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人教版必修第二冊
第三節 無機非金屬材料
思考與交流：
同學們想一想這些地標建筑可能會用到哪些材料，
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。
從組成上看，許多無機非金屬材料含有硅、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。
隨著工業生產和社會發展對材料性能要求的提高，一批新型無機非金屬材料相繼誕生，成為航空、航天、信息和新能源等高技術領域必需的材料。
陶瓷
玻璃
水泥
一、傳統無機非金屬材料
以含硅物質為原料，經加工制得硅酸鹽產品的工業稱為硅酸鹽工業。
如制造水泥、玻璃、陶瓷等產品的工業都屬硅酸鹽工業。
硅酸鹽工業的特點：
(1)原料：
(2)反應條件：
(3)反應原理：
(4)生成物：
含硅的物質。
高溫。
復雜的物理、化學變化。
硅酸鹽。
一、傳統無機非金屬材料
1、硅酸鹽材料
說一說：硅酸鹽的結構
一、傳統無機非金屬材料
1、硅酸鹽材料
硅酸鹽的結構
在硅酸鹽中，Si 和 O 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。
一、傳統無機非金屬材料
1、硅酸鹽材料
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。
硅酸鹽的結構
1、硅酸鹽材料
一、傳統無機非金屬材料
硅酸鹽是由硅、氧和金屬元素組成的化合物的總稱。
（1）硅酸鹽概述
硅酸鹽是一類結構復雜的物質，一般都不溶于水，化學性質很穩定
1、硅酸鹽材料
一、傳統無機非金屬材料
（2）硅酸鹽的豐富性和復雜性
普通玻璃
Na2CaSi6O14
長石
K2Al2Si6O16
石棉
Mg3CaSi4O12
黏土
Al2Si2H4O9
1、硅酸鹽材料
一、傳統無機非金屬材料
（3）硅酸鹽的表示方法：
①化學式法（表示組成簡單的硅酸鹽）：
如：硅酸鈉：Na2SiO3
②氧化物法（表示復雜的硅酸鹽）：
用二氧化硅和金屬氧化物的形式來表示其組成
如：硅酸鈉：Na2O · SiO2
硅酸鈣： CaO · SiO2
1、硅酸鹽材料
一、傳統無機非金屬材料
硅酸鈣：CaSiO3
氧化物法書寫原則
各元素原子總個數比符合原來的組成；
如：CaMg3Si4O12：
CaO·3MgO·4SiO2
Al2(Si2O5)(OH)4：
Al2O3·2SiO2·2H2O
KAlSi3O8：
K2O·Al2O3·6SiO2
1、硅酸鹽材料
一、傳統無機非金屬材料
（3）硅酸鹽的表示方法：
分數化整；
金屬氧化物、二氧化硅、水；
按金屬活動順序表依次排列。
（4）最簡單的硅酸鹽——Na2SiO3
①物理性質
白色固體，可溶于水，其水溶液俗稱水玻璃，有黏性。
多數硅酸鹽難溶于水，常見易溶于水的硅酸鹽有Na2SiO3、K2SiO3等。
1、硅酸鹽材料
一、傳統無機非金屬材料
②化學性質
---------易與酸反應。
與強酸反應：
Na2SiO3＋2HCl === 2NaCl＋H2SiO3↓
與CO2反應：
CO2不足，
Na2SiO3＋CO2＋H2O === Na2CO3＋H2SiO3↓
CO2過量，
Na2SiO3＋2CO2＋2H2O === 2NaHCO3＋H2SiO3↓
（4）最簡單的硅酸鹽——Na2SiO3
1、硅酸鹽材料
一、傳統無機非金屬材料
③用途：制備硅膠和防火劑的原料
注意
1. Na2SiO3 硅酸鈉 ——俗稱 泡花堿
——純凈物
2. Na2SiO3 硅酸鈉的水溶液 ——俗稱水玻璃
——混合物
3.濃硝酸和濃鹽酸以體積比3：1的比例混合而成的溶液，
可以使金溶解——王水
——混合物
口訣：三言（鹽）一笑（硝）
硅酸鈉溶液加熱失水后會變成白色發泡狀固體，
另外硅酸鈉溶液呈堿性
泡花堿不是堿，是鹽，但它的水溶液呈堿性。
一、傳統無機非金屬材料
2、硅酸
（1）物理性質
硅酸是一種白色粉末狀的固體，不溶于水。
一、傳統無機非金屬材料
2、硅酸
（2）化學性質
硅酸是一種難溶于水的弱酸，酸性比碳酸 H2CO3 弱，
①H2SiO3的弱酸性：
酸性太弱，不能使指示劑變色，只能與強堿發生中和反應。
一、傳統無機非金屬材料
2、硅酸
（2）化學性質
②H2SiO3的不穩定性：
不穩定（比 H2CO3 穩定），受熱易分解。
H2SiO3 ==== SiO2 + H2O
思考與交流
我們知道二氧化碳與水反應生成碳酸，
但是SiO2不能與水直接化合成H2SiO3，這是一個特例。
SiO2不能直接和水化合成H2SiO3，那怎樣制備H2SiO3呢？
③硅酸的制備（強酸制弱酸）：
Na2SiO3 + 2HCl === 2NaCl + H2SiO3↓
Na2SiO3 + CO2 + H2O === Na2CO3 + H2SiO3 ↓
一、傳統無機非金屬材料
2、硅酸
（2）化學性質
注意：如果有特殊注明說是膠體
↓改為(膠體)
SiO32- + 2H+ === H2SiO3↓
SiO32- + H2O + CO2 === CO32- + H2SiO3↓
↓改為(膠體)
硅膠可做干燥劑
硅膠干燥劑主要有硅膠顆粒組成的，
其特點是運用硅膠本身所具有的多個細孔
小孔吸附空氣中的水分，以達到除濕的目的。而且可以重復使用。
——屬于物理吸附
唐三彩
陶瓷
原料
歷史
應用
黏土(主要成分為含水的鋁硅酸鹽)
青花瓷、唐三彩
生產建筑材料、
絕緣材料、
日用器皿、
衛生潔具等
China
反應條件
高溫燒結
瓷都
（Al2O3·2SiO2·2H2O ）
反應原理：復雜的物理、化學變化
（1）陶瓷
一、傳統無機非金屬材料
古代陶瓷工藝流程：
混合-成型-干燥-燒結-冷卻
機場出口處的藍色玻璃隔離墻
紅色玻璃產品
玻璃
原料
工業設備
應用
純堿、石灰石和石英砂
玻璃窯
主要成分
生產建筑材料、
光學儀器、
各種器皿，
制造玻璃纖維用于高強度復合材料等
Na2SiO3 、CaSiO3、SiO2
（2）玻璃
主要特性：混合物，無固定的熔點
（Na2CO3、CaCO3、SiO2）
一、傳統無機非金屬材料
普通玻璃是以純堿、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
【思考與交流】
高溫
SiO2 + Na2CO3 Na2SiO3 + CO2↑
SiO2 + CaCO3 CaSiO3 + CO2↑
高溫
制備玻璃過程的化學方程式為？
微思考
1．制造玻璃時發生以下反應：Na2CO3＋SiO2 ==== Na2SiO3＋CO2↑。
該反應能否說明H2SiO3的酸性比H2CO3強？為什么？
提示　不能。SiO2與Na2CO3反應，是在高溫下，且生成的產物是CO2氣體，可以脫離反應體系，并不能說明H2SiO3酸性強于H2CO3。
強酸制弱酸都是在溶液中進行的
高溫
【資料卡片】
生產中采用不同的原料和工藝，可以制得多種具有不同性能和用途的玻璃。
例如，用含有鉛的原料制造的光學玻璃，透光性好，折射率高，可以用來制造眼鏡、照相機和光學儀器的透鏡；加入硼酸鹽制成耐化學腐蝕、耐溫度急劇變化的玻璃，可用于實驗室使用的玻璃儀器；加入一些金屬氧化物或鹽可以得到彩色玻璃，常用于建筑和裝飾。
拓展延伸
1．石英玻璃——成分為SiO2，以純凈的石英為主要原料制成。
用途比如化學儀器
幾種常見玻璃
2．鋼化玻璃——普通玻璃在電爐中加熱軟化，然后急速冷卻而成，機械強度是普通玻璃的4～6倍。用途比如汽車，火車窗玻璃等
3．有色玻璃——普通玻璃中加入一些金屬氧化物，
如Cu2O：紅色玻璃，CuO：藍綠色玻璃，
Co2O3：藍色玻璃，MnO2：紫色玻璃等。
4.光學玻璃——透光性能好，有折光和色散性。
用途比如眼鏡片，照相機，顯微鏡，望遠鏡用凸凹透鏡等光學儀器
水泥是最常用的建筑材料下圖是1949—1998年我國水泥產量示意圖
水泥
水泥
原料
工業設備
黏土和石灰石
水泥回轉窯
混凝土
水泥、沙子和碎石等與水混合
適量石膏的作用
條件
高溫煅燒
調節水泥硬化速率
（3）水泥
（ Al2O3·2SiO2·2H2O 、 CaCO3 ）
主要成分：
一、傳統無機非金屬材料
硅酸二鈣(2CaO SiO2)
鋁酸三鈣(3CaO Al2O3)等
硅酸三鈣(3CaO SiO2)、
歸納總結
都在高溫下,發生了復雜的物理和化學變化。
玻璃、水泥、陶瓷生產的共同點：
原料都有含硅元素的物質，
產品都含有硅酸鹽，且都是混合物。
一、傳統無機非金屬材料
1．傳統的硅酸鹽材料有什么優、缺點？
2.新型無機非金屬材料有哪些特性？
優點：抗腐蝕、耐高溫； 缺點：質脆、經不起熱沖擊。
① 承受高溫，強度高。 ② 具有光學特性。
③ 具有電學特性。 ④ 具有生物功能。
二、新型無機非金屬材料
1 、硅
說一說：根據元素周期表中硅的位置，
為什么硅能成為應用最為廣泛的半導體材料
第三周期、第IV A族
請畫出碳和硅的原子結構示意圖
分析：既不易失去電子，又不易得到電子，主要形成四價的化合物。
Si位于元素周期表第三周期，第ⅣA族，
處于金屬與非金屬過渡位置，為半導體材料
二、新型無機非金屬材料
1 、硅
自然界中的硅：
硅酸鹽礦石
水晶（ SiO2 ）
瑪瑙（ SiO2 ）
二、新型無機非金屬材料
1、硅
（1）硅的含量及存在
硅在自然界的存在形態：
氧化物
和硅酸鹽
沒有游離態，只有化合態
-----二氧化硅
硅在地殼中含量僅次于氧，居第2位，
硅的氧化物和硅酸鹽構成了地殼中大部分的巖石、沙子、土壤，約占地殼質量的90%以上。
硅是一種親氧元素，在自然界它總是與氧相互化合的。
（2）硅的物理性質
硅單質：灰黑色、有金屬光澤、硬而脆的固體，是很好的半導體材料！
二、新型無機非金屬材料
1、硅
二、新型無機非金屬材料
1、硅
（3）硅的化學性質
①與非金屬單質反應
Si + 2F2 === SiF4
Si + 2Cl2 ==== SiCl4
Si + O2 ==== SiO2
Si + C ==== SiC
硅在常溫下不活潑，加熱條件下能與 O2 , Cl2 等反應：
與 O2：
與 Cl2：
與 C：
與 F2：
高溫
常溫下為無色，有毒，有刺激性臭味的氣體。
碳化硅，俗名金剛砂
二、新型無機非金屬材料
1、硅
（3）硅的化學性質
②與酸、堿反應
非金屬單質一般不與非氧化性酸反應，但 Si 能與 HF 反應：
硅與強堿溶液反應生成氫氣：
Si + 4HF === SiF4↑ + 2H2↑
Si + 2NaOH + H2O === Na2SiO3 + 2H2↑
常見單質中能與NaOH溶液反應產生H2的有金屬Al，非金屬Si。
二、新型無機非金屬材料
1、硅
（4）單質 Si 的制備
SiO2 +2C ==== Si + 2CO↑
高溫
粗硅
SiCl4+2H2 ===== Si+4HCl
高溫
（高純硅 99.9999999％）
提純硅
Si + 2Cl2 === SiCl4
高溫
粗硅
制粗硅
在高溫下讓粗硅（Si）與氯氣（Cl2）反應，
其產物在高溫下被氫氣（H2）還原而得到較純的硅
【資料卡片】
高純硅的制備
工業上制備高純硅，一般需要先制得純度為98%左右的粗硅，
再以其為原料制備高純硅。
例如，可以將粗硅轉化為三氯硅烷(SiHCl3)，再經氫氣還原得到高純硅。
工業上高純硅的制備：
寫一寫：根據高純硅的制備流程，寫一寫相應的化學方程式。
工業上高純硅的制備：
SiHCl3+H2 ======= Si+3HCI
1100℃
三氯硅烷
SiO2+2C ======= Si+2CO
1800~2000℃
Si+3HCl ======= SiHCl3+H2
300℃
H2 和 HCl 可以循環利用
三氯硅烷
2．單質硅在常溫下化學性質不活潑，所以硅在自然界中以游離態存在，這種說法是否正確？
提示　錯誤。硅是一種親氧元素，在自然界中總是與氧相互化合，
以熔點很高的氧化物及硅酸鹽的形式存在。
所以自然界中無游離態的硅存在。
微思考
SiO2是自然界中沙子、石英的主要成分。
天然二氧化硅叫硅石；
結晶的二氧化硅叫石英。
二氧化硅（ 硅石 ）存在
硅石
結晶形（石英晶體）
無定形——硅藻土
水晶
瑪瑙
無色透明
彩色環帶或層狀
二氧化硅中沒有單個分子，用SiO2來表示二氧化硅的組成,
表示Si 原子與O原子個數比為1:2,所以不是分子式而是化學式。
[SiO2]四面體結構
立體網狀結構決定了SiO2具有優良的物理和化學性質
[ 資料卡片 ]
SiO2
SiO2晶體中沒有SiO2分子存在，只存在硅氧原子。因此性質穩定
SiO2是不溶于水的固體，熔、沸點高，硬度大。
（1）物理性質
（2）化學性質
SiO2雖然不溶于水，但它是一種酸性氧化物
二、新型無機非金屬材料
2、二氧化硅
①不溶于水，不能與水反應得到硅酸
②與堿性氧化物反應： 比如與CaO
SiO2 + CaO ==== CaSiO3
③與 NaOH 反應：
SiO2 + 2NaOH === Na2SiO3 + H2O
NaOH 保存不用玻璃塞，
而用橡膠塞。
玻璃成分中含有二氧化硅，易于氫氧化鈉溶液反應生成硅酸鈉溶液，從而使瓶塞與瓶壁黏合在一起而難以打開。
所以盛NaOH溶液的試劑瓶一般是玻璃瓶，橡膠塞。
二、新型無機非金屬材料
2、二氧化硅
④與鹽反應
SiO2 + Na2CO3 Na2SiO3 + CO2↑
高溫
SiO2 + CaCO3 CaSiO3 + CO2↑
高溫
二、新型無機非金屬材料
2、二氧化硅
（3)二氧化硅的特性
與 HF 反應：
SiO2 + 4HF === SiF4↑+ 2H2O
除氫氟酸外，SiO2一般不與其他酸反應。
玻璃中含有SiO2 ,所以HF可以用來刻蝕玻璃。
二、新型無機非金屬材料
2、二氧化硅
半導體材料
(1) 硅的應用
集成電路、晶體管、硅整流器、太陽能電池，計算機芯片等
二、新型無機非金屬材料
3、硅和二氧化硅的用途
二氧化硅可用來生產光導纖維。
光導纖維的通信容量大，抗干擾性能好，
傳輸的信號不易衰減，能有效提高通信效率。
二、新型無機非金屬材料
3、硅和二氧化硅的用途
(2) 二氧化硅的應用
用石英、瑪瑙制作飾物。
二、新型無機非金屬材料
3、硅和二氧化硅的用途
(2) 二氧化硅的應用
制作玻璃及光學儀器
瑪瑙研缽
石英坩堝
玻璃儀器
二、新型無機非金屬材料
3、硅和二氧化硅的用途
(2) 二氧化硅的應用
硅和二氧化硅的用途：
硅太陽能電池板
計算機芯片
二氧化硅制光導纖維
結構
性能
高溫抗氧化性能
碳原子和硅原子通過共價鍵連接
硬度大
砂紙和砂輪的磨料
耐高溫結構材料
耐高溫半導體材料
碳化硅陶瓷
二、新型無機非金屬材料
4、新型陶瓷
碳化硅（SiC）俗稱金剛砂，
幾種典型的新型無機非金屬材料
①高溫結構陶瓷特點：耐高溫、耐腐蝕、耐磨蝕、抗氧化等，用于火箭發動機，汽車發動機和高溫電極材料，如氮化硅（Si3N4）和碳化硅（SiC--金剛砂）。
②壓電陶瓷特點:主要有鈦酸鹽和鋯酸鹽,可實現機械能和電能的相互轉化，用于濾波器、揚聲器、超聲波探傷器和但火氣等。
③透明陶瓷：氧化鋁、氧化釔、氮化鋁、氟化鈣等類型；
特點：耐高溫、絕緣性好，用于高壓鈉燈，激光器和高溫探窗。
④超導陶瓷：特點為某臨界溫度下電阻為0，具有超導性，可用于電力、交通、醫療等。
科學、技術、社會
透明陶瓷
新 型 陶 瓷 材 料
習慣上把陶瓷(ceramics)分為傳統陶瓷和特種陶瓷。
傳統陶瓷是以粘土、長石、石英等天然礦物為原料經燒結而成的。
特種陶瓷是以人工合成的氧化物、氮化物、碳化物、硅化物、硼化物超細微粒為原料特制而成。又稱精細陶瓷、精密陶瓷。
氧化鋁陶瓷
二氧化鋯
結構陶瓷
氮化硅陶瓷
幾種新型陶瓷
二、新型無機非金屬材料
4、新型陶瓷
碳納米材料是近年來人們十分關注的一類新型無機非金屬材料，主要包括富勒烯、碳納米管、石墨烯等，在能源、信息、醫藥等領域有著廣闊的應用前景。
二、新型無機非金屬材料
5、碳納米材料
——富勒烯
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。
二、新型無機非金屬材料
5、碳納米材料
——碳納米管
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。
二、新型無機非金屬材料
5、碳納米材料
——石墨烯
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。
二、新型無機非金屬材料
5、碳納米材料
二、新型無機非金屬材料
5、碳納米材料
富 勒 烯-------籠形分子，以C60為代表.
碳納米管-------石墨片層管狀物，比表面積大，具有高強度和電學性能，用于生產復合材料，電池、傳感器。
石 墨 烯-------單層石墨，電阻率低，熱導率高，強度高用于光電器元件、超級電容器、電池和復合材料等。
碳納米汽車
二、新型無機非金屬材料
5、碳納米材料
1.下列敘述錯誤的是（ ）
A.硅在自然界中主要以單質形式存在 B.硅是應用最廣泛的半導體材料
C.高純度的硅可用于制造計算機芯片 D.二氧化硅可用于生產玻璃
課堂練習
A
課堂練習
2.有下列物品或設備：①陶瓷餐具②磚瓦③混凝土橋墩④門窗玻璃
⑤水晶鏡片⑥石英鐘⑦水晶項鏈⑧硅太陽能電池⑨光導纖維⑩計算機芯片
（1）使用了硅單質的是______．（用序號填寫，下同）
（2）使用了SiO2的是_________．
（3）使用了硅酸鹽材料的是____________．
⑧⑩
③④⑤⑥⑦⑨
①②③④
3.氫氟酸是HF的水溶液，可與SiO2發生反應成SiF4和H2O。
請寫出該反應的化學方程式。
想一想為什么可以用氫氟酸溶蝕玻璃生產磨砂玻璃。
答案：SiO2+4HF=SiF4↑+2H2O。
玻璃種含有二氧化硅，所以可以用來制造磨砂玻璃
課堂練習
4.SiO2是一種酸性氧化物，能與強堿溶液反應。
例如，SiO2與NaOH反應可生成Na2SiO3。
Na2SiO3的水溶液俗稱水玻璃，具有黏結力強、耐高溫等特性，
可以用作粘合劑和防火劑。實驗室盛放堿溶液的試劑瓶應使用橡膠塞，
而不用玻璃塞。請解釋原因，并寫出相關反應的化學方程式。
課堂練習
答案：用玻璃塞會導致瓶塞瓶口黏結在一起SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O
5.氮化硅是一種性能優異的無機非金屬材料，它的熔點高，硬度大，
電絕緣性好，化學性質穩定，但生產成本較高。
(1)根據以上描述，氮化硅可能有哪些用途：_____(填字母)
a.制作坩堝 b.用作建筑陶瓷 c.制作耐高溫軸承 d.制作切削刀具
(2)請寫出氮和硅的原子結構示意圖，并根據元素周期律知識，寫出氮化硅的化學式。
課堂練習
答案：（1）a，c,d；（2） N: Si: Si3N4
(3)氮化硅在19世紀已經被化學家合成出來，但直到100多年后才逐
漸應用于工業領域。材料的基礎研究和實際應用之間存在著一定距
離，你認為二者之間的關系是怎樣的？請查閱相關資料，與同學交
流你的觀點。
課堂練習
答案：①二者作用是相輔相成的；
②基礎研究的成果指導著應用研究的進行；
③實際需要和應用研究是基礎研究的推動力；
④應用研究的結果會豐富已有的理論。

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