人教版（2019）高中化学必修二 5.3 无机非金属材料 课件（42张ppt）

(共42张PPT)
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
核心素养：
宏观辨识与微观探析：水泥、玻璃、陶瓷工业的发展及其在现代国民经济中的主要地位，新型无机非金属材料的特点、用途和发展。
变化观念与平衡思想：了解硅和二氧化硅的性质，认识碳化硅、氮化硅、纳米材料等新型无机非金属材料的主要性能和用途。
证据推理与模型认知：了解硅和二氧化硅的结构，从而推导出硅和二氧化硅的性质。
科学探究与创新意识 ：了解新型无机非金属材料的性质，感受科学技术的重大应用
科学精神与社会责任：知道硅及其化合物在材料家族中的应用，增强关注社会的意识和责任感。
一、硅酸盐材料
（一）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 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 相互连接，每个 为两个四面体所共有，与 个Si相结合。
4
O
O
2
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。
（二）常见的硅酸盐材料
1、陶瓷
（1）、主要原料：黏土
（2）、传统生产过程：混和、成型、干燥、烧结、冷却 。
（3）、特点：抗氧化、抗酸碱腐蚀、耐高温、绝缘
（4）用途：建筑材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具
小知识：陶瓷主要种类：
土器：砖瓦
(自然冷却，Fe2O3含量较多)
(淋水冷却，Fe3O4、FeO较多)
陶器：
彩陶
江苏宜兴的紫砂壶、秦汉兵马俑
瓷器：
碗盘
茶具
收藏珍品
炻器：
水缸、砂锅
瓷都景德镇
注：①彩釉
②搪瓷不属于陶瓷
红瓦
青瓦
2、玻璃
（1）普通玻璃生产原料：纯碱、石灰石、石英
高温
高温
（2）生产原理及条件：
Na2CO3+SiO2===Na2SiO3+CO2↑
CaCO3+SiO2===CaSiO3+CO2 ↑
（3）普通玻璃的成分：Na2SiO3、CaSiO3、SiO2
（4）主要设备：玻璃窑
（5）特点：玻璃是非晶体，称为玻璃态物质，无固定熔点，在某一温度范围内软化可加工成制品
（6）用途：建筑材料、光学仪器、各种器皿、制造玻璃纤维
种 类 特 性 用 途
普通玻璃 在较高温度下易软化 窗玻璃、玻璃瓶、玻璃杯等
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、紫外灯等的灯壳；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、望远镜用凹凸透镜等光学仪器
玻璃纤维 耐腐蚀、不怕烧、不导电、不吸水、隔热、吸声、防虫蛀 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
有机玻璃：缩写为:PMMA;有机玻璃的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高分子化合物。有机玻璃又叫明胶玻璃、亚克力。
小知识：常见的特种玻璃
3、水泥
（1）主要原料：石灰石、黏土
辅助原料：适量的石膏（调节水泥硬化速度）
（2）设备：泥回转窑
（3）主要成分：硅酸三钙(3CaO·SiO2)、硅酸二钙(2CaO·SiO2)、
铝酸三钙(3CaO·Al2O3)
（4）主要性能：水硬性
（5）用途：大量用于建筑和水利工程
水泥回转窑
小知识：水泥的标号
水泥的标号是水泥强度大小的标志，测定水泥标号的抗压强度，系指水泥砂浆硬结28天后的强度。例如检测得到28天后的抗压强度为310 kg/cm2，则水泥的标号定为300号。抗压强度为300-400 kg/cm2者均算为300号。普通水泥有：200、250、300、400、500、600六种标号。200号-300号的可用于一些房屋建筑。400号以上的可用于建筑较大的桥梁或厂房，以及一些重要路面和制造预制构件。
(1)硅酸盐是由硅、氧和金属组成的混合物(　　)
(2)硅酸盐结构较为复杂，大多不溶于水，化学性质很稳定(　　)
(3)硅氧四面体中，硅原子与氧原子都是以共价键结合(　　)
(4)水泥与玻璃的共同原料是石灰石，水泥与陶瓷的共同原料是黏土(　　)
(5)陶瓷、玻璃、水泥的生产都需要在高温下进行(　　)
(6)玻璃和水泥生产中都发生复杂的物理和化学变化(　　)
牛刀小试
×
√
√
√
√
√
（三）硅酸盐
1、硅酸钠(Na2SiO3,俗名泡花碱)是一种最简单的硅酸盐。
(1)硅酸钠易溶于水，其水溶液俗称 ，具有 强、耐 等特性，常用作黏合剂和防火剂。
水玻璃
黏结力
高温
(2)硅酸钠溶液与盐酸反应生成硅酸(H2SiO3)胶体，其化学方程式是 。
(3)少量的二氧化碳通入硅酸钠溶液中，反应的离子方程式是 。
Na2SiO3 + 2HCl = 2NaCl + H2SiO3 ↓
Na2SiO3 + CO2 +H2O = H2SiO3↓ ＋Na2CO3
硅酸酸性比碳酸弱
2、硅酸盐组成的表示方法
硅酸钠（Na2SiO3)
镁橄榄石（Mg2SiO4）
钙沸石 Ca(Al2Si3O10) ·3H2O
活泼金属氧化物·较活泼金属氧化物·SiO2·H2O
Na2O ·SiO2
2MgO ·SiO2
CaO ·Al2O3 ·3SiO2·3H2O
长石（KAlSi3O8）
K2O·Al2O3·6SiO2
小知识：硅酸盐的丰富性和多样性
由于铝与硅在元素周期表中位置相邻、粒子大小相近，＋3价的铝常常或多或少地置换硅酸盐中＋4价的硅而形成铝硅酸盐。为了保持电中性，会伴随引入其他正离子，从而大大增加了硅酸盐品种的多样性和结构的复杂性，同时也为应用硅酸盐材料提供了更广阔的选择。硅酸盐岩石长期在水和大气中二氧化碳的侵蚀下，风化为黏土，并且形成土壤胶体。土壤胶体粒子表面积巨大且带负电，能与NH 、K＋等数十种生物所需的营养离子相互作用，使土壤具有保肥能力。这是大自然对人类及地球生物的馈赠，我们应该爱护大地母亲。保持土壤的良好结构和化学成分，就是保证农业、牧业和林业持续发展的基础。
1.下列关于硅酸盐材料的说法错误的是（ ）
A.生活中常见的硅酸盐材料有玻璃、水泥、陶瓷
B.普通玻璃的主要成分是二氧化硅
C.陶瓷的主要原料是黏土
D.硅酸盐水泥以石灰石和黏土为主要原料
B
2.下列关于水玻璃的性质和用途的叙述中不正确的是（ ）
A.这是一种矿物胶，既不燃烧也不受腐蚀
B.在建筑工业上可以作黏合剂、耐酸水泥掺料
C.木材、织物浸过水玻璃后具有防腐性能且不易燃烧
D.水玻璃的化学性质稳定，在空气中不易变质
D
二、新型无机非金属材料
（一）硅和二氧化硅
1、单质硅
（1）存在：硅有晶体硅和无定形硅两种单质
硅在自然界主要以硅酸盐和氧化物的形式存在
（2）物理性质：①灰黑色，有金属光泽，硬而 脆的固体；
②结构类似于金刚石，熔、沸点高、硬度大；
③晶体硅是良好的半导体材料。
（3）化学性质：常温下硅单质的化学性质不活泼，但能与氢氟酸、强碱发生反应。
Si+2F2= SiF4
Si+O2 SiO2
Si+2Cl2 SiCl4
Si+ 4HF = SiF4↑+ 2H2↑
Si+ 2NaOH + H2O= Na2SiO3 + 2H2↑
（4）制备
制粗硅：SiO2＋2C = Si + 2CO↑
高温
制高纯硅：
（5）用途
⑴高纯硅广泛应用于信息技术核心和新能源技术；
⑵作为半导体制成计算机、通信设备；
⑶硅太阳能电池。
硅太阳能电池
芯片
芯片
硅整流器
2、二氧化硅（SiO2）
（1） 存在：在自然界与矿物质共同构成岩石。
（2）SiO2结构
Si →
O →
空间网状结构(四面体）
石英晶体是结晶的二氧化硅，石英中无色透明的晶体就是水晶
石 英
水 晶
水 晶
沙子的主要成分就是SiO2 ，沙子中含有小粒的石英晶体。
23
茶水晶
紫水晶
蔷薇石英
黄水晶
石英具有彩色环状或层状的称为玛瑙。
（3）物理性质
坚硬难熔的固体，不溶于水，纯净的晶体无色透明
①酸性氧化物：
（4） 化学性质
SiO2＋2NaOH＝Na2SiO3＋H2O
为什么实验室中盛放碱液的试剂瓶要用橡皮塞而不能用玻璃塞？
SiO2＋CaO CaSiO3
答：玻璃中含有SiO2 ，与碱反应，生成硅酸盐，可黏合玻璃。
★SiO2 不能与水化合生成硅酸。
Na2SiO3＋2HCl ＝ H2SiO3 ＋ 2NaCl
硅酸制法：用硅酸盐和酸反应
②与氢氟酸反应—SiO2的特性
SiO2 + 4HF = SiF4↑ + 2H2O
玻璃中含有SiO2，所以可以用HF来刻蚀玻璃。
③弱氧化性
2C + SiO2 2CO↑ + Si
（5）SiO2的用途
①高性能通讯材料---光导纤维
②沙子是基本的建筑材料
③石英和玛瑙制作饰物、工艺品、精密仪器等
石英坩埚
光导纤维
制晶体硅
石英坩埚
光导纤维
石英手表
光学仪器
耐磨器皿
SiO2
精密仪器轴承
3、硅酸（白色固体，难溶于水）
Na2SiO3＋CO2+H2O= H2SiO3 +Na2CO3
H2SiO3＋2NaOH=Na2SiO3+2H2O
（1）存在：硅酸（ H2SiO3 ）、原硅酸（ H4SiO4）等·
（2）性质弱酸性，只与强碱反应
Na2SiO3＋2HCl=H2SiO3↓+2NaCl
（3） 制法：强酸制弱酸
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。
硅胶干燥剂
硅胶泳帽
（4）硅胶
课堂练习
1．下列关于二氧化硅的说法中正确的是(　　)
A．二氧化硅分子由一个硅原子和两个氧原子构成
B．在二氧化硅晶体中，每个硅原子周围结合4个氧原子
C．二氧化硅可用来制作干燥剂
D．二氧化硅是酸性氧化物，它不溶于任何酸
B
2．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．当加热到一定温度时，硅能与氧气、氢气等非金属反应
C
3.下列物品或设备的成分中含有二氧化硅的是
①门窗玻璃　②水晶镜片　③石英钟表　④玛瑙首饰　
⑤硅太阳能电池 ⑥光导纤维　⑦计算机芯片
A.①②③④⑥ B.全部
C.⑤⑦ D.①②⑥⑦
A
4.(2018·三门峡高一期末)高纯度晶硅是典型的无机非金属材料，又称“半导体”材料。它的发现和使用曾引起计算机的一场“革命”。它可以按下列方法制备：
下列说法不正确的是
A.步骤①的化学方程式：SiO2＋C Si＋CO2↑
B.步骤①中每生成1 mol Si，转移4 mol电子
C.步骤③中的反应为氧化还原反应
D.高纯硅是制造太阳能电池的常用材料，二氧化硅是制造光导纤维的基本原料
A
（二）新型陶瓷
新型陶瓷与传统陶瓷相比，在组成上有很大的变化，在光学、热学、电学、磁学等方面具有很多新的特性和功能。
阅读教材P23：科学·技术·社会
实例1：高温结构陶瓷——碳化硅(SiC)
碳化硅俗称 ，它是由碳原子和硅原子通过 连接而形成，与 的结构类似，具有硬度大和优异的_________ 性能。
金刚砂
共价键
金刚石
高温抗氧化
砂纸
碳化硅纤维
实例2：压电陶瓷：
是一种能够将机械能和电能互相转换的信息功能陶瓷材料。
煤气灶专用压电陶瓷点火瓷柱
实例3：透明陶瓷：
是一种利用陶瓷材料光学性质的新型陶瓷，除具有传统陶瓷的典型特性外，兼具玻璃的光学特性。
经过几十年的发展，目前已经研制出了几十种的透明陶瓷：从最开始的氧化铝透明陶瓷到氧化镁透明陶瓷、氧化钇透明陶瓷等发展到铝镁尖晶石透明陶瓷、氮化铝透明陶瓷、氮氧化铝透明陶瓷、透明PLZT电光陶瓷、钇铝石榴石激光透明陶瓷，以及YGO、GGG、Gd2O2S透明闪烁陶瓷等材料。这种光学性能各异的新型材料正逐步开发应用于激光、照明、医疗器械、军事、国防等重要技术领域。
中科院自主研制激光透明陶瓷
氮氧化铝：一种可以防弹的透明陶瓷
实例4：超导陶瓷：
超导陶瓷是一类在临界温度时电阻为零的陶瓷，它对今后信息革命、能源利用以及交通起重要作用。
（三）碳纳米材料
(1)富勒烯是由 构成的一系列笼形分子的总称，如C50、C60、C70、C120等，其代表物是 。
(2)碳纳米管是由 卷成的管状物，具有 尺度的直径。比表面积大，具有高强度和优良的电学性能。
(3)石墨烯是只有一个 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。
碳原子
C60
石墨片层
纳米
碳原子
富勒烯：富勒烯分子是生命分子形成的基础
课堂练习
1.下列哪些材料是新型无机材料
① 氧化铝陶瓷 ② 氮化硅陶瓷 ③ 碳化硅陶瓷 ④ 氮化铝陶瓷⑤ 氮化钛陶瓷 ⑥ 硅化硼陶瓷 ⑦ 二硅化铜陶瓷
A ①②③ B ①③④⑤
C ①⑤⑥ D 全部
2.碳化硼(B4C3)陶瓷硬度大、熔点高，具有化学惰性。据此判
断，下列不能作为碳化硼陶瓷用途的是?
Ａ．作耐磨材料 Ｂ．作润滑材料
Ｃ．制切削工业 Ｄ．制耐腐蚀材料
B
D
3.氮化硅是一种高温陶瓷材料，它的硬度大、熔点高、化学性质稳定，工业上普遍采用高纯硅与纯氮在1 300 ℃时反应获得。
(1)根据性质，推测氮化硅陶瓷的用途是________(填字母)。
A.制汽轮机叶片 B.制有色金属
C.制永久性模具 D.制造柴油机
(2)写出氮原子结构示意图________，根据元素周期律知识，请写出氮化硅的化学式______。
ACD
Si3N4
(3)氮化硅陶瓷抗腐蚀能力强，除氢氟酸外，它不与其他无机酸反应，试推测该陶瓷被氢氟酸腐蚀的化学方程式：
______________________________。
(4)现用四氯化硅和氮气在氢气气氛保护下，加强热发生反应，可得较高纯度的氮化硅，反应的化学方程式为____________________________________。
Si3N4＋12HF===3SiF4↑＋4NH3↑
3SiCl4＋2N2＋6H2 Si3N4＋12HCl
谢 谢 观 看