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人教版高中化学必修第二册
第五章 第三节 第一课时
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。
学习任务一 传统的无机非金属材料
自主学习
【阅读课本19页、20页回答下列问题】
1、传统无机非金属材料多为什么材料？有哪些？
2、硅酸盐材料有什么共性？从结构上看原因是什么？
3、传统无机非金属材料主要成分是什么？各有什么性能和用途
4、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？
传统的无机非金属材料--硅酸盐材料
硅酸盐
一、硅酸盐概述
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
最简单的硅酸盐—Na2SiO3
☆物理性质
易溶于水，其水溶液俗称水玻璃，又称泡花碱，是一种无色黏稠的液体，黏性很强。
☆化学性质
硅酸钠水溶液呈碱性，易吸收空气中CO2而变质
Na2SiO3+H2O+CO2=H2SiO3↓+Na2CO3
☆具体应用
① Na2SiO3溶液（水玻璃）——木材防火、黏胶剂等
②制备硅酸
普通玻璃 Na2CaSi6O14
硅酸盐的丰富性和复杂性
石棉 Mg3CaSi4O12
黏土 Al2Si2H4O9
长石 K2Al2Si6O16
怎样将它们的化学式改写得简单一点
思考与交流
二、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
同伴助学 硅酸盐材料
（二）传统无机非金属材料
黏土（含水的铝硅酸盐）
高温烧结
图5-19 我国古代烧制的精美瓷器
建筑材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具
陶瓷
原料：
条件：
用途：
性能：
熔点高、硬度大、耐腐蚀、性质稳定
1、陶瓷
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。
同伴助学 硅酸盐材料
（二）传统无机非金属材料
2、玻璃
玻璃为什么会有颜色呢？
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
制造玻璃主要反应：
SiO2+Na2CO3 Na2SiO3+CO2↑
SiO2+CaCO3 CaSiO3+CO2↑
性能：
玻璃无固定的熔沸点，在一定温度范围内软化。
这两个反应都是固体物质在高温下发生的，与酸性无关，不能通过这两个反应得出：
酸性：H2SiO3>H2CO3
同伴助学 硅酸盐材料
图5-21金属氧化物可以使玻璃呈现不同的颜色
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）
教师导学 拓展提升：Na2SiO3的性质
物理性质：白色晶体，水溶液俗称“水玻璃”，无色粘稠的液体。
用途：粘合剂、防腐剂、防火剂。
化学性质：水玻璃显碱性，易吸收空气中的CO2生成硅酸（白色胶状沉淀）。
Na2SiO3 + 2HCl = H2SiO3↓ + 2NaCl
Na2SiO3 + CO2+H2O= H2SiO3↓+ Na2CO3
保存方法：密封保存
H2SiO3酸性比H2CO3弱
HF＞H2SO3＞CH3COOH＞H2CO3＞H2S＞HClO＞H2SiO3
同伴助学 硅酸盐材料
（二）传统无机非金属材料
水泥
3、水泥
水泥是一种非常重要的建筑材料。万丈高楼平地起，穿针引线是水泥。
原料：
工业设备：
黏土、石灰石、石膏
水泥回转窑
石膏的作用：
条件：
高温煅烧
调节水泥硬化速率
水泥砂浆：水泥、沙子和水的混合物
混凝土：水泥、沙子、碎石的混合物
关于水泥的认识：
(1)水泥具有吸水性,在空气中吸水发生复杂的物理、化学变化而失去了原有的性质，因而变硬的水泥不能使用。
(2)水泥不能抗酸的腐蚀是因为水泥的成分中有碳酸盐,碳酸盐与酸反应会放出CO2。
水晶（ SiO2 ）
硅酸盐矿石
教师导学 新型无机非金属材料
（一）硅
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。
思考：根据以下图片总结归纳出硅元素在自然界中的存在形式？
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。
教师导学 新型无机非金属材料
(1) 硅元素的存在与结构
存在 原子结构 示意图 周期表中位置
含量 存在形态 地壳中 居第___位 _________ __________ _______
_______
二
氧化物
和硅酸盐
第三周期
第ⅣA族
硅正好处于金属与非金属的过渡位置，其单质的导电性介于导体与绝缘体之间，是良好的半导体材料。
(2) 硅的导电性：
（一）硅
教师导学 新型无机非金属材料
（3）高纯硅的制备
资料卡片
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。
焦碳
石英砂
HCl
H2
粗硅
1 800～2000℃
300℃
SiHCl3
图5-23工业制备高纯硅的原理示意图
高纯硅
1 100℃
（2）Si+3HCl == SiHCl3+H2
高温
（3）SiHCl3+H2 == Si+3HCl（高纯硅）
高温
（1）SiO2+2C == Si+2CO ↑ (粗硅)
高温
教师导学 新型无机非金属材料
（4）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
②还原性：加热(高温)三反应
高温
Si+C == SiC(金刚砂)
Si+4HF == SiF4↑+2H2↑(与唯一酸反应)
Si+2NaOH+H2O == Na2SiO3+2H2↑
教师导学 新型无机非金属材料
（5）高纯硅的应用
①芯片
②太阳能电池
SiO2
③半导体
沙子、水晶、石英、光导纤维
Si电 SiO2光
教师导学 新型无机非金属材料
（二）SiO2
是沙子、水晶、石英、玛瑙的主要成分。
沙子（SiO2）
水晶、石英（ SiO2 ）
教师导学 新型无机非金属材料
（1）二氧化硅的物理性质
（二）二氧化硅
1. SiO2属于哪类氧化物？
思考与讨论
2. 酸性氧化物的通性是什么？
3. 能否根据CO2的性质来类推SiO2的化学性质？
熔沸点高、硬度大、不溶于水
教师导学 新型无机非金属材料
（2）二氧化硅的化学性质
（二）二氧化硅
①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
观察盛放氢氧化钠的试剂瓶有何不同
装碱性溶液的试剂瓶用橡胶塞
教师导学 新型无机非金属材料
（2）二氧化硅的化学性质
（二）二氧化硅
SiO2 + 4HF == SiF4↑+2H2O
③与HF反应
——唯一能与SiO2反应的酸
用途：刻蚀玻璃
②弱氧化性
SiO2 + 2C ===== Si + 2CO↑
高温
用途：制粗硅
同伴助学 二氧化硅与二氧化碳的性质比较
性 质 二氧化碳(CO2) 二氧化硅(SiO2)
CO2+H2O=H2CO3
CO2+2NaOH=Na2CO3+H2O
CO2+Na2O=Na2CO3
SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O
SiO2+Na2O == Na2SiO3
——
——
SiO2+4HF=SiF4↑+2H2O
碱性氧化物
与碱反应
与水反应
与氢氟
酸反应
Na2CO3+SiO2===Na2SiO3+CO2↑
CaCO3 +SiO2 === CaSiO3 + CO2↑
高温
高温
Na2CO3+CO2+H2O===2NaHCO3
CaCO3 +CO2+H2O=== Ca(HCO3)2
与盐反应
对比总结
Si
SiO2
H2SiO3
Na2SiO3
SiO2+2NaOH = Na2SiO3 + H2O
Na2SiO3 + 2HCl = H2SiO3↓ + 2NaCl
H2SiO3+2NaOH == Na2SiO3 + 2H2O
C
CO2
H2CO3
Na2CO3
Si
SiO2
H2SiO3
Na2SiO3
拓展提升 硅酸的性质
物理性质：白色粉末状固体，不溶于水。
不稳定性：硅酸的热稳定性很差，受热可分解为SiO2和H2O。
H2SiO3
H2SiO3 H2O + SiO2
硅胶：硅酸浓度较大时，则形成软而透明的、胶冻状的硅酸凝胶。硅酸凝胶经干燥脱水就形成硅酸干胶，称为“硅胶”。硅胶多孔，吸附水分能力强，常用做实验室和袋装食品、瓶装药品等的干燥剂，也可以用作催化剂的载体。
拓展提升 硅酸钠的性质
Na2SiO3
硅酸钠俗称“泡花碱”
硅酸钠水溶液显碱性，俗称“水玻璃”，无色粘稠的液体，常用作黏合剂(矿物胶)，是一种耐火阻燃材料。
Si+2NaOH+H2O == Na2SiO3+2H2↑
SiO2+2NaOH == Na2SiO3 + H2O
H2SiO3+2NaOH == Na2SiO3 + 2H2O
★
制备方法
教师导学 新型无机非金属材料
（三）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。
耐高温碳化硅陶瓷
碳原子和硅原子通过共价键连接
结构：
性能
砂纸和砂轮的磨料
碳化硅陶瓷
高温抗氧化性能
硬度大
耐高温结构材料
耐高温半导体材料
高温结构陶瓷
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。
教师导学 新型无机非金属材料
（三）新型陶瓷
压电陶瓷
超导陶瓷
透明陶瓷
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。
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。
教师导学 新型无机非金属材料
（四）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。
教师导学 新型无机非金属材料
（1）富勒烯
（四）碳纳米材料
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。
教师导学 新型无机非金属材料
（2）碳纳米管
（四）碳纳米材料
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。
教师导学 新型无机非金属材料
（3）石墨烯
（四）碳纳米材料
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。
课堂总结
