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

第五章 化工生产中的非金属元素 第三节 无机非金属材料 第二课时 新型无机非金属材料 一、硅酸盐概念与特点 1.概念： 2.特点： 3.硅酸盐的表示方法： 由硅元素、氧元素和金属元素组成的化合物。 大多硬度高、熔点高、难溶于水、化学性质稳定、耐腐蚀等。 硅酸盐矿物的成分复杂，多用氧化物的形式表示它们的组成，如： 硅酸钠（Na2SiO3）→ Na2O·SiO2 高岭石（Al2H4Si2O9）→Al2O3·2SiO2·2H2O 钾云母（KH2Al3Si3O12）→K2O·3Al2O3·6SiO2·2H2O 顺序：金属氧化物·非金属氧化物·H2O 1．Na2SiO3可溶于水，其水溶液俗称水玻璃，有黏性。 2．用途：黏合剂，防火剂，制备硅胶。 最简单的硅酸盐——硅酸钠 二、传统无机非金属材料——陶瓷、玻璃、水泥 成分：含水的铝硅酸盐 原料：黏土 用途：用于生产建筑材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具等。 反应原理：高温烧结而成 1.陶瓷： 二、传统无机非金属材料——陶瓷、玻璃、水泥 NB!沙子居然！震惊！变成了玻璃 成分：Na2SiO3、CaSiO3和SiO2 原料：纯碱、石灰石和石英砂（主要成分是SiO2） 反应原理： 2.玻璃： 二、传统无机非金属材料——陶瓷、玻璃、水泥 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 光学玻璃 玻璃仪器 彩色玻璃 2.玻璃：不同性能和用途的玻璃 二、传统无机非金属材料——陶瓷、玻璃、水泥 成分：硅酸三钙(3CaO·SiO2)、硅酸二钙(2CaO·SiO2)、铝酸三钙(3CaO·Al2O3) 原料：黏土和石灰石、适量石膏 用途：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 3.水泥： 二、传统无机非金属材料——陶瓷、玻璃、水泥 反应原理： 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 二、传统无机非金属材料——陶瓷、玻璃、水泥 【例1】《天工开物》记载：“凡埏泥造瓦，掘地二尺余，择取无沙黏土而为之”“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．“燃薪举火”使黏土发生了复杂的物理化学变化 B．沙子和黏土的主要成分为硅酸盐 C．烧制后自然冷却成红瓦，浇水冷却成青瓦 D．黏土是制作砖瓦和陶瓷的主要原料 B 【变1-2】小明参观了举世瞩目的北京大兴国际机场，该机场建设时应用了许多先进技术，其中之一是“重载水泥混凝土铺面技术”。下列原料可用于制造普通水泥的是（ ） A．胆矾 B．纯碱 C．石膏 D．小苏打 C 一、新型无机非金属材料 1.新型陶瓷：P23 ①新型陶瓷包括高温结构陶瓷、压电陶瓷、透明陶瓷和超导陶瓷等 ②组成上不限于硅酸盐，在光学、热学、电学、磁学等方面具有很多新的特性和功能。 碳化硅（SiC），俗称金刚砂 硬度很大，可作砂纸、砂轮的磨料 高温抗氧化，使用温度可达1600℃ 耐高温的碳化硅陶瓷轴承 资料卡片——新型陶瓷 ①高温结构陶瓷 用碳化硅、氮化硅或某些金属氧化物在高温下烧结而成，耐高温、抗氧化、耐磨蚀。 可用于火箭发动机、汽车发动机和高温电极材料等。 资料卡片——新型陶瓷 ②压电陶瓷： 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 资料卡片——新型陶瓷 ③透明陶瓷： 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 坦克窗口 资料卡片——新型陶瓷 ④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。 超导磁共振 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。 富勒烯是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的研究对象，开启了碳纳米材料研究和应用的新时代。 二、碳纳米材料 石英钟 水晶 SiO2 玛瑙 SiO2 沙子 SiO2 光导纤维 SiO2 脑洞大开，讲述“二氧化硅”的故事 水晶 SiO2 沙子 SiO2 玛瑙 SiO2 光导纤维 SiO2 石英钟 玻璃SiO2 脑洞大开，讲述“二氧化硅”的故事 二氧化硅的性质 ① 与强碱反应生成盐和水 ② 与碱性氧化物反应生成盐 ③ 与盐反应生成新盐和新的酸性氧化物 高温体系下，气体逸出，推动反应正向移动（熵增反应） (2)弱氧化性 (1)酸性氧化物 (3)特性 氧化物 表示 CaSiO3 硅酸盐 高岭土Al2Si2O5(OH)4 用氧化物的形式表示硅酸盐 Na2SiO3 正长石 KAlSi3O8 新型陶瓷 高温结构陶瓷 透明陶瓷 超导陶瓷 压电陶瓷 教材P23 熔点：1900 °C 氮化硅陶瓷 Si3N4 1200℃的高温下，仍具有很高的强度， 来制造汽轮机叶片、轴承、永久性模具 碳化硅（金刚砂）SiC 具有金刚石结构、硬度大，用作砂纸、砂轮的磨料 熔点：2830°C 碳纳米材料 碳纳米管 石墨烯 富勒烯 碳纳米材料 【思考】碳纳米材料与金刚石、石墨之间有什么关系？ 碳纳米管可看成由石墨片层卷成的管状物，具有纳米尺度的直径。 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。 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。 二、碳纳米材料 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。其在光电器件、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。 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。 二、碳纳米材料 【例7】下列哪些材料是新型无机材料（ ） ① 氧化铝陶瓷 ② 氮化硅陶瓷 ③ 碳化硅陶瓷 ④ 氮化铝陶瓷 ⑤ 氮化钛陶瓷 ⑥ 硅化硼陶瓷 ⑦ 二硅化铜陶瓷 A．①②③ B．①③④⑤ C．①⑤⑥ D．全部 D 【变7-2】澳大利亚科学家发现了纯碳新材料“碳纳米泡沫”，每个泡沫含有约4 000个碳原子，直径约6～9 nm，在低于－183 ℃时，泡沫具有永久磁性，下列叙述正确的是（ ） A．“碳纳米泡沫”与石墨互为同位素 B．把“碳纳米泡沫”分散到适当的溶剂中，能产生丁达尔效应 C．“碳纳米泡沫”是一种新型的碳化合物 D．“碳纳米泡沫”和金刚石的性质相同 B ——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 教材P24 ——碳纳米管 碳纳米材料 碳纳米管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。 ——石墨烯 碳纳米材料 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。 石墨烯柔性屏智能设备 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 多为硅酸盐材料 陶瓷 玻璃 水泥 硅单质 太阳能电池 集成电路 晶体管 计算机芯片 光导纤维 二氧化硅 新型陶瓷 碳纳米材料 高温结构 陶瓷 压电陶瓷 透明陶瓷 超导陶瓷 富勒烯 石墨烯 碳纳米管 碳化硅陶瓷 3．氢氟酸是HF的水溶液，可与SiO2发生反应生成SiF4和H2O。请写出该反应的化学方程式 。 想一想为什么可以用氢氟酸溶蚀玻璃生产磨砂玻璃 。 课本P25 玻璃的主要成分之一为 二氧化硅，而二氧化硅能与 氢氟酸反应 4．SiO2是一种酸性氧化物，能与强碱溶液反应。例如，SiO2与NaOH反应可生成Na2SiO3。Na2SiO3的水溶液俗称水玻璃，具有黏结力强、耐高温等特性，可以用作黏合剂和防火剂。实验室盛放碱溶液的试剂瓶应使用橡胶塞，而不用玻璃塞。请解释原因，并写出相关反应的化学方程式 。 玻璃塞的成分有SiO2，其与碱反应 生成Na2SiO3，Na2SiO3的黏结力强 会使玻璃塞与瓶子黏在一起。 例1、三硅酸镁(Mg2Si3O8·nH2O)是一种胃病患者常用的制酸剂，该物质难溶于水，服用后能中和过多的胃酸。请把三硅酸镁改写成氧化物的形式： 写出它中和胃酸的化学方程式： 2MgO·3SiO2·nH2O Mg2Si3O8·nH2O+4HCl=2MgCl2+3SiO2+(n+2)H2O 方便书写、方便计算、方便了解成份 Ca2Al[AlSi3O10](OH)2 氧化物 表示 Mg3[Si4O10](OH)2 CaSiO3 硅酸盐 注意：氧化物表示的化学式中，H2O 并不是结晶水！ KAlSi3O8 K2O·Al2O3·6SiO2 Lavf58.20.100 Bilibili VXCode Swarm Transcoder v0.3.70 Lavf58.20.100 Codec by Bilibili XCode Worker v4.6.27(fixed_gap:False) $$