化学人教版（2019）必修第二册5.3.2新型无机非金属材料（共21张ppt）

(共21张PPT)
化学
高中
人教版
必修二
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
课时2 新型无机非金属材料
学习目标
1. 通过阅读和讨论，了解陶瓷、玻璃、水泥等传统硅酸盐材料的生产原料、性能和主要用途，知道普通玻璃的主要成分
2. 通过学习，了解晶体硅、二氧化硅、新型陶瓷、碳纳米材料的性能和用途，感受新型无机非金属材料的奇特性能及其在高科技领域所发挥的重要作用，激发学生学习化学的兴趣
硅的存在形式
学知识
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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
硅与二氧化硅
学知识
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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
硅与二氧化硅
学知识
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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
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】
硅与二氧化硅
学知识
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相同点
碳和硅位于同一主族，探究CO2和SiO2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】
弱氧化性
SiO2 + 2C Si + 2CO↑
高温
（在玻璃上雕花刻字）
特性
SiO2 ＋ 4HF SiF4↑＋ 2H2O
HF是唯一能与SiO2反应的酸
硅与二氧化硅
学知识
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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。
光导纤维能导电吗？
【思考】
硅与二氧化硅
学知识
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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
硅与二氧化硅
学知识
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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+CaO===== CaSiO3
高温
SiO2+4HF==== SiF4↑+2H2O
SiO2+Na2CO3 ==== Na2SiO3+CO2↑
高温
SiO2+2C ==== Si+2CO↑
高温
SiO2 + 2NaOH ==== Na2SiO3 +H2O
硅
学知识
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资料卡片——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。
高纯硅广泛应用于信息技术和新能源技术等领域。利用其半导体性能可以制成计算机、通信设备和家用电器等的芯片，以及光伏电站、人造卫星和电动汽车等的硅太阳能电池。
硅元素处于金属与非金属的过渡位置，其单质的导电性介于导体与绝缘体之间，是应用最为广泛的半导体材料。
硅的制备
学知识
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① SiO2+2C Si+2CO↑
② Si+3HCl SiHCl3+H2
③ SiHCl3+H2 Si+3HCl
工业制备高纯硅的原理示意图
学知识
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硅的化学性质
④Si + 4HF=== SiF4↑ +2H2↑
⑤Si+ 2NaOH + H2O == Na2SiO3 + 2H2↑
①Si+2F2 === SiF4
△
③Si+O2 ===SiO2
△
②Si+2Cl2===SiCl4
△
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见
核
心
知
识
P141
学知识
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。
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见
核
心
知
识
P141
学知识
新型陶瓷
碳化硅
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
（俗称金刚砂）一种新型高温结构陶瓷
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学知识
新型陶瓷
高温结构陶瓷一般用碳化硅、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、耐腐蚀等优良性能。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。
压电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。
透明陶瓷主要有氧化铝、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。
超导陶瓷在某一临界温度下电阻为零，具有超导性，可用于电力、交通、医疗等领域。
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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。
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学知识
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。
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。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。
练能力
提升练习
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下列有关叙述不正确的是(　　)
A.硅在自然界中主要以硅酸盐和氧化物的形式存在
B.高纯硅是制造芯片及硅太阳能电池的常用材料
C.单质硅既不能与酸反应也不能与碱反应
D.工业上制备高纯硅的流程一般为石英砂→粗硅→三氯硅烷→高纯硅
解析：
硅是亲氧元素，在自然界中无游离态，主要以硅酸盐和氧化物(如水晶、玛瑙)的形式存在,故 A正确；硅位于第三周期Ⅳ A族，其化学性质不活泼,但能和氢氧化钠溶液、氢氟酸发生反应，故C不正确。
C
练能力
提升练习
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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
本课总结
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
Thank you