第三节 无机非金属材料 2024-2025学年下学期高一化学人教版（2019）必修第二册

第三节 无机非金属材料 硅与碳在同一主族，它们的结构、化学性质相似吗？ 硅的存在形式 硅是一种亲氧元素 Si 在自然界中无游离态，以化合态存在 金刚石 -4 0 +4 游离态 C SiO32- 、SiO2 硅单质的结构、用途 金刚石 晶体硅 结构 物理性质 用途 空间网状结构 熔点高、硬度大 良好的半导体材料 硅单质的化学性质 Si+4HF=SiF4↑+2H2 ↑ Si + 2NaOH + H₂O = Na2SiO₃+ 2H₂↑ Si+O2=SiO2 △ Si+2F2=SiF4 单质硅在常温条件下性质不活泼，可以与F2、HF、NaOH（aq）反应 单质硅在加热条件下可以被氧气氧化生成二氧化硅 芯片的制作 石英砂 半导体芯片 主要成分是SiO2 主要成分是Si 怎样由二氧化硅转化为硅单质呢？ 从沙滩到用户 +4 0 高纯硅的制备 SiO2 + 2C Si + 2CO↑ 高温 还原剂 Si+C SiC 石英砂 粗硅 副反应 SiO2+3C SiC+CO 高纯硅的制备 【资料卡片】 工业上制备高纯硅，一般要先制得纯度为98%左右的粗硅，在一起为原料制备高纯硅。例如，可以将粗硅转化为三氯氢硅（SiHCl3)，再经氢气还原得到高纯硅 Si(粗)+3HCl（g） ====SiHCl3（g）+H2（g） 573K以上 SiHCl3（g） +H2（g） ==== Si(纯)+3HCl（g） 1373K 混合物提纯的常见思路 高纯硅的制备 采用氢气还原不引入新杂质，方便提纯 高纯硅 芯片的制备 查资料发现 制备好的高纯硅经过简单处理成晶圆片之后，下一步就需要将设计好的电路“打印”在晶圆片上，这一过程被称为“光刻”。这一过程需要一台极其精密的仪器被称之为光刻机。而这个仪器的生产、制造、销售都由美国控制，这是“中国芯”被美国“卡脖子”的主要原因。 芯片的制作 石英砂 粗硅 高纯硅 芯片 碳还原 提纯 1 2 3 ①SiO2+2C Si(粗)+2CO↑ ②Si(粗)+3HCl====SiHCl3+H2 573K以上 ③SiHCl3+H2==== Si(纯)+3HCl 1373K 光刻 高纯硅除了用来制造芯片，还有什么用途呢？ 光伏电站、人造卫星和电动汽车的硅太阳能电池等 二氧化硅的结构、用途 空间构型：硅氧四面体（空间网状） 熔沸点高、硬度大、不溶于水、常温下为固体、不导电 物理性质 二氧化硅的结构和硅酸盐相同，都是硅氧四面体结构：一个硅连接四个氧，一个氧连接两个硅，故化学式为SiO2 1molSiO2含有多少硅氧键？ 以硅为研究对象， 1molSiO2含有1mol硅原子，1mol硅原子会形成4mol硅氧键 【思考】 二氧化硅的化学性质 碳和硅位于同一主族，二氧化碳和二氧化硅的化学性质有什么相同点和不同点？ SiO2 CO2 与水反应 不反应 与碱性氧化物反应 与碱反应 与盐反应 常考 CO2+H2O=H2CO3 CO2+CaO=CaCO3 SiO2+CaO=CaSiO3 高温 CO2+Ca(OH)2=CaCO3↓+H2O CO2+2NaOH=Na2CO3+H2O SiO2+Ca(OH)2=CaSiO3↓+H2O SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O SiO2+ Na2CO3 =Na2SiO3+ CO2 高温 SiO2+ CaCO3 =CaSiO3+ CO2 高温 与水不反应 如何用二氧化硅制取硅酸呢？ 二氧化硅的化学性质 与一般的酸性氧化物不同 采用的方法 SiO2 Na2SiO3 H2SiO3 SiO2+Na2CO3 = Na2SiO3+CO2 高温 Na2SiO3 硅酸钠，俗称泡花碱，是一种硅酸盐，其水溶液俗称水玻璃，是一种矿黏合剂。 Na2SiO3 + 2HCl= H2SiO3↓+2NaCl 高中阶段所学到的唯一一个难溶的弱酸 Na2SiO3 + CO2 +H2O = H2SiO3↓+Na2CO3 酸性H2CO3>H2SiO3 与酸反应制备硅酸（强酸制备弱酸） ①制硅酸；②黏合剂(矿物胶)；③耐火阻燃材料；④防腐剂 硅酸钠的用途 硅酸的用途 硅酸 聚合 硅酸凝胶 干燥脱水 硅酸干凝胶 “硅胶” 二氧化硅的化学性质 SiO2+ 2NaOH=Na2SiO3+ H2O 与碱反应 盛放酸性和氧化性溶液的试剂瓶不能用橡胶塞，盛放碱性溶液的试剂瓶不能用玻璃塞，为什么？ 【思考】 酸性和氧化性溶液会腐蚀橡胶塞，而碱性溶液会与玻璃中的SiO2反应，生成硅酸钠，使试剂瓶与瓶塞粘在一起 加热熔融NaOH和不能使用陶瓷坩埚，石英坩埚和铝坩埚，只能使用铁坩埚，为什么？ 陶瓷和石英的主要成分都含有SiO2，SiO2能与NaOH反应，铝坩埚的主要成分是氧化铝，也能与NaOH反应 4HF+SiO2=SiF4↑+2H2O SiO2的特性——与氢氟酸反应 承装氟化氢的试剂瓶能用玻璃吗？ 生活中常用这个反应来刻蚀玻璃 二氧化硅的化学性质 4HF+SiO2=SiF4↑+2H2O SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O 【思考】 SiO2既能和氢氟酸反应又能和氢氧化钠反应， 能说明二氧化硅是两性氧化物吗？ 不是盐 二氧化硅的用途 ①沙子是基本的建筑材料； ②纯净的SiO2是光学和光纤制品的基本原料； ③水晶、石英和玛瑙可制作饰品和工艺品； ④水晶用来制造电子工业中的重要部件。 光导纤维能导电吗？ 【思考】 硅酸盐材料的用途 原料： 条件： 用途： 建筑材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具等 黏土 ( 含水的铝硅酸盐 ) 高温烧结 陶瓷 玻璃 原料 设备 原理 纯碱、石灰石和石英砂 玻璃窑 SiO2+Na2CO3 Na2SiO3+CO2↑ SiO2+CaCO3 CaSiO3+CO2↑ Na2SiO3 、CaSiO3、SiO2 成分 硅酸盐材料的用途 Na2CO3 CaCO3 SiO2 玻璃窑 物理性质 高透光性、非晶型结构、无固定熔点 水泥 原料 设备 黏土、石灰石（再加入少量石膏） 水泥回转窑 作用：调节水泥硬化速率 硅酸盐材料的用途 产品 原料 主要成分及反应 应用 陶瓷 _______(含水的铝硅酸盐) 玻璃 水泥 黏土 生产建筑材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具等 纯碱、石灰石和石英砂（主要成分是SiO2） 普通玻璃：Na2SiO3、CaSiO3和SiO2 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 黏土和石灰石以及其他辅料 大量用于建筑和水利工程 Na2CO3+SiO2= Na2SiO3+CO2↑ CaCO3+SiO2 = CaSiO3+CO2↑ 高温 高温 传统无机硅酸盐产品 都是混合物 新型陶瓷 碳化硅 （俗称金刚砂）一种新型高温结构陶瓷 性质 硬度大，熔点高，抗氧化 应用 砂纸和砂轮的磨料、耐高温结构材料、耐高温半导体材料 结构 结构类似于硅氧四面体 新型陶瓷 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。 高温结构陶瓷 新型陶瓷 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。 压电陶瓷 4MHz压电陶瓷聚焦超声波片 高频压电陶瓷谐振器 新型陶瓷 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。 透明陶瓷 氧化铝陶瓷 二氧化锆 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 超导陶瓷 新型陶瓷 碳纳米材料 富勒烯 由碳原子构成的一系列笼形分子的总称 代表 C60 碳纳米管 石墨烯 小结 Si+4HF=SiF4↑+2H2 ↑ Si + 2NaOH + H₂O = Na2SiO₃+ 2H₂↑ Si+O2=SiO2 △ Si+2F2=SiF4 SiO2 + 2C Si + 2CO↑ 高温 Si+3HCl ====SiHCl3+H2 573K以上 SiHCl3+H2==== Si+3HCl 1373K SiO2 CO2 与水反应 与碱性氧化物反应 与碱反应 与盐反应 与酸反应 常考 CO2+H2O=H2CO3 CO2+CaO=CaCO3 SiO2+CaO=CaSiO3 高温 CO2+Ca(OH)2=CaCO3↓+H2O CO2+2NaOH=Na2CO3+H2O SiO2+Ca(OH)2=CaSiO3 ↓ +H2O SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O SiO2+ Na2CO3 =Na2SiO3+ CO2 高温 SiO2+ CaCO3 =CaSiO3+ CO2 高温 Na2SiO3 + CO2 +H2O = H2SiO3↓+Na2CO3 4HF+SiO2=SiF4↑+2H2O 产品 原料 主要成分及反应 应用 陶瓷 _______(含水的铝硅酸盐) 玻璃 水泥 黏土 生产建筑材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具等 纯碱、石灰石和石英砂（主要成分是SiO2） 普通玻璃：Na2SiO3、CaSiO3和SiO2 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 黏土和石灰石以及其他辅料 大量用于建筑和水利工程 Na2CO3+SiO2= Na2SiO3+CO2↑ CaCO3+SiO2 = CaSiO3+CO2↑ 高温 高温 新型陶瓷 新型石墨材料 构成成分 主要分为两类：一类是纯氧化物陶瓷，如Al2O3、ZrO2、MgO、CaO、BeO、ThO2等；另一类是非氧化物系陶瓷，如碳化物、硼化物、氮化物和硅化物等。 碳 性质 在热和机械性能方面，有耐高温、隔热、高硬度、耐磨耗等；在电性能方面有绝缘性、压电性、半导体性、磁性等；在化学方面有催化、耐腐蚀、吸附等功能；在生物方面，具有一定生物相容性能。 都是无机非金属材料 1．下列说法正确的是 A．CO2和SiO2都能跟水反应生成相应的酸 B．CO2和SiO2都不能与任何酸反应 C．CO2和SiO2都能与NaOH溶液反应 D．石英的主要成分都是SiO2，SiO2可作制太阳能电池的材料 C 2．下列说法正确的是 A．高纯硅可用于制作光感电池 B．二氧化硅导电能力强，可用于制造光导纤维 C．盛装Na2SiO3溶液的试剂瓶可以使用玻璃塞 D．利用氢氟酸刻蚀石英制作艺术品运用了是两性氧化物的化学原理 A 3．硅酸盐的结构 在硅酸盐中，Si和O构成了硅氧四面体，其结构如图所示。每个Si结合_______个O，Si在中心， O在四面体的四个顶角。许多这样的四面体还可通过顶角的O相互连接。每个O为两个四面体所共有，与_______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_______、熔点_______，难溶于_______、化学性质稳定、耐腐蚀等特点。 4 2 高(大) 高 水 $$