資源簡介

(共31張PPT)
第五章 化工生產中的重要元素非金屬
第三節 無機非金屬材料
硅、二氧化硅、硅酸鹽、硅酸鹽材料
1．通過比較碳和硅在元素周期表中的位置關系，比較兩者的原子結構特點，認識硅的性質及工業制法，了解硅單質、二氧化硅、常見硅酸鹽的主要性能與用途。
2．通過閱讀材料，聯系生產、生活實際，了解陶瓷、玻璃、水泥等傳統硅酸鹽材料的生產原料、性能和主要用途，知道普通玻璃的主要成分。了解新型陶瓷、碳納米材料等新型無機非金屬材料的用途，感受新型無機非金屬材料的奇特性能及其在高科技領域所發揮的重要作用，激發學生學習化學的興趣。
核心素養
情境導學
材料
金屬材料：包含純金屬和合金
無機非金屬材料：
傳統無機非金屬材料（硅酸鹽材料）
新型無機非金屬材料
有機高分子材料：塑料、合成橡膠、合成纖維
復合材料
思考：無機非金屬材料由什么物質組成？有什么性質？
任務一：硅和二氧化硅
1.硅在自然界中的存在
硅在地殼中的含量僅次于氧，位于第二位。
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。
鈣沸石
橄欖石
鉀云母
高嶺石
Ca(Al2Si3O10) ·3H2O
Mg2SiO4
Al2(Si2O5)(OH)4
K(Al3Si3O10)(OH)2
任務一：硅和二氧化硅
1.硅在自然界中的存在
硅在地殼中的含量僅次于氧，位于第二位。
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。
結晶形——石英、水晶、瑪瑙
沙子
無定形-硅藻土
任務一：硅和二氧化硅
2.單質硅
硅有晶體硅和無定形硅兩種單質
（1）物理性質
顏色、狀態 光澤 熔、沸點 硬度 導電性
灰黑色固體
金屬光澤
很高
硬而脆
介于導體和絕緣體之間
任務一：硅和二氧化硅
2.單質硅
（2）位置和結構
硅元素在周期表中的位置？
硅元素旁邊有哪些元素，它們主要表現什么性質？
預測硅元素的性質？
不容易得到4個電子，也不容易失去4個電子。
一般通過共用電子對構成物質。
常見化合價有（-4價、0價、+4價）
任務一：硅和二氧化硅
2.單質硅
（3）化學性質
①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。
Si + 2F2=SiF4
Si + 4HF = SiF4 ↑+2H2 ↑
Si + 2NaOH+H2O = Na2SiO3+2H2 ↑
②加熱條件下，硅也能和一些非金屬反應。
Si+2Cl2 SiCl4
Si + O2 SiO2
Si + C SiC
高溫
任務一：硅和二氧化硅
2.單質硅
（4）單質硅的制備（課本p22頁資料卡片）
硅在自然界中以化合態存在，工業上常以 為原料來制取單質硅
二氧化硅
粗硅制備時，生成的是CO而不是CO2
粗硅中含碳等雜質，以其為原料制備高純硅。
光電池、太陽能電池
計算機芯片
半導體材料
任務一：硅和二氧化硅
2.單質硅
（5）硅單質的用途
SiO2晶體的基本結構單元是硅氧四面體，每個Si原子周圍結合 個O原子，每個O原子與 個Si原子相結合，許多以Si為中心，O在4個頂點的四面體通過頂點的O相連接而組成 的晶體。
①二氧化硅晶體是原子晶體，是由硅原子和氧原子構成的。 ②二氧化硅晶體中硅原子和氧原于的個數比為 ③二氧化硅晶體中Si原子與Si—O鍵的比為 ，即1mol SiO2晶體中約含 Si—O共價鍵。 4
2
立體網狀結構
1:2
1:4
4mol
任務一：硅和二氧化硅
3.二氧化硅
（1）結構
用SiO2來表示二氧化硅的組成，表示O與Si的原子個數比，不是分子式是化學式。
任務一：硅和二氧化硅
3.二氧化硅
（2）物理性質
SiO2是一種難溶于水的非金屬氧化物，硬度大，熔點高。
有結晶形和無定形兩大類，通稱硅石。
（3）化學性質
①酸性氧化物的通性
但不溶于水，也不與水反應
SiO2+2NaOH Na2SiO3+H2O
SiO2+CaO CaSiO3
高溫
a、與水反應：
b、與強堿反應：
c、與堿性氧化物反應：
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。
任務一：硅和二氧化硅
3.二氧化硅
（3）化學性質
②特性
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
③弱氧化性
SiO2+2C Si+2CO↑
高溫
SiO2＋Na2CO3 === Na2SiO3＋CO2 ↑
高溫
SiO2＋CaCO3 === CaSiO3＋CO2 ↑
高溫
工業生產玻璃原理
任務一：硅和二氧化硅
3.二氧化硅
（3）化學性質
與碳酸鹽反應
1、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？
2、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？
思考交流：
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。
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。
3、SiO2既能與強堿反應，又能與HF反應，SiO2是兩性氧化物嗎？
4、應如何保存氫氟酸？能否裝在玻璃瓶中？
不正確。因為二氧化硅只跟氫氟酸反應，不能與一般的酸反應，只是屬于酸性氧化物。且生成的SiF4不是鹽。
不能。HF能腐蝕玻璃，要用塑料瓶裝，制取HF也不能用玻璃器皿。
光導纖維
石英坩堝
玻璃儀器
水晶、瑪瑙飾品
任務一：硅和二氧化硅
3.二氧化硅
（4）用途
沙子是基本的建筑材料
實驗室中使用石英坩堝
CO2和SiO2的比較
物質 項目 二氧化硅(SiO2) 二氧化碳(CO2)
結構 結構， 不存在單個分子 存在單個CO2分子
物理性質 硬度大，熔、沸點高，常溫下為固體，不溶于水 熔、沸點低，常溫下為氣體，微溶于水
與水反應
與酸反應（特性） 只與氫氟酸反應：
與堿反應

立體網狀
不反應
CO2＋H2O
H2CO3
SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O
不反應
SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O
(盛堿液的試劑瓶用橡膠塞)
CO2(少量)＋2NaOH===Na2CO3＋H2O
CO2(過量)＋NaOH===NaHCO3
任務一：硅和二氧化硅
課外拓展：
3.二氧化硅
與鹽反應 與Na2CO3反應：制玻璃 與Na2SiO3反應：



與堿性氧化物反應 與CaO反應： 與Na2O反應：
Na2O＋CO2===Na2CO3
氧化性
用途 光導纖維、光學儀器、電子部件、建筑材料 制碳酸飲料、制碳酸鹽
SiO2＋CaO CaSiO3
SiO2＋Na2CO3 Na2SiO3＋CO2↑
Na2SiO3＋H2O＋CO2(少量)===H2SiO3↓＋Na2CO3
Na2SiO3＋2H2O＋2CO2(過量)===H2SiO3↓＋2NaHCO3
CO2＋C 2CO
SiO2＋2C Si＋2CO↑
任務一：硅和二氧化硅
任務二：硅酸和硅酸鹽
1.硅酸
白色固體，難溶于水
是一種很弱的酸，酸性比碳酸弱，溶解度很小。不穩定，受熱易分解
H2SiO3 H2O+SiO2
H2SiO3＋2NaOH=Na2SiO3+2H2O
用途：硅膠可做干燥劑
硅酸失水后形成硅膠，具有強吸水性，常用作干燥劑和催化劑的載體。
實驗過程 向Na2SiO3溶液中通入CO2氣體
實驗裝置圖
實驗現象
實驗結論
化學方程式
① SiO2不溶于水，如何由SiO2制取H2SiO3
② 設計一個實驗比較硅酸和碳酸的酸性強弱？
SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O，Na2SiO3＋2HCl===H2SiO3↓＋2NaCl
有白色膠狀沉淀物生成
硅酸的酸性比碳酸弱
Na2SiO3＋CO2＋H2O===H2SiO3(膠體)＋Na2CO3
1.硅酸
任務二：硅酸和硅酸鹽
硅酸是通過可溶性硅酸鹽與其它酸反應制得的。
白色固體，具有黏合性，可溶于水。是制備硅膠和木材防火劑等的原料。
Na2SiO3水溶液俗稱：
水玻璃
泡花堿
Na2SiO3
任務二：硅酸和硅酸鹽
2.硅酸鈉
用水玻璃浸泡過的木材或織物可防火
（制備木材防火劑的原料）
化學性質相對穩定，不能燃燒，不易被腐蝕，熱穩定性好。
Na2SiO3 + 2HCl =2NaCl + H2SiO3（膠體）
Na2SiO3 + H2O + CO2 = Na2CO3 + H2SiO3（膠體）
任務二：硅酸和硅酸鹽
2.硅酸鈉
任務二：硅酸和硅酸鹽
3.硅酸鹽產品
原料：
黏土（主要成分為含水的鋁硅酸鹽）
陶瓷
歷史：
應用：
青花瓷、唐三彩
生產建筑材料、絕緣材料、日用器皿、衛生潔具等
China 瓷都
反應條件：
高溫燒結
新石器時代就能燒制
唐宋時期達到鼎盛：
玻璃
原料：
工業設備：
應用：
純堿、石灰石和石英砂（主要成分SiO2）
玻璃窯
主要成分：
生產建筑材料、光學儀器、各種器皿，制造玻璃纖維用于高強度復合材料等。
反應條件：
高溫熔融
反應方程式：
SiO2＋Na2CO3 Na2SiO3＋CO2↑
SiO2＋CaCO3 CaSiO3＋CO2↑
Na2SiO3 、CaSiO3、SiO2
任務二：硅酸和硅酸鹽
3.硅酸鹽產品
水泥
原料：
工業設備：
黏土、石灰石、（石膏）
水泥回轉窯
混凝土：
水泥、沙子和碎石等與水混合
石膏的作用：
條件：
高溫煅燒
調節水泥硬化速率
3.硅酸鹽產品
任務二：硅酸和硅酸鹽
任務二：硅酸和硅酸鹽
4.新型無機非金屬材料
透明陶瓷
超導陶瓷
耐高溫陶瓷
富勒烯
碳納米管
石墨烯
碳化硅(SiC)
1．硅是帶來人類文明的重要元素之一，科學家也提出硅是“21世紀的能源”。這主要是由于硅及其化合物對社會發展所起的巨大促進作用。下列關于硅及其化合物的說法中錯誤的是
A．傳統無機非金屬材料是指玻璃、水泥、陶瓷等硅酸鹽材料
B．高純度的二氧化硅廣泛用于制作光導纖維，光導纖維遇強堿會“斷路”
C．陶瓷、玻璃、水泥容器均不能貯存氫氟酸
D．傳統無機非金屬材料和新型無機非金屬材料的主要成分都是硅酸鹽
D
2．下列有關硅及其化合物的敘述錯誤的是
A．硅的導電性能介于金屬和絕緣體之間，是良好的半導體材料
B．可用磨口玻璃瓶保存NaOH溶液
C．硅酸的酸性比碳酸的酸性弱，且硅酸不溶于水
D．Na2SiO3的水溶液俗稱“水玻璃”，可用作防火材料
B
3.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
4.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
5.下列關于硅酸的說法正確的是（　 ）
A．硅酸可以通過SiO2和水化合反應直接制得
B．可用反應Na2SiO3＋2HCl === 2NaCl＋H2SiO3↓制取
C．因為硅酸難溶于水，所以它不能與NaOH溶液反
D．干燥劑“硅膠”的主要成分是硅酸鈉
B

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