高中化学必修二《5.3 第三节 无机非金属材料》课件

组织建设

第三节无机非金属材料无机非金属材料含有元素硅氧等元素性能耐高温、抗腐蚀、硬度高特殊的光学、电学等性能应用日常生活应用航空航天领域信息领域新能源领域无机非金属材料根据组成、性能和应用的不同可分为___________________和__________________两种，其中传统无机非金属材料多为硅酸盐材料，通常包括陶瓷、玻璃和水泥三种传统无机非金属材料新型无机非金属材料阅读P19页内容传统的无机非金属材料--硅酸盐材料传统的无机非金属材料--硅酸盐材料产品原料主要成分应用陶瓷_______(含水的铝硅酸盐)玻璃普通玻璃：水泥黏土生产建筑材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具等纯碱、石灰石和石英砂（主要成分是SiO2）Na2SiO3、CaSiO3和SiO2生产建筑材料、光学仪器和各种器皿，制造玻璃纤维用于高强度复合材料黏土和石灰石以及其他辅料大量用于建筑和水利工程为什么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？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、耐腐蚀等特点新型无机非金属材料一、硅和二氧化硅二、新型陶瓷三、碳纳米材料新型无机非金属材料一、硅和二氧化硅（1）硅元素的存在与结构翻看元素周期表，找出硅元素的位置，画出其原子结构示意图，并与碳原子比较。处于金属与非金属的过渡位置半导体材料硅的原子结构硅原子和碳原子的最外电子层均有4个电子，其原子既不易失去也不易得到电子，主要形成四价的化合物。Si+14842+642C（1）硅元素的存在与结构硅在地壳中含量仅次于氧，位于第二位通过下列图片总结归纳出硅元素在自然界中的存在形式吗？思考交流硅的存在形式硅的氧化物及硅酸盐构成了地壳中大部分的岩石、沙子和土壤、约占地壳总量的90%以上。硅是一种亲氧元素,在自然界中它总是与氧相互化合的，因此硅都以化合态存在于自然界，主要以氧化物及硅酸盐的形式存在。碳—统治有机界：碳是构成有机物的主要元素。硅—统治无机矿物界：硅是构成岩石与许多矿物的基本元素。硅的制备⑴SiO2+2C==Si+2CO↑(粗硅)高温内容解读⑵Si+3HCl==SiHCl3+H2高温⑶SiHCl3+H2==Si+3HCl（高纯硅）高温若C过量：SiO2+3C==SiC+2CO↑高温碳化硅(俗名：金刚砂)工业上用焦炭还原石英砂可知制得含有少量杂质的粗硅提纯如何制备高纯度的硅？硅的制备SiO2+2C==Si+2CO↑(粗硅)高温内容解读工业上利用焦炭与SiO2在高温下反应制备粗硅，由此能否说明碳的还原性大于硅？提示：氧化性、还原性的强弱，必须是在通常的情况下发生的反应，上述反应是在高温条件下发生的，故不能比较还原性的强弱。知识点补充晶体硅的用途集成电路晶体管Si导电性介于导体和半导体之间,是良好的半导体材料,硅是信息技术的关键材料硅太阳能电池电脑中央处理器（CPU）价值5元的沙子SiO2Si价值5000元的芯片点沙成金从沙滩到用户晶体硅的用途SiO2的晶体结构晶体Si的结构硅和SiO2都是正四面体结构性质很稳定二氧化硅二氧化硅（SiO2）的晶体结构物理性质：难溶于水，熔点高，硬度大。化学稳定性：化学性质很稳定，不活泼。二氧化硅（SiO2）存在形式结晶形（石英晶体）无定形——硅藻土水晶玛瑙二氧化硅的存在内容解读二氧化硅的用途SiO2的网状结构决定了它具有优良的物理和化学性质，加上SiO2在自然界的广泛存在，从古到今都被人类广泛地应用着。光导纤维（通信）石英坩埚玻璃仪器精美瓷器P22拓展雕刻玻璃，你会吗？SiO2＋4HF=SiF4↑＋2H2O实验室不用玻璃瓶盛装氢氟酸！！1、实验室盛NaOH溶液的试剂瓶为什么用橡胶塞不用玻璃塞？某同学根据SiO2既可与碱反应,也能与氢氟酸反应，推断SiO2为两性氧化物是否正确?不正确。因为二氧化硅跟氢氟酸反应产物不是盐和水，所以不属于两性氧化物，但是属于酸性氧化物。思考交流NaOH溶液能与玻璃中的SiO2反应生成Na2SiO3，硅酸钠水溶液有粘性，使瓶塞部分粘结而无法打开。因此盛装NaOH溶液的试剂瓶不能用玻璃塞而要用橡胶塞。SiO2＋2NaOH=Na2SiO3＋H2O①酸性氧化物

与碱性氧化物反应生成盐

SiO2

+CaO==

CaSiO3

化学性质:高温与强碱反应生成盐和水

SiO2+2NaOH==Na2SiO3+H2O③与HF的反应（SiO2的特性）SiO2+4HF=SiF4↑+2H2O②不与水反应与某些盐的反应

SiO2

+Na2CO3

==

Na2SiO3+CO2↑

高温新型无机非金属材料一、硅和二氧化硅二、新型陶瓷三、碳纳米材料二、新型陶瓷新型陶瓷组成特性和功能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实例SiC俗称金刚石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具有优异的高温抗氧化性能，使用温度可达1600℃，可用作耐高温结构材料、耐高温半导体材料阅读P23新型陶瓷新型无机非金属材料一、硅和二氧化硅二、新型陶瓷三、碳纳米材料三、碳纳米材料碳纳米材料富勒烯碳纳米管由碳原子构成的一系列笼形分子的总称,代表物C60开启了碳纳米材料研究和应用的新时代是由石墨片层卷成的管状物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。应用于光电器件、超级电容器、电池和复合材料等方面当堂巩固1、地壳中含量第一和第二的两种元素所形成的化合物不具有的性质是（）

A.熔点很高B.与水反应生成对应的酸

C.可与烧碱反应生成盐D.坚硬2、要除去SiO2中混有的少量CaO杂质，最适宜的试剂是（）

A.纯碱溶液B.盐酸C.硫酸D.苛性钠溶液BB3、下列关于无机非金属材料的说法中正确的是

()A.传统无机非金属材料是指:光导纤维、玻璃、水泥、陶瓷等硅酸盐材料B.新型无机非金属材料虽然克服了传统无机非金属材料的缺点,但强度比较差C.高温结构材料具有耐高温、耐酸碱腐蚀、硬度大、耐磨损、密度小等优点D.传统无机非金属材料和新型无机非金属材料的主要成分都是硅酸盐【解析】选C。A项中,光导纤维是新型无机非金属材料;B项中,强度比较差是错误的;D项中新型无机非金属材料中的光导纤维、单晶硅等其成分都不是硅酸盐。4、硅是无机非金属材料的主角,硅的氧化物和硅酸盐约占地壳质量的90%以上。(1)下列物质不属于硅酸盐的是________。

A.陶瓷 B.玻璃 C.水泥 D.生石灰(2)SiO2是玻璃的主要成分之一,SiO2和CO2都属于酸性氧化物,性质相似,SiO2与氢氧化钠溶液反应的化学方程式为________,工艺师常用________________(填物质名称)来雕刻玻璃。

(3)用Na2SiO3水溶液浸泡过的棉花不易燃烧,说明Na2SiO3可用作________。

(4)工业上常利用反应2C+SiO2Si+2CO↑制备硅单质,该反应中所含元素化合价升高的物质是______(填化学式,下同),氧化剂是________________。

【解析】(1)生石灰是CaO,为碱性氧化物且不含硅元素,不属于硅酸盐。(2)SiO2与NaOH溶液反应的化学方程式为SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O。由于SiO2能溶于氢氟酸,因此工艺师常用氢氟酸来雕刻玻璃。(3)Na2SiO3水溶液又称“水玻璃”,具有阻燃的功能,因此可用作防火剂。(4)题给反应中C(碳)被氧化,SiO2中+4价的硅被还原,因此SiO2作氧化剂。第三节无机非金属材料一、硅酸盐材料1．无机非金属材料2．传统无机非金属材料产品原料主要成分应用陶瓷_____（含水的铝硅酸盐）生产建筑材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具黏土产品原料主要成分应用普通玻璃_______________________（SiO2）_____________________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水泥______________、少量石膏水泥、沙子和碎石等与水混合可以得到混凝土纯碱、石灰石和石英砂Na2SiO3、CaSiO3、SiO2黏土和石灰石【微思考】普通玻璃是以纯碱、石灰石和石英砂为原料，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而制得。你能写出发生反应的化学方程式吗？提示：由原料和玻璃的成分及反应条件“熔融”，可知反应的化学方程式为SiO2+Na2CO3

Na2SiO3+CO2↑，SiO2+CaCO3

CaSiO3+CO2↑。二、新型无机非金属材料1．硅和二氧化硅（1）硅元素的存在与结构存在原子结构示意图周期表中位置含量存在形态地壳中居第___位_________________

____________________二氧化物和硅酸盐第三周期、第ⅣA族（2）单质硅的制备：【微思考】工业上利用焦炭与SiO2在高温下反应制备粗硅，由此能否说明碳的还原性大于硅？提示：不能。比较氧化性、还原性的强弱，必须是在通常情况下发生的反应，上述反应是在高温条件下发生的，故不能比较还原性的强弱。（3）硅和二氧化硅的用途2．新型陶瓷3．碳纳米材料碳纳米材料在_________________等领域有着广阔的应用前景。能源、信息、医药结构特点应用富勒烯由碳原子构成的一系列笼形分子的总称代表物C60开启碳纳米材料研究和应用的新时代碳纳米管由石墨片层卷成的管状物，具有纳米尺度的直径用于生产__________、电池和传感器石墨烯只有一个碳原子直径厚度的单层石墨应用于光电器件、超级电容器、电池和复合材料复合材料【情境·思考】从陶瓷材料发展的历史来看，经历了三次飞跃。由陶器进入瓷器这是第一次飞跃；由传统陶瓷发展到精细陶瓷是第二次飞跃；精细陶瓷粉体的颗粒较大，属微米级（10-6m），用新的制备方法把陶瓷粉体的颗粒加工到纳米级，用这种超细微粉体粒子来制造陶瓷材材料，得到新一代纳米陶瓷，这是陶瓷材料的第三次飞跃。纳米陶瓷具有延展性，有的甚至出现超塑性。纳米陶瓷被称为21世纪陶瓷。试分析传统无机非金属材料和新型无机非金属材料各有什么优点？提示：传统无机非金属材料和新型无机非金属材料的比较：传统无机非金属材料具有性质稳定、抗腐蚀、耐高温等优点，但质脆，经不起热冲击。新型无机非金属材料除具有传统无机非金属材料的优点外，还有某些特征如：强度高、具有电学、光学特性和生物功能等。知识点二氧化碳与二氧化硅的性质比较【重点释疑】二氧化碳与二氧化硅的性质比较

物质二氧化硅二氧化碳存在存在于岩石、沙子、石英、水晶、硅藻土中空气，燃料的燃烧产物物质二氧化硅二氧化碳物理性质固体，难溶于水，熔、沸点高，硬度大通常情况下为无色无味气体，密度比空气大，微溶于水物质二氧化硅二氧化碳化学性质①与水反应不反应CO2+H2O====H2CO3②与酸反应只与氢氟酸反应：SiO2+4HF====SiF4↑+2H2O不反应物质二氧化硅二氧化碳化学性质③与碱液（NaOH）反应SiO2+2NaOH====Na2SiO3+H2O（盛碱液的试剂瓶用橡胶塞）CO2+2NaOH====Na2CO3+H2O或CO2+NaOH====NaHCO3④与碱性氧化物反应如与CaO反应：SiO2+CaOCaSiO3如与Na2O反应：CO2+Na2O====Na2CO3物质二氧化硅二氧化碳化学性质⑤与碳反应SiO2+2CSi+2CO↑CO2+C

2CO用途制饰品、坩埚、光导纤维干冰用于人工降雨【知识拓展】硅及其化合物性质的“九大反常”（1）碳族元素的主要化合价一般是+2、+4价，而硅常见的是+4价。（2）硅的还原性比碳强，而碳在高温下却能从SiO2中还原出硅。（3）非金属单质与强碱反应一般不生成氢气，而硅却能与强碱溶液反应产生氢气。（4）非金属单质一般不与非氧化性酸反应，而硅不但能与氢氟酸反应，而且还有H2生成（类似于较活泼金属与酸的置换反应），Si+4HF====SiF4↑+2H2↑。（5）SiO2是H2SiO3的酸酐，但它不溶于水，不能直接将它与水作用制备H2SiO3。（6）非金属氧化物的熔、沸点一般较低，但SiO2的熔、沸点却很高。（7）酸性氧化物一般不与酸作用，但SiO2却能与氢氟酸作用。SiO2+4HF====SiF4↑+2H2O。（8）无机酸一般易溶于水，而H2SiO3却难溶于水。（9）因H2CO3的酸性强于H2SiO3，所以在Na2SiO3溶液中通入CO2能发生下列反应：Na2SiO3+CO2+H2O====H2SiO3↓+Na2CO3，但在高温下Na2CO3+SiO2

Na2SiO3+CO2↑也能发生。【思考·讨论】

（1）盛NaOH溶液的试剂瓶一般是玻璃瓶、橡胶塞，你知道这是为什么吗？

提示：试剂瓶的瓶塞一般是毛玻璃，易与氢氧化钠溶液反应生成硅酸钠溶液，从而使瓶塞与瓶壁黏合在一起而难以打开，所以盛NaOH溶液的试剂瓶一般是玻璃瓶、橡胶塞。（2）SiO2既能与NaOH溶液反应，也能与氢氟酸反应，能认为SiO2属于两性氧化物吗？

提示：SiO2不属于两性氧化物。两性氧化物指既能与酸反应，又能与碱反应生成盐和水的氧化物。SiO2能与氢氟酸反应，但并不生成盐和水。【案例示范】【典例】下列叙述正确的是（

）A．CO2和SiO2都是酸性氧化物，所以两者物理性质相似B．因为CaCO3+SiO2

CaSiO3+CO2↑，所以硅酸的酸性比碳酸强C．CO2和SiO2都能与碳反应，且都作氧化剂D．SiO2既能和NaOH反应，又能和HF反应，所以二氧化硅属于两性氧化物【解题指南】解答本题应注意以下3点：（1）CO2和SiO2在性质上既有一定的相似性又具有差异性。（2）由于SiO2和HF反应是SiO2的特殊性质，SiO2与其他酸不反应，所以SiO2不是两性氧化物。（3）SiO2、CO2与C反应时SiO2、CO2均表现氧化性。【解析】选C。CO2和SiO2都是酸性氧化物、化学性质相似，但物理性质差别很大，A项错误；硅酸的酸性比H2CO3弱，反应之所以发生，是因为CO2为气体，可以脱离反应体系，B项错误；CO2和SiO2与C反应时都作氧化剂，C项正确；SiO2与HF反应时生成的SiF4不是盐，所以SiO2不是两性氧化物，D项错误。【母题追问】（1）利用化学方程式说明碳酸和硅酸的酸性强弱。提示：向硅酸钠溶液中通入CO2气体，发生反应Na2SiO3+CO2+H2O====H2SiO3↓+Na2CO3，根据“较强酸制较弱酸”的原理，可知碳酸的酸性比硅酸强。（2）C项发生的反应中碳的作用是否相同？提示：相同。反应C+CO2

2CO、2C+SiO2

Si+2CO↑中碳都作还原剂。【迁移·应用】

2018年11月5日至7日，世界光纤光缆大会在杭州举行。本次大会以“一个光纤连接的智能世界”为主题，围绕“全球光纤光缆供需走势”、“5G和物联网带来的需求展望”、“一带一路”倡议和“智能制造”等热点议题展开深入讨论与交流。光缆的主要成分为SiO2。下列叙述正确的是（

）A．CO2与SiO2都能跟H2O反应生成相应的酸B．SiO2与CO2都不能与酸反应C．SiO2与CO2（干冰）都能够与氢氧化钠溶液反应D．水晶的主要成分是SiC【解析】选C。A项，CO2与水反应，SiO2不与水反应，也不溶于水；B项，SiO2能与HF反应，但CO2不与酸反应；C项，SiO2、CO2均能与NaOH溶液反应：SiO2+2NaOH====Na2SiO3+H2O，CO2+2NaO