資源簡介

(共42張PPT)
第三節 無機非金屬材料
第五章 化工生產中的重要非金屬元素
硅酸鹽材料
01
新型的無機非金屬材料
02
材料按照化學組成和特性來分：
金屬材料
材料
無機非金屬材料
有機高分子材料
復合材料 增強塑料（以玻璃纖維、碳纖維等無機材料作為增強材料，酚醛樹脂、環氧樹脂等為機體做成的復合材料。強度大。質量輕、耐高溫、耐腐蝕等）
金屬單質和合金
玻璃 陶瓷 水泥
硅太陽能電池
塑料、纖維、橡膠
無機非金屬材料
含有元素
硅氧等元素
性能
耐高溫、抗腐蝕、硬度高。特殊的光學、電學等性能
分類
傳統無機非金屬材料（多為硅酸鹽材料）
新型無機非金屬材料
陶瓷
玻璃
水泥
晶體硅
二氧化硅
新型陶瓷
石墨烯
碳納米管
應用
日常生活應用、航空航天、信息領域、新能源領域
1
硅酸鹽與硅酸
認識硅酸鹽材料
傳統無機非金屬材料多為硅酸鹽材料，在日常生活中隨處可見。如制作餐具的陶瓷、窗戶上的玻璃、建筑用的水泥等。
1.硅酸鹽
存在：
定義：
最簡單的硅酸鹽：Na2SiO3
硅酸鹽一般結構復雜，存在于地殼、巖石中
金屬、硅、氧等元素形成的鹽，一般不溶于水，化學性質穩定
物理性質：易溶于水，其水溶液俗稱水玻璃，又稱泡花堿，
化學性質：Na2SiO3+H2O+CO2=H2SiO3↓
+Na2CO3
應用；① Na2SiO3溶液（水玻璃）——木材防火、黏膠劑等、制備硅酸
認識硅酸鹽材料
2.硅酸鹽的結構
【思考】
在1mol硅氧四面體中，
有 molSi原子，
molO原子，
molSi-O鍵。
1
2
4
認識硅酸鹽材料
3.硅酸
物理性質：不溶于水的，白色，膠狀固體
化學性質：弱酸 酸性弱于碳酸
①H2SiO3+2NaOH == Na2SiO3+2H2O
②H2SiO3==H2O+SiO2
制取：強酸制弱酸
Na2SiO3+2HCl == 2NaCl+H2SiO3↓
Na2SiO3+2H2O+2CO2(過量）==2NaHCO3+H2SiO3↓
Na2SiO3+H2O+CO2(少量）== Na2CO3+H2SiO3↓
認識硅酸鹽材料
H2SiO3的用途
硅酸
聚合
硅酸凝膠
干燥脫水
硅酸干凝膠
“硅膠”
3.硅酸鹽的豐富性和復雜性
普通玻璃 Na2CaSi6O14
石棉 Mg3CaSi4O12
黏土 Al2Si2H4O9
長石 K2Al2Si6O16
認識硅酸鹽材料
知識拓展--硅酸鹽的表示方法
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如：硅酸鈉（Na2SiO3）→ Na2O·SiO2
高嶺石（Al2H4Si2O9）→Al2O3·2SiO2·2H2O
鉀云母（KH2Al3Si3O12）→K2O·3Al2O3·6SiO2·2H2O
【注意】
①書寫形式一般為：X金屬氧化物 Y SiO2 Z H2O
②元素化合價不變、原子比例不變
③計量數以整數書寫
④多種金屬同時存在，活潑的寫在前面
硅酸鹽礦物的成分復雜，多用氧化物的形式表示它們的組成
2
傳統硅酸鹽材料
常見硅酸鹽材料
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陶瓷
玻璃
水泥
傳統硅酸鹽材料
陶瓷
原料：黏土（含水的鋁硅酸鹽）
條件：高溫燒結而成
性能：熔點高、硬度大、耐腐蝕、性質穩定
用途：用于生產建筑材料、絕緣材料、日用器皿、衛生潔具等
傳統硅酸鹽材料
玻璃
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：
建筑材料、光學儀器、器皿、玻璃纖維。
反應條件：
高溫熔融
反應方程式：
SiO2＋Na2CO3 Na2SiO3＋CO2↑
SiO2＋CaCO3 CaSiO3＋CO2↑
Na2SiO3 、CaSiO3、SiO2
性能：
非晶體，無固定熔點，加熱可軟化塑型
生產中采用不同的原料和工藝，可以制得多種具有不同性能和用途的玻璃。
傳統硅酸鹽材料
雖叫“玻璃”但不是硅酸鹽
結晶SiO2
聚甲基丙烯酸甲酯
水泥
成分：硅酸三鈣(3CaO·SiO2)、硅酸二鈣(2CaO·SiO2)、鋁酸三鈣(3CaO·Al2O3)
原料：黏土和石灰石、適量石膏
反應原理：SiO2+CaCO3 CaSiO3+CO2↑
用途：水泥、沙子和碎石等與水混合可以得到混凝土，大量用于建筑和水利工程
傳統硅酸鹽材料
生產過程：原料→研磨混合→ 煅燒（回轉窯）→ 加入石膏→成品
調節水泥的硬化程度
生料
熟料
3
新型無機非金屬材料
教學引入：電子工業與計算機業王國——硅谷
新型無機非金屬材料
1. 硅
位置
結構
第三周期第IⅤA族
半導體材料
硅都以化合態存在于自然界，主要以氧化物及硅酸鹽的形式存在。
沙粒
水晶
瑪瑙
硅酸鹽礦石
硅在自然界中的存在形式
硅單質
晶 體 硅
無定形硅
認識硅
（1）存在形式：硅有晶體硅和無定形硅兩種單質
（2）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。
硅原子——
認識硅
（3）晶體硅結構：
晶體硅很和金剛石的結構類似。在晶體中每個硅原子都以共價鍵與相鄰4個硅原子結合，形成正四面體的立體網狀。
Si + 2F2=SiF4
Si + 4HF = SiF4 ↑+2H2 ↑
Si + 2NaOH+H2O = Na2SiO3+2H2 ↑
（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。
認識硅
硅單質的化學性質
（2）加熱條件下，硅也能和一些非金屬反應。
與氯氣反應：
與氧氣反應：
Si+2Cl2 SiCl4
Si + O2 SiO2
與碳反應：
Si + C SiC
高溫
認識硅
高純硅的制備
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。
工業上用焦炭還原石英砂可知制得含有少量雜質的粗硅
⑴SiO2+2C == Si+2CO ↑ (粗硅)
高溫
若C過量： SiO2+3C == SiC + 2CO ↑
高溫
碳化硅(俗名：金剛砂)
提純
⑵Si+3HCl == SiHCl3+H2
高溫
⑶SiHCl3+H2 == Si+3HCl （高純硅）
高溫
認識硅
從沙灘到用戶
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
認識硅
我也是一個普通人，
在世界上行走一圈，
能留下一點腳印，我已經心滿意足。
諾貝爾 2009 年物理學獎
光纖之父 高錕
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。
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，組成立體網狀的晶體
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，不導電
化學性質：
化學穩定性好
1.酸性氧化物
SiO2＋CaO === CaSiO3
高溫
SiO2＋2NaOH==Na2SiO3＋H2O
SiO2＋Na2O === Na2SiO3
高溫
與強堿溶液反應：
與堿性氧化物反應：
二氧化硅的化學性質
探究課堂
注意：SiO2不能與水直接化合成H2SiO3
思考：為什么實驗室盛裝NaOH溶液的試劑瓶用橡皮塞而不用玻璃塞？
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。
2.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
探究課堂
3.弱氧化性（工業制粗硅）
SiO2+2C Si+2CO↑
高溫
探究課堂
4.特性：與酸反應（只與HF反應
SiO2＋4HF== SiF4 ↑＋2H2O
用途：刻蝕玻璃
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。
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
光導纖維
石英坩堝
玻璃儀器
水晶、瑪瑙飾品
探究課堂
二氧化硅的用途
樂在
化學
化學家眼中的孫悟空
4
新型陶瓷
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
類別 成分 性能 應用
高溫 結構陶瓷
壓電陶瓷
透明陶瓷
超導陶瓷 YBa2Cu3O7-δ Bi2Sr2Ca2Cu3O10 Tl2Ba2Ca2Cu3O10
SiC、Si3N4
某些金屬氧化物
耐高溫、抗氧化、耐腐蝕
火箭發動機、高溫電極材料
鈦酸鹽、鋯酸鹽
實現機械能與電能的相互轉化
濾波器、揚聲器、點火器
氧化鋁、氧化釔
氮化鋁、氟化鈣
優異的光學性能、耐高溫，絕緣性好
高壓鈉燈、激光器、高溫探測窗
某臨界溫度下電阻為零，超導性
電力、交通、醫療
新型陶瓷
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
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

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