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人教版高中化學必修第二冊
第五章 第三節 第一課時
無 機 非 金 屬 材 料
新課引入
教師導學 材料的分類
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。
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
新型無機非金屬材料
塑料、合成橡膠、合成纖維
教師導學 硅酸鹽材料
（一）硅酸鹽的組成、表示和性質
1.概念：由Si、O、金屬（鋁、鐵、鈣、鎂、鉀、鈉等）等元素組成的化合物的總稱。
2.書寫：
用鹽的化學式表示，如Na2SiO3
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：①元素化合價不變
②原子比例不變
③多種金屬同時存在，活潑的寫在前面
陶瓷
玻璃
水泥
教師導學 拓展：硅酸鹽的結構
立體網狀結構
SiO2晶體中沒有SiO2分子存在，只存在硅氧原子，因此性質穩定。二氧化硅中氧原子與硅原子個數比為2：1，用SiO2來表示；SiO2的組成,表示O與Si的原子個數比,不是分子式是化學式。
SiO2是由Si和O按1 ： 2的比例組成的立體空間網狀結構。
1molSiO2含有多少硅氧鍵？
以硅為研究對象，1molSiO2含有1mol硅原子，1mol硅原子會形成4mol硅氧鍵
正四面體結構
3.結構：
在硅酸鹽中，Si和O構成了硅氧 結構，Si在中心，O在四面體的4個頂角，每個Si結合
個O，每個O為兩個四面體所共有結合 個Si。
四面體
4
2
教師導學：硅酸鈉的性質
4.性質：
硅氧四面體結構的特殊性決定了大多數硅酸鹽材料具有硬度高、難溶于水、耐高溫、耐腐蝕等特點。
例如Na2SiO3
Na2SiO3 + 2HCl = H2SiO3↓ + 2NaCl
Na2SiO3 + CO2+H2O= H2SiO3↓+ Na2CO3
保存方法：密封保存
結論：硅酸是弱酸，酸性比碳酸弱
化學性質：水玻璃顯堿性，易吸收空氣中的CO2生成硅酸（白色膠狀沉淀）
物理性質：白色晶體，俗稱泡花堿，水溶液俗稱：水玻璃
用途：制備硅膠、木材防火劑、 肥皂填充劑、黏膠劑
硅酸鹽材料
總結歸納
產品 原料 主要成分 應用
陶瓷 _______ (含水的鋁硅酸鹽)
玻璃 普通玻璃：
水泥
產品 原料 主要成分 應用
陶瓷 _______ (含水的鋁硅酸鹽)
玻璃 普通玻璃：
水泥
黏土
生產建筑材料、絕緣材料、日用器皿、衛生潔具等
純堿、石灰石和石英砂（主要成分是SiO2）
Na2SiO3、CaSiO3和SiO2
生產建筑材料、光學儀器和各種器皿，制造玻璃纖維用于高強度復合材料
黏土、石灰石、石膏
大量用于建筑和水利工程
同伴助學 硅酸鹽材料
圖5-21金屬氧化物可以使玻璃呈現不同的顏色
資料卡片
加入元素或物質 玻璃特性 用途
含鉛原料 光學玻璃:透光性好,折射率高 制造眼鏡、照相機和光學儀器的透鏡
硼酸鹽 耐化學腐蝕、耐溫度急劇變化 制造可用于實驗室使用的玻璃儀器
金屬氧化物或鹽 彩色玻璃 用于建筑和裝飾
特種玻璃
（Co2O3、CuO）
傳統無機非金屬材料
【思考交流】
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。
制造玻璃主要反應：
SiO2+Na2CO3 Na2SiO3+CO2↑
SiO2+CaCO3 CaSiO3+CO2↑
這兩個反應都是固體物質在高溫下發生的，與酸性無關，不能通過這兩個反應得出：
酸性：H2SiO3>H2CO3
水晶（ SiO2 ）
瑪瑙（ SiO2 ）
硅酸鹽礦石
教師導學 新型無機非金屬材料
（一）硅
隨著科學技術的發展，無機非金屬材料突破了傳統的硅酸鹽體系，一系列新型無機非金屬材料相繼問世。
高純度的含硅元素的材料：單晶硅、二氧化硅等，具有特殊的光學和電學性能。
含碳、氮等其他元素，在航天、能源和醫療等領域廣泛應用。
思考：根據以下圖片總結歸納出硅元素在自然界中的存在形式？
①存在：硅元素含量在地殼中居第二位。硅是親氧元素，在自然界中沒有游離態，主要以硅酸鹽和
氧化物的形式存在。
自然界中不存在游離態的硅。
晶體硅和二氧化硅
碳納米管
新型陶瓷
怎么認識硅及其代合物的性質
【類比思考】根據硅的原子結構示意圖以及在元素周期表的位置，找出硅及其化合物并推測對應的性質
Si
SiO2
H2SiO3
Na2SiO3
C
CO2
H2CO3
Na2CO3
教師導學 新型無機非金屬材料
(1) 硅元素的存在與結構
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___位 _________ __________ _______
_______
二
氧化物
和硅酸鹽
第三周期
第ⅣA族
硅正好處于金屬與非金屬的過渡位置，其單質的導電性介于導體與絕緣體之間，是良好的半導體材料。
(2) 硅的導電性：
（一）硅
教師導學 新型無機非金屬材料
（3）高純硅的制備
資料卡片
工業上制備高純硅，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，可以將粗硅轉化為三氯硅烷(SiHCl3)，再經氫氣還原得到高純硅。
焦碳
石英砂
HCl
H2
粗硅
1 800～2000℃
300℃
SiHCl3
圖5-23工業制備高純硅的原理示意圖
高純硅
1 100℃
（1）SiO2+2C == Si+2CO ↑ (粗硅)
高溫
（2）Si+3HCl == SiHCl3+H2
高溫
（3）SiHCl3+H2 == Si+3HCl（高純硅）
高溫
均為置換反應
教師導學 新型無機非金屬材料
（4）高純硅的應用
①芯片
②太陽能電池
SiO2+2C == Si+2CO ↑ (粗硅)
高溫
工業上利用焦炭與SiO2在高溫下反應制備粗硅，由此能否說明碳的還原性大于硅？
提示：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。
【思考交流】
石英砂
(主要礦物成分是SiO2)
教師導學 新型無機非金屬材料
（5）硅的化學性質
在常溫下只能與氟氣(F2)、HF、氫氧化鈉反應，加熱時能與氧氣、氯氣反應。
①穩定性：常溫下三反應
Si+2F2 = SiF4
Si+2NaOH+H2O == Na2SiO3+2H2↑
Si+4HF == SiF4↑+2H2↑(與唯一酸反應)
②還原性：加熱(高溫)三反應
Si+2Cl2 == SiCl4
Si+O2 == SiO2
高溫
Si+C == SiC(金剛砂)
教師導學 新型無機非金屬材料
（1）二氧化硅的物理性質
（二）二氧化硅
熔沸點高、硬度大、不溶于水
是沙子、水晶、石英、瑪瑙的主要成分
（2）二氧化硅的化學性質
①酸性氧化物
與強堿溶液反應：
與堿性氧化物反應：
SiO2+2NaOH = Na2SiO3 + H2O
SiO2 + Na2O ==== Na2SiO3
高溫
與碳酸鹽反應
SiO2 + Na2CO3 === Na2SiO3 +CO2 ↑
高溫
SiO2 + CaCO3 ==== CaSiO3 +CO2 ↑
高溫
工業生產玻璃原理
主要成分：
SiO2、CaSiO3、Na2SiO3
②弱氧化性
SiO2 + 2C ===== Si + 2CO↑
高溫
用途：制粗硅
SiO2 + 4HF == SiF4↑+2H2O
③特性：與HF反應
——唯一能與SiO2反應的酸
用途：刻蝕玻璃
不能與水反應生成硅酸
Si
SiO2
H2SiO3
Na2SiO3
H2SiO3具有哪些性質？如何制備？
Si
SiO2
H2SiO3
Na2SiO3
Na2SiO3+2HCl=2NaCl+H2SiO3↓
硅酸是一種弱酸，比碳酸弱，不能使紫色石蕊溶液變紅；不溶于水
Na2SiO3+CO2+H2O=H2SiO3↓+Na2CO3
實驗室不用玻璃瓶盛裝氫氟酸！！
觀察盛放氫氧化鈉的試劑瓶有何不同
裝堿性溶液的試劑瓶用橡膠塞
思考與交流
1、保存NaOH溶液的試劑瓶為什么用橡膠塞而不用玻璃塞？
SiO2 + 2NaOH = Na2SiO3 + H2O
2、埋在地下的光導纖維常因土壤成堿性而斷路，為什么？用離子方程式表示。
SiO2 + 2OH- = SiO32- + H2O
3、SiO2既能與HF酸反應又能和NaOH反應，所以它是兩性氧化物？
錯。因為SiO2 + 4HF== SiF4 ↑+2H2O，生成的SiF4 不屬于鹽。
4、如何除去SiO2中混有的CaO雜質？
HCl
5、中國北京曙光公司研制了第一款具有我國完全自主知識產權的高性能CPU芯片——“龍芯”1號。
(1)“龍芯”1號(芯片)的主要化學成分是________。
(2)互聯網使用的數據傳輸材料叫________，主要化學成分是________。
(3)秦兵馬俑制品的主要生產原料是________，主要成分為________。
硅
光導纖維
二氧化硅
黏土
硅酸鹽
同伴助學 二氧化硅與二氧化碳的性質比較
性 質 二氧化碳(CO2) 二氧化硅(SiO2)
CO2+H2O=H2CO3
CO2+2NaOH=Na2CO3+H2O
CO2+Na2O=Na2CO3
SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O
SiO2+Na2O == Na2SiO3
——
——
SiO2+4HF=SiF4↑+2H2O
堿性氧化物
與堿反應
與水反應
與氫氟
酸反應
Na2CO3+SiO2===Na2SiO3+CO2↑
CaCO3 +SiO2 === CaSiO3 + CO2↑
高溫
高溫
Na2CO3+CO2+H2O===2NaHCO3
CaCO3 +CO2+H2O=== Ca(HCO3)2
與鹽反應
教師導學 新型無機非金屬材料
（3）二氧化硅的用途
（二）二氧化硅
二氧化硅可用來生產光導纖維。
光導纖維的通信容量大，抗干擾性能好，傳輸的信號不易衰減，能有效提高通信效率。
教師導學 新型無機非金屬材料
（三）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。
耐高溫碳化硅陶瓷
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
碳化硅陶瓷
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
高溫結構陶瓷
一般用碳化硅、氮化硅或某些金屬氧化物等在高溫下燒結而成，具有耐高溫、抗氧化、耐磨蝕等優良性能。
教師導學 新型無機非金屬材料
（三）新型陶瓷
壓電陶瓷
超導陶瓷
透明陶瓷
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。
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。
在某一臨界溫度下電阻為零，具有超導性，用于電力、交通、醫療等領域。
教師導學 新型無機非金屬材料
（1）富勒烯
（四）碳納米材料
（2）碳納米管
（3）石墨烯
均為碳單質
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。
小結
傳統無機非金屬材料
新型無機非金屬材料
無機非金屬材料
陶瓷
玻璃
水泥
晶體硅和二氧化硅
碳納米管
新型陶瓷
硅酸鹽材料
訓練驗學
1．根據陶瓷的生產原理，可以得出硅酸鹽工業的一般特點是①以含硅物質作為原料　②主要產物是硅酸鹽
③反應條件是高溫　④反應原理是復雜的物理變化和化學變化
A．只有①③ B．只有②③
C．①②③④ D．只有③④
C
訓練驗學
2．制取下列物質不需要用石灰石作原料的是(　　)
A．硅酸 B．水泥
C．玻璃 D．生石灰
A
3．下列有關新型無機非金屬材料的說法正確的是(　　)
A．高純硅可用于制造光導纖維
B．高純二氧化硅可用于制造太陽能電池
C．碳化硅化學性質穩定，可用于生產砂紙、砂輪等
D．金剛石、石墨烯、C60等都屬于碳納米材料
C
訓練驗學
B
4．下列有關硅的化合物說法正確的是 (　　)
A．SiO2與CO2相似，由一個硅原子和兩個氧原子構成一個SiO2分子
B．硅酸鹽一般不溶于水，它是水泥、陶瓷、玻璃的主要成分
C．H2SiO3既可由SiO2溶于水制得，也可由Na2SiO3和其他酸(如鹽酸)反應制得
D．SiO2是酸性氧化物，能和堿反應，不能和酸反應

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