5.3 无机非金属材料-2023-2024学年高一化学同步教学讲义（人教版2019必修第二册）

第三节 无机非金属材料 知识解读·必须会 知识点一 硅酸盐材料 1.硅酸盐的概念、结构与特点 （1）概念：由硅元素、氧元素和金属元素组成的化合物。 （2）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。 （3）特点：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。 2.硅酸盐材料 陶瓷 玻璃 水泥 原料 黏土 纯碱、石灰石、石英砂 石灰石、黏土及其他辅料 设备 陶瓷窑 玻璃窑 水泥回转窑 成分 普通玻璃： 　Na2SiO3、CaSiO3、SiO2　 性能 硬度高、熔点高、难溶于水、化学性质稳定、耐腐蚀等特点 应用 生产建筑材料、绝缘材料、日用器皿和卫生洁具等 生产建筑材料、光学仪器、和各种器皿，制造玻璃纤维、用于高强度复合材料等 大量用于建筑和水利工程 传统无机非金属材料都是以含硅物质为原料，经过高温发生复杂的物理、化学变化制成，产品都为硅酸盐。 知识点二 硅 1.硅的存在形式 元素位置 原子结构 元素性质 第三周期 第IVA族 既不容易得到也不容易失去电子，主要形成四价的共价化合物 硅元素在地壳中含量仅次于氧，居第二位。硅有亲氧性，在自然界中仅以化合态存在，即硅酸盐（如地壳中的大多数矿物）和氧化物（如水晶、玛瑙）的形式存在。 2.晶体硅的物理性质 硅单质是带有金属光泽的灰黑色固体，其结构与金刚石类似，为空间网状结构，所以晶体硅的硬度大、熔点高。导电性介于导体与绝缘体之间。 3.单质硅的化学性质 （1）与非金属单质反应 ①与F2：Si + 2F2 === SiF4 ； ②与Cl2：Si + 2Cl2 SiCl4 ； ③与O2：Si + O2 SiO2 ； ④与C：Si + C SiC （2）与酸、碱反应 ①非金属单质一般不与非氧化性酸反应，但Si能与HF反应：Si + 4HF === SiF4↑ + 2H2↑； ②硅与强碱溶液反应生成氢气：Si + 2NaOH + H2O === Na2SiO3 + 2H2↑。 4.硅的制备 (1)制取粗硅：SiO2+2CSi+2CO↑。 (2)粗硅提纯：①Si+3HClSiHCl3+ H2；②SiHCl3+ H2Si+3HCl。 5.硅的用途 硅在元素周期表中处于金属与非金属的交界处，晶体硅的导电性介于导体与绝缘体之间，是一种良好的半导体材料，因此晶体硅常用于制作集成电路板（硅芯片）和太阳能电池极板。 知识点三 二氧化硅 1.存在 二氧化硅的俗名为硅石，天然二氧化硅分为结晶形和无定形。 结晶形SiO2：石英（水晶和玛瑙） 无定形SiO2：硅藻土 2.结构与物理性质 （1）结构：二氧化硅晶体的基本结构是以硅原子为中心，氧原子在四面体的4个顶角上，而这些四面体又通过顶角的氧原子相连接。即每个硅原子与周围的4个氧原子结合，每个氧原子与2个硅原子结合，实际上，二氧化硅晶体是由Si原子和O原子按1:2的比例所组成的立体网状结构的晶体，所以我们通常用SiO2来表示二氧化硅的组成。 （2）物理性质：纯净的SiO2是无色透明的，不溶于水的固体，熔、沸点高，硬度大，不导电。 3.化学性质 （1）二氧化硅虽然不溶于水，但它是一种酸性氧化物 ①与NaOH反应：SiO2 + 2NaOH === Na2SiO3 + H2O ②与CaO反应：SiO2 + CaO CaSiO3 （2）弱氧化性（与碳反应） SiO2 + 2C Si + 2CO↑ （3）二氧化硅可与某些盐反应制备玻璃 SiO2 + Na2CO3 Na2SiO3 + CO2↑ SiO2 + CaCO3 CaSiO3 + CO2↑ （4）二氧化硅的特性 与HF反应： SiO2 + 4HF === SiF4↑+ 2H2O 4.用途 （1）水晶可用于制造电子工业的重要部件、光学仪器和工艺品。 （2）SiO2可用于制造光导纤维。 （3）石英玻璃常用来制造耐高温的化学仪器。 （4）石英砂常用作玻璃原料和建筑材料。 知识点四 新型陶瓷 碳纳米材料 1.新型陶瓷 新型材料 成分 性能 主要应用[来源] 金刚砂 碳化硅 (SiC) 硬度大、耐高温、抗氧化 磨料、耐高温结构材料、耐高温半导体材料 高温结 构陶瓷 碳化硅、氮化硅、金属氧化物 耐高温、抗氧化、耐腐蚀 用于火箭发动机、汽车发动机和高温电极材料等 压电陶瓷 钛酸盐、锆酸盐等 能实现机械能和电能的相互转化 用于滤波器、扬声器、超声波探伤器和点火器等 透明陶瓷 氧化铝、氧化钇等透明陶瓷；氮化铝、氟化钙等非氧化物透明陶瓷 具有优