5.3无机非金属材料 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1课时 硅酸盐材料 第五章 化工生产中的重要非金属元素 1 1.通过传统硅酸盐的用途和性质，了解硅酸盐的结构微观探析。 2.通过对无机非金属材料的了解，深刻认识化学对社会可持续发展的重要的作用，培养学生科学态度和社会责任的化学核心素养。 学习目标 材料是人类赖以生存和发展的物质基础，人类使用材料除了金属材料，还有无机非金属材料等。 新课引入 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。 随着工业生产和社会发展对材料性能要求的提高，一批新型无机非金属材料相继诞生，成为航空、航天、信息和新能源等高技术领域必需的材料。(如石墨烯、碳纤维等） 新课引入 了解冬奥会上的塑料新材料，总结材料有哪些类别，如何分类？ 一、材料的分类 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 【思考】无机非金属材料由什么物质组成？有什么性质？ 材 料 二、硅酸盐与硅酸 存 在： 定 义： 表示方法： 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.硅酸盐 【注意】 ①书写形式一般为：X金属氧化物•YSiO2•ZH2O 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，活泼的写在前面 【思考】长石(KAlSi3O8)、高岭土[Al2Si2O5(OH)4]如何用氧化物的形式表示？ K2O• Al2O3• 6SiO2 Al2O3• 2SiO2 •2H2O 二、硅酸盐与硅酸 (1).Si 和 O 构成了硅氧四面体； (2).每个 Si 结合 4 个 O， Si 在中心，O 在四面体的 4 个顶角，许多四面体通过顶角的O相互连接； (3).每个 O 为两个四面体所共有，与 2 个 Si 相结合。 大多硬度高、熔点高、难溶于水、化学性质稳定、耐腐蚀等。 有例外Na2SiO3 2.硅酸盐结构 3.硅酸盐性质 二、硅酸盐与硅酸 4. Na2SiO3——俗称泡花碱 (1).物理性质 白色固体，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。 (2).化学性质 与酸反应： Na2SiO3+2HCl === 2NaCl+H2SiO3↓ Na2SiO3+2H2O+2CO2(过量) === 2NaHCO3+H2SiO3↓ Na2SiO3+H2O+CO2(少量) === Na2CO3+H2SiO3↓ 【思考】这些反应的反应类型是什么？遵循什么反应原理？ 二、硅酸盐与硅酸 4. Na2SiO3——俗称泡花碱 (3).用途 ①制硅酸；②黏合剂(矿物胶)；③耐火阻燃材料；④防腐剂 5. H2SiO3——高中化学唯一难溶性酸 (1).物理性质 (2).化学性质 是一种很弱的酸，酸性比碳酸弱，溶解度很小。 H2SiO3 H2O+SiO2 【思考】如何证明酸性盐酸>碳酸>硅酸？ A B C D A：Na2CO3/NaHCO3 B : 稀盐酸 C : 饱和NaHCO3溶液 D : Na2SiO3溶液 二、硅酸盐与硅酸 二、硅酸盐与硅酸 5. H2SiO3——高中化学唯一难溶性酸 (3).用途 硅酸 聚合 硅酸凝胶 干燥脱水 硅酸干凝胶 “硅胶” 三、传统无机非金属材料——硅酸盐材料 【思考】现在家居装修以明亮，简洁，实用的风格为主流，大家能判断都用到哪些材料以及它们的类别吗？ 玻璃 传统无机非金属材料 铝合金 金属材料 木纹砖 传统无机非金属材料 陶瓷 三、传统无机非金属材料——硅酸盐材料 1.陶瓷——土与火的完美结合 china 和 China 旧石器时代陶器 距今将近2万年 新石器时代陶器 距今约1万年 春秋战国原始瓷 距今约2千多年 陶瓷史的第一个高峰唐朝（南青、北白、唐三彩） 越窑青瓷 刑窑白瓷 唐三彩 宋朝（汝、哥、官、均、定） 三、传统无机非金属材料——硅酸盐材料 1.陶瓷——土与火的完美结合 三、传统无机非金属材料——硅酸盐材料 原料 性质 黏土 (主要成分为含水的铝硅酸盐) 抗氧化、抗酸碱腐蚀、耐高温、绝缘、易成型等许多优点。 生产建筑材料、绝缘材料、 日用器皿、卫生洁具等。 应用 1.陶瓷——土与火的完美结合 设备 陶瓷窑 三、传统无机非金属材料——硅酸盐材料 2.玻璃——沙与火的淬炼 原料 设备 原理 纯碱、石灰石和石英砂 玻璃窑 Na2SiO3 、CaSiO3、SiO2 成分 【思考】高温条件下反应的原理是什么？ SiO2+Na2CO3 ==== Na2SiO3+CO2↑ SiO2+CaCO3 ==== CaSiO3+CO2↑ 高温 高温 三、传统无机非金属材料——硅酸盐材料 2.玻璃——沙与火的淬炼 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。 三、传统无机非金属材料——硅酸盐材料 2.玻璃——沙与火的淬炼 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？ 三、传统无机非金属材料——硅酸盐材料 2.玻璃——沙与火的淬炼 钢化玻璃 【思考】钢化玻璃也是传统无机非金属材料吗？和普通玻璃成分一样吗？ 是 三、传统无机非金属材料——硅酸盐材料 3.水泥 原料 设备 黏土、石灰石（再加入少量石膏） 水泥回转窑 【注意】水泥、沙子和碎石等与水混合可以得到混凝土。 作用：调节水泥硬化速率 三、传统无机非金属材料——硅酸盐材料 产品 原料 主要成分及反应 应用 陶瓷 黏土(含水的铝硅酸盐) 玻璃 水泥 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 课堂总结 无机非金属 材料 硅酸盐 传统无机非金属材料 陶瓷：原料、用途 水泥：原料、设备 存在：岩石 组成：金属元素，硅和氧元素 表示：X金属氧化物•Y SiO2•Z H2O 硅酸钠：可溶性硅酸盐，俗称泡花碱，水溶液称为水玻璃，用于粘合剂，阻燃剂 玻璃：原料、设备、原理、用途 第三节 无机非金属材料 第2课时 新型无机非金属材料 第五章 化工生产中的重要非金属元素 23 1.通过对硅及化合物的学习培养学生论据推理与模型认知的化学核心素养。 2.结合身边的生活用品、电子产品、建筑物等用到的无机非金属材料，感受化学就在身边，化学材料作用巨大，提高学生努力学习化学、投身国家建设的社会责任感。 学习目标 新课引入 一些材料含碳、氮等其他元素，在航天、能源和医疗等领域广泛应用。 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。 高纯度的含硅元素的材料：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。 单晶硅 氮化硅 新课引入 新型无机非金属材料具有的特性： 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。 碳化硅金刚石切割片 二氧化硅光导纤维 硅芯片 输送药物的纳米材料 一、二氧化硅 1.硅的存在形式 硅是一种亲氧元素，在自然界中主要以硅酸盐（如地壳中的大多数矿物）和氧化物（如水晶、玛瑙、石英砂）的形式存在。在地壳中的含量位居第二，仅次于氧元素。 O Si 一、二氧化硅 2. SiO2的物理性质 【思考】从硅在自然界中的存在，你能看出二氧化硅具有哪些物理性质吗？ SiO2是一种难溶于水的非金属氧化物，硬度大，熔点高。 SiO2有结晶态（如玛瑙、沙子、石英等）和无定形态（如硅藻土）两种，统称为硅石。 一、二氧化硅 3. SiO2的结构 【思考1】从二氧化硅的物理性质，结合硅在元素周期表中的位置，你能预测二氧化硅的空间结构吗？ 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，无限延伸，故化学式为SiO2 【思考2】 1molSiO2含有多少mol Si-O键？ 以硅为研究对象，1mol SiO2 含有1mol Si，1mol Si会形成4molSi-O键。 3. SiO2的化学性质 【思考1】碳和硅位于同一主族，探究二氧化碳和二氧化硅的化学性质有什么相同点和不同点。 (1)酸性氧化物 ①与强碱溶液反应： ②与碱性氧化物反应： SiO2 ＋ 2NaOH === Na2SiO3 ＋H2O 硅酸钠（粘合性） SiO2＋ CaO ==== CaSiO3 高温 【注意】二氧化硅是硅酸的酸酐，但是二氧化硅不能与水反应生成硅酸。 一、二氧化硅 【思考2】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？ 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。 【思考3】加热熔融NaOH为什么不能使用陶瓷坩埚，石英坩埚和氧化铝坩埚？ 陶瓷和石英的主要成分都含有SiO2，SiO2能与NaOH反应，氧化铝坩埚的主要成分是Al2O3 ，也能与NaOH反应。 3. SiO2的化学性质 只能使用铁坩埚。 一、二氧化硅 SiO2+Na2CO3 ==== Na2SiO3+CO2↑ SiO2+CaCO3 ==== CaSiO3+CO2↑ 高温 高温 3. SiO2的化学性质 一、二氧化硅 (2)高沸点酸酐制低沸点酸酐 (3)弱氧化性 （制粗硅） SiO2 + 2C === Si + 2CO↑ 高温 不能；该反应有CO 脱离体系，促进反应进行。 【思考】由此反应能否说明碳的还原性大于硅？ 3. SiO2的化学性质 (4)特性 （在玻璃上雕花刻字） 【注意】HF是唯一能与SiO2反应的酸。 SiO2＋4HF === SiF4↑＋ 2H2O 【思考1】 SiO2既能与强碱反应，又能与HF反应，SiO2是两性氧化物吗？ 不是，二氧化硅和其他酸不反应，只能与HF酸反应，且生成的SiF4不是盐。 【思考2】 氢氟酸该如何保存？ 保存在塑料瓶中。 一、二氧化硅 4. SiO2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。 【思考】光导纤维能导电吗？ 一、二氧化硅 4. SiO2的用途 【活动】观看视频，了解光纤通信的原理。 光纤通信的原理：光在二氧化硅形成的光密介质中全反射传递信息。故光导纤维的通信具有容量大，抗干扰性能好，传输的信号不易衰减，能有效提高通信效率。 一、二氧化硅 二氧化碳 二氧化硅 水 碱 碱性氧化物 碳酸盐 HF 氧化性 CO2+2NaOH = === Na2CO3+H2O 不反应 CO2+H2O ==== H2CO3 CO2+CaO = === = CaCO3 不反应 CO2 +H2O+Na2CO3 ==== =2NaHCO3 CO2+C ==== == 2CO SiO2 + 2NaOH ==== Na2SiO3 +H2O SiO2+CaO ====== CaSiO3 高温 SiO2+4HF ==== = SiF4↑+2H2O SiO2+Na2CO3 ==== == Na2SiO3+CO2↑ 高温 SiO2+2C ===== == Si+2CO↑ 高温 一、二氧化硅 二、硅单质 1.高纯硅的制备 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。 SiO2 + 2C ======== Si + 2CO↑ 1800-2000℃ Si + 3HCl ===== SiHCl3 + H2 300℃ 1100℃ SiHCl3 + H2 ===== Si + 3HCl 粗硅的制备 粗硅变纯硅 2.硅的用途 (1).利用其半导体性能制成计算机、通信设备和家用电器的芯片。 (2).光伏电站、人造卫星和电动汽车的硅太阳能电池等。 【思考1】硅是非金属元素，为什么硅晶体可以导电用作半导体？ 硅位于第三周期第ⅣA族，正好处于金属与非金属的过度位置，故硅晶体的导电性介于导体和绝缘体之间，是应用最广泛的半导体材料。 【思考2】硅与碳在同一主族，它们的结构、化学性质相似吗？ 单晶硅的结构和金刚石的结构相同，化学性质与碳有一定相似性。 二、硅单质 3.硅的化学性质 ④Si + 4HF === SiF4↑ +2H2↑ ⑤Si+ 2NaOH + H2O === Na2SiO3 + 2H2↑ ①Si+2F2 === SiF4 △ ②Si+2Cl2 === SiCl4 △ ③Si+O2 === SiO2 △ 二、硅单质 二、硅单质 1.下列物品或设备的成分中含有二氧化硅的是( )，含有硅单质的是( )。 ①门窗玻璃　②水晶镜片　③石英钟表　④玛瑙首饰 ⑤硅太阳能电池 ⑥光导纤维　⑦计算机芯片 A.①②③④⑥ B.全部 C.⑤⑦ D.①②⑥⑦ A C 三、新型陶瓷 新型陶瓷在组成上不再限于传统的硅酸盐体系，是以人工合成的氧化物、氮化物、碳化物、硅化物、硼化物超细微粒为原料特制而成。又称精细陶瓷、精密陶瓷。 1.碳化硅——俗称金刚砂，一种新型高温结构陶瓷 碳原子和硅原子通过共价键连接，类似于金刚石的空间网状结构。 硬度大，熔点高，抗氧化。 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： 性质: 应用: 三、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 三、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 三、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 三、新型陶瓷 超导陶瓷 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。 四、碳纳米材料 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。 1.富勒烯 四、碳纳米材料 由碳原子构成的一系列笼形分子的总称，代表物：C60 C60的发现为纳米科学提供了重要研究对象，开启了纳米材料研究和应用的新时代。 富勒烯C60是在1984年美国埃克森实验室首次发现，1985年由克罗托、柯尔、斯莫利三位科学家联合成功制备出的C60 。 因其外观与足球相似，故又称之为足球烯。 1.富勒烯 四、碳纳米材料 世界上最小的汽车“纳米汽车”不过3至4纳米见方，不到头发丝直径的2万分之一，却拥有完美的底盘、轮轴和车轮。它的轮轴能像汽车的轮轴一样平滑旋转，而轮轴末端是4个由C60做成的轮子。“纳米汽车”可用来运输单个的有机分子，生产复杂的材料或药物。大量的“纳米汽车”还可以组成“纳米生产线”，大大提高加工效率。 2.碳纳米管 四、碳纳米材料 碳纳米管可以看成是由石墨片卷成的管状物，具有纳米尺度的直径。比表面积大，具有高强度和电学性能，用于生产复合材料，电池、传感器。 2.碳纳米管 四、碳纳米材料 1978年科幻作家阿瑟▪克拉克在《天堂之泉》一书中具体描绘了”太空天梯”.将其描述为一根长长的缆绳,人们可以通过这根连接空间站和地面的缆绳往返太空和地面之间,并且将建筑材料运到宇宙之中建设太空城市 。要实现这个梦想，就必须要找到制造“天梯”材料.从地球到月球跨越38万公里，普通钢丝强度低、密度大，仅仅9公里的高度，就很容易被自身的重量拉断。科学家计算出，迄今为止只有一种材料满足要求，有望承担这一神圣的历史使命，它就是碳纳米管。 2.碳纳米管 四、碳纳米材料 1991年日本物理学家饭岛澄男进行了一项重大实验，他以两根石墨棒作为电极，在两根石墨棒上施加电流，火花在它们之间形成拱形，随之而来的是一团含碳的气体喷出，蒸发阳极棒的尖端，当含碳空气沉淀在腔室壁上时，它形成了一层薄薄的黑色烟灰，在里面出现了一种新的物质—碳纳米管。同年，他在《自然》杂志上发文，宣布观察到碳纳米管，由此开拓出一维纳米材料的全新研究领域。 电子显微镜下放大30万倍的碳纳米管 3.石墨烯 四、碳纳米材料 只有一个碳原子直径厚度的单层石墨，其独特的结构使其电阻率低，热导率高，具有很高的强度。用于光电器元件、超级电容器、电池和复合材料等。 3.石墨烯 四、碳纳米材料 润滑 松软 导电 石墨这种片层状的碳原子结构，虽然每一层都十分坚固，但层与层之间的范德华力较小，一旦施加外力就容易分层断裂，既然如此，科学家们有了一个大胆的想法，能不能从石墨中分离出坚固的单层碳原子？ 2004年，英国曼彻斯顿大学的两位物理学家用胶带反复粘贴石墨的方法得到了仅由一层碳原子构成的薄片，这就是石墨烯。 2010年，这两位科学家因为发现了这份神奇的材料而被授予诺贝尔物理奖。。 安德烈•康姆 康定斯坦•诺沃肖诺夫 3.石墨烯 四、碳纳米材料 Lavf58.20.100 Lavf58.20.100 Lavf58.20.100 $$