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

第五章 化工生产中的重要非金属元素 容山中学 化学科组 第三节 无机非金属材料 主讲人：郭 静 目 录 CONTENTS 1 2 硅酸盐材料 新型的无机非金属材料 新课导入 新课导入 材料是人类赖以生存和发展的物质基础，人类使用的材料除了金属材料，还有无机非金属材料等。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。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。 水泥 玻璃 任务一 认识硅酸盐材料 【自主学习】阅读教材，了解传统硅酸盐材料的原料、主要成分和用途。 一、陶瓷 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 图5-19 我国古代烧制的精美瓷器 条件 高温烧结 探究课堂 【阅读拓展】中国是瓷器的故乡，至宋代时，是瓷业最为繁荣的时期。当时的官窑、汝窑、哥窑、钧窑和定窑并称为宋代五大名窑。其中钧窑以“人窑一色，出窑万彩”的神奇窑变著称。 官窑弦纹瓶 汝窑天蓝釉螭龙双耳瓶 哥窑贯耳瓶 钧窑紫红斑小盏 定窑刻花盘口壶 玻璃为什么会有颜色呢？ 任务一 认识硅酸盐材料 二、玻璃 原料 设备 原理 纯碱、石灰石和石英砂（SiO2） 玻璃窑 SiO2+Na2CO3 Na2SiO3+CO2↑ SiO2+CaCO3 CaSiO3+CO2↑ Na2SiO3 、CaSiO3、SiO2 成分 沙与火的猝练 高温熔融，复杂变化 用途 性能 建筑材料、光学仪器、各种器皿、玻璃纤维 透光性好、硬度大、无固定熔点 探究课堂 资料卡片 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？ 探究课堂 资料卡片 加入元素或物质 含铅原料 硼酸盐 金属氧化物或盐 玻璃特性 用途 光学玻璃：透光性好、折射率高 耐化学腐蚀、耐温度急剧变化 彩色玻璃 制造眼镜、照相机和光学仪器的透镜 制造可用于实验室使用的玻璃仪器 用于建筑和装饰 不同性能和用途的玻璃 光学玻璃 玻璃仪器 彩色玻璃 任务一 认识硅酸盐材料 三、水泥 原料 设备 黏土、石灰石（再加入少量石膏） 水泥回转窑 万丈高楼平地起，穿针引线是水泥 作用：调节水泥硬化速率 用途 性能 遇水逐渐变硬（水硬性）、硬化后性质稳定 水泥、沙子和碎石等与水混合可以得到混凝土，大量用于建筑和水利工程 思考与讨论 1、传统无机非金属材料都是硅酸盐材料吗？ 陶瓷、玻璃、水泥等材料及它们的制品在我们日常生活中随处可见。由于这些材料的化学组成大多属硅酸盐类，所以一般称为硅酸盐材料。 传统无机非金属材料还有耐火材料、搪瓷、研磨材料（氧化硅、氧化铝、碳化硅）等。 2、传统无机非金属材料有哪些共性？为什么？ 耐高温、抗腐蚀、硬度高 任务一 认识硅酸盐材料 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5-18所示。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、难溶于水、耐高温、耐腐蚀等特点。 图5-18硅氧四面体的结构示意图 O O O Si O 资料卡片 学习评价 1.(2019·全国卷Ⅰ，7)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。下列说法错误的是( ) 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 D.陶瓷化学性质稳定，具有耐酸碱侵蚀、抗氧化等优点 A 学习评价 2. “九秋风露越窑开，夺得千峰翠色来”是赞誉越窑秘色青瓷的诗句，描绘我国古代精美的青瓷工艺品。玻璃、水泥和陶瓷均为硅酸盐制品，下列有关说法正确的是(　 　) A．玻璃是人类最早使用的硅酸盐制品 B．制水泥的原料为纯碱、石灰石和石英 C．硅酸盐制品的性质稳定、熔点较高 D．沙子和黏土的主要成分均为硅酸盐 C 学习评价 3. 下列说法不正确的是（ ） A．陶瓷是以黏土为主要原料，经高温烧结而成 B．普通玻璃以纯碱、石灰和石英砂为原料，发生复杂的物理和化学 变化制得 C．普通硅酸盐水泥以黏土和石灰石为主要原料 D．向水泥中加入适量的石膏可以调节水泥硬化速率 B 任务二 认识新型无机非金属材料 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。 氮化硅陶瓷 任务二 认识新型无机非金属材料 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 任务二 认识新型无机非金属材料 一、晶体硅 硅晶片 硅太阳能电池 芯片 二极管 自然界中硅以硅酸盐和氧化物的形式存在，如何获得高纯硅呢？ 任务二 认识新型无机非金属材料 制备原理 制备流程 反应 方程式   用焦炭还原石英砂，得到含少量杂质的粗硅， 然后转化为三氯硅烷，再经氢气还原。 资料卡片 高纯硅的制备 能否通过反应SiO2＋2C Si＋2CO↑证明C、Si的还原性强弱？ 高温 氧化性、还原性的强弱，必须是在通常的情况下发生的反应， 上述反应是在高温条件下发生的，故不能比较还原性的强弱。 晶体硅是灰黑色、有金属光泽、硬而脆的固体，其结构类似于金刚石，熔沸点很高、硬度大，导电能力介于导体和绝缘体之间，是良好的半导体材料。 学习评价 4. 我国具有独立知识产权的电脑芯片“龙芯一号”的问世，填补了我国计算机制造史上的一项空白。下列对晶体硅的有关叙述正确的是( 　 ) A．晶体硅和金刚石的物理性质相似 B．晶体硅的化学性质不活泼，常温下不与任何物质发生反应 C．晶体硅是一种良好的半导体材料，但是它的提炼工艺复杂，价格昂贵 D．晶体硅具有金属光泽，故它属于金属材料，可以导电 A 常温下，硅的化学性质不活泼，除氢氟酸、氟气、强碱外不跟其他物质反应。 加热条件下，硅也能和一些非金属反应。 任务二 认识新型无机非金属材料 二、二氧化硅 水晶 光导纤维 石英 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。 水晶、玛瑙饰品 学习评价 5. 下列叙述正确的是(　　) A．SiO2既能和NaOH溶液反应，又能和氢氟酸反应，所以SiO2属于两性氧化物 B．因为Na2CO3＋SiO2 Na2SiO3＋CO2↑，所以硅酸的酸性比碳酸强 C．CO2和SiO2都能与碳反应，且都作氧化剂 D．CO2和SiO2都是由分子构成的化合物，所以两者物理性质相似 C ①具有酸性氧化物的通性 ②具有氧化性 SiO2+2C===Si+2CO ↑ 高温 SiO2+4HF=SiF4 ↑ +2H2O 实验室不用玻璃瓶盛装氢氟酸！！ 学习评价 6. 有些科学家提出硅是“21世纪的能源”，下列关于硅及其化合物的说法正确的是(　　) A．SiO2是一种酸性氧化物，所以不和任何酸反应 B．高温下，工业制硅的反应方程式为C+SiO2 Si+CO2 C．光导纤维的主要成分是SiO2 D．太阳能发电板的主要材料是SiO2 C 学习评价 7. 判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”) (1)硅元素在自然界中既有化合态，又有游离态。(　　) (2)氢氟酸不能用玻璃试剂瓶保存。(　　) (3)水晶、石英、沙子、玛瑙、光导纤维的主要成分均是SiO2。(　　) (4)光导纤维在强碱性条件下易发生“断路”。(　　) (5)普通玻璃和水泥的生产原料均含石灰石。(　　) (6)光电池可以将光能直接转化为电能。(　　) × √ √ √ √ √ 任务二 认识新型无机非金属材料 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，在光学、热学、电学、磁学等方面有很多新的特性和功能。 碳化硅 （俗称金刚砂）一种新型高温结构陶瓷 结构 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 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 任务二 认识新型无机非金属材料 科学 技术 社会 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 任务二 认识新型无机非金属材料 科学 技术 社会 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 任务二 认识新型无机非金属材料 科学 技术 社会 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 任务二 认识新型无机非金属材料 科学 技术 社会 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 任务二 认识新型无机非金属材料 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。 任务二 认识新型无机非金属材料 富勒烯 四、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 纳米王子 定义 代表 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 因其外观与足球相似，故又称之为足球烯。 任务二 认识新型无机非金属材料 四、碳纳米材料 碳纳米管 直达宇宙的太空天梯 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 任务二 认识新型无机非金属材料 四、碳纳米材料 石墨烯 新材料之王 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。作为一种强度高用于光电器元件、超级电容器、电池和复合材料等。 学习评价 8. 碳纳米管、石墨烯、C60等新型碳材料具有广阔的应用前景。下列说法正确的是(　　) C A.碳纳米管属于胶体 B.石墨烯属于有机化合物 C.C60与金刚石互为同素异形体 D.均具有相同的熔点 学习评价 9. 下列物品或设施： ①陶瓷餐具 ②砖瓦 ③混凝土桥墩 ④门窗玻璃 ⑤水晶镜片 ⑥石英钟 ⑦水晶项链 ⑧硅太阳能电池 ⑨光导纤维 ⑩计算机芯片 ⑪彩色玻璃 ⑫金刚砂 ⑬氧化铝陶瓷 ⑭石墨烯 (1)使用了硅单质的是： (填序号，下同) (2)使用了二氧化硅的是： (3)使用了硅酸盐材料的是： (4)使用了新型无机非金属材料的是： ⑧⑩ ⑤⑥⑦⑨ ①②③④⑪ ⑤⑥⑦⑧⑨⑩⑫⑬⑭ 课堂小结 Lavf59.16.100 Packed by Bilibili XCoder v2.0.2 $$