无机非金属材料

第五章化工生产中的重要非金属元素

第三节无机非金属材料【学习目标与核心素养】学习目标1、了解并掌握硅、二氧化硅的性质，了解二者在生产、生活中的应用。2、根据无机非金属材料在生产、生活中的应用来研究材料的性能及应用，认识到材料对生产、生活的影响。

核心素养1、通过对硅及化合物的学习培养学生论据推理与模型认知的化学核心素养。2、通过对无机非金属材料的了解，深刻认识化学对社会可持续发展的重要的作用，培养学生科学态度和社会责任的化学核心素养。【引入】

材料是人类赖以生存和发展的物质基础，人类使用的材料除了金属材料，还有无机非金属材料等。从组成上看，许多无机非金属材料含有硅、氧等元素，具有耐高温、抗腐蚀、硬度高等特点，以及特殊的光学、电学等性能。随着工业生产和社会发展对材料性能要求的提高，一批新型无机非金属材料相继诞生，成为航空、航天、信息和新能源等高技术领域必需的材料。一、硅酸盐材料无机非金属材料一、硅酸盐材料陶瓷玻璃水泥传统无机非金属材料多为硅酸盐材料硅酸盐的结构：在硅酸盐中，Si和O构成了硅氧四面体。每个Si结合4个O，Si在中心，O在四面体的4个顶角；许多这样的四面体还可以通过顶角的O相互连接，每个O为两个四面体所共有，与2个Si相结合。硅氧四面体结构的特殊性，决定了硅酸盐材料大多具有硬度高、熔点高、难溶于水、化学性质稳定、耐腐蚀等特点。二氧化硅是由Si和O按1：2的比例组成的立体网状结构的原子晶体。一、硅酸盐材料1.陶瓷原料：历史：应用：黏土(主要成分为含水的铝硅酸盐)青花瓷、唐三彩生产建筑材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具等China反应条件：高温烧结瓷都一、硅酸盐材料2.玻璃原料：工业设备：应用：纯碱、石灰石和石英砂玻璃窑主要成分：生产建筑材料、光学仪器、各种器皿，制造玻璃纤维用于高强度复合材料等Na2SiO3、CaSiO3、SiO2

普通玻璃是以纯碱、石灰石和石英砂为原料,经混合、粉碎，在玻璃窑中熔融，发生复杂的物理变化和化学变化而制得。你能写出发生反应的化学方程式吗?【思考与交流】SiO2+Na2CO3

Na2SiO3+CO2↑SiO2+CaCO3

CaSiO3+CO2↑【资料卡片】

生产中采用不同的原料和工艺，可以制得多种具有不同性能和用途的玻璃。例如，用含有铅的原料制造的光学玻璃，透光性好，折射率高，可以用来制造眼镜、照相机和光学仪器的透镜；加入硼酸盐制成耐化学腐蚀、耐温度急剧变化的玻璃，可用于实验室使用的玻璃仪器；加入一些金属氧化物或盐可以得到彩色玻璃，常用于建筑和装饰。3.水泥原料：工业设备：黏土和石灰石水泥回转窑混凝土：水泥、沙子和碎石等与水混合石膏的作用：条件：高温煅烧调节水泥硬化速率一、硅酸盐材料补充：1.常见的硅酸盐-硅酸钠（Na2SiO3）俗名：泡花碱，其水溶液称为水玻璃，可以制备硅胶、作木材防火剂等。物理性质：白色固体，可溶于水，水溶液呈碱性。化学性质：co2少量：Na2SiO3+H2O+CO2==H2SiO3↓+Na2CO3co2过量：Na2SiO3+2H2O+2CO2==H2SiO3↓+2NaHCO3结论：酸性:H2SiO3<H2CO3（1）酸性太弱，不能使石蕊试液变红

（2）不稳定，受热易分解∆H2SiO3==H2O+SiO22.硅酸（H2SiO3）的化学性质：中和反应：H2SiO3+2NaOH==Na2SiO3+2H2O3.硅酸盐组成的表示方法14活泼金属氧化物●

不活泼金属氧化物●

SiO2

●

H2ONa2SiO3:Na2O•SiO2Al2（Si2O5）（OH）4:Al2O3·2SiO2·2H2OK(Al2Si3O9)(OH)

:K2O·2Al2O3·6SiO2·H2O1.硅和二氧化硅

硅元素的存在与结构存在原子结构示意图周期表中位置含量存在形态地壳中居第___位___________________

______________二氧化物和硅酸盐第三周期、第ⅣA族二、新型无机非金属材料硅处于金属与非金属过渡位置，其单质的导电性介于导体与绝缘体之间，是应用最为广泛的半导体材料。自然界中的硅：硅酸盐矿石水晶（SiO2）玛瑙（SiO2）（1）.存在形式：硅在自然界中主要以硅酸盐（如地壳中的大多数矿物）和氧化物（如水晶、玛瑙）的形式存在。高温SiO2+2C===Si+2CO↑（2）.石英砂和焦炭制取粗硅：【资料卡片】SiO2+2C=========

Si+2CO↑1800~2000

℃Si+3HCl

=====

SiHCl3+H2↑300

℃SiHCl3+H2

=====

Si+3HCl1100

℃（3）.硅的化学性质：不活泼①Si+2F2===SiF4④Si+4HF===SiF4↑+2H2↑⑤Si+2NaOH+H2O==Na2SiO3+2H2↑18②Si+2Cl2===SiCl4③Si+O2===SiO2△△△二、新型无机非金属材料1.利用其半导体性能制成计算机、通信设备和家用电器的芯片。（4）.单质硅的应用2.光伏电站、人造卫星和电动汽车的硅太阳能电池等1.硅和二氧化硅

二氧化硅二、新型无机非金属材料

二氧化硅可用来生产光导纤维。光导纤维的通信容量大，抗干扰性能好，传输的信号不易衰减，能有效提高通信效率。（1）.SiO2物理性质：硬度大，熔点高，不溶于水。

SiO2＋CaO===

CaSiO3

（2）.SiO2化学性质:因为玻璃中含有SiO2,，会与NaOH反应生成有粘合性的Na2SiO3，使瓶塞打不开。高温实验室盛装NaOH溶液的试剂瓶为什么用橡胶塞而不用玻璃塞？a.酸性氧化物与碱性氧化物反应生成盐与强碱反应生成盐和水SiO2＋2NaOH=Na2SiO3＋H2O

硅酸钠（粘合性）

用途：在玻璃上雕花刻字

HF是唯一可以与SiO2

发生反应的酸实验室能不能用玻璃瓶盛装氢氟酸？SiO2＋4HF=SiF4↑＋2H2O2.与HF的反应SiO2+2CSi+2CO↑高温==4.在高温下与碳酸盐的反应SiO2+Na2CO3==CO2

+Na2SiO3SiO2+CaCO3==CO2

+CaSiO3高温高温3、弱氧化性：2.新型陶瓷二、新型无机非金属材料结构：性能：高温抗氧化性能碳原子和硅原子通过共价键连接硬度大砂纸和砂轮的磨料耐高温结构材料耐高温半导体材料碳化硅陶瓷举例：碳化硅（SiC,俗称金刚砂）【科学·技术·社会】压电陶瓷：透明陶瓷：主要有钛酸盐和锆酸盐等，能实现机械能与电能的相互转化，可用于滤波器、扬声器、超声波探伤器和点火器等。主要有氧化铝、氧化钇等氧化物透明陶瓷和氮化铝、氟化钙等非氧化物透明陶瓷，具有优异的光学性能，耐高温，绝缘性好，可用于高压钠灯、激光器和高温探测窗等。超导陶瓷：在某一临界温度下电阻为零，具有超导性，用于电力、交通、医疗等领域。高温结构陶瓷：一般用碳化硅、氮化硅或某些金属氧化物等在高温下烧结而成，具有耐高温、抗氧化、耐磨蚀等优良性能。与金属材料相比，更能适应严酷的环境，可用于火箭发动机、汽车发动机和高温电极材料等。3.碳纳米材料二、新型无机非金属材料

碳纳米材料是近年来人们十分关注的一类新型无机非金属材料，主要包括富勒烯、碳纳米管、石墨烯等，在能源、信息、医药等领域有着广阔的应用前景。——富勒烯3.碳纳米材料二、新型无机非金属材料

富勒烯是由碳原子构成的一系列笼形分子的总称，其中的C60是富勒烯的代表物。C60的发现为纳米科学提供了重要的研究对象，开启了碳纳米材料研究和应用的新时代。——碳纳米管3.碳纳米材料二、新型无机非金属材料

碳纳米管可以看成是由石墨片层卷成的管状物，具有纳米尺度的直径。碳纳米管的比表面积大，有相当高的强度和优良的电学性能，可用于生产复合材料、电池和传感器等。——石墨烯3.碳纳米材料二、新型无机非金属材料

石墨烯是只有一个碳原子直径厚度的单层石墨，其独特的结构使其电阻率低、热导率高，具有很高的强度。作为一种具有优异性能的新型材料，石墨烯在光电器件、超级电容器、电池和复合材料等方面的应用研究正在不断深入。1.下列关于二氧化硅的叙述正确的是（）A．SiO2能与水反应生成硅酸

B．SiO2与CO2的结构相同

C．SiO2用于太阳能电池

D．SiO2与氢氧化钠反应生成的盐储存在带橡胶塞的试剂瓶中D知识巩固【课堂练习】2.下列关于硅酸的说法正确的是（）A．硅酸可以通过SiO2和水化合反应直接制得

B．可用反应Na2SiO3+2HCl===2NaCl+H2SiO3↓制取硅酸C．因为硅酸难溶于水，所以它不能与NaOH溶液反应

D．干燥剂“硅胶”的主要成分是硅酸钠B【课堂练习】3.能证明硅酸的酸性弱于碳酸酸性的实验事实是（）A．CO2溶于水形成碳酸，SiO2难溶于水

B．CO2通入可溶性硅酸盐中析出硅酸沉淀C．高温下SiO2与碳酸盐反应生成CO2

D．CO2是气体，而SiO2是固体B【课堂练习】4.材料与生活、生产息息相关，目前使用的材料主要有：金属材料、传统无机非金属材料、新型无机非金属材料、高分子材料、复合材料等。（1）硅酸盐材料是重要的传统无机非金尾材料，也是日常生活、交通工具、建筑行业等不可缺少的材料之一。下列不属于硅酸盐产品的是

(填写序号)①光导纤维②水泥③玻璃④陶瓷（2）玻璃是重要的建筑和装饰材料，玻璃属于

(填“纯净物”或“混合物”)。有些玻璃的花纹是利用氢氟酸对普通玻璃中的二氧化硅的腐蚀作用而制成的，写出该反应的化学方程式