資源簡(jiǎn)介

5.3.1 無(wú)機(jī)非金屬材料
第三節(jié) 無(wú)機(jī)非金屬材料
1.了解傳統(tǒng)無(wú)機(jī)非金屬材料的原料、成分、性能及其在生產(chǎn)中的應(yīng)用。
2.了解硅、二氧化硅的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及其在生產(chǎn)中的應(yīng)用。
3.知道幾種常見(jiàn)的新型無(wú)機(jī)非金屬材料的成分及在生產(chǎn)中的應(yīng)用。
[重點(diǎn)難點(diǎn)]
1.玻璃、水泥、硅、二氧化硅、新型陶瓷等無(wú)機(jī)非金屬材料的主要性能和用途，普通玻璃的主要成分。
2.硅氧四面體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與硅酸鹽的性質(zhì)，二氧化硅的性質(zhì)及應(yīng)用。
課堂導(dǎo)入
非金屬材料主要含有硅、氧等元素，具有耐高溫、抗腐蝕、硬度高等特點(diǎn)，以及特殊的光學(xué)、電學(xué)等性能，包括傳統(tǒng)無(wú)機(jī)非金屬材料和新型無(wú)機(jī)非金屬材料。
金屬材料
非金屬材料
一、傳統(tǒng)無(wú)機(jī)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。
硅酸鹽結(jié)構(gòu)
硅氧四面體結(jié)構(gòu)
性質(zhì)：硬度高、難溶于水、耐高溫、耐腐蝕
一、硅酸鹽
硅酸鹽：由Si 、O金屬(鋁,鐵,鈣,鎂,鉀,鈉等)等元素組成的化合物的總稱
表示方法：①用鹽的化學(xué)式表示，如Na2SiO3
②用氧化物形式表示，如Na2O ? SiO2
原則：X金屬氧化物?Y SiO2?Z H2O
注意事項(xiàng)：
①元素化合價(jià)不變、原子比例不變
②計(jì)量數(shù)以整數(shù)書(shū)寫(xiě)
③多種金屬同時(shí)存在，活潑的寫(xiě)在前面
Al2O3·2SiO2·2H2O
練習(xí)：
長(zhǎng)石（KAlSi3O8）、高嶺土[Al2Si2O5(OH)4]
用氧化物的形式來(lái)表示硅酸鹽的組成，但硅酸鹽不是由氧化物組成的，是純凈物，屬于鹽類
一、傳統(tǒng)無(wú)機(jī)非金屬材料---陶瓷
陶瓷
原料
歷史
應(yīng)用
黏土 ( 含水的鋁硅酸鹽 )高溫?zé)Y(jié)
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
一、傳統(tǒng)無(wú)機(jī)非金屬材料---玻璃
玻璃
成分
原料
生產(chǎn)
應(yīng)用
Na2SiO3 、CaSiO3、SiO2
純堿、石灰石和石英砂
含鉛光學(xué)玻璃，加入硼酸鹽制實(shí)驗(yàn)室玻璃儀器，加入金屬氧化物制造彩色玻璃
SiO2
Na2CO3+SiO2 Na2SiO3 + CO2↑
高溫
CaCO3+SiO2 CaSiO3 + CO2↑
高溫
一、傳統(tǒng)無(wú)機(jī)非金屬材料---水泥
黏土、石灰石
水泥
原料
應(yīng)用
條件
水泥回轉(zhuǎn)窯中煅燒，發(fā)生復(fù)雜反應(yīng)
水泥、沙子、碎石和水混合制作混凝土
一、傳統(tǒng)無(wú)機(jī)非金屬材料小結(jié)
產(chǎn)品
原料
設(shè)備
主要成分
性能
用途
陶瓷
陶瓷窯
耐高溫、硬度大、耐腐蝕、性質(zhì)穩(wěn)定
玻璃
透光性好、硬度大、無(wú)固定熔點(diǎn)
水泥
遇水逐漸變硬(水硬性)硬化后性質(zhì)穩(wěn)定
黏土
黏土、石灰石、適量石膏
玻璃窯
水泥回轉(zhuǎn)窯
含水的鋁硅酸鹽
Na2SiO3、CaSiO3、SiO2
建筑材料、日用器皿、衛(wèi)生潔具等
建筑材料、各種器皿、光學(xué)儀器等
用于建筑和水利工程
純堿、石灰石、 石英砂
2. 常見(jiàn)的硅酸鹽材料
二、新型無(wú)機(jī)非金屬材料
新型無(wú)機(jī)非金屬材料：滿足科技發(fā)展的需要，應(yīng)用于高端領(lǐng)域，含有硅、碳、氮等元素
二、新型無(wú)機(jī)非金屬材料
第三周期、第ⅣA族
硅元素地殼中含量排第二，
應(yīng)用最廣泛的半導(dǎo)體材料，
是親氧元素，自然界無(wú)硅單質(zhì)
+16
2
8
4
(1)硅
1. 硅和二氧化硅
硅單質(zhì)
硅，金屬光澤的灰黑色固體，熔沸點(diǎn)高、硬度大、有脆性，導(dǎo)電性介于導(dǎo)體和絕緣體之間，是良好的半導(dǎo)體材料，高純度硅廣泛應(yīng)用于信息技術(shù)和新能源技術(shù)等領(lǐng)域。
拓展：金剛石和晶體硅的結(jié)構(gòu)相似。在晶體中，每個(gè)碳硅原子都以共價(jià)鍵與相鄰4個(gè)碳（硅）原子結(jié)合，形成正四面體的立體網(wǎng)狀。所以，金剛石和晶體硅的熔沸點(diǎn)都很高，硬度也很大。
硅單質(zhì)化學(xué)性質(zhì)
加熱
Si+O2 === SiO2
加熱
Si+Cl2 === SiCl4
高溫
Si+C === SiC(金剛砂)
Si+2F2 === SiF4
Si+2NaOH+H2O === Na2SiO3+2H2↑
Si+4HF === SiF4↑+2H2↑
(與唯一酸反應(yīng))
① 常溫下化學(xué)性質(zhì)不活潑，只能跟F2、HF、NaOH溶液反應(yīng)。
② 在加熱條件下，單質(zhì)硅能與Cl2、 O2、C等非金屬單質(zhì)反應(yīng)。
制取硅單質(zhì)
① SiO2 + 2C Si + 2CO↑
1800 0C ~ 2000 0C
② Si + 3HCl SiHCl3 + H2
300 0C
③ SiHCl3 + H2 Si + 3HCl
1100 0C
高溫
SiO2+2C === Si+2CO↑
(1)粗硅的制取
注意產(chǎn)物不是CO2
(2)高純硅的制取
二氧化硅
沙子
純凈的二氧化硅
無(wú)色透明
SiO2
瑪瑙
石英砂
水晶
二氧化硅
⑴ 存在形式
硅藻土
石英、水晶、瑪瑙、沙子
結(jié)晶形：
無(wú)定形：
統(tǒng)稱硅石
空間構(gòu)型：硅氧四面體（空間網(wǎng)狀）
熔沸點(diǎn)高、硬度大、不溶于水
⑵ 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
Si原子和O原子比例=1：4×?????????=1:2
?
二氧化硅
①酸性氧化物，具有酸性氧化物的通性
a. SiO2 不溶于水，不與水反應(yīng)
b.SiO2 可與堿性氧化物反應(yīng)
SiO2 + CaO CaSiO3
高溫
c.SiO2 可與強(qiáng)堿反應(yīng)
SiO2 + 2NaOH Na2SiO3 + H2O
③特性：SiO2 可與氫氟酸（HF）反應(yīng)
SiO2 + 4HF SiF4↑ + 2H2O
(3) 化學(xué)性質(zhì)
②弱氧化性：
SiO2+2C === Si+2CO ↑
高溫
二、新型無(wú)機(jī)非金屬材料
硅芯片
硅太陽(yáng)能電池板
光導(dǎo)纖維(SiO2)
(3) 硅和二氧化硅的用途
①高純硅用于制造芯片和硅太陽(yáng)能電池。
②二氧化硅用于生產(chǎn)光導(dǎo)纖維。
二、新型無(wú)機(jī)非金屬材料
類別
成分
性能
應(yīng)用
金剛砂
高溫
結(jié)構(gòu)陶瓷
壓電陶瓷
透明陶瓷
超導(dǎo)陶瓷
YBa2Cu3O7-δ
Bi2Sr2Ca2Cu3O10
Tl2Ba2Ca2Cu3O10
SiC、Si3N4
某些金屬氧化物
耐高溫、抗氧化、耐腐蝕
火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、高溫電極材料
鈦酸鹽、鋯酸鹽
實(shí)現(xiàn)機(jī)械能與電能的相互轉(zhuǎn)化
濾波器、揚(yáng)聲器、點(diǎn)火器
氧化鋁、氧化釔
氮化鋁、氟化鈣
優(yōu)異的光學(xué)性能、耐高溫，絕緣性好
高壓鈉燈、激光器、高溫探測(cè)窗
某臨界溫度下電阻為零，超導(dǎo)性
電力、交通、醫(yī)療
耐高溫結(jié)構(gòu)材料
耐高溫半導(dǎo)體材料
碳化硅(SiC)
硬度大、耐高溫、抗氧化
2. 新型陶瓷
二、新型無(wú)機(jī)非金屬材料
納米汽車(chē)
富勒烯
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
3. 碳納米材料
富勒烯是由碳原子構(gòu)成的一系列籠形分子的總稱，如C60，可制碳納米材料。
二、新型無(wú)機(jī)非金屬材料
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。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。
二、新型無(wú)機(jī)非金屬材料
石墨烯電池
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。其在光電器件、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。
補(bǔ)充---硅酸（H2SiO3 ）
a.難溶于水的弱酸，其酸性不能使石蕊溶液變紅
a. 受熱易分解：
△
H2SiO3 === H2O + SiO2
b.與堿反應(yīng)：H2SiO3 + 2NaOH === Na2SiO3 + 2H2O
硅酸凝膠經(jīng)干燥脫水就形成干膠，稱為“硅膠”。
①弱酸
②不穩(wěn)定性
補(bǔ)充---硅膠
硅酸凝膠經(jīng)干燥脫水就形成干膠，稱為“硅膠”。
藍(lán)色硅膠干燥劑（氯化鈷）
橙色硅膠干燥劑（甲基紫）
硅膠：可作干燥劑和催化劑的載體。
補(bǔ)充---硅酸鈉
1. 性質(zhì)
制備硅膠、木材防火劑、 肥皂填充劑、黏膠劑
相對(duì)穩(wěn)定、不能燃燒、不易被腐蝕，水溶液有黏性
Na2SiO3水溶液俗稱：水玻璃
2. 用途
Na2SiO3＋CO2＋H2O === H2SiO3(膠體)＋Na2CO3
課堂小練
判斷正誤
(1)晶體硅熔點(diǎn)高、硬度大，故可用作半導(dǎo)體材料(　　)
(2)石英砂可用于生產(chǎn)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(yīng)(　　)
(4)氮化硅陶瓷是新型無(wú)機(jī)非金屬材料(　　)
(5)向硅酸鈉溶液中通入適量CO2，出現(xiàn)白色沉淀，證明碳的非金屬性強(qiáng)于硅 (　　)
×
√
×
√
√
課堂小練
1. 下列說(shuō)法不正確的是( )
A．傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)非金屬材料多為硅酸鹽材料，如陶瓷、玻璃、水泥
B．二氧化硅用于光伏電站、人造衛(wèi)星和電動(dòng)汽車(chē)等的太陽(yáng)能電池
C．碳化硅硬度很大，可用作砂紙和砂輪的磨料
D．碳納米材料包括富勒烯、碳納米管、石墨烯等
B
課堂小練
2. ( 2022 ·杭州高一檢測(cè))據(jù)報(bào)道，科學(xué)家通過(guò)對(duì)稻殼進(jìn)行控制性熱解，可從中提取一種叫作生物質(zhì)納米結(jié)構(gòu)二氧化硅的超高活性材料，將少量這種材料摻入混凝土中，即可制備出超高強(qiáng)度的高性能混凝土。下列關(guān)于二氧化硅的說(shuō)法正確的是( )
A．二氧化硅溶于水生成硅酸，所以二氧化硅屬于酸性氧化物
B．二氧化碳通入水玻璃中可以得到硅酸
C．因?yàn)楦邷貢r(shí)二氧化硅與碳酸鈉反應(yīng)放出二氧化碳，所以硅酸酸性比碳酸強(qiáng)
D．水晶是比較純凈的二氧化硅，沙子的主要成分是硅酸鹽
不溶于水
硅酸的酸性比碳酸的弱
二氧化硅
B
課堂小練
3. 下列關(guān)于硅酸的說(shuō)法正確的是（　　）
A．硅酸可以通過(guò) SiO2 和 H2O 化合反應(yīng)直接制得
B．可用反應(yīng) Na2SiO3+2HCl = 2NaCl + H2SiO3↓ 制取硅酸C．因?yàn)楣杷犭y溶于水，所以它不能與 NaOH 溶液反應(yīng)
D．干燥劑“硅膠”的主要成分是硅酸鈉
B
課堂小練
二氧化硅（SiO2）——物理性質(zhì)
石英坩堝
瑪瑙研缽
石英鐘表
坩堝
水晶飾品
光導(dǎo)纖維
瑪瑙飾品
玻璃

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