5.3无机非金属材料的主角 课件 2024-2025学年高一下学期化学人教版（2019）必修第二册

第三节 无机非金属材料 第五章 高一 化学 1 学习目标 2 1 新型无机非金属材料 传统无机非金属材料 ‹#› 知识导航 你知道这些地标性建筑用到了哪些材料吗？ 材料按照化学组成和特性来分： 无机非金属材料 金属材料 高分子材料： ‹#› 新课导入 材料的分类 材料 金属材料 金属单质和合金 无机非金属材料 玻璃、陶瓷、水泥 硅—太阳能电池 有机高分子材料 塑料、纤维、橡胶 复合材料 玻璃纤维、碳纤维、酚醛树脂、环氧树脂 ‹#› 新课导入 无机非金属材料 金属材料：包含纯金属和合金 有机高分子材料 传统无机非金属材料：如玻璃、陶瓷、 水泥 新型无机非金属材料：硅和二氧化硅、 新型陶瓷、碳纤维等 复合材料 无机非金属材料由什么物质组成？有什么性质？ ‹#› 新课导入 传统的无机非金属材料多为硅酸盐材料 陶瓷 玻璃 水泥 硅酸盐是由硅、氧和金属组成的化合物的总称。 传统无机非金属材料 ‹#› 传统无机非金属材料 硅酸盐 存在： 定义： 硅酸盐一般结构复杂，存在于地壳、岩石中 由金属、硅、氧等元素形成的盐 ①用盐的化学式表示，如Na2SiO3、CaSiO3 ②用氧化物的形式表示，如Na2O•SiO2、CaO•SiO2 ①书写形式一般为：X金属氧化物 • Y SiO2 • Z H2O ②元素化合价不变、原子比例不变 ③计量数以整数书写 ④多种金属同时存在，活泼金属写在前面 【注意】 长石（K2Al2Si2O8）、高岭土[Al2Si2O5(OH)4]如何用氧化物形式表示？ Al2O3·2SiO2·2H2O K2O·Al2O3·2SiO2 只是以氧化物的形式表示，但其本身属于盐 ‹#› 硅酸盐的结构 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。 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、熔点高、难 溶于水（Na2SiO3、K2SiO3除外）、化学性质稳定、耐腐蚀等特点。 传统无机非金属材料 ‹#› 硅酸钠Na2SiO3 物理性质 化学性质 白色固体俗称泡花碱，可溶于水， 水溶液俗称水玻璃，是一种矿物胶，有很强的黏合性。 与酸反应： Na2SiO3+2HCl 2NaCl+H2SiO3↓ Na2SiO3+2H2O+2CO2(过量） 2NaHCO3+H2SiO3↓ Na2SiO3+H2O+CO2(少量） Na2CO3+H2SiO3↓ 硅酸：高中化学唯一难溶性酸 ①制硅酸；②黏合剂(矿物胶)；③耐火阻燃材料；④防腐剂 用途 ‹#› 传统无机非金属材料 —— 陶瓷 青花瓷、唐三彩 陶瓷 （china 瓷都) ①主要原料： ②传统制作过程： 黏土 (主要成分是Al2O3·2SiO2·2H2O,含水的铝硅酸盐) 混合→成型→干燥→烧结→冷却→陶瓷器 ‹#› ③反应原理： ④主要成分： ⑤主要特性： 抗氧化、抗酸碱腐蚀、耐高温、绝缘、易成型 复杂的物理、化学变化 硅酸盐 ⑥用途： 建筑材料、绝缘材料、日常器皿、卫生洁具 高压输电线路使用了陶瓷绝缘材料 陶瓷 传统无机非金属材料 —— 陶瓷 ‹#› 传统无机非金属材料 —— 玻璃 ①主要原料： ②主要设备： ④反应原理： ⑤普通玻璃的成分： ⑥主要特性： 纯碱(Na2CO3)、石灰石(CaCO3)、石英砂(SiO2) 玻璃窑 ③生产过程： 原料粉碎，玻璃窑中强热，成型冷却 Na2CO3+SiO2 == Na2SiO3 + CO2↑ 高温 CaCO3+ SiO2 == CaSiO3 + CO2↑ 高温 没有固定的熔点，可在一定温度范围内软化 Na2SiO3、CaSiO3、SiO2 ⑦用途： 生产建筑材料、光学仪器、各种器皿、制造玻璃纤维用于高强度复合材料等。 固体和固体发生反应，不能证明酸性强弱。 ‹#› 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。 着色剂 玻璃颜色 MnO2 紫色 CoO、 Co2O3 紫红色 FeO、 K2Cr2O7 绿色 CdS、 Fe2O3 、Sb2S3 黄色 AuCl 、 Cu2O 红色 CuO 、 MnO2 、 Fe3O4 黑色 【思考】 家中常用的玻璃为什么微微带绿色？ 传统无机硅酸盐产品 玻璃 ‹#› 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。 玻璃 传统无机非金属材料 ‹#› 传统无机非金属材料 —— 水泥 ①主要原料： ②主要设备： 石灰石（CaCO3），黏土，辅料(石膏CaSO4•2H2O)等 水泥回转窑 ③生产过程： 原料 研磨 混合 煅烧 (回转窑) 成品 加入石膏 生料 熟料 调节水泥 的硬化速度 ④反应原理： ⑤主要成分： ⑥特性： 硅酸三钙 (3CaO•SiO2) 硅酸二钙 (2CaO•SiO2) 铝酸三钙 (3CaO•Al2O3) 复杂的物理的、化学的变化 水泥具有水硬性 ⑦主要用途: 建筑、修路。 如:水泥砂浆、混凝土、钢筋混凝土。 ‹#› 无机非金属材料 硅酸盐产品 陶瓷 水泥 玻璃 陶瓷：原料——黏土 玻璃：原料——纯碱、石灰石和石英 水泥：原料——黏土和石灰石; 加适量石膏 【归纳总结】 传统无机非金属材料 ‹#› 陶瓷 玻璃 普通水泥 原料 黏土 纯碱（Na2CO3） 石灰石（CaCO3） 石英砂（SiO2） 主要原料：石灰石、黏土 辅助原料：石膏 设备 陶瓷窑 玻璃窑 水泥回转窑 主要成分 二氧化硅（SiO2） 硅酸盐 硅酸钠（Na2SiO3）硅酸钙（CaSiO3）二氧化硅（SiO2） 硅酸三钙（2CaO·SiO2） 硅酸二钙（2CaO·SiO2） 铝酸三钙（3CaO·Al2O3） 用途 生产建筑材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具等 生产建筑材料、光学仪器、各种器皿、玻璃纤维 大量用于建筑和水利工程 ‹#› 1．传统的硅酸盐材料有什么优、缺点？ 2.新型无机非金属材料有哪些特性？ 优点：抗腐蚀、耐高温； 缺点：质脆、经不起热冲击。 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。 ‹#› 问题思考 3、新型陶瓷 1、单晶硅 2、二氧化硅 高温结构陶瓷 (SiC、Si3N4) 压电陶瓷 透明陶瓷 超导陶瓷 4、碳纳米材料 ：富勒烯、碳纳米管、石墨烯等 新型无机 非金属材料 新型无机非金属材料 ‹#› 1、单晶硅 独特的电学性能 半导体材料 高纯硅广泛应用于信息技术和新能源技术等领域 硅晶片用于生产芯片 硅太阳能电池 新型无机非金属材料 ‹#› 新型无机非金属材料 硅谷（Silicon Valley），位于美国加利福尼亚北部的大都会区旧金山湾区南面，是高科技事业云集的圣塔克拉拉谷（Santa Clara Valley）的别称。 是电子工业和计算机业的王国。 硅谷最早是研究和生产以硅为基础的半导体芯片的地方，因此得名。 ‹#› 2、二氧化硅 水晶、玛瑙饰品 石英坩埚 光导纤维 光 学 纤 维 胃 镜 优越的光学性能 光导纤维的通信容量大，抗干扰性能好，传输的信号不易衰减，能有效提高通信效率。 建筑材料 玻璃仪器 新型无机非金属材料 ‹#› ①②③④ ⑧⑩ ③④⑤⑥⑦⑨ ‹#› 课堂练习 3、新型陶瓷 与传统陶瓷相比，新型陶瓷在成分上有很大的变化，不再局限于传统的硅酸盐体系，在光学、热学、电学、磁学等方面有很多新的特性和功能。 新型陶瓷 高温结构陶瓷 压电陶瓷 透明陶瓷 超导陶瓷 新型无机非金属材料 ‹#› 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 高温结构陶瓷 氮化硅轴承 新型无机非金属材料 ‹#› 碳原子和硅原子通过共价键连接 结构： 性能 砂纸和砂轮的磨料 高温抗氧化性能 硬度大 耐高温结构材料 耐高温半导体材料 碳化硅陶瓷 碳化硅SiC：俗称“金刚砂” 思考：请画出硅和氮的原子结构示意图，并根据元素周期律的知识，写出氮化硅的化学式。 新型无机非金属材料 ‹#› 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 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 新型无机非金属材料 ‹#› 钠蒸气放电发光问题早在1950年就得以解决，但当时没有任何材料可以的的抵御高温钠蒸气(1 400℃)强烈的腐蚀性。 氧化铝陶瓷 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 新型无机非金属材料 ‹#› 世界上最小的车是什么车？ 它的轮轴能像汽车的轮轴一样平滑旋转，而轮轴末端是4个“巴基球”做成的轮子。“巴基球”是由60个碳原子构成的纳米级球状分子，具有很多新奇的特性，在纳米技术研究中很受科学家重视。 纳米车的轮子可滚动 电子显微镜下观察到的纳米汽车 既不是各大汽车厂商的迷你系列轿车，也不是孩子们的玩具模型，而是由荷兰格罗宁根大学有机化学教授本·费林加研制的纳米车。 新型无机非金属材料 ‹#› 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。 化学趣史 C60的发现 1985，美国化学家斯莫利和柯尔以及英国化学家克鲁特，通过激光照射石墨实验，发现新型单质C60分子。并在建筑设计师富勒设计球形建筑的启发下，绘制出由20个正六边形和12个正五边表 构成的“笼状”分子 结构，并把它命名为“富勒烯”，因分子结构形似足球，又称为“足球烯”。 1996年三位科学家获诺贝尔化学奖。 新型无机非金属材料 C60是富勒烯的代表物，C60的发现为纳米科学提供了重要的研究对象，开启了碳纳米材料研究和应用的新时代。 ‹#› “冬奥会” 演员服饰用上石墨烯 智能发热防寒保暖 石墨烯 石墨烯是只有一个碳原子直径厚度的单层石墨 新型无机非金属材料 ‹#› 化学趣史 碳纳米碳管 1991年，日本化学家饭岛博士在对石墨电弧放电实验时，发现了有单层、多层石墨卷曲而成的碳纳米碳管。 纳米碳管的发现也给材料研究带来了新的变革。 新型无机非金属材料 ‹#› 5、碳纳米管材料 类别 成分 性能 应用 富勒烯 —— 碳纳米管 石墨烯 由碳原子构成的一系列笼形分子 纳米汽车 由石墨片层卷成的管状物，具有纳米尺度的直径 比表面积大，强度高、优良电化学性能 复合材料、电池、传感器 只有一个碳原子直径厚度的单层石墨 电阻率低、热导率高，高强度 光电器件、超级电容器、电池和复合材料（eg:动力电池、超轻海绵） 新型无机非金属材料 ‹#› 新型无机非金属材料 单晶硅 二氧化硅 新型陶瓷 碳纳米材料 应用: 芯片、太阳能电池 是沙子、水晶、石英、玛瑙的主要成分， 可用于制光导纤维 碳化硅（金刚砂） 氮化硅 压电陶瓷 透明陶瓷 超导陶瓷 Si3N4 富勒烯 碳纳米管 石墨烯 新型无机非金属材料 ‹#› 【典例1】下列关于无机非金属材料的说法不正确的是(　　) A．传统无机非金属材料是指玻璃、水泥、陶瓷等硅酸盐材料 B．新型无机非金属材料虽然克服了传统无机非金属材料的缺点，但强度比较差 C．高温结构材料具有耐高温、耐酸碱腐蚀、硬度大、耐磨损、密度小等优点 D．传统无机非金属材料和新型无机非金属材料的主要成分不同 B ‹#› 课堂练习 【典例2】北京冬奥会上科技元素“星光熠熠”，向世界展现了一个现 代化的中国。212项技术在冬奥会上得以应用，如含有石墨烯的智能 服饰、铝合金管材和光导纤维等等。有关说法中不正确的是（ ） A．石墨烯是一种电阻率低、热导率高的具有优异性能的新型材料 B．我国提出网络强国战略，光缆线路总长超过三千万公里，光缆的 主要成分是二氧化硅 C．制造手机芯片的关键材料是二氧化硅 D．富勒烯及“超轻海绵”使用的石墨烯是新型无机非金属材料 C ‹#› 课堂练习 1．化学知识与科技、生产、生活有密切的关系。下列叙述中错误 的是（ ） A．“天宫二号”空间运行的动力源泉——太阳能电池帆板，其 核心材料为晶体硅 B．“天问一号”火星车使用的保温材料——纳米气凝胶，具有 丁达尔效应 C．三星堆二号祭祀坑出土商代的铜人铜像填补了我国考古学、 青铜文化史上的诸多空白。青铜器的出土表明我国商代已经掌 握冶炼铜技术 D．“北斗系统”组网成功，北斗芯片中的半导体材料为二氧化硅 D ‹#› 课堂练习 Multimedia Cloud Transcode (cloud.baidu.com) Lavf59.14.100 $$