資源簡介

(共33張PPT)
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
課時1 新型無機非金屬材料
貳
叁
知識導航
本節重難點
硅的性質及用途
壹
二氧化硅的性質與用途
貳
新型陶瓷和納米材料
叁
課堂導入
世界著名高科技產業區——硅谷
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。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。
探究課堂
硅的存在
硅是親氧元素，沒有游離態，只有化合態。硅在自然界中主要以：
硅酸鹽（如地殼中的大多數礦物）和 氧化物（如水晶、瑪瑙）的形式存在。
硅酸鹽——石榴石
氧化物——水晶
探究課堂
硅在地殼中的含量
僅次于氧，排在第二位。
Si-26.30%
2
地殼中含量前五位的元素
氧、硅、鋁、鐵、鈣
探究課堂
硅的類型
晶 體 硅
不 定 型 硅
探究課堂
晶體硅的物理性質
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。
探究課堂
硅元素位于元素周期表中：第三周期 ⅣA族
硅在元素周期表中的位置
處于金屬和非金屬的過渡位置
探究課堂
硅的原子結構示意圖
Si
+14
8
4
2
硅原子的最外電子層有4個電子，既不容易得到4個電子，也不容易失去4個電子
硅的化學性質不活潑，主要形成四價化合物
探究課堂
硅單質的化學性質
常溫下，硅的化學性質不活潑，除氫氟酸、氟氣、強堿外不跟其他物質反應。
與氟氣反應：
化學方程式：
Si+2F2 = SiF4
與氫氟酸反應：
化學方程式：
Si+4HF = SiF4↑+2H2↑
與強堿溶液反應：
化學方程式：
Si+2NaOH+H2O =Na2SiO3+2H2↑
探究課堂
加熱條件下，硅也能和一些非金屬反應。
與氯氣反應：
化學方程式：
與氧氣反應：
化學方程式：
Si+2Cl2 SiCl4
Si + O2 SiO2
與碳反應：
化學方程式：
Si + C SiC
高溫
硅單質的化學性質
探究課堂
制備原理
制備流程
反應 方程式
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。
高純硅的制備
探究課堂
能否通過反應SiO2＋2C Si＋2CO↑證明C、Si的還原性強弱？
高溫
氧化性、還原性的強弱，必須是在通常的情況下發生的反應，
上述反應是在高溫條件下發生的，故不能比較還原性的強弱。
探究課堂
硅的用途
Si導電性介于導體和半導體之間，是良好的半導體材料，硅是信息技術的關鍵材料。
硅太陽能電池
半導體材料
硅芯片
探究課堂
【例1】我國具有獨立知識產權的電腦芯片“龍芯一號”的問世，填補了我國計算機制造史上的一項空白。下列對晶體硅的有關敘述正確的是( 　 )
A．晶體硅和金剛石的物理性質相似
B．晶體硅的化學性質不活潑，常溫下不與任何物質發生反應
C．晶體硅是一種良好的半導體材料，但是它的提煉工藝復雜，價格昂貴
D．晶體硅具有金屬光澤，故它屬于金屬材料，可以導電
A
探究課堂
光導纖維被認為是20世紀最偉大的發明之一，它使信息高速公路在全球迅猛發展。光導纖維的主要成分是什么？堿性環境下，光導纖維為什么會失去傳播信號的能力？
探究課堂
二氧化硅在自然界中的存在
有結晶形和無定形兩大類，通稱硅石。
瑪瑙
水晶
石英
結晶形
硅藻土
無定形
探究課堂
二氧化硅的結構
四面體結構
每1個Si原子周圍結合4個O原子，
Si在中心，O在四個頂角。
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。
立體網狀結構決定了SiO2具有優良的物理和化學性質。
物理性質：
硬度大，熔點高，難溶于水
化學性質：
化學穩定性好
探究課堂
從物質組成和性質角度來分類，SiO2屬于哪類物質？有什么化學性質？
酸性氧化物
通性
與水反應
與堿反應
與堿性氧化物反應
SiO2不溶于水，也不與水反應
與強堿反應(如NaOH)
SiO2+2NaOH = Na2SiO3+H2O
硅酸鈉
俗稱泡花堿，其水溶液俗稱“水玻璃”，可作粘合劑、防火劑
與堿性氧化物反應(如CaO)
SiO2+CaO CaSiO3
高溫
二氧化硅的化學性質
探究課堂
為什么實驗室盛放堿溶液的試劑瓶使用橡膠塞，而不用玻璃塞？
若使用帶玻璃塞的試劑瓶盛放堿液，堿液能與玻璃中SiO2發生反應生成Na2SiO3，導致玻璃塞與瓶口內側粘連而無法打開。
探究課堂
加熱熔融NaOH時，為什么不能使用陶瓷坩堝，石英坩堝和鋁坩堝，只能使用鐵坩堝？
陶瓷和石英的主要成分都含有SiO2，SiO2能與NaOH反應，鋁坩堝的主要成分是氧化鋁，也能與NaOH反應。
探究課堂
二氧化硅的化學性質
特性：與酸反應（只能與HF反應）
SiO2+4HF = SiF4↑+2H2O
HF能腐蝕玻璃，因此，盛裝氫氟酸不能用玻璃試劑瓶而要用塑料瓶
與C反應（工業制粗硅）
SiO2+2C Si+2CO↑
高溫
HF刻蝕的玻璃
探究課堂
SiO2既能與強堿反應，又能與HF反應，SiO2是兩性氧化物嗎？
不是，二氧化硅和其他酸不反應，只能與HF酸反應，且生成的SiF4不是鹽
探究課堂
二氧化硅的用途
光導纖維
石英坩堝
玻璃儀器
水晶、瑪瑙飾品
探究課堂
【例2】下列敘述正確的是(　　)
A．SiO2既能和NaOH溶液反應，又能和氫氟酸反應，所以SiO2屬于兩性氧化物
B．因為Na2CO3＋SiO2 Na2SiO3＋CO2↑，所以硅酸的酸性比碳酸強
C．CO2和SiO2都能與碳反應，且都作氧化劑
D．CO2和SiO2都是由分子構成的化合物，所以兩者物理性質相似
C
探究課堂
【例3】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
C
探究課堂
【例4】判斷正誤(正確的打“√”，錯誤的打“×”)
(1)硅元素在自然界中既有化合態，又有游離態。(　　)
(2)氫氟酸不能用玻璃試劑瓶保存。(　　)
(3)水晶、石英、沙子、瑪瑙、光導纖維的主要成分均是SiO2。(　　)
(4)光導纖維在強堿性條件下易發生“斷路”。(　　)
(5)普通玻璃和水泥的生產原料均含石灰石。(　　)
(6)光電池可以將光能直接轉化為電能。(　　)
×
√
√
√
√
√
探究課堂
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、熱學、電學、磁學等方面有很多新的特性和功能。
高溫陶瓷
壓電陶瓷
透明陶瓷
碳化硅（SiC）俗稱金剛砂
硬度很大，可用作砂紙和砂輪的磨料
還具有優異的高溫抗氧化性能，可以用作耐高溫結構材料、耐高溫半導體材料等。
超導陶瓷
探究課堂
碳納米材料
富勒烯C60
石墨烯
碳納米管（單壁）
碳納米管（多壁）
碳納米材料在能源、信息、醫藥等領域有著廣闊的應用前景。
結構特點 應用
富勒烯 由碳原子構成的一系列籠形分子的總稱 代表物C60開啟碳納米材料研究和應用的新時代
碳納米管 由石墨片層卷成的管狀物，具有納米尺度的直徑 用于生產復合材料、電池和傳感器等
石墨烯 只有一個碳原子直徑厚度的單層石墨 應用于光電器件、超級電容器、電池和復合材料等
探究課堂
【例5】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(　　)
C
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
探究課堂
【例6】下列物品或設施：
①陶瓷餐具 ②磚瓦 ③混凝土橋墩 ④門窗玻璃 ⑤水晶鏡片 ⑥石英鐘
⑦水晶項鏈 ⑧硅太陽能電池 ⑨光導纖維 ⑩計算機芯片 彩色玻璃
金剛砂 氧化鋁陶瓷 石墨烯
(1)使用了硅單質的是： (填序號，下同)
(2)使用了二氧化硅的是：
(3)使用了硅酸鹽材料的是：
(4)使用了新型無機非金屬材料的是：
⑧⑩
⑤⑥⑦⑨
①②③④
⑤⑥⑦⑧⑨⑩
課堂小結
新型無機非金屬材料
硅和二氧化硅
新型陶瓷
高溫結構陶瓷、壓電陶瓷、透明陶瓷、超導陶瓷
石墨烯、富勒烯、碳納米管
存在：化合態（親氧元素）
二氧化硅
類別：酸性氧化物
用途：光導纖維
特性：與HF反應
制備
用途：芯片、電池
納米材料
硅
謝謝觀看
THANKS

展開更多......

收起↑