2021-2022学年高一下学期化学人教版（2019）必修第二册5.3无机非金属材料课件（31张ppt）

(共31张PPT)
第五章 化工生产中的重要非金属
第三节 无机非金属材料
课程学习目标
知道常见的新型材料。
5
认识我们身边的硅酸盐材料。
1
掌握硅的结构和应用。
3
认识二氧化硅的应用。
4
知道陶瓷、玻璃、水泥的主要组成。
2
新课讲解
导入
步兵战车应用了一种新型才傲的发动机-------绝热陶瓷发动机，可使其不易被红外探测器发现并被红外制导武器所摧毁。那么你知道这种陶瓷在化学上属于什么材料吗？
1. 以含硅物质为原料，经加工制得硅酸盐产品的工业称为硅酸盐工业。
如制造水泥、玻璃、陶瓷等产品的工业都属硅酸盐工业。
硅酸盐工业的特点：
(1)原料：含硅的物质、碳酸盐等。
(2)反应条件：高温。
(3)反应原理：复杂的物理、化学变化。
(4)生成物：硅酸盐。
一、传统硅酸盐材料
新课讲解
二氧化硅中没有单个分子，用SiO2来表示二氧化硅的组成,
表示Si与O的原子个数比为1:2,所以不是分子式而是化学式。
[SiO2]四面体结构
立体网状结构决定了SiO2具有优良的物理和化学性质
资料卡片
新课讲解
SiO2
唐三彩
新课讲解
生产原料：黏土（Al2O3·2SiO2·2H2O ）
生产设备：陶瓷窑
生产过程：混合-成型-干燥-烧结-冷却
反应原理：复杂的物理、化学变化
主要性质：抗氧化、抗酸碱腐蚀、耐高温、
绝缘、易成型
2.①陶 瓷（china）
新课讲解
机场出口处的蓝色玻璃隔离墙
红色玻璃产品
新课讲解
生产原料：纯碱、石灰石、石英（Na2CO3、CaCO3、SiO2）
生产设备：玻璃熔炉
反应原理：复杂的物理、化学变化
主要成分：Na2SiO3、CaSiO3、SiO2
主要特性：非晶体，无固定的熔点
高温
SiO2 + Na2CO3 Na2SiO3 + CO2↑
SiO2 + CaCO3 CaSiO3 + CO2↑
高温
②玻 璃
新课讲解
玻璃的种类
种类 特性 用途
石英玻璃 膨胀系数小，耐酸碱，强度大，滤光 化学仪器，高压水银灯，紫外灯，光导纤维，压电晶体等
光学玻璃 透光性能好，有折光和色散性 眼镜片，照相机，显微镜，望远镜用凸凹透镜等光学仪器
玻璃纤维 耐腐蚀，不怕烧，不导电，不吸水，隔热，吸声，防蛀虫 太空飞行员的衣服，玻璃钢等
钢化玻璃 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
新课讲解
水 泥
水泥是最常用的建筑材料下图是1949—1998年我国水泥产量示意图
新课讲解
生产原料：石灰石、黏土+适量石膏
（CaCO3、 Al2O3·2SiO2·2H2O ）
生产设备：水泥回转窑
主要成分：硅酸三钙(3CaO SiO2)、硅酸二钙(2CaO SiO2)
铝酸三钙(3CaO Al2O3)等
反应原理：复杂的物理、化学变化
主要特性：水泥具有水硬性
③水 泥
新课讲解
二、 新型无机非金属材料
1．传统的硅酸盐材料有什么优、缺点？
优点：抗腐蚀、耐高温； 缺点：质脆、经不起热冲击。
2.新型无机非金属材料有哪些特性？
① 承受高温，强度高。② 具有光学特性。
③ 具有电学特性。 ④ 具有生物功能。
新课讲解
3.硅单质
①请画出碳和硅的原子结构示意图
分析：既不易失去电子，又不易得到电子，主要形成四价的化合物。
Si位于元素周期表第三周期，第ⅣA，处于金属与非金属过渡位置，为半导体材料
新课讲解
②存在及物理性质
硅在地壳中含量仅次于氧，居第2位，硅在自然界的存在形态：没有游离态，只有化合态-----二氧化硅、硅酸盐
硅单质：灰黑色、有金属光泽、硬而脆的固体，是很好的半导体材料！
新课讲解
玛瑙
玛瑙
玛瑙
③单质Si的制备
在高温下让粗硅（Si）与氯气（Cl2）反应，其产物在高温下被氢气（H2）还原而得到较纯的硅
SiCl4+2H2===Si+4HCl
高温
（高纯硅 99.9999999％）
提纯硅
Si + 2Cl2=== SiCl4
高温
粗硅
制粗硅SiO2 +2C == Si + 2CO↑
高温
粗硅
新课讲解
④用途
集成电路、晶体管、硅整流器等半导体材料，还可以制成太阳能电池、硅的合金可用来制造变压器铁芯等。
集成电路 晶体管
新课讲解
4. 二氧化硅（ 硅石 ）存在及应用
水晶
玛瑙
新课讲解
无色透明
彩色环带或层状
结晶形（石英晶体）
无定形——硅藻土
水晶
玛瑙
硅石
新课讲解
SiO2是自然界中沙子、石英的主要成分。天然二氧化硅叫硅石；结晶的二氧化硅叫石英。
二氧化硅可以用来制造光导纤维，具有优良的性能。
新课讲解
光导纤维主要特性：①抗干扰性能好，不发生辐射；
②通讯质量好；③质量轻、耐腐蚀。
5、新 型 陶 瓷 材 料
习惯上把陶瓷(ceramics)分为传统陶瓷和特种陶瓷。
传统陶瓷是以粘土、长石、石英等天然矿物为原料经烧结而成的。
特种陶瓷是以人工合成的氧化物、氮化物、碳化物、硅化物、硼化物超细微粒为原料特制而成。又称精细陶瓷、精密陶瓷。
新课讲解
战斗机上应用了陶瓷材料
氧化铝陶瓷
二氧化锆
结构陶瓷
新课讲解
氮化硅陶瓷
几种新型陶瓷
几种典型的新型无机非金属材料
①高温结构陶瓷特点：耐高温、耐腐蚀、耐磨蚀、抗氧化等，用于火箭发动机，汽车发动机和高温电极材料，如氮化硅（Si3N4）和碳化硅（SiC--金刚砂）。
②压电陶瓷特点:主要有钛酸盐和锆酸盐,可实现机械能和电能的相互转化，用于滤波器、扬声器、超声波探伤器和但火气等。
③透明陶瓷：氧化铝、氧化钇、氮化铝、氟化钙等类型；
特点：耐高温、绝缘性好，用于高压钠灯，激光器和高温探窗。
④超导陶瓷：特点为某临界温度下电阻为0，具有超导性，可用于电力、交通、医疗等。
新课讲解
科学、技术、社会
透明陶瓷
6、碳纳米材料
----富勒烯（C60）、碳纳米管、石墨烯等
新课讲解
富勒烯（C60）、碳纳米管、石墨烯
富 勒 烯-------笼形分子，以C60为代表.
碳纳米管-------石墨片层管状物，比表面积大，具有高强度和电学性能，用于生产复合材料，电池、传感器。
石 墨 烯-------单层石墨，电阻率低，热导率高，强度高用于光电器元件、超级电容器、电池和复合材料等。
新课讲解
碳纳米汽车
1.下列叙述错误的是（ ）
A.硅在自然界中主要以单质形式存在 B.硅是应用最广泛的半导体材料
C.高纯度的硅可用于制造计算机芯片 D.二氧化硅可用于生产玻璃
2.有下列物品或设备：①陶瓷餐具②砖瓦③混凝土桥墩④门窗玻璃⑤水晶镜片
⑥石英钟⑦水晶项链⑧硅太阳能电池⑨光导纤维⑩计算机芯片
（1）用到硅单质的是______．（用序号填写，下同）
（2）所用材料主要为SiO2的是_________．
（3）所用材料主要成分为硅酸盐的是____________．
课堂练习
A
⑧⑩
⑤⑥⑦⑨
①②③④
3.氢氟酸是HF的水溶液，可与SiO2发生反应成SiF4和H2O。请写出该反应的化学方程式。想一想为什么可以用氢氟酸溶蚀玻璃生产磨砂玻璃。
答案：SiO2+4HF=SiF4↑+2H2O。玻璃种含有二氧化硅，所以
可以用来制造磨砂玻璃
课堂练习
4.SiO2是一种酸性氧化物，能与强碱溶液反应。例如，SiO2与NaOH反应可生长
Na2SiO3。Na2SiO3的水溶液俗称水玻璃，具有黏结力强、耐高温等特性，可
以用作粘合剂和防火剂。实验室盛放碱溶液的试剂瓶应使用橡胶塞，而不用
玻璃塞。请解释原因，并写出相关反应的化学方程式。
课堂练习
答案：用玻璃塞会导致瓶塞瓶口黏结在一起SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O
5.氮化硅是一种性能优异的无机非金属材料，它的熔点高，硬度大，电绝缘性好，化
学性质稳定，但生产成本较高。
(1)根据以上描述，氮化硅可能有哪些用途：_____(填字母)
a.制作坩埚 b.用作建筑陶瓷 c.制作耐高温轴承 d.制作切削刀具
(2)请写出氮和硅的原子结构示意图，并根据元素周期律知识，写出氮化硅的化学式。
课堂练习
答案：（1）c,d；（2） N: Si: Si3N4
(3)氮化硅在19世纪已经被化学家合成出来，但直到100多年后才逐
渐应用于工业领域。材料的基础研究和实际应用之间存在着一定距
离，你认为二者之间的关系是怎样的？请查阅相关资料，与同学交
流你的观点。
课堂练习
答案：①二者作用是相辅相成的；②基础研究的成果指导着应用研究的进行；③实际需要和应用研究是基础研究的推动力；④应用研究的结果会丰富已有的理论。
小结硅酸盐
无机非金属材料
传统无机非金属材料
新型无机非金属材料
陶瓷
玻璃
水泥
高温结构陶瓷
压电陶瓷
透明陶瓷
超导陶瓷
课堂小结