化学人教版（2019）必修第二册5.3 无机非金属材料（共34张ppt）

(共34张PPT)
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
材料——人类赖以生存和发展的物质基础
硅酸盐是由硅、氧和金属元素组成的化合物的总称。硅酸盐是一类结构复杂的物质，一般都不溶于水，化学性质很稳定。
普通玻璃 Na2CaSi6O14
石棉 CaMg3Si4O12
黏土 Al2Si2H4O9
长石 K2Al2Si6O16
一、传统无机非金属材料——硅酸盐材料
硅酸盐是由硅、氧和金属元素组成的化合物的总称。硅酸盐是一类结构复杂的物质，一般都不溶于水，化学性质很稳定。
1、硅酸盐的表示方法：
如：硅酸钠：Na2SiO3 硅酸钙：CaSiO3
用二氧化硅和金属氧化物的形式来表示其组成
（1）化学式法（表示组成简单的硅酸盐）：
（2）氧化物法（表示复杂的硅酸盐）：
如：硅酸钠：Na2O · SiO2
硅酸钙： CaO · SiO2
一、传统无机非金属材料——硅酸盐材料
金属氧化物 · 二氧化硅 · 水
有多种金属，低价在前，高价在后
同价态，按金属活动顺序表依次排列
各元素原子总个数比不变，分数化整
书写原则
Al2O3·2SiO2·2H2O
KAlSi3O8：
CaMg3Si4O12：
CaO·3MgO·4SiO2
Al2(Si2O5)(OH)4：
K2O·Al2O3·6SiO2
一、传统无机非金属材料——硅酸盐材料
硅酸盐结构
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
许多四面体通过顶角的O相互连接
每个 O 为两个四面体所共有，与 2 个 Si 相结合
大多硬度高、熔点高、难溶于水、化学性质稳定、耐腐蚀
硅酸盐性质
有例外：Na2SiO3
一、传统无机非金属材料——硅酸盐材料
2. 最简单的硅酸盐——硅酸钠（Na2SiO3）
（1）物理性质：白色固体，可溶于水，水溶液俗称水玻璃，又称泡花碱，是一种矿物胶，有很强的黏合性。
（2）化学性质：易与酸反应
①与强酸反应：
②与CO2反应：
硅酸：高中化学唯一难溶性酸
一、传统无机非金属材料——硅酸盐材料
①制硅酸；②黏合剂(矿物胶)；③耐火阻燃剂；④防腐剂
（3）用途
一、传统无机非金属材料——硅酸盐材料
3、传统的三大硅酸盐产品
(1)陶瓷
(2)玻璃
(3)水泥
使用量最大的无机非金属材料
玻璃、水泥、陶瓷生产的共同点：
都在高温下，发生了复杂的物理和化学变化。原料都有含硅元素的物质，产品都含有硅酸盐，且都是混合物。
一、传统无机非金属材料——硅酸盐材料
陶 瓷
黏土 (主要成分为含水的铝硅酸盐)
高温烧结而成
抗氧化、抗酸碱腐蚀、耐高温、绝缘
生产建筑材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具等
(人类最早使用的硅酸盐产品)
主要原料
反应原理
特 点
应 用
玻璃
石英砂 (主要成分SiO2)、纯碱、石灰石
主要原料
反应原理
主要成分
高温下发生复杂的物理和化学变化制得
Na2SiO3
CaSiO3
SiO2
玻璃
应 用
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符合材料等。
加入一些金属氧化物或盐可以得到彩色玻璃，常用于建筑和装饰。
形形色色玻璃
普通玻璃
因混有铁的化合物显浅绿色
有色玻璃
在原料里加入某些金属氧化物均匀地分散到玻璃态物质里，使玻璃呈现出特征颜色。
化学仪器玻璃
光学仪器玻璃
钢化玻璃
光纤玻璃
水泥
黏土 、石灰石
主要原料
反应原理
特 点
应 用
水泥回转窑中煅烧，发生复杂的物理和化学变化
加适量石膏可调节水泥硬化速率
具有水硬性（与水掺和搅拌并静置后，很容易凝固变硬）
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
陶瓷 玻璃 水泥
主要原料 黏土（主要成分为含水的铝硅酸盐） 纯碱、石灰石、石英砂（主要成分是SiO2） 黏土、石灰石
主要成分 Al2O3·2SiO2·2H2O Na2CO3、CaCO3、SiO2 硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙等
反应原理 高温烧结而成 高温下发生复杂的物理和化学变化 用途 建筑材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具等 建筑材料、光学仪器和各种器皿、制造玻璃纤维用于高强度复合材料等 制混凝土，大量用于建筑和水利工程
(1)硅酸盐结构较为复杂，大多难溶于水，化学性质稳定( )
(2)硅氧四面体中，硅原子与氧原子都是以共价键结合( )
(3)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( )
(4)陶瓷、玻璃、水泥的生产都需要在高温下进行( )
(5)玻璃和水泥生产中都发生复杂的物理和化学变化( )
(6)硅酸盐是由硅、氧和金属组成的混合物(　　)
正误判断
√
√
√
√
√
×
拓展——硅酸 H2SiO3
1、物理性质
硅酸是一种白色粉末状的固体，它不溶于水；
2、化学性质
①是一种很弱的酸，不能使指示剂变色
（1）具有酸的通性：
②能与碱发生中和反应
H2SiO3+2NaOH===Na2SiO3+2H2O
高中化学唯一难溶性酸
（2）是一种很弱的酸，酸性比碳酸还弱，溶解度很小,不稳定，受热易分解
H2SiO3 H2O+SiO2
如何制备硅酸？已知：酸性：盐酸>碳酸>硅酸
强酸制弱酸
Na2SiO3+H2O+CO2 Na2CO3+H2SiO3↓
Na2SiO3+2HCl=2NaCl2+H2SiO3↓
硅酸 H2SiO3
硅酸 H2SiO3
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
如何证明酸性盐酸>碳酸>硅酸？
A：Na2CO3/NaHCO3
B : HCl
C : 饱和NaHCO3
D : Na2SiO3
硅酸 H2SiO3
一些材料含碳、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。
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，是现代信息技术的基础材料。
氮化硅陶瓷
二、新型无机非金属材料
新型无机非金属材料具有的特性
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。
碳化硅金刚石切割片
二氧化硅光导纤维
硅芯片
输送药物的纳米材料
二、新型无机非金属材料
二、新型无机非金属材料
硅单质的导电性介于导体和绝缘体之间，是应用最广泛的半导体材料。
晶体硅中的杂质会影响其导电性能，因此必须制备高纯度的硅。
高纯硅的制备：
石英砂
粗硅
SiHCl3
高纯硅
1800 ~ 2000℃
焦炭
300℃
HCl
1100℃
H2
① SiO2 + 2C Si(粗) + 2CO↑
1800 0C ~ 2000 0C
② Si + 3HCl SiHCl3 + H2
300 0C
③ SiHCl3 + H2 Si + 3HCl
1100 0C
硅是一种亲氧元素，在自然界中没有游离态，一般以SiO2或硅酸盐的形式存在。
1. 晶体硅
2、晶体硅的物理性质
带有金属光泽的灰黑色固体，熔点高（1410℃）、硬度大 、有脆性。
3、化学性质
常温下化学性质不活泼。仅能与氟气、氢氟酸、强碱溶液发生反应
Si + 2F2 === SiF4
Si + 2NaOH + H2O === Na2SiO3 + 2H2↑
Si + 4HF === SiF4↑+2H2↑
1.晶体硅
加热时,硅能与氧气、氯气等反应,也能与碳反应
Si + O2 === SiO2
Si + 2Cl2 === SiCl4
Si + C === SiC
点燃
△
高温
1.晶体硅
1.晶体硅
用途
高纯硅广泛应用于信息技术和新能源技术领域。
利用其半导体性能可以制成计算机、通讯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。
2. 二氧化硅
沙子
石英砂
玛瑙
水晶
SiO2
硬度大、熔沸点高、常温下为固体、难溶于水、不导电、立体网状结构
物理性质
2. 二氧化硅
1、具有酸性氧化物的通性
①不溶于水，不与水反应（特殊）
（类比CO2）
SiO2 + CaO CaSiO3
高温
②与碱性氧化物反应
③与某些盐反应
④与强碱反应
SiO2 + 2NaOH Na2SiO3 + H2O
2. 二氧化硅
化学性质
3、特性：与氢氟酸（HF）反应
SiO2 + 4HF SiF4↑ + 2H2O
SiO2+2C ==== Si+2CO↑
高温
2、氧化性
化学性质
2. 二氧化硅
二氧化硅可用来生产光导纤维。
光导纤维
石英坩埚
玻璃仪器
精美瓷器
（通信）
用 途
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，能有效提高通讯效率高纯硅广泛应用于信息技术和新能源技术领域。
2. 二氧化硅
粉末状混合物 选择的试剂 选用的操作
(1) CaCO3(SiO2)
(2) NaCl(SiO2)
(3) SiO2(Fe2O3)
(4) SiO2(CaCO3)
(5) SiO2(NH4Cl)
可供选择的试剂：A.HCl　 B.NaOH　 C．氧气 D．水　E．二氧化碳
可选用的操作：①水洗　②加热　③高温灼烧　④过滤 ⑤结晶
B
D
④⑤
A
④
A
④
②
④
除杂
(1)硅元素在自然界中既有化合态,又有游离态。(　　)
(2)硅酸盐中,Si与其周围距离最近的4个O构成正四面体结构。(　　)
(3)利用石英坩埚可熔融NaOH固体。(　　)
(4)富勒烯、碳纳米管和石墨烯都是碳单质。(　　)
(5)硅是制备光导纤维和光电池的材料。(　　)
(6)普通玻璃和水泥的生产原料均含石灰石。(　　)
(7)硅晶片是生产芯片的基础材料(　　)
(8)生产光导纤维的原料是二氧化硅(　　)
(9)金刚砂和金刚石结构类似，互为同素异形体(　　)
(10)富勒烯和石墨烯完全燃烧的产物都是二氧化碳(　　)
×
×
×
√
√
√
√
√
√
×
正误判断
1.下列关于二氧化硅的叙述不正确的是 (　　)
①光导纤维主要成分是SiO2,故SiO2可以导电　②能跟强碱反应,但不能与水反应　③SiO2的熔、沸点较低　④既不是酸性氧化物,又不是碱性氧化物
A.②和③　　B.①③④　　C.②和④　　D.只有④
B