化学人教版（2019）必修第二册5.3.1无机非金属材料（共42张ppt）

(共42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
硅酸盐材料
01
新型的无机非金属材料
02
材料按照化学组成和特性来分：
金属材料
材料
无机非金属材料
有机高分子材料
复合材料 增强塑料（以玻璃纤维、碳纤维等无机材料作为增强材料，酚醛树脂、环氧树脂等为机体做成的复合材料。强度大。质量轻、耐高温、耐腐蚀等）
金属单质和合金
玻璃 陶瓷 水泥
硅太阳能电池
塑料、纤维、橡胶
无机非金属材料
含有元素
硅氧等元素
性能
耐高温、抗腐蚀、硬度高。特殊的光学、电学等性能
分类
传统无机非金属材料（多为硅酸盐材料）
新型无机非金属材料
陶瓷
玻璃
水泥
晶体硅
二氧化硅
新型陶瓷
石墨烯
碳纳米管
应用
日常生活应用、航空航天、信息领域、新能源领域
1
硅酸盐与硅酸
认识硅酸盐材料
传统无机非金属材料多为硅酸盐材料，在日常生活中随处可见。如制作餐具的陶瓷、窗户上的玻璃、建筑用的水泥等。
1.硅酸盐
存在：
定义：
最简单的硅酸盐：Na2SiO3
硅酸盐一般结构复杂，存在于地壳、岩石中
金属、硅、氧等元素形成的盐，一般不溶于水，化学性质稳定
物理性质：易溶于水，其水溶液俗称水玻璃，又称泡花碱，
化学性质：Na2SiO3+H2O+CO2=H2SiO3↓
+Na2CO3
应用；① Na2SiO3溶液（水玻璃）——木材防火、黏胶剂等、制备硅酸
认识硅酸盐材料
2.硅酸盐的结构
【思考】
在1mol硅氧四面体中，
有 molSi原子，
molO原子，
molSi-O键。
1
2
4
认识硅酸盐材料
3.硅酸
物理性质：不溶于水的，白色，胶状固体
化学性质：弱酸 酸性弱于碳酸
①H2SiO3+2NaOH == Na2SiO3+2H2O
②H2SiO3==H2O+SiO2
制取：强酸制弱酸
Na2SiO3+2HCl == 2NaCl+H2SiO3↓
Na2SiO3+2H2O+2CO2(过量）==2NaHCO3+H2SiO3↓
Na2SiO3+H2O+CO2(少量）== Na2CO3+H2SiO3↓
认识硅酸盐材料
H2SiO3的用途
硅酸
聚合
硅酸凝胶
干燥脱水
硅酸干凝胶
“硅胶”
3.硅酸盐的丰富性和复杂性
普通玻璃 Na2CaSi6O14
石棉 Mg3CaSi4O12
黏土 Al2Si2H4O9
长石 K2Al2Si6O16
认识硅酸盐材料
知识拓展--硅酸盐的表示方法
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如：硅酸钠（Na2SiO3）→ Na2O·SiO2
高岭石（Al2H4Si2O9）→Al2O3·2SiO2·2H2O
钾云母（KH2Al3Si3O12）→K2O·3Al2O3·6SiO2·2H2O
【注意】
①书写形式一般为：X金属氧化物 Y SiO2 Z H2O
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
硅酸盐矿物的成分复杂，多用氧化物的形式表示它们的组成
2
传统硅酸盐材料
常见硅酸盐材料
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陶瓷
玻璃
水泥
传统硅酸盐材料
陶瓷
原料：黏土（含水的铝硅酸盐）
条件：高温烧结而成
性能：熔点高、硬度大、耐腐蚀、性质稳定
用途：用于生产建筑材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具等
传统硅酸盐材料
玻璃
玻璃
原料：
工业设备：
应用：
纯碱、石灰石和石英砂（主要成分SiO2）
玻璃窑
主要成分：
建筑材料、光学仪器、器皿、玻璃纤维。
反应条件：
高温熔融
反应方程式：
SiO2＋Na2CO3 Na2SiO3＋CO2↑
SiO2＋CaCO3 CaSiO3＋CO2↑
Na2SiO3 、CaSiO3、SiO2
性能：
非晶体，无固定熔点，加热可软化塑型
生产中采用不同的原料和工艺，可以制得多种具有不同性能和用途的玻璃。
传统硅酸盐材料
虽叫“玻璃”但不是硅酸盐
结晶SiO2
聚甲基丙烯酸甲酯
水泥
成分：硅酸三钙(3CaO·SiO2)、硅酸二钙(2CaO·SiO2)、铝酸三钙(3CaO·Al2O3)
原料：黏土和石灰石、适量石膏
反应原理：SiO2+CaCO3 CaSiO3+CO2↑
用途：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
传统硅酸盐材料
生产过程：原料→研磨混合→ 煅烧（回转窑）→ 加入石膏→成品
调节水泥的硬化程度
生料
熟料
3
新型无机非金属材料
教学引入：电子工业与计算机业王国——硅谷
新型无机非金属材料
1. 硅
位置
结构
第三周期第IⅤA族
半导体材料
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。
沙粒
水晶
玛瑙
硅酸盐矿石
硅在自然界中的存在形式
硅单质
晶 体 硅
无定形硅
认识硅
（1）存在形式：硅有晶体硅和无定形硅两种单质
（2）物理性质：晶体硅是灰黑色、有金属光泽、硬而脆的固体，其结构类似于金刚石，熔沸点很高、硬度大，导电能力介于导体和绝缘体之间，是良好的半导体材料。
硅原子——
认识硅
（3）晶体硅结构：
晶体硅很和金刚石的结构类似。在晶体中每个硅原子都以共价键与相邻4个硅原子结合，形成正四面体的立体网状。
Si + 2F2=SiF4
Si + 4HF = SiF4 ↑+2H2 ↑
Si + 2NaOH+H2O = Na2SiO3+2H2 ↑
（1）常温下，硅的化学性质不活泼，除氢氟酸、氟气、强碱外不跟其他物质反应。
认识硅
硅单质的化学性质
（2）加热条件下，硅也能和一些非金属反应。
与氯气反应：
与氧气反应：
Si+2Cl2 SiCl4
Si + O2 SiO2
与碳反应：
Si + C SiC
高温
认识硅
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。
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
认识硅
从沙滩到用户
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，硅是信息技术的关键材料。
硅太阳能电池
半导体材料
硅芯片
认识硅
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。
探究课堂
二氧化硅在自然界中的存在
有结晶形和无定形两大类，通称硅石。
玛瑙
水晶
石英
结晶形
硅藻土
无定形
探究课堂
二氧化硅的结构
四面体结构
每1个Si原子周围结合4个O原子，
Si在中心，O在四个顶角。
Si 原子和 O 原子比例 1:2，组成立体网状的晶体
立体网状结构决定了SiO2具有优良的物理和化学性质。
物理性质：
硬度大，熔点高，难溶于水，不导电
化学性质：
化学稳定性好
1.酸性氧化物
SiO2＋CaO === CaSiO3
高温
SiO2＋2NaOH==Na2SiO3＋H2O
SiO2＋Na2O === Na2SiO3
高温
与强碱溶液反应：
与碱性氧化物反应：
二氧化硅的化学性质
探究课堂
注意：SiO2不能与水直接化合成H2SiO3
思考：为什么实验室盛装NaOH溶液的试剂瓶用橡皮塞而不用玻璃塞？
若使用带玻璃塞的试剂瓶盛放碱液，碱液能与玻璃中SiO2发生反应生成Na2SiO3，导致玻璃塞与瓶口内侧粘连而无法打开。
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
探究课堂
3.弱氧化性（工业制粗硅）
SiO2+2C Si+2CO↑
高温
探究课堂
4.特性：与酸反应（只与HF反应
SiO2＋4HF== SiF4 ↑＋2H2O
用途：刻蚀玻璃
HF能腐蚀玻璃，因此，盛装氢氟酸不能用玻璃试剂瓶而要用塑料瓶。
探究课堂
SiO2既能与强碱反应，又能与HF反应，SiO2是两性氧化物吗？
不是，二氧化硅和其他酸不反应，只能与HF酸反应，且生成的SiF4不是盐
光导纤维
石英坩埚
玻璃仪器
水晶、玛瑙饰品
探究课堂
二氧化硅的用途
乐在
化学
化学家眼中的孙悟空
4
新型陶瓷
探究课堂
新型陶瓷
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。
高温陶瓷
压电陶瓷
透明陶瓷
碳化硅（SiC）俗称金刚砂
硬度很大，可用作砂纸和砂轮的磨料
还具有优异的高温抗氧化性能，可以用作耐高温结构材料、耐高温半导体材料等。
超导陶瓷
类别 成分 性能 应用
高温 结构陶瓷
压电陶瓷
透明陶瓷
超导陶瓷 YBa2Cu3O7-δ Bi2Sr2Ca2Cu3O10 Tl2Ba2Ca2Cu3O10
SiC、Si3N4
某些金属氧化物
耐高温、抗氧化、耐腐蚀
火箭发动机、高温电极材料
钛酸盐、锆酸盐
实现机械能与电能的相互转化
滤波器、扬声器、点火器
氧化铝、氧化钇
氮化铝、氟化钙
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
某临界温度下电阻为零，超导性
电力、交通、医疗
新型陶瓷
探究课堂
碳纳米材料
富勒烯C60
石墨烯
碳纳米管（单壁）
碳纳米管（多壁）
碳纳米材料在能源、信息、医药等领域有着广阔的应用前景。
结构特点 应用
富勒烯 由碳原子构成的一系列笼形分子的总称 代表物C60开启碳纳米材料研究和应用的新时代
碳纳米管 由石墨片层卷成的管状物，具有纳米尺度的直径 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 应用于光电器件、超级电容器、电池和复合材料等
新型无机非金属材料
硅和二氧化硅
新型陶瓷
高温结构陶瓷、压电陶瓷、透明陶瓷、超导陶瓷
石墨烯、富勒烯、碳纳米管
存在：化合态（亲氧元素）
二氧化硅
类别：酸性氧化物
用途：光导纤维
特性：与HF反应
制备
用途：芯片、电池
纳米材料
硅