化学人教版（2019）必修2 5.3.2硅及其化合物（共47张ppt）

(共47张PPT)
第五章
第2课时 新型无机非金属材料
第3节 无机非金属材料
Part 01 硅和二氧化硅
Part 02 新型陶瓷
Part 03 碳纳米材料
致老师和同学们：
①由于ppt含较多高质量素材和视频，故资源比较大
②所用视频均内嵌在ppt中，不需要另外下载。本节共有7个视频， 根据需要选择即时播放。
视频清单
①孙悟空是硅生物
②玻璃刻蚀
③光纤通信
④粗硅提纯
⑤芯片制作
⑥三体
素养目标
宏观辨识和微观探析
通过对硅及化合物的学习培养学生论据推理与模型认知的化学核心素养。
科学探究和社会责任
结合身边的生活用品、电子产品、建筑物等用到的无机非金属材料，感受化学就在身边，化学材料作用巨大，提高学生努力学习化学、投身国家建设的社会责任感。
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
新型无机非金属材料具有的特性
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。
碳化硅金刚石切割片
二氧化硅光导纤维
硅芯片
输送药物的纳米材料
Part 01 硅和二氧化硅
硅的存在形式
硅是一种亲氧元素
在自然界中主要以硅酸盐（如地壳中的大多数矿物）和氧化物（如水晶、玛瑙、石英砂）的形式存在
在地壳中的含量位居第二，仅次于氧元素
硅和二氧化硅
O
Si
从硅在自然界中的存在，你能看出二氧化硅具有哪些物理性质吗？
【思考】
SiO2是一种难溶于水的非金属氧化物，硬度大，熔点高
SiO2有结晶态（如玛瑙、沙子、石英等）和无定形态（如硅藻土）两种，统称为硅石
硅和二氧化硅
从二氧化硅的物理性质，结合硅在元素周期表中的位置，你能预测二氧化硅的空间结构吗？
二氧化硅的结构和硅酸盐相同，都是硅氧四面体结构：一个硅连接四个氧，一个氧连接两个硅，故化学式为SiO2
1molSiO2含有多少硅氧键？
以硅为研究对象，1molSiO2含有1mol硅原子，1mol硅原子会形成4mol硅氧键
【思考】
硅和二氧化硅
相同点
碳和硅位于同一主族，探究二氧化碳和二氧化硅的化学性质有什么相同点和不同点
【活动】
酸性氧化物
与强碱溶液反应：
与碱性氧化物反应：
SiO2 ＋ 2NaOH Na2SiO3 ＋H2O
硅酸钠（粘合性）
SiO2＋ CaO CaSiO3
高温
二氧化硅是硅酸的酸酐，但是二氧化硅不能与水反应生成硅酸
【注意】
硅和二氧化硅
弱氧化性
（制粗硅）
SiO2 + 2C Si + 2CO↑
高温
硅和二氧化硅
不能；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。由于该反应有CO 脱离体系，促进反应进行。
【思考】
由此反应能否说明碳的还原性大于硅？
（在玻璃上雕花刻字）
特性
HF是唯一能与SiO2反应的酸
【注意】
硅和二氧化硅
SiO2 ＋ 4HF SiF4↑＋ 2H2O
SiO2用途
①沙子是基本的建筑材料；
②纯净的SiO2是光学和光纤制品的基本原料；
③水晶、石英和玛瑙可制作饰品和工艺品；
④水晶用来制造电子工业中的重要部件。
硅和二氧化硅
光导纤维能导电吗？
【思考】
观看视频，了解光纤通信的原理
【活动】
光纤通信的原理：光在二氧化硅形成的光密介质中全反射传递信息。故光导纤维的通信具有容量大，抗干扰性能好，传输的信号不易衰减，能有效提高通信效率。
硅和二氧化硅
盛放酸性和氧化性溶液的试剂瓶不能用橡胶塞，盛放碱性溶液的试剂瓶不能用玻璃塞，为什么？
【思考】
酸性和氧化性溶液会腐蚀橡胶塞，而碱性溶液会与玻璃中的SiO2反应，生成硅酸钠，使试剂瓶与瓶塞粘在一起
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？
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
硅和二氧化硅
SiO2既能与强碱反应，又能与HF反应，SiO2是两性氧化物吗？
不是，二氧化硅和其他酸不反应，只能与HF酸反应，且生成的SiF4不是盐
HF酸该如何保存？
保存在塑料瓶中
【思考】
硅和二氧化硅
二氧化碳 二氧化硅
水
碱
碱性氧化物
碳酸盐
HF
氧化性
CO2+2NaOH==== Na2CO3+H2O
不反应
CO2+H2O==== H2CO3
CO2+CaO==== CaCO3
不反应
CO2 +H2O+Na2CO3 ==== 2NaHCO3
CO2+C==== 2CO
SiO2 + 2NaOH ==== Na2SiO3 +H2O
SiO2+CaO===== CaSiO3
高温
SiO2+4HF==== SiF4↑+2H2O
SiO2+Na2CO3 ==== Na2SiO3+CO2↑
高温
SiO2+2C ==== Si+2CO↑
高温
硅和二氧化硅
硅和二氧化硅
高纯硅的制备
【资料卡片】
工业上制备高纯硅，一般要先制得纯度为98%左右的粗硅，在一起为原料制备高纯硅。例如，可以将粗硅转化为三氯氢硅（SiHCl3)，再经氢气还原得到高纯硅
SiO2 + 2C Si + 2CO↑
1800-2000℃
Si + 3HCl SiHCl3 + H2
300℃
1100℃
SiHCl3 + H2 Si + 3HCl
粗硅的制备
高纯硅的制备
粗硅变纯硅
硅和二氧化硅
制备粗硅时，碳不能加入太多
【思考】
1.利用其半导体性能制成计算机、通信设备和家用电器的芯片。
2.光伏电站、人造卫星和电动汽车的硅太阳能电池等
硅的用途
硅是非金属元素，为什么硅晶体可以导电用作半导体？
【思考】
在元素周期表中硅位于第三周期第ⅣA族，正好处于金属与非金属的过度位置，故硅晶体的导电性介于导体和绝缘体之间，是应用最广泛的半导体材料
硅与碳在同一主族，它们的结构、化学性质相似吗？
单晶硅的结构和金刚石的结构相同，化学性质与碳有一定相似性
④Si + 4HF=== SiF4↑ +2H2↑
⑤Si+ 2NaOH + H2O == Na2SiO3 + 2H2↑
23
①Si+2F2 === SiF4
△
③Si+O2 ===SiO2
△
②Si+2Cl2===SiCl4
△
硅和二氧化硅
硅的化学性质
Part 02 新型陶瓷
★ 新型陶瓷在组成上不再限于传统的硅酸盐体系
★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。
★在光学、热学、电学、磁学等方面有很多新的特性和功能。
新型陶瓷
新型陶瓷
碳化硅
（俗称金刚砂）一种新型高温结构陶瓷
结构
碳原子和硅原子通过共价键连接，类似于金刚石的空间网状结构
性质
硬度大，熔点高，抗氧化
应用
砂纸和砂轮的磨料、耐高温结构材料、耐高温半导体材料
新型陶瓷
一般用碳化硅、氮化硅或某些金属氧化物等在高温下烧结而成，具有耐高温、抗氧化、耐磨蚀等优良性能。与金属材料相比，更能适应严酷的环境，可用于火箭发动机、汽车发动机和高温电极材料等。
资料卡片
新型陶瓷
高温结构陶瓷
主要有钛酸盐和锆酸盐等，能实现机械能与电能的相互转化，可用于滤波器、扬声器、超声波探伤器和点火器等。
资料卡片
新型陶瓷
压电陶瓷
4MHz压电陶瓷聚焦超声波片
高频压电陶瓷谐振器
主要有氧化铝、氧化钇等氧化物透明陶瓷和氮化铝、氟化钙等非氧化物透明陶瓷，具有优异的光学性能，耐高温，绝缘性好，可用于高压钠灯、激光器和高温探测窗等。
资料卡片
新型陶瓷
透明陶瓷
氧化铝陶瓷
二氧化锆
在某一临界温度下电阻为零，具有超导性，用于电力、交通、医疗等领域
资料卡片
新型陶瓷
超导陶瓷
Part 03 碳纳米材料
纳米材料
碳纳米材料
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。
纳米材料
富勒烯
由碳原子构成的一系列笼形分子的总称
纳米王子
定义
代表
C60
C60的发现为纳米科学提供了重要研究对象，开启了纳米材料研究和应用的新时代
纳米材料
富勒烯C60是在1984年美国埃克森实验室首次发现，1985年由克罗托、柯尔、斯莫利三位科学家联合成功制备出的C60 。
富勒烯的发现
英国科学家克罗托
美国科学家柯尔
美国天文学家斯莫利
C60发现
纳米材料
因其外观与足球相似，故又称之为足球烯。
C60发现
纳米材料
世界上最小的汽车“纳米汽车”不过3至4纳米见方，不到头发丝直径的2万分之一，却拥有完美的底盘、轮轴和车轮。它的轮轴能像汽车的轮轴一样平滑旋转，而轮轴末端是4个由C60做成的轮子。“纳米汽车”可用来运输单个的有机分子，生产复杂的材料或药物。大量的“纳米汽车”还可以组成“纳米生产线”，大大提高加工效率。
C60发现
纳米材料
碳纳米管
直达宇宙的太空天梯
碳纳米管可以看成是由石墨片卷成的管状物，具有纳米尺度的直径。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
纳米材料
1978年科幻作家阿瑟 克拉克在《天堂之泉》一书中具体描绘了”太空天梯”.将其描述为一根长长的缆绳,人们可以通过这根连接空间站和地面的缆绳往返太空和地面之间,并且将建筑材料运到宇宙之中建设太空城市 。要实现这个梦想，就必须要找到制造“天梯”材料.从地球到月球跨越38万公里，普通钢丝强度低、密度大，仅仅9公里的高度，就很容易被自身的重量拉断。科学家计算出，迄今为止只有一种材料满足要求，有望承担这一神圣的历史使命，它就是碳纳米管。
碳纳米管发现
纳米材料
1991年日本物理学家饭岛澄男进行了一项重大实验，他以两根石墨棒作为电极，在两根石墨棒上施加电流，火花在它们之间形成拱形，随之而来的是一团含碳的气体喷出，蒸发阳极棒的尖端，当含碳空气沉淀在腔室壁上时，它形成了一层薄薄的黑色烟灰，在里面出现了一种新的物质—碳纳米管。同年，他在《自然》杂志上发文，宣布观察到碳纳米管，由此开拓出一维纳米材料的全新研究领域。
电子显微镜下放大30万倍的碳纳米管
碳纳米管发现
纳米材料
石墨烯
新材料之王
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。作为一种强度高用于光电器元件、超级电容器、电池和复合材料等。
纳米材料
坚硬
透明
绝缘
润滑
松软
导电
石墨这种片层状的碳原子结构，虽然每一层都十分坚固，但层与层之间的范德华力较小，一旦施加外力就容易分层断裂，既然如此，科学家们有了一个大胆的想法，能不能从石墨中分离出坚固的单层碳原子？
石墨烯发现
纳米材料
2004年，英国曼彻斯顿大学的两位物理学家用胶带反复粘贴石墨的方法得到了仅由一层碳原子构成的薄片，这就是石墨烯。
2010年，这两位科学家因为发现了这份神奇的材料而被授予诺贝尔物理奖。
安德烈 康姆
康定斯坦 诺沃肖诺夫
石墨烯发现
纳米材料
1. 下列关于二氧化硅的叙述正确的是（　　）
A．SiO2能与水反应生成硅酸
B．SiO2与CO2的结构相同
C．SiO2用于太阳能电池
D．SiO2与氢氧化钠反应生成的盐储存在带橡胶塞的试剂瓶中
D
知识巩固
2.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
3. 材料与生活、生产息息相关，目前使用的材料主要有：金属材料、传统无机非金属材料、新型无机非金属材料、高分子材料、复合材料等。
（2）玻璃是重要的建筑和装饰材料，玻璃属于　 　(填“纯净物”或“混合物”)。有些玻璃的花纹是利用氢氟酸对普通玻璃中的二氧化硅的腐蚀作用而制成的，写出该反应的化学方程式　 　。
（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1300℃反应获得氮化硅，该反应属于化学反应基本类型中的　 　反应；已知氮化硅中硅元素的化合价为+4价，则氮化硅的化学式为　 　。
混合物
SiO2+4HF === SiF4↑+2H2O
化合
Si3N4
新型无机非金属材料
硅和二氧化硅
新型陶瓷
高温结构陶瓷、压电陶瓷、透明陶瓷、超导陶瓷
石墨烯、富勒烯、碳纳米管
存在：化合态（亲氧元素）
二氧化硅：
类别：酸性氧化物
化合价：弱氧化性
用途：光导纤维
特性：与HF反应
硅：制备和用途
纳米材料