資源簡介

(共29張PPT)
第三節 無機非金屬材料　
人教版必修第二冊
榆次一中 李金虎
學習目標
1．了解陶瓷、玻璃、水泥等傳統無機非金屬材料的生產原料、性能和主要用途，知道普通玻璃的主要成分。
2．了解硅、二氧化硅、新型陶瓷、納米材料的性能和用途，認識化學在社會、生活、生產、科學技術中的重要作用。
學習目標
1．通過研究硅酸鹽的結構與性質的關系，培養學生“宏觀辨識與微觀探析”的學科素養。
2．通過了解材料發展的歷史與前景，使學生認識化學在材料科學中的重要地位，體會化學的創造性和實用性，激發對化學科學的興趣。培養學生的“科學態度與社會責任”的學科素養。
素養目標
情境引入
硅谷（Silicon Valley），位于美國加利福尼亞北部的大都會區舊金山灣區南面，是高科技事業云集的圣塔克拉拉谷（Santa Clara Valley）的別稱。 是電子工業和計算機業的王國。
硅谷最早是研究和生產以硅為基礎的半導體芯片的地方，因此得名。
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。
情境引入
教學過程
材料按照化學組成和特性來分：
無機非金屬材料
金屬材料
高分子材料：
傳統無機非金屬材料（硅酸鹽材料）
新型無機非金屬材料
塑料、合成橡膠、合成纖維
材料
教學過程
一、硅酸鹽材料
硅氧四面體
1．概念：由硅元素、氧元素和金屬元素組成的化合物。
在硅酸鹽中，Si和O構成了 ，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。其結構如右圖所示。
2．結構
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。
3．性質
教學過程
二、傳統無機非金屬材料——陶瓷、玻璃、水泥
陶瓷 玻璃 水泥
教學過程
產品 原料 主要設備 主要成分 用途
陶瓷 黏土(主要成分為含水的鋁硅酸鹽) —— 硅酸鹽 建筑材料、絕緣材料、日用器皿、衛生潔具等
玻璃(普通) 純堿、石灰石、石英砂 玻璃窯 Na2SiO3、CaSiO3、SiO2 建筑材料、光學儀器、各種器皿、高強度復合材料等
水泥 石灰石、黏土、適量石膏 水泥回轉窯 硅酸鹽 建筑和水利工程
二、傳統無機非金屬材料——陶瓷、玻璃、水泥
典例1．
宋代五大名窯分別為鈞窯、汝窯、官窯、定窯、哥窯。其中鈞窯以“入窯一色，出窯萬彩”的神奇窯變著稱。下列關于陶瓷的說法不正確的是(　　)
A．窯變是高溫下釉料中的金屬化合物發生氧化還原反應導致的顏色變化
B．氧化鋁陶瓷屬于新型無機非金屬材料
C．高品質的瓷器晶瑩剔透，屬于純凈物
D．陶瓷屬于硅酸鹽材料，耐酸堿腐蝕，但是不能用來盛裝氫氟酸
課堂練習
【答案】C
【解析】不同的金屬氧化物顏色可能不同，在高溫下，釉料中的金屬化合物發生氧化還原反應導致的顏色變化稱為窯變，故A正確；瓷器的原料主要是黏土，瓷器中含有多種硅酸鹽和二氧化硅，是混合物，故C錯誤；HF能與二氧化硅反應，陶瓷的主要成分是硅酸鹽和二氧化硅，所以陶瓷不能用來盛裝氫氟酸，故D正確。
典例2．
“九秋風露越窯開，奪得千峰翠色來”是贊譽越窯秘色青瓷的詩句，描繪我國古代精美的青瓷工藝品。玻璃、水泥和陶瓷均為硅酸鹽制品，下列有關說法正確的是(　　)
A．玻璃是人類最早使用的硅酸鹽制品
B．制水泥的原料為純堿、石灰石和石英
C．硅酸鹽制品的性質穩定、熔點較高
D．沙子和黏土的主要成分均為硅酸鹽
課堂練習
【答案】C
【解析】陶瓷是人類最早使用的硅酸鹽制品，A項錯誤；純堿、石灰石和石英是制玻璃的原料，而制水泥的原料是黏土和石灰石，B項錯誤；沙子的主要成分是SiO2，黏土的主要成分是硅酸鹽，D項錯誤。
教學過程
二、新型無機非金屬材料
1. 硅
（1）硅元素的存在、結構與物性
晶體硅是灰黑色、有金屬光澤、硬而脆的固體，其結構類似于金剛石，熔沸點很高、硬度大，導電能力介于導體和絕緣體之間，是良好的半導體材料。
晶體硅
存在 原子結構示意圖 周期表中位置
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
教學過程
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的硅太陽能電池。
硅太陽能電池
硅芯片
（2）硅的用途
教學過程
（3）硅的制備
①制備原理：用焦炭還原石英砂，得到含少量雜質的粗硅，然后轉化為三氯硅烷，再經氫氣還原。
②制備流程：
③反應方程式：
從沙子到芯片的奇幻之旅
典例3．
習主席在2020年新年賀詞中強調“5G商用加速推出，凝結著新時代奮斗者的心血和汗水，彰顯了不同凡響的中國風采、中國力量”，而制造芯片用到高純硅，用SiHCl3(沸點：31.85℃，SiHCl3遇水會劇烈反應，除生成H2SiO3、HCl外，還生成一種氣體a)與過量H2在1100～1200 ℃反應制備高純硅的裝置如下圖所示(夾持裝置和尾氣處理裝置略去)，下列說法錯誤的是（ ）
A．實驗時，先打開裝有稀硫酸儀器的活塞，收集尾氣驗純，再預熱裝置Ⅳ石英管
B．裝置Ⅱ、Ⅲ中依次盛裝的是濃H2SO4、溫度高于32℃的溫水
C．Ⅰ裝置可用于二氧化錳固體與濃鹽酸反應制備氯氣
D．a氣體為H2
課堂練習
【答案】C
【解析】用二氧化錳固體與濃鹽酸反應制備氯氣需要加熱，C錯誤。
教學過程
2. 二氧化硅
立體網狀結構， Si 原子和 O 原子比例 1:2，通常用SiO2來表示二氧化硅的組成。
（1）結構
（2）物理性質
SiO2是不溶于水的固體，熔、沸點高，硬度大。
教學過程
（3）化學性質
教學過程
（4）用途
光導纖維、石英玻璃制化學儀器、石英表、石英鐘、水晶制光學儀器和工藝品、瑪瑙制精密軸承和裝飾品。
光導纖維
石英坩堝
水晶 瑪瑙
耐高溫化學儀器
典例4．
有些科學家提出硅是“21世紀的能源”，下列關于硅及其化合物的說法正確的是(　　)
A．SiO2是一種酸性氧化物，所以不和任何酸反應
B．高溫下，工業制硅的反應方程式為C+SiO2 Si+CO2
C．光導纖維的主要成分是SiO2
D．太陽能發電板的主要材料是SiO2
課堂練習
【答案】C
【解析】A. SiO2是一種酸性氧化物，能和氫氟酸反應，A錯誤；B. 高溫下，工業制硅的反應方程式為2C+SiO2 Si+2CO，B錯誤；C. 光導纖維的主要成分是SiO2，C正確；D. 太陽能發電板的主要材料是Si。
教學過程
3. 新型陶瓷
碳原子和硅原子通過共價鍵連接
結構：
性能
砂紙和砂輪的磨料
高溫抗氧化性能
硬度大
耐高溫結構材料
耐高溫半導體材料
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、磁學等方面有很多新的特性和功能。
氮化硅陶瓷
高溫
結構陶瓷
教學過程
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。
4. 碳納米材料
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。
富勒烯
教學過程
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。
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。
新材料的新秀——石墨烯和氧化石墨烯已成為物理、化學、材料科學研究的國際熱點課題。其結構模型如圖所示：
下列有關說法正確的是(　　)
A．石墨烯是一種新型化合物
B．氧化石墨烯即石墨烯的氧化物
C．二者和石墨都是碳的同素異形體
D．氧化石墨烯具有一定的親水性
課堂練習
【答案】D
【解析】石墨烯是碳的單質，A錯誤；氧化石墨烯含有氫元素，故不是石墨烯的氧化物，也不是碳的同素異形體，B、C錯誤；由于氧化石墨烯結構中含有羥基和羧基等親水基團，所以它具有一定的親水性，D正確。
典例5．
練習 1．
硅的氧化物及硅酸鹽構成了地殼中大部分的巖石、沙子和土壤。在無機非金屬材料中，硅一直扮演著主角。下列幾種物質中含有硅單質的是(　　)
課堂練習
【答案】C
【解析】瑪瑙、光導纖維和水晶的主要成分都是SiO2，硅單質可用來制造太陽能電池。
練習2．
宇航員在升空、返回或遇到緊急情況時，必須穿上10公斤重的航天服，我國宇航員的航天服是由我國科學家研制的新型“連續纖維增韌”航空材料做成的，主要由碳化硅、陶瓷和碳纖維復合而成。
下列相關敘述錯誤的是(　　)
A．它耐高溫、抗氧化　
B．它比鋼鐵輕,但質地較脆
C．它沒有固定熔點
D．它是一種新型無機非金屬材料
課堂練習
【答案】B
【解析】由題目信息中“連續纖維增韌”可知,該航天服的韌性很好，質地并不是很脆，B錯誤。
練習3．
金剛砂(SiC)可由SiO2和碳在一定條件下反應制得，反應的化學方程式為
SiO2＋3C SiC＋2CO↑，下列有關制造金剛砂的說法正確的是(　　)
A．該反應中的氧化劑是SiO2，還原劑為C
B．該反應中的氧化產物和還原產物的物質的量之比為1∶2
C．該反應中轉移12e－
D．該反應中的還原產物是SiC、氧化產物是CO
課堂練習
【答案】D
【解析】反應產物SiC中Si、C的化合價分別為＋4、－4價，所以SiO2既不是氧化劑，又不是還原劑；碳元素從0價轉變成－4價(SiC)和＋2價(CO)，CO是氧化產物，SiC是還原產物，兩者的物質的量之比為2∶1；根據化學方程式可知，該反應轉移4e－。
教堂小結
二氧化硅
硅
課后小任務
生產玻璃的原料是純堿、石灰石和石英砂(主要成分為SiO2),而玻璃的主要成分是Na2SiO3、CaSiO3和SiO2,那么在生產過程中發生了怎樣的反應 試寫出反應的化學方程式。
玻璃窯
感 謝 傾 聽　

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