5.3 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

人教版化学必修二 第五章 化工生产中的重要非金属元素 第3节 无机非金属材料 一、硅酸盐材料 （一）硅酸盐的结构 在硅酸盐中，Si和O构成了硅氧四面体，其结构如图所示。每个Si结合 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 相互连接，每个 为两个四面体所共有，与 个Si相结合。 4 O O 2 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。 （二）常见的硅酸盐材料 1、陶瓷 （1）、主要原料：黏土 （2）、传统生产过程：混和、成型、干燥、烧结、冷却 。 （3）、特点：抗氧化、抗酸碱腐蚀、耐高温、绝缘 （4）用途：建筑材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具 2、玻璃 （1）普通玻璃生产原料：纯碱、石灰石、石英 高温 高温 （2）生产原理及条件： Na2CO3+SiO2===Na2SiO3+CO2↑ CaCO3+SiO2===CaSiO3+CO2 ↑ （3）普通玻璃的成分：Na2SiO3、CaSiO3、SiO2 （4）主要设备：玻璃窑 （5）特点：玻璃是非晶体，称为玻璃态物质，无固定熔点，在某一温度范围内软化可加工成制品 种 类 特 性 用 途 普通玻璃 在较高温度下易软化 窗玻璃、玻璃瓶、玻璃杯等 石英玻璃 膨胀系数小，耐酸碱，强度大，滤光 化学仪器；高压水银灯、紫外灯等的灯壳；光导纤维、压电晶体等 光学玻璃 透光性能好，有折光和色散性 眼镜片；照相机、显微镜、望远镜用凹凸透镜等光学仪器 玻璃纤维 耐腐蚀、不怕烧、不导电、不吸水、隔热、吸声、防虫蛀 太空飞行员的衣服、玻璃钢等 钢化玻璃 耐高温、耐腐蚀、强度大、质轻、抗震裂 运动器材；微波通讯器材;汽车、火车窗玻璃等 有机玻璃：缩写为:PMMA;有机玻璃的化学名称叫聚甲基丙烯酸甲酯，是由甲基丙烯酸酯聚合成的高分子化合物。有机玻璃又叫明胶玻璃、亚克力。 小知识：常见的特种玻璃 3、水泥 （1）主要原料：石灰石、黏土 辅助原料：适量的石膏（调节水泥硬化速度） （2）设备：泥回转窑 （3）主要成分：硅酸三钙(3CaO·SiO2)、硅酸二钙(2CaO·SiO2)、铝酸三钙(3CaO·Al2O3) （4）主要性能：水硬性 （5）用途：大量用于建筑和水利工程 水泥回转窑 （三）硅酸盐 1、硅酸钠(Na2SiO3,俗名泡花碱)是一种最简单的硅酸盐。 (1)硅酸钠易溶于水，其水溶液俗称 ，具有 强、耐 等特性，常用作黏合剂和防火剂。 水玻璃 黏结力 高温 (2)硅酸钠溶液与盐酸反应生成硅酸(H2SiO3)胶体，其化学方程式是 。 (3)少量的二氧化碳通入硅酸钠溶液中，反应的离子方程式是 。 Na2SiO3 + 2HCl = 2NaCl + H2SiO3 ↓ Na2SiO3 + CO2 +H2O = H2SiO3↓ ＋Na2CO3 硅酸酸性比碳酸弱 2、硅酸盐组成的表示方法 硅酸钠（Na2SiO3) 镁橄榄石（Mg2SiO4） 钙沸石 Ca(Al2Si3O10) ·3H2O 活泼金属氧化物·较活泼金属氧化物·SiO2·H2O Na2O ·SiO2 2MgO ·SiO2 CaO ·Al2O3 ·3SiO2·3H2O 长石（KAlSi3O8） K2O·Al2O3·6SiO2 二、新型无机非金属材料 （一）硅和二氧化硅 1、单质硅 （1）存在：硅有晶体硅和无定形硅两种单质 硅在自然界主要以硅酸盐和氧化物的形式存在 （2）物理性质：①灰黑色，有金属光泽，硬而 脆的固体； ②结构类似于金刚石，熔、沸点高、硬度大； ③晶体硅是良好的半导体材料。 （3）化学性质：常温下硅单质的化学性质不活泼，但能与氢氟酸、强碱发生反应。 Si+2F2= SiF4 Si+O2 SiO2 Si+2Cl2 SiCl4 Si+ 4HF = SiF4↑+ 2H2↑ Si+ 2NaOH + H2O= Na2SiO3 + 2H2↑ （4）制备 制粗硅：SiO2＋2C = Si + 2CO↑ 高温 制高纯硅： （5）用途 硅太阳能电池 2、二氧化硅（SiO2） （1）存在：在自然界与矿物质共同构成岩石。 （2）SiO2结构 Si → O → 空间网状结构(四面体） 石英晶体是结晶的二氧化硅，石英中无色透明的晶体就是水晶 石 英 水 晶 水 晶 沙子的主要成分就是SiO2 ，沙子中含有小粒的石英晶体。 （3）物理性质 坚硬难熔的固体，不溶于水，纯净的晶体无色透明 ①酸性氧化物： （4） 化学性质 SiO2＋2NaOH＝Na2SiO3＋H2O 为什么实验室中盛放碱液的试剂瓶要用橡皮塞而不能用玻璃塞？ SiO2＋CaO CaSiO3 答：玻璃中含有SiO2 ，与碱反应，生成硅酸盐，可黏合玻璃。 ★SiO2 不能与水化合生成硅酸。 Na2SiO3＋2HCl ＝ H2SiO3 ＋ 2NaCl 硅酸制法：用硅酸盐和酸反应 ②与氢氟酸反应—SiO2的特性 SiO2 + 4HF = SiF4↑ + 2H2O 玻璃中含有SiO2，所以可以用HF来刻蚀玻璃。 ③弱氧化性 2C + SiO2 2CO↑ + Si （5）SiO2的用途 ①高性能通讯材料---光导纤维 ②沙子是基本的建筑材料 ③石英和玛瑙制作饰物、工艺品、精密仪器等 石英坩埚 光导纤维 制晶体硅 石英坩埚 光导纤维 石英手表 光学仪器 耐磨器皿 SiO2 精密仪器轴承 3、硅酸（白色固体，难溶于水） Na2SiO3＋CO2+H2O= H2SiO3 +Na2CO3  H2SiO3＋2NaOH=Na2SiO3+2H2O （1）存在：硅酸（ H2SiO3 ）、原硅酸（ H4SiO4）等· （2）性质弱酸性，只与强碱反应  Na2SiO3＋2HCl=H2SiO3↓+2NaCl （3） 制法：强酸制弱酸 硅酸失水后形成硅胶，具有强吸水性，常用作干燥剂和催化剂的载体。 硅胶干燥剂 硅胶泳帽 （4）硅胶 （二）新型陶瓷 新型陶瓷与传统陶瓷相比，在组成上有很大的变化，在光学、热学、电学、磁学等方面具有很多新的特性和功能。 高温陶瓷 碳化硅（SiC）俗称金刚砂 硬度很大，可用作砂纸和砂轮的磨料 还具有优异的高温抗氧化性能，可以用作耐高温结构材料、耐高温半导体材料等。 超导陶瓷 氧化铝陶瓷 二氧化锆 ①高温结构陶瓷特点： 主要有钛酸盐和锆酸盐,可实现机械能和电能的相互转化，用于滤波器、扬声器、超声波探伤器和但火气等。 耐高温、耐腐蚀、耐磨蚀、抗氧化等，用于火箭发动机，汽车发动机和高温电极材料，如氮化硅（Si3N4）和碳化硅（SiC--金刚砂）。 ②压电陶瓷特点: ③透明陶瓷： 特点为某临界温度下电阻为0，具有超导性，可用于电力、交通、医疗等。 氧化铝、氧化钇、氮化铝、氟化钙等类型； 特点：耐高温、绝缘性好，用于高压钠灯，激光器和高温探窗。 ④超导陶瓷： (1)富勒烯是由 构成的一系列笼形分子的总称，如C50、C60、C70、C120等，其代表物是 。 (2)碳纳米管是由 卷成的管状物，具有 尺度的直径。比表面积大，具有高强度和优良的电学性能。 (3)石墨烯是只有一个 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。 碳原子 C60 石墨片层 纳米 碳原子 （三）碳纳米材料 碳纳米材料(富勒烯、石墨烯等)、金刚石、石墨都是碳的同素异形体，它们具有不同的结构(碳原子排列方式不同)和性质。 富勒烯 石墨烯 碳纳米管（单壁） 碳纳米管（多壁） 碳纳米材料 碳纳米管-------具有高强度和电学性能，用于生产复合材料，电池、传感器。 石 墨 烯-------单层石墨，电阻率低，热导率高，强度高用于光电器元件、超级电容器、电池和复合材料等。 如用C60作车轮的“纳米汽车” 富 勒 烯-------笼形分子，以C60为代表. 分类 名称 性能 主要用途 传统无机 非金属材料 陶瓷 熔点高、硬度大、耐腐蚀、性质稳定 建筑材料、日常器皿、 卫生洁具 玻璃 透光性好、硬度大、 无固定熔点 建筑材料、各种器皿、 光学仪器等 水泥 遇水逐渐变硬（水硬性）、硬化后性质稳定 大量用于建筑、水利、 道路等工程中 新型无机非金属材料 晶体硅 导电性介于导体和绝缘体 之间 半导体材料、计算机芯片、太阳能电池等 二氧化硅 性质稳定，透光性好 光导纤维、玻璃仪器、 新型陶瓷 分别具有光学、热学、电学、磁学等方面的特性 分别用于激光、火箭发动机、压电陶瓷（点火器） 碳纳米管 电学性能好、强度大 传感器、电池、复合材料 $$