无机非金属材料课件高一下学期化学人教版-3

新人教版化学必修2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1.了解陶瓷、玻璃、水泥等传统硅酸盐材料生产原料、性能和主要用途，知道传统硅酸盐的重要作用。2.了解硅二氧化硅的结构性质及其在生产中的应用，能区分新型与传统无机非金属材料的核心差异。3.掌握常见新型无机非金属材料的主要成分、独特性质，结合性质认识其在高新技术、航天、医疗等领域的应用。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硅酸盐材料：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、碳纤维等复合材料传统无硅酸盐材料有哪些？一、传统硅酸盐材料1.陶瓷主要原料主要设备生产条件主要成分特点用途黏土陶瓷窑高温烧结含水的铝硅酸盐抗氧化、抗酸碱腐蚀、耐高温、绝缘生产建筑材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具等一、传统硅酸盐材料2.玻璃主要原料主要设备生产条件主要成分特点用途纯碱、石灰石和石英砂玻璃窑生产建筑材料、光学仪器、各种器皿，制造玻璃纤维用于高强度复合材料等Na2SiO3、CaSiO3、SiO2玻璃是非晶体，无固定熔点，透光性好，硬度大高温下发生复杂的物理和化学变化一、传统硅酸盐材料(1)普通玻璃制备方法普通玻璃是以纯碱、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。SiO2+Na2CO3

Na2SiO3+CO2↑SiO2+CaCO3

CaSiO3+CO2↑你能写出发生反应的化学方程式吗?一、传统硅酸盐材料(2)特殊玻璃种类加工处理特性用途钢化玻璃普通玻璃加热软化，然后急速冷却耐高温、耐腐蚀、强度大、质轻、抗震裂运动器材、微波通讯器材;汽车、火车窗玻璃等光学玻璃加铅(Pb)透光性好，折射率高眼镜片；照相机、显微镜、望远镜用凹凸透镜等光学仪器含硼玻璃加硼酸盐耐化学腐蚀、耐温度急剧变化制用于实验室使用的玻璃仪器玻璃纤维硅酸盐类混合物耐腐蚀、不怕烧、不导电、不吸水、隔热、吸声、防虫蛀太空飞行员的衣服、玻璃钢等三、传统硅酸盐材料——玻璃有色玻璃：加金属氧化物或者盐。常用于建筑和装饰着色剂玻璃颜色MnO2紫色CoO、Co2O3紫红色FeO、K2Cr2O7绿色CdS、Fe2O3

、Sb2S3黄色AuCl

、

Cu2O红色CuO、MnO2

、Fe3O4黑色思考：家中常用的玻璃为什么微微带绿色？制造玻璃的原料里含有二价铁离子杂质带来的绿色，自然界的砂子、石灰石以及纯碱，或多或少总会有一些铁的化合物。(2)特殊玻璃1.钢化玻璃与普通玻璃成分是否相同？2.石英玻璃、有机玻璃与普通玻璃成分是否相同？相同不同①石英玻璃主要成分是二氧化硅，不属于硅酸盐材料②有机玻璃：缩写为PMMA，化学名称叫聚甲基丙烯酸甲酯，是由甲基丙烯酸酯聚合成的有机高分子化合物，是一种有机高分子材料。有机玻璃又叫明胶玻璃、亚克力

一、传统硅酸盐材料3.水泥主要原料辅助原料主要设备生产条件性能混凝土用途黏土和石灰石水泥回转窑水泥、砂、碎石等与水混合高温煅烧适量的石膏（调节水泥硬化速度）制混凝土，大量用于建筑和水利工程遇水逐渐变硬(水硬性)，硬化后性质稳定

陶瓷玻璃水泥主要原料生产设备主要成分用途传统无机非金属材料——陶瓷、玻璃、水泥黏土陶瓷窑含水的铝硅酸盐建筑材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具等建筑材料、光学仪器和各种器皿、制造玻璃纤维用于高强度复合材料等制混凝土，大量用于建筑和水利工程硅酸二钙、铝酸三钙等Na2CO3、CaCO3、SiO2黏土、石灰石纯碱、石灰石、石英砂玻璃窑水泥回转窑一、传统硅酸盐材料——硅酸盐1.定义2.存在3.硅酸盐结构由金属、硅、氧等元素形成的盐硅酸盐一般结构复杂，存在于地壳、岩石中Si和O构成了硅氧四面体每个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。硅氧四面体4.性质大多硬度高、熔点高、难溶于水、化学性质稳定、耐腐蚀等。一、传统硅酸盐材料——硅酸盐5.表示方法(1)用盐的化学式表示，如Na2SiO3、CaSiO3(2)因矿物成分复杂，多用氧化物的形式表示，如Na2O•SiO2、CaO•SiO2①书写顺序：a活泼金属氧化物·b较活泼金属氧化物·cSiO2·dH2O②计量数以整数书写，氧化物之间用小点隔开③元素化合价不变、原子比例不变

典例.长石（KAlSi3O8）、高岭土[Al2Si2O5(OH)4]如何用氧化物形式表示？

K2O·Al2O3·6SiO2Al2O3·2SiO2·2H2O硅酸钠Na2SiO3

表示：

镁橄榄石

Mg2SiO4 表示：高岭石

Al2Si2O5(OH)4

表示：正长石

KAlSi3O8

表示：钾云母(KH2Al3Si3O12)

表示：

K2O·Al2O3·6SiO2K2O·3Al2O3·6SiO2·2H2O

请将下列硅酸盐改写为氧化物形式

Na2O·SiO22MgO·SiO2Al2O3·2SiO2·2H2O一、传统硅酸盐材料——硅酸盐6.最简单的硅酸盐—Na2SiO3(1)物理性质其水溶液俗称水玻璃，又称泡花碱，是一种无色黏稠的液体，黏性很强。白色固体，具有黏合性，可溶于水。(2)化学性质硅酸钠水溶液呈碱性，易吸收空气中CO2而变质Na2SiO3+H2O+CO2=H2SiO3↓+Na2CO3(3)用途①Na2SiO3溶液（水玻璃）——木材防火、黏胶剂等②制备硅酸、硅胶练习(1)硅酸钠溶液与盐酸反应生成硅酸(H2SiO3)沉淀，其离子方程式是_______

。(2)过量的二氧化碳通入硅酸钠溶液中，反应的离子方程式是_____________

。2H＋===H2SiO3↓你知道这些在建筑时都主要采用了哪些材料吗？二、新型无机非金属材料1.硅单质(1)硅元素存在形式硅是亲氧元素，在自然界中没有游离态，主要以硅酸盐和氧化物形式存在。硅元素含量在地壳中居第二位。“养闺女贴钙”(2)硅元素在元素周期表中位置①第三周期第ⅣA族

②金属与非金属分界线处如地壳中的大多数矿物质如水晶、玛瑙(3)硅的原子结构示意图二、新型无机非金属材料(4)物理性质①灰黑色，有金属光泽，硬而脆的固体②晶体硅结构类似于金刚石，熔、沸点高、硬度大③晶体硅导电性介于导体与绝缘体之间，具有特殊的光学和电学性能硅单质的形式：硅有晶体硅和无定形硅两种单质(5)用途①Si导电性介于导体和半导体之间，是良好的半导体材料②硅是信息技术的关键材料，高纯硅还用于传感器、探测器领域③制作硅芯片、太阳能电池二、新型无机非金属材料(6)化学性质Si+2F2=SiF4①常温下，化学性质稳定，但能与氟气、氢氟酸、强碱发生反应。Si+4HF=SiF4↑+2H2↑Si+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H2↑②加热时能与氧气发生反应。Si+2Cl2=SiCl4高温Si+O2=SiO2△③高温时能与碳、氯气、氮气发生反应。Si+C=SiC高温Si+N2=Si3N4高温碳化硅(俗名：金刚砂)二、新型无机非金属材料(7)高纯硅的制备工业上制备高纯硅，一般需要先制得纯度为98%左右的粗硅，再以其为原料制备高纯硅。例如，可以将粗硅转化为三氯硅烷(SiHCl3)，再经氢气还原得到高纯硅。石英砂焦炭HClH2SiHCl3高纯硅1800~2000ºC300ºC1100ºC工业制备高纯硅的原理示意图粗硅原料①②③二、新型无机非金属材料(7)高纯硅的制备工业上制备高纯硅，一般需要先制得纯度为98%左右的粗硅，再以其为原料制备高纯硅。例如，可以将粗硅转化为三氯硅烷(SiHCl3)，再经氢气还原得到高纯硅。SiO2+2C=Si+2CO↑1800~2000

℃制粗硅粗硅（高纯硅99.9999999％）粗硅Si+3HCl=SiHCl3+H2300

℃SiHCl3+H2=Si+3HCl1100

℃提纯硅二、新型无机非金属材料2.二氧化硅(1)在自然界存在形式结晶形——石英、水晶、玛瑙、沙子无定形——硅藻土(2)结构坚硬难熔的固体，不溶于水，纯净的晶体无色透明OSi立体网状结构——原子晶体1molSiO2含有4molSi-O键(3)物理性质请根据CO2与H2CO3的性质，推测SiO2与H2SiO3的性质，并写出相应的方程式。已知(1)CO2可以溶于水并生成H2CO3，作为酸性氧化物，还可以与碱、碱性氧化物反应；(2)H2CO3是一种二元弱酸，能使紫色石蕊溶液变红，不稳定,受热易分解。

Si

SiO2

H2SiO3Na2SiO3二、新型无机非金属材料2.二氧化硅(4)化学性质①

物质类别——酸性氧化物×不能与水反应生成硅酸Si SiO2

H2SiO3

Na2SiO3SiO2+CaOCaSiO3高温SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2OSiO2+CaCO3

CaSiO3+CO2↑高温SiO2+Na2CO3

Na2SiO3+CO2↑高温工业生产玻璃原理②

元素价态——弱氧化性SiO2+2C=Si+2CO↑(制粗硅)高温③特性SiO2+4HF=

SiF4↑+2H2O应用：玻璃中含有SiO2，所以可以用HF来刻蚀玻璃。HF是唯一能与SiO2反应的酸二、新型无机非金属材料2.二氧化硅(5)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。玻璃仪器精美瓷器水晶、玛瑙光导纤维（通信）二、新型无机非金属材料3.硅酸(1)存在形式(2)物理性质(3)化学性质硅酸（偏硅酸H2SiO3

原硅酸脱水后的稳定形式）原硅酸（H4SiO4

不稳定，易脱水）等白色胶状固体，难溶于水①弱酸性：酸性比碳酸弱，不能使紫色石蕊溶液变红，只与强碱反应

H2SiO3＋2NaOH=Na2SiO3+2H2O(4)制备方法Na2SiO3＋CO2+H2O=H2SiO3↓+Na2CO3

Na2SiO3＋2HCl=H2SiO3↓+2NaCl强酸制弱酸②不稳定性：受热易分解H2SiO3

SiO2+H2O（工业制硅胶）△二、新型无机非金属材料3.硅酸(5)硅胶硅酸失水后形成硅胶，具有强吸水性，常用作干燥剂和催化剂的载体。硅酸干凝胶“硅胶”SiO2•nH2O硅酸溶胶→硅酸凝胶→硅酸干凝胶即为“硅胶”（H2SiO3和SiO2的混合物

）1.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？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。2.SiO2虽然是酸性氧化物，但是不能与水直接化合成H2SiO3，那如何制备H2SiO3呢？通过可溶性硅酸盐与酸反应制备SiO2＋2NaOH＝Na2SiO3＋H2ONa2SiO3＋2HCl＝H2SiO3↓＋2NaCl3.根据SiO2的特性，氢氟酸该如何保存？保存在塑料瓶中4.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？5.加热熔融NaOH和不能使用陶瓷坩埚、石英坩埚和铝坩埚，只能使用铁坩埚，为什么？若使用带玻璃塞的试剂瓶盛放碱液，碱液能与玻璃中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。陶瓷和石英的主要成分都含有SiO2，SiO2能与NaOH反应，铝坩埚的主要成分是氧化铝，也能与NaOH反应如何设计实验证明碳酸酸性大于硅酸。原理：CO2＋H2O＋Na2SiO3＝H2SiO3↓＋Na2CO3装置：CaCO3盐酸Na2SiO3盐酸CaCO3Na2SiO3NaHCO3二氧化碳二氧化硅酸性氧化物水碱碱性氧化物碳酸盐特性氢氟酸弱氧化性与碳CO2+H2O=H2CO3不反应CO2+2NaOH=Na2CO3+H2OSiO2+

2NaOH=Na2SiO3+H2OCO2+CaO=CaCO3CO2+H2O+Na2CO3=2NaHCO3

SiO2+CaO===CaSiO3高温SiO2+Na2CO3

====Na2SiO3+CO2↑高温SiO2+CaCO3==CaSiO3+CO2↑高温SiO2+4HF=SiF4↑+2H2O不反应CO2+C==2COSiO2+2C====Si+2CO↑高温二、新型无机非金属材料5.新型无机非金属材料组成不再限于传统的硅酸盐体系特性和功能在光学、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、耐高温半导体材料新型陶瓷二、新型无机非金属材料5.新型无机非金属材料的发展新型材料成分性能主要应用金刚砂___________磨料、耐高温结构材料、耐高温半导体材料高温结构陶瓷碳化硅、氮化硅、金属氧化物用于火箭发动机、汽车发动机和高温电极材料等压电陶瓷钛酸盐、锆酸盐等用于滤波器、扬声器、超声波探伤器和点火器等透明陶瓷氧化铝、氧化钇等透明陶瓷；用于高压钠灯、激光器、高温探测窗等超导陶瓷—用于电力、交通、医疗等领域碳化硅(SiC)硬度大、耐高温、抗氧化耐高温、抗氧化、耐腐蚀能实现机械能和电能的相互转化具有优异的光学性能、耐高温、绝缘性好临界温度下具有超导性(1)新型陶瓷二、新型无机非金属材料5.新型无机非金属材料的发展新型材料结构性能用途碳纳米材料富勒烯由碳原子构成的一系列笼形分子的总称，如C60—制碳纳米材料碳纳米管由石墨片层卷成的管状物，具有纳米尺度的直径比表面积大，有相当高的强度和优良的电学性能生产复合材料、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，具有很高的强度光电器件、超级电容器、电池、复合材料等新材料之王直达宇宙的太空天梯纳米王子(2)碳纳米材料H2O+CO2/HClSiNa2SiO3SiO2H2SiO3O2/△F2Na2O、NaOHNaOH物质类别化合价单质氧化物盐含氧酸0+4酸碱转化氧化还原转化Na2CO3C/高温SiF4HFHFNaOHSiCl4Cl2H2氯化物△SiHCl3HClH2+21.小明参观了举世瞩目的北京大兴国际机场，该机场建设时应用了许多先进技术，其中之一是“重载水泥混凝土铺面技术”。下列原料可用于制造普通水泥的是（

）A．胆矾 B．纯碱 C．石膏 D．小苏打C2.玻璃、陶瓷和水泥是重要的无机非金属材料，它们的主要成分中都含有的元素是(

)A．氮B．硫 C．硅 D．氯

C3.下列关于硅的说法不正确的是（

）A．硅是非金属元素，但它的单质是灰黑色有金属光泽的固体B．硅的导电性能介于导体和绝缘体之间，是良好的半导体材料C．硅的化学性质不活泼，常温下不与任何物质起反应D．当加热到一定程度时，硅能与氧气、氢气等非金属反应C4.有些科学家提出硅是“21世纪的能源”，这主要是由于作为半导体材料的硅在太阳能发电过程中具有重要的作用。下列有关硅的说法中，不正确的是()A.高纯度的硅广泛用于制作计算机芯片B.硅是人类将太阳能转换为电能的常用材料C.常温下，硅与水、空气和酸不反应，但能与氢氟酸和氢氧化钠反应D.由于硅的化学性质不活泼，自然界中存在大量的单质硅D5.下列说法中，正确的是()A.二氧化硅和二氧化碳都是酸性氧化物，所以二氧化硅能和水反应生成硅酸B.泡花碱属于盐类，水溶液俗称水玻璃，可用于生产黏合剂和防火剂；硅胶可做干燥剂C.SiO2可与氢氟酸反应,所以也能与盐酸反应D.Si和SiO2都用于制造光导纤维B6.指出下列反应中二氧化硅主要表现的化学性质或作用（只选一个）。(1)SiO2+2NaOH===Na2SiO3+H2O（）(2)SiO2+Na2CO3===Na2SiO3

+CO2↑（）(3)SiO2+2C===Si+2CO↑（）(4)SiO2+3C===SiC+2CO↑（）(5)SiO2+4HF===SiF4↑+2H