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(共35張PPT)
第三節　無機非金屬材料
一、 硅酸鹽材料
無機非金屬材料
無機非金屬材料根據組成、性能和應用的不同可分為傳統無機非金屬材料和新型無機非金屬材料兩種，其中傳統無機非金屬材料多為硅酸鹽材料，通常包括陶瓷、玻璃和水泥三種
傳統的無機非金屬材料--硅酸鹽材料
傳統的無機非金屬材料--硅酸鹽材料
產品 原料 主要成分 應用
陶瓷 _______(含水的鋁硅酸鹽)
玻璃 普通玻璃：
水泥
生產建筑材料、絕緣材料、日用器皿、衛生潔具等
純堿、石灰石和石英砂（主要成分是SiO2）
Na2SiO3、CaSiO3和SiO2
生產建筑材料、光學儀器和各種器皿，制造玻璃纖維用于高強度復合材料
黏土和石灰石以及其他輔料
大量用于建筑和水利工程
[點撥]　(1)傳統無機非金屬材料都是以含硅物質為原料，經過高溫發生復雜的物理、化學變化制成，產品都為硅酸鹽。
(2)生產中采用不同的原料和工藝，也可以制得多種具有不同性能和用途的玻璃。例如，利用含有鉛的原料可制得光學玻璃；加入硼酸鹽制成耐化學腐蝕、耐溫度急劇變化的玻璃；加入一些金屬氧化物或鹽可以得到彩色玻璃。
思考與討論
為什么硅酸鹽產品大多具有硬度高、熔點高、難溶于水、化學性質穩定、耐腐蝕等特點？
提示　在硅酸鹽中，Si和O通過共價鍵構成了硅氧四面體，每個Si結合4個O，Si在中心，O在四面體的4個頂角；許多這樣的四面體還可以通過頂角的O相互連接，每個O為兩個四面體所共有，與2個Si相結合，這樣的硅氧四面體結構的特殊性，決定了硅酸鹽材料大多具有硬度高、熔點高、難溶于水、化學性質穩定、耐腐蝕等特點。
1．陶瓷是火與土的結晶，是中華文明的象征之一，其形成、性質與化學有著密切的關系。下列說法錯誤的是(　　)
A．“雨過天晴云破處”所描述的瓷器青色，來自氧化鐵
B．聞名世界的秦兵馬俑是陶制品，由黏土經高溫燒結而成
C．陶瓷是應用較早的人造材料，主要化學成分是硅酸鹽
D．陶瓷化學性質穩定，具有耐酸堿侵蝕、抗氧化等優點　
A
解析　A項、氧化鐵為紅棕色固體，瓷器的青色不可能來自氧化鐵，錯誤；B項、秦兵馬俑是陶制品，陶制品是由粘土或含有粘土的混合物經煅燒而制成的，正確；C項、陶瓷的主要原料是黏土，其主要成分是硅酸鹽，正確；D項、陶瓷的主要成分是硅酸鹽，硅酸鹽的化學性質穩定，具有耐酸堿侵蝕、抗氧化的特點，正確。
2．下列有關硅酸鹽產品的說法不正確的是(　　)
A．水泥具有水硬性
B．玻璃的原料是純堿、石灰石、石英
C．玻璃有固定的熔沸點
D．陶瓷是人類最早使用的硅酸鹽產品
解析　A．水泥具有水硬性，水泥遇水后，能在水中硬化并繼續增長其強度的性質，跟水作用形成膠狀物并成固體，水硬性最能代表水泥性質，故A正確；B．生產玻璃的原料是純堿、石灰石和石英，故B正確；C．玻璃是混合物，一般混合物都沒有固定的熔沸點，故C錯誤；D．陶瓷是人類最早使用的硅酸鹽產品，故D正確。
C
二、新型無機非金屬材料
1.硅和二氧化硅
(1)硅元素的存在與結構
存在 原子結構
示意圖 周期表中位置
含量 存在形態
地殼中居
第二位
氧化物和
硅酸鹽
第三周期、
第ⅣA族
(2)硅的制備
⑴SiO2+2C == Si+2CO ↑ (粗硅)
高溫
⑵Si+3HCl == SiHCl3+H2
高溫
⑶SiHCl3+H2 == Si+3HCl （高純硅）
高溫
若C過量： SiO2+3C == SiC + 2CO ↑
高溫
碳化硅(俗名：金剛砂)
工業上用焦炭還原石英砂可知制得含有少量雜質的粗硅
提純
如何制備高純度的硅？
硅的存在形式
硅的氧化物及硅酸鹽構成了地殼中大部分的巖石、沙子和土壤、約占地殼總量的90%以上。
硅是一種親氧元素,在自然界中它總是與氧相互化合的，因此硅都以化合態存在于自然界，主要以氧化物及硅酸鹽的形式存在。
碳—統治有機界：碳是構成有機物的主要元素。
硅—統治無機礦物界：硅是構成巖石與許多礦物的基本元素。
(3)晶體硅的用途
集成電路 　　　
晶體管
Si導電性介于導體和半導體之間,是良好的半導體材料,硅是信息技術的關鍵材料
硅太陽能電池
電腦中央處理器（CPU）
價值5元的沙子
SiO2
Si
價值5000元的芯片
點沙 成金
從沙灘到用戶
晶體硅的用途
SiO2的晶體結構
晶體Si的結構
硅和SiO2都是正四面體結構性質很穩定
(4)二氧化硅
二氧化硅（ SiO2）的晶體結構
物理性質：
難溶于水，熔點高，硬度大。
化學穩定性：
化學性質很穩定，不活潑。
二氧化硅（ SiO2）存在形式
結晶形（石英晶體）
無定形——硅藻土
水晶
瑪瑙
二氧化硅的存在
(5)二氧化硅的用途
SiO2的網狀結構決定了它具有優良的物理和化學性質，加上SiO2在自然界的廣泛存在，從古到今都被人類廣泛地應用著。
光導纖維（通信）
石英坩堝
玻璃儀器
精美瓷器
雕刻玻璃，你會嗎？
SiO2＋4HF=SiF4↑＋2H2O
實驗室不用玻璃瓶盛裝氫氟酸！！
實驗室盛NaOH溶液的試劑瓶為什么用橡膠塞不用玻璃塞？
某同學根據SiO2既可與堿反應,也能與氫氟酸反應，推斷SiO2為兩性氧化物是否正確
不正確。
因為二氧化硅跟氫氟酸反應產物不是鹽和水，所以不屬于兩性氧化物，但是屬于酸性氧化物。
思考交流
NaOH溶液能與玻璃中的SiO2反應生成 Na2SiO3，硅酸鈉水溶液有粘性，使瓶塞部分粘結而無法打開。因此盛裝NaOH溶液的試劑瓶不能用玻璃塞而要用橡膠塞。
SiO2 ＋ 2NaOH = Na2SiO3 ＋H2O
新型陶瓷
組成
特性和功能
不再限于傳統的硅酸鹽體系
在光學、熱學、電學、磁學等方面具有很多新的特性和功能
實例
SiC
俗稱
金剛石
具有類似金剛石的結構，硬度很大，可用作砂紙和砂輪的磨料
具有優異的高溫抗氧化性能，使用溫度可達1600℃，可用作耐高溫結構材料、耐高溫半導體材料
幾種新型陶瓷
新型材料 成分 性能 主要應用
金剛砂 碳化硅(SiC) 硬度大、耐高溫、抗氧化 磨料、耐高溫結構材料、耐高溫半導體材料
高溫結
構陶瓷 碳化硅、氮化硅、金屬氧化物 耐高溫、抗氧化、耐腐蝕 用于火箭發動機、汽車發動機和高溫電極材料等
壓電陶瓷 鈦酸鹽、鋯酸鹽等 能實現機械能和電能的相互轉化 用于濾波器、揚聲器、超聲波探傷器和點火器等
透明陶瓷 氧化鋁、氧化釔等透明陶瓷；氮化鋁、氟化鈣等非氧化物透明陶瓷 具有優異的光學性能、耐高溫、絕緣性好 用于高壓鈉燈、激光器、高溫探測窗等
超導陶瓷 臨界溫度下具有超導性 用于電力、交通、醫療領域等
3.碳納米材料
碳納米材料在_________________等領域有著廣闊的應
用前景。
能源、信息、醫藥
新型材料 結構特點 主要性能 主要應用
富勒烯 碳原子構成的一系列籠形分子 工業材料，應用于電化學，催化劑，化妝品，抗癌藥物等
碳納
米管 石墨片層卷成的直徑納米級的管狀物 比表面積大，具有高的強度和優良的電學性質 生產復合材料、電池和傳感器等
石墨烯 一個碳原子直徑厚度的單層石墨 電阻率低、熱導率高、具有很高的強度 應用于光電器件、超級電容器、電池和復合材料等方面
想一想
新型無機非金屬材料的成分是硅酸鹽嗎？
提示　不一定是硅酸鹽。新型無機非金屬材料可能是某些元素的氧化物、氮化物、也可能是硅酸鹽、磷酸鹽等含氧酸鹽為主要成分的無機材料。
【思考】
從陶瓷材料發展的歷史來看,經歷了三次飛躍。由陶器進入瓷器這是第一次飛躍;由傳統陶瓷發展到精細陶瓷是第二次飛躍;精細陶瓷粉體的顆粒較大,屬微米級(10-6 m),用新的制備方法把陶瓷粉體的顆粒加工到納米級,用這種超細微粉體粒子來制造陶瓷材料,得到新一代納米陶瓷,這是陶瓷材料的第三次飛躍。納米陶瓷
具有延展性,有的甚至出現超塑性。納米陶瓷被稱為21世紀陶瓷。
傳統無機非金屬材料與新型無機非金屬材料的區別
類別 傳統無機非金屬材料 新型無機非金屬材料
主要成分 硅酸鹽 不一定是硅酸鹽
主要
特性 抗腐蝕、耐高溫、質脆、經不起熱沖擊 大都強度高、硬度大，耐高溫，另外還具有一定的電學特性、光學特性和生物功能等
【應用】
　1.2018年 11月5日至7日,世界光纖光纜大會在杭州舉行。本次大會以“一個光纖連接的智能世界”為主題,圍繞“全球光纖光纜供需走勢”、“5G和物聯網帶來的需求展望”、“一帶一路”倡議和“智能制造”等熱點議題展開深入討論與交流。光纜的主要成分為SiO2。
下列敘述正確的是 (　　)
A.CO2與SiO2都能跟H2O反應生成相應的酸
B.SiO2與CO2都不能與酸反應
C.SiO2與CO2(干冰)都能夠與氫氧化鈉溶液反應
D.水晶的主要成分是SiC
C
2.下列關于二氧化硅的敘述不正確的是 (　　)
①光導纖維主要成分是SiO2,故SiO2可以導電　②能跟強堿反應,但不能與水反應　③SiO2的熔、沸點較低　④既不是酸性氧化物,又不是堿性氧化物
A.②和③　　B.①③④　　C.②和④　　D.只有④
【解析】光導纖維只能對光傳導;SiO2熔、沸點很高;雖然SiO2不溶于水,但它仍然是酸性氧化物,它是H2SiO3的酸酐。
B
3.硅及其化合物在材料領域中應用廣泛。下列說法正確的是(　　)
A.水晶項鏈是硅酸鹽制品
B.硅單質廣泛用于光纖通訊
C.利用鹽酸刻蝕石英制作藝術品
D.水泥、玻璃、陶瓷屬于傳統無機非金屬材料
【解析】水晶項鏈主要成分是二氧化硅,A錯;光纖是由二氧化硅制造而成的,B錯;石英中的二氧化硅不與鹽酸反應,C錯。
D
5．“5G”時代的到來，以光導纖維為基礎的高速信息通道更加顯得重要。下列物質中用于制造光導纖維的材料是(　　)
A．銅合金　　　　　　 B．陶瓷
C．硅 D．二氧化硅
D
6．下列關于新型無機非金屬材料的說法中，不正確的是(　　)
A．高純硅可用于制造半導體材料
B．壓電陶瓷屬于新型無機非金屬材料，能實現機械能和電能的相互轉化
C．碳納米材料的主要成分是碳單質，包含富勒烯、碳納米管和石墨烯等多種
D．二氧化硅制成的光導纖維，由于導電能力強而被用于制造光纜　
解析　光導纖維不具有導電性，二氧化硅制成的光導纖維是由于傳輸光的信號強而被用于制造光纜，D不正確。
D
7．下列物質中按其成分能與玻璃、水泥、陶瓷歸于一類的是(　　)
A．硅石　　　　B．碳化硅 C．硅酸鈉 D．二氧化硅
解析 A．硅石的主要成分是二氧化硅，選項A錯誤；B．碳化硅不是硅酸鹽，選項B錯誤；C．硅酸鈉是硅酸鹽，選項C正確；D．二氧化硅不是硅酸鹽，選項D錯誤。
C
8．制取下列物質，無須用到二氧化硅的是(　　)
A．玻璃 B．水泥 C．粗硅 D．光導纖維
解析 玻璃生產的原料是二氧化硅、石灰石、碳酸鈉，生產水泥的原料是石灰石和黏土，生產粗硅的原料是碳和二氧化硅，二氧化硅用于制光導纖維。
B
9．我國古代在材料方面取得了突出的成就。下列材料主要成分不是硅酸鹽的是(　　)
A．陶俑　　　　B．琉璃瓦 C．漢白玉 D．青花瓷
解析 漢白玉主要成分是碳酸鈣，陶、瓷、磚、瓦、紫砂及石棉等主要成分都是硅酸鹽，故選C。
C
10．硅被譽為無機非金屬材料的主角。下列物品用到硅單質的是(　　)
A．陶瓷餐具 B．石英鐘表 C．計算機芯片 D．光導纖維
解析 陶瓷餐具屬于硅酸鹽，石英和光導纖維主要成分是二氧化硅。
C
瑪瑙的主要成分為二氧化硅,由于與水化二氧化硅(硅酸)交替而常重復成層。因其夾雜氧化金屬,顏色可從極淡色以至暗色。想一想如何由二氧化硅制取硅酸(H2SiO3)
提示:二氧化硅不與水反應,故應先與堿(如NaOH溶液)反應生成硅酸鹽,再與酸(如鹽酸)反應生成硅酸。

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