5.3无机非金属材料 课件(共27张PPT)2022-2023学年下学期高一化学人教版（2019）必修第二册

(共27张PPT)
第五章 化工生产中的重要非金属元素
第三节 无机非金属材料
学习目标
1、通过阅读和讨论，了解陶瓷、玻璃、水泥等传统硅酸盐材料的生产原料、性能和主要用途，知道玻璃的主要成分，感受传统硅酸盐材料在城乡建设中发挥的重要作用；
2、通过学习，了解晶体硅、二氧化硅、新型陶瓷、碳纳米材料的性能和用途，感受新型无机非金属材料的奇特性能在高科技领域所发挥的重要作用，激发学习化学的兴趣；
3、结合身边的生活用品、电子产品、建筑物等用到的无机非金属材料，感受化学就在身边，化学材料作用巨大，提高学习化学、投身国家建设的社会责任感。
生活中常见的传统无机非金属材料
陶瓷
玻璃
水泥
硅酸盐是由硅、氧和金属组成的化合物的总称,它们种类繁多、组成各异、结构复杂，在自然界中广泛存在。
为什么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？
在硅酸盐中，Si和O构成了硅氧四面体，硅氧四面体结构的特殊性，决定其特性。
阅读教材P19-21
一、传统无机非金属材料—硅酸盐材料
1、陶瓷
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
生产过程：原料经高温烧结发生复杂的化学变化
反应原理： Na2CO3＋SiO2 Na2SiO3＋CO2↑
CaCO3＋ SiO2 CaSiO3＋CO2↑
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
2、玻璃
生产过程：原料经混合、粉碎，在玻璃窑中熔融，
发生复杂的物理和化学变化而制得
水泥
原料：
工业设备：
黏土和石灰石
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
3、水泥
石灰石黏土
按比例混合磨细
回转窑
生料
水泥
煅烧
熟料
加石膏
磨粉
1、硅和二氧化硅
2、新型陶瓷
3、碳纳米材料
二、新型无机非金属材料
硅是一种亲氧元素，在自然界中无游离态，以化合态存在，主要以硅的氧化物和硅酸盐的形式存在。
硅存在形式与原子结构
硅原子结构示意图
第三周期、第ⅣA族
处于金属与非金属的过度位置，其单质的导电性介于导体和绝缘体之间，是应用最为广泛的半导体材料。
阅读教材P21-22
(1)硅单质主要有无定型硅和晶体硅两大类
晶体硅具有金属光泽的灰黑色固体、熔点高，硬度大、是良好的半导体材料
1、硅和二氧化硅
(2)结构特点
晶体硅的结构与金刚石相似—由四面体组成的空间网状结构
(3)物理性质
1.1 硅
①常温下，化学性质不活泼，除与氟气、氢氟酸、和强碱外，
不跟其他物质反应
Si+2NaOH+H2O===Na2SiO3+2H2↑
Si+2F2=== SiF4　
Si+4HF===SiF4↑+2H2↑
常温：
(4) 化学性质
②加热时，能与O2、Cl2、C等非金属反应:
Si + O2=== SiO2 　
△
Si + 2Cl2 === SiCl4 　
△
Si + C === SiC 　
高温
(5)用途
高纯硅广泛应用于信息技术和新能源技术等领域。
①利用其半导体性能可以制成计算机、通信设备和家用电器等的芯片
②可以制成光伏电站、人造卫星和电动汽车等的硅太阳能电池
(1)晶体结构
硅氧正四面体形成的空间网状结构 ，性质很稳定
(2)物理性质
常温下为固体，不溶于水，硬度大，熔、沸点高
1.2 二氧化硅
硅胶
(酸性干燥剂)
硅酸是一种弱酸，比碳酸弱，不能使紫色石蕊变红；不溶于水
拓展——硅酸
Na2SiO3+2HCl == H2SiO3(胶体)+2NaCl
Na2SiO3+CO2+H2O=H2SiO3↓+Na2CO3
硅酸钠是白色固体，易溶于水， Na2SiO3水溶液俗称水玻璃或泡花碱，水溶液显碱性，是一种矿物胶，耐火阻燃材料
①酸性氧化物
a.与碱性氧化物反应生成盐
高温
SiO2＋ CaO====
CaSiO3
b.与强碱反应生成盐和水
(有粘性，其水溶液俗称水玻璃)
硅酸钠
SiO2 ＋ 2NaOH ===Na2SiO3 ＋H2O
(3)化学性质
思考2：
实验室盛装NaOH溶液的试剂瓶用什么塞子？为什么？
用橡胶塞，而不用玻璃塞，NaOH溶液能与玻璃中的SiO2反应生成Na2SiO3，使瓶塞部分粘结而无法打开
②与碳酸盐反应
SiO2 + Na2CO3 === Na2SiO3 +CO2 ↑
高温
SiO2 + CaCO3 === CaSiO3 +CO2 ↑
高温
工业生产玻璃原理
③弱氧化性
SiO2+2C === Si +2CO ↑
高温
④特性：与氢氟酸反应
SiO2 ＋ 4HF ===SiF4↑＋2H2O
此反应常用于雕刻玻璃
实验室不用玻璃瓶盛装氢氟酸！！
SiO2+2C == Si+2CO ↑ (粗硅)
高温
该反应能否说明碳的还原性大于硅？
SiO2 + Na2CO3 === Na2SiO3 +CO2 ↑
高温
该反应能否说明硅酸的酸性大于碳酸的酸性？
(4)SiO2用途：
光导纤维、石英坩埚、建筑材料、电器部件
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。
(1)SiO2+2C == Si+2CO ↑ (粗硅)
高温
(2)Si+3HCl == SiHCl3+H2
高温
(3)SiHCl3+H2 == Si+3HCl （高纯硅）
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
提纯
如何制备高纯度的硅？
高纯硅的工业制取
阅读教材P22
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
二、新型陶瓷
主要特性：在光学、热学、电学、磁学等方面具有很多新的特性和功能。
阅读教材P23-24
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
三、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。
(1)富勒烯
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。
(2)碳纳米管
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。
(3)石墨烯
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。
有机高分子材料
材料兄弟携手战“疫”
无机非金属材料
金属材料
复合材料