資源簡(jiǎn)介

(共48張PPT)
第三節(jié) 無(wú)機(jī)非金屬材料
新課展示
材料是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。
金屬材料
非金屬材料
無(wú)機(jī)非金屬材料
金屬材料
高分子材料：
傳統(tǒng)無(wú)機(jī)非金屬材料
新型無(wú)機(jī)非金屬材料
塑料、合成橡膠、合成纖維
陶瓷，玻璃，水泥
硅和SiO2，新型陶瓷，碳納米材料
非金屬材料
傳統(tǒng)非金屬材料
新型非金屬材料
非金屬材料
1、性能和優(yōu)點(diǎn)
具有耐高溫、抗腐蝕、硬度高等特點(diǎn)，以及特殊的光學(xué)、電學(xué)等性能。
2、分類
一、傳統(tǒng)非金屬材料
傳統(tǒng)非金屬材料多為硅酸鹽材料，包括陶瓷、玻璃、水泥三大類。
硅酸鹽的結(jié)構(gòu)
硅氧四面體結(jié)構(gòu)
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(diǎn)。
1、陶瓷
陶瓷
原料
歷史
應(yīng)用
黏土 ( 含水的鋁硅酸鹽 )
青花瓷、唐三彩
China 瓷都
生產(chǎn)建筑材料、絕緣材料、日用器皿、衛(wèi)生潔具等
2、玻璃
玻璃
成分
原料
應(yīng)用
Na2SiO3 、CaSiO3、SiO2
純堿、石灰石和石英砂
生產(chǎn)建筑材料、光學(xué)儀器、制造玻璃纖維用于高強(qiáng)度復(fù)合材料等
SiO2
玻璃的生產(chǎn)
以純堿、石灰石和石英砂為原料，經(jīng)混合、粉碎，在玻璃窯中熔融，發(fā)生復(fù)雜的物理和化學(xué)變化而制得的。
SiO2 + Na2CO3 Na2SiO3 + CO2↑
SiO2 + CaCO3 CaSiO3 + CO2↑
高溫
高溫
硅酸鈣
硅酸鈉
硅酸鈉(Na2SiO3)
白色固體，具有黏合性，可溶于水。
是制備硅膠和木材防火劑等的原料。
Na2SiO3水溶液俗稱：
水玻璃
Na2SiO3
不同性能的玻璃
3、水泥
黏土
石灰石
水泥
原料
應(yīng)用
條件
高溫煅燒
制作混凝土、大量用于建筑和水利工程。
石膏的作用：
調(diào)節(jié)水泥硬化速率
水泥、沙子、碎石和水
二、新型非金屬材料
滿足科技發(fā)展的需要，應(yīng)用于高端領(lǐng)域
1、硅
在自然界的存在 原子結(jié)構(gòu) 示意圖 周期表中位置
含量 存在形態(tài) 地殼中 居第____位 ________ ________ _________
_________
二
氧化物
硅酸鹽
第三周期
第ⅣA族
1、硅
硅 是一種親氧元素，在自然界總是與氧相互結(jié)合
以化合態(tài)存在
單質(zhì)的導(dǎo)電性：
介于導(dǎo)體與絕緣體之間
處于金屬與非金屬的過(guò)渡位置
自然界的硅：不存在單質(zhì)硅
高純硅的制備
工業(yè)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(zhuǎn)化為三氯硅烷(SiHCl3)，再經(jīng)氫氣還原得到高純硅。
① SiO2 + 2C Si + 2CO↑
1800 0C ~ 2000 0C
② Si + 3HCl SiHCl3 + H2
300 0C
③ SiHCl3 + H2 Si + 3HCl
1100 0C
硅的用途
半導(dǎo)體材料
硅晶片用于生產(chǎn)芯片
二氧化硅的性質(zhì)
純凈的二氧化硅晶體，是一種堅(jiān)硬、脆、不溶于水的無(wú)色透明的固體
一、物理性質(zhì)
二、化學(xué)性質(zhì)
SiO2 屬于酸性氧化物，具有酸性氧化物的通性
① SiO2 不溶于水，不與水反應(yīng)
② SiO2 可與堿性氧化物反應(yīng)
SiO2 + CaO CaSiO3
高溫
③ SiO2 可與強(qiáng)堿反應(yīng)
SiO2 + 2NaOH Na2SiO3 + H2O
有粘性
實(shí)驗(yàn)室盛裝NaOH溶液的試劑瓶用橡膠塞而不用玻璃塞，你知道為什么嗎
思考
玻璃中的SiO2與NaOH溶液反應(yīng)生成有粘性的Na2SiO3，
使瓶塞與瓶口粘在一起而難以打開。
（提示：玻璃中含有SiO2）
與氫氟酸HF反應(yīng)
——常用于雕刻玻璃
SiO2 +4HF＝SiF4↑ + 2H2O
特性：
氫氟酸能保存在玻璃瓶中嗎？
思考
不能，應(yīng)保存在塑料瓶中。
光導(dǎo)纖維
石英坩堝
瑪瑙
水晶
SiO2的用途
建筑材料
玻璃
沙子
光導(dǎo)纖維
難溶于水
溶解度很小，是一種弱酸，
酸性弱于碳酸，不能使指示劑變色
——硅酸( H2SiO3 )
1、物理性質(zhì)
【拓展】
硅膠用途：做干燥劑
——硅酸( H2SiO3 )
2、化學(xué)性質(zhì)
【拓展】
3、制備
不穩(wěn)定性
H2SiO3 = SiO2 + H2O
▲
原理：強(qiáng)酸 制 弱酸
Na2SiO3 + 2HCl = H2SiO3 (膠體) + 2NaCl
Na2SiO3 + CO2 + H2O = H2SiO3(膠體) + Na2CO3
3、新型陶瓷
碳化硅（SiC）俗稱金剛砂，其中的碳原子和硅原子通過(guò)共價(jià)鍵連接，具有類似金剛石的結(jié)構(gòu)，硬度很大，可用作砂紙和砂輪的磨料。
高溫結(jié)構(gòu)陶瓷
透明陶瓷
壓電陶瓷
超導(dǎo)陶瓷
新型陶瓷
碳納米材料是近年來(lái)人們十分關(guān)注的一類新型無(wú)機(jī)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(yī)藥等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。
4、碳納米材料
—— 富勒烯
碳納米材料
C60 是富勒烯的代表物。
C60 的發(fā)現(xiàn)為納米科學(xué)提供了重要的研究對(duì)象，開啟了碳納米材料研究和應(yīng)用的新時(shí)代。
富勒烯是由碳原子構(gòu)成的一系列籠形分子的總稱。
—— 碳納米管
碳納米材料
碳納米管的比表面積大，有相當(dāng)高的強(qiáng)度和優(yōu)良的電學(xué)性能，可用于生產(chǎn)復(fù)合材料、電池和傳感器等。
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。
—— 石墨烯
碳納米材料
作為一種具有優(yōu)異性能的新型材料，石墨烯在光電器件、超級(jí)電容器、電池和復(fù)合材料等方面的應(yīng)用研究正在不斷深入。
石墨烯是只有一個(gè)碳原子直徑厚度的單層石墨，
其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)使其電阻率低、熱導(dǎo)率高，具有很高的強(qiáng)度。
新型無(wú)機(jī)非金屬材料突破了傳統(tǒng)的硅酸鹽體系，常見(jiàn)類型有兩類。
1、高純度的含硅元素的材料：
2、一些含碳、氮元素的物質(zhì)：
新知探究
一、新型無(wú)機(jī)非金屬材料概述
如單晶硅(Si)、二氧化硅(SiO2)等，具有特殊的光學(xué)和電學(xué)性能，是現(xiàn)代信息技術(shù)的基礎(chǔ)材料。
如碳化硅(SiC)、氮化硅(Si3N4)等，在航天、能源和醫(yī)療等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。
溫故知新
硅元素的“位——構(gòu)——性”
硅原子結(jié)構(gòu)及在周期表中的位置：
第三周期第ⅣA族
既不容易得到 4個(gè)電子，也不容易失去 4 個(gè)電子。
硅元素的最高價(jià)態(tài)為+4，最低價(jià)態(tài)為-4。
常見(jiàn)的化合價(jià)及相應(yīng)化合物有 ：
硅原子形成的化學(xué)鍵類型
結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)
共價(jià)鍵
硅—統(tǒng)治無(wú)機(jī)礦物界：硅是構(gòu)成巖石與許多礦物的基本元素。
碳—統(tǒng)治有機(jī)界：碳是構(gòu)成有機(jī)物的主要元素。
SiH4
0
Si
+4
Si02 H2SiO3 SiO32-
-4
2、物理性質(zhì)
結(jié)構(gòu)類似金剛石；
1、 硅元素的存在
硅元素含量在地殼中居第二位。
硅是親氧元素，在自然界中沒(méi)有游離態(tài)，
主要以硅酸鹽和氧化物的形式存在。
新知探究
(一)、硅(Si)
二、硅(Si)和二氧化硅(SiO2)
有較弱的導(dǎo)電性，其電導(dǎo)率隨溫度的升高而增加，有顯著的半導(dǎo)電性。
為硬而脆的灰黑色固體, 熔點(diǎn)（1410）高,硬度大；
Si+2F2==SiF4
Si+2F2=SiF4↑
Si+2NaOH+H2O=Na2SiO3 +2H2↑
在常溫下化學(xué)性質(zhì)不活潑，只能與氟氣(F2)、氫氟酸(HF)、強(qiáng)堿(NaOH)溶液反應(yīng)，加熱可與一些非金屬單質(zhì)(Cl2、O2、C)反應(yīng)。
3、化學(xué)性質(zhì)
加熱
Si+O2 = SiO2
Si+C = SiC(金剛砂)
高溫
Si+4HF = SiF4↑+2H2↑
Si+2Cl2 = SiCl4
加熱
新知探究
(一)、硅(Si)
二、硅(Si)和二氧化硅(SiO2)
(1)常溫下與氟氣(F2)、氫氟酸(HF)、強(qiáng)堿(NaOH)溶液反應(yīng)
(2)加熱或高溫下與Cl2、O2、C反應(yīng)
改寫成離子方程式
與唯一酸反應(yīng)置換出H2的非金屬單質(zhì)
與唯一堿反應(yīng)生成H2的非金屬單質(zhì)
4、用途
高純硅廣泛應(yīng)用于信息技術(shù)和新能源技術(shù)等領(lǐng)域。
①利用其半導(dǎo)體性能可以制成計(jì)算機(jī)、通信設(shè)備和家用電器等的芯片；
硅太陽(yáng)能電池
硅芯片
新知探究
(一)、硅(Si)
二、硅(Si)和二氧化硅(SiO2)
②可以制成光伏電站、人造衛(wèi)星和電動(dòng)汽車等的硅太陽(yáng)能電池。
5、單晶硅的制備
①工業(yè)制取粗硅
②高純硅的制備的完整流程
SiO2＋2C Si＋2CO↑ 　
===
高溫
不是CO2！
粗硅
新知探究
(一)、硅(Si)
二、硅(Si)和二氧化硅(SiO2)
過(guò)量碳與硅反應(yīng)生成的SiC
Si+C = SiC(金剛砂)
高溫
4、單晶硅的制備
②高純硅的制備的完整流程：資料卡片
工業(yè)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。
石英砂
焦炭
HCl
H2
粗硅
SiHCl3
高純硅
1800-2000℃
300℃
1100℃
新知探究
(一)、硅(Si)
二、硅(Si)和二氧化硅(SiO2)
Si+3HCl ===== SiHCl3+H2↑
300 ℃
SiO2+2C ========= Si+2CO↑
1800~2000 ℃
SiHCl3+H2 ===== Si+3HCl
1100 ℃
【思考與討論：】
工業(yè)上利用焦炭與SiO2在高溫下反應(yīng)制備粗硅，由此能否說(shuō)明碳的還原性大于硅？
提示：氧化性、還原性的強(qiáng)弱，必須是在通常的情況下發(fā)生的反應(yīng)，上述反應(yīng)是在高溫條件下發(fā)生的，故不能比較還原性的強(qiáng)弱。
由于該反應(yīng)有CO 脫離體系，促進(jìn)反應(yīng)進(jìn)行。
SiO2+2C ======== Si+2CO↑
1800~2000℃
周期表實(shí)際是氧化性C>Si
新知探究
1、存 在
硅石
結(jié)晶形：石英
無(wú)定形
水晶
瑪瑙
……
紫水晶
瑪瑙
新知探究
二、硅(Si)和二氧化硅(SiO2)
(二)、二氧化硅(SiO2)
煙水晶
熔沸點(diǎn)高、硬度大、不溶于水
2、物理性質(zhì)
SiO2是二氧化硅的化學(xué)式(表示組成)而不是分子式，沒(méi)有SiO2分子，它是原子晶體
【思考】為什么二氧化硅和二氧化碳物理性質(zhì)有這么大的差別？
結(jié)構(gòu)不同
新知探究
二、硅(Si)和二氧化硅(SiO2)
(二)、二氧化硅(SiO2)
=1:2
Si原子和O原子比例
3、二氧化硅的用途
①沙子是基本的建筑材料；
②純凈的SiO2是光學(xué)儀器和光導(dǎo)纖維的基本原料；
③水晶、石英和瑪瑙可制作飾品和工藝品；
④水晶用來(lái)制造電子工業(yè)中的重要部件。
新知探究
二、硅(Si)和二氧化硅(SiO2)
(二)、二氧化硅(SiO2)
SiO2 + 4HF == SiF4↑+2H2O
4、 化學(xué)性質(zhì)
③與HF反應(yīng)
——唯一能與SiO2反應(yīng)的酸
用途：刻蝕玻璃
①酸性氧化物
②弱氧化性
與碳酸鹽反應(yīng)
SiO2+2NaOH = Na2SiO3 + H2O
SiO2 + Na2O = Na2SiO3
高溫
與強(qiáng)堿溶液反應(yīng)
與堿性氧化物反應(yīng)：
SiO2 + Na2CO3 = Na2SiO3 +CO2 ↑
高溫
SiO2 + CaCO3 = CaSiO3 +CO2 ↑
高溫
工業(yè)生產(chǎn)玻璃原理
SiO2 + 2C =Si + 2CO↑
高溫
用途：制粗硅
新知探究
二、硅(Si)和二氧化硅(SiO2)
(二)、二氧化硅(SiO2)
新知探究
二、硅(Si)和二氧化硅(SiO2)
(二)、二氧化硅(SiO2)
【玻璃雕刻步驟】了解
在玻璃表面涂上一層石蠟
在石蠟上雕刻出花紋，向挖空部分加少量氫氟酸
洗掉酸并去掉石蠟
【思考】
1、為什么實(shí)驗(yàn)室中盛放堿液的試劑瓶要用橡皮塞而不能用玻璃塞（玻璃中含有SiO2）？
2、實(shí)驗(yàn)室能否用玻璃瓶保存氫氟酸？
新知探究
二、硅(Si)和二氧化硅(SiO2)
(二)、二氧化硅(SiO2)
注意：實(shí)驗(yàn)室用塑料瓶來(lái)盛裝HF。
對(duì)比CO2和SiO2
二氧化碳 二氧化硅
水
堿
堿性氧化物
CO2+H2O=H2CO3
CO2+2NaOH=Na2CO3+H2O
CO2+CaO=CaCO3
不反應(yīng)
SiO2+CaO=CaSiO3
高溫
HF
SiO2+4HF=SiF4↑+2H2O
不反應(yīng)
碳
CO2+C=2CO
SiO2+2C ==== Si+2CO↑
高溫
碳酸鹽
SiO2+2NaOH = Na2SiO3 + H2O
從組成上來(lái)分析，不再限于傳統(tǒng)的硅酸鹽體系。
1、特性和功能：在光學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)等方面具有很多新的特性和功能。
2、典型實(shí)例：碳化硅（SiC）（俗稱金剛砂）
其中的碳和硅通過(guò)共價(jià)鍵連接，具有類似金剛石的結(jié)構(gòu)，
硬度很大。
性能：
①硬度很大，可用作砂紙和砂輪的磨料；
②具有優(yōu)異的高溫抗氧化性能，可以用作耐高溫結(jié)構(gòu)材料、耐高溫半導(dǎo)體材料等。
新知探究
三、新型陶瓷
3、其它新型陶瓷：閱讀 科學(xué).技術(shù).社會(huì)
壓電陶瓷——主要有鈦酸鹽和鋯酸鹽等，能實(shí)現(xiàn)機(jī)械能與電能的相互轉(zhuǎn)化，可用于濾波器、揚(yáng)聲器、超聲波探傷器和點(diǎn)火器等。
透明陶瓷——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，優(yōu)異的光學(xué)性能，耐高溫，絕緣性好，用于高壓鈉燈、激光器和高溫探測(cè)器等。
超導(dǎo)陶瓷——在某一臨界溫度下電阻為零，具有超導(dǎo)性，用于電力、交通、醫(yī)療及磁懸浮技術(shù)。
高溫結(jié)構(gòu)陶瓷——一般用碳化硅、氮化硅或某些金屬氧化物等在高溫下燒結(jié)而成，具有耐高溫、抗氧化、耐磨蝕等優(yōu)良性能。更能適應(yīng)嚴(yán)酷的環(huán)境，可用于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)和高溫電極材料等。
新知探究
三、新型陶瓷
碳納米材料是近年來(lái)人們十分關(guān)注的一類新型無(wú)機(jī)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(yī)藥等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。
特別提示：碳納米材料(富勒烯、石墨烯等)、金剛石、石墨都是碳的同素異形體，它們具有不同的結(jié)構(gòu)(碳原子排列方式不同)和性質(zhì)。
新知探究
4、碳納米材料
三、新型陶瓷
類別 成分 性能 應(yīng)用
富勒烯 ——
碳納米管
石墨烯
由碳原子構(gòu)成的一系列籠形分子
納米汽車
由石墨層卷成的管狀物，具有納米尺度的直徑
比表面積大，強(qiáng)度高、優(yōu)良電化學(xué)性能
復(fù)合材料、電池、傳感器
只有一個(gè)碳原子直徑厚度的單層石墨
電阻率低、熱導(dǎo)率高，高強(qiáng)度
光電器件、超級(jí)電容器、電池和復(fù)合材料
新知探究
新知探究
碳納米管（單壁）

展開更多......

收起↑