【课件】无机非金属材料（人教版2019必修第二册）

无机非金属材料高中化学硅酸盐材料PARTONEPART01硅酸盐材料硅酸盐的组成与结构（1）硅酸盐的组成硅酸盐是由硅、氧和金属元素组成的化合物的总称。它们种类繁多，结构复杂，组成各异，通常用二氧化硅和金属氧化物的组合形式表示其组成，如硅酸钙（CaSiO3）可表示为CaO·SiO2。硅酸盐大多不溶于水，化学性质很稳定。PART01硅酸盐材料硅酸盐的组成与结构硅酸盐的表示方法复杂的硅酸盐可用氧化物质的形式来表示。例：长石（KAlSi3O8）可表示为K2O·Al2O3·6SiO2(1)用氧化物的形式表示的硅酸盐只是表示方式不同，不可认为硅酸盐是由氧化物形成的混合物。(2)书写方法:找出组成元素→写成氧化物形式→注意原子守恒→检查有无遗漏→氧化物之间以“·”隔开。(3)书写顺序:活泼金属氧化物→较活泼金属氧化物→SiO2→H2O。PART01硅酸盐材料硅酸盐的组成与结构（2）硅酸盐的结构在硅酸盐中，Si和O构成了硅氧四面体，其结构如图所示。每个Si结合4个O，Si在四面体的中心，O在四面体的4个顶角;

许多这样的四面体还可以通过顶角的O相互连接，每个O为两个四面体所共有，与2个Si相结合。硅氧四面体结构的特殊性，决定了硅酸盐材料大多具有硬度高、熔点高、难溶于水、化学性质稳定、耐腐蚀等特点。PART01硅酸盐材料传统的无机非金属材料传统的无机非金属材料多为硅酸盐材料，在日常生活中随处可见，如陶瓷、玻璃和水泥等。（1）陶瓷原料及制作：以黏土(主要成分为含水的铝硅酸盐)为主要原料,经高温烧结而成使用历史：我们的祖先能烧制陶器，至唐宋时期，我国的陶瓷制品已经享誉海内外应用：生产建筑材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具等PART01硅酸盐材料传统的无机非金属材料传统的无机非金属材料多为硅酸盐材料，在日常生活中随处可见，如陶瓷、玻璃和水泥等。（2）玻璃原料及制作：以纯碱、石灰石和石英砂(主要成分为SiO2)为原料，经混合、粉碎，在玻璃窑中熔融，发生复杂的物理变化和化学变化制得应用：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PART01硅酸盐材料传统的无机非金属材料传统的无机非金属材料多为硅酸盐材料，在日常生活中随处可见，如陶瓷、玻璃和水泥等。（3）水泥原料及制作：以黏土和石灰石为主要原料,二者与其他辅料混合、研磨后在水泥回转窑中煅烧，加入适量石膏调节水泥硬化速率,再磨成细粉得到普通的硅酸盐水泥。应用：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PART01硅酸盐材料注意1：硅酸盐产品中，水泥与陶瓷的共同原料是黏土，水泥与玻璃的共同原料是石灰石。硅SiPARTTWOPART01硅Si硅单质的存在形式与结构单质硅可分为晶体硅和无定形硅两种。晶体硅结构如边栏图所示，为具有正四面体形网状结构的晶体，与金刚石结构相似。晶体硅无定型硅PART01硅Si硅的性质（1）物理性质晶体硅是一种带有金属光泽的灰黑色固体，熔点高（1410℃）、硬度大、有脆性。晶体硅的导电性介于导体和绝缘体之间，是良好的半导体材料。（2）化学性质硅原子最外层有4个电子，得失电子都较难，化学性质不活泼（1）物理性质晶体硅是一种带有金属光泽的灰黑色固体，熔点高（1410℃）、硬度大、有脆性。晶体硅的导电性介于导体和绝缘体之间，是良好的半导体材料。PART01硅Si硅的性质（2）化学性质硅原子最外层有4个电子，得失电子都较难，化学性质不活泼。①常温下，除与F2、HF和强碱溶液反应外，硅不与其他物质（如强酸和强氧化剂）反应。Si+2F2=SiF4Si+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H2↑PART01硅Si硅的性质注意2Si是能与NaOH溶液反应放出H2的非金属单质，Al是能与NaOH溶液反应放出H2的金属单质，推断题中常以此作为突破口。PART01硅Si硅的性质（2）化学性质硅原子最外层有4个电子，得失电子都较难，化学性质不活泼。②加热时，硅能与O2、Cl2、C等发生化合反应。Si+O2

△SiO2Si+2Cl2

△SiCl4

PART01硅Si硅单质的制备硅单质是由其氧化物制得的，分为两个阶段∶（1）粗硅的制备：SiO2+2C1800~2000℃Si(粗)+2CO↑（2）粗硅的提纯∶Si(粗)＋3HCl300℃SiHCl3+H2;SiHCl3+H2

1100℃Si(纯)＋3HCl。PART01硅Si硅的用途（1）高纯硅可以用来作半导体材料，超高纯度的硅芯片广泛应用于大规模集成电路及相应的计算机技术中。（2）单质硅用于制造晶体管、集成电路、硅整流器和光电池等。二氧化硅SiO2PARTTHREEPART01二氧化硅SiO2二氧化硅（1）二氧化硅的存在形式二氧化硅的俗名为硅石，天然二氧化硅分为结晶形和无定形两种。二氧化硅结晶硅SiO2:石英无定型SiO2:硅藻土水晶：无色透明玛瑙：具有彩色环带状或层状硅藻土水晶玛瑙PART01二氧化硅SiO2二氧化硅（2）二氧化硅的结构与物理性质①结构：二氧化硅晶体的基本结构是以硅原子为中心，氧原子在四面体的4个顶角上，而这些四面体又通过顶角的氧原子相连接。即每个硅原子与周围的4个氧原子结合,每个氧原子与2个硅原子结合,实际上，SiO2晶体是由Si原子和O原子按1∶2的比例所组成的立体网状结构的晶体。PART01二氧化硅SiO2二氧化硅（2）二氧化硅的结构与物理性质说明：SiO2是二氧化硅的化学式(表示组成)，不是分子式。二氧化硅没有分子式。②物理性质：纯净的二氧化硅是无色透明的，其熔沸点高、硬度大、不溶于水、也不导电。PART01二氧化硅SiO2二氧化硅（3）二氧化硅的化学性质①稳定性：二氧化硅的化学性质不活泼，在通常情况下，不与水、酸(氢氟酸除外)发生化学反应。②酸性氧化物的通性∶a.与碱反应生成盐和水∶SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O;b.与碱性氧化物反应生成盐：SiO2+CaO高温CaSiO3。③弱氧化性（与碳反应）：SiO2+2C高温Si+2CO↑。④与某些盐反应∶SiO2+Na2CO3

高温Na2SiO3+CO2↑;SiO2+CaCO3

高温CaSiO3+CO2↑。⑤特性（与氢氟酸反应）：SiO2+4HF=SiF4↑+2H2O。PART01二氧化硅SiO2二氧化硅（1）石英坩埚和陶瓷坩埚的主要成分是SiO2不能用它们来加热熔融氢氧化钠固体。（2）SiO2是唯一一种既能与酸(氢氟酸)反应、又能与碱(NaOH等)反应的酸性氧化物，SiO2不属于两性氧化物。（3）SiO2与碳酸盐在高温下的反应遵循高沸点物质制取低沸点物质的原理，再加上CO2是气体，生成后脱离反应体系，从而使反应向右进行到底。PART01二氧化硅SiO2二氧化硅（4）二氧化硅的用途①以SiO2为主要成分的沙子是基本的建筑材料;②纯净的SiO2是现代光学和光纤制品的基本原料;③石英和玛瑙可制作饰物和工艺品;④水晶可用来制造电子工业中的重要部件。新型陶瓷碳纳米材料PARTFOURPART01新型陶瓷碳纳米材料新型陶瓷新型陶瓷在组成上不再限于传统的硅酸盐体系，在光学、热学、电学、磁学等方面具有很多新的特性和功能，进一步拓展了陶瓷的应用领域。PART01新型陶瓷碳纳米材料新型陶瓷拓展1：碳化硅（SiC）俗称金刚砂，是一种常见的新型陶瓷。SiC中的碳原子和硅原子通过共价键连接，具有类似金刚石的结构，硬度很大，可用作砂纸和砂轮的磨料。碳化硅还具有优异的高温抗氧化性能，使用温度可达1600℃，大大超过了普通金属材料所能承受的温度，可用作耐高温结构材料、耐高温半导体材料等。PART01新型陶瓷碳纳米材料新型陶瓷拓展1：新型陶瓷有高温结构陶瓷、压电陶瓷、透明陶瓷和超导陶瓷等。①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，具有耐高温、抗氧化、耐腐蚀等优良性能。②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。PART01新型陶瓷碳纳米材料新型陶瓷拓展1：新型陶瓷有高温结构陶瓷、压电陶瓷、透明陶瓷和超导陶瓷等。③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。④超导陶瓷在某一临界温度下电阻为零，具有超导性。PART01新型陶瓷碳纳米材料碳纳米材料碳纳米材料是一类新型无机非金属材料，主要包括富勒烯、碳纳米管、石墨烯等，在能源、信息、医药等领域有着广阔的应用前景。（1）富勒烯是由碳原子构成的一系列笼形分子的总称，其中的C60是富勒烯的代表物。（2）碳纳米管可以看成是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。PART01新型陶瓷碳纳米材料碳纳米材料碳纳米材料是一类新型无机非金属材料，主要包括富勒烯、碳纳米管、石墨烯等，在能源、信息、医药等领域有着广阔的应用前景。（3）石墨烯是只有一个碳原子直径厚度的单层石墨，其独特的结构使其电阻率低、热导率高，具有很高的强度。作为一种具有优异性能的新型材料，石墨烯在光电器件、超级电容器、电池和复合材料等方面的应用研究正在不断深入。重点难点PARTFIVEPART01重点难点要点1硅的"反常"性质1.硅单质的特殊性（1）Si的还原性强于C，但C却能在高温下还原出Si：SiO2+2C高温Si+2CO↑;（2）非金属单质一般不与非氧化性酸反应，但Si能与HF反应：Si＋4HF=SiF4↑+2H2↑;（3）非金属单质与碱溶液反应一般既作氧化剂又作还原剂，且无氢气放出，但硅与碱溶液反应只作还原剂，且放出氢气：Si+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H2↑。（4）非金属单质大多为绝缘体，但晶体硅为半导体。PART01重点难点要点1硅的"反常"性质2.含硅化合物的特殊性（1）SiO2是H2SiO3的酸酐，但它不溶于水，不能直接与水反应制备H2SiO3;（2）酸性氧化物一般不与酸反应，但SiO2能与HF反应：SiO2+4HF=SiF4↑+2H2O;（3）无机酸一般易溶于水，但H2SiO3难溶于水;PART01重点难点要点1硅的"反常"性质2.含硅化合物的特殊性（4）因H2CO3的酸性强于H2SiO3，所以在Na2SiO3溶液中通入少量CO2能发生反应：Na2SiO3＋CO2＋H2O=H2SiO3↓＋Na2CO3。但在高温下SiO2＋Na2CO3

高温Na2SiO3+CO2↑也能发生，该反应之所以能发生，是因为反应不是在水溶液中进行的，在高温条件下生成的CO2气体从反应体系中逸出，从而使反应能够继续进行。PART01重点难点要点2二氧化碳和二氧化硅的比较物质CO2SiO2构成CO2分子硅原子和氧原子按1:2的比例组成的立体网状结构的晶体,无SiO2分子物理性质气体，熔、沸点低，能溶于水(1:1)固体,熔、沸点高,硬度大,不溶于水化学性质与碱溶液2NaOH+CO2(少量)=Na2CO3+H2ONaOH+CO2(足量)=NaHCO3SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O与水CO2+H2O=H2CO3不反应与碳C+CO2

高温

2COSiO2+2C

高温

Si+2CO↑与酸不反应只与氢氟酸反应：SiO2+4HF=SiF4↑+2H2O与碱性氧化物CO2+CaO=CaCO3SiO2+CaO

高温

CaSiO3与盐Na2SiO3＋CO2(少量)＋H2O=H2SiO3↓＋Na2CO3CaCO3＋CO2＋H2O=Ca(HCO3)2SiO2＋Na2CO3

高温

Na2SiO3+CO2↑SiO2＋CaCO3

高温

CaSiO3+CO2↑

用途合成肥料，干冰用于人工降雨制饰品、坩埚、光导纤维PART01重点难点典例分析【典例1】下列关于SiO2的说法错误的是（

）A．与NaOH溶液反应生成盐 B．高温下能与CaO反应生成盐C．纯净的SiO2是光纤制品的基本原料 D．能与氢氟酸反应，属于碱性氧化物DPART01重点难点典例分析【典例2】在无机非金属材料中，硅一直扮演着重要的角色。下列说法正确的是（

）A．碳化硅(俗称石英砂)可用作变压器铁芯B．SiO2属于两性氧化物，可以与HF反应：SiO2+4HF=SiF4↑+2H2OC．CO2和SiO2都能与碳反应，且都作氧化剂D．高温下，能发生SiO2+Na2CO3=Na2SiO3+CO2↑，可以证明H2SiO3的酸性大于碳酸C巩固训练PARTSIXPART01巩固训练1．硅是组成无机非金属材料的一种主要元素，下列有关硅的化合物的叙述错误的是（

）A．氮化硅陶瓷是一种新型无机非金属材料，氮化硅的化学式为Si3N4B．碳化硅(SiC)的硬度大，熔点高，可用于制作高温结构陶瓷和轴承C．光导纤维是一种新型无机非金属材料，其主要成分为SiD．氮化硅、氧化铝、碳化硅和二氧化锆都可作为制高温结构陶瓷的材料CPART01巩固训练2．下列有关硅及其化合物的说法中错误的是（

）A．太阳能电池可采用硅材料制作，其应用有利于环保、节能B．SiO2是一种空间立体网状结构的晶体，熔点高、硬度大C．SiO2有导电性，所以SiO2可用于制备光导纤维D．三峡大坝使用了大量水泥，水泥是硅酸盐材料CPART01巩固训练3．下列说法正确的是（

）A．某黄色溶液与淀粉-KI溶液混合后呈蓝色，说明该溶液一定是氯水B．NaOH溶液可盛放在带磨口玻璃塞的玻璃瓶中，也可盛放在带橡胶塞的玻璃瓶中C．若用SiO2制取硅酸，应先使二氧化硅与氢氧化钠溶液反应，然后再通入CO2D．由SiO2+Na2CO3

高温

Na2SiO3+CO2↑可知，硅酸的酸性强于碳酸CPART01巩固训练4．下列说法正确的是（

）A．陶瓷是一种常见硅酸盐材料，可以用陶瓷坩埚熔融纯碱B．Si在自然界以游离态存在C．Na2SiO3溶液可与CO2反应D．SiO2属于酸性氧化物，不与任何酸反应CPART01巩固训练5．下列说法正确的是（

）A．SiO2属于酸性氧化物，不与任何酸反应B．制造陶瓷的主要原料是石灰石和黏土C．制普通玻璃的原料主要成分是纯碱、石灰石和石英D．我国科学家近年来研制出一种新型“连续纤维增韧”航空材料(主要成分是由碳化硅陶瓷和碳纤维复合而成的)，它比钢铁轻、硬，但质地较脆CPART01巩固训练6．明代“釉里红梅瓶”是南京博物馆的镇馆之宝。烧造“釉里红”，需要将含有铜元素为呈色剂的彩料，精准地在1300℃窑火中一次烧成，下列有关说法不正确的是（

）A．陶瓷是以黏土为主要原料经高温烧结而成，属于传统无机非金属材料B．黏土可以表示为Al2O3·2SiO2·2H2O，是由几种氧化物组成的混合物C．“釉里红”烧造时发生的反应可能为4CuO

1300℃

2Cu2O+O2↑D．“釉里红”瓷器保存时应避开酸性物质，避免损伤釉彩BPART01巩固训练7．由粗SiO2(含少量Fe2O3、Al2O3杂质)制备纯SiO2的流程如图所示，下列说法错误的是（

）A．X可用作木材防火剂B．步骤II中的主要反应是Na2SiO3+H2SO4=H2SiO3↓+Na2SO4C．若在实验室中完成步骤III，一般在坩埚中进行D．步骤II中的稀硫酸不可用CO2代替DPART01巩固训练8．下列有关物质的说法错误的是（

）A．水玻璃可用作木材防火剂 B．氧化铁常用作红色油漆和涂料C．氨常用作制冷剂 D．二氧化硅可以和水直接反应制取硅酸DPART01巩固训练9．下列说法正确的是（

）A．工业上制粗硅的反应为SiO2+2C高温Si+2CO↑，反应中还原剂与氧化剂的质量比为5：2B．制造陶瓷的主要原料是石灰石和黏土C．制普通玻璃的原料主要成分是纯碱、石灰石和石英D．我国科学家近年来研制出一种新型“连续纤维增韧”航空材料(主要成分是由碳化硅陶瓷和碳纤维复合而成的)，它比钢铁轻、硬，但质地较脆CPART01巩固训练10．氮化硅(Si3N4)是一种重要的结构陶瓷材料。用石英砂和原料气(含N2和少量O2)制备Si3N4的操作流程如下(粗硅中含少量Fe、Cu的单质及化合物)：下列叙述正确的是（

）A．“还原”时反应的方程式为SiO2+C高温Si+CO2B．“高温氮化”合成反应中N2是还原剂C．“操作X”可将原料气通过灼热的铜粉D．“稀酸Y”选用稀硫酸除去产物中的杂质CPART01巩固训练11．（多选）下列说法正确的是（

）A．高纯硅可用于制作光感电池B．二氧化硅导电能力强，可用于制造光导纤维C．盛装Na2SiO3溶液的试剂瓶可以使用玻璃塞D．利用氢氟酸刻蚀石英制作艺术品运用了氢氟酸可与SiO2反应的化学原理ADPART01巩固训练12．按要求回答问题。Ⅰ．(1)硅酸盐种类繁多，结构复杂，组成各异，通常用二氧化硅和金属氧化物的组合形式表示其组成，则KAlSi3O8可表示为____________________，Al2Si2O5(OH)4可表示为____________________。(2)将0.2mol钠和铝的混合物溶于足量的盐酸中，产生3136mL(标准状况下)氢气，则钠和铝的物质的量之比为___________；写出钠与足量盐酸反应的化学方程式______________________________________________________。Ⅱ．将3.8gNa2CO3和NaHCO3的混合物充分加热，混合物质量减少了0.62g。求：(1)混合物中NaHCO3的质量___________。(2)若将等质量的混合物与含有1.46gHCl的稀盐酸反应,生成气体的的质量为_________。K2O∙Al2O3∙6SiO2

Al2O3∙2SiO2∙2H2O4:1

2Na+2HCl＝2NaCl+H2↑1.68g

0.968gPART01巩固训练13．高纯二氧化硅可用来制造光纤。某蛇纹石的成分见下表：通过下图流程可由蛇纹石制备较纯净的二氧化硅。(1)蛇纹石中涉及的可溶性金属氧化物有______________(写化学式)。(2)步骤①中涉及SiO2反应的离子方程式为____________________________。(3)滤渣的成分有______________(填化学式)。(4)步骤②中洗涤沉淀的方法是________________________________________(5)步骤③反应的化学方程式为____________________；实验室进行步骤③需要用到的主要仪器有_____、泥三角、酒精灯和___________________Na2O、K2O组分SiO2MgONa2OK2OFe2O3质量分数/%59.2038.800.250.500.8SiO2+2OH-=SiO32-+H2OMgO和Fe2O3向漏斗中注入蒸馏水至浸没沉淀，让水自然流下，重复操作2~3次H2SiO3

△

SiO2+H2O坩埚三脚架或带铁圈的铁架台PART01巩固训练14．晶体硅(熔点1410℃)是良好的半导体材料。由粗硅制纯硅的过程如下：I.高温下用过量的碳还原二氧化硅制得粗硅；II.粗硅与干燥的HCl气体反应制得SiHCl3(Si＋3HCl

200~350℃

SiHCl3＋H2)；III.SiHCl3与过量的H2在1100～1200℃的温度下反应制得纯硅，已知SiHCl3能与水剧烈反应。(1)第一步用焦炭与石英砂制取粗硅，其反应的化学方程式为_________________；上述反应中的氧化剂是_____，还原剂是_____。(2)粗硅与HCl气体反应完全后，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)实验室用SiHCl3与过量的H2反应制取纯硅装置如图所示(加热和夹持装置略去)：①装置B中的试剂是_______，装置C中的烧杯需要加热，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是____________________________。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____________。SiO2+2C高温Si+2CO↑SiO2C分馏(或蒸馏)浓硫酸使滴入烧瓶中的SiHCl3汽化有固体生成在此反应温度下，普通玻璃会软化

SiHCl3＋H2

1100~1200℃

Si＋3HCl排尽装置内的空气PART01巩固训练15．I.硅单质及其化合物用途广泛，请回答下列问题：(1)制备硅半导体材料必须先得到高纯硅｡三氯硅烷(SiHCl3)还原法是当前制备高纯硅的主要方法，生产过程示意图如图，写出由纯SiHCl3制备高纯硅的化学反应方程式：________________________｡(2)在人体器官受到损伤时，需要使用一种新型无机非金属材料来植入体内，这种材料是____(填序号)。A．高温结构陶瓷

B．生物陶瓷

C．导电陶瓷II.某化学兴趣小组按如图所示装置进行实验,验证木炭与浓硫酸反应放出的气体是SO2、CO2和少量CO｡回答下列问题：(3)连接装置后，先进行的操作是__________；仪器a的名称为__________｡(4)洗气瓶①②中溶液褪色，体现的二氧化硫的性质依次为____(填序号)｡A.氧化性､还原性

B.漂白性､还原性

C.漂白性､氧化性

D.还原性､漂白性(5)洗气瓶②中酸性高锰酸钾溶液不能用足量的新制氯水代替的原因是__________________