人教版（2019）必修二 5.3 无机非金属材料 课件(共45张PPT)

(共45张PPT)
无机非金属材料
你知道吗
思考：同学们想一想这些建筑可能会用到哪些材料，列举一下。
材料按照化学组成和特性来分：
无机非金属材料
金属材料: 生铁、钢、铝合金等
高分子材料：塑料、合成橡胶、合成纤维
任务1：认识材料的类别
无机
非金属材料
含有元素
性能
应用
硅氧等元素
耐高温、抗腐蚀、硬度高，特殊的光学、电学等性能
日常生活应用 航空航天领域 新能源领域 信息领域
材料是人类赖以生存和发展的物质基础，人类使用的材料除了金属材料，还有无机非金属材料等。从组成上看，许多无机非金属材料含有硅、氧等元素，具有耐高温、抗腐蚀、硬度高等特点，以及特殊的光学、电学等性能。随着工业生产和社会发展对材料性能要求的提高，一批新型无机非金属材料相继诞生，成为航空、航天、信息和新能源等高技术领域必需的材料。
活动1：阅读课本19页第一段，说一说无机非金属材料含有的元素、性能与应用。
无机非金属材料
传统无机非金属材料
新型无机非金属材料
陶瓷，玻璃，水泥
硅和SiO2，新型陶瓷，碳纳米材料
任务2：认识硅酸盐
1.定义：由Si 、O和金属(铝,铁,钙,镁,钾,钠等)等元素组成的化合物的总称
2.表示方法：用盐的化学式表示，如Na2SiO3
用氧化物形式表示，如Na2O SiO2
原则：X金属氧化物 Y SiO2 ZH2O
注意事项： ①氧化物之间用 “·” 隔开 ②元素化合价不变、原子比例不变
③计量数以整数书写 ④多种金属同时存在，活泼的写在前面
Al2O3·2SiO2·2H2O
练习： 长石（KAlSi3O8）、高岭土[Al2Si2O5(OH)4]
3、硅酸盐的结构：
硅氧四面体结构的特殊性，决定了硅酸盐材料大多：具有硬度高、熔点高、难溶于水、化学性质稳定、耐腐蚀等特点
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
任务2：认识硅酸盐
任务2：认识硅酸盐
Na2SiO3+2HCl═ 2NaCl + H2SiO3↓
Na2SiO3+CO2+H2O ═ Na2CO3+H2SiO3↓
活动2：请根据物质类别，预测硅酸钠可能具有的化学性质。
试着用化学方程式表示。
4. 最简单的硅酸盐——硅酸钠（Na2SiO3）
白色固体，可溶于水，水溶液俗称水玻璃，是一种矿物胶，有很强的黏合性。
硅酸是一种很弱的酸，酸性比碳酸弱，溶解度很小；
硅酸不稳定，受热易分解生成二氧化硅。
酸性：HCl > H2CO3 > H2SiO3
任务2：认识硅酸盐
4. 最简单的硅酸盐——硅酸钠（Na2SiO3）
用途
①制硅酸；②黏合剂(矿物胶)；③耐火阻燃材料；④防腐剂
活动3：请根据物质性质，预测硅酸钠可能具有的用途，试着列举1、2 。
硅胶
黏合剂
防火剂
资料卡片
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
任务3：认识硅酸盐产品
活动4：阅读课本P20-21，说一说工业上生产三大硅酸盐材料用的原料、
设备和生产条件各是什么？
任务3：认识硅酸盐产品
陶瓷
原料：
历史：
应用：
黏土(主要成分为含水的铝硅酸盐)
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：
性质: 陶瓷具有抗氧化、抗酸碱腐蚀、耐高温、绝缘、易成型等许多优点，
因此，陶瓷制品一直为人们所喜爱。
唐三彩
任务3：认识硅酸盐产品
三千多年以前，地中海沿岸的贝鲁斯河口旁，有一块美丽的沙洲。一天，一艘大商船满载着大块的天然苏打（碳酸钠）经过这里，由于海水落潮，大商船在河口沙滩上搁浅了。
中午，有个船员提议在河滩上做饭，举行一次野餐。于是大家从船上搬来做饭的大锅，又扛了几块天然苏打，用苏打支着锅做起饭来。吃过饭，他们收拾好东西，准备回船了，一个船员突然惊讶地喊：“你们快看，这是什么东西？闪闪发光，多好看！”
大家围上来仔细看，只见那东西玲珑剔透，晶莹明亮，真是谁都没见过。原来，这沙滩上都是石英砂，在船员们烧火做饭的时候，支着锅的天然苏打在高温下和石英砂发生了化学反应，变成了“玻璃”。
玻璃诞生的美丽传说
苏打在高温下和石
英砂
任务3：认识硅酸盐产品
玻璃
原料：
工业设备：
应用：
纯碱、石灰石和石英砂
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
SiO2+Na2CO3 Na2SiO3+CO2↑
SiO2+CaCO3 CaSiO3+CO2↑
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）
性能：
玻璃无固定的熔沸点，在一定温度范围内软化。
主要反应：
不同性能的玻璃
资料卡片
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
资料卡片
任务3：认识硅酸盐产品
水泥的发明史
1824年，英国建筑工人约瑟夫·阿斯谱丁（JosephAspdin）发明了水泥并取得了波特兰水泥的专利权。
他用石灰石和粘土为原料，按一定比例配合后，在类似于烧石灰的立窑内煅烧成熟料，再经磨细制成水泥。
因水泥硬化后的颜色与英格兰岛上波特兰地方用于建筑的石头相似，被命名为波特兰水泥。它具有优良的建筑性能，在水泥史上具有划时代意义。
石灰石和粘土
任务3：认识硅酸盐产品
任务3：认识硅酸盐产品
快硬水泥
油井水泥
膨胀水泥
耐火水泥
白色水泥
彩色水泥
防辐射水泥
抗菌水泥
防藻水泥
抗硫酸盐水泥
特种水泥
任务3：认识硅酸盐产品
陶瓷 玻璃 水泥
主要原料
主要设备
生产条件
黏土
玻璃窑
黏土、石灰石
水泥回转窑
纯碱、石灰石、石英砂（主要成分是SiO2）
烧结
熔融
煅烧
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。
含碳、氮等其他元素，在航天、能源和医疗等领域广泛应用。
氮化硅陶瓷
硅单质
水晶
任务4：认识硅
活动5：画出硅的原子结构示意图，说出硅在周期表中的位置，在自然界中的存在
任务4：认识硅
硅酸盐矿石
水晶（ SiO2 ）
玛瑙（ SiO2 ）
1. 硅元素的存在
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。
任务4：认识硅
2. 晶体硅物理性质、结构
结构类似于金刚石，带有金属光泽的灰黑色固体，熔点高、硬度大、有脆性，导电性介于导体和绝缘体之间，是良好的半导体材料，高纯度硅广泛应用于信息技术和新能源技术等领域。
拓展：
金刚石和晶体硅的结构相似。在晶体中，每个碳硅原子都以共价键与相邻4个碳（硅）原子结合，形成正四面体的立体网状。所以，金刚石和晶体硅的熔沸点都很高，硬度也很大。
任务4：认识硅
加热
Si+O2 == SiO2
加热
Si+Cl2 == SiCl4
高温
Si+C == SiC(金刚砂)
3.硅的化学性质
①稳定性：常温下三反应
②还原性：加热(高温)三反应
Si+2F2 == SiF4
Si+2NaOH+H2O == Na2SiO3+2H2↑
Si+4HF == SiF4↑+2H2↑(与唯一酸反应)
在常温下只能与氟气(F2)、HF、氢氧化钠反应，加热时能与氧气、氯气反应。
任务4：认识硅
资料卡片
晶体硅的用途
Si导电性介于导体和半导体之间,是良好的半导体材料,硅是信息技术和新能源技术的关键材料。
硅晶片是生产芯片的基础材料 　　　
硅太阳能电池
任务4：认识硅
思考：半导体工业中，有一句行话：“从沙滩到用户”。你知道其含义吗？
还原剂
工业上用碳作还原剂，请写出化学方程式。
SiO2＋2C Si＋2CO↑ 　
===
高温
不是CO2！
粗硅
为何说制得的硅为粗硅？
碳过量、碳与硅反应生成的SiC
如何制备高纯度的硅？
任务4：认识硅
SiO2＋2C Si（粗硅）＋ 2CO↑
高温
Si＋3HCl ==== SiHCl3＋H2
250~300℃
SiHCl3＋H2 ===== Si＋3HCl
1000~1100℃
思考：能否通过反应SiO2＋2C Si＋2CO↑证明C、Si的还原性强弱？
高温
4.高纯硅的制备
-1
目前纯度已达到12个“9”，即99.9999999999%。
杂质含量不超过一千万亿分之一。
周期表实际是氧化性C>Si
任务5：认识二氧化硅
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
熔沸点高、硬度大、不溶于水
2.物理性质
玛瑙
水晶
硅藻土
任务5：认识二氧化硅
3.空间构型：硅氧四面体（空间网状）
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。
Si原子和O原子比例
=1:2
我也是一个普通人，
在世界上行走一圈，
能留下一点脚印，我已经心满意足。
诺贝尔 2009 年物理学奖
光纤之父 高锟
二氧化硅可用来生产光导纤维。
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，能有效提高通信效率。
任务5：认识二氧化硅
4.化学性质
①SiO2是一种酸性氧化物:
与碳酸盐反应
SiO2+2NaOH == Na2SiO3 + H2O
SiO2 + Na2O ==== Na2SiO3
高温
与强碱溶液反应：
与碱性氧化物反应：
SiO2 + Na2CO3 === Na2SiO3 +CO2 ↑
高温
SiO2 + CaCO3 ==== CaSiO3 +CO2 ↑
高温
工业生产玻璃原理
②弱氧化性
SiO2 + 2C ===== Si + 2CO↑
高温
用途：制粗硅
思考：1.实验室盛放碱溶液的试剂瓶应使用橡胶塞，而不用玻璃塞？
2.SiO2不能与水直接化合成H2SiO3，那如何制备H2SiO3呢？
3.SiO2是一种酸性氧化物，是否不能与任何酸发生反应呢？
③SiO2特性：可与氢氟酸（HF的水溶液）发生反应成SiF4和H2O 。
SiO2＋4HF=SiF4↑＋2H2O
思考：SiO2既能与NaOH溶液反应，又能与氢氟酸反应，据此，某同学认为SiO2
是两性氧化物，你同意吗？
任务5：认识二氧化硅
用途：刻蚀玻璃
拓展视野
玻璃雕刻
玻璃雕刻
在玻璃表面涂上一层石蜡
在石蜡上雕刻出花纹，向挖空部分加少量氢氟酸
洗掉酸并去掉石蜡
①
②
③
【玻璃雕刻步骤】
思考：实验室能否用玻璃瓶盛装氢氟酸（HF）？
注意：实验室用塑料瓶来盛装HF。
总结提升
二氧化碳 二氧化硅
酸性氧化物 水
碱
碱性氧化物
氧化性 碳
特性 氢氟酸
CO2+H2O=H2CO3
CO2+2NaOH=Na2CO3+H2O
CO2+CaO=CaCO3
SiO2 + 2NaOH = Na2SiO3 +H2O
SiO2+4HF=SiF4↑+2H2O
SiO2+CaO CaSiO3
高温
SiO2+2C Si+2CO↑
高温
CO2+C 2CO
CO2 和SiO2化学性质比较
总结提升
Si
Na2SiO3
SiO2
H2SiO3
O2 /△
F2
Na2O、NaOH
H2O+CO2/HCl
NaOH
物质类别
化
合
价
单质
氧化物
盐
含氧酸
0
+4
酸碱转化
氧化还原转化
Na2CO3
C/高温
SiF4
HF
HF
NaOH
SiCl4
Cl2
H2
氯化物
△
硅元素的价类图
SiHCl3
HCl
H2
+2
任务6：认识新型陶瓷
新型陶瓷
组成
特性和功能
不再限于传统的硅酸盐体系
在光学、热学、电学、磁学等方面具有很多新的特性和功能
实例
SiC
具有类似金刚石的结构，硬度很大，可用作砂纸和砂轮的磨料
具有优异的高温抗氧化性能，使用温度可达1600℃，可用作耐高温结构材料、耐高温半导体材料
任务6：认识新型陶瓷
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
高温结构陶瓷
氮化硅轴承
任务6：认识新型陶瓷
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。
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。
透明陶瓷
任务6：认识新型陶瓷
钠蒸气放电发光问题早在1950年就得以解决，但当时没有任何材料可以的的抵御高温钠蒸气(1 400℃)强烈的腐蚀性。
氧化铝陶瓷
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。
超导陶瓷
世界上最小的车是什么车？
既不是各大汽车厂商的迷你系列轿车，也不是孩子们的玩具模型，而是由荷兰格罗宁根大学有机化学教授本·费林加研制的纳米车。
它的轮轴能像汽车的轮轴一样平滑旋转，而轮轴末端是4个“巴基球”做成的轮子。“巴基球”是由60个碳原子构成的纳米级球状分子，具有很多新奇的特性，在纳米技术研究中很受科学家重视。
纳米车的轮子可滚动
电子显微镜下观察到的纳米汽车
任务7：认识碳纳米材料
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
任务7：认识碳纳米材料
“冬奥会”
演员服饰用上石墨烯 智能发热防寒保暖
石墨烯
石墨烯是只有一个碳原子直径厚度的单层石墨
任务7：认识碳纳米材料
类别 成分 性能 应用
富勒烯 ——
碳纳米管
石墨烯
由碳原子构成的一系列笼形分子
纳米汽车
由石墨层卷成的管状物，具有纳米尺度的直径
比表面积大，强度高、优良电化学性能
只有一个碳原子直径厚度的单层石墨
电阻率低、热导率高，高强度
光电器件、超级电容器、电池和复合材料
任务7：认识碳纳米材料
石墨烯
整理提升
硅
二氧化硅
新型陶瓷
碳纳米材料
应用: 芯片、太阳能电池
是沙子、水晶、石英、玛瑙的主要成分，
可用于制光导纤维
碳化硅（金刚砂）
氮化硅
压电陶瓷
透明陶瓷
超导陶瓷
Si3N4
富勒烯
碳纳米管
石墨烯
新型无机非金属材料
石墨烯
整理提升
硅及其化合物转化图
Si
SiO2
H2SiO3
Na2SiO3
CaSiO3
SiC
SiF4
O2/加热
C/高温
加热
NaOH
HCl CO2+H2O
CaO、CaCO3/高温
HF
C
CaCl2
SiH4
H2/加热
NaOH Na2CO3