化学人教版（2019）必修第二册5.3无机非金属材（共46张ppt）

(共46张PPT)
组织建设
第三节 无机非金属材料
第五章 化工生产中的重要非金属元素
1
硅酸盐材料
陶瓷
玻璃
水泥
1、概念：由硅、氧和金属组成的化合物的总称；
（一）硅酸盐的组成、结构和性质：
一、硅酸盐材料
3、性质：
大多数难溶于水、硬度高 、耐高温、 耐腐蚀、化学性质稳定
少数可溶，如Na2SiO3，K2SiO3等。
2、结构：
在硅酸盐中硅原子和氧原子构成了硅氧四面体，如图所示，四面体通过顶角的氧彼此相连，每个氧原子为2个四面体所共有。
硅酸钠（Na2SiO3）
1、硅酸钠俗称泡花碱，白色固体，易溶于水，其水溶液俗称为水玻璃，是无色黏稠状液体，是一种矿物胶。
2、水玻璃可保存于玻璃瓶中,但不能使用玻璃塞,要用橡胶塞。
3、硅酸钠不能燃烧且不易受腐蚀，可用作肥皂填料、木材防火剂等。
玻璃瓶实际上和氢氧化钠也是反应的，反应的速率非常慢，并且生成的硅酸钠薄膜阻止反应继续下去，所以玻璃瓶可以装氢氧化钠
4、表示方法：
⑴化学式法：
适用于简单的硅酸盐如：Na2SiO3、 CaSiO3等。
⑵氧化物法：
活泼金属氧化物→较活泼金属氧化物→二氧化硅→水。
系数：除氧元素外，其他元素按配置前后原子个数守恒原则。
硅酸钠：Na2SiO3 Na2O·SiO2
硅酸钙：CaSiO3 CaO·SiO2
高岭石： Al2Si2O5(OH)4
石棉：CaMg3Si4O12
沸石：Na2Al2Si3O8(OH)4
云母：KAl3Si3O10(OH)2
Al2O3 · 2SiO2 ·2H2O
CaO · 3MgO· 4SiO2
Na2O · Al2O3 · 3SiO2· 2H2O
K2O· 3Al2O3 · 6SiO2· 2H2O
活泼金属氧化物 → 较活泼金属氧化物 → 二氧化硅 → 水
传统无机非金属材料
硅酸盐产品
陶瓷
水泥
玻璃
玻璃：原料——纯碱、石灰石和石英；
水泥：原料——黏土和石灰石； 加适量石膏；
陶瓷：原料——黏土
（二）硅酸盐产品
高温
SiO2+ Na2CO3== Na2SiO3+CO2
1、玻璃
原料：纯碱、石灰石、石英
设备：玻璃窑
主要反应：
主要成份：硅酸钠、硅酸钙、二氧化硅
【微思考】生产玻璃的原料是纯碱、石灰石和石英砂(主要成分为SiO2),而玻璃的主要成分是Na2SiO3、CaSiO3和SiO2,那么在生产过程中发生了怎样的反应 试写出反应的化学方程式。
高温
SiO2+ CaCO3== CaSiO3+CO2
有色玻璃
钢化玻璃
加入不同的金属氧化物
普通玻璃加热近熔化再急速冷却
思考：为什么玻璃没有固定的熔沸点？
水泥
原料：黏土、石灰石、石膏
设备：水泥回转窑
条件：煅烧
主要成份：
石膏是用来调节水泥的硬化速度。
2、水泥
性质：具有水硬性
硅酸三钙：3CaO SiO2
硅酸二钙: 2CaO SiO2
铝酸三钙: 3CaO Al2O3
陶器
瓷器
原料：黏土
条件：高温烧结
3、陶瓷
陶瓷是人类最早使用的硅酸盐制品
主要成份：含水的铝硅酸盐
常见的硅酸盐材料对比
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 陶瓷窑 ______ __________
主要成分 含水的铝硅酸盐 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)
用途 建筑材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具等 建筑材料、光学仪器、各种器皿、制造玻璃纤维等 大量用于建筑和水利工程
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
C
一、硅和二氧化硅
二、新型陶瓷
三、碳纳米材料
2
新型无机非金属材料
一、硅和二氧化硅
（1）硅元素的存在与结构
硅元素的位置，画出其原子结构示意图，并与碳原子比较。
2
新型无机非金属材料
硅原子和碳原子的最外电子层均有4个电子，其原子既不易失去也不易得到电子，主要形成四价的化合物。
硅在地壳中含量仅次于氧，位于第二位
通过下列图片总结归纳出硅元素在自然界中的存在形式吗？
思考交流
硅的存在形式
硅的氧化物及硅酸盐构成了地壳中大部分的岩石、沙子和土壤、约占地壳总量的90%以上。
硅是一种亲氧元素,在自然界中它总是与氧相互化合的，因此硅都以化合态存在于自然界，主要以氧化物及硅酸盐的形式存在。
（2）硅的物理性质
灰黑色，有金属光泽，
硬而脆的固体
熔、沸点高、硬度大
晶体硅是良好的半导体
硅有晶体硅和无定形硅两种
1与非金属单质的反应
（3）硅的化学性质
Si+2Cl2 = SiCl4
Si+O2 = SiO2
Si + 2F2 =SiF4
2 与金属单质的反应
2Mg+ Si == Mg2Si
高温
3与酸的反应
Si + 4HF =SiF4↑ + 2H2 ↑
4与碱的反应
Si ＋ 2NaOH ＋H2O＝Na2SiO3＋2H2 ↑
C + Si == SiC
高温
碳化硅(俗名：金刚砂)
（4）晶体硅的用途
集成电路 　　　
晶体管
Si导电性介于导体和半导体之间,是良好的半导体材料,硅是信息技术的关键材料
硅太阳能电池
电脑中央处理器（CPU）
价值5元的沙子
SiO2
Si
价值5000元的芯片
点沙 成金
从沙滩到用户
晶体硅的用途
（5）硅的制备
⑴SiO2+2C == Si+2CO ↑ (粗硅)
高温
⑵Si+3HCl == SiHCl3+H2
高温
⑶SiHCl3+H2 == Si+3HCl （高纯硅）
高温
若C过量： SiO2+3C == SiC + 2CO ↑
高温
工业上用焦炭还原石英砂可知制得含有少量杂质的粗硅
如何制备高纯度的硅？
发生的原因？
二氧化硅（ SiO2）存在形式
结晶形（石英晶体）
无定形——硅藻土
水晶
玛瑙
二氧化硅的存在
二 二氧化硅
SiO2的晶体结构
晶体Si的结构
硅和SiO2都是正四面体结构性质很稳定
二氧化硅
二氧化硅（ SiO2）的晶体结构
1 物理性质：
难溶于水，熔点高，硬度大。
2.化学性质：
SiO2 ＋ 2OH－＝SiO32－＋H2O
SiO2 ＋ 2NaOH＝Na2SiO3＋H2O
【思考】 ：为什么实验室中盛放碱液的试剂瓶用橡皮塞而不用玻璃塞？
因为碱液会跟玻璃塞中的SiO2反应，生成的硅酸盐会把试剂瓶和玻璃塞粘连在一起。
①酸性氧化物的通性：与强碱反应：
与碱性氧化物反应：
高温
SiO2 ＋ CaO == CaSiO3
与水不反应
②与碳酸盐的反应
SiO2+Na2CO3 === CO2 +Na2SiO3
高温
SiO2+CaCO3===CO2 +CaSiO3
高温
}制取玻璃原理
玻璃的主要成分SiO2、Na2SiO3、CaSiO3
③特性：不与其他酸反应，只与氢氟酸反应
SiO2 + 4HF == SiF4 + 2H2O
刻蚀玻璃，不能玻璃瓶用保存氢氟酸
Al2O3+Na2CO3 === CO2 +2NaAlO2
高温
雕刻玻璃，你会吗？
SiO2＋4HF=SiF4↑＋2H2O
实验室不用玻璃瓶盛装氢氟酸！！
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
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。
思考交流
二氧化硅的用途
SiO2的网状结构决定了它具有优良的物理和化学性质，加上SiO2在自然界的广泛存在，从古到今都被人类广泛地应用着。
光导纤维（通信）
石英坩埚
玻璃仪器
1 物理性质
硅酸是一种 溶于水的 胶状物。
白色
难
H2SiO3===H2O+SiO2
加热
(1)弱酸性：
(2)不稳定性：
酸性太弱（不能使石蕊试液变红）
3.硅胶
三：硅酸（H2SiO3）
2 化学性质
知识拓展
催化剂的载体
硅酸干凝胶 “硅胶”SiO2 nH2O
干燥剂
现 象
结 论
化学方程式
Na2SiO3+2HCl=2NaCl+H2SiO3↓
Na2SiO3的水溶液呈碱性，
硅酸难溶于水
滴入酚酞溶液呈红色，
滴入盐酸有白色胶状沉淀产生
可溶性硅酸盐与其它酸反应制得的。
Na2SiO3＋CO2＋H2O = Na2CO3＋H2SiO3↓
制取原理：较强酸制较弱酸。
【思考】二氧化硅不溶于水，不跟水反应，如何来制备H2SiO3
4 硅酸的制备
例1.下列说法正确的是(　　)
A．硅酸不溶于水，因此不与NaOH溶液反应
B．根据SiO2＋Ca CaSiO3＋CO2↑的反应，可推知硅酸酸性比碳酸酸性强
C．CO2气体通入硅酸钠溶液中可以制得硅酸
D．SiO2溶于水显酸性
C
3:下列物品或设备：
①石英坩埚　②门窗玻璃　
③水晶镜片　④石英钟表　
⑤玛瑙手镯　⑥硅太阳能电池　
⑦光导纤维 ⑧计算机芯片
所用材料为SiO2或要用到SiO2的是(　　)
A．⑥⑧　　　 B．①②⑦⑧
C．①②③④⑤⑦ D．全部
C
4．下列离子方程式书写正确的是(　　)
A．往澄清石灰水中通入过量的二氧化碳：
Ca2＋＋2OH－＋CO2=CaCO3↓＋H2O
B．往硅酸钠溶液中通入足量二氧化碳：
C.小苏打溶液中加足量澄清石灰水：
2HCO3-＋Ca2＋＋2OH－=CaCO3↓＋2H2O＋CO32-
D．硅酸与烧碱溶液中和：
H2SiO3＋2OH－=SiO32-＋2H2O
D
SiO32- + H2O + CO2 = CO3 2-+ H2SiO3↓
一、硅和二氧化硅
二、新型陶瓷
三、碳纳米材料
2
新型无机非金属材料
2.新型陶瓷
结构
性能
高温抗氧化性能
碳原子和硅原子通过共价键连接
硬度大
砂纸和砂轮的磨料
耐高温结构材料
耐高温半导体材料
碳化硅陶瓷
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。
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。
高温结构陶瓷
压电陶瓷
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。
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。
透明陶瓷
超导陶瓷
一、硅和二氧化硅
二、新型陶瓷
三、碳纳米材料
2
新型无机非金属材料
三、碳纳米材料
碳纳米材料
富勒烯
碳纳米管
由碳原子构成的一系列笼形分子的总称,代表物C60
开启了碳纳米材料研究和应用的新时代
是由石墨片层卷成的管状物
具有纳米尺度直径，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
只有一个碳原子直径厚度的单层石墨
电阻率低，热导率高，具有很高的强度。应用于光电器件、超级电容器、电池和复合材料等方面
当堂巩固
1、地壳中含量第一和第二的两种元素所形成的化合物不具有的性质
是（ ）
A.熔点很高 B.与水反应生成对应的酸
C.可与烧碱反应生成盐 D.坚硬
2、要除去SiO2中混有的少量CaO杂质，最适宜的试剂是（ ）
A.纯碱溶液 B.盐酸 C.硫酸 D.苛性钠溶液
B
B
1、下列关于无机非金属材料的说法中正确的是 (　　)
A.传统无机非金属材料是指:光导纤维、玻璃、水泥、陶瓷等硅酸盐材料
B.新型无机非金属材料虽然克服了传统无机非金属材料的缺点,但强度比较差C.高温结构材料具有耐高温、耐酸碱腐蚀、硬度大、耐磨损、密度小等优点D.传统无机非金属材料和新型无机非金属材料的主要成分都是硅酸盐
【解析】选C。A项中,光导纤维是新型无机非金属材料;B项中,强度比较差是错误的;D项中新型无机非金属材料中的光导纤维、单晶硅等其成分都不是硅酸盐。
2、硅是无机非金属材料的主角,硅的氧化物和硅酸盐约占地壳质量的90%以上。(1)下列物质不属于硅酸盐的是_____。
A.陶瓷 B.玻璃 C.水泥 D.生石灰
(2)SiO2是玻璃的主要成分之一,SiO2和CO2都属于酸性氧化物,性质相似,SiO2与氢氧化钠溶液反应的化学方程式为_______ _,
工艺师常用_____ 来雕刻玻璃。
(3)用Na2SiO3水溶液浸泡过的棉花不易燃烧,说明Na2SiO3可用作________。 (4)工业上常利用反应2C+SiO2 = Si+2CO↑制备硅单质,该反应中所含元素化合价升高的物质是______(填化学式,下同),氧化剂是________________。
【解析】(1)生石灰是CaO,为碱性氧化物且不含硅元素,不属于硅酸盐。(2)SiO2与NaOH溶液反应的化学方程式为SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O。由于SiO2能溶于氢氟酸,因此工艺师常用氢氟酸来雕刻玻璃。(3)Na2SiO3水溶液又称“水玻璃”,具有阻燃的功能,因此可用作防火剂。(4)题给反应中C(碳)被氧化,SiO2中+4价的硅被还原,因此SiO2作氧化剂。