化学人教版（2019）必修第二册5.3无机非金属材料（共37张ppt）

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2019人教版第二册
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
学习目标
1.认识无机非金属材料
自主学习
一、 硅酸盐材料
方法指导：阅读课文相关内容，从组成、性能、应用等方面认识无机分金属材料。
(1)硅酸盐的概念
硅酸盐是由 的总称。它们种类繁多、组成各异、结构复杂，在自然界中广泛存在。
2.硅酸盐及其结构
硅、氧和金属组成的化合物
硅
氧
四
面
体
硬度高、熔点高、难溶于水、
化学性质稳定、耐腐蚀
3.常见的硅酸盐材料
陶瓷 普通玻璃 普通水泥
原料 _____ __________________________________________________ 主要原料：_____________
辅助原料：适量的石膏
设备 — _______ ___________
主要 成分 成分复杂 硅酸钠(Na2SiO3)、硅酸钙(CaSiO3)、二氧化硅(SiO2) 硅酸三钙(3CaO·SiO2)、硅酸二钙(2CaO·SiO2)、铝酸三钙(3CaO·Al2O3)
黏土
纯碱(Na2CO3)、石灰石
(CaCO3)、石英砂(SiO2)
石灰石、黏土
玻璃窑
水泥回转窑
特点 抗氧化、抗酸碱腐蚀、耐高温、绝缘 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 具有水硬性，与水掺和搅拌并静置后，很容易凝固变硬
用途 建筑材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具 建筑材料、光学仪器、各种器皿、制造玻璃纤维 大量用于建筑和水利工程
(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(　　)
×
√
√
√
√
√
自主检查
1.传统的玻璃、陶瓷都是硅酸盐产品，根据你的观察和使用经验，将它们的主要物理性质和化学性质填入下表。
材料 物理性质 化学性质
玻璃
陶瓷
硬度大、耐磨损、耐高温、较脆
很稳定
硬度大、耐磨损、耐高温
很稳定
2.硅酸钠(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
理解应用
(2)硅酸钠溶液与盐酸反应生成硅酸(H2SiO3)沉淀，其离子方程式是 。
(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 。
2H＋===H2SiO3↓
H2O===H2SiO3↓＋CO
3.普通玻璃是以纯碱、石灰石和石英砂为原料,经混合、粉碎,在玻璃窑中熔融,发生复杂的物理变化和化学变化而制得。你能写出发生反应的化学方程式吗
提示:由原料和玻璃的成分及反应条件“熔融”,可知反应的化学方程式为
SiO2+Na2CO3 Na2SiO3+CO2↑,
SiO2+CaCO3 CaSiO3+CO2↑。
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。
知识链接
1.硅和二氧化硅
(1)硅元素的存在与结构
存在 原子结构 示意图 周期表中位置
含量 存在形态
地壳中 居第___ 位 _______ _______ ___ _______
_______
______
二
氧化物
和硅酸
盐
第三周期
第ⅣA族
二、新型无机非金属材料
自主学习
(2)硅的存在与性质
①硅在自然界主要以 和 的形式存在；
②单质硅是应用最为广泛的半导体材料；
③高温下，硅能与氧气反应生成 ，与氯气反应生成 。
(3)二氧化硅的性质
①二氧化硅硬度大、熔点高，不溶于水；
②酸性氧化物：SiO2＋2NaOH=== ；
③具有氧化性：SiO2＋2C ；
④特性：SiO2＋4HF=== 。
硅酸盐
氧化物
SiO2
SiCl4
Na2SiO3＋H2O
Si＋2CO↑
SiF4↑＋2H2O
1.工业制备高纯硅的原理如图所示：
(1)写出工业制备高纯硅反应的化学方程式：
① ；
② ；
③ 。
深度思考
(2)上述反应共同的反应类型是 ，反应①中焦炭的作用是 ，反应③中氢气的作用是 。
(3)在半导体工业中有这样一句行话：“从沙滩到用户”，你是如何理解的？
氧化还原反应(或置换反应)
还原剂
还原剂
提示：　沙子的主要成分是SiO2，作为半导体材料的硅单质是用焦炭还原SiO2制得的。
（4）工业上利用焦炭与SiO2在高温下反应制备粗硅,由此能否说明碳的还原性大于硅
提示:不能。比较氧化性、还原性的强弱,必须是在通常情况下发生的反应,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。
(3)硅和二氧化硅的用途
2.新型陶瓷——碳化硅(SiC)
金刚石
很大
高温抗氧化
结构
半导体
自主学习
结构特点 应用
富勒烯 由碳原子构成的一系列笼形分子的总称 代表物C60开启碳纳米材料研究和应用的新时代
碳纳 米管 由石墨片层卷成的管状物,具有纳米尺度的直径 用于生产__________、电池和传感器
石墨烯 只有一个碳原子直径厚度的单层石墨 应用于光电器件、超级电容器、电池和复合材料
材料复合
3.碳纳米材料
碳纳米材料在_________________等领域有着广阔的应用前景。
能源、信息、医药
2.碳纳米材料(富勒烯、石墨烯等)、金刚石、石墨都是碳元素组成的，它们互为同位素。对吗？
1.常见新型陶瓷及其用途(连线)
深度思考
提示：都是碳元素组成的单质，互为同素异形体，它们具有不同的结构(碳原子排列方式不同)和性质。
从陶瓷材料发展的历史来看,经历了三次飞跃。由陶器进入瓷器这是第一次飞跃;由传统陶瓷发展到精细陶瓷是第二次飞跃;精细陶瓷粉体的颗粒较大,属微米级(10-6 m),用新的制备方法把陶瓷粉体的颗粒加工到纳米级,用这种超细微粉体粒子来制造陶瓷材料,得到新一代纳米陶瓷,这是陶瓷材料的第三次飞跃。纳米陶瓷具有延展性,有的甚至出现超塑性。纳米陶瓷被称为21世纪陶瓷。
情景探究
试分析传统无机非金属材料和新型无机非金属材料各有什么优点
提示:传统无机非金属材料和新型无机非金属材料的比较:
传统无机非金属材料具有性质稳定、抗腐蚀、耐高温等优点,但质脆,经不起热冲击。
新型无机非金属材料除具有传统无机非金属材料的优点外,还有某些特征如:强度高、具有电学、光学特性和生物功能等。
(1)硅晶片是生产芯片的基础材料(　　)
(2)生产光导纤维的原料是二氧化硅(　　)
(3)二氧化硅是酸性氧化物，只能与碱反应，不能与酸反应(　　)
(4)磨口玻璃塞试剂瓶不能盛放烧碱溶液，但能盛放氢氟酸(　　)
(5)金刚砂和金刚石结构类似，互为同素异形体(　　)
(6)富勒烯和石墨烯完全燃烧的产物都是二氧化碳(　　)
√
√
×
×
×
√
自主检查
1.二氧化碳与二氧化硅的性质比较
物质 二氧化硅 二氧化碳
存在 存在于岩石、沙子、石英、水晶、硅藻土中 空气,燃料的燃烧产物
重点辨析
物理 性质 固体,难溶于水,熔、沸点高,硬度大 通常情况下为无色无味气体,密度比空气大,微溶于水
物质 二氧化硅 二氧化碳
化 学 ①与水反应 不反应 CO2+H2O====H2CO3
②与酸反应 只与氢氟酸反应SiO2+4HF==SiF4↑+2H2O 不反应
性 质 ③与碱(NaOH) 反应 SiO2+2NaOH==== Na2SiO3+H2O(盛碱液的试剂瓶用橡胶塞) CO2+2NaOH====Na2CO3+H2O或CO2+
NaOH====NaHCO3
④与碱性氧化物反应 如与CaO反应: SiO2+CaO CaSiO3 如与Na2O反应:CO2+Na2O====Na2CO3
物质 二氧化硅 二氧化碳
化 学 性 质 ⑤与碳反应 SiO2+2C Si+2CO↑ CO2+C 2CO
用途 制饰品、坩埚、光导纤维 干冰用于人
工降雨
(1)碳族元素的主要化合价一般是+2、+4价,而硅常见的是+4价。
(2)硅的还原性比碳强,而碳在高温下却能从SiO2中还原出硅。
(3)非金属单质与强碱反应一般不生成氢气,而硅却能与强碱溶液反应产生氢气。
2.硅及其化合物性质的“九大反常”
(4)非金属单质一般不与非氧化性酸反应,而硅不但能与氢氟酸反应,而且还有H2生成(类似于较活泼金属与酸的置换反应),Si+4HF====SiF4↑+2H2↑。
(5)SiO2是H2SiO3的酸酐,但它不溶于水,不能直接将它与水作用制备H2SiO3。
(6)非金属氧化物的熔、沸点一般较低,但SiO2的熔、沸点却很高。
(7)酸性氧化物一般不与酸作用,但SiO2却能与氢氟酸作用。SiO2+4HF====SiF4↑+2H2O。
(8)无机酸一般易溶于水,而H2SiO3却难溶于水。
(9)因H2CO3的酸性强于H2SiO3,所以在Na2SiO3溶液中通入CO2能发生下列反应:Na2SiO3+CO2+H2O====H2SiO3↓+Na2CO3,但在高温下Na2CO3+SiO2 Na2SiO3+CO2↑也能发生。
1.碳和硅的原子结构有何异同？从二者在元素周期表中的位置能获得什么信息？提示　原子的最外层电子数相同，电子层数不同。不在同一周期，位于同一族。从二者在周期表中的位置可知碳的非金属性强于硅。
2.碳和硅单质的存在形式有何相似之处？其性质有何不同？
提示　单质都有晶体和无定形两种。硅晶体是良好的半导体材料，而石墨是良导体，金刚石、C60不导电。
3.碳和硅的氧化物有何异同？
提示　硅的氧化物只有SiO2，而碳的氧化物有CO和CO2两种。SiO2、CO2均属于酸性氧化物，CO属于不成盐氧化物。SiO2为固态，存在于地表及地壳中；CO2、CO为气态，存在于大气中；SiO2的性质比CO2更稳定等。
深度思考
4.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
　1.2018年 11月5日至7日,世界光纤光缆大会在杭州举行。本次大会以“一个光纤连接的智能世界”为主题,围绕“全球光纤光缆供需走势”、“5G和物联网带来的需求展望”、“一带一路”倡议和“智能制造”等热点议题展开深入讨论与交流。光缆的主要成分为SiO2。
迁移应用
下列叙述正确的是 (　　)
A.CO2与SiO2都能跟H2O反应生成相应的酸
B.SiO2与CO2都不能与酸反应
C.SiO2与CO2(干冰)都能够与氢氧化钠溶液反应
D.水晶的主要成分是SiC
【解析】选C。A项,CO2与水反应,SiO2不与水反应,也不溶于水;B项,SiO2能与HF反应,但CO2不与酸反应;C项,SiO2、CO2均能与NaOH溶液反应:SiO2+2NaOH===Na2SiO3+H2O,CO2+2NaOH===Na2CO3+H2O;D项,水晶是纯净的SiO2,SiC俗称金刚砂。
　2.“玛瑙”早期被书写成“马脑”。因“色如马脑,故从彼名”。自佛经传入中国后,翻译人员考虑到“马脑属玉石类”,于是巧妙地译成“玛瑙”。
玛瑙的主要成分为二氧化硅,由于与水化二氧化硅(硅酸)交替而常重复成层。因其夹杂氧化金属,颜色可从极淡色以至暗色。想一想如何由二氧化硅制取硅酸(H2SiO3)
提示:二氧化硅不与水反应,故应先与碱(如NaOH溶液)反应生成硅酸盐,再与酸(如盐酸)反应生成硅酸。
解析　普通玻璃主要成分为Na2SiO3、CaSiO3和SiO2。
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
√
达标检测
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
解析　水玻璃为硅酸钠溶液，其化学性质稳定，但可与空气中的二氧化碳反应生成硅酸沉淀。
√
3.某博物馆陈列着大量明清砖瓦和精美瓷器(婺州窑)，婺州窑瓷器胎体的原料为高岭土[AlnSi2O5(OH)4]。下列说法不正确的是
A.古代的陶瓷、砖瓦都是硅酸盐产品
B.高岭土为含水的铝硅酸盐
C.n＝3
D.我国在新石器时代已能烧制陶器
解析　根据化合物中正负化合价代数和为0的规则：n×(＋3)＋2×(＋4)＋5×(－2)＋4×(－1)＝0，解得n＝2。
√
4.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
跟踪强化
解析　玻璃、石英、水晶、玛瑙和光导纤维的成分中都含有二氧化硅，计算机芯片、硅太阳能电池的主要成分是单质硅。
√
5.(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
√
6.下列物质与其对应的用途搭配不正确的是
A.高能燃料——火箭动力
B.石英砂——制造光导纤维
C.半导体硅晶片——制造计算机芯片
D.高强度耐火陶瓷——制造轮船
√
解析　制造轮船材料为钢铁，不能选用高强度耐火陶瓷。
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