高中化学 第五章 化工生产中的重要非金属元素 第三节 无机非金属材料课件 新人教版必修第二册-新人教版高一必修第二册化学课件

1、第三节无机非金属材料素养目标1.结合生产、生活中各种常见的无机非金属材料的应用,了解多种硅酸盐材料、新型无机非金属材料的性能和用途。培养科学态度与社会责任这一学科素养。2.掌握晶体硅的制备原理,培养变化观念。知识铺垫必备知识正误判断1.金属材料包括纯金属和它们的合金。日常使用的金属材料大多数属于合金。2.碳、硅的核电荷数分别是6和14,其原子结构示意图分别3.CO2是一种酸性氧化物,它和足量NaOH溶液反应的化学方程式为2NaOH+CO2 = Na2CO3+H2O。4.地壳中含量最多的两种元素是O、Si,二者形成的化合物为SiO2,对应的酸为H2SiO3。知识铺垫必备知识正误判断一、硅酸盐材料

2、1.无机非金属材料(1)组成元素:含硅、氧等元素。(2)性能:一般具有耐高温、抗腐蚀、硬度高等特点,以及特殊的光学、电学等性能。(3)应用:广泛应用于航空、航天、信息和新能源等领域。知识铺垫必备知识正误判断2.传统无机非金属材料(多为硅酸盐材料)(1)硅酸盐的结构与性能硅酸盐的结构:在硅酸盐中,Si和O构成了硅氧四面体,如下图所示。硅氧四面体的结构示意图硅酸盐材料的性质:多数具有硬度高、难溶于水、耐高温、耐腐蚀等特点。知识铺垫必备知识正误判断(2)三种常见硅酸盐产品 硅酸盐产品原料主要设备或生产条件应用陶瓷黏土(主要成分为含水的铝硅酸盐)高温烧结用于生产建筑材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具等

3、玻璃(主要成分为Na2SiO3、CaSiO3和SiO2)纯碱、石灰石和石英砂(主要成分是SiO2)在玻璃窑中熔融,发生复杂的物理和化学变化而制得用于生产建筑材料、光学仪器和各种器皿,还可制造玻璃纤维用于高强度复合材料等知识铺垫必备知识正误判断硅酸盐产品原料主要设备或生产条件应用水泥黏土、石灰石、石膏(调节水泥的硬化速率)在水泥回转窑中煅烧水泥、沙子和碎石等与水混合可以得到混凝土,大量用于建筑和水利工程知识铺垫必备知识正误判断【微思考】生产玻璃的原料是纯碱、石灰石和石英砂(主要成分为SiO2),而玻璃的主要成分是Na2SiO3、CaSiO3和SiO2,那么在生产过程中发生了怎样的反应?试写出反应

4、的化学方程式。知识铺垫必备知识正误判断(3)特种玻璃 在玻璃中加入的元素或物质玻璃特性用途含铅原料光学玻璃:透光性好,折射率高制造眼镜、照相机和光学仪器的透镜硼酸盐耐化学腐蚀、耐温度急剧变化制造可用于实验室使用的玻璃仪器金属氧化物或盐彩色玻璃用于建筑和装饰知识铺垫必备知识正误判断二、新型无机非金属材料1.硅和二氧化硅(1)单质硅的性质硅单质的导电性介于导体和绝缘体之间,是应用最为广泛的半导体材料。(2)自然界中的硅元素主要以硅酸盐(如地壳中的大多数矿物)和氧化物(如水晶、玛瑙)的形式存在。知识铺垫必备知识正误判断(3)晶体硅的制备 工业制备高纯硅的原理示意图 知识铺垫必备知识正误判断其中涉及的

5、主要化学反应为:(4)硅和二氧化硅的用途晶体硅:制芯片、硅太阳能电池等。二氧化硅晶体:生产光导纤维。知识铺垫必备知识正误判断2.新型陶瓷(1)碳化硅(SiC,俗称金刚砂)结构:碳原子和硅原子通过共价键连接,具有类似金刚石的结构。性质和用途:性质用途硬度很大用作砂纸和砂轮的磨料高温抗氧化用作耐高温结构材料、耐高温半导体材料等知识铺垫必备知识正误判断(2)新型陶瓷 名称原料或成分优良性能用途高温结构陶瓷一般用碳化硅、氮化硅或某些金属氧化物等在高温下烧结而成耐高温、抗氧化、耐腐蚀等可用于火箭发动机、汽车发动机和高温电极材料等压电陶瓷主要有钛酸盐和锆酸盐等能实现机械能与电能的相互转化可用于滤波器、扬声

6、器、超声波探伤器和点火器等知识铺垫必备知识正误判断名称原料或成分优良性能用途透明陶瓷主要有氧化铝、氧化钇等氧化物透明陶瓷和氮化铝、氟化钙等非氧化物透明陶瓷具有优异的光学性能,耐高温,绝缘性好可用于高压钠灯、激光器和高温探测窗等超导陶瓷 在某一临界温度下电阻为零,具有超导性可用于电力、交通、医疗等领域知识铺垫必备知识正误判断3.碳纳米材料 碳纳米材料名称 组成性能应用或用途富勒烯由碳原子构成的一系列笼形分子的总称,其中C60是富勒烯的代表物C60的发现为纳米科学提供了重要的研究对象,开启了碳纳米材料的研究和应用的新时代,如用C60作车轮的“纳米汽车”知识铺垫必备知识正误判断碳纳米材料名称组成性能

7、应用或用途碳纳米管可看成由石墨片层卷成的管状物,具有纳米尺度的直径碳纳米管的比表面积大,有相当高的强度和优良的电学性能可用于生产复合材料、电池和传感器等石墨烯是只有一个碳原子直径厚度的单层石墨电阻率低、热导率高,具有很高的强度可用于光电器件、超级电容器、电池和复合材料等方面,如使用石墨烯材料制成的动力电池和超轻海绵等知识铺垫必备知识正误判断(1)硅元素在自然界中既有化合态,又有游离态。 ()(2)硅酸盐中,Si与其周围距离最近的4个O构成正四面体结构。()(3)利用石英坩埚可熔融NaOH固体。()(4)水泥、玻璃、陶瓷都属于传统的无机非金属材料。()(5)富勒烯、碳纳米管和石墨烯都是碳单质。(

8、)(6)硅是制备光导纤维和光电池的材料。()(7)汉代烧制出的“明如镜、声如磬”的瓷器,其主要原料为黏土。()(8)普通玻璃和水泥的生产原料均含石灰石。()答案:(1)(2)(3)(4)(5)(6) (7)(8)任务素养脉络随堂检测晶体硅的制备晶体硅的制备问题探究硅是带来人类文明的重要元素之一,从传统材料到信息材料的发展过程中创造了一个又一个奇迹。任务素养脉络随堂检测(2)工业上可以通过如图所示的流程制取纯硅: 任务素养脉络随堂检测深化拓展1.硅的制备与提纯2.硅及其化合物的转化关系 任务素养脉络随堂检测素能应用典例在无机非金属材料中,硅一直扮演着主要的角色。制备纯硅的主要步骤如下:高温下用碳

9、还原二氧化硅制得粗硅;粗硅与干燥的HCl气体反应制得SiHCl3:SiHCl3与过量H2在1 0001 100 反应制得纯硅。任务素养脉络随堂检测请回答下列问题:(1)第步制备粗硅反应的化学方程式为。 (2)粗硅与HCl反应完全后,经冷凝得到的SiHCl3(沸点33.0 )中含有少量SiCl4(沸点57.6 )和HCl(沸点-84.7 ),提纯SiHCl3采用的方法为。 (3)从基本反应类型角度分类,步骤中发生的反应属于。 (4)为鉴定产品硅中是否含微量铁单质,将试样用稀盐酸溶解,取上层清液后需再加入的试剂是(填写字母代号)。 A.氯水B.NaOH溶液 C.KSCN溶液D.Na2SO3溶液任务

10、素养脉络随堂检测(2)蒸馏(或分馏)(3)置换反应(4)AC解析:(1)高温下用碳还原二氧化硅可制得粗硅,同时生成一氧化碳。(2)分离沸点不同的液体应用蒸馏(或分馏)的方法。(3)步骤中发生反应的化学方程式为SiHCl3+H2 Si+3HCl,属于置换反应。(4)鉴定产品中是否含铁单质,用稀盐酸溶解后生成Fe2+,因含量少,应将Fe2+转化为Fe3+后再检验,故选AC。任务素养脉络随堂检测变式训练已知:SiHCl3与过量H2在1 0001 100 反应制得高纯硅,且SiHCl3能与水剧烈反应,在空气中易自燃。用SiHCl3与过量H2反应制备纯硅的装置如图所示(热源及夹持装置均已略去):任务素养

11、脉络随堂检测请回答下列问题:(1)装置B中的试剂是,装置C中的烧瓶需要加热,其目的是 。 (2)反应一段时间后,装置D中观察到的现象是,装置D不能采用普通玻璃管的原因是,装置D中发生反应的化学方程式为 。 (3)为保证制备纯硅实验的成功,操作的关键是检查实验装置的气密性,控制好反应温度以及。 任务素养脉络随堂检测答案:(1)浓硫酸使滴入烧瓶中的SiHCl3汽化(2)有固体物质生成在此反应温度下,普通玻璃会软化(3)排尽装置中的空气解析:用Zn、稀硫酸反应制得的H2会混有少量H2O,而SiHCl3能与H2O发生剧烈反应,所以要进行干燥,根据装置应选择液态干燥剂浓硫酸。装置C用水浴加热,使SiHC

12、l3汽化,再和H2进入装置D反应,因为SiHCl3与H2在1 0001 100 下反应,温度很高,普通玻璃会软化,因此不能使用普通玻璃管。因为SiHCl3在空气中易自燃,实验中还要注意先通一段时间的H2以排尽装置中的空气。任务素养脉络随堂检测任务素养脉络随堂检测1.新型无机非金属材料碳化钛(TiC)、碳化硼(B4C3)、氮化硅等称为非氧化物陶瓷,合成这些物质需在高温下进行,在合成工艺中必须注意()A.通入充足的氧气B.可在空气中进行C.可在氮气氛围中合成D.通入少量氧气答案:C解析:合成这些无机非金属材料的过程中应杜绝氧气的存在,否则会生成相应的氧化物。任务素养脉络随堂检测2.(双选)硅被誉为

13、无机非金属材料的主角。有科学家提出硅是“21世纪的能源”“未来的石油”。下列有关说法正确的是()A.硅的含量居第二位,在地球上有丰富的单质硅资源,如石英、水晶、玛瑙的主要成分都是单质硅B.硅相对于氢气而言便于运输、贮存,从安全角度考虑,硅是有开发价值的燃料C.存放NaOH溶液的试剂瓶不能用玻璃塞D.硅是一种良好的半导体材料,所以是制造光导纤维的基本原料答案:BC任务素养脉络随堂检测3.单晶硅是制作电子集成电路的基础材料。用化学方法可制得高纯度硅,其化学方程式为:下列对上述三个反应的叙述中,错误的是()A.为置换反应B.为化合反应C.均为氧化还原反应D.三个反应的反应物中硅元素均被还原答案:D解析:反应中硅元素被还原,反应中硅元素被氧化,D错误。任务素养脉络随堂检测4.氮化硅是一种高温结构陶瓷,它的硬度大、熔点高、化学性质稳定,工业上曾普遍采用高纯硅