資源簡介

(共39張PPT)
第三節 無機非金屬材料
硅酸鹽材料
一、硅酸鹽材料
硅酸鹽是由硅、氧和金屬元素組成的化合物的總稱
硅酸鹽一般結構復雜，存在于地殼、巖石中
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
許多四面體通過頂角的O相互連接
每個 O 為兩個四面體所共有，與 2 個 Si 相結合
硅酸鹽材料大多硬度高、熔點高、難溶于水、化學性質穩定、耐腐蝕等
傳統非金屬材料多為硅酸鹽材料，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。
水泥
陶瓷
玻璃
1.陶瓷（China）
土與火的完美結合
陶瓷的種類很多，主要分為土器、陶器、炻器、瓷器。
原料：
黏土 ( 含水的鋁硅酸鹽 )
條件：
用途：
建筑材料、絕緣材料、日用器皿、衛生潔具等
高溫燒結
性質：
陶瓷具有抗氧化、抗酸堿腐蝕、耐高溫、絕緣、易成型等許多優點，因此，陶瓷制品一直為人們所喜愛。
傳統陶瓷的應用：
日用器皿
衛生潔具
2.玻璃
沙與火的淬煉
透光性好、硬度大、無固定熔點
純堿、石灰石、石英
玻璃窯
高溫熔融，復雜的物理和化學變化
SiO2+CaCO3=== CaSiO3+CO2
SiO2+Na2CO3=== Na2SiO3+CO2
高溫
高溫
原料：
設備：
條件：
主要反應：
SiO2
硅酸鈉、硅酸鈣、二氧化硅
主要成分：
建筑材料、光學儀器、各種器皿、玻璃纖維等
用途：
3.水泥
黏土、石灰石
原料
設備：
水泥回轉窯
條件：
高溫煅燒，發生復雜的物理和化學變化
主要成分：
硅酸三鈣、硅酸二鈣、鋁酸三鈣等
用途：
輔料石膏調節水泥硬化速率
建筑材料
水泥砂漿：水泥、沙子和水的混合物
混凝土：水泥、沙子、碎石的混合物
萬丈高樓平地起，穿針引線是水泥。
水泥
砼，漢語詞匯，拼音tóng，混凝土的同義詞。在工程設計和施工中，
經常把混凝土三個字簡寫為砼。砼字的創造者是著名結構學家蔡方蔭教授。
陶瓷 玻璃 水泥
主要原料 黏土（主要成分為含水的鋁硅酸鹽） 純堿、石灰石、石英砂（主要成分是SiO2） 黏土、石灰石
主要成分 Na2SiO3、CaSiO3、SiO2 硅酸三鈣、硅酸二鈣、鋁酸三鈣等
反應原理 高溫燒結而成 高溫下發生復雜的物理和化學變化
用途 建筑材料、絕緣材料、日用器皿、衛生潔具等 建筑材料、光學儀器和各種器皿、制造玻璃纖維用于高強度復合材料等 制混凝土，大量用于建筑和水利工程
1.陶瓷是火與土的結晶，是中華文明的象征之一，其形成、性質與化學有著密切的關系。下列說法錯誤的是( )
A.“雨過天晴云破處”所描述的瓷器青色，來自氧化鐵
B.聞名世界的秦兵馬俑是陶制品，由黏土經高溫燒結而成
C.陶瓷是應用較早的人造材料，主要化學成分是硅酸鹽
D.陶瓷化學性質穩定，具有耐酸堿侵蝕、抗氧化等優點
A
二、最簡單的硅酸鹽——硅酸鈉
Na2SiO3，俗稱泡花堿，白色固體，可溶于水，水溶液俗稱水玻璃，是一種礦物膠，有很強的黏合性。
與酸反應：
Na2SiO3+2HCl = 2NaCl+ H2SiO3↓
Na2SiO3+2H2O+CO2(過量）= 2NaHCO3+H2SiO3↓
Na2SiO3+H2O+CO2(少量） = Na2CO3+H2SiO3↓
硅酸鈉的用途：①制硅酸； ②黏合劑(礦物膠)；
③耐火阻燃材料； ④防腐劑
硅酸鹽的表示方法
1.直接用化學式
Na2SiO3、CaSiO3
2.復雜的用氧化物形式表示
黏土：Al2(Si2O5)(OH)4
Al2O3·2SiO2·2H2O
正長石：KAlSi3O8
K2O·Al2O3·6SiO2
H2SiO3：白色沉淀，不溶于水的弱酸，酸性比碳酸弱，受熱易分解
三、高中唯一的難溶弱酸——硅酸
H2SiO3 H2O+SiO2
溶液中生成的硅酸逐漸聚合而形成硅酸溶膠（能流動），當硅酸的濃度較大時，就會形成硅酸凝膠（不能流動），硅酸凝膠經過干燥脫水就形成硅膠。
硅膠多孔，吸附水份能力強，常用作實驗室和袋裝食品，瓶裝藥品等的干燥劑，也可以用作催化劑的載體。
硅酸
聚合
硅酸凝膠
干燥脫水
硅酸干凝膠
“硅膠”
硅膠的用途：
食品、藥品的干燥劑
催化劑的載體
四、硅單質——芯片的主體
1、存在形式
{
晶體硅
無定形硅
灰黑色晶體，有金屬光澤，熔點高
硅是一種親氧元素，在自然界中沒有游離態，一般以SiO2或硅酸鹽的形式存在。
硅單質的導電性介于導體和絕緣體之間，是應用最廣泛的半導體材料。
晶體硅中的雜質會影響其導電性能，因此必須制備高純度的硅。
2、高純硅制備
石英砂
粗硅
SiHCl3
高純硅
1800 ~ 2000℃
焦炭
300℃
HCl
1100℃
H2
① SiO2 + 2C Si(粗) + 2CO↑
1800 0C ~ 2000 0C
② Si + 3HCl SiHCl3 + H2
300 0C
③ SiHCl3 + H2 Si + 3HCl
1100 0C
3、硅的原子結構
Si
+14
8
4
2
硅原子的最外電子層有4個電子，其原子既不易失去也不易得到電子，主要形成四價的化合物。
硅單質的正四面體立體網狀結構，決定了硅熔點(1410℃)、沸點高、硬度大。
4、硅的化學性質
①常溫下化學性質不活潑，只能跟F2、HF和 NaOH溶液反應。
Si＋2F2＝SiF4 Si＋4HF＝SiF4↑＋2H2↑
Si＋2NaOH＋H2O＝Na2SiO3＋2H2↑
②在高溫條件下，單質硅能與O2和Cl2等非金屬單質反應。
Si＋O2 SiO2
Si + 2Cl2 ==== SiCl4
5、硅的用途
高純硅廣泛應用于信息技術和新能源技術領域。
利用其半導體性能可以制成計算機、通訊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。
硅晶片用于生產芯片
五、二氧化硅——酸性氧化物
沙子
石英砂
瑪瑙
水晶
SiO2
1、物理性質
硬度大、熔沸點高、常溫下為固體、難溶于水、不導電、立體網狀結構
2、化學性質
(1)、酸性氧化物
① 不溶于水，不與水反應（特殊）
SiO2 + CaO CaSiO3
高溫
③與堿性氧化物反應
②與強堿反應
SiO2 + 2NaOH = Na2SiO3 + H2O
④ 與某些鹽反應
盛堿的試劑瓶不能用玻璃塞，要用橡膠塞！
(2)、氧化性
SiO2 + 2C ==== Si + 2CO↑
高溫
(3)、特性與氫氟酸（HF）反應
SiO2 + 4HF = SiF4↑ + 2H2O
3、SiO2用途——光導纖維
光導纖維
石英坩堝
玻璃儀器
精美瓷器
（通信）
六、新型無機非金屬材料
1. 新型陶瓷
碳化硅（SiC）
碳化硅，俗稱金剛砂，其中的碳原子和硅原子通過共價鍵連接，具有類似金剛石的結構，硬度很大，可用作砂紙和砂輪的磨料。碳化硅還具有優異的高溫抗氧化性能，可用作耐高溫結構材料、耐高溫半導體材料等。
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。
4MHz壓電陶瓷聚焦超聲波片
高頻壓電陶瓷諧振器
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。
透明陶瓷
氧化鋁陶瓷
二氧化鋯
超導陶瓷
在某一臨界溫度下電阻為零，具有超導性，可用于電力、交通、醫療等領域。如：人工關節、磁懸浮技術
2.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——納米王子
由碳原子構成的一系列籠形分子的總稱
C60的發現為納米科學提供了重要研究對象，開啟了納米材料研究和應用的新時代，具有超導性能，在電學、光學、磁學等方面都有重要應用
碳納米管
可看成是由石墨片層卷成的管狀物
結構：
性質：
用途：
比表面積大，有相當高的強度和優良的電學性能
用于生產復合材料、電池和傳感器等
直達宇宙的太空天梯
只有一個碳原子直徑厚度的單層石墨
結構：
性質：
用途：
電阻率低，熱導率高，具有很高的強度
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
石墨烯
新材料之王
1. 碳納米管、石墨烯、C60等新型碳材料具有廣闊的應用前景。下列說法正確的是(　　)
A.碳納米管屬于膠體 B.石墨烯屬于有機化合物
C.C60與金剛石互為同素異形體 D.均具有相同的熔點
C
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