第五章 第三节 无机非金属材料-2024-2025学年高一化学同步课件（人教版2019必修第二册）

无机非金属材料 【第五章 化工生产中的重要非金属元素 】 人教版高中化学必修第二册 高中化学 新课导入 这些高科技产品的核心材料，其实都属于无机非金属材料，它们如何从传统走向尖端？ 航天飞机隔热瓦 医用生物陶瓷 高中化学 一、硅酸盐材料 材料的分类 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。 金属材料：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 材料 高中化学 一、硅酸盐材料 一般结构复杂，存在于地壳、岩石中 硅酸盐的存在： 硅酸盐的性质： 大多数难溶于水，化学性质稳定 硅酸盐的表示方法： ①用盐的化学式表示，如Na2SiO3 ②用氧化物的形式表示，如Na2O·SiO2 纯净物 硅酸盐 高中化学 一、硅酸盐材料 硅酸盐 硅酸盐改写成氧化物形式的书写方法： ①顺序：活泼金属氧化物，较活泼金属氧化物，二氧化硅，水 氧化物之间用“•”隔开 ②元素化合价不变，原子比例不变 ③如果计量数出现分数，应将其化为整数 Al2Si2O5(OH)4 KAlSi3O8 Mg2SiO4 · Al2O3 K2O 6SiO2 · Al2O3·2SiO2 ·2H2O 2MgO ·SiO2 高中化学 一、硅酸盐材料 传统的无机非金属材料多为硅酸盐材料，在日常生活中随处可见。 思考与讨论 在硅酸盐中，Si和O构成了硅氧四面体，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、难溶于水、耐高温、耐腐蚀等特点。 为什么陶瓷、玻璃、水泥都具有硬度高、难溶于水、耐高温、耐腐蚀等特点？ 高中化学 在1 mol硅氧四面体中： 有 mol Si 原子 有 mol O原子 有 mol Si-O键 1 2 4 一、硅酸盐材料 拓展与延伸 硅氧四面体通过顶角的O相互连接，每个O为两个四面体所共有。 高中化学 一、硅酸盐材料 硅酸钠 硅酸钠的物理性质： 白色固体，可溶于水，俗称泡花碱 其水溶液的俗称水玻璃。 硅酸钠的用途： 是一种矿物黏合剂，有很强的黏合性 化学性质稳定，不易燃烧，作阻燃材料 不易腐蚀，作防腐剂 硅酸钠的化学式：Na2SiO3 高中化学 一、硅酸盐材料 硅酸 硅酸的物理性质： 白色胶状沉淀，难溶于水 酸性比碳酸还弱，不能使紫色石蕊变红 硅酸的用途： 硅酸干凝胶可做干燥剂 硅酸的化学式：H2SiO3 高中化学 一、硅酸盐材料 硅酸钠和硅酸的化学性质 a.制硅酸：硅酸钠溶液与盐酸反应生成硅酸，其化学方程式是 b.少量的二氧化碳通入硅酸钠溶液中生成沉淀的离子方程式是 c.过量的二氧化碳通入硅酸钠溶液中生成沉淀的离子方程式是 d.硅酸不稳定，受热易分解，其化学方程式是 Na2SiO3+ 2HCl H2SiO3↓ + 2NaCl SiO32- + CO2+ H2O H2SiO3↓ + CO32- SiO32-+ 2CO2+ 2H2O H2SiO3↓ + 2HCO3- H2SiO3 SiO2+ H2O △ 高中化学 一、硅酸盐材料 一、硅酸盐材料 拓展与延伸 硅酸钠和硅酸 如何设计实验，证明酸性：盐酸>碳酸>硅酸？ 高中化学 一、硅酸盐材料 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 高中化学 一、硅酸盐材料 玻璃 纯碱、石灰石和石英砂（主要成分SiO2 ） 玻璃窑 Na2SiO3 、CaSiO3、SiO2 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 玻璃是非晶体无固定熔点，透光性好，硬度大 CaCO3 + SiO2 CaSiO3 + CO2↑ 高温 Na2CO3 + SiO2 Na2SiO3 + CO2↑ 高温 高中化学 一、硅酸盐材料 水泥 黏土和石灰石 水泥回转窑 原料： 设备： 石膏的作用： 条件： 高温煅烧 调节水泥硬化速率 成分：硅酸三钙(3CaO·SiO2)、硅酸二钙(2CaO·SiO2)、铝酸三钙(3CaO·Al2O3) 应用：水泥、沙子和碎石等与水混合可以得到混凝土，用于建筑和工程 高中化学 二、单质硅 元素周期表中的位置 氮原子的结构 硅元素位于元素周期表中：第二周期ⅣA族 硅原子的最外电子层有4个电子，既不容易得到4个电子，也不容易失去4个电子 +14 2 8 4 Si 氮化学性质稳定，主要形成四价的化合物 高中化学 二、单质硅 硅单质的物理性质 硅的存在形式 硅是亲氧元素，没有游离态，自然界主要以硅酸盐和氧化物的形式存在。 灰黑色，有金属光泽，硬而脆的固体 熔、沸点高、硬度大 晶体硅是良好的半导体 高中化学 二、单质硅 稳定性 化学性质 常温下，硅的化学性质不活泼，但可以和氟气、氢氟酸和强碱溶液反应 Si+4HF SiF4↑+2H2↑ Si+2NaOH+H2O Na2SiO3+2H2↑ Si+F2 SiF4 Si是能与NaOH溶液反应放出氢气的非金属单质 高中化学 二、单质硅 还原性 化学性质 在加热下，硅可以和某些非金属单质反应 Si + O2 SiO2 Si+2Cl2 SiCl4 用途 ①半导体材料，如计算机、通信设备和家用电器的芯片 ②新型能源，如光伏电站、人造卫星和电动汽车的硅太阳能电池 高中化学 二、单质硅 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。 ① ② ③ 1100 ℃ 300 ℃ 石英砂 焦炭 粗硅 高纯硅 HCl H2 SiHCl3 1800~2000℃ ① SiO2 + 2C Si(粗) + 2CO↑ 1800 0C ~ 2000 0C ② Si + 3HCl SiHCl3 + H2 300 0C ③ SiHCl3 + H2 Si + 3HCl 1100 0C 高中化学 三、二氧化硅 存在形式 SiO2是硅的重要化合物，在自然界中其存在形态有结晶形（水晶、玛瑙） 和无定形（硅藻土）两大类。 水晶 玛瑙 硅藻土 高中化学 三、二氧化硅 物理性质 纯净的二氧化硅是无色的晶体 熔点高、硬度大 不溶于水，也不溶于其他一般溶剂 结构 二氧化硅中硅原子与氧原子个数比为1：2 ，用SiO2来表示二氧化硅的组成， SiO2 只是化学式，晶体中不存在“SiO2分子” 立体网状结构 高中化学 三、二氧化硅 化学性质 酸性氧化物的通性（类比CO2） ①难溶于水，与水不反应（特殊） ②与强碱反应 SiO2 + CaO CaSiO3 高温 ③与碱性氧化物反应 ④与某些盐反应 SiO2 + 2NaOH Na2SiO3 + H2O Na2CO3 + SiO2 Na2SiO3 + CO2↑ 高温 CaCO3 + SiO2 CaSiO3 + CO2↑ 高温 高中化学 三、二氧化硅 思考与讨论 ① SiO2与水不反应，如何通过SiO2 来制H2SiO3 ？ SiO2+2NaOH Na2SiO3+H2O Na2SiO3 + HCl H2SiO3↓ + 2NaCl ②实验室中要熔化NaOH固体，手头上有三种坩埚：石英坩埚、陶瓷坩埚和铁坩埚。请大家讨论我们应当使用哪一种？ 铁坩埚。石英坩埚和陶瓷坩埚的主要成分均含SiO2，能与NaOH反应。 高中化学 三、二氧化硅 思考与讨论 ③实验室盛放碱溶液的试剂瓶使用橡胶塞，而不用玻璃塞？ 已知：普通玻璃的组成中含有较多的二氧化硅 SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O 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。 高中化学 SiO2的特性 三、二氧化硅 化学性质 SiO2＋4HF SiF4↑＋2H2O HF能腐蚀玻璃，因此，盛装氢氟酸不能用玻璃试剂瓶而要用塑料瓶 思考：SiO2既可与碱反应，也能与氢氟酸反应，推断SiO2为两性氧化物，是否正确? 不正确。两性氧化物指既能与酸反应生成盐和水，又能与碱反应生成盐和水的氧化物。SiO2能与氢氟酸反应，但并不生成盐和水。 高中化学 三、二氧化硅 化学性质 弱氧化性 SiO2＋2C Si＋2CO↑ 　 高温 思考：该反应能否说明C与Si的非金属性强弱？ 不能，因为非金属性比较的是得电子能力，表现为单质的氧化性，而该反应中C是还原剂，Si是还原产物，主要体现碳的还原性。 高中化学 三、二氧化硅 用途 光导纤维 装饰品 玻璃器材 高中化学 四、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、磁学等方面具有很多新的特性和功能。 碳化硅(SiC) 俗称：金刚砂 性能与用途： 硬度很大，可用作砂纸和砂轮的磨料 优异的高温抗氧化性能 可用作耐高温结构和半导体材料 高中化学 四、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 某临界温度下电阻为零，超导性 电力、交通、医疗 火箭、汽车发动机，高温电极材料 高中化学 五、碳纳米材料 富勒烯 由碳原子构成的一系列笼形分子的总称 组成： 性能： 应用： 具有特殊的光学性质、电导性及化学性质 如C50、C60、C70、C120等 类别： 医疗，工业，科研等方面都有应用 高中化学 五、碳纳米材料 碳纳米管 由石墨片层卷成的管状物， 具有纳米尺度的直径 组成： 性能： 应用： 比表面积大，具有相当高的强度和 优良的电学性能 可用于生产复合材料、电池和传感器等 高中化学 五、碳纳米材料 石墨烯 只有一个碳原子直径厚度的单层石墨 组成： 性能： 应用： 电阻率低、热导率高，具有很高的强度 应用于光电器件、超级电容器、电池和复合材料等 高中化学 无机非 金属材料 硅酸盐材料 硅和 二氧化硅 硅 二氧化硅 六、课堂小结 存在形式 物理性质 化学性质 新型陶瓷 材料分类 硅酸盐 传统无机非金属材料 碳纳米材料 用途 硅的性质 高纯硅的制备 用途 高中化学 随堂练习 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 高中化学 随堂练习 2.中国是瓷器的故乡，钧瓷是宋代五大名窑瓷器之一，以“入窑一色，出窑万彩”的神奇窑变著称。下列关于陶瓷的说法正确的是（　　） A．高品质的白瓷晶莹剔透，属于纯净物 B．瓷器中含有大量的金属元素，因此陶瓷属于金属材料 C．氮化硅陶瓷属于传统无机非金属材料 D．“窑变”是高温下釉料中的金属化合物发生氧化还原反应导致颜色的变化 D 高中化学 3.下列叙述正确的是（　　） A．CO2和SiO2都是酸性氧化物，所以两者物理性质相似 B．因为CaCO3+SiO2 CaSiO3+CO2↑，所以硅酸的酸性比碳酸强 C．CO2和SiO2都能与碳反应，且都作氧化剂 D．SiO2既能和NaOH反应，又能和HF反应，所以二氧化硅属于两性氧化物 C 随堂练习 高中化学 4.（1）计算机芯片和太阳能电池的主要成分是 　 　，光导纤维的主要成分是 　 　； （2）工艺师常用氢氟酸来雕刻玻璃，该反应的化学方程式为 　 　 ； （3）工业上可利用水玻璃和盐酸反应制备硅酸凝胶后，进一步脱水处理可得到硅胶，写出水玻璃和盐酸反应的离子方程式 　 　； （4）黏土是一种重要的矿物原料，广泛分布于世界的各地的岩石和土壤中。某种黏土的主要成分为Al（Si2O5）（OH）4，将其表示为氧化物的形式为 　 　。 随堂练习 Si SiO2 SiO2+4HF＝SiF4↑+2H2O SiO32﹣+2H+＝H2SiO3（胶体） Al2O3•2SiO2•2H2O 高中化学 $$