5.3 无机非金属材料-2023-2024学年高一化学同步精品讲义（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 [学习目标] 1.根据碳、硅的结构，预测在一定条件下碳、硅及其化合物可能发生的化学变化。 2.关注与碳、硅有关的热点问题（如光导纤维、硅电池、半导体材料），形成可持续发展的意识；知道碳、硅及其化合物对社会发展的重大贡献。 课前预习 知识点01 传统无机非金属材料——硅酸盐材料 1．无机非金属材料 （1）组成元素：多含有 、 等元素。 （2）分类： 无机非金属材料、 无机非金属材料。 （3）性能：具有耐 、抗 、硬度 等特点，以及特殊的光学、电学等性能。 （4）应用领域：日常生活应用、航空、航天、信息和新能源等领域。 2．传统无机非金属材料——硅酸盐材料 （1）硅酸盐及其结构 ①概念：硅酸盐是由 、 和 等元素组成的化合物的总称。 ②结构：Si和O构成了硅氧 ，许多这样的四面体通过顶角的 相互连接。 ③特性：硅酸盐材料大多具有硬度 、熔点 、 溶于水、化学性质 、耐 等特点。 （2）常见的硅酸盐材料 项目 陶瓷 玻璃 水泥 主要成分 成分复杂 、 和 硅酸三钙（3CaO·SiO2）、硅酸二钙（2CaO·SiO2）、铝酸三钙（3CaO·Al2O3） 生产原料 （含水的铝硅酸盐） 、 、 主要原料： 、 辅助原料：适量的 主要设备 用途 建筑材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具等 建筑材料、光学仪器、各种器皿、制造玻璃纤维 大量用于建筑和水利工程 知识点02 高纯度含硅元素的材料——硅和二氧化硅 1．硅的存在、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 和 第 周期、第 族 2．高纯硅的制备 （1）流程 （2）反应 ① ② ③ 3．硅和二氧化硅的用途 （1）单质硅 ①信息技术：单质硅是应用最为广泛的 材料，如硅晶片是生产 的基础材料。 ②新能源技术： 电池 （2）二氧化硅：用于生产 。 4．新型陶瓷 （1）组成：不再限于传统的硅酸盐体系。 （2）特性和功能：在光学、热学、电学、磁学等方面具有很多新的特性和功能。 （3）碳化硅（SiC）俗称 ，具有类似金刚石的结构，可用作磨料，具有优异的高温抗氧化性能，可用作耐高温结构材料等。 （4）常见的类型： 陶瓷、 陶瓷、 陶瓷、 陶瓷。 5．碳纳米材料 （1）富勒烯：由 构成的一系列笼形分子的总称，如C60，可以制碳纳米材料。 （2）碳纳米管：可以看成是由 卷成的管状物，具有纳米尺度的直径，比表面积大，有相当高的 和优良的 性能，可用于生产复合材料、电池和传感器等。 （3）石墨烯：只有 厚度的单层石墨，电阻率 、热导率 ，具有很高的强度，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在不断深入。 知识点总结 知识点一：硅酸盐材料 无机非金属材料一般含有硅、氧元素，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。 知识点二：新型无机非金属材料 1．硅和二氧化硅 (1)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 地壳中居第二位 氧化物和硅酸盐 第三周期、第ⅣA族 ①晶体硅是灰黑色、有金属光泽、硬而脆的固体，其结构类似于金刚石，熔沸点很高、硬度大，导电能力介于导体和绝缘体之间，是良好的半导体材料。 ②硅与强碱溶液生成氢气(特征反应)：Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑。 (2)单质硅的制备 ①高纯硅的工业制备原理流程图： ②硅的工业制法：制备粗硅：SiO2＋2CSi＋2CO↑ 当碳过量时，继续反应生成SiC：3C＋SiO2(少量)SiC＋2CO↑(SiC的结构和性能与金刚石相似，属于共价晶体)。 粗硅的提纯：Si＋3HClSiHCl3＋H2 SiHCl3＋H2Si＋3HCl (3)硅主要性质 (4)SiO2的性质 ①晶体类型：共价晶体