第3节 第1课时无机非金属材料（同步课件）-【上好课】2024-2025学年高一化学同步精品课堂（人教版2019必修第二册）

第三节 无机非金属材料 课时1 无机非金属材料 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 素养目标 宏观辨识与微观探析： 能够从宏观角度认识无机非金属材料（如陶瓷、玻璃、水泥等）的外观、性质和用途。从微观层面理解这些材料的组成结构对其性质的影响。 证据推理与模型认知： 建立无机非金属材料的结构 - 性质 - 用途的认知模型，利用该模型预测新的 无机非金属材料或解释材料性能变化的原因。 科学探究与创新意识： 了解无机非金属材料在现代科技、工业、建筑等领域的重要应用，如光纤通信中的光导纤维（主要成分是二氧化硅），培养对科学技术发展的积极态度。 教学目标 本节重点 硅的存在及性质 典型无机非金属材料的主要成分、性质和用途。 本节难点 典型无机非金属材料的主要成分、性质和用途。 1.了解陶瓷、玻璃、水泥等传统硅酸盐材料生产原料、性能和主要用途，知道传统硅酸盐的重要作用。 2.了解晶体硅、二氧化硅、新型陶瓷、碳纳米材料的性能和用途，感受新型无机非金属材料的奇特性能及其在高科技领域的重要作用，激发学习化学的兴趣。 新课导入 请你思考！ 你知道这些地标性建筑用到了哪些材料吗？ 新课导入 请你说说！ 列举你所知道的身边的材料，了解材料的分类! 硅酸盐材料 壹 硅 二氧化硅的性质 贰 知识导航 新型无机非金属材料 叁 课堂思考 请你说说！ 列举你所知道的身边的材料，了解材料的分类! 01 硅酸盐材料 课堂探究 一、硅酸盐材料 认识了解 对比学习 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。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。 1.材料分类 金属材料：包含纯金属和合金 无机非金属材料 有机高分子材料 复合材料 传统无机非金属材料 新型无机非金属材料 课堂探究 一、硅酸盐材料 认识了解 对比学习 2.硅酸盐 我们生活中接触到的含硅及其化合物的物品 水泥 玻璃 陶瓷 ⑴硅酸盐是由金属、硅、氧等元素形成的盐 ⑵硅酸盐材料具有硬度高、难溶于水、耐高温、耐腐蚀特点! 课堂探究 重点理解 一、硅酸盐材料 对比学习 2.硅酸盐 资料卡片 在硅酸盐中，Si和0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，0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。 硅酸盐的结构 ⑶硅酸盐结构：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 个顶角许多四面体通过顶角的O相互连接每个 O 为两个四面体所共有，与 2 个 Si 相结合。 课堂探究 一、硅酸盐材料 认识了解 对比学习 3.传统无机非金属材料——硅酸盐材料 ⑴陶瓷 黏土（含水的铝硅酸盐） 高温烧结 建筑材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具 原料： 条件： 用途： 性能： 熔点高、硬度大、耐腐蚀、性质稳定 课堂思考 你知道吗？ 玻璃的主要原料、主要成分，有关反应原理是什么？如何制作各种玻璃？ 课堂探究 一、硅酸盐材料 认识了解 对比学习 3.传统无机非金属材料——硅酸盐材料 ⑵玻璃 纯碱、石灰石和石英砂 玻璃窑 Na2SiO3 、CaSiO3、SiO2 SiO2+Na2CO3 ==== Na2SiO3+CO2↑ SiO2+CaCO3 ==== CaSiO3+CO2↑ 高温 高温 原料 设备 原理 成分 应用 生产建筑材料、光学仪器、制造玻璃纤维用于高强度复合材料等 课堂探究 认识了解 一、硅酸盐材料 对比学习 资料卡片 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。例如，用含有铅的原料制造的光学玻璃，透光性好，折射率高，可以用来制造眼镜、照相机和光学仪器的透镜；加入硼酸盐制成耐化学腐蚀、耐温度急剧变化的玻璃，可用于实验室使用的玻璃仪器；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。 3.传统无机非金属材料——硅酸盐材料 ⑵玻璃 课堂思考 请你总结！ 制造水泥的主要原料是什么？ 课堂探究 一、硅酸盐材料 认识了解 对比学习 3.传统无机非金属材料——硅酸盐材料 ⑶水泥 黏土和石灰石 水泥回转窑 原料： 工业设备： 石膏的作用： 条件： 高温煅烧 调节水泥硬化速率 典例精讲 【例1】判断正误 (1)玻璃纤维是有机物(　　) (2)硅酸盐结构较为复杂，大多不溶于水，化学性质很稳定(　　) (3)硅氧四面体中，硅原子与氧原子都是以共价键结合(　　) (4)水泥与玻璃的共同原料是石灰石，水泥与陶瓷的共同原料是黏土(　　) (5)陶瓷、玻璃、水泥的生产都需要在高温下进行(　　) (6)玻璃和水泥生产中都发生复杂的物理和化学变化(　　) × √ √ √ √ √ 你知道吗？ 你听说过从沙滩到用户吗？ 课堂思考 沙子和芯片的成分是什么呢？ 观看 02 硅 二氧化硅的性质 课堂探究 二、硅 二氧化硅的性质 重点理解 对比学习 1.硅 ⑴硅元素在元素周期表中的位置 +14 2 8 4 Si 第三周期、第IV A族，处于金属和非金属的过渡位置 硅单质的导电性介于导体和绝缘体之间,是良好的半导体材料,是应用最广泛的半导体材料。 课堂探究 重点理解 二、硅 二氧化硅的性质 对比学习 1.硅 ⑵硅的存在形式 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。 课堂探究 二、硅 二氧化硅的性质 重点理解 探究学习 1.硅 （3）粗硅的制法 SiO2＋2C Si＋2CO↑ 　 == 高温 不是CO2！ 为何说制得的硅为粗硅？ 碳过量、碳与硅反应生成的SiC 晶体硅中的杂质会影响其导电性能，因此必须制备高纯度的硅。 晶体硅为灰黑色固体，有金属光泽、硬度大、熔点高。 课堂探究 二、硅 二氧化硅的性质 重点理解 探究学习 1.硅 资料卡片 高纯硅的制备 工业上制备高纯硅，一般需要先制得纯度为98%左右的粗硅，再以其为原料制备高纯硅。例如，可以将粗硅转化为三氯硅烷(SiHCl3)，再经氢气还原得到高纯硅。 （4）高纯硅的制备 课堂探究 一、氨的工业制法和性质 重点理解 对比探究 （4）高纯硅的制备 ① SiO2 + 2C Si(粗) + 2CO↑ 1800 0C ~ 2000 0C ② Si + 3HCl SiHCl3 + H2 300 0C ③ SiHCl3 + H2 Si + 3HCl 1100 0C 课堂探究 二、硅 二氧化硅的性质 重点理解 对比探究 1.硅 （5）硅的应用 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。 光伏电站、人造卫星和电动汽车的硅太阳能电池等。 典例精讲 【例2】高纯度晶硅是典型的无机非金属材料，又称“半导体”材料。它的发现和使用曾引起计算机的一场“革命”。它可以按下列方法制备： 下列说法不正确的是( ) A.步骤①的化学方程式：SiO2＋C Si＋CO2↑ B.步骤①中每生成1 mol Si，转移4 mol电子 C.步骤③中的反应为氧化还原反应 D.高纯硅是制造太阳能电池的常用材料 A 高温 课堂思考 请你思考！ 沙子、石英砂、石英、玛瑙、水晶的主要成分是什么吗？ 主要成分均为SiO2 C CO2 H2CO3 Na2CO3 课堂探究 重点 理解 二、硅 二氧化硅的性质 对比学习 2. 二氧化硅的性质 （1）二氧化硅的物理性质 硬度大、熔沸点高、常温下为固体、难溶于水、不导电 Si SiO2 H2SiO3 Na2SiO3 SiO2具有酸性氧化物的通性 课堂探究 二、硅 二氧化硅的性质 重点理解 对比学习 2. 二氧化硅的性质 （2）二氧化硅的化学性质 ①具有酸性氧化物的通性（类比CO2） a.不溶于水，不与水反应（特殊） SiO2 + CaO CaSiO3 高温 b.与碱性氧化物反应 c.与某些盐反应 d.与强碱反应 SiO2 + 2NaOH Na2SiO3 + H2O 请你思考！ 实验室盛放碱溶液的试剂瓶使用橡胶塞，而不用玻璃塞？ 课堂思考 SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O Na2SiO3的水溶液俗称水玻璃，具有黏结力强、耐高温等特性，可以用作粘合剂和防火剂。 若使用带玻璃塞的试剂瓶盛放碱液，碱液能与玻璃中SiO2发生反应生成Na2SiO3，导致玻璃塞与瓶口内侧粘连而无法打开。 观看 课堂思考 请你思考！ 你知道玻璃上的图案是如何刻上去的吗？ 氢氟酸是HF的水溶液，可与SiO2发生反应成SiF4和H2O。 请写出该反应的化学方程式。 课堂探究 二、硅 二氧化硅的性质 重点理解 对比学习 2. 二氧化硅的性质 （2）二氧化硅的化学性质 ②SiO2的特性 SiO2＋2C Si＋2CO↑ 　 == 高温 SiO2＋4HF=SiF4↑＋2H2O ③弱氧化性 3. 二氧化硅的用途 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，能有效提高通讯效率高纯硅广泛应用于信息技术和新能源技术领域。 信息高速公器的骨架——石英光导纤维 光学纤维胃镜 典例精讲 【例3】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 03 新型无机非金属材料 课堂探究 三、新型无机非金属材料 认识了解 对比学习 1. 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 课堂探究 三、新型无机非金属材料 认识了解 对比学习 1. 新型陶瓷 类别 成分 性能 应用 高温 结构陶瓷 SiC Si3N4 某些金属氧化物 耐高温、抗氧化、耐腐蚀 透明陶瓷 氧化铝、氧化钇 氮化铝、氟化钙 优异的光学性能、耐高温，绝缘性好 高压钠灯、激光器、高温探测窗 压电陶瓷 钛酸盐、锆酸盐 实现机械能与电能的相互转化 滤波器、扬声器、点火器 超导陶瓷 YBa2Cu3O7-δ，Bi2Sr2Ca2Cu3O10，Tl2Ba2Ca2Cu3O10 某临界温度下电阻为零，超导性 电力、交通、医疗 火箭发动机、高温电极材料 37 课堂思考 你了解吗？ 你知道什么是碳纳米材料吗？它有哪些用途？请观看视频并总结！ 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。 38 课堂探究 三、新型无机非金属材料 认识了解 对比学习 2.碳纳米材料 (1)富勒烯——纳米王子 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。 1985，美国化学家斯莫利和柯尔以及英国化学家克鲁特 激光照射石墨 新型单质C60分子 1996年三人获诺贝尔化学奖 你知道吗？ 世界上最小的车是什么车？ 课堂思考 纳米车的轮子可滚动 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。 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。 电子显微镜下观察到的纳米汽车 40 课堂探究 三、新型无机非金属材料 认识了解 对比学习 2.碳纳米材料 (2)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。 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。 课堂探究 认识了解 三、新型无机非金属材料 对比学习 2.碳纳米材料 (3)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。 42 课堂探究 三、新型无机非金属材料 认识了解 对比学习 2.碳纳米材料 (3)石墨烯——新材料之王 安德烈•康姆 康定斯坦•诺沃肖诺夫 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。 典例精讲 【例4】判断正误 (1)生产光导纤维的原料是二氧化硅(　　) (2)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(　　) (3)因为Na2CO3＋SiO2 Na2SiO3＋CO2↑，所以硅酸的酸性比碳酸强(　　) (4)水晶、石英、沙子、玛瑙、光导纤维的主要成分均是SiO2(　　) (5)CO2和SiO2都是由分子构成的化合物，所以两者物理性质相似(　　) (6)可以通过SiO2与水反应一步制得硅酸(　　) (7)金刚砂和金刚石结构类似，互为同素异形体(　　) × √ × √ × × × 课堂小结 45 随堂演练 1．下列关于硅酸盐材料的说法错误的是(　　) A．生活中常见的硅酸盐材料有玻璃、水泥、陶瓷 B．普通玻璃的主要成分是二氧化硅 C．陶瓷的主要原料是黏土 D．硅酸盐水泥以石灰石和黏土为主要原料 B 2. 下列有关硅的说法不正确的是(　　) A．硅是人类将太阳能转换为电能的常用材料 B．硅的导电性介于金属和绝缘体之间，是良好的半导体材料C．硅的化学性质不活泼，常温下不与任何物质反应 D．加热到一定程度时，硅能与氯气、氧气等非金属反 C 46 随堂演练 3.氮化硅是一种高温陶瓷材料，它的硬度大、熔点高、化学性质稳定，工业上普遍采用高纯硅与纯氮在1 300 ℃时反应获得。 (1)根据性质，推测氮化硅陶瓷的用途是________(填字母)。 A.制汽轮机叶片 B.制有色金属 C.制永久性模具 D.制造柴油机 (2)写出氮原子结构示意图________，根据元素周期律知识，请写出氮化硅的化学式______。 ACD Si3N4 47 随堂演练 (3)氮化硅陶瓷抗腐蚀能力强，除氢氟酸外，它不与其他无机酸反应，试推测该陶瓷被氢氟酸腐蚀的化学方程式： ______________________________。 (4)现用四氯化硅和氮气在氢气气氛保护下，加强热发生反应，可得较高纯度的氮化硅，反应的化学方程式为____________________________________。 Si3N4＋12HF===3SiF4↑＋4NH3↑ 3SiCl4＋2N2＋6H2 Si3N4＋12HCl 48 演示完毕 感谢聆听 分层作业见同课时word https://www.zxxk.com/user/13354804 Lavf58.20.100 Lavf58.29.100 Lavf58.29.100 $$