新型无机非金属材料+高一下学期化学人教版（2019）必修第二册

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第2课时

新型无机非金属材料【学习目标】1.了解并掌握晶体硅、SiO2的性质，了解二者在生产、生活中的应用。2.认识碳化硅、氮化硅、纳米材料等新型无机非金属材料的主要性能

和用途,感受科学技术的重大应用。

随着科学技术的发展，无机非金属材料突破了传统的硅酸盐体系，一系列新型无机非金属材料相继问世。其中有一些是高纯度的含硅元素的材料：单晶硅、二氧化硅等，具有特殊的光学和电学性能，是现代信息技术的基础材料;还有一些含有碳、氮等其他元素，在航天、能源和医疗等领域广泛应用。硅位于元素周期表第三周期、第ⅣA族，处于金属与非金属的过度位置，其单质的导电性介于导体和绝缘体之间，是应用最为广泛的半导体材料。硅酸盐矿石水晶（SiO2）玛瑙（SiO2）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。二、新型无机非金属材料1、硅单质（1）存在形式：（2）物理性质：灰黑色、有金属光泽、硬而脆的固体;熔沸点高，硬度大;是良好的半导体材料。硅有晶体硅和无定形硅两种单质(3)晶体硅的结构Si原子

晶体硅和金刚石的结构相似。在晶体中每个硅原子都以共价键与相邻4个硅原子结合，形成正四面体的立体网状。(4)硅的化学性质在常温下只能与F2、HF、NaOH溶液反应，加热时能与O2

、Cl2反应。Si+2F2=SiF4↑

Si+4HF=SiF4↑+2H2↑Si+2NaOH+H2O=

Na2SiO3+2H2↑加热Si+O2==SiO2加热Si+Cl2==SiCl4高温Si+C==SiC（常温下为液体）(金刚砂)(5)硅的用途①高纯硅广泛应用于信息技术核心和新能源技术；②作为半导体制成计算机、通信设备；③硅太阳能电池。硅太阳能电池半导体材料硅芯片【思考】高纯硅是如何制造的？半导体工业中，有一句行话“从沙滩到用户”，即由SiO2制取Si。工业上制备高纯硅，一般需要先制得纯度为98%左右的粗硅，再以其为原料制备高纯硅。例如，可以将粗硅转化为三氯硅烷(SiHCl3),再经氢气还原得到高纯硅。SiO2+2C===========Si+2CO↑1800~2000℃Si+3HCl=====

SiHCl3+H2↑300℃SiHCl3+H2

=====

Si+3HCl1100℃制取粗硅：粗硅提纯：

目前提得最纯的元素是半导体材料硅。其纯度已达到12个“9”，即99.9999999999%。杂质含量不超过一千万亿分之一。2、二氧化硅SiO2

(1)存在形态天然的SiO2

(硅石）水晶玛瑙玛瑙水晶硅藻土自然界的沙子、岩石、石英的主要成分均为SiO2。结晶形（石英晶体）无定形——硅藻土(2)结构立体网状结构OSiSiO2中每个Si周围结合4个O，Si在中心，O在4个顶角；许多个这样的四面体又通过顶角的O相连，每个O与2个Si相结合。二氧化硅晶体中Si和O按1:2的比例组成立体网状结构的晶体，二氧化硅的网状结构决定了它的熔点高，硬度大，不导电，不溶于水，化学性质稳定。(3)物理性质不溶于水的固体，熔、沸点高，硬度大。(4)化学性质①酸性氧化物的通性SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2OSiO2+CaO=====CaSiO3高温【思考】为什么实验室盛装NaOH溶液的试剂瓶用橡皮塞而不用玻璃塞？因为玻璃中含有SiO2，会与NaOH溶液反应生成硅酸钠，硅酸钠具有黏性，会使瓶塞与瓶口粘在一起而打不开。注意：SiO2不能与水直接化合成H2SiO3②弱氧化性SiO2+2C=====Si+2CO↑高温工业制粗硅③SiO2的特性SiO2+4HF==SiF4↑+2H2O刻蚀玻璃用氢氟酸“刻”出的玻璃工艺品实验室用塑料瓶盛装氢氟酸，不用玻璃瓶(5)SiO2用途①沙子是基本的建筑材料。②纯净的SiO2是现代光学及光纤制品的基本原料，可以制作光导纤维。③水晶和玛瑙制作饰物和工艺品。④

石英坩埚光导纤维石英坩埚3、新型陶瓷

新型陶瓷在组成上不再限于传统的硅酸盐体系，在光学、热学、电学、磁学等方面有很多新的特性和功能。例如:碳化硅陶瓷特点:砂纸和砂轮的磨料②优异的高温抗氧化性能耐高温结构材料、耐高温半导体材料---俗称金刚砂①硬度大①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。②压电陶瓷：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。③透明陶瓷：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。④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。新型陶瓷科学·技术·社会高温陶瓷透明陶瓷超导陶瓷压电陶瓷3、碳纳米材料

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。结构特点应用富勒烯碳纳米管石墨烯由碳原子构成的