5.3无机非金属材料 课件（38张ppt）【新教材】2020-2021学年人教版（2019）高一化学必修二

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
无机非金属材料
硅氧等元素
耐高温、抗腐蚀、硬度高
特殊的光学、电学等性能
日常生活应用
航空航天领域
信息领域
新能源领域
含有元素
性能
应用
一、硅酸盐材料
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。
硅酸盐的结构
在硅酸盐中，Si和O构成了硅氧四面体
硅酸盐的特性
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。
玻璃
陶瓷
水泥
三大传统硅酸盐材料：陶瓷、玻璃、水泥
原料
用途
黏土(主要成分为含水的铝硅酸盐)
反应条件
高温烧结
1.陶瓷
建筑材料、绝缘材料、
日用器皿、卫生洁具等
2.玻璃
原料：
设备：
条件：
主要成分：
用途：
纯碱、石灰石、石英砂
玻璃窑
熔融
建筑材料、光学仪器、各种器皿、玻璃纤维等
Na2SiO3 、CaSiO3、SiO2
3.水泥
原料：
设备：
条件：
用途：
黏土、石灰石
石膏(调节水泥硬化速率)
水泥回转窑
煅烧
建筑和水利工程
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
知识拓展：硅酸及其用途
二元弱酸，酸性比碳酸弱，难溶于水的白色胶状沉淀，硅酸脱水后可制得硅胶，可作为干燥剂及催化剂载体。
硅酸钠溶液与盐酸反应生成硅酸(H2SiO3)沉淀，其离子方程式是 。
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
注：硅酸钠(俗名泡花碱)是一种最简单的硅酸盐。硅酸钠易溶于水，
其水溶液俗称 水玻璃，具有 黏结力 强、耐 高温 等特性，常用作黏合剂和防火剂。
新型无机非金属材料
二、新型无极非金属材料
+14
2
8
4
Si
1.硅和二氧化硅
第三周期、第IV A族，处于金属和非金属的过渡位置
硅在地壳中含量居第二位，主要是以二氧化硅和硅酸盐的形式存在。
C
+6
2
4
晶体硅是灰黑色略带金属光泽，脆而硬的固体。不溶于水，熔点高，硬度大，是良好的半导体材料。
单晶硅
(1) 硅
物理性质
1.与氧气反应
2.与非金属的反应
3.与碱的反应
4.与酸的反应（唯一）
加热
Si+O2 == SiO2
Si+2F2 == SiF4
加热
Si+Cl2 == SiCl4
高温
Si+C == SiC(金刚砂)
Si+2NaOH+H2O == Na2SiO3+2H2↑
Si+4HF == SiF4↑+2H2↑
化学性质
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。
SiO2+2C == Si+2CO↑
1800~
2000℃
Si+3HCl == SiHCl3+H2↑
300℃
SiHCl3+H2 == Si+3HCl
1100℃
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？
提示：氧化性、还原性的强弱，必须是在通常的情况下发生的反应，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。
SiO2+2C == Si+2CO↑
1800~
2000℃
硅的用途
硅晶片是生产芯片的基础材料 　　　
硅太阳能电池
①良好的半导体材料
②太阳能电池
③计算机芯片
价值5元的沙子
SiO2
Si
价值5000元的芯片
点沙 成金
从沙滩到用户
存在形式
结晶形
无定形——硅藻土
石英 水晶 玛瑙 沙子
(2)二氧化硅
水晶
玛瑙
SiO2的晶体结构
晶体Si的结构
硅和SiO2都是正四面体结构性质很稳定
(2)二氧化硅
物理性质：
难溶于水，熔点高，硬度大。
化学性质很稳定，不活泼。
①酸性氧化物
与强碱反应生成盐和水
③与HF的反应(SiO2的特性)
SiO2 + 4HF = SiF4↑+ 2H2O
②不与水反应
与某些盐的反应
化学性质
高温
SiO2+CaO == CaSiO3
与碱性氧化物反应生成盐
SiO2+2NaOH==Na2SiO3+H2O
高温
SiO2+Na2CO3 == Na2SiO3+CO2↑
SiO2+CaCO3 == CaSiO3+CO2
高温
工业制玻璃
Si SiO2 H2SiO3 Na2SiO3
雕刻玻璃
SiO2＋4HF=SiF4↑＋2H2O
实验室不用玻璃瓶盛装氢氟酸
用途
光导纤维、石英坩埚、建筑材料、电器部件
石英坩埚
光导纤维
建筑材料
1.实验室盛NaOH溶液的试剂瓶为什么用橡胶塞不用玻璃塞？
思考交流
NaOH溶液能与玻璃中的SiO2反应生成 Na2SiO3，硅酸钠水溶液有粘性，使瓶塞部分粘结而无法打开。因此盛装NaOH溶液的试剂瓶不能用玻璃塞而要用橡胶塞。
SiO2＋2NaOH = Na2SiO3 ＋H2O
2.某同学根据SiO2既可与碱反应,也能与氢氟酸反应，推断SiO2为两性氧化物是否正确？
不正确。二氧化硅不属于两性氧化物，但是属于酸性氧化物。
思考交流
硅和二氧化硅的用途
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．SiO2用于太阳能电池
D．SiO2与氢氧化钠反应生成的盐储存在带橡胶塞的试剂瓶中
D
知识巩固
【练习】
2.新型陶瓷
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
SiC(金刚砂)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
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。
材料类别
主要特性
示例
用途
高温结构陶瓷
能承受高温，强度高
氮化硅陶瓷
汽轮机叶片、轴承、永久性模具等
压电陶瓷
具有电学特性
钛酸钡陶瓷
声呐系统、气象探测等
透明陶瓷
具有光学特性
氧化物透明陶瓷和非氧化物透明陶瓷
高压钠灯、激光器和高温探测窗等
超导陶瓷
具有超导性
超导陶瓷
电力、交通、医疗等
其它新型陶瓷
3.碳纳米材料
3.碳纳米材料
(1)富勒烯：由碳原子构成的一系列笼形分子的总称，其代表物为C60。
3.碳纳米材料
(2)碳纳米管：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。
(3)石墨烯：只有一个碳原子直径厚度的单层石墨，其电阻率低、热导率高，具有很高的强度，应用于光电器件、超级电容器、电池和复合材料。
1.下列有关硅及其化合物的叙述中，正确的是（ ）
A.硅是光导纤维的主要成分
B.硅是构成岩石与许多矿物的基本元素
C.SiO2是酸性氧化物,不与任何酸发生反应
D.可以通过SiO2与水反应一步制得硅酸　
B
【课堂练习】
2.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
【课堂练习】
(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
3.下列物品或设施：
①陶瓷餐具 ②砖瓦 ③混凝土桥墩 ④门窗玻璃 ⑤水晶镜片⑥石英钟 ⑦水晶项链⑧硅太阳能电池⑨光导纤维⑩计算机芯片?彩色玻璃?金刚砂?氧化铝陶瓷?石墨烯
(1)使用了硅单质的是 (填序号，下同)，
(2)使用了二氧化硅的是 ，
(3)使用了硅酸盐材料的是 ，
(4)使用了新型无机非金属材料的是 。
⑧⑩
⑤⑥⑦⑨
①②③④?
⑤⑥⑦⑧⑨⑩???
【课堂练习】