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必修第二冊第五章化工生產中的重要非金屬元素
第三節 無機非金屬材料
第1課時硅酸鹽材料
1. 硅酸鹽的結構
在硅酸鹽中， Si 和0構成了 硅氧四面體，Si 在中心，
0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0相互連接。其結構示意圖為：
一、硅酸鹽材料
無機非金屬材料一般含有硅、氧 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。
硅酸鹽
硅氧四面體的結構示意圖
欄目導航
用氧化物形式表示，如： Na O·SiO
原 則 ：X金屬氧化物·YSiO ·ZH O
注意事項： ①元素化合價不變
②原子比例不變
③多種金屬同時存在，活潑的寫在前面
由Si、0、 金屬(鋁、鐵、鈣、鎂、鉀、鈉等)等元素組成
的化合物的總稱。
(2)書寫： 用鹽的化學式表示，如： Na SiO
2. 硅酸鹽
(1)定義：
硅酸鹽
(3)硅酸鹽的性質：
多數具有硬度高、難溶于水、耐高溫、耐腐蝕等特點。
(4)最簡單的硅酸鹽： Na SiO ——水溶液俗稱： 水玻璃、泡花堿
特性：水溶液有黏性
Na SiO +2HCl=2NaCl+H SiO (膠體)
Na SiO + CO +H O = Na CO + H SiO (膠體)
強酸制弱酸：酸性：HCI>H CO >H SiO
H SiO : 二元 弱酸，加熱 易分解，失 水后變硅膠。
欄目導航
用途： 制備硅酸凝膠、木材防火劑、 肥皂填充劑、黏膠劑
硅酸鹽
傳統無機非金屬材料
原料： 黏土(主要成分為含水的鋁硅酸鹽)
反應條件： 高溫燒結
歷史： 新石器時代就能燒制
唐宋時期達到鼎盛： 青花瓷、唐三彩 China瓷都
應用： 生產建筑材料、絕緣材料、日用器皿、衛生潔具等
圖5-20高壓輸電線路使用了網瓷地緣材料 欄目導航
圖5-19 我國古代燒制的精美瓷器
陶 瓷
傳統無機非金屬材料
原料： 純堿、石灰石和石英砂
反應條件： 高溫熔融
工業設備： 玻璃窯
主要成分： Na SiO 、CaSiO 、SiO
SiO +Na CO 高 Na SiO +Co t
Sio +CaCo CaSiO +CO t
應用： 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
反應方程式：
玻璃
加入元素或物質 玻璃特性
用途
含鉛原料 光學玻璃：透光性好，折 射率高
制造眼鏡、照相機和光學儀器
的透鏡
硼酸鹽 耐化學腐蝕、 耐溫度急劇變化
制造可用于實驗室使用的玻璃
儀器
金屬氧化物或鹽 彩色玻璃
用于建筑和裝飾
傳統無機非金屬材料
特種玻璃
光日導航
傳統無機非金屬材料
原料： 黏土、石灰石、石膏
工業設備： 水泥回轉窯
水泥 條件： 高溫煅燒
石膏的作用： 調節水泥硬化速率
混凝土： 水泥、沙子和碎石等與水混合
隨著科學技術的發展，無機非金屬材料突破了傳統的硅酸鹽體系，
一系列新型無機非金屬材料相繼問世。
(1 )高純度的含硅元素的材料： 單晶硅、二氧化硅等，具有特殊的光
學和電學性能。
( 2 ) 含碳、氮等其他元素，在航天、能源和醫療等領域廣泛應用。
新型無機非金屬材料
處于金屬與非金
屬的過渡位置，是
存在 原子結構示意圖
應用最廣泛的半導
體材料。
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
新型無機非金屬材料
1 . 硅 (1)硅元素的存在與結構
爭航
(2)硅單質 灰黑色、具有金屬光澤的固體
半導體材料，用于集成電路、晶體管、硅整流器、太陽能電池等
新型無機非金屬材料
欄目導航
圖5-24 硅晶片是生產芯片的基礎 材料
圖5-25 硅太陽能電池
(3)硅的工業制備
步驟
粗硅的制取
粗硅與
HCl 反應 Si+3HCl -二二二 二 SiHCl +H ↑
反應化學方程式
1800~2000 ℃ SiO +2C 二二二二二二二二二二二二二
新型無機非金屬材料
欄目導航
粗硅的提純
1100 ℃
H 還原
SiHCl +H
Si+2C01
Si+3HCl
300 C
空間構型： 硅氧四面體
(2)物理性質 熔沸點高、硬度大、不溶于水
(3)用途 光導纖維、石英坩堝、建筑材料、
電器部件
結晶形： 石英、水晶、瑪瑙、沙子
無定形：硅藻土
新型無機非金屬材料
2. 二氧化硅
(1)存在形式
統稱硅石
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圖5-26 光導纖維
新型無機非 裝NaOH的試劑瓶用橡
膠塞而不用玻璃塞
(4)化學性質
SiO +2NaOH==Na SiO +H O
SiO +Na O 高溫 Na Sio
+2CO↑ 用途：制粗硅
高溫
SiO +Na CO === Na SiO +CO 1
高溫
SiO +CaCO =CaSiO +CO +
與強堿溶液反應：
與堿性氧化物反應：
SiO +2c 高溫 Si
①與HF反應 — — 唯一 能與SiO 反應的酸
SiO +4HF ==SiF ↑+2H O
②酸性氧化物
③弱氧化性
欄目導航
工業生 產玻璃 原理
用途：刻蝕玻璃
④與碳酸鹽反應
1、 保 存NaOH溶液的試劑瓶為什么用橡膠塞而不用玻璃塞
SiO +2NaOH =Na SiO +H O,生成具有粘性的硅酸鈉粘住瓶塞
2、 埋在地下的光導纖維常因土壤成堿性而斷路，為什么 用離子方程式 表示。
SiO +20H-=SiO -+H O
3、SiO 既能與HF酸反應又能和NaOH反應，所以它是兩性氧化物
錯。因為SiO +4HF==SiF ↑+2H O, 生成的SiF 不屬于鹽。
4、如何除去SiO 中混有的CaO雜質 HCI
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二氧化硅(SiO 】
二氧化碳(CO )
物理性質 熔沸點高、硬度大
熔沸點低、硬度小
與水反應 不反應
CO +H O=H CO
與堿反應 SiO +2NaOH=Na SiO +H O
CO +2NaOH=Na CO +H O
CO +NaOH=NaHCO
與堿性氧化物 反應 SiO +CaO=高溫=CaSiO
CO +Na O=Na CO
與酸反應 SiO +4HF =SiF ^+2 H O
不反應
與碳反應 SiO +2C=高溫=Si+2CO
CO +C=高溫=2CO
小結：SiO 與CO 的比較
5、 中國北京曙光公司研制了第一款具有我國完全自主知識產權的高性能
CPU芯片——“龍芯”1號。
(1)“龍芯”1號(芯片)的主要化學成分是 硅
(2)互聯網使用的數據傳輸材料叫光導纖維，主要化學成分是 二氧化硅。
(3)秦兵馬俑制品的主要生產原料是黏 土 ，主要成分為_ 硅酸鹽
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學、電學、磁學等方面有很多新的特性和功能。
結構：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
高溫抗氧化性能
耐高溫半導體材料
3.新型陶瓷 新型陶瓷在組成上不再限于傳統的硅酸鹽體系，在光學、熱
新型無機非金屬材料
碳化硅SiC: 俗稱金剛砂
碳化硅陶瓷
圖5-27 耐高溫的碳化硅陶瓷軸承
性能
壓電陶瓷
主要有鈦酸鹽和鋯酸鹽等，能實現機械能與電能的相
互轉化，可用于濾波器、揚聲器、超聲波探傷器和點 火器等。
一般用碳化硅、氮化硅或某些金屬氧化物等在高溫下燒
結而成，具有耐高溫、抗氧化、耐磨蝕等優良性能。與 金屬材料相比，更能適應嚴酷的環境，可用于火箭發動 機、汽車發動機和高溫電極材料等。
新型無機非金屬材料
高溫結構陶瓷
欄目導航
主要有氧化鋁、氧化釔等氧化物透明陶瓷和氮化鋁、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，可用于高壓鈉燈、激
光器和高溫探測窗等。
超導陶瓷
在某一臨界溫度下電阻為零，具有超
導性，用于電力、交通、醫療等領域。
導航
新型無機非金屬材料
透明陶瓷
4.碳納米材料
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。
富勒烯是由碳原子構成的一系列籠
形分子的總稱，其中的C 是富勒烯的代 表物。C 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。
新型無機非金屬材料
欄目導航
富勒烯
圖5-29 用C, 作車輪的“納米汽車”
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。
比表面積是指單位質量物料所具有的總面積。
新型無機非金屬材料
碳納米管
欄目導航
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
新型無機非金屬材料
應用研究正在不斷深入。
超輕海綿
動力電池
一、傳統無機非金屬材料——硅酸鹽材料
(1)陶瓷 (2)玻璃 (3)水泥
二、新型無機非金屬材料
(1)硅和二氧化硫
(2)新型陶瓷 (3)碳納米材料
Si+3HCl=300C=SiHCl +H
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1. 判斷正誤(正確的打“ √ ”,錯誤的打“×”)
(1)制水泥、玻璃的共同原料是石灰石。 ( )
(2)硅酸鹽是由硅、氧和金屬組成的混合物。( )
(3)傳統無機非金屬材料陶瓷、水泥、玻璃的主要成分是硅酸鹽。 ( )
(4)二氧化硅在電子工業中是最重要的半導體材料。 ( )
[答案] (1) √ (2)× (3) √ (4)×

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