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

步兵战车应用了一种新型才傲的发动机——绝热陶瓷发动机，可使其不易被红外探测器发现并被红外制导武器所摧毁。那么你知道这种陶瓷在化学上属于什么材料吗？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

传统的无机非金属材料多为硅酸盐材料，在日常生活中随处可见，如制作餐具的陶瓷、窗户上的玻璃、建筑用的水泥等。以含硅物质为原料，经加工制得硅酸盐产品的工业称为硅酸盐工业。硅酸盐工业的特点：(1)原料：含硅的物质、碳酸盐等。(2)反应条件：高温。(3)反应原理：复杂的物理、化学变化。(4)生成物：硅酸盐。资料卡片~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~硅酸盐的结构在硅酸盐中，Si和O构成了硅氧四面体，其结构如图5-18所示每个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、难溶于水、耐高温、耐腐蚀等特点。二氧化硅中没有单个分子，用SiO2来表示二氧化硅的组成，表示Si与O的原子个数比为1∶2，所以不是分子式而是化学式。1.陶瓷唐三彩陶瓷是以黏土(主要成分为含水的铝硅酸盐)为主要原料，经高温烧结而成的。生产原料：黏土(Al2O3·2SiO2·2H2O)生产设备：陶瓷窑生产过程：混合─成型─干燥─烧结─冷却反应原理：复杂的物理、化学变化主要性质：抗氧化、抗酸碱腐蚀、耐高温、绝缘、

易成型我国具有悠久的陶瓷制造历史在新石器时代，我们的祖先已能烧制陶器，至唐宋时期我国的陶瓷制品已经享誉海内外。目前，陶瓷仍然在人类的生产和生活中扮演着重要的角色，得到了广泛应用，如用于生产建筑材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具等。2.玻璃机场出口处的蓝色玻璃隔离墙红色玻璃产品普通玻璃的主要成分为Na2SiO3、CaSiO3和SiO2，它是以纯碱、石灰石和石英砂(主要成分是SiO2)为原料，经混合、粉碎，在玻璃窑中熔融，发生复杂的物理和化学变化而制得的。玻璃可用于生产建筑材料、光学仪器和各种器皿，还可制造玻璃纤维用于高强度复合材料等。生产原料：纯碱、石灰石、石英(Na2CO3、CaCO3、

SiO2)生产设备：玻璃熔炉反应原理：复杂的物理、化学变化高温SiO2＋Na2CO3════Na2SiO3＋CO2↑SiO2

＋CaCO3════CaSiO3＋CO2↑高温主要成分：Na2SiO3、CaSiO3、SiO2主要特性：非晶体，无固定的熔点

玻璃的种类种类特性用途石英玻璃膨胀系数小，耐酸碱，强度大，滤光化学仪器，高压水银灯，紫外灯，光导纤维，压电晶体等光学玻璃透光性能好，有折光和色散性眼镜片，照相机，显微镜，望远镜用凸凹透镜等光学仪器种类特性用途玻璃纤维耐腐蚀，不怕烧，不导电，不吸水，隔热，吸声，防蛀虫太空飞行员的衣服，玻璃钢等钢化玻璃耐高温，耐腐蚀，强度大，质轻，抗震裂运动器材，微波通讯器材，汽车，火车窗玻璃等资料卡片~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~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.水泥水泥是最常用的建筑材料下图是1949—1998年我国水泥产量示意图生产原料：石灰石、黏土＋适量石膏

(CaCO3、Al2O3·2SiO2·2H2O)生产设备：水泥回转窑主要成分：硅酸三钙(3CaO•SiO2)、硅酸二钙(2CaO•SiO2)

铝酸三钙(3CaO•Al2O3)等反应原理：复杂的物理、化学变化主要特性：水泥具有水硬性普通硅酸盐水泥的生产以黏土和石灰石为主要原料者与其他辅料经混合、研磨后在水泥回转窑中烧，发生复杂的物理和化学变化，加入适量石膏调节水泥硬化速率，再磨成细粉就能得到普通水泥。水泥、沙子和碎石等与水混合可以得到混凝土，大量用于建筑和水利工程。二新型无机非金属材料1．传统的硅酸盐材料有什么优、缺点？

思考优点：抗腐蚀、耐高温；

缺点：质脆、经不起热冲击。2.新型无机非金属材料有哪些特性？①承受高温，强度高。②具有光学特性。③具有电学特性。④具有生物功能。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，如单晶硅、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、能源和医疗等领域有着广泛的应用。1.硅和二氧化硅现代信息技术是建立在半导体材料基础上的。位于元素周期表第三周期、第IVA族的硅元素，正好处于金属与非金属的过渡位置，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。硅单质①请画出碳和硅的原子结构示意图分析：既不易失去电子，又不易得到电子，主要形成四

价的化合物。②存在及物理性质硅在地壳中含量仅次于氧，居第2位，硅在自然界的存在形态：没有游离态，只有化合态。硅在自然界主要以硅酸盐(如地壳中的大多数矿物)和氧化物(如水晶、玛瑙)的形式存在。

硅单质：灰黑色、有金属光泽、硬而脆的固体，是很好的半导体材料！玛瑙玛瑙玛瑙晶体硅中的杂质会影响其导电性能，因此必须制备高纯度的硅。③单质Si的制备工业上用焦炭还原石英砂可以制得含有少量杂质的粗硅。将粗硅通过化学方法进一步提纯，才能得到高纯硅。制粗硅SiO2

＋2C════Si＋2CO↑高温粗硅在高温下让粗硅(Si)与氯气(Cl2)反应，其产物在高温下被氢气(H2)还原而得到较纯的硅SiCl4＋2H2═════Si＋4HCl高温(高纯硅99.9999999％)提纯硅Si＋2Cl2═════SiCl4高温粗硅资料卡片~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~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。其中涉及的主要化学反应为：SiO2＋2C═════════Si＋2C↑1800~2000℃

Si＋3HCl═════SiHCl3＋H2↑300℃

SiHCl3＋H2══════Si＋3HCl↑1100℃

④用途高纯硅广泛应用于信息技术和新能源技术等领域。利用其半导体性能可以制成计算机、通信设备和家用电器等的芯片，以及光伏电站、人造卫星和电动汽车等的硅太阳能电池。集成电路、晶体管、硅整流器等半导体材料，还可以制成太阳能电池、硅的合金可用来制造变压器铁芯等。二氧化硅（硅石）存在及应用水晶玛瑙无色透明彩色环带或层状结晶形(石英晶体)无定形—硅藻土水晶玛瑙硅石SiO2是自然界中沙子、石英的主要成分。天然二氧化硅叫硅石；结晶的二氧化硅叫石英。二氧化硅可以用来制造光导纤维，具有优良的性能。光导纤维主要特性：①抗干扰性能好，不发生辐射；②通讯质量好；③质量轻、耐腐蚀。2.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、磁学等方面具有很多新的特性和功能进一步拓展了陶瓷的应用领域。例如，碳化硅(SiC)俗称金刚砂，其中的碳原子和硅原子通过共价键连接，具有类似金刚石的结构，硬度很大，可用作砂纸和砂轮的磨料。碳化硅还具有优异的高温抗氧化性能，使用温度可达1600℃，大大超过了普通金属材料所能承受的温度，可用作耐高温结构材料、耐高温半导体材料等。习惯上把陶瓷(ceramics)分为传统陶瓷和特种陶瓷。传统陶瓷是以粘土、长石、石英等天然矿物为原料经烧结而成的。特种陶瓷是以人工合成的氧化物、氮化物、碳化物、硅化物、硼化物超细微粒为原料特制而成。又称精细陶瓷、精密陶瓷。几种新型陶瓷氧化铝陶瓷二氧化锆结构陶瓷氮化硅陶瓷科学·技术·社会~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~随着人们对材料性能要求的不断提高具有特殊功能的陶瓷材料迅速发展，一系列如高温结构陶瓷、压电陶瓷、透明陶瓷和超导陶瓷等新型陶瓷相继问世。这些新型陶瓷与传统陶瓷相比，在成分上有了很大变化。•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。•压电陶瓷主要有酸盐和错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。•透明陶瓷主要有氧化铝、氧化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，可用于电力、交通、医疗等领域。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。富勒烯(C60)、碳纳米管、石墨烯富勒烯——笼形分子，以C60为代表.碳纳米管——石墨片层管状物，比表面积大，具有高强度和电学性能，用于生产复合材料，电池、传感器。石墨烯——单层石墨，电阻率低，热导率高，强度高用于光电器元件、超级电容器、电池和复合材料等。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。练习与应用1.下列叙述错误的是()。A.硅在自然界中主要以单质形式存在B.硅是应用最广泛的半导体材料C.高纯度的硅可用于制造计算机芯片D.二氧化硅可用于生产玻璃A2.下列物品或设施：①陶瓷餐具②砖瓦③混凝桥墩④门窗玻璃⑤水晶镜片⑥石英钟⑦水晶项链⑧硅太阳能电池

⑨石英光导纤维⑩计算机芯片(1)含有硅单质的是_____________(填序号，下同)。(2)含有二氧化硅的是____________________。(3)含有硅酸盐的是______________________。⑧⑩⑤⑥⑦⑨①②③④3.氢氟酸是HF的水溶液，可与SiO2发生反应生成SiF4和H2O。请写出该反应的化学方程式。想一想为什么可以用氢氟酸溶蚀玻璃生产磨砂玻璃。SiO2＋4HF═SiF4↑＋2H2O。玻璃种含有二氧化硅，所以可以用来制造磨砂玻璃4.SiO2

是一种酸性氧化物，能与强碱溶液反应。例如，SiO2与NaOH反应可生成Na2SiO3。Na2SiO3的水溶液俗称水玻璃，