資源簡介

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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
[學習目標]
1.了解傳統無機非金屬材料的原料、成分、性能及其在生產中的應用
(重點)。
2.了解硅、二氧化硅的結構、性質及其在生產中的應用(難點)。
3.知道幾種常見的新型無機非金屬材料的成分及在生產中的應用。
“中國”——“china”——“瓷器”
china是“瓷器”的意思。北宋景德鎮瓷窯出現，在南宋時興起，后名揚世界，成為瓷都。英商十分喜愛中國瓷器，便用 “china”為中國英文名稱。
引入新課
一、硅酸鹽材料
1. 無機非金屬材料
組成元素，特點及結構？
主要含有硅、氧等元素，具有耐高溫、抗腐蝕、硬度高等特點，以及特殊的光學、電學等性能。
——傳統的無機非金屬材料
陶瓷 玻璃 水泥
2. 常見的硅酸鹽材料
——陶瓷、玻璃、水泥
原料：
用途：
黏土 (主要為含水的鋁硅酸鹽)
性能：
設備：
陶瓷窯
耐高溫、硬度大、耐腐蝕、性質穩定
陶瓷
建筑材料、絕緣材料、日用器皿、衛生潔具等
一、硅酸鹽材料
原料：
用途：
純堿(Na2CO3)、石灰石(CaCO3)、石英砂(SiO2)
性能：
設備：
玻璃窯
透光性好、硬度大、無固定熔點
玻璃
建筑材料、光學儀器、各種器皿、制造玻璃纖維等
主要成分：
硅酸鈉(Na2SiO3)、硅酸鈣(CaSiO3)、二氧化硅(SiO2)
一、硅酸鹽材料
2. 常見的硅酸鹽材料
——陶瓷、玻璃、水泥
原料：
用途：
石灰石、黏土、輔料：適量的石膏
性能：
設備：
水泥回轉窯
遇水逐漸變硬(水硬性)，硬化后性質穩定
水泥
大量用于建筑和水利工程
一、硅酸鹽材料
2. 常見的硅酸鹽材料
——陶瓷、玻璃、水泥
普通玻璃以純堿、石灰石和石英砂為原料，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。寫出其中發生反應的化學方程式。
思考1
為什么陶瓷、玻璃、水泥都具有硬度高、難溶于水、耐高溫、耐腐蝕等特點？
思考2
Na2CO3＋SiO2===CO2↑＋Na2SiO3、CaCO3＋SiO2===CaSiO3＋CO2↑
高溫
高溫
在硅酸鹽中，Si和O構成了硅氧四面體(如圖)：
結構決定性質，所以硅酸鹽材料大多具有以上等特點。
一、硅酸鹽材料
1.判斷正誤
(1)漢代燒制出的“明如鏡、聲如磬”的陶瓷，其主要原料是黏土(　　)
(2)傳統無機非金屬材料陶瓷、水泥、玻璃的主要成分都是硅酸鹽(　　)
(3)玻璃和水泥生產中都發生復雜的物理和化學變化(　　)
(4)陶瓷、玻璃、水泥的生產都需要在高溫下進行(　　)
√
√
√
√
應用體驗
一、硅酸鹽材料
應用體驗
2.硅酸鈉(俗名泡花堿)是一種最簡單的硅酸鹽，硅酸鈉易溶于水，其水溶液
俗稱水玻璃，具有黏結力強、耐高溫等特性，常用作黏合劑和防火劑。
(1)硅酸鈉溶液與鹽酸反應生成硅酸(H2SiO3)沉淀，其離子方程式是_______
。
(2)過量的二氧化碳通入硅酸鈉溶液中，反應的離子方程式是_____________
。
2H＋===H2SiO3↓
一、硅酸鹽材料
硅酸(H2SiO3)的性質
(1)難溶于水的弱酸，其酸性不能使石蕊溶液變紅；
(2)與堿反應：H2SiO3＋2NaOH===Na2SiO3＋2H2O；
歸納總結
一、硅酸鹽材料
(3)不穩定，受熱易分解：H2SiO3 === H2O＋SiO2。
二、新型無機非金屬材料
1. 硅和二氧化硅
硅晶體
Si在周期表中的位置？推測單質硅的導電性？
第三周期、第ⅣA族，處于金屬與非金屬的過渡位置。單質導電性介于導體與絕緣體之間，是應用最廣泛的半導體材料。
(2)工業制粗硅
石英砂 + 焦炭
SiO2+2C === Si+2CO↑
高溫
(1)硅
高純硅的制備
涉及的主要反應
知識拓展
二、新型無機非金屬材料
1. 硅和二氧化硅
①SiO2+2C Si+2CO↑
1800~2000 ℃
②Si+3HCl SiHCl3+H2↑
300 ℃
③SiHCl3+H2 Si+3HCl
1100 ℃
(2)二氧化硅的性質
物理性質：
水晶
石英坩堝
熔點高、硬度大、難溶于水
化學性質：
SiO2+CaO === CaSiO3
高溫
SiO2+4HF===SiF4 ↑+2H2O 與一般的酸不反應
SiO2＋2NaOH === Na2SiO3＋H2O
①酸性氧化物
③特性
②弱氧化性
SiO2+2C === Si+2CO ↑
高溫
二、新型無機非金屬材料
1. 硅和二氧化硅
知識拓展
光導纖維
(3)硅和二氧化硅的用途
高純硅：
二氧化硅：
二、新型無機非金屬材料
1. 硅和二氧化硅
芯片 太陽能電池板
學以致用
(1)SiO2既能與NaOH溶液反應，也能與氫氟酸反應，它屬于兩性氧化物嗎？
(2)能否用玻璃試劑瓶盛放氫氟酸？簡述理由。
(3)為什么不能用磨口玻璃塞的試劑瓶盛放氫氧化鈉溶液？
(4)SiO2屬于酸性氧化物，能否用SiO2與水直接反應制取H2SiO3？由SiO2如何來制取H2SiO3？用化學方程式表示。
不屬于。SiO2能與氫氟酸反應，但并不生成鹽和水。
不能，玻璃中含有SiO2，能被氫氟酸腐蝕
NaOH與玻璃塞中的SiO2反應，生成黏性Na2SiO3，把瓶塞與瓶口黏結在一起。
二、新型無機非金屬材料
組成上不再限于傳統的硅酸鹽體系，在光學、熱學、電學、磁學等方面具有很多新的特性和功能。
金剛砂
高溫結構陶瓷
壓電陶瓷蜂鳴器
透明陶瓷
(高壓鈉燈)
超導陶瓷線圈
二、新型無機非金屬材料
2. 新型陶瓷
成分：碳化硅(SiC)
性能：硬度大、耐高溫、抗氧化
主要應用：砂紙和砂輪的磨料、耐高溫半導體材料
金剛砂
高溫結構陶瓷
成分：碳化硅、氮化硅、金屬氧化物
性能：耐高溫、抗氧化、耐腐蝕
主要應用：火箭和汽車發動機、高溫電極材料等
二、新型無機非金屬材料
2. 新型陶瓷
壓電陶瓷
成分：鈦酸鹽、鋯酸鹽等
性能：機械能與電能相互轉化
主要應用：濾波器、揚聲器、超聲波探傷器和點火器等
透明陶瓷
成分：氧化鋁、氧化釔等氧化物透明陶瓷；
氮化鋁、氟化鈣等非氧化物透明陶瓷等
性能：具有優異的光學性能，耐高溫，絕緣性好
主要應用：高壓鈉燈、激光器和高溫探測窗等
二、新型無機非金屬材料
2. 新型陶瓷
性能：臨界溫度下電阻為零，具有超導性；
主要應用：用于電力、交通、醫療等領域。
超導
陶瓷
3. 碳納米材料
主要富勒烯、碳納米管、石墨烯等，廣泛應用于能源、信息、醫藥等領域。
石墨烯電池
二、新型無機非金屬材料
2. 新型陶瓷
新型材料 結構 性能 用途
富勒烯 由碳原子構成的一系列籠形分子的總稱，如C60 — 制碳納米材料
碳納米管 由石墨片層卷成的管狀物，具有納米尺度的直徑 比表面積大，有相當高的強度和優良的電學性能 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 光電器件、超級電容器、電池、復合材料等
二、新型無機非金屬材料
3. 碳納米材料
應用體驗
判斷正誤
(1)晶體硅熔點高、硬度大，故可用作半導體材料(　　)
(2)石英砂可用于生產單晶硅(　　)
(3)二氧化硅是酸性氧化物，所以能溶于水且可與水反應(　　)
(4)氮化硅陶瓷是新型無機非金屬材料(　　)
(5)向硅酸鈉溶液中通入適量CO2，出現白色沉淀，證明碳的非金屬性強于硅
(　　)
×
√
×
√
√
二、新型無機非金屬材料
隨堂檢測
1.下列說法不正確的是
A.傳統的無機非金屬材料多為硅酸鹽材料，如陶瓷、玻璃、水泥
B.二氧化硅用于光伏電站、人造衛星和電動汽車等的太陽能電池
C.碳化硅硬度很大，可用作砂紙和砂輪的磨料
D.碳納米材料包括富勒烯、碳納米管、石墨烯等
√
隨堂檢測
2.(2023·遼寧大連高一期中)2021年，中國航天不斷創造奇跡，“天問一號”著陸火星，“嫦娥五號”采回月壤，騰飛的中國離不開化學，化學與環境、材料、信息、能源關系密切，推動著人類社會的進步和發展。下列說法不正確的是
A.“天問一號”所用的太陽能電池帆板，其主要材料是硅
B.中國空間站使用石墨烯存儲器，所用材料石墨烯屬于無機非金屬材料
C.SO2可用來漂白紙漿，也能作食品添加劑
D.5G技術中使用的通信光纜不與任何酸堿反應
√
本節內容結束
目標一 答案
1.無機非金屬材料
從組成上看，許多無機非金屬材料含有 等元素，具有 、 、
等特點，以及特殊的 、 等性能。
2.常見的硅酸鹽材料
陶瓷 普通玻璃 普通水泥
原料 主要原料：
輔料：適量的石膏
設備 陶瓷窯
主要 成分 含水的 鋁硅酸鹽 —
硅、氧
耐高溫
抗腐蝕
硬度高
光學
電學
黏土
水泥回轉窯
玻璃窯
純堿(Na2CO3)、石灰石(CaCO3)、石英砂(SiO2)
硅酸鈉(Na2SiO3)、硅酸鈣(CaSiO3)、二氧化硅(SiO2)
石灰石、黏土
目標一 答案
性能 耐高溫、硬度大、耐腐蝕、性質穩定 透光性好、硬度大、無固定熔點 遇水逐漸變硬(水硬性)，硬化后性質穩定
用途 建筑材料、絕緣材料、日用器皿、衛生潔具等 建筑材料、光學儀器、各種器皿、制造玻璃纖維等 大量用于建筑和水利工程
目標二 答案
1.硅和二氧化硅
(1)硅
硅元素位于元素周期表第 周期、第 族，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，是應用最廣泛的 材料。
(2)粗硅的制備
工業上用焦炭還原石英砂可以制得含少量雜質的粗硅，化學方程式：
。
三
ⅣA
半導體
SiO2＋
目標二 答案
(3)硅和二氧化硅的用途
①高純硅用于制造 和 。
② 用于生產光導纖維。
2.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、磁學等方面具有很多新的特性和功能。
新型材料 成分 性能 主要應用
金剛砂 硬度 、耐 、抗氧化 砂紙和砂輪的磨料、耐高溫半導體材料等
芯片
硅太陽能電池
二氧化硅
碳化硅(SiC)
大
高溫
目標二 答案
高溫結 構陶瓷 、 或某些金屬氧化物 耐 、抗氧化、耐 。 火箭和汽車發動機、高溫電極材料等
壓電陶瓷 、 等 能與 能的相互轉化 濾波器、揚聲器、超聲波探傷器和點火器等
透明陶瓷 、 等氧化物透明陶瓷； 、 等非氧化物透明陶瓷 具有優異的光學性能、耐高溫、 好 高壓鈉燈、激光器、高溫探測窗等
超導陶瓷 — 某一臨界溫度下具有超導性 電力、交通、醫療等領域
碳化硅
氮化硅
鈦酸鹽
鋯酸鹽
氧化鋁
氧化釔
氮化鋁
氟化鈣
絕緣性
高溫
腐蝕
機械
電
目標二 答案
3.碳納米材料
碳納米材料主要包括 、 、 等，廣泛應用于能源、信息、醫藥等領域。
新型材料 結構 性能 用途
富勒烯 由 構成的一系列籠形分子的總稱，如 。 — 制碳納米材料
碳納米管 由 卷成的管狀物，具有納米尺度的直徑 比表面積大，有相當高的 和優良的 性能 生產復合材料、電池和傳感器等
石墨烯 只有 厚度的單層石墨 電阻率 、熱導率 ，具有很高的強度 光電器件、超級電容器、電池、復合材料等
富勒烯
碳納米管
石墨烯
碳原子
C60
石墨片層
一個碳原子直徑
強度
電學
低
高

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