化学人教版（2019）必修第二册5.3 无机非金属材料 课件（共31张ppt）

(共31张PPT)
第五章 化工生产中重要的非金属元素
第三节 无机非金属材料
硅酸盐矿物
水晶(SiO2)
玛瑙(SiO2)
陶瓷、玻璃、水泥，在日常生活中随处可见
你知道它们的主要成分是什么吗？
思考与交流
无机非金属材料
无机非金属材料根据组成、性能和应用的不同可分为传统无机非金属材料和新型无机非金属材料两种，其中传统无机非金属材料多为硅酸盐材料，通常包括陶瓷、玻璃和水泥三种。
一、硅酸盐材料
(1)概念：由硅元素、氧元素和金属元素组成的化合物。
(2)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。
[SiO2]四面体结构
1. 硅酸盐及其结构
无机非金属材料
(3)特点：硅酸盐材料大多具有硬度高、难溶于水、耐高温、耐腐蚀等特点。
(4)表示方法：硅酸盐矿物的成分复杂，多用氧化物的形式表示它们的组成。
例如：硅酸钠 Na2SiO3 表示：Na2O·SiO2
镁橄榄石 Mg2SiO4 表示：2MgO·SiO2
高岭石 Al2Si2O5(OH)4 表示：Al2O3·2SiO2·2H2O
但化学式前面的系数不能为分数
正长石 KAlSi3O8 表示：
钾云母(KH2Al3Si3O12) 表示：
K2O·Al2O3·6SiO2
K2O·3Al2O3·6SiO2·2H2O
表示顺序是：
较活泼金属氧化物
二氧化硅
水，
活泼金属氧化物
无机非金属材料
白色固体，具有黏合性，可溶于水。是制备硅胶和木材防火剂等的原料。
Na2SiO3水溶液俗称：水玻璃
Na2SiO3
2. 最简单的硅酸盐——Na2SiO3
无机非金属材料
(1)物理性质： Na2SiO3是一种白色固体，可溶于水；其水溶液俗称水玻璃，呈粘稠状。可保存于玻璃瓶中，但不能使用玻璃塞，要用橡胶塞。
(2)用途：防火剂、黏胶剂
(3)化学性质：水溶液显碱性，能与盐酸、CO2等反应。
Na2SiO3 + 2HCl === H2SiO3↓ + 2NaCl
Na2SiO3 + CO2+H2O === H2SiO3↓+ Na2CO3
硅酸钠要密封保存
无机非金属材料
3. 传统无机非金属材料——硅酸盐材料
陶瓷
水泥
硅酸盐
材料
玻璃
Na2SiO3 、CaSiO3 、 SiO2
硅酸盐
硅酸盐
无机非金属材料
陶瓷
原料：
历史：
应用：
黏土(主要成分为含水的铝硅酸盐Al2O3·2SiO2·2H2O)
青花瓷、唐三彩
生产建筑材料、
绝缘材料、
日用器皿、
卫生洁具等
China
反应条件：
高温烧结
瓷都
新石器时代就能烧制
唐宋时期达到鼎盛：
3. 传统无机非金属材料——硅酸盐材料
生产过程：混合-成型-干燥-烧结-冷却
反应原理：复杂的物理、化学变化
主要性质：抗氧化、抗酸碱腐蚀、
耐高温、 绝缘、易成型
玻璃
原料：
工业设备：
应用：
纯碱、石灰石和石英砂（Na2CO3、CaCO3、SiO2）
玻璃窑
主要成分：
生产建筑材料、
光学仪器、
各种器皿，
制造玻璃纤维用于高强度复合材料等
Na2SiO3 、CaSiO3、SiO2
反应条件：
高温熔融
反应方程式：
SiO2+Na2CO3 Na2SiO3+CO2↑
SiO2+CaCO3 CaSiO3+CO2↑
主要特性：非晶体，无固定的熔点
加入元素或物质 玻璃特性 用途
含铅原料 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 用于建筑和装饰
特种玻璃
（Co2O3、CuO）
玻璃的种类
种类 特性 用途
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，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，望远镜用凸凹透镜等光学仪器
玻璃纤维 耐腐蚀，不怕烧，不导电，不吸水，隔热，吸声，防蛀虫 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
水泥
原料：
工业设备：
黏土、石灰石、石膏
水泥回转窑
混凝土：
水泥、沙子和碎石等与水混合
石膏的作用：
条件：
高温煅烧
调节水泥硬化速率
（CaCO3、 Al2O3·2SiO2·2H2O ）
反应原理：复杂的物理、化学变化
主要特性：水泥具有水硬性
主要成分：硅酸三钙(3CaO SiO2)、硅酸二钙(2CaO SiO2)
铝酸三钙(3CaO Al2O3)等
训练1
玻璃、陶瓷和水泥是重要的无机非金属材料，它们的主要成分中都含有的元
素是(　　 )
A．氮 B．硫 C．硅 D．氯
　C
最近全面通车的沪昆高速铁路是国家重要的交通线路，在工程建设中用量最大的硅酸盐材料是（　　）
A．钢筋 B．水泥 C．玻璃 D．陶瓷
B
训练2
无机非金属材料
二、 新型无机非金属材料
1．传统的硅酸盐材料有什么优、缺点？
优点：抗腐蚀、耐高温； 缺点：质脆、经不起热冲击。
2．新型无机非金属材料有哪些特性？
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。
3. 硅
计算机芯片
第 ____ 周期
第 ____ 族
IVA
三
单质的导电性：
介于导体与绝缘体之间
应用最广泛的半导体材料
处于金属与非金属的过渡位置
(1)在周期表中的位置
是应用最为广泛的_半导体_材料，因此晶体硅常用于制作集成电路板（硅芯片）和太阳能电池极板。
(2)硅元素的存在形式
硅元素含量在地壳中居第二位。硅是亲氧元素，在自然界中没有游离态，主要以硅酸盐(如大多数矿物)和氧化物(如水晶、玛瑙)的形式存在。
硅酸盐矿物
水晶(SiO2)
玛瑙(SiO2)
制备原理 用焦炭还原石英砂，得到含少量杂质的粗硅，然后转化为三氯硅烷，再经氢气还原。
制备流程
反应方程式
(3)高纯硅的制备
三氯硅烷
粗硅
（高纯硅 99.9999999％）
无机非金属材料
(4)硅的性质
①与氟气反应：
②与氢氟酸反应：
③与强碱溶液反应：
Si+2F2 === SiF4
Si+4HF === SiF4↑+2H2↑
Si+2NaOH+H2O === Na2SiO3+2H2↑
常温下很稳定，硅只与F2、氢氟酸、强碱反应。
加热时，能和O2、Cl2等非金属单质反应
Si+2Cl2 === SiCl4
△
Si+O2 === SiO2
△
Si+C === SiC
高温
碳化硅(俗名：金刚砂)
无机非金属材料
带有金属光泽的灰黑色固体，熔点高，硬度大，不溶于水
(1)存在：SiO2广泛存在于自然界中，是沙子、石英的主要成分。纯净的SiO2又称
________。
(2)物理性质
状态 颜色 熔点 硬度 水溶性
晶体
水晶
无色
高
大
不溶
2. 二氧化硅的结构和性质
SiO2
注意：二氧化硅中没有单个分子，用SiO2来表示二氧化硅的组成，表示Si与O的原子个数比为1∶2，所以不是分子式而是化学式。
无机非金属材料
(3)二氧化硅的化学性质
玻璃
①具有酸性氧化物的通性：
a．常温下SiO2与强碱溶液反应生成盐和水：SiO2＋2NaOH === _____________；
b．高温下SiO2与碱性氧化物反应生成盐：SiO2＋CaO === ____________。
②弱氧化性：SiO2＋2C === _________________。
③特性：与氢氟酸(HF)反应：SiO2＋____HF === __________________。此反应常被用来刻蚀________。
高温
高温
Na2SiO3＋H2O
CaSiO3
Si(粗)＋2CO↑　
4
SiF4↑＋2H2O
无机非金属材料
(4)二氧化硅的用途
①用于生产____________；②水晶、玛瑙等饰品； ③制作耐高温的化学仪器。
光导纤维
光导纤维
石英坩埚
玛瑙水晶
无机非金属材料
3. 新型陶瓷和碳纳米材料
战斗机上应用了陶瓷材料
结构陶瓷
富勒烯（C60）、碳纳米管、石墨烯
无机非金属材料
新型材料 成分 性能 主要应用
金刚砂 碳化硅(SiC) 硬度大、耐高温、抗氧化 磨料、耐高温结构材料、耐高温半导体材料
高温结 构陶瓷 碳化硅、氮化硅、金属氧化物 耐高温、抗氧化、耐腐蚀 用于火箭发动机、汽车发动机和高温电极材料等
压电陶瓷 钛酸盐、锆酸盐等 能实现机械能和电能的相互转化 用于滤波器、扬声器、超声波探伤器和点火器等
透明陶瓷 氧化铝、氧化钇等氧化物透明陶瓷；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 用于高压钠灯、激光器、高温探测窗等
超导陶瓷 临界温度下具有超导性 用于电力、交通、医疗领域等
几种新型陶瓷
无机非金属材料
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。
碳纳米材料
无机非金属材料
富勒烯-------笼形分子，以C60为代表
碳纳米管-------石墨片层管状物，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、传感器等。
石墨烯-------单层石墨，电阻率低，热导率高，强度高。用于光电器元件、超级电容器、电池和复合材料等。
碳纳米汽车
碳纳米管
石墨烯
无机非金属材料
类别 传统无机非金属材料 新型无机非金属材料
主要 成分 硅酸盐 不一定是硅酸盐
主要 特性 抗腐蚀、耐高温、质脆、经不起热冲击 大都强度高、硬度大、耐高温，另外还具有一定的电学特性、光学特性和生物功能等
传统无机非金属材料与新型无机非金属材料的区别
无机非金属材料
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．当加热到一定程度时，硅能与氧气、氢气等非金属反应
C
训练5
无机非金属材料
指出下列反应中二氧化硅主要表现的化学性质或作用（只选一个）。
(1)SiO2 + 2NaOH === Na2SiO3 + H2O（　　）
(2)SiO2 + Na2CO3 === Na2SiO3 + CO2↑（　　）
(3)SiO2 + 2C === Si + 2CO↑（　　）
(4)SiO2 + 3C === SiC + 2CO↑（　　）
(5)SiO2 + 4HF === SiF4↑+ 2H2O（　　）
A．作为玻璃的成分被消耗而使玻璃被腐蚀 B．氧化性
C．酸性氧化物的通性 D．将挥发性的酸酐从其盐中“置换”出来
E．未参加氧化还原反应
C
D
B
E
A
训练6
高温
高温
高温
无机非金属材料
(1)实验室盛NaOH溶液的试剂瓶为什么用橡胶塞不用玻璃塞？
(2)某同学根据SiO2既可与碱反应，也能与氢氟酸反应，推断SiO2为两性氧化物是否正确
解释：不正确。因为二氧化硅跟氢氟酸反应产物不是盐和水，所以不属于两性氧化物，但是属于酸性氧化物。
解释：NaOH溶液能与玻璃中的SiO2反应生成 Na2SiO3，硅酸钠水溶液有粘性，使瓶塞部分粘结而无法打开。因此盛装NaOH溶液的试剂瓶不能用玻璃塞而要用橡胶塞。
SiO2 ＋ 2NaOH === Na2SiO3 ＋H2O
训练7
无机非金属材料
芯片是中美经贸摩擦的焦点之一、制造芯片的高纯硅可以用下述方法制取(反应条件略)，下列说法错误的是（ ）
A．SiCl4中 Si的化合价为+4
B．制造芯片的高纯硅具有一定导电性
C．反应①、②、③均为氧化还原反应
D．SiO2既能与碱溶液反应又能与酸溶液反应，SiO2是两性氧化物
D
训练8
无机非金属材料