資源簡介

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第五章
第三節 無機非金屬材料
化工生產中的重要非金屬元素
材料
金屬材料
無機非金屬材料
有機高分子材料
天然有機高分子材料
合成有機高分子材料
材料的分類：
傳統無機非金屬材料
新型無機非金屬材料
PART 01
傳統無機非金屬材料
——硅酸鹽材料
01
傳統無機非金屬材料——硅酸鹽材料
一、硅酸鹽
1.定義
硅酸鹽是由硅、氧和金屬組成的化合物的總稱，Na2SiO3是最簡單的可溶性硅酸鹽，其水溶液俗稱水玻璃，有很強的黏合性，常用作木材、紡織品的防腐劑、防火劑。
2.結構
在硅酸鹽中硅原子和氧原子構成了硅氧四面體，四面體通過頂角的氧彼此相連，每個氧原子為2個四面體所共有。
01
傳統無機非金屬材料——硅酸鹽材料
一、硅酸鹽
3.性質
大多數難溶于水、硬度高 、耐高溫、 耐腐蝕、化學性質穩定；少數可溶，如Na2SiO3，K2SiO3等。
4.表示方法
①化學式法
Na2SiO3，K2SiO3
②氧化物法
比較復雜的硅酸鹽一般用氧化物的形式表示
01
傳統無機非金屬材料——硅酸鹽材料
一、硅酸鹽
菱沸石：Ca[Al2Si4O12]·6H2O
氧化物形式：CaO·Al2O3·4SiO2·6H2O
書寫規則：活潑金屬氧化物·不活潑金屬氧化物·SiO2·H2O
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傳統無機非金屬材料——硅酸鹽材料
一、硅酸鹽
例1.將以下硅酸鹽改寫為氧化物的形式：
石棉：CaMg3Si4O12
鈣鐵輝石：CaFeSi2O4(OH)4
長石：KAlSi3O8
CaO·3MgO·4SiO2
CaO·FeO·2SiO2·2H2O
K2O·Al2O3·6SiO2
01
傳統無機非金屬材料——硅酸鹽材料
二、硅酸鹽材料
陶瓷 玻璃 水泥
01
傳統無機非金屬材料——硅酸鹽材料
二、硅酸鹽材料
1.陶瓷
①生產：
②應用
以黏土（含水的鋁硅酸鹽）為主要原料，經高溫燒結而成。
用于生產建筑材料、絕緣材料、日用器皿、衛生潔具等。
01
傳統無機非金屬材料——硅酸鹽材料
二、硅酸鹽材料
1.陶瓷
01
傳統無機非金屬材料——硅酸鹽材料
二、硅酸鹽材料
2.玻璃
①生產
以純堿、石灰石和石英砂（主要成分為SiO2）為原料，經混合、粉碎，在玻璃窯中熔融，發生復雜的物理和化學變化而制得。
主要反應：
CaCO3 + SiO2 ══ CaSiO3 + CO2↑
Na2CO3 + SiO2 ══ Na2SiO3 + CO2↑
高溫
高溫
01
傳統無機非金屬材料——硅酸鹽材料
二、硅酸鹽材料
2.玻璃
②成分
Na2SiO3、CaSiO3、SiO2
③特點
玻璃是非晶體，稱為玻璃態物質，無固定熔點。
01
傳統無機非金屬材料——硅酸鹽材料
二、硅酸鹽材料
2.玻璃
④應用
用于生產建筑材料、光學儀器、各種器皿，制造玻璃纖維。
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傳統無機非金屬材料——硅酸鹽材料
二、硅酸鹽材料
3.水泥
①生產：
②應用
以黏土和石灰石為主要原料，與其他輔料混合、研磨后在水泥回轉窯中煅燒，發生復雜的物理和化學變化，加入適量石膏調節水泥硬化速率，再磨成細粉即得到普通水泥。
大量用于建筑和水利工程。
01
傳統無機非金屬材料——硅酸鹽材料
二、硅酸鹽材料
3.水泥
PART 02
新型無機非金屬材料
02
新型無機非金屬材料
一、硅和二氧化硅
02
新型無機非金屬材料
一、硅和二氧化硅
1.硅
①硅元素
硅在自然界主要以硅酸鹽和氧化物的形式存在，地殼中含量排在第二位。硅的氧化物及硅酸鹽構成了地殼中大部分的巖石、沙子和土壤、約占地殼總量的90%以上。
②單質硅的物理性質
灰黑色固體，有金屬光澤，熔點高，硬度大，質地較脆。
02
新型無機非金屬材料
一、硅和二氧化硅
1.硅
灰黑色固體，有金屬光澤，熔點高，硬度大，質地較脆。
②單質硅的物理性質
02
新型無機非金屬材料
一、硅和二氧化硅
1.硅
②單質硅的化學性質
與非金屬單質反應
與氧氣：Si + O2 ══ SiO2
△
與氯氣：Si + 2Cl2 ══ SiCl4
△
與氯氣：Si + 2F2 ══ SiF4
與碳單質：Si + C ══ SiC
高溫
02
新型無機非金屬材料
一、硅和二氧化硅
1.硅
②單質硅的化學性質
與堿反應：
Si + 2NaOH + H2O ══ Na2SiO3 + 2H2↑
與氫氟酸反應：
Si + 4HF ══ SiF4 + 2H2↑
02
新型無機非金屬材料
一、硅和二氧化硅
1.硅
③硅的用途
硅是應用最為廣泛的半導體材料，是信息技術的基石。
02
新型無機非金屬材料
一、硅和二氧化硅
1.硅
02
新型無機非金屬材料
一、硅和二氧化硅
1.硅
③高純硅的制備
主要反應：
SiO2 + 2C ═════ Si + 2CO↑
1800~2000℃
Si + 3HCl ═══ SiHCl3 + H2
300℃
SiHCl3 + H2 ═══ Si + 3HCl
1100℃
02
新型無機非金屬材料
一、硅和二氧化硅
1.硅
SiO2 + 2C ═════ Si + 2CO↑
1800~2000℃
思考：該反應能否說明非金屬性C>Si
不能，因為在該反應中，C作還原劑
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新型無機非金屬材料
一、硅和二氧化硅
2.二氧化硅
①存在形式
水晶 瑪瑙
硅藻土
結晶形（石英晶體）
無定形
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新型無機非金屬材料
一、硅和二氧化硅
2.二氧化硅
②物理性質
純凈的二氧化硅晶體，是一種堅硬、脆性、難溶于水的無色透明固體。
02
新型無機非金屬材料
一、硅和二氧化硅
2.二氧化硅
③化學性質
二氧化硅是酸性氧化物，具有酸性氧化物的通性，但不能與水反應生成酸。
SiO2 + 2NaOH ══ Na2SiO3 + H2O
SiO2 + CaO ══ CaSiO3
高溫
02
新型無機非金屬材料
一、硅和二氧化硅
2.二氧化硅
③化學性質
CaCO3 + SiO2 ══ CaSiO3 + CO2↑
Na2CO3 + SiO2 ══ Na2SiO3 + CO2↑
高溫
高溫
生產玻璃：
02
新型無機非金屬材料
一、硅和二氧化硅
2.二氧化硅
③化學性質
工業制粗硅：
SiO2 + 2C ═════ Si + 2CO↑
1800~2000℃
與氫氟酸反應：
SiO2 + 4HF ══ SiF4↑ + 2H2O
利用二氧化硅與氫氟酸反應可以在玻璃上雕刻圖案。
02
新型無機非金屬材料
一、硅和二氧化硅
2.二氧化硅
有關氫氟酸的說明：
①氫氟酸是弱酸，但具有極強烈的腐蝕性，使用時要做好充分的防護。
②由于氫氟酸能與玻璃中的二氧化硅反應，因此，不能用玻璃容器盛裝氫氟酸，氫氟酸一般盛裝在塑料容器中。
思考：二氧化硅能與氫氧化鈉反應，也能與氫氟酸反應，它是不是兩性氧化物？
不是
02
新型無機非金屬材料
一、硅和二氧化硅
2.二氧化硅
④用途
02
新型無機非金屬材料
一、硅和二氧化硅
高頻考點（易混淆）：
單質硅的用途是半導體材料，用于集成電路、芯片、太陽能電池等。
二氧化硅的用途是光導纖維。
02
新型無機非金屬材料
二、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。
碳化硅陶瓷
碳化硅（俗稱金剛砂）
的微觀結構
02
新型無機非金屬材料
二、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。
氮化硅陶瓷 氧化鋁陶瓷
02
新型無機非金屬材料
三、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，它們都是碳的同素異形體。
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新型無機非金屬材料
三、碳納米材料
富勒烯 籠型分子的總稱，如C60 開啟了碳納米材料研究和應用的新時代
碳納米管 石墨片層卷成的管狀物，比表面積大 電學性能優良，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 電阻率低、熱導率高，具有很高的強度
PART 03
課堂總結
03
課堂總結
這堂課學到了什么？
①傳統無機非金屬材料——硅酸鹽材料。
②硅和二氧化硅的性質。
③新型陶瓷和碳納米材料。

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