資源簡介

(共47張PPT)
第5章 化工生產中的重要非金屬元素
第三節 無機非金屬材料
導入一
材料是人類賴以生存和發展的物質基礎,人類使用的材料除了金屬材料,還有無機非金屬材料等。
陶瓷、玻璃、水泥等傳統無機非金屬材料多為硅酸鹽材料。
導入二
硅谷曾是美國新興的高科技產業開發區,現在仍是美國的電子技術研究中心和計算機與半導體工業生產的重要基地。電子工業能得到蓬勃發展,硅元素在信息材料中的開發與應用起著舉足輕重的作用。硅是非金屬材料的主角,這一節課我們就來學習非金屬材料的相關知識。
思路一
一、硅酸鹽材料
無機非金屬材料:
2.傳統無機非金屬材料多為硅酸鹽材料，主要含有硅、氧等元素，具有耐高溫、抗腐蝕、硬度高等特點，以及特殊的光學、電學等性能。
1.陶瓷、玻璃、水泥為傳統的無機非金屬材料。
一、硅酸鹽材料
閱讀教材,查閱資料,歸納常見的硅酸鹽材料產品的原料、設備、主要成分、性能和用途。
一、硅酸鹽材料
1.普通玻璃以純堿、石灰石和石英砂為原料,經混合、粉碎,在玻璃窯中熔融,發生復雜的物理變化和化學變化而制得。你能寫出發生反應的化學方程式嗎
2.為什么陶瓷、玻璃、水泥都具有硬度高、難溶于水、耐高溫、耐腐蝕等特點
Na2CO3+SiO2 Na2SiO3+CO2↑、
CaCO3+SiO2 CaSiO3+CO2↑
傳統的無機非金屬材料多為硅酸鹽材料,在硅酸鹽中Si和 O構成了硅氧四面體。
一、硅酸鹽材料
小試牛刀
1.判斷正誤。
(1)漢代燒制出的“明如鏡、聲如磬”的陶瓷,其主要原料是黏土。 ( )
(2)傳統無機非金屬材料陶瓷、水泥、玻璃的主要成分都是硅酸鹽。 ( )
(3)玻璃和水泥生產中都發生復雜的物理和化學變化。 ( )
(4)陶瓷、玻璃、水泥的生產都需要在高溫下進行。 ( )
√
√
√
√
一、硅酸鹽材料
2.硅酸鈉(俗名泡花堿)是一種最簡單的硅酸鹽,硅酸鈉易溶于水,其
水溶液俗稱水玻璃,具有黏結力強、耐高溫等特性,常用作黏合劑和
防火劑。
(1)硅酸鈉溶液與鹽酸反應生成硅酸(H2SiO3)沉淀,反應的離子方程
式為____________________________。
(2)過量的二氧化碳通入硅酸鈉溶液中,反應的離子方程式為
___________________________________。
SiO32- + 2H+ H2SiO3↓
SiO32- + 2CO2+2H2O H2SiO3↓+ 2HCO3-
一、硅酸鹽材料
歸納總結-硅酸(H2SiO3)的性質:
1.硅酸是難溶于水的弱酸,其酸性不能使石蕊溶液變紅。
2.硅酸與堿的反應:H2SiO3 + 2NaOH Na2SiO3 + 2H2O。
3.硅酸不穩定,受熱易分解:H2SiO3 H2O + SiO2。
一、硅酸鹽材料
半導體工業中有一句行話:“從沙灘到用戶”,你知道其中的含義嗎 光導纖維被認為是20世紀最偉大的發明之一,它使信息高速公路在全球迅猛發展。光導纖維的主要成分是什么 堿性環境下,光導纖維為什么會失去傳播信號的能力
二、新型無機非金屬材料-硅
回顧硅元素在周期表中的位置,并寫出其原子結構示意圖。
硅元素位于第三周期第 ⅣA 族,其原子結構示意圖為
二、新型無機非金屬材料-硅
高純度單晶硅是典型的無機非金屬材料,又稱“半導體”材料,它的發現和使用曾引起計算機的一場“革命”,可以按下列方法制備高純硅:
寫出其中發生的化學反應方程式。
二、新型無機非金屬材料-硅
工業上用焦炭還原石英砂可以制得含有少量雜質的粗硅。將粗硅通過化學方法進一步提純,才能得到高純硅,化學反應方程式為SiO2 + 2C Si + 2CO↑。
二、新型無機非金屬材料-硅
總結歸納硅單質的物理性質、用途和化學性質。
1.硅單質的物理性質及應用
硅是帶有金屬光澤的灰黑色固體，熔、沸點高，硬度大，有脆性；高純度硅廣泛應用于信息技術和新能源技術等領域。
2.硅單質的化學性質
(1)在常溫下,硅單質能與氟氣、氫氟酸和強堿溶液反應
①與F2 的反應:Si + 2F2 SiF4
二、新型無機非金屬材料-硅
②與氫氟酸的反應:Si + 4HF SiF4↑ + 2H2↑。
③與 NaOH 溶液的反應:Si+2NaOH+H2O Na2SiO3 + 2H2↑。
(2)在加熱或高溫時,硅單質能與 O2、Cl2、C等反應。
Si + Cl2 SiCl4
Si + O2 SiO2
Si + C SiC(金剛砂)
三、新型無機非金屬材料-二氧化硅
閱讀情景素材,回答下列問題:
素材1:SiO2是一種酸性氧化物,能與強堿溶液反應。如,SiO2與 NaOH 溶液反應可生成Na2SiO3。
素材2:氫氟酸是 HF的水溶液,可與SiO2發生反應生成SiF4氣體和水,可以用氫氟酸溶蝕玻璃生產磨砂玻璃。
(1)SiO2既能與 NaOH 溶液反應,也能與氫氟酸反應,能認為SiO2屬于兩性氧化物嗎
提示：SiO2不屬于兩性氧化物。兩性氧化物指既能與酸反應生成鹽和水,又能與堿反應生成鹽和水的氧化物。SiO2雖然能與氫氟酸反應,但并不生成鹽和水,故SiO2 不屬于兩性氧化物。
三、新型無機非金屬材料-二氧化硅
(2)能否用玻璃試劑瓶盛放氫氟酸 若不能,寫出化學方程式,簡述理由。
(3)為什么不能用磨口玻璃塞的試劑瓶盛放氫氧化鈉溶液
提示：不能;玻璃中含有二氧化硅,能被氫氟酸腐蝕,發生反應的化學方程式為SiO2+4HF SiF4↑+2H2O 。
提示：NaOH 能與磨口玻璃塞中的 SiO2反應,生成具有黏性的 Na2SiO3,把瓶塞與瓶口黏結在一起。
三、新型無機非金屬材料-二氧化硅
(4)SiO2屬于酸性氧化物,能否用SiO2與水直接反應制取 H2SiO3 由 SiO2如何來制取H2SiO3 用化學方程式表示。
提示：不能;因為SiO2與水不反應。可用如下方法由SiO2 制備 H2SiO3:
發生反應的化學方程式為SiO2+2NaOH Na2SiO3+H2O、Na2SiO3+H2O+CO2 Na2CO3+H2SiO3↓。
三、新型無機非金屬材料-二氧化硅
拓展延伸-二氧化硅的結構
SiO2 晶體結構中每個 Si 結合 4 個 O,Si在中心,O 在 4 個頂角,每個 O 與 2 個 Si 相結合。許多個這樣的四面體通過頂角的 O 相連。二氧化硅晶體中 Si 和 O 按1∶2組成立體網狀結構的晶體。二氧化硅的網狀結構決定了它的熔點高、硬度大、不導電、不溶于水的物理性質,以及化學性質穩定。
三、新型無機非金屬材料-二氧化硅
SiO2的性質
1.物理性質:熔點高、硬度大、難溶于水。
2.化學性質
(1)酸性氧化物
SiO2+CaO CaSiO3
SiO2+2NaOH Na2SiO3 + H2O
SiO2+Na2CO3 Na2SiO3 + CO2↑
SiO2+CaCO3 CaSiO3 + CO2↑
三、新型無機非金屬材料-二氧化硅
(2)弱氧化性
SiO2 + 2C Si + 2CO↑
(3)特性
SiO2 + 4HF SiF4↑ + 2H2O(氫氟酸蝕刻玻璃的原理)
三、新型無機非金屬材料-二氧化硅
硅和二氧化硅的用途。
1.高純硅廣泛應用于信息技術和新能源技術等領域。利用其半導體性能可以制成計算機、通信設備和家用電器等的芯片,以及光伏電站、人造衛星和電動汽車等硅太陽能電池。
2.二氧化硅用來生產光導纖維。
四、新型無機非金屬材料-新型陶瓷
隨著人們對材料性能要求的不斷提高,具有特殊功能的陶瓷材料迅速發展,一系列新型陶瓷相繼問世。
閱讀教材,歸納常見的新型陶瓷的成分、性能和應用。
五、新型無機非金屬材料-碳納米材料
1.富勒烯是由碳原子構成的一系列籠形分子的總稱,其中的C60是富勒烯的代表物。C60的發現為納米科學提供了重要的研究對象,開啟了碳納米材料研究和應用的新時代。
五、新型無機非金屬材料-碳納米材料
2.石墨烯是只有一個碳原子直徑厚度的單層石墨,其獨特的結構使其電阻率低、熱導率高,具有很高的強度。作為一種具有優異性能的新型材料,石墨烯在光電器件、超級電容器、電池和復合材料等方面的應用研究正在不斷深入。
五、新型無機非金屬材料-碳納米材料
3.碳納米管可以看成是由石墨片層卷成的管狀物,具有納米尺度的直徑。碳納米管的比表面積大,有相當高的強度和優良的電學性能，可用于生產復合材料、電池和傳感器等。
五、新型無機非金屬材料-碳納米材料
小試牛刀
判斷正誤。
(1)晶體硅熔點高、硬度大,故可用作半導體材料。 ( )
(2)石英砂可用于生產單晶硅。 ( )
(3)二氧化硅是酸性氧化物,所以能溶于水且可與水反應。 ( )
(4)氮化硅陶瓷是新型無機非金屬材料。 ( )
(5)向硅酸鈉溶液中通入適量CO2,出現白色沉淀,證明碳的非金
屬性強于硅。 ( )
×
√
×
√
√
思路二
一、硅酸鹽材料
閱讀教材思考:傳統無機非金屬材料一般指什么 硅酸鹽的結構有什么特點 其結構特點是怎樣影響硅酸鹽的性質的呢
在硅酸鹽中,Si和 O構成了硅氧四面體,結構如圖所示: 。每個Si結合4個 O,Si在中心,O在正四面體的4個頂角上。許多這樣的四面體還可以通過頂角的 O相互連接,每個 O為兩個正四面體共有,與2個Si相結合。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、難溶于水、耐高溫、耐腐蝕等特點。
一、硅酸鹽材料
閱讀教材,討論、陶瓷、玻璃和水泥的原料、制作原理與主要成分。
1.陶瓷:以黏土(主要成分為含水的鋁硅酸鹽)為主要原料,經高溫燒結而成。我國具有悠久的陶瓷制造歷史,在新石器時代,我們的祖先已能燒制陶器,至唐宋時期,我國的陶瓷制品已經享譽海內外。目前,陶瓷仍然在人類的生產和生活中扮演著重要的角色,得到了廣泛的應用,如用于生產建筑材料、絕緣材料、日用器皿、衛生潔具等。
一、硅酸鹽材料
2.玻璃:普通玻璃的主要成分為 Na2SiO3、CaSiO3和SiO2,它是以純堿、石灰石和石英砂(主要成分是SiO2)為原料,經混合、粉碎,在玻璃窯中熔融,發生復雜的物理和化學變化而制得的。玻璃可用于生產建筑材料、光學儀器和各種器皿,還可制造玻璃纖維用于高強度復合材料等。
一、硅酸鹽材料
3.水泥:普通硅酸鹽水泥的生產以黏土和石灰石為主要原料,二者與其他輔料經混合、研磨后在水泥回轉窯中煅燒,發生復雜的物理和化學變化,加入適量石膏調節水泥硬化速率,再磨成細粉就能得到普通水泥。水泥、沙子和碎石等與水混合可以得到混凝土,大量用于建筑和水利工程。
二、新型的無機非金屬材料
現代信息技術是建立在半導體材料基礎上的。根據元素周期表中硅的位置,思考硅為什么能成為應用最為廣泛的半導體材料。
硅位于元素周期表的第三周期第ⅣA族,正好處于金屬與非金屬的過渡位置,其單質的導電性介于導體與絕緣體之間,是應用最為廣泛的半導體材料。
二、新型的無機非金屬材料
1.閱讀教材,根據高純硅的制備流程,寫出相應的化學方程式。
2.總結單質硅的性質。
(1)物理性質:晶體硅是一種帶有金屬光澤的灰黑色固體,熔點高、硬度大、有脆性;其導電性介于導體和絕緣體之間,是良好的半導體材料。
(2)化學性質:常溫下單質硅的化學性質穩定,除氫氟酸和強堿外,不與其他物質發生反應。
Si + 4HF SiF4↑ + 2H2↑
Si + 2NaOH + H2O Na2SiO3 + 2H2↑
二、新型的無機非金屬材料
3.總結SiO2的存在、結構與性質。
(1)存在:SiO2的存在形式有結晶形和無定形兩大類,水晶、瑪瑙的主要成分是結晶的二氧化硅。
(2)結構:
SiO2晶體的結構是由Si和O按原子數之比為 1:2 的比例組成的立體網狀結構。每個 Si周圍結合 4 個O,每個O周圍結合 2 個 Si。
二、新型的無機非金屬材料
(3)物理性質:SiO2 熔點高、硬度大、不溶于水。
(4)化學性質:
①SiO2 具有酸性氧化物的通性:
SiO2 可與 NaOH 溶液反應:SiO2+2NaOH Na2SiO3+H2O。
SiO2 可與氧化鈣反應:SiO2+CaO CaSiO3。
②SiO2 的特性:SiO2+4HF SiF4↑+2H2O。
(除氫氟酸外,SiO2一般不與其他酸反應)
二、新型的無機非金屬材料
(5)用途:
①沙子是基本的建筑材料。
②純凈的SiO2是現代光學及光纖制品的基本原料,可以制作光導纖維。
③石英和瑪瑙制作飾物和工藝品。
④實驗室中使用石英坩堝。
二、新型的無機非金屬材料
閱讀教材,學習新型陶瓷及納米材料。
新型陶瓷在組成上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,進一步拓展了陶瓷的應用領域。例如,碳化硅(SiC)俗稱金剛砂,其中的碳原子和硅原子通過共價鍵連接,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。碳化硅還具有優異的高溫抗氧化性能,使用溫度可達1600℃,大大超過了普通金屬材料所能承受的溫度,可用作耐高溫結構材料、耐高溫半導體材料等。
二、新型的無機非金屬材料
富勒烯是由碳原子構成的一系列籠形分子的總稱,C60是富勒烯的代表物。碳納米管可以看成是由石墨片層卷成的管狀物,具有納米尺度的直徑。碳納米管的比表面積大,有相當高的強度和優良的電學性能,可用于生產復合材料、電池和傳稿器等。
石墨烯是只有一個碳原子直徑厚度的單層石墨,其獨特的結構使其具有電阻率低、熱導率高、強度高等優點。石墨烯在光電器件、超級電容器、電池和復合材料等方面的研究正在不斷深入。
總結
課堂練習
1.水泥和普通玻璃都是常見的硅酸鹽產品,下列說法中不正確的是 ( )
A.生產水泥和普通玻璃的每一種原料都含有硅
B.水泥、普通玻璃都是混合物
C.生產水泥和玻璃都必須用石灰石
D.用純凈的石英可制成石英玻璃,它的膨脹系數小,常用來制造耐高溫
的化學儀器
A
課堂練習
2.氮化硅是一種高溫陶瓷材料,它的硬度大、熔點高、化學性質
穩定,工業上曾普遍采用高純硅與純氮在1300℃反應制得。根據
性質,推測氮化硅陶瓷的用途不可能是 ( )
A.制汽輪機葉片 B.制有色玻璃
C.制永久性模具 D.制造柴油機
B
課堂練習
3.碳納米管是繼足球烯(C60)以后發現的又一種碳單質,以下有關
碳納米管與足球烯(C60)的說法錯誤的是( )
A.它們的物理性質有較大差異
B.在常溫下它們的化學性質都穩定
C.它們是不同的碳單質
D.它們分別完全燃燒后生成物不同
D
課堂練習
4.A、B、C、D、E五種物質中都含有同一種非金屬元素,它們能發生如下圖所示的轉化關系,該元素(用R表示)的單質能與氫氧化鈉 溶液反應生成鹽(Na2RO3)和氫氣。
請回答下列問題:
課堂練習
(1)寫出各物質的化學式:A______、B________、C_______、D_____、E_______。
(2)寫出反應①的化學方程式:_______________________________。該反應中氧化劑與還原劑的物質的量之比為________。
(3)寫出反應④的離子方程式:__________________________________。
(4)寫出反應⑤的離子方程式:__________________________________。
(5)H2CO3的酸性強于E的，請用離子方程式予以證明：___________
______________________________。
SiO2
CaSiO3
Na2SiO3
Si
H2SiO3
SiO2 + 2C Si + 2CO↑
1∶2
Si+2OH- +H2O SiO32- +2H2↑
SiO32- + Ca2+ CaSiO3↓
SiO32- +CO2+H2O H2SiO3↓+CO32-
謝謝！

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