化学人教版（2019）必修第二册5.3无机非金属材料 课件（共27张ppt含视频）

(共27张PPT)
人教版必修第二册
第三节 无机非金属材料
金属材料
材料
无机非金属材料
高分子材料
复合材料
金属单质和合金
传统无机非金属材料
新型无机非金属材料
塑料、纤维、橡胶、树脂等
玻璃纤维、碳纤维等
由有机物大分子构成
将两种或两种以上不同性质的材料组分优化组合而成的新材料
位置
第三周期、第ⅣA族
结构
存在
既不容易得4个电子
也不容易失4个电子
Si一般通过共用电子对与其他原子相互结合构成物质
补充：硅及其化合物
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，主要以硅酸盐和氧化物的形式存在。
处于金属与非金属的过渡位置
硅酸盐矿物
水晶(SiO2)
玛瑙(SiO2)
（1）硅单质的物理性质：
1、硅单质
（2）硅单质的化学性质
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)
带有金属光泽的灰黑色固体，熔点高，硬度大，不溶于水
（3）硅的工业制法及提纯
石英砂
粗硅
SiHCl3
1800-2000℃
焦炭
300℃HCl
高纯硅
1100℃
H2
根据流程图写出涉及的主要化学反应：
①SiO2+2C Si(粗)+2CO↑
②Si+3HCl SiHCl3+H2
③SiHCl3+H2 Si(纯)+3HCl
98%
三氯硅烷
若C过量： SiO2+3C == SiC + 2CO↑
高温
思考：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：氧化性、还原性的强弱，必须是在通常的情况下发生的反应，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。
+4
-1
①
②
③
（4）硅的用途:
半导体材料，计算机芯片、集成电路、晶体管、硅整流器、太阳能电池等
2．二氧化硅
（1）存在形式
硅藻土
石英、水晶、玛瑙、沙子
结晶形：
无定形：
统称硅石
空间构型：硅氧四面体（空间网状）
熔沸点高、硬度大、不溶于水、常温下为固体、不导电
（2）物理性质
（3）化学性质
①具有酸性氧化物的通性
a. 不溶于水，不与水反应（特殊）
（类比CO2）
b.与碱性氧化物反应
SiO2＋CaO === CaSiO3
高温
SiO2＋Na2O === Na2SiO3
高温
SiO2是二氧化硅的化学式(表示组成)而不是分子式，没有SiO2分子，它是原子晶体
Si原子和O原子比例
=1:2
d.与某些盐反应
SiO2＋Na2CO3 === Na2SiO3＋CO2 ↑
高温
SiO2＋CaCO3 === CaSiO3＋CO2 ↑
高温
工业生产玻璃原理
c.与强碱反应
SiO2＋2NaOH==Na2SiO3＋H2O
思考： 实验室盛装NaOH溶液的试剂瓶用橡皮塞而不用玻璃塞，你知道为什么吗
（提示：玻璃中含有SiO2）
玻璃中的SiO2与NaOH溶液反应生成有粘性的Na2SiO3，
使瓶塞与瓶口粘在一起而难以打开。
思考：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
这两个反应都是固体物质在高温下发生的，与酸性无关，不能通过这两个反应得出“酸性：H2SiO3>H2CO3”
SiO2+2C ==== Si+2CO↑
高温
②弱氧化性
③特性：与氢氟酸（HF）反应
SiO2＋4HF== SiF4 ↑＋2H2O
——唯一能与SiO2反应的酸
用途：刻蚀玻璃
思考： 氢氟酸能保存在玻璃瓶中吗？
不能，应保存在塑料瓶中。
思考：SiO2既能与碱反应，又能与氢氟酸反应，那么SiO2是两性氧化物吗
不是，SiO2虽然能与氢氟酸发生反应，但是生成的SiF4不是盐。
（4）SiO2用途：
光导纤维、石英坩埚、建筑材料、电器部件、装饰品
光导纤维
石英坩埚
玻璃仪器
精美瓷器
（通信）
玛瑙水晶
3、硅酸( H2SiO3 )
（1）物理性质
白色粉末状固体、不溶于水
高中化学唯一难溶性酸
（2）化学性质
a.是一种很弱的酸，酸性比碳酸还弱，不能使指示剂变色
①具有酸的通性：
b.能与碱发生中和反应
H2SiO3+2NaOH===Na2SiO3+2H2O
②具有不稳定性：
H2SiO3 === SiO2+2H2O
△
思考：SiO2不能直接和水化合成H2SiO3，那怎样制备H2SiO3呢？
（3）硅酸的制备
Na2SiO3+2HCl===H2SiO3↓+2NaCl
SiO32- + 2H+ ===H2SiO3 ↓
SiO32-+H2O+CO2===CO32-+H2SiO3↓
Na2SiO3+H2O+CO2===Na2CO3+H2SiO3↓　
(酸性： HCl > H2CO3 > H2SiO3)
硅胶
硅酸
聚合
硅酸凝胶
干燥脱水
硅酸干凝胶
“硅胶”
硅胶的用途：
食品、药品的干燥剂
催化剂的载体
4、硅酸盐
（1）定义：由Si、O、金属（铝、铁、钙、镁、钾、钠等）等元素组成的化合物的总称。
钙沸石
橄榄石
钾云母
高岭石
Ca(Al2Si3O10) ·3H2O
Mg2SiO4
Al2(Si2O5)(OH)4
K(Al3Si3O10)(OH)2
(2)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。
（3）硅酸盐的表示方法
①化学式法：
适用于简单的硅酸盐，如：Na2SiO3、 CaSiO3等。
②氧化物法：
氧化物书写顺序：活泼金属氧化物·较活泼金属氧化物·SiO2·H2O
将硅酸盐中所有元素都写成氧化物
高岭石{Al2Si2O5(OH)4}：
石棉{CaMg3Si4O12}：
云母{KAl3Si3O10(OH)2}：
Al2O3 · 2SiO2 ·2H2O
CaO· 3MgO· 4SiO2
Na2O · CaO· 6SiO2
Al2O3 · 2SiO2· 2H2O
练习：改写成氧化物形式
玻璃{Na2CaSi6O14}：
黏土{Al2Si2O5(OH)4}：
K2O· 3Al2O3 · 6SiO2· 2H2O
拓展：最简单的硅酸盐——Na2SiO3
(3)用途：①制硅酸；②黏合剂；③耐火阻燃材料；④防腐剂
(1)物理性质：
(2)化学性质
俗称泡花碱，白色固体，具有黏合性，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。性质相对稳定、不能燃烧、不易被腐蚀，是制备硅胶和木材防火剂等的原料。
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
一、硅酸盐材料
传统的无机非金属材料多为硅酸盐材料
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
反应条件：
高温烧结
新石器时代就能烧制
唐宋时期达到鼎盛：
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
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：
主要成分：
硅酸三钙(3CaO SiO2)、硅酸二钙(2CaO SiO2)
铝酸三钙(3CaO Al2O3)等
主要特性：
水泥具有水硬性
复杂的物理、化学变化
二、新型无机非金属材料
（1）硅的应用:
（2）SiO2用途：
光导纤维、石英坩埚、建筑材料、电器部件
半导体材料，计算机芯片、集成电路、晶体管、硅整流器、太阳能电池等
集成电路的芯片 　　　
晶体管
硅太阳能电池
CPU
1、硅和二氧化硅
2、新型陶瓷
碳原子和硅原子通过共价键连接
结构：
性能
砂纸和砂轮的磨料
碳化硅陶瓷
高温抗氧化性能
硬度大
耐高温结构材料
耐高温半导体材料
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
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。
压电陶瓷
主要有钛酸盐和锆酸盐，能实现机械能和电能的相互转化
透明陶瓷
主要有氧化铝和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
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。eg.人工关节、磁悬浮技术
3.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。
——富勒烯
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
碳纳米材料
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
碳纳米材料
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。作为一种具有优异性能的新型材料，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。