年，我国开始生产钢化玻璃。
质原因很简单，玻璃能被400nm-740nm电磁波透过。而且这
是由玻璃表明原子的电子决定的。并非因为“空荡荡”所以能透
明！！如果像上面说的原子空荡荡的，透明才正常，那就没有不
透明的东西了？？？
可见光是400nm-740nm的电磁波，光的透射，反射都与介质
的电子有关，是通过电子表达的。正如电子的跃迁可以发光。
光是能量，并非是像水一样的流体，它的反射是要作用于电子
才能发生的，所以金属的自由电子提供了反射的条件，玻璃没
有。
铁门不透明只是因为这一波段的电磁波不能透过，透明只是针
对人眼可见光而言的，如果人眼能看见400nm以下的更短的电
磁波铁门也是透明的。玻璃为什么能被这一波段电磁波透过是
因为其结构中的电子决定的。就说到这里，有谁感兴趣的话我
再继续说啊，呵呵
一个重要的原因：再坚实的物质，如果从原子的内部去看，它其实是
空荡荡的。因为在原子的内部，原子核和电子的体积加起来不到原子
体积的1000000000分之一。况且，还没有证据证明原子核和电子就
不能被光子穿过！所以，透明才是正常的！
要想弄清楚这个复杂的问题首先得弄清楚下面这个问题：一些物质为
什么是不透明的？
对于不透明的物质，我们可以分为四大类：
1、由于自由电子的阻挡作用导致的不透明：这是金属不透明的原因。
2、能吸收光线的物质导致的不透明：这类物质的分子的电子的激发
能比较低，恰好在可见光范围内，分子里往往有苯环、苯醌、联苯胺
或其它共轭体系的结构，这种结构可以降低电子的激发能，使电子容
易发生跃迁而吸收光子的能量。这样光线就被吸收了。
3、由于透明物质的结构被破坏而造成的不透明。如玻璃是透明的，
而玻璃粉则是不透明的；冰是透明的，而冰被砸碎了就是不透明的了。
如果一种物质它的结构特点不符合1、2，那它就是可以通过光线的，
但如果它的结构里有很多小空隙，那它就是白色。这就是白色物体不
透明的原因。
4、1、2、3原因混合的结果。现实中的许多物体的不透明就是这个
原因造成的。
如果一种物质它的结构里即没有自由电子，又没有容易激发的电子，
物质的结构又很紧密，没有许多孔隙等条件。那物质就可以通过光子，
即是透明的。所以玻璃是透明的！
物理性质，硬度大，延展性不好，对光的折射率在1.5左右，不溶于
水
化学性质，可与氢氟酸反应，可与氢氧化钠反应