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无机非金属材料
教学目标
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、知道普通玻璃的成分，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及其在高科技领域所发挥的重要作用，激发学生学习化学的兴趣。
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，提高学生努力学习化学、投身国家建设的社会责任感。
教学重难点
重点：玻璃、水泥、硅、二氧化硅、新型陶瓷等无机非金属材料的主要性能和用途，普通玻璃的主要成分。
难点：粗硅的提存
教学过程
一、导入新课
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。传统无机非金属材料有哪些？新型无机非金属材料有哪些？这些无机非金属材料各有什么特性和用途？让我们通过本节的学习找到答案。
二、讲授新课
（一）硅酸盐材料
1、无机非金属材料
2、传统无机非金属材料：
、
、
。
【资料卡片】硅酸盐的结构
在硅酸盐中，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；许多这样的四面体还可以通过顶角的O相互连接，每个O为两个四面体所共有，与2个Si相结合。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。
【思考与交流】
普通玻璃是以纯碱、石灰石和石英砂为原料,经混合、粉碎，在玻璃窑中熔融，发生复杂的物理变化和化学变化而制得。你能写出发生反应的化学方程式吗?
SiO2+Na2CO3
Na2SiO3+CO2↑
SiO2+CaCO3
CaSiO3+CO2↑
【资料卡片】
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。例如，用含有铅的原料制造的光学玻璃，透光性好，折射率高，可以用来制造眼镜、照相机和光学仪器的透镜；加入硼酸盐制成耐化学腐蚀、耐温度急剧变化的玻璃，可用于实验室使用的玻璃仪器；加入一些金属氧化物或盐可以得到彩色玻璃，常用于建筑和装饰。
（二）新型无机非金属材料
1.硅和二氧化硅
(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
_________________
???
______________
(2)
硅的应用：半导体材料，集成电路、晶体管、硅整流器、太阳能电池等
(3)
硅的工业制取
SiO2+2C
Si+2CO↑
【资料卡片】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。
(4)
二氧化硅
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。
2.新型陶瓷
【科学·技术·社会】
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。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。
压电陶瓷：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。
透明陶瓷：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。
超导陶瓷：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。
3.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
、
、
等，在能源、信息、医药等领域有着广阔的应用前景。
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。
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。
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。
三、学习小结
四、达标检测
1.下列关于硅酸盐材料的说法错误的是( )
A.生活中常见的硅酸盐材料有玻璃、水泥、陶瓷
B.普通玻璃的主要成分是二氧化硅
C.陶瓷的主要原料是黏土
D.硅酸盐水泥以石灰石和黏土为主要原料
答案 B
解析 普通玻璃主要成分为Na2SiO3、CaSiO3和SiO2。
2.下列关于水玻璃的性质和用途的叙述中不正确的是( )
A.这是一种矿物胶，既不燃烧也不受腐蚀
B.在建筑工业上可以作黏合剂、耐酸水泥掺料
C.木材、织物浸过水玻璃后具有防腐性能且不易燃烧
D.水玻璃的化学性质稳定，在空气中不易变质
答案 D
解析 水玻璃为硅酸钠溶液，其化学性质稳定，但可与空气中的二氧化碳反应生成硅酸沉淀。
3.某博物馆陈列着大量明清砖瓦和精美瓷器(婺州窑)，婺州窑瓷器胎体的原料为高岭土[AlnSi2O5(OH)4]。下列说法不正确的是( )
A.古代的陶瓷、砖瓦都是硅酸盐产品
B.高岭土为含水的铝硅酸盐
C.n＝3
D.我国在新石器时代已能烧制陶器
答案 C
解析 根据化合物中正负化合价代数和为0的规则：n×(＋3)＋2×(＋4)＋5×(－2)＋4×(－1)＝0，解得n＝2。
4.下列物品或设备的成分中含有二氧化硅的是( )
①门窗玻璃 ②水晶镜片 ③石英钟表 ④玛瑙首饰 ⑤硅太阳能电池 ⑥光导纤维 ⑦计算机芯片
A.①②③④⑥
B.全部
C.⑤⑦
D.①②⑥⑦
答案 A
解析 玻璃、石英、水晶、玛瑙和光导纤维的成分中都含有二氧化硅，计算机芯片、硅太阳能电池的主要成分是单质硅。
5.高纯度晶硅是典型的无机非金属材料，又称“半导体”材料。它的发现和使用曾引起计算机的一场“革命”。它可以按下列方法制备：
SiO2Si(粗)SiHCl3Si(纯)
下列说法不正确的是( )
A.步骤①的化学方程式：SiO2＋CSi＋CO2↑
B.步骤①中每生成1
mol
Si，转移4
mol电子
C.步骤③中的反应为氧化还原反应
D.高纯硅是制造太阳能电池的常用材料，二氧化硅是制造光导纤维的基本原料
答案 A
解析 步骤①的反应方程式为SiO2＋2CSi＋2CO↑。
6.下列物质与其对应的用途搭配不正确的是( )
A.高能燃料——火箭动力
B.石英砂——制造光导纤维
C.半导体硅晶片——制造计算机芯片
D.高强度耐火陶瓷——制造轮船
答案 D
解析 制造轮船材料为钢铁，不能选用高强度耐火陶瓷。
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精品试卷·第
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（共
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无机非金属材料
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
一、导入新课
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。
1.硅酸盐及其结构
(1)硅酸盐的概念
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。
(2)硅酸盐的结构
在硅酸盐中，Si和O构成了硅氧四面体，其结构如图所示。每个Si结合
个O，Si在中心，O在四面体的4个顶角；许多这样的四面体还可以通过顶角的
相互连接，每个
为两个四面体所共有，与
个Si相结合。
4
O
O
2
二、传统无机非金属材料——硅酸盐材料
(3)硅酸盐的特性
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。
二、传统无机非金属材料——硅酸盐材料
2.常见的硅酸盐材料
?
陶瓷
普通玻璃
普通水泥
原料
_____
__________________________________________________
主要原料：_____________
辅助原料：适量的石膏
设备
—
_______
___________
主要
成分
成分复杂
硅酸钠(Na2SiO3)、硅酸钙(CaSiO3)、二氧化硅(SiO2)
硅酸三钙(3CaO·SiO2)、硅酸二钙(2CaO·SiO2)、铝酸三钙(3CaO·Al2O3)
黏土
纯碱(Na2CO3)、石灰石
(CaCO3)、石英砂(SiO2)
石灰石、黏土
玻璃窑
水泥回转窑
二、传统无机非金属材料——硅酸盐材料
特点
抗氧化、抗酸碱腐蚀、耐高温、绝缘
玻璃是非晶体，称为玻璃态物质，无固定熔点，在某一温度范围内软化可加工成制品
具有水硬性，与水掺和搅拌并静置后，很容易凝固变硬
用途
建筑材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具
建筑材料、光学仪器、各种器皿、制造玻璃纤维
大量用于建筑和水利工程
二、传统无机非金属材料——硅酸盐材料
(1)硅酸盐是由硅、氧和金属组成的混合物( )
(2)硅酸盐结构较为复杂，大多不溶于水，化学性质很稳定( )
(3)硅氧四面体中，硅原子与氧原子都是以共价键结合( )
(4)水泥与玻璃的共同原料是石灰石，水泥与陶瓷的共同原料是黏土( )
(5)陶瓷、玻璃、水泥的生产都需要在高温下进行( )
(6)玻璃和水泥生产中都发生复杂的物理和化学变化( )
【判断正误】
×
√
√
√
√
√
二、传统无机非金属材料——硅酸盐材料
1.传统的玻璃、陶瓷都是硅酸盐产品，根据你的观察和使用经验，将它们的主要物理性质和化学性质填入下表。
材料
物理性质
化学性质
玻璃
?
?
陶瓷
?
?
硬度大、耐磨损、耐高温、较脆
很稳定
硬度大、耐磨损、耐高温
很稳定
2.硅酸钠(俗名泡花碱)是一种最简单的硅酸盐。
(1)硅酸钠易溶于水，其水溶液俗称
，具有
强、耐
等特性，常用作黏合剂和防火剂。
水玻璃
黏结力
高温
【理解应用】
二、传统无机非金属材料——硅酸盐材料
(2)硅酸钠溶液与盐酸反应生成硅酸(H2SiO3)沉淀，其离子方程式是
。
(3)少量的二氧化碳通入硅酸钠溶液中，反应的离子方程式是
。
2H＋===H2SiO3↓
H2O===H2SiO3↓＋CO
二、传统无机非金属材料——硅酸盐材料
【相关链接】
硅酸盐的丰富性和多样性
由于铝与硅在元素周期表中位置相邻、粒子大小相近，＋3价的铝常或多或少地置换硅酸盐中＋4价的硅而形成铝硅酸盐。为了保持电中性，会伴随引入其他正离子，从而大大增加了硅酸盐品种的多样性和结构的复杂性，同时也为应用硅酸盐材料提供了更广阔的选择。硅酸盐岩石长期在水和大气中二氧化碳的侵蚀下，风化为黏土，并且形成土壤胶体。土壤胶体粒子表面积巨大且带负电，能与NH
、K＋等数十种生物所需的营养离子相互作用，使土壤具有保肥能力。这是大自然对人类及地球生物的馈赠，我们应该爱护大地母亲。保持土壤的良好结构和化学成分，就是保证农业、牧业和林业持续发展的基础。
二、传统无机非金属材料——硅酸盐材料
1.硅和二氧化硅
(1)硅的存在与性质
①硅在自然界主要以
和
的形式存在；
②单质硅是应用最为广泛的半导体材料；
③高温下，硅能与氧气反应生成
，与氯气反应生成
。
(2)二氧化硅的性质
①二氧化硅硬度大、熔点高，不溶于水；
②酸性氧化物：SiO2＋2NaOH===
；
③具有氧化性：SiO2＋2C
；
④特性：SiO2＋4HF===
。
硅酸盐
氧化物
SiO2
SiCl4
Na2SiO3＋H2O
Si＋2CO↑
SiF4↑＋2H2O
三、新型无机非金属材料
2.新型陶瓷
(1)新型陶瓷与传统陶瓷相比，在
上有很大的变化，在
等方面具有很多新的特性和功能。
(2)常见新型陶瓷及其用途(连线)
成分
光学、热学、电
学、磁学
三、新型无机非金属材料
(3)高温结构陶瓷——碳化硅(SiC)
碳化硅俗称
，它是由碳原子和硅原子通过
连接而形成，与
的结构类似，具有硬度大和优异的
性能。
金刚砂
共价键
金刚石
高温抗氧化
三、新型无机非金属材料
3.碳纳米材料
(1)富勒烯是由
构成的一系列笼形分子的总称，如C50、C60、C70、C120等，其代表物是
。
(2)碳纳米管是由
卷成的管状物，具有
尺度的直径。比表面积大，具有高强度和优良的电学性能。
(3)石墨烯是只有一个
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。
碳原子
C60
石墨片层
纳米
碳原子
三、新型无机非金属材料
【特别提示】
碳纳米材料(富勒烯、石墨烯等)、金刚石、石墨都是碳的同素异形体，它们具有不同的结构(碳原子排列方式不同)和性质。
三、新型无机非金属材料
(1)硅晶片是生产芯片的基础材料( )
(2)生产光导纤维的原料是二氧化硅( )
(3)二氧化硅是酸性氧化物，只能与碱反应，不能与酸反应( )
(4)磨口玻璃塞试剂瓶不能盛放烧碱溶液，但能盛放氢氟酸( )
(5)金刚砂和金刚石结构类似，互为同素异形体( )
(6)富勒烯和石墨烯完全燃烧的产物都是二氧化碳( )
√
√
×
×
×
√
【判断正误】
三、新型无机非金属材料
1.工业制备高纯硅的原理如图所示：
(1)写出工业制备高纯硅反应的化学方程式：
①
；
②
；
③
。
【深度思考】
三、新型无机非金属材料
(2)上述反应共同的反应类型是
，反应①中焦炭的作用是
，反应③中氢气的作用是
。
(3)在半导体工业中有这样一句行话：“从沙滩到用户”，你是如何理解的？
氧化还原反应(或置换反应)
还原剂
还原剂
提示 沙子的主要成分是SiO2，作为半导体材料的硅单质是用焦炭还原SiO2制得的。
三、新型无机非金属材料
2.回答下列问题。
(1)碳和硅的原子结构有何异同？从二者在元素周期表中的位置能获得什么信息？
提示 原子的最外层电子数相同，电子层数不同。不在同一周期，位于同一族。从二者在周期表中的位置可知碳的非金属性强于硅。
(2)碳和硅单质的存在形式有何相似之处？其性质有何不同？
提示 单质都有晶体和无定形两种。硅晶体是良好的半导体材料，而石墨是良导体，金刚石、C60不导电。
三、新型无机非金属材料
(3)碳和硅的氧化物有何异同？
提示 硅的氧化物只有SiO2，而碳的氧化物有CO和CO2两种。SiO2、CO2均属于酸性氧化物，CO属于不成盐氧化物。SiO2为固态，存在于地表及地壳中；CO2、CO为气态，存在于大气中；SiO2的性质比CO2更稳定等。
三、新型无机非金属材料
3.氮化硅是一种高温陶瓷材料，它的硬度大、熔点高、化学性质稳定，工业上普遍采用高纯硅与纯氮在1
300
℃时反应获得。
(1)根据性质，推测氮化硅陶瓷的用途是________(填字母)。
A.制汽轮机叶片
B.制有色金属
C.制永久性模具
D.制造柴油机
(2)写出氮原子结构示意图________，根据元素周期律知识，请写出氮化硅的化学式______。
ACD
Si3N4
三、新型无机非金属材料
(3)氮化硅陶瓷抗腐蚀能力强，除氢氟酸外，它不与其他无机酸反应，试推测该陶瓷被氢氟酸腐蚀的化学方程式：
______________________________。
(4)现用四氯化硅和氮气在氢气气氛保护下，加强热发生反应，可得较高纯度的氮化硅，反应的化学方程式为____________________________________。
Si3N4＋12HF===3SiF4↑＋4NH3↑
3SiCl4＋2N2＋6H2
Si3N4＋12HCl
三、新型无机非金属材料
【相关链接】
近几年，具有特殊功能的特殊的含硅材料得到迅速发展。例如硅与碳的化合物碳化硅(SiC，俗称金刚砂)，具有金刚石结构，硬度很大，可用作砂纸、砂轮的磨料；含4%硅的硅钢具有很高的导磁性，主要用作变压器铁芯；人工合成的硅橡胶是目前最好的既耐高温又耐低温的橡胶，在－60～250
℃仍能保持良好的弹性，用于制造火箭、导弹、飞机的零件和绝缘材料等；人工制造的分子筛(一种具有均匀微孔结构的铝硅酸盐)，主要用作吸附剂和催化剂；等等。
三、新型无机非金属材料
四、课堂小结
解析 普通玻璃主要成分为Na2SiO3、CaSiO3和SiO2。
1.下列关于硅酸盐材料的说法错误的是
A.生活中常见的硅酸盐材料有玻璃、水泥、陶瓷
B.普通玻璃的主要成分是二氧化硅
C.陶瓷的主要原料是黏土
D.硅酸盐水泥以石灰石和黏土为主要原料
√
五、课堂检测
2.下列关于水玻璃的性质和用途的叙述中不正确的是
A.这是一种矿物胶，既不燃烧也不受腐蚀
B.在建筑工业上可以作黏合剂、耐酸水泥掺料
C.木材、织物浸过水玻璃后具有防腐性能且不易燃烧
D.水玻璃的化学性质稳定，在空气中不易变质
解析 水玻璃为硅酸钠溶液，其化学性质稳定，但可与空气中的二氧化碳反应生成硅酸沉淀。
√
五、课堂检测
3.某博物馆陈列着大量明清砖瓦和精美瓷器(婺州窑)，婺州窑瓷器胎体的原料为高岭土[AlnSi2O5(OH)4]。下列说法不正确的是
A.古代的陶瓷、砖瓦都是硅酸盐产品
B.高岭土为含水的铝硅酸盐
C.n＝3
D.我国在新石器时代已能烧制陶器
解析 根据化合物中正负化合价代数和为0的规则：n×(＋3)＋2×(＋4)＋5×(－2)＋4×(－1)＝0，解得n＝2。
√
五、课堂检测
4.下列物品或设备的成分中含有二氧化硅的是
①门窗玻璃 ②水晶镜片 ③石英钟表 ④玛瑙首饰 ⑤硅太阳能电池
⑥光导纤维 ⑦计算机芯片
A.①②③④⑥
B.全部
C.⑤⑦
D.①②⑥⑦
解析 玻璃、石英、水晶、玛瑙和光导纤维的成分中都含有二氧化硅，计算机芯片、硅太阳能电池的主要成分是单质硅。
√
五、课堂检测
5.高纯度晶硅是典型的无机非金属材料，又称“半导体”材料。它的发现和使用曾引起计算机的一场“革命”。它可以按下列方法制备：
下列说法不正确的是
A.步骤①的化学方程式：SiO2＋C
Si＋CO2↑
B.步骤①中每生成1
mol
Si，转移4
mol电子
C.步骤③中的反应为氧化还原反应
D.高纯硅是制造太阳能电池的常用材料，二氧化硅是制造光导纤维的基本原料
√
五、课堂检测
6.下列物质与其对应的用途搭配不正确的是
A.高能燃料——火箭动力
B.石英砂——制造光导纤维
C.半导体硅晶片——制造计算机芯片
D.高强度耐火陶瓷——制造轮船
√
解析 制造轮船材料为钢铁，不能选用高强度耐火陶瓷。
五、课堂检测
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