5.3.3 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 第五章 化工生产中的重要非金属元素 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。 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： 传统无机非金属材料 新型无机非金属材料 塑料、合成橡胶、合成纤维 地壳各元素含量 沙子（SiO2） 水晶（SiO2） 橄榄石（硅酸盐） 长石（硅酸盐） 燧石取火 当燧石（主要成分SiO2）与铁器摩擦或击打时，燧石的锋利断口与铁器接触，产生高温颗粒。这些高温颗粒的表面积较大，与空气接触后会发生剧烈的氧化反应，从而发出火花。 一、硅酸盐材料 新石器时代 彩陶 唐代 唐三彩 宋代 汝窑天青釉盘 明代 青花瓷 1.陶瓷 建筑材料 绝缘材料 日用器皿 卫生洁具 性能：熔点高、硬度大、耐腐蚀、性质稳定 一、硅酸盐材料 1.陶瓷 黏土 （含水的铝硅酸盐） 高温烧结 陶瓷窑 陶瓷 （铝硅酸盐） 一、硅酸盐材料 2.水泥 公元前79年 维苏威火山爆发 吞没了庞贝古城 古罗马人用火山灰和石灰搅拌，制成“罗马砂浆”，并用其建造成了雄伟壮观的斗兽场 水利工程 建筑 水泥 混凝土 风干前易塑形，风干后硬度大、耐腐蚀、性质稳定 一、硅酸盐材料 2.水泥 水泥回转窑 煅烧 其他辅料 黏土 （含水的铝硅酸盐） 石灰石 （CaCO3） 混合、研磨 研磨 石膏 （CaSO4·2H2O） 水泥 （多种硅酸盐的混合物） 混合 沙子、碎石等 水 混凝土 调节水泥硬化速率 一、硅酸盐材料 3.玻璃 玻璃窑 石英砂 （SiO2） 纯碱 （Na2CO3） 石灰石 （CaCO3） 混合、粉碎 高温熔融 玻璃 （Na2SiO3、CaSiO3、SiO2） 建筑材料、光学仪器、各种器皿、玻璃纤维 一、硅酸盐材料 添加含铅原料 光学玻璃 添加硼酸盐 耐化学腐蚀、耐温度急剧变化的玻璃 添加金属氧化物或盐 彩色玻璃 3.玻璃 一、硅酸盐材料 添加硼酸盐 耐化学腐蚀、耐温度急剧变化的玻璃 盛放碱液的试剂瓶不用玻璃塞而用橡胶塞 其水溶液俗称水玻璃，黏结力强、耐高温，可做粘合剂、防火剂 3.玻璃 用氢氟酸雕刻玻璃 一、硅酸盐材料 硬度高 难溶于水 耐高温 耐腐蚀 结构决定性质 第 页 1 陶瓷 玻璃 水泥 第 页 由硅、氧和金属组成的化合物的总称； 3、性质： 大多数难溶于水、硬度高 、耐高温、 耐腐蚀、化学性质稳定；少数可溶，如Na2SiO3，K2SiO3等。 2、结构： 在硅酸盐中硅原子和氧原子构成了硅氧四面体，如图所示，四面体通过顶角的氧彼此相连，每个氧原子为2个四面体所共有。 1、概念： 【思考交流】 1.生产玻璃的原料是纯碱、石灰石和石英砂(主要成分为SiO2),而玻璃的主要成分是Na2SiO3、CaSiO3和SiO2,那么在生产过程中发生了怎样的反应?试写出反应的化学方程式。 2.玻璃有固定熔沸点吗？为什么？ 混合物没有固定的熔沸点。 【归纳总结】 产品 原料 主要成分 应用 陶瓷 _______ (含水的铝硅酸盐) 玻璃 普通玻璃： 水泥 黏土 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） 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 第 页 2 新型无机非金属材料 硅和二氧化硅 新型陶瓷 碳纳米材料 1、单质硅 应用 半导体材料 芯片 晶体管 太阳能电池 常温只与F2、 NaOH、HF 反应 加热 硅的化学性质 高纯硅单质的制备 工业上用焦炭还原石英砂可制得粗硅，将粗硅进一步提纯得到高纯硅。 石英砂 粗硅 SiHCl3 高纯硅 焦炭 1800-2000℃ 300℃ 1100℃ H2 HCl 粗硅 （高纯硅 99.9999999％） 应用及存在 玛瑙 沙子 光导纤维（光纤） 水晶 石英 2、二氧化硅 SiO2是自然界中沙子、石英的主要成分。 天然二氧化硅叫硅石；结晶的二氧化硅叫石英。 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。 光导纤维主要特性：①抗干扰性能好，不发生辐射； ②通讯质量好；③质量轻、耐腐蚀。 思考与交流 根据以往所学、本节内容，尝试总结SiO2的化学性质。 SiO2能通过与水的反应生成H2SiO3体现其酸性氧化物通性吗？ 拓展：硅酸钠的性质 【信息】 已知碳的非金属性强于硅，则碳酸的酸性比硅酸（强还是弱？）请利用这一性质分析解释硅酸钠溶液久置空气中会有什么现象？ （1）与酸反应（强酸制弱酸） （2）防火材料 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。 氮化硅陶瓷 氧化铝陶瓷 碳化硅陶瓷 【科学·技术·社会】 压电陶瓷： 透明陶瓷： 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。 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。 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。 高温结构陶瓷： 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。 二、新型无机非金属材料 碳纳米材料 二、新型无机非金属材料 碳纳米材料 富勒烯 绝缘材料、超导材料、润滑剂、催化剂 药物传输、光电材料、抗氧化剂 碳纳米管 生产复合材料、电池、传感器 二、新型无机非金属材料 碳纳米材料 石墨烯 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、电池和复合材料等 二、新型无机非金属材料 碳纳米材料 开辟芯片技术的新赛道——石墨烯芯片 拓展提高——石墨的提纯 石墨是制造石墨烯的重要原料，工业上可以采用酸碱法对石墨进行提纯，以攀西麻岩型鳞片石墨（主要杂质为SiO2以及Fe2O3为代表的金属氧化物）为例的提纯工艺如下： 助熔剂 混合 450℃加热 NaOH固体 粗品 石墨 洗涤 酸浸 洗涤 抽滤 烘干 高纯 石墨 冷却 稀盐酸 已知：混合加热时，水会快速蒸发离开反应体系，金属氧化物全部转化为对应的碱。 请写出混合加热、第一次洗涤以及酸浸时发生的化学反应方程式（忽略反应条件） 归纳总结 谢 谢 观 看 Lavf57.62.100 Lavf57.62.100 $$