3.2 无机非金属材料 课件-2024-2025学年高一下学期化学人教版（2019）必修第一册

第五章 化工生产中重要非金属元素 第三节 无机非金属材料 素养目标 宏观辨识与微观探析： 能够从宏观角度认识无机非金属材料(如陶瓷、玻璃、水泥等)的外观、性质和用途。从微观层面理解这些材料的组成结构对其性质的影响。 证据推理与模型认知： 建立无机非金属材料的结构 - 性质 - 用途的认知模型，利用该模型预测新的无机非金属材料或解释材料性能变化的原因。 科学探究与创新意识： 了解无机非金属材料在现代科技、工业、建筑等领域的重要应用，如光纤通信中的光导纤维(主要成分是二氧化硅)，培养对科学技术发展的积极态度。 壹 贰 2. 硅、二氧化硅的性质 1. 硅酸盐和硅酸 知识导航 叁 3. 新型无机非金属材料 课堂导入 4 视频中的42号混凝土是什么材料？螺丝钉是什么材料？UFO为什么能够高速移动而不燃烧？ 为什么石矶娘娘被三味真火灼烧之后体积变小？但是孙悟空却不怕三味真火煅烧？ 课堂导入 5 列举你所知道的身边的材料，了解材料的分类! 6 知识点1：硅酸盐和硅酸 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。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。 材料分类 金属材料：包含纯金属和合金 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 7 知识点1：硅酸盐和硅酸 1.传统无机非金属材料——硅酸盐材料 (1)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 7 8 知识点1：硅酸盐和硅酸 玻璃的主要原料、主要成分，有关反应原理是什么？如何制作各种玻璃？ 8 9 知识点1：硅酸盐和硅酸 1.传统无机非金属材料——硅酸盐材料 (2)玻璃 纯碱、石灰石和石英砂 玻璃窑 Na2SiO3 、CaSiO3、SiO2 SiO2+Na2CO3 ==== Na2SiO3+CO2↑ SiO2+CaCO3 ==== CaSiO3+CO2↑ 高温 高温 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 9 10 知识点1：硅酸盐和硅酸 资料卡片 生产中采用不同的原料和工艺，可以制得多种具有不同性能和用途的玻璃。例如，用含有铅的原料制造的光学玻璃，透光性好，折射率高，可以用来制造眼镜、照相机和光学仪器的透镜；加入硼酸盐制成耐化学腐蚀、耐温度急剧变化的玻璃，可用于实验室使用的玻璃仪器；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。 1.传统无机非金属材料——硅酸盐材料 (2)玻璃 10 11 知识点1：硅酸盐和硅酸 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。 着色剂 玻璃颜色 MnO2 紫色 CoO、 Co2O3 紫红色 FeO、 K2Cr2O7 绿色 CdS、 Fe2O3 、Sb2S3 黄色 AuCl 、 Cu2O 红色 CuO 、 MnO2 、 Fe3O4 黑色 1.传统无机非金属材料——硅酸盐材料 (2)玻璃 11 12 知识点1：硅酸盐和硅酸 制造水泥的主要原料是什么？ 12 13 知识点1：硅酸盐和硅酸 1.传统无机非金属材料——硅酸盐材料 (3)水泥 黏土和石灰石 水泥回转窑 原料： 工业设备： 石膏的作用： 条件： 高温煅烧 调节水泥硬化速率 13 14 知识点1：硅酸盐和硅酸 2.硅酸盐 我们生活中接触到的含硅及其化合物的物品 水泥 玻璃 陶瓷 (1)硅酸盐是由金属、硅、氧等元素形成的盐 (2)硅酸盐材料具有硬度高、难溶于水、耐高温、耐腐蚀特点! 14 15 知识点1：硅酸盐和硅酸 2.硅酸盐 (3)存 在： (4)表示方法： ①用盐的化学式表示，如Na2SiO3、CaSiO3 ②用氧化物的形式表示，如Na2O•SiO2、CaO•SiO2 【注意】 ①书写形式一般为：X金属氧化物•YSiO2•ZH2O ②元素化合价不变、原子比例不变 ③计量数以整数书写 ④多种金属同时存在，活泼的写在前面 【思考】长石(KAlSi3O8)、高岭土[Al2Si2O5(OH)4]如何用氧化物的形式表示？ K2O• Al2O3• 6SiO2 Al2O3• 2SiO2 •2H2O 硅酸盐一般结构复杂，存在于地壳、岩石中 15 16 知识点1：硅酸盐和硅酸 2.硅酸盐 资料卡片 在硅酸盐中，Si和0构成了硅氧四面体，其结构如图5-18所示。每个Si结合4个O，Si在中心，0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。 硅酸盐的结构 (5)硅酸盐结构：Si 和 O 构成了硅氧四面体每个 Si 结合 4 个 O， Si 在中心，O 在四面体的 4 个顶角许多四面体通过顶角的O相互连接每个 O 为两个四面体所共有，与 2 个 Si 相结合。 16 17 知识点1：硅酸盐和硅酸 (1).物理性质 白色固体，可溶于水，水溶液俗称水玻璃，是一种矿物胶，有很强的黏合性。 (2).化学性质 与酸反应： Na2SiO3+2HCl === 2NaCl+H2SiO3↓ Na2SiO3+2H2O+2CO2(过量) === 2NaHCO3+H2SiO3↓ Na2SiO3+H2O+CO2(少量) === Na2CO3+H2SiO3↓ 【思考】这些反应的反应类型是什么？遵循什么反应原理？ 2.硅酸盐 Na2SiO3——俗称泡花碱 17 18 知识点1：硅酸盐和硅酸 2.硅酸盐 Na2SiO3——俗称泡花碱 (3).用途 ①制硅酸；②黏合剂(矿物胶)；③耐火阻燃材料；④防腐剂 18 19 知识点1：硅酸盐和硅酸 3.硅酸 H2SiO3——难溶于水 (1).物理性质 (2).化学性质 是一种很弱的酸，酸性比碳酸弱，溶解度很小。 H2SiO3 H2O+SiO2 【思考】如何证明酸性盐酸>碳酸>硅酸？ A B C D A：Na2CO3/NaHCO3 B : 稀盐酸 C : 饱和NaHCO3溶液 D : Na2SiO3溶液 19 20 知识点1：硅酸盐和硅酸 3.硅酸 H2SiO3——难溶于水 (3).用途 硅酸 聚合 硅酸凝胶 干燥脱水 硅酸干凝胶 “硅胶” 20 21 沙子和芯片的成分是什么呢？ 你听说过从沙滩到用户吗？ 知识点2：硅 二氧化硅的性质 21 22 知识点2：硅 二氧化硅的性质 1.硅 (1)硅元素在元素周期表中的位置 +14 2 8 4 Si 第三周期、第IV A族，处于金属和非金属的过渡位置 硅单质的导电性介于导体和绝缘体之间,是良好的半导体材料,是应用最广泛的半导体材料。 22 23 知识点2：硅 二氧化硅的性质 (2)硅的存在形式 在自然界中主要以硅酸盐(如地壳中的大多数矿物)和氧化物(如水晶、玛瑙、石英砂)的形式存在。 1.硅 23 24 知识点2：硅 二氧化硅的性质 (3)粗硅的制法 SiO2＋2C=====Si＋2CO↑ 　 高温 不是CO2！ 为何说制得的硅为粗硅？ 碳过量、碳与硅反应生成的SiC 晶体硅中的杂质会影响其导电性能，因此必须制备高纯度的硅。 晶体硅为灰黑色固体，有金属光泽、硬度大、熔点高。 1.硅 24 25 知识点2：硅 二氧化硅的性质 1.硅 资料卡片 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。例如，可以将粗硅转化为三氯硅烷(SiHCl3)，再经氢气还原得到高纯硅。 (4)高纯硅的制备 25 26 知识点2：硅 二氧化硅的性质 1.硅 (4)高纯硅的制备 ① SiO2 + 2C Si(粗) + 2CO↑ 1800 0C ~ 2000 0C ② Si + 3HCl SiHCl3 + H2 300 0C ③ SiHCl3 + H2 Si + 3HCl 1100 0C 26 27 知识点2：硅 二氧化硅的性质 (5)硅的应用 利用其半导体性能制成计算机、通信设备和家用电器的芯片。 光伏电站、人造卫星和电动汽车的硅太阳能电池等。 1.硅 27 28 知识点2：硅 二氧化硅的性质 主要成分均为SiO2 28 29 知识点2：硅 二氧化硅的性质 C CO2 H2CO3 Na2CO3 2. 二氧化硅的性质 (1)二氧化硅的物理性质 硬度大、熔沸点高、常温下为固体、难溶于水、不导电 Si SiO2 H2SiO3 Na2SiO3 SiO2具有酸性氧化物的通性 29 30 知识点2：硅 二氧化硅的性质 2. 二氧化硅的性质 (2)二氧化硅的化学性质 ①具有酸性氧化物的通性(类比CO2) a.不溶于水，不与水反应(特殊) SiO2 + CaO CaSiO3 高温 b.与碱性氧化物反应 c.与某些盐反应 d.与强碱反应 SiO2 + 2NaOH Na2SiO3 + H2O 30 31 知识点2：硅 二氧化硅的性质 SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O Na2SiO3的水溶液俗称水玻璃，具有黏结力强、耐高温等特性，可以用作粘合剂和防火剂。 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。 实验室盛放碱溶液的试剂瓶使用橡胶塞，而不用玻璃塞？ 31 32 知识点2：硅 二氧化硅的性质 2. 二氧化硅的性质 你知道玻璃上的图案是如何刻上去的吗？ 氢氟酸是HF的水溶液，可与SiO2发生反应成SiF4和H2O。 请写出该反应的化学方程式。 32 33 知识点2：硅 二氧化硅的性质 2. 二氧化硅的性质 ②SiO2的特性 SiO2＋4HF=SiF4↑＋2H2O ③弱氧化性 3. 二氧化硅的用途 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，能有效提高通讯效率高纯硅广泛应用于信息技术和新能源技术领域。 信息高速公器的骨架——石英光导纤维 光学纤维胃镜 33 34 知识点3：新型无机非金属材料 1. 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。 碳原子和硅原子通过共价键连接 结构： 性能 ——砂纸和砂轮的磨料 高温抗氧化性能 硬度大 耐高温结构材料 耐高温半导体材料 34 35 知识点3：新型无机非金属材料 1. 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 YBa2Cu3O7-δ，Bi2Sr2Ca2Cu3O10，Tl2Ba2Ca2Cu3O10 某临界温度下电阻为零，超导性 电力、交通、医疗 火箭发动机、高温电极材料 35 36 知识点3：新型无机非金属材料 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。 你知道什么是碳纳米材料吗？它有哪些用途？ 36 37 知识点3：新型无机非金属材料 2.碳纳米材料 (1)富勒烯——纳米王子 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研究对象，开启了纳米材料研究和应用的新时代。 1985，美国化学家斯莫利和柯尔以及英国化学家克鲁特 激光照射石墨 新型单质C60分子 1996年三人获诺贝尔化学奖 37 38 知识点3：新型无机非金属材料 纳米车的轮子可滚动 既不是各大汽车厂商的迷你系列轿车，也不是孩子们的玩具模型，而是由荷兰格罗宁根大学有机化学教授本·费林加研制的纳米车。 它的轮轴能像汽车的轮轴一样平滑旋转，而轮轴末端是4个“巴基球”做成的轮子。“巴基球”是由60个碳原子构成的纳米级球状分子，具有很多新奇的特性，在纳米技术研究中很受科学家重视。 电子显微镜下观察到的纳米汽车 世界上最小的车是什么车？ 38 39 知识点3：新型无机非金属材料 (2)碳纳米管——直达宇宙的太空天梯 碳纳米管可以看成是由石墨片卷成的管状物，具有纳米尺度的直径。比表面积大，具有高强度和电学性能，用于生产复合材料，电池、传感器。 1991年，日本化学家饭岛博士在对石墨电弧放电实验时，发现了有单层、多层石墨卷曲而成的碳纳米碳管。 2.碳纳米材料 39 40 知识点3：新型无机非金属材料 2.碳纳米材料 (3)石墨烯——新材料之王 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。作为一种强度高用于光电器元件、超级电容器、电池和复合材料等。 40 41 知识点3：新型无机非金属材料 2.碳纳米材料 (3)石墨烯——新材料之王 安德烈•康姆 康定斯坦•诺沃肖诺夫 2004年，英国曼彻斯顿大学的两位物理学家用胶带反复粘贴石墨的方法得到了仅由一层碳原子构成的薄片，这就是石墨烯。 2010年，这两位科学家因为发现了这份神奇的材料而被授予诺贝尔物理奖。 41 42 知识点3：新型无机非金属材料 42 谢谢观看 THANKS Lavf58.20.100 Tencent CAPD MTS (T-tech) $$