5.3 无机非金属材料 课件 高一下学期化学人教版必修第二册

第三节无机非金属材料第五章化工生产中的重要非金属元素第1课时传统无机非金属材料学习目标1.了解传统无机非金属材料（陶瓷、玻璃、水泥）的原料、成分、性能及其在生产中的应用。2.了解高纯硅的制备过程。3.知道几种常见的新型无机非金属材料的成分及在生产中的应用。问题导学许多无机非金属材料含有硅、氧等元素，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。材料是人类赖以生存和发展的物质基础，人类使用材料除了金属材料，还有无机非金属材料、高分子材料等。材料分类无机非金属材料金属材料：包含纯金属和合金有机高分子材料传统无机非金属材料：如玻璃、陶瓷、水泥新型无机非金属材料：硅和二氧化硅、新型陶瓷、碳纳米材料等复合材料无机非金属材料由什么物质组成？有什么性质？【思考】一、硅酸盐传统无机非金属材料多为硅酸盐材料，包括陶瓷、玻璃、水泥三大类。1.硅酸盐的概念：

由Si、O、金属(铝，铁，钙，镁，钾，钠等)等元素组成的化合物的总称。2.存在：存在于地壳、岩石中3.硅酸盐的表示方法硅酸盐矿物的成分复杂，多用氧化物的形式表示它们的组成【书写方法】：a活泼金属氧化物·b较活泼金属氧化物·cSiO2·dH2O硅酸钠（Na2SiO3）→Na2O

·

SiO2石棉（Mg3CaSi4O12）黏土（Al2Si2H4O9）→CaO

·3MgO·4SiO2→Al2O3

·

2SiO2

·2H2O【注】实际上硅酸盐不是以简单氧化物形式存在的，而是以各种结构复杂的盐的形式存在的4.硅酸盐结构硅氧四面体结构硅酸盐材料的性质：大多具有硬度高、难溶于水、耐高温、耐腐蚀等特点。有例外：Na2SiO3每个Si结合4个O，Si在中心，O在四面体的4个顶角；许多四面体通过顶角的O相互连接，每个O为两个四面体所共有，与2个Si相结合。(立体网状结构决定了硅酸盐具有优良的物理和化学性质)(1)物理性质硅酸钠是一种钠盐，俗名泡花碱，白色固体，易溶于水，其水溶液俗称水玻璃，是无色黏稠液体。5.最简单的硅酸盐—Na2SiO3(3)用途①制硅酸；②黏合剂(矿物胶)；③耐火阻燃材料；④防腐剂SiO32－＋2H＋=H2SiO3↓(白色胶状沉淀)(2)化学性质①具有很强的热稳定性，能耐高温，防火材料。②与酸反应：(强酸制弱酸)Na2SiO3＋2HCl==2NaCl＋H2SiO3↓③与CO2反应：Na2SiO3＋CO2(少量)＋H2O

==Na2CO3＋H2SiO3↓Na2SiO3＋2H2O＋2CO2(过量)=H2SiO3↓＋2NaHCO3

中学阶段唯一难溶于水的酸补充：硅酸的性质硅酸聚合硅酸凝胶干燥脱水硅酸干凝胶“硅胶”食品、药品的干燥剂催化剂的载体①弱酸（酸性比碳酸弱）a.难溶于水的弱酸，其酸性不能使石蕊溶液变红b.与碱反应：H2SiO3+2NaOH===Na2SiO3+2H2O②不稳定性：△H2SiO3===H2O+SiO2③用途：制作”硅胶“

2.如何证明酸性

盐酸>碳酸>硅酸？【思考】ABCDA：Na2CO3/NaHCO3B:HClC:饱和NaHCO3D:Na2SiO3思考1.SiO2不溶于水，如何由SiO2制取H2SiO3?SiO2＋2NaOH==Na2SiO3＋H2ONa2SiO3＋2HCl==H2SiO3↓＋2NaCl二、传统无机非金属材料1.陶瓷(1)原料：黏土(主要成分为含水的铝硅酸盐)(2)反应设备及条件：陶瓷窑中高温烧结(3)性质：(4)用途：抗氧化、抗酸碱腐蚀、耐高温、绝缘、易成形生产建筑材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具等旧石器时代陶器距今将近2万年新石器时代陶器距今约1万年战国春秋原始瓷距今约1万年陶瓷的发展史越窑青瓷刑窑白瓷唐三彩人类使用最早的硅酸盐产品！原料：纯碱(Na2CO3)石灰石(CaCO3)石英砂(SiO2)玻璃主要成分：硅酸钠(Na2SiO3)硅酸钙(CaSiO3)二氧化硅(SiO2)玻璃窑中熔融反应原理：

Na2CO3＋SiO2Na2SiO3＋CO2↑

CaCO3＋SiO2

CaSiO3＋CO2↑原料经混合、粉碎，在玻璃窑中熔融，发生复杂的物理和化学变化而制得2.玻璃黏土、石灰石3.水泥原料应用条件水泥回转窑中煅烧，发生复杂的物理和化学变化水泥、沙子、碎石和水混合制作混凝土反应过程中需加适量石膏(CaSO4·2H2O)来调节水泥硬化速率：产品原料设备主要成分性能用途陶瓷

耐高温、硬度大、耐腐蚀、性质稳定。玻璃透光性好、硬度大、无固定熔点。水泥遇水逐渐变硬(水硬性)，硬化后性质稳定。黏土黏土、石灰石玻璃窑水泥回转窑含水的铝硅酸盐Na2SiO3、CaSiO3、SiO2建筑材料、日用器皿、卫生洁具等建筑材料、各种器皿、光学仪器等用于建筑和水利工程纯碱、石灰石、

石英砂总结：传统的无机非金属材料——硅酸盐材料硅酸盐[23年广东高考]C[25年高三汕头一模]B3.下列关于硅酸的说法正确的是（

）A．硅酸可以通过SiO2和水化合反应直接制得

B．可用反应Na2SiO3+2HCl===2NaCl+H2SiO3↓制取硅酸

C．因为硅酸难溶于水，所以它不能与NaOH溶液反应

D．干燥剂“硅胶”的主要成分是硅酸钠B4.(2019·全国卷Ⅰ)陶瓷是火与土的结晶,是中华文明的象征之一,其形成、性质与化学有着密切的关系。下列说法错误的是()A.“雨过天晴云破处”所描述的瓷器青色，来自氧化铁B.闻名世界的秦兵马俑是陶制品，由黏土经高温烧结而成C.陶瓷是应用较早的人造材料，主要化学成分是硅酸盐D.陶瓷化学性质稳定，具有耐酸碱侵蚀、抗氧化等优点A世界著名高科技产业区——硅谷

信息化时代的每一件高科技通讯设备都离不开一个小小的芯片，那么芯片是用什么材料制成的呢？一些材料含碳、氮等其他元素，在航天、能源和医疗等领域广泛应用。随着科学技术的发展，无机非金属材料突破了传统的硅酸盐体系，一系列新型无机非金属材料相继问世。高纯度的含硅元素的材料：单晶硅、二氧化硅等，具有特殊的光学和电学性能，是现代信息技术的基础材料。氮化硅陶瓷三、新型无机非金属材料——硅和二氧化硅注意：硅元素是亲氧元素，在自然界中只以化合物（硅酸盐、SiO2）的形式存在，不存在游离态。1.硅元素的“位——构——性”关系三IVA4硅，灰黑色固体，有金属光泽，熔沸点高、硬度大、有脆性，导电性介于导体和绝缘体之间，是良好的半导体材料，高纯度硅广泛应用于信息技术和新能源技术等领域。拓展：金刚石和晶体硅的结构相似。在晶体中，每个碳硅原子都以共价键与相邻4个碳（硅）原子结合，形成正四面体的立体网状。所以，金刚石和晶体硅的熔沸点都很高，硬度也很大。2.硅单质晶体硅中的杂质会影响导电性能，如何制备高纯硅呢？①SiO2+2C====Si+2CO↑18000C~20000C②Si+3HCl===SiHCl3

（三氯硅烷）+H23000C③SiHCl3+H2

===Si+3HCl11000C高温SiO2+2C===Si+2CO↑(1)粗硅的制取注意产物不是CO2(2)高纯硅的制取3.工业制备高纯硅能循环利用的物质：H2和HCI反应(2)和反应(3)互为可逆反应吗？4.硅单质化学性质Si+2F2===SiF4(气态)Si+2NaOH

+

H2O

===Na2SiO3

+

2H2↑Si+4HF===SiF4↑

+

2H2↑(氢氟酸是唯一能与硅反应的酸)①

常温下化学性质不活泼，只能跟F2、HF、NaOH溶液反应。②

在加热条件下，单质硅能与Cl2、O2、C等非金属单质反应。与氟气反应：与氢氟酸反应：与强碱溶液反应：与氯气反应：与氧气反应：与碳反应：Si+2Cl2

===SiCl4Si+O2

===

SiO2Si+C===SiC(金刚砂)高温⑴存在形式硅藻土石英、水晶、玛瑙、沙子结晶形：无定形：统称硅石空间构型：硅氧四面体（空间网状）熔沸点高、硬度大、不溶于水⑵物理性质SiO2是二氧化硅的化学式(表示组成)而不是分子式，没有SiO2分子，只存在Si原子和O原子按2:1的比例组成，它是原子晶体。5.二氧化硅纯净的二氧化硅【注】1molSiO2含有4mol硅氧键与水反应：与碱反应生成盐和水：与碱性氧化物反应生成盐：SiO2+2NaOH==Na2SiO3+H2OSiO2+CaO===CaSiO3高温(

3

)SiO2的化学性质①酸性氧化物为什么实验室盛放碱溶液的试剂瓶使用橡胶塞，而不用玻璃塞？SiO2不溶于水，也不与水反应若使用带玻璃塞的试剂瓶盛放碱液，碱液能与玻璃中的SiO2发生反应生成Na2SiO3，导致玻璃塞与瓶口内侧粘连而无法打开。注意：瓷坩埚和石英坩埚的主要成分都含有SiO2，SiO2能与NaOH反应，铝坩埚的主要成分是氧化铝，也能与NaOH反应，故不能用来融化NaOH。可使用铁坩埚！(2022·重庆卷)用瓷坩埚加热熔化NaOH固体。()②弱氧化性（与碳反应）：③与某些盐反应：④特性：与酸反应（只能与HF反应）SiO2+4HF=SiF4↑+2H2O——常用于雕刻玻璃提示：HF能腐蚀玻璃，因此，盛装氢氟酸不能用玻璃试剂瓶，而要用塑料瓶。光导纤维石英坩埚水晶SiO2的用途沙子玻璃纯净的SiO2是光学和光纤制品的基本原料。SiO2既能与强碱反应，又能与HF反应，那SiO2是两性氧化物吗？答：不是。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。玛瑙石英砂二、新型无机非金属材料硅芯片硅太阳能电池板硅的用途：①高纯硅用于制造芯片和硅太阳能电池。类别成分性能应用金刚砂高温结构陶瓷压电陶瓷透明陶瓷超导陶瓷SiC、Si3N4某些金属氧化物耐高温、抗氧化、耐腐蚀火箭发动机、高温电极材料钛酸盐、锆酸盐实现机械能与电能的相互转化滤波器、扬声器、点火器。氧化铝、氧化钇氮化铝、氟化钙优异的光学性能、耐高温，绝缘性好。高压钠灯、激光器、高温探测窗。某临界温度下电阻为零，超导性。电力、交通、医疗耐高温结构材料耐高温半导体材料碳化硅(SiC)硬度大、耐高温、抗氧化二、新型无机非金属材料——新型陶瓷

★

新型陶瓷在组成上不再限于传

统的硅酸盐体系！YBa2Cu3O7-δ碳纳米材料是近年来人们十分关注的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。富勒烯代表物：C60碳纳米管石墨片层卷成的管状物石墨烯单层石墨二、新型无机非金属材料——碳纳米材料二、新型无机非金属材料——碳纳米材料

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。C60的发现为纳米科学提供了重要的研究对象，开启了碳纳米材料研究和应用的新时代。富勒烯1、碳纳米材料

用C60作车轮的“纳米汽车”二、新型无机非金属材料——碳纳米材料碳纳米管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。石墨烯

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。硅及其化合物转化图SiSiO2H2SiO3Na2SiO3CaSiO3SiCSiF4O2/加热C/高温加热NaOHHClCO2+H2OCaO、CaCO3/高温HFCCaCl2SiH4H2/加热NaOHNa2CO3课堂小结当堂检测1.判断正误(1)晶体硅熔点高、硬度大，故可用作半导体材料(

)(2)石英砂可用于生产单晶硅(

)(3)二氧化硅是酸性氧化物，所以能溶于水且可与水反应(

)(4)氮化硅陶瓷是新型无机非金属材料(

)(5)向硅酸钠溶液中通入适量CO2，出现白色沉淀，证明碳的非金属性强于硅(

)×√×√√

判断下列说法是否正确：

①楚王陵出土的陶俑主要成分为硅酸盐考考你自己

②SiO2具有光导性，故可用作光导纤维

③

SiO2能与HF反应，其属于碱性氧化物④

加热熔融NaOH固体⑤用装置

验证非金属性：S＞C＞Si

××工业制备高纯硅的流程如下，下列说法不正确的是A．SiO2的结构式为O＝Si＝OB．Si在周期表中处于金属与非金属的分界处，可作半导体材料C．生成粗硅中氧化剂与还原剂的物质的量之比为1∶

2D．该工业流程中可以循环利用的气体有HCl、H2成功体验A试剂二氧化硅氢氧化钠溶液氢氟酸浓硫酸试剂瓶细口磨口塞广口瓶细口塑料瓶细口橡皮塞

实验室有五种试剂，根据它们各自的性质，必须选择适当的试剂瓶盛放，请在对应的各种试剂瓶和所装试剂之间进行连线。ABB3、硝酸的用途氮肥硝化纤维塑料染料硝酸甘油用于治疗冠心病工业如何制取硝酸？化工原料，用于制炸药、染料、医药、硝化纤维，化肥等。二、硝酸的工业制备工业上制硝酸的原理是将氨经过一系列反应得到硝酸，如下图所示：①N2+3H2

2NH3高温高压催化剂②4NH3+5O2===4NO+6H2O催化剂③2NO＋O2===2NO2④3NO2＋H2O===2HNO3＋NO试着写出过程①②③④的化学方程式酸雨：主要指pH小于5.6

的雨水，其主要是含有硫酸和硝酸。SSO2SO3H2SO4硫酸型酸雨：煤、石油等化石燃料的燃烧和某些含硫的金属矿物的冶炼硝酸型酸雨：汽车尾气以及硝酸工业废气等NO2HNO3成因：主要是大气中的SO2与NOx溶于水形成的。三、酸雨的危害与防治

酸雨有很大的危害，能直接损伤农作物，破坏森林和草原，使土壤、湖泊酸化，还会加速建筑物、桥梁、工业设备、运输工具和电缆的腐蚀。三、酸雨的危害与防治（1）酸雨的防治措施①调整能源结构，发展清洁能源；②研