5.3 无机非金属材料 课件（33张ppt）【新教材】2020-2021学年人教版（2019）高一化学必修第二册

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
1.了解硅酸盐及其结构特点，了解传统硅酸盐产品(陶瓷、玻璃、水泥)的工
业生产(原料、设备等)。
2.了解硅和二氧化硅的性质，认识碳化硅、氮化硅、纳米材料等新型无机非
金属材料。
3.知道硅及其化合物在材料家族中的应用，增强关注社会的意识和责任感。
学习目标
引入
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。
一、 硅酸盐材料
1、无机非金属材料
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。
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。
【资料卡片】
2、传统无机非金属材料
陶瓷
玻璃
水泥
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
China
反应条件：
高温烧结
瓷都
(1)陶瓷
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
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。请写出发生反应的化学方程式。
SiO2+CaCO3 CaSiO3+CO2↑
SiO2+Na2CO3 Na2SiO3+CO2↑
普通玻璃的主要成分也常表示为:aNa2O·b CaO ·cSiO2
【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。
普通水泥
主要原料：
主要设备：
粘土和石灰石
水泥回转窑
主要特性：
水硬性
主要成分：
生产条件：
高温煅烧
硅酸二钙（2CaO.SiO2）硅酸三钙（3CaO.SiO2）
铝酸三钙(3CaO.Al2O3)
3.水泥
硅酸钠的俗称，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
高温
高温
高温
高温
(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 。
H2O===H2SiO3↓＋CO
4.泡花碱
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
_________
__________

_______
_______
1.硅和二氧化硅
(1) 硅元素的存在与结构
二
氧化物
和硅酸盐
第三周期、
第ⅣA族
二、 新型无机非金属材料
半导体材料
(2) 硅的应用
(3) 硅的工业制取
高温
SiO2+2C === Si+2CO↑
集成电路、晶体管、硅整流器、太阳能电池等
SiO2+2C ========= Si+2CO↑
1800~2000 ℃
Si+3HCl ===== SiHCl3+H2↑
300 ℃
SiHCl3+H2 ===== Si+3HCl
1100 ℃
高纯硅的制备
【思考】
工业上利用焦炭与SiO2在高温下反应制备粗硅,由此能否说明碳的还原性大于硅?
不能。比较氧化性、还原性的强弱,必须是在通常情况下发生的反应,上述反应是在高温条件下发生的,故不能比较还原性的强弱。
(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。
因为玻璃含SiO2 而 SiO2+2NaOH===Na2SiO3+H2O；Na2SiO3能将玻璃瓶与玻璃塞粘合在一起。由此反应可以判断SiO2 是酸性氧化物。
盛碱液的试剂瓶为什么用橡胶塞而不能用玻璃塞？
2.新型陶瓷
【科学·技术·社会】
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。
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。
【科学·技术·社会】
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。
——富勒烯
3.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。
——碳纳米管
3.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。
——石墨烯
3.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。
【拓展视野】从陶瓷材料发展的历史来看,经历了三次飞跃。由陶器进入瓷器这是第一次飞跃;由传统陶瓷发展到精细陶瓷是第二次飞跃;精细陶瓷粉体的颗粒较大,属微米级(10-6 m),用新的制备方法把陶瓷粉体的颗粒加工到纳米级,用这种超细微粉体粒子来制造陶瓷材料,得到新一代纳米陶瓷,这是陶瓷材料的第三次飞跃。纳米陶瓷具有延展性,有的甚至出现超塑性。纳米陶瓷被称为21世纪陶瓷。
1. 下列关于二氧化硅的叙述正确的是（　　）
A．SiO2能与水反应生成硅酸
B．SiO2与CO2的结构相同
C．太阳能电池的成分是SiO2
D．氢氧化钠溶液应该储存在带橡胶塞的试剂瓶中
D
知识巩固
课堂练习
2. 下列关于硅酸的说法正确的是（　　）
A．硅酸可以通过SiO2和水化合反应直接制得
B．可用反应Na2SiO3+2HCl === 2NaCl+H2SiO3↓制取硅酸
C．因为硅酸难溶于水，所以它不能与NaOH溶液反应
D．干燥剂“硅胶”的主要成分是硅酸钠
B
3. 能证明硅酸的酸性弱于碳酸酸性的实验事实是（　　）
A．CO2溶于水形成碳酸，SiO2难溶于水
B．CO2通入可溶性硅酸盐中析出硅酸沉淀
C．高温下SiO2与碳酸盐反应生成CO2
D．CO2是气体，而SiO2是固体
B
4.下列关于二氧化硅的叙述正确的是 (　　)
①光导纤维主要成分是SiO2,故SiO2可以导电　②能跟强碱反应,但不能与水反应　③SiO2的熔、沸点较低　④既不是酸性氧化物,又不是碱性氧化物
A.②和③　　B.①③④　　C.②和④　　D.只有②
D
5.(2019·嘉兴高一检测)下列叙述正确的是(　　)
A.CO2和SiO2都是酸性氧化物,所以两者物理性质相似
B.因为CaCO3+SiO2 = CaSiO3+CO2↑,所以硅酸的酸性比碳酸强
C.CO2和SiO2都能与碳反应,且都作氧化剂
D.SiO2既能和NaOH反应,又能和HF反应,所以二氧化硅属于两性氧化物
C
6. 材料与生活、生产息息相关，目前使用的材料主要有：金属材料、传统无机非金属材料、新型无机非金属材料、高分子材料、复合材料等。
（1）硅酸盐材料是重要的传统无机非金尾材料，也是日常生活、交通工具、建筑行业等不可缺少的材料之一。下列不属于硅酸盐产品的是　 　(填写序号)
①光导纤维 ②水泥 ③玻璃 ④陶瓷
①
（2）玻璃是重要的建筑和装饰材料，玻璃属于　 　(填“纯净物”或“混合物”)。有些玻璃的花纹是利用氢氟酸对普通玻璃中的二氧化硅的腐蚀作用而制成的，写出该反应的化学方程式　 　。
（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1300℃反应获得氮化硅，该反应属于化学反应基本类型中的　 　反应；已知氮化硅中硅元素的化合价为+4价，则氮化硅的化学式为　 　。
化合
混合物
SiO2+4HF === SiF4↑+2H2O
Si3N4