(共29张PPT)
2023-2024学年
必修第二册(人教版2019)
第五章
化工生产中的重要非金属
第三节
无机非金属材料
看到计算机的芯片，传导电话的光缆，化学实验的玻璃仪器，你能想象得出它们都是以硅或硅的化合物材料制成的吗？除了以硅酸盐为主要成分的传统无机非金属材料外，你还知道其他无机非金属材料吗？让我们走进教材一起学习新型无机非金属材料。
3、新型陶瓷
1、单晶硅
2、光导纤维(SiO2)
高温结构陶瓷(SiC、Si3N4)
压电陶瓷
透明陶瓷
超导陶瓷
4、碳纳米材料
：富勒烯、碳纳米管、石墨烯等
新型无机
非金属材料
学习
目标
第2课时
新型无机非金属材料
PART
01
PART
02
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
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
是沙子、水晶、石英、玛瑙的主要成分，可用于制光导纤维
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。
Si
硅
硅在自然界主要以硅酸盐（如地壳中的大多数矿物质）和氧化物（如水晶、玛瑙）的形式存在。
自然界中不存在游离态的硅。
[学习任务一]认识硅 二氧化硅
通过下列图片总结归纳出硅元素在自然界中的存在形式
思考
交流
Si
Si元素
游离态
游离态和化合态
化合态
存在形态
O
Si
亲氧元素
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。
硅
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金刚石外观形态
金刚石内部碳原子排列情况
高纯硅外观形态
硅晶体内部硅原子排列情况
金刚石的物理性质：
硬度 ，质地 ，熔点 。
大
脆
高
晶体硅的物理性质：
硬度 ，质地 ，熔点 。
大
脆
高（1410℃）
晶体硅呈灰黑色，有金属光泽,是良好的半导体材料。
硅的化学性质
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。
①稳定性：常温下三反应
Si+2F2 == SiF4
Si+2NaOH+H2O == Na2SiO3+2H2↑
Si+4HF == SiF4↑+2H2↑(与唯一酸反应)
②还原性：加热(高温)三反应
加热
Si+Cl2 == SiCl4
加热
Si+O2 == SiO2
高温
Si+C == SiC(金刚砂)
高纯硅的制备
工业上制备高纯硅，一般需要先制得纯度为98%左右的粗硅，再以其为原料制备高纯硅。例如，可以将粗硅转化为三氯硅烷(SiHCl3)，再经氢气还原得到高纯硅。
如何制备高纯度的硅？
工业上用焦炭还原石英砂可知制得含有少量杂质的粗硅
⑴SiO2+2C == Si+2CO ↑ (粗硅)
高温
若C过量： SiO2+3C == SiC + 2CO ↑
高温
碳化硅(俗名：金刚砂)
提纯
⑵Si+3HCl == SiHCl3+H2
高温
⑶SiHCl3+H2 == Si+3HCl （高纯硅）
高温
半导体工业中，有一句行话：“从沙滩到用户”，即由SiO2制取Si。
高纯硅的应用
芯片
太阳能电池
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除此之外，高纯硅还用于传感器、探测器领域。
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
Si
学习任务一 二氧化硅
难溶于水，熔点高，硬度大。
化学稳定性：
化学性质很稳定，不活泼。
SiO2
结构
O
Si
立体网状结构
物理性质：
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。
二氧化硅的用途
①沙子是基本的建筑材料；
②纯净的SiO2是光学和光纤制品的基本原料；
③水晶、石英和玛瑙可制作饰品和工艺品；
④水晶用来制造电子工业中的重要部件。
石英坩埚
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。
SiO2 + 4HF == SiF4↑+2H2O
③与HF反应
——唯一能与SiO2反应的酸
用途：刻蚀玻璃
①酸性氧化物
②弱氧化性
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
装NaOH溶液的试剂瓶是什么样子的呢？
SiO2 + 2C ===== Si + 2CO↑
高温
用途：制粗硅
装碱性溶液的试剂瓶用橡胶塞
化学性质
你知道玻璃上的图案是如何刻上去的吗？
氢氟酸是HF的水溶液，可与SiO2发生反应成SiF4和H2O。请写出该反应的化学方程式。
SiO2
存在形态
天然二氧化硅
（占地壳质量的12%）
结晶形
无定形
硅石
石英
水晶
玛瑙
硅藻土
SiO2＋2NaOH=Na2SiO3＋H2O
分类——酸性氧化物
价态——最高价(氧化性)
特性——与氢氟酸反应
SiO2＋4HF=SiF4↑＋2H2O
SiO2＋2C===Si+2CO↑
SiO2＋CaO===CaSiO3
SiO2
高温
高温
二氧化硅的化学性质
新型陶瓷
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[学习任务二] 其他新型材料
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。
碳化硅陶瓷
结构：
性能
碳原子和硅原子通过共价键连接
高温抗氧化性能
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SiC：俗称金刚砂
类 型 组 成 性 能 用 途
高温结 构陶瓷 碳化硅、氮化硅或某些金属氧化物 耐高温、抗氧化、耐磨蚀等 火箭或汽车的发动
机、高温电极材料
压电陶瓷 钛酸盐和锆酸盐等 实现机械能与电能的相互转化 滤波器、扬声器、超声波探伤器、点火器等
透明陶瓷 氧化铝、氧化钇或氮化铝、氟化钙 具有优异的光学性能,耐高温,绝缘性好 高压钠灯、激光器、高温探测窗等
超导陶瓷 — 在某一临界温度下电阻为零,具有超导性 电力、交通、医疗等领域
新型陶瓷
化学趣史
碳纳米碳管
1991年，日本化学家饭岛博士在对石墨电弧放电实验时，发现了有单层、多层石墨卷曲而成的碳纳米碳管。
纳米碳管的发现也给材料研究带来了新的变革。
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
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。
化学趣史
C60的发现
1985，美国化学家斯莫利和柯尔以及英国化学家克鲁特，通过激光照射石墨实验，发现新型单质C60分子。并在建筑设计师富勒设计球形建筑的启发下，绘制出由20个正六边形和12个正五边表 构成的“笼状”分子 结构，并把它命名为“富勒烯”，因分子结构形似足球，又称为“足球烯”。
1996年三个获诺贝尔化学奖。
物质 结构 性质 用途
富勒烯 由碳原子构成的一系列笼形分子的总称（代表物C60） 具有超导性能 在电学、磁学、光学等方面都有重要应用
碳纳 米管 可看成是由石墨片层卷成的管状物， 具有纳米尺度的直径 比表面积大，有相当高的强度和优良的电学性能 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 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
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。
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
课堂总结
新型无机非金属材料
硅
应用: 芯片、太阳能电池
二氧化硅
是沙子、水晶、石英、玛瑙的主要成分，
可用于制光导纤维
新型陶瓷
碳化硅（金刚砂）
氮化硅
Si3N4
压电陶瓷
透明陶瓷
超导陶瓷
碳纳米材料
富勒烯
碳纳米管
石墨烯
