5.3 无机非金属材料-2024-2025学年高一化学教学优选课件（人教版2019必修第二册）

第一章 化学反应的热效应 第五章 化工生产中的主要非金属元素 第三节 无机非金属材料 本节重点 硅酸盐材料和新型材料硅与二氧化硅 无机非金属材料 新型无机非金属材料 传统无机非金属材料 硅酸盐材料 材料——人类赖以生存和发展的物质基础 硅酸盐组成的表示方法 硅酸盐是由硅、氧和金属元素组成的化合物的总称，硅酸盐是一大类结构复杂的固态物质，通常用二氧化硅和金属氧化物的组合形式表示其组成。 石棉：CaO·3MgO·4SiO2 长石：K2O·Al2O3·6SiO2 普通玻璃：Na2O·CaO·6SiO2 黏土：Al2O3·2SiO2·2H2O 1.活泼金属氧化物 2.较活泼金属氧化物 3.二氧化硅 4.水 主题1:传统无机非金属材料 硅酸盐的性质 大多不溶于水，化学性质很稳定。 硅酸钠晶体 硅酸钠的水溶液 白色晶体，能溶于水，是无色粘稠液体，是一种矿物胶，其水溶液俗称水玻璃，泡花碱。 性质：具有黏结力强，耐高温等特性 用途：可以用作黏合剂和防火剂 主题1:传统无机非金属材料 硅酸盐的结构特点 硅氧四面体是硅酸盐晶体结构中的基本结构单元。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、化学性质稳定、耐腐蚀等特点。 在硅酸盐中，Si和O构成了硅氧四面体，结构如图。 主题1:传统无机非金属材料 三大硅酸盐材料-陶瓷 陶瓷 主要原料 黏土 (主要成分为含水的铝硅酸盐) 反应原理 高温烧结而成 特 点 抗氧化、抗酸碱腐蚀、耐高温、绝缘 应 用 生产建筑材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具等 (人类最早使用的硅酸盐产品) 主题1:传统无机非金属材料 玻璃 主要原料 石英砂 (主要成分SiO2)、纯碱、石灰石 反应原理 高温下发生复杂的物理和化学变化制得 (人类应用最广泛的透明材料) 主题1:传统无机非金属材料 三大硅酸盐材料-陶瓷 玻璃是混合物，无固定熔点 主要成分 Na2SiO3 CaSiO3 SiO2 应 用 生产建筑材料、光学仪器和各种器皿、还可制造玻璃纤维用于高强度符合材料等。 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。 主题1:传统无机非金属材料 三大硅酸盐材料-陶瓷 水泥 主要原料 黏土 、石灰石 反应原理 水泥回转窑中煅烧，发生复杂的物理和化学变化 加适量石膏可调节水泥硬化速率 特 点 具有水硬性 （与水掺和搅拌并静置后，很容易凝固变硬） 应 用 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 主题1:传统无机非金属材料 三大硅酸盐材料-陶瓷   陶瓷 玻璃 水泥 主要原料 黏土（主要成分为含水的铝硅酸盐） 纯碱、石灰石、石英砂（主要成分是SiO2） 黏土、石灰石 主要成分 Al2O3·2SiO2·2H2O Na2CO3、CaCO3、SiO2 硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙等 反应原理 高温烧结而成 高温下发生复杂的物理和化学变化 用途 建筑材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具等 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等 制混凝土，大量用于建筑和水利工程 主题1:传统无机非金属材料 10 (1)硅酸盐结构较为复杂，大多难溶于水，化学性质稳定( ) (2)硅氧四面体中，硅原子与氧原子都是以共价键结合( ) (3)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( ) (4)陶瓷、玻璃、水泥的生产都需要在高温下进行( ) (5)玻璃和水泥生产中都发生复杂的物理和化学变化( ) (6)硅酸盐是由硅、氧和金属组成的混合物(　　) 正误判断 √ √ √ √ √ × 课堂检测 11 课堂检测 2.《天工开物》记载:“凡埏泥造瓦,掘地二尺余,择取无砂粘土而为之”,“凡坯既成,干燥之后,则堆积窖中燃薪举火”,“浇水转釉(主要为青色),与造砖同法”。下列说法错误的是(　　) A.沙子和粘土主要成分为硅酸盐 B.“燃薪举火”使粘土发生复杂的物理化学变化 C.烧制后自然冷却成红瓦,浇水冷却成青瓦 D.粘土是制作砖瓦和陶瓷的主要原料 A 12 航空航天 高铁运输 通信工程 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。其中有一些是高纯度的含硅元素的材料，如单质硅、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；还有一些含有碳、氮等其他元素，在航天、能源和医疗等领域有着广泛的应用。 主题2:新型无机非金属材料 二氧化硅 SiO2是硅最重要的化合物，地球上存在的天然二氧化硅称为硅石，约占地壳质量的12%，SiO2是一种难溶于水的非金属氧化物，硬度大，熔点高， 天然SiO2存在形态有结晶形和无定型形两大类。石英、水晶、玛瑙、沙子的主要成分是SiO2。 主题2:新型无机非金属材料 二氧化硅 二氧化硅——信息传输的重要载体 折射率合适，能够发生全反射 二氧化硅可用来生产光导纤维。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。 主题2:新型无机非金属材料 二氧化硅 二氧化硅的性质 1.物理性质： 无色透明晶体或白色粉末，硬度大，熔点高，不导电，难溶于水。 2.化学性质 类别视角 酸性氧化物 SiO2＋H2O==H2SiO3 不能反应 SiO2＋2NaOH（热）==Na2SiO3＋H2O SiO2＋CaO==CaSiO3 高温 SiO2+Na2CO3（熔融）== Na2SiO3+CO2↑ 主题2:新型无机非金属材料 2.化学性质 二氧化硅 已知玻璃中含有SiO2请问如何保存碱性溶液？ 价态视角 硅为+4价，最高价具有氧化性 SiO2＋2C==Si+2CO↑ 高温 制备高纯度的硅单质 特性视角 常温下对于盐酸、 硫酸等显惰性 但可与氢氟酸（HF）反应 SiO2＋4HF=SiF4↑＋2H2O 雕刻玻璃 主题2:新型无机非金属材料 硅 硅的原子结构 特殊的光电性能， 良好的半导体材料 主题2:新型无机非金属材料 半导体材料—能产生光电效应 将光信号转化为电信号 硅 硅的性质 1.硅的物理性质： 灰黑色固体，熔、沸点高，硬度大，是一种优良的半导体材料 2.硅的化学性质： 常温下，化学性质不活泼，但可以和F2、氢氟酸和强碱溶液发生反应发生反应。 主题2:新型无机非金属材料 (1)常温下能与氟气、氢氟酸、强碱等反应 Si＋2F2===SiF4 Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑ Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑ 硅 主题2:新型无机非金属材料 硅 晶体硅——新能源领域的基础材料 内蒙古库布其沙漠光伏发电基地 祝融号火星车的太阳能电板 晶体硅——信息领域的基础材料 应用：二极管、计算机芯片、硅太阳能电池 主题2:新型无机非金属材料 硅 高纯硅的需求 99.9999% 产量占全世界产量的一半 99.999999999% 几乎依赖进口 主题2:新型无机非金属材料 SiO2+2C ========= Si+2CO↑ 1800~2000 ℃ Si+3HCl ===== SiHCl3+H2↑ 300 ℃ SiHCl3+H2 ===== Si+3HCl 1100 ℃ 硅 从沙子到芯片——高纯硅的提取 主题2:新型无机非金属材料 新型陶瓷 主题2:新型无机非金属材料 新型陶瓷 高温结构陶瓷 透明陶瓷 超导陶瓷 压电陶瓷 新型陶瓷 碳化硅陶瓷 碳原子和硅原子通过共价键连接 结构 性能 硬度大 砂纸和砂轮的磨料 高温抗氧化性能 耐高温结构材料 耐高温半导体材料 俗称金刚砂 新型陶瓷的结构 二氧化硅 SiO2 氮化硅 Si3N4 碳化硅 SiC 主题2:新型无机非金属材料 材料的变革必将带来生产生活方式的巨大变革，“硅基材料”的崛起更具有划时代的意义。随着半导体技术的不断突破，硅基芯片的发展遇到了“成本和技术”的天花板。 主题2:新型无机非金属材料 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。 富勒烯原子运输车 主题2:新型无机非金属材料 碳纳米材料 碳纳米管 石墨烯 富勒烯 富勒烯 富勒烯是由碳原子构成的一系列笼形分子的总称，其中的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。 碳纳米材料 主题2:新型无机非金属材料 碳纳米管 碳纳米管可以看成是由石墨片层卷成的管状物，具有纳米尺度的直径。碳纳米管的比表面积大，有相当高的强度和优良的电学性能，可用于生产复合材料、电池和传感器等。 碳纳米材料 石墨烯 石墨烯是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。作为一种具有优异性能的新型材料，石墨烯在光电器件、超级电容器、电池和复合材料等方面的应用研究正在不断深入。 开辟半导体技术“新赛道”的石墨烯芯片 主题2:新型无机非金属材料 课堂检测 1．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)硅酸盐中,Si与其周围距离最近的4个O构成正四面体结构。(　　) (3)利用石英坩埚可熔融NaOH固体。(　　) (4)富勒烯、碳纳米管和石墨烯都是碳单质。(　　) (5)硅是制备光导纤维和光电池的材料。(　　) (6)普通玻璃和水泥的生产原料均含石灰石。(　　) (7)硅晶片是生产芯片的基础材料(　　) (8)生产光导纤维的原料是二氧化硅(　　) (9)金刚砂和金刚石结构类似，互为同素异形体(　　) (10)富勒烯和石墨烯完全燃烧的产物都是二氧化碳(　　) × × × × √ √ √ √ √ √ 课堂检测 2.下列有关硅及其化合物用途的说法中，正确的是（ ） A. 二氧化硅是制造太阳能电池的主要原料 B.在电子工业中，硅是重要的半导体材料 C.光导纤维是高纯度的硅单质 D.可用石英坩埚加热氢氧化钠固体 B 课堂检测 3.下列有关二氧化硅的说法中，正确的是（ ） A. 二氧化硅是酸性氧化物，因此能与水反应生成硅酸 B. 二氧化硅既能与NaOH溶液反应，又能和氢氟酸反应，所以二氧化硅是两性氧化物 C. 二氧化硅制成的光导纤维，由于导电能力强而被用于制作光缆 D. 二氧化硅不能与碳酸钠溶液反应，但能与碳酸钠固体在高温时发生反应 D 课堂检测 4．下列关于新型无机非金属材料的说法中，不正确的是(　　) A．高纯硅可用于制造半导体材料 B．压电陶瓷属于新型无机非金属材料，能实现机械能和电能的相互转化 C．碳纳米材料的主要成分是碳单质，包含富勒烯、碳纳米管和石墨烯等多种 D．二氧化硅制成的光导纤维，由于导电能力强而被用于制造光缆　 D 课堂小结 更多模版：亮亮图文旗舰店https://liangliangtuwen.tmall.com 34 Thank you for watching (2)加热时能与氧气、氯气、碳等反应。 Si＋O2eq \o(=====,\s\up17(△))SiO2 Si＋2Cl2eq \o(=====,\s\up17(△))SiCl4 Si＋Ceq \o(=====,\s\up17(高温))SiC $$