5.3无机非金属材料 课件（34张ppt） 2022-2023学年高一下学期化学人教版（2019）必修第二册

(共34张PPT)
第五章 化工生产中的重要非金属材料
第三节 无机非金属材料
1、能够了解碳、硅单质及其化合物的主要性质及应用。
2、能够熟悉常见无机非金属材料的性质和用途，能结合硅、二氧化硅及硅酸盐材料认识物质组成、性能和应用的联系。
学习目标
材料是人类赖以生存和发展的物质基础，人类使用的材料除了金属材料，还有无机非金属材料等。从组成上看，传统的无机非金属材料多为硅酸盐材料，在日常生活中随处可见。如制作餐具的陶瓷、窗户上的玻璃、建筑用的水泥等。
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1、硅酸盐
(1)概念：由硅、氧和金属组成的化合物的总称
(2)书写：
化学式法
氧化物法
如：Na2SiO3、K2SiO3、 CaSiO3等
黏土：Al2(Si2O5)(OH)4
原则：a活泼金属氧化物·bSiO2·cH2O
Al2O3·2SiO2·2H2O
有关氧化物法表示硅酸盐的组成的说明：
(1)实际上硅酸盐不是以简单氧化物形式存在的，而是以各种结构复杂的盐的形式存在的。
一、硅酸盐材料
有关氧化物法表示硅酸盐的组成的说明：
(1)实际上硅酸盐不是以简单氧化物形式存在的，而是以各种结构复杂的盐的形式存在的。
(2)拆分时：①各元素原子总个数比符合原来的组成
②若出现分数应化为整数
③各元素化合价不变
④氧化物前面的计量数只针对该氧化物起作用
⑤当多种金属同时存在，活泼的写在前面
一、硅酸盐材料
(3)硅酸盐的结构：
在硅酸盐中，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；许多这样的四面体还可以通过顶角的O相互连接，每个O为两个四面体所共有，与2个Si相结合。
Si
O
O
O
O
(4)硅酸盐的性质：
硅氧四面体结构的特殊性决定了硅酸盐材料的性质具有硬度高、难溶于水、耐高温、耐腐蚀等特点。
一、硅酸盐材料
(5)最简单的硅酸盐——硅酸钠
①物理性质：
②化学性质：
③用途：
硅酸钠是白色固体，可溶于水，其水溶液是一种黏稠状的液体，俗称水玻璃，是一种矿物胶。
硅酸钠的化学性质稳定，不能燃烧，其不易腐蚀，热稳定性强，可与比硅酸酸性强的酸反应生成难溶于水的硅酸。
Na2SiO3＋CO2＋H2O＝H2SiO3↓＋Na2CO3
水玻璃可用作建筑材料、纸张黏合剂，金属防腐剂，也可用于制备木材防火剂等。
一、硅酸盐材料
2、常见的硅酸盐产品
无机非金属材料包括传统无机非金属材料(如陶瓷、玻璃水泥等硅酸盐材料)和新型无机非金属材料(如单晶硅、二氧化硅、新型陶瓷、碳纳米材料等)。
(1)陶瓷
主要原料：
黏土(主要成分为含水的铝硅酸盐)
生产：
用途：
黏土 陶瓷
高温烧结
用于生产建筑材料、绝缘材料、日常器皿、卫生洁具等
一、硅酸盐材料
(2)玻璃
主要原料：
纯碱、石灰石和石英砂(主要成分SiO2)
生产设备：
玻璃窑
反应原理 ：
Na2CO3＋SiO2 === Na2SiO3＋CO2↑
CaCO3＋SiO2 === CaSiO3＋CO2↑
高温
高温
主要成分：
Na2SiO3、CaSiO3和SiO2
2、常见的硅酸盐产品
一、硅酸盐材料
(2)玻璃
特点：
无固定熔点，在一定温度范围内软化(玻璃态物质)
用途：
用于生产建筑材料、光学仪器和各种器皿、还可制造玻璃纤维用于高强度复合材料等
2、常见的硅酸盐产品
一、硅酸盐材料
加入元素或物质 玻璃特性 用途
铅 光学玻璃：透光性好，折射率高 制造眼镜、照相机和光学仪器的透镜
硼酸盐 耐化学腐蚀、耐温度急剧变化 制造可用于实验室使用的玻璃仪器
金属氧化物或盐 彩色玻璃 (Co2O3、CuO) 用于建筑和装饰
特种玻璃：阅读课文P20资料卡片
(3)水泥
主要原料：
黏土、石灰石
生产设备：
水泥回转窑
主要成分：
硅酸三钙 (3CaO·SiO3)、硅酸二钙 (2CaO·SiO3)、铝酸三钙 (3CaO·Al2O3)
2、常见的硅酸盐产品
特点：
具有水硬性
用途：
水泥、沙子和碎石等与水混合可以得到混凝土，大量用于建筑和水利工程。
一、硅酸盐材料
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。
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。
二、新型无机非金属材料
1、硅和二氧化硅
(1)硅
①存在形式：
在自然界主要以硅酸盐(如地壳中的大多数矿物)和氧化物(如水晶、玛瑙)的形式存在。
②制备：
Ⅰ、工业上用：焦炭＋石英砂→粗硅
SiO2＋2C===Si(粗)＋2CO↑
高温
二、新型无机非金属材料
②制备：
Ⅱ、高纯硅的制备
石英砂
粗硅
SiHCl3
高纯硅
1800~2000oC
焦炭
300oC
HCl
1100oC
H2
SiO2＋2C ========= Si＋2CO↑
1800~2000oC
Si＋3HCl ===== SiHCl3＋H2↑
300oC
SiHCl3＋H2 ===== Si＋3HCl
1100oC
二、新型无机非金属材料
③用途：
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。
硅晶片是生产芯片的基础材料
硅太阳能电池
二、新型无机非金属材料
1、硅和二氧化硅
(2)二氧化硅
①存在：
结晶形
无定形
石英
沙子
硅藻土
无色透明
水晶
彩色环带或层状
玛瑙
硅藻土
二、新型无机非金属材料
(2)二氧化硅
②用途：
Ⅰ、可用来生产光导纤维
光导纤维的通信容量大，抗干扰性能好，传输的信号不易衰减，能有效提高通信效率。
Ⅱ、可用来制造石英表中的压电材料
Ⅲ、可用来制造电子部件和光学仪器等
二、新型无机非金属材料
2、新型陶瓷：
新型陶瓷在组成上不再限于传统的硅酸盐体系，在光学、热学、电学、磁学等方面有很多新的特性和功能。
材料类别 主要特性 用途
SiC (俗称金刚砂)
具有类似金刚石的结构，硬度很大，具有优异的高温抗氧化性能
硬度大：作砂纸和砂轮的磨料
高温抗氧化性能：作耐高温结构材料、耐高温半导体材料
二、新型无机非金属材料
2、新型陶瓷
材料类别 主要特性 用途
高温结构陶瓷 (一般用SiC、Si3N4或某些金属在高温下烧结而成)
压电陶瓷 (主要有钛酸盐和锆酸盐)
耐高温
抗氧化
耐磨蚀
用于火箭发动机、汽车发动机和高温电极材料等
能实现机械能与电能的相互转化
用于滤波器、扬声器、超声波探伤器和点火器等
二、新型无机非金属材料
2、新型陶瓷
材料类别 主要特性 用途
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、氟化钙等非透明陶瓷)
超导陶瓷
具有优异的光学性能、耐高温，绝缘性好
用于高压钠灯、激光器和高温探测窗等
能实现机械能与电能的相互转化
用于电力、交通、医疗等领域
二、新型无机非金属材料
3、碳纳米材料：
指在三维空间尺寸至少有一维处于纳米尺度的、具有特定功能的材料。
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。
二、新型无机非金属材料
碳纳米材料
碳纳米管
富勒烯
石墨烯
二、新型无机非金属材料
富勒烯
结构：由碳原子构成的一系列笼形分子的总称(代表物C60)
性质：具有超导性能
意义：开启了碳纳米材料研究和应用的新时代
用途：在电学、磁学、光学等方面都有应用
二、新型无机非金属材料
结构：由石墨片层卷成的管状物
性质：比表面积大，有相当高的强度和优良的电学性能
用途：生产复合材料、电池和传感器等
碳纳米管
二、新型无机非金属材料
结构：只有一个碳原子直径厚度的单层石墨
性质：电阻率低、热导率高，具有很高的强度
用途：光电器件、超级电容器、电池和复合材料
石墨烯
二、新型无机非金属材料
1、硅的性质
(1)晶体硅的物理性质
色态 光泽 熔沸点 硬度 晶体结构 导电性
灰黑色
固体
金属
光泽
熔沸
点高
硬而脆
和金刚石的
结构类似
介于导体和绝缘体之间
(2)单质硅的化学性质：
在常温下硅的化学性质不活泼，只能与氟气、氢氟酸和烧碱等物质反应。
三、硅和二氧化硅的性质
(2)单质硅的化学性质：在常温下硅的化学性质不活泼，只能与氟气、氢氟酸和烧碱等物质反应。
①稳定性
Si＋2F2＝SiF4
Si＋4HF＝SiF4↑＋2H2↑
Si＋2NaOH＋H2O＝Na2SiO3＋2H2↑
注：(1)Si是能与NaOH溶液反应放出H2的非金属单质(推断题的突破口)
(2)此反应可看作分两步进行：Si＋3H2O＝H2SiO3＋2H2↑
2NaOH＋H2SiO3＝Na2SiO3＋2H2O(与铝类似)
三、硅和二氧化硅的性质
②还原性：
在加热或高温条件下，硅能与某些非金属单质(如Cl2、 O2、C、N2等)发生反应。
(2)单质硅的化学性质：
Si＋C === SiC
高温
Si＋2Cl2＝SiCl4

Si＋O2＝SiO2

3Si＋2N2＝Si3N4

三、硅和二氧化硅的性质
2、二氧化硅硅的性质
(1) 物理性质：
无色晶体、熔点高、硬度大、不溶于水
(2)化学性质：
是酸性氧化物，其化学性质不活泼，在通常情况下，不与水、酸(除HF)发生反应，能与碱溶液缓慢反应，在高温下能与碱性氧化物反应。
①酸性氧化物的通性：
Ⅰ、与碱反应：
Ⅱ、与碱性氧化物反应：
SiO2＋2NaOH＝Na2SiO3＋H2O
SiO2＋CaO === CaSiO3
高温
三、硅和二氧化硅的性质
(2)SiO2的化学性质：
②弱氧化性：
SiO2＋C === Si＋2CO↑
高温
③与某些盐反应：
Na2CO3＋SiO2===Na2SiO3＋CO2↑
CaCO3＋SiO2===CaSiO3＋CO2↑
高温
高温
④特性：
SiO2＋4HF＝SiF4↑＋2H2O
三、硅和二氧化硅的性质
(1)SiO2＋2NaOH＝Na2SiO3＋H2O
(具有黏性)
解释:
①盛装碱液或碱性溶液不能用磨砂玻璃塞，而用橡胶塞。
②高温熔融NaOH、Na2CO3时等固体不能 用陶瓷坩埚。
三、硅和二氧化硅的性质
(2)SiO2＋4HF＝SiF4↑＋2H2O
①氢氟酸(HF)不能用玻璃瓶盛装
②HF可用来雕刻玻璃
三、硅和二氧化硅的性质
练、下列有关硅及其化合物用途的说法中，正确的是( )
A. 二氧化硅是制造太阳能电池的主要原料
B. 在电子工业中，硅是重要的半导体材料
C. 光导纤维是高纯度的硅单质
D. 可用石英坩埚加热氢氧化钠固体
三、硅和二氧化硅的性质