5.3 无机非金属材料-【化学一起课件】高中化学必修第二册同步PPT课件（人教版2019）

nullnullnullnullnull 第三节 第五章 工生产中的重要非金属元素 授课老师：一起课件 无机非金属材料 INORGANIC NON-METALLIC MATERIALS 1 教|学|目|标 了解传统的硅酸盐制品和一些新型无机非金属材料在生产、生活中的重要应用 1 了解硅及二氧化硅的主要性质应用 2 了解硅在半导体工业和二氧化硅在现代通信业的重要应用 3 体会组成材料的物质的性质与材料性能的密切关系，认识新材料的开发对人类生产、生活的重要影响，学会关注与化学有关的社会热点问题 4 【知识背景】 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。 广泛应用于航空、航天、信息和新能源等高技术领域。 无机非金属材料 无机非金属材料 传统 传统无机非金属材料- 硅酸盐材料 【01 传统无机非金属材料-硅酸盐材料】 硅酸盐是由硅、氧和金属元素组成的化合物的总称。 1、组成 硅氧四面体 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。 2、结构 无机非金属材料 【01 传统无机非金属材料-硅酸盐材料】 硬度高，熔点高，难溶于水，化学性质稳定，耐腐蚀等。 3、性质 4、分类 陶瓷 玻璃 水泥 无机非金属材料 【01 传统无机非金属材料-硅酸盐材料】 （1）陶瓷 7000年前 《河姆渡彩陶》 4500年前 《良渚黑陶》 秦 《兵马俑》 汉 《乐俑》 唐 《唐三彩》 宋 《汝窑水仙盆》 元 《青花》 清 《粉彩》 无机非金属材料 【01 传统无机非金属材料-硅酸盐材料】 【任务1】根据教材信息完成下表 -原料 粘土（主要成分为含水的铝硅酸盐） -设备 陶瓷窑 -主要成分 铝硅酸盐 -性能 熔点高，硬度大，耐腐蚀，性质稳定 -用途 建筑材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具等 【陶瓷】CERAMICS 无机非金属材料 【01 传统无机非金属材料-硅酸盐材料】 【思考交流】 BaCuSi2Ox中，Ba为+2价,Cu为+2价，Si为+4价，O为-2价，由化合物各元素正、负化合价的代数和为0，(+2)+(+2)+2×(+4)+(-2)×x=0,得x=6；根据信息可知硅酸铜钡的性质稳定,不易褪色。 问题1:硅酸铜钡中x的数值是多少?硅酸铜钡的性质是否稳定? 陶瓷在我国有悠久的历史,是中华民族古老文明的象征。从秦始皇陵中出土的大批陶兵马俑,气势宏伟,形象逼真,被认为是世界奇迹。唐代的唐三彩、明清的景德镇瓷器均久负盛名。但古瓷中所用颜料的成分一直是个谜。近年来科学家才得知其成分大多是硅酸盐,如蓝紫色的硅酸铜钡(BaCuSi2Ox，铜为+2价)。 无机非金属材料 【01 传统无机非金属材料-硅酸盐材料】 【资料卡片】 福兴玻璃集团---中国玻璃公司 福清市新福兴玻璃有限公司注册资金1.5亿元，生产基地面积16万多平方米，员工总人数600余人，旗下拥有6家分公司及15家办事处。公司生产Low-E玻璃、夹层玻璃、中空玻璃、钢化玻璃等节能环保的产品，产品主要应用于大型建筑及住宅的玻璃外幕墙、门窗以及家具配套、室内装饰。 公司拥有先进的经营理念、先进的设备与技术、优秀的人才资源、优良的产品、完善的营销服务体系、科学的管理制度，结合创新性高新技术、良好的社会信誉及底蕴深厚的企业文化，构筑了福建名牌——“新福兴”品牌。 无机非金属材料 【01 传统无机非金属材料-硅酸盐材料】 【任务2】完成下表 -原料 纯碱 石灰石 石英砂（主要成分SiO2） -设备 玻璃窑 -主要成分 硅酸钠（Na2SiO3）、硅酸钙（CaSiO3）、二氧化硅（SiO2） -性能 透光性好，硬度大，无固定熔点，易加工 -用途 建筑材料、光学仪器、各种器皿、制造玻璃纤维等 【玻璃】GLASSES 无机非金属材料 【01 传统无机非金属材料-硅酸盐材料】 【思考交流】 问题1:你能根据制造玻璃的原料和玻璃的主要成分，分析出制造过程中所发生的反应原理吗？ 玻璃的主要成分：Na2SiO3、CaSiO3、SiO2 Na2CO3 + SiO2 ==== Na2SiO3 + CO2↑ CaCO3 + SiO2 ==== CaSiO3 + CO2↑ 【化学方程式】Chemical equation 无机非金属材料 【01 传统无机非金属材料-硅酸盐材料】 【思考交流】 问题2:制造玻璃时发生以下反应:Na2CO3+SiO2=====Na2SiO3+CO2↑。该反应能否说明H2SiO3的酸性比H2CO3的酸性强?为什么? 不能。SiO2与Na2CO3反应,是在高温条件下进行的,且生成的产物是CO2气体,可以脱离反应体系,并不能说明H2SiO3的酸性比H2CO3的酸性强。 高温 问题3:实验室里如何保存硅酸钠溶液?如果将硅酸钠溶液敞口放置一段时间,溶液中会出现什么现象? 硅酸钠溶液与空气中的二氧化碳反应生成硅酸,所以保存的时候应该隔绝空气,而且硅酸钠具有黏性,不能用玻璃塞,应用橡胶塞。若敞口放置一段时间,硅酸钠溶液中会产生白色胶状沉淀,原因是发生反应Na2SiO3+CO2+H2O══H2SiO3↓+Na2CO3。 无机非金属材料 【01 传统无机非金属材料-硅酸盐材料】 【任务3】完成表格 -原料 主料：石灰石，黏土 辅料：适量的石膏（调节水泥硬化的速率） -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) -性能 遇水硬化(水硬性)，硬化后性质稳定。 -用途 大量用于建筑和水利工程 【水泥】CEMENT 无机非金属材料 新型 新型无机非金属材料 【02 新型无机非金属材料】 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。 无机非金属材料 【02 新型无机非金属材料】 【思考交流】 问题1:为什么单晶硅可以作为制造芯片的原材料？请根据元素周期律相关知识进行分析。 硅元素位于金属和非金属的过渡区域，属于半导体材料,其单质的导电性介于金属和绝缘体之间。 问题2:你还能找到其他可做半导体材料的元素吗？ Ge Sn 等，位于金属与非金属交界区域的元素。 无机非金属材料 【02 新型无机非金属材料】 1、硅和二氧化硅 （1）二氧化硅 自然界的二氧化硅主要以玛瑙，水晶的形式存在。 ① 存在 无机非金属材料 【02 新型无机非金属材料】 1、硅和二氧化硅 （1）二氧化硅 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。 ② 结构 【注意】 SiO2是二氧化硅的化学式（表示组成）。二氧化硅没有分子式。 无机非金属材料 【02 新型无机非金属材料】 【思考交流】 问题1:根据二氧化硅的存在形式和结构特电，总结二氧化硅的性质。 物理性质：硬度大，熔点高，不溶于水。 化学性质：化学性质稳定。 无机非金属材料 【02 新型无机非金属材料】 （1）二氧化硅 ③ 化学性质 SiO2 是酸性氧化物 与碱反应：SiO2+2NaOH══Na2SiO3+2H2O（盛装的试剂瓶用橡胶塞） 与碱性氧化物反应：SiO2+CaO=== CaSiO3 不与水反应 氧化性SiO2+2C=====Si+2CO↑。 高温 特性：常温下，不与其他酸反应,但SiO2可以与氢氟酸反应 SiO2+4HF══SiF4↑+2H2O。（刻蚀玻璃） 无机非金属材料 【02 新型无机非金属材料】 ④ 用途 水晶可用于制造电子工业的重要部件、光学仪器和工艺品。 SiO2可用于制造光导纤维。 石英玻璃常用来制造耐高温的化学仪器。 石英砂常用作玻璃原料和建筑材料。 无机非金属材料 【02 新型无机非金属材料】 太阳能电池对硅的纯度要求 99.9999% 芯片对硅的纯度要求99.999999999% 无机非金属材料 【02 新型无机非金属材料】 （2）高纯硅的制备 石英砂 粗硅 SiHCl3 高纯硅 1800～2000℃ 300℃ 1100℃ 焦炭 HCl H2 【图5-23 工业制备高纯硅的原理示意图】 无机非金属材料 【02 新型无机非金属材料】 【思考讨论】 问题1.利用二氧化硅制备高纯硅涉及的三个化学反应,是否都是氧化还原反应? 上述三个反应都是氧化还原反应。 问题2.制备高纯硅过程中，每一步的目的是什么? 第一步，将SiO2还原为硅单质（粗硅）； 第二步，将粗硅氧化成三氯硅烷； 第三步，用氢气将三氯硅烷还原为硅单质（高纯硅）。 无机非金属材料 【02 新型无机非金属材料】 【思考讨论】 问题3.根据制备高纯硅的过程，分析归纳提纯物质的新思路？ 目标物a 杂质 a` 试剂2 杂质 目标物a 无机非金属材料 【02 新型无机非金属材料】 2、新型陶瓷 光学陶瓷 复合陶瓷 生物陶瓷 超硬陶瓷 超导陶瓷 光学陶瓷 复合陶瓷 生物陶瓷 超硬陶瓷 超导陶瓷 无机非金属材料 【02 新型无机非金属材料】 2、新型陶瓷 碳化硅，是一种无机物，化学式为SiC，是用石英砂、石油焦（或煤焦）、木屑（生产绿色碳化硅时需要加食盐）等原料通过电阻炉高温冶炼而成。碳化硅在大自然也存在罕见的矿物，莫桑石。 碳化硅晶体结构与金刚相似，因此具有硬度大，熔点高，耐磨损，耐腐蚀等性质。 莫桑石 碳化硅矿石 碳化硅晶体模型 无机非金属材料 【02 新型无机非金属材料】 利用碳化硅具有耐腐蚀、耐高温、强度大、导热性能良好、抗冲击等特性，碳化硅一方面可用于各种冶炼炉衬、高温炉窑构件、碳化硅板、衬板、支撑件、匣钵、碳化硅坩埚等。 另一方面可用于有色金属冶炼工业的高温间接加热材料，如竖罐蒸馏炉、精馏炉塔盘、铝电解槽、铜熔化炉内衬、锌粉炉用弧型板、热电偶保护管等；用于制作耐磨、耐蚀、耐高温等高级碳化硅陶瓷材料；还可以制做火箭喷管、燃气轮机叶片等。此外，碳化硅也是高速公路、航空飞机跑道太阳能热水器等的理想材料之一。 【资料卡片】---碳化硅的用途 3、碳纳米材料 （1）富勒烯 无机非金属材料 【02 新型无机非金属材料】 富勒烯（Fullerene），是一种完全由碳组成的中空分子，形状呈球型、椭球型、柱型或管状。富勒烯在结构上与石墨很相似，石墨是由六元环组成的石墨烯层堆积而成，而富勒烯不仅含有六元环还有五元环，偶尔还有七元环。 [3] 根据碳原子的总数不同，富勒烯可以分为C20、C60、C70、C76、C80等。其中，最小的富勒烯是C20。C60高度对称的笼状结构使其具有较高的稳定性，因此在富勒烯家族中研究最为广泛。 富勒烯因其独特的零维结构，是近年来最重要的含碳纳米材料之一。同时，富勒烯具有特殊的光学性质、电导性及化学性质，因此富勒烯及其衍生物在电、光、磁、材料学等方面都得到了广泛的应用。 2022年，厦大化学化工学院谢素原院士、袁友珠教授团队发现“纳米王子”——富勒烯的新功能，从而打通乙二醇常压合成的“卡点”。这一历时七年的研究成果，发表在2022年4月15日出版的美国的《科学》杂志。 【资料卡片】 ---富勒烯发展现状 无机非金属材料 【02 新型无机非金属材料】 3、碳纳米材料 （2）石墨烯 石墨烯简介 石墨烯微观结构 无机非金属材料 【02 新型无机非金属材料】 石墨烯（Graphene）是一种以sp²杂化连接的碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的新材料 。石墨烯具有优异的光学、电学、力学特性，在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景，被认为是一种未来革命性的材料。 随着批量化生产以及大尺寸等难题的逐步突破，石墨烯的产业化应用步伐正在加快，基于已有的研究成果，最先实现商业化应用的领域可能会是移动设备、航空航天、新能源电池领域。 新能源电池也是石墨烯最早商用的一大重要领域。美国麻省理工学院已成功研制出表面附有石墨烯纳米涂层的柔性光伏电池板，可极大降低制造透明可变形太阳能电池的成本，这种电池有可能在夜视镜、相机等小型数码设备中应用。另外，石墨烯超级电池的成功研发，也解决了新能源汽车电池的容量不足以及充电时间长的问题，极大加速了新能源电池产业的发展。这一系列的研究成果为石墨烯在新能源电池行业的应用铺就了道路。 【资料卡片】 ---石墨烯的应用 无机非金属材料 【02 新型无机非金属材料】 氢气被很多人视为未来的清洁能源。但是氢气本身密度低，压缩成液体储存又十分不方便。碳纳米管自身重量轻，具有中空的结构，可以作为储存氢气的优良容器，储存的氢气密度甚至比液态或固态氢气的密度还高。适当加热，氢气就可以慢慢释放出来。研究人员正在试图用碳纳米管制作轻便的可携带式的储氢容器。 在碳纳米管的内部可以填充金属、氧化物等物质，这样碳纳米管可以作为模具，首先用金属等物质灌满碳纳米管，再把碳层腐蚀掉，就可以制备出最细的纳米尺度的导线，或者全新的一维材料，在未来的分子电子学器件或纳米电子学器件中得到应用。有些碳纳米管本身还可以作为纳米尺度的导线。这样利用碳纳米管或者相关技术制备的微型导线可以置于硅芯片上，用来生产更加复杂的电路。 利用碳纳米管的性质可以制作出很多性能优异的复合材料。例如用碳纳米管材料增强的塑料力学性能优良、导电性好、耐腐蚀、屏蔽无线电波。使用水泥做基体的碳纳米管复合材料耐冲击性好、防静电、耐磨损、稳定性高，不易对环境造成影响。 碳纳米管还给物理学家提供了研究毛细现象机理最细的毛细管，给化学家提供了进行纳米化学反应最细的试管。碳纳米管上极小的微粒可以引起碳纳米管在电流中的摆动频率发生变化，利用这一点，1999年，巴西和美国科学家发明了能够称量单个病毒的质量“纳米秤”。随后德国科学家研制出能称量单个原子的“纳米秤”。 【资料卡片】 ---碳纳米管的应用 无机非金属材料 【02 新型无机非金属材料】 2020年，中科院研制的8英寸石墨烯晶圆，宣告了我国正式开启了全新的半导体“碳"时代，这也意味着在碳芯片的开发上，我们不会在原料上受制于人。 无机非金属材料 【02 新型无机非金属材料】 2020年8月7日，华为常务董事、华为消费者业务CEO余承东在中国信息化百人会2020年峰会上的演讲中说，受管制影响，下半年发售的Mate 40所搭载的麒麟9000芯片，或将是华为自研的麒麟芯片的最后一代。 以制造为主的芯片下游，是我国集成电路产业最薄弱的环节。由于工艺复杂，芯片制造涉及到从学界到产业界在材料、工程、物理、化学、光学等方面的长期积累，这些短板短期内难以补足。 任正非早就表示：华为很像一架被打得千疮百孔的飞机，正在加紧补洞，现在大多数洞已经补好，还有一些比较重要的洞，需要两三年才能完全克服。 随着禁令愈加严苛，要补的洞越来越多，余承东是承认，当初只做设计不做生产是个错误，除了补洞更要拓展新的领地。 华为和合作伙伴正在朝这个方向走去——华为的计划是做IDM，业内人士对投中网表示。 IDM，是芯片领域的一种设计生产模式，从芯片设计、制造、封装到测试，覆盖整个产业链。 一方面，华为正在从芯片设计向上游延伸。余承东曾表示，华为将全方位扎根，突破物理学材料学的基础研究和精密制造。华为消费者业务成立专门部门做屏幕驱动芯片，进军屏幕行业。早前，网络爆出华为在内部开启塔山计划：预备建设一条完全没有美国技术的45nm的芯片生产线，同时还在探索合作建立28nm的自主技术芯片生产线。 据流传的资料显示，这项计划包括EDA设计、材料、材料的生产制造、工艺、设计、半导体制造、芯片封测等在内的各个半导体产业关键环节，实现半导体技术的全面自主可控。 【资料卡片】 ---芯片发展遇到的挑战 无机非金属材料 【02 新型无机非金属材料】 相信在未来的某一天，我们将拥有一颗“中国芯” 无机非金属材料 【课堂小结】 无机非金属材料 传统无机非金属材料 新型无机非金属材料 陶瓷 玻璃 水泥 硅和二氧化硅 新型陶瓷 碳纳米材料 无机非金属材料 【课堂练习】 1、判断正误,正确的画“√”,错误的画“×”。 (1)石英、水晶、玛瑙、光导纤维、沙子的主要成分是硅酸盐。(　 　) (2)二氧化硅晶体是由SiO2分子直接组成的。(　 　) (3)可以利用石英坩埚熔融NaOH固体。(　 　 ) (4)向Na2SiO3溶液中通入CO2，有白色胶状沉淀产生,可证明酸性: H2CO3 > H2SiO3。(　 　) 无机非金属材料 【课堂练习】 1、判断正误,正确的画“√”,错误的画“×”。 (5)光电池可以将光能直接转化为电能。(　 　) (6)高纯硅具有半导体性能,用于制造光导纤维。(　 　) (7)高温下焦炭可还原石英砂制得粗硅,该反应说明非金属性C<Si。(　 ) (8)C60、碳纳米管和石墨烯都是碳元素形成的单质。(　 　) 无机非金属材料 【课堂练习】 2.陶瓷是火与土的结晶，是中华文明的象征之一，其形成、性质与化学有着密切的关系。下说法错误的是 ( ) A D 陶瓷化学性质稳定，具有耐酸碱侵蚀、抗氧化等优点 A “ 雨过天晴云破处”所描述的瓷器青色，来自氧化铁 B 闻名世界的秦兵马俑是陶制品，由黏土经高温烧结而成 C 陶瓷是应用较早的人造材料，主要化学成分是硅酸盐 无机非金属材料 【课堂练习】 3.下列说法正确的是 ( ) A D 硅能与盐酸反应，故采用盐酸为抛光液抛光单晶硅 A 硅是人类将太阳能转化为电能常用的材料 B 由粗硅制备纯硅的过程中不涉及氧化还原反应 C Si+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H2↑中，Si为还原剂， NaOH和H2O为氧化剂 无机非金属材料 【课堂练习】 4.我国科学家成功研制了SiO2超分子纳米管，下列叙述错误的是 ( ) A D 二氧化硅是一种熔沸点很高、硬度很大的氧化物 A 该超分子性质稳定,不与任何酸发生反应 B 石英、水晶、玛瑙的主要成分都是二氧化硅 C SiO2在工业，上可用于制造光导纤维 无机非金属材料 【课堂练习】 5.中国是瓷器的故乡,有“瓷都”之称的江西景德镇出产的青花瓷是瓷器的代表，蓝紫色的硅酸铜钡(BaCuSi2O6 )是瓷器加工中常用的颜料。下列说法正确的是 ( ) B D 瓷器具有较高的强度与硬度 A 瓷器属于新型无机硅酸盐产品 B 硅酸铜钡还可表示为BaO • CuO • 2SiO2 C 石灰石、黏土是生产瓷器的主要原料 无机非金属材料 【方法技巧】 【硅酸盐表示成氧化物形式的方法】 氧化物的书写顺序：活泼金属氧化物→较活泼金属氧化物→SiO2→H2O,不同氧化物间以“ • ”隔开。 各元素的化合价保持不变，且满足化合价代数和为0，各元素原子个数之比符合原来的组成。 当计量数出现分数时应化为整数。 如正长石:KAISi3O8不能写成 K2O • Al2O3 • 3SiO2， 应该写成K2O • Al2O3 • 6SiO2 无机非金属材料 优美的小调 张宇桦 星空下的钢琴曲 1 172887.42 Lavf58.29.100 Bilibili VXCode Swarm Transcoder v0.3.76 Lavf58.29.100 Packed by Bilibili XCoder v2.0.2 Lavf58.29.100 Bilibili VXCode Swarm Transcoder v0.3.77 Lavf58.29.100 Packed by Bilibili XCoder v2.0.2 Lavf58.29.100 Packed by Bilibili XCoder v2.0.2 Lavf58.29.100 Packed by Bilibili XCoder v2.0.2 Lavf57.71.100 Bilibili VXCode Swarm Transcoder r0.2.61(gap_fixed:False) Lavf58.29.100 Bilibili VXCode Swarm Transcoder v0.3.76 Lavf58.29.100 Bilibili VXCode Swarm Transcoder v0.6.11 Lavf57.83.100 Lavf58.29.100 Bilibili VXCode Swarm Transcoder v0.3.73 Lavf58.29.100 Bilibili VXCode Swarm Transcoder v0.3.70 $$nullnullnullnull