5.3 无机非金属材料 共2课时 课件 -2024-2025学年高一下学期化学人教版（2019）必修第二册

组织建设 第三节 无机非金属材料 （1） 硅 = 石+土 自然界中硅元素存在：岩石、沙子、土壤中 硅在地壳中的含量：仅次于氧，排在第二位 第三周期、第IV A族 1 传统的硅酸盐材料 陶瓷 玻璃 水泥 第 ‹#› 页 由硅、氧和金属组成的化合物的总称； （一）硅酸盐的组成、结构和性质： 一、硅酸盐材料 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： 结构复杂。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： 第 ‹#› 页 （1）物理性质： Na2SiO3是一种白色固体，可溶于水；其水溶液俗称水玻璃，呈粘稠状。可保存于玻璃瓶中，但不能使用玻璃塞，要用橡胶塞。 （2）用途： 防火剂、黏胶剂 （3）化学性质： 水溶液显碱性，能与盐酸、CO2等反应。 Na2SiO3 + 2HCl = H2SiO3↓ + 2NaCl Na2SiO3 + CO2+H2O= H2SiO3↓+ Na2CO3 硅酸钠要密封保存 硅酸钠（Na2SiO3） 【资料】 4、表示方法： ⑴化学式法： 适用于简单的硅酸盐如：Na2SiO3、 CaSiO3等。 ⑵氧化物法： 硅酸钠：Na2SiO3 高岭石： Al2Si2O5(OH)4 Na2O·SiO2 活泼金属氧化物→较活泼金属氧化物→SiO2→水 Al2O3 · 2SiO2 ·2H2O 第 ‹#› 页 石棉：CaMg3Si4O12 沸石：Na2Al2Si3O8(OH)4 云母：KAl3Si3O10(OH)2 CaO · 3MgO· 4SiO2 Na2O · Al2O3 · 3SiO2· 2H2O K2O· 3Al2O3 · 6SiO2· 2H2O 第 ‹#› 页 传统无机非金属材料 硅酸盐产品 陶瓷 水泥 玻璃 （二）硅酸盐产品： 第 ‹#› 页 产品 主要原料 主要 设备 反应 条件 主要反应或主要成分 普通玻璃 水泥 陶瓷 黏土、 石灰石、 石膏 水泥 回转窑 高温 硅酸三钙：3CaO·SiO2 硅酸二钙：2CaO·SiO2 铝酸三钙：3CaO·Al2O3   纯 碱、 石灰石、 石 英  玻璃熔炉 高温 Na2CO3+SiO2= Na2SiO3+CO2↑ CaCO3+SiO2 = CaSiO3+CO2↑ 成分： Na2SiO3、CaSiO3、SiO2 （或Na2O·CaO·6SiO2） 陶瓷、水泥和玻璃都是混合物 陶瓷窑 黏土 高温烧结 高温 高温 思考：为什么玻璃没有固定的熔沸点？ 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 有色玻璃 钢化玻璃 加入不同的金属氧化物 普通玻璃加热近熔化再急速冷却 大本42页 第 ‹#› 页 1、“九秋风露越窑开，夺得千峰翠色来”是赞誉越窑秘色青瓷的诗句，描绘我国古代精美的青瓷工艺品。玻璃、水泥和陶瓷均为硅酸盐制品，下列有关说法中正确的是 (　　) A．玻璃是人类最早使用的硅酸盐制品 B．制水泥的原料为纯碱、石灰石和石英砂 C．硅酸盐制品的性质稳定、熔点较高 D．黏土的主要成分均为二氧化硅 C 典题精练 13 2．[2023新课标Ⅰ]陶瓷是火与土的结晶，是中华文明的象征之一，其形成、性质与化学有着密切的关系。下列说法错误的是 （ ） A.陶瓷化学性质稳定，具有耐酸碱侵蚀、抗氧化等优点 B.闻名世界的秦兵马俑是陶制品，由黏土经高温烧结而成 C.陶瓷是应用较早的人造材料，主要化学成分是硅酸盐 D.“雨过天晴云破处”所描述的瓷器青色，来自氧化铁 D 土壤沙漠化是一个复杂的现象，主要由以下几个原因引起： 气候变化：全球变暖导致的气候干燥和降水减少，增加了土壤的水分蒸发，降低了土壤的湿度，减少了土壤中的微生物数量和土壤有机质含量，从而使土壤变得更加脆弱，容易受到风蚀和水蚀。1 人类活动：如过度放牧、开垦为农田、草地过度开发等都会导致土壤失水，变得干燥，土粒分散，最终被风吹蚀，细颗粒含量降低。此外，不适当的农业实践（如过量使用化肥）也会加剧土壤盐渍化和沙漠化。23 地形地貌：在某些地区，由于地形的影响，如陡峭的山坡或者狭窄的山谷，会形成强烈的局部风场，这些地方更容易发生沙尘暴，进一步加剧了土壤沙漠化的问题。3 植被破坏：植被可以有效地固定土壤，减少土壤的水蚀和风蚀。然而，由于人类的过度开发和不合理利用，许多地方的植被遭到破坏，失去了保护土壤的作用。45 综上所述，土壤沙漠化是由多种因素共同作用的结果，包括气候变化、人类活动、地形地貌以及植被破坏等。 一、硅和二氧化硅 二、新型陶瓷 三、碳纳米材料 2 新型无机非金属材料 第 ‹#› 页 硅谷(Silicon Valley)位于美国加利福尼亚州的旧金山经圣克拉拉至圣何塞近50公里的一条狭长地带，是美国重要的电子工业基地，也是世界最为知名的电子工业集中地。 芯片制造详解：从沙子到晶圆 一、硅和二氧化硅 （一）硅 1、硅元素的存在 硅元素的位置，画出其原子结构示意图，并与碳原子比较 硅原子和碳原子的最外电子层均有4个电子，其原子既不易失去也不易得到电子，主要形成四价的化合物。 硅在地壳中含量仅次于氧，位于第二位 第 ‹#› 页 通过下列图片总结归纳出硅元素在自然界中的存在形式 硅的氧化物及硅酸盐构成了地壳中大部分的岩石、沙子和土壤、约占地壳总量的90%以上。 硅是一种亲氧元素,在自然界中它总是与氧相互化合的，因此硅都以化合态存在于自然界，主要以氧化物及硅酸盐的形式存在。 第 ‹#› 页 2、硅的结构与物理性质 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 硅有晶体硅和无定形硅两种 正四面体的空间网状结构 晶体硅 （1）与氟气反应： （2）与氢氟酸反应： （3）与强碱溶液反应： Si+2F2=SiF4 Si+4HF =SiF4↑+2H2↑ Si+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H2 3、硅的化学性质 常温下很稳定，硅只与F2、氢氟酸、强碱反应。 加热时，能和O2和Cl2等非金属单质反应反应 Si+2Cl2==SiCl4 △ Si+O2==SiO2 △ Si+C ==SiC 高温 碳化硅(俗名：金刚砂) 4、晶体硅的用途 集成电路 　　　 晶体管 Si导电性介于导体和半导体之间，是良好的半导体材料,硅是信息技术的关键材料。 硅太阳能电池 电脑中央处理器（CPU） 第 ‹#› 页 价值5元的沙子 SiO2 价值5000元的芯片 点沙 成金 从沙滩到用户 如何制备高纯度的硅？ 第 ‹#› 页 5、硅的制备 ⑴SiO2+2C == Si+2CO ↑ (粗硅) 高温 ⑵Si+3HCl == SiHCl3+H2 高温 ⑶SiHCl3+H2 == Si+3HCl （高纯硅） 高温 若C过量： SiO2+3C == SiC + 2CO ↑ 高温 第 ‹#› 页 3、制造太阳能电池需要高纯度的硅，工业上制高纯硅常利用以下反应来实现： (1)Si（粗硅）+3HCl          SiHCl3+H2； (2)SiHCl3+H2         Si(纯硅)+3HCl 对上述两个反应的下列叙述中,不正确的是（ ） A．两个反应都是置换反应  B．两个反应中的H2均作还原剂 C．两个反应都要在耐腐蚀的容器中进行 D．两个反应都是氧化还原反应 B 典题精练 最新工艺 组织建设 第三节 无机非金属材料 （2） 1、存在形式 结晶形（石英晶体） 无定形——硅藻土 水晶 玛瑙 （二） 二氧化硅（SiO2） 第 ‹#› 页 SiO2的晶体结构 晶体Si的结构 硅和SiO2都是正四面体结构,性质很稳定 2、二氧化硅（ SiO2）的物理性质与晶体结构 物理性质： 难溶于水，熔点高，硬度大。 【强调】1molSiO2中含有4molSi-O键； 1molSi中含有2molSi-Si键。 第 ‹#› 页 3、化学性质： SiO2 ＋ 2OH－＝SiO32－＋H2O SiO2 ＋ 2NaOH＝Na2SiO3＋H2O 【思考】为什么实验室中盛放碱液的试剂瓶用橡皮塞而不用玻璃塞？可以用石英坩埚加热氢氧化钠吗？ 因为碱液会跟玻璃塞中的SiO2反应，生成的硅酸盐会把试剂瓶和玻璃塞粘连在一起。 (1) 酸性氧化物的通性：与强碱反应，但不与水反应 与碱性氧化物反应： 高温 SiO2 ＋ CaO == CaSiO3 （2）与碳酸盐的反应 SiO2+Na2CO3 === CO2  +Na2SiO3 高温 SiO2+CaCO3===CO2  +CaSiO3 高温 }制取玻璃原理 （3）特性：不与其他酸反应，只与氢氟酸反应 SiO2 + 4HF = SiF4 + 2H2O 刻蚀玻璃，不能用玻璃瓶保存氢氟酸 Al2O3+Na2CO3 === CO2  +2NaAlO2 高温 雕刻玻璃，你会吗？ SiO2＋4HF=SiF4↑＋2H2O 某同学根据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。 因为二氧化硅跟氢氟酸反应产物不是盐和水，所以不属于两性氧化物，但是属于酸性氧化物。 思考交流 第 ‹#› 页 4.二氧化硅的用途 石英：石英玻璃用来制造耐高温化学仪器，如 石英坩埚 水晶：电子工业的重要部件，制造光学仪器、高级工艺品、眼镜片等 玛瑙：制精密仪器轴承、耐磨器皿和装饰品等 SiO2：制光导纤维 沙子：建筑材料 SiO2的网状结构决定了它具有优良的物理和化学性质，加上SiO2在自然界的广泛存在，从古到今都被人类广泛地应用着。 物质 二氧化硅 二氧化碳 存在 存在于岩石、沙子、石英、水晶、硅藻土中 空气中,燃料的燃烧产物 物理性质 固体,难溶于水,熔、沸点高,硬度大 通常情况下为无色无味气体,密度比空气大 化学性质 ①与水反应 不反应 CO2+H2O H2CO3 ②与酸反应 只与氢氟酸反应 SiO2+4HF=SiF4↑+2H2O 不反应 ③与NaOH反应 　 SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O (盛碱液的试剂瓶用橡胶塞) CO2+2NaOH=Na2CO3+H2O或CO2+NaOH=NaHCO3 ④与碱性 氧化物反应 如与CaO反应: SiO2+CaO CaSiO3 如与Na2O反应: CO2+Na2O=Na2CO3 ⑤与碳反应 SiO2+2C Si+2CO↑ CO2+C 2CO 用途 制饰品、坩埚、光导纤维 干冰用于人工降雨 （大本P44） 易错点强调：二氧化硅的易错知识点 （1）非金属氧化物的熔沸点一般比较低，但SiO2的却很高。 （2）酸性氧化物一般都溶于水生成相应的含氧酸，但SiO2不溶于水，不能直接与水生成H2SiO3。 （3）酸性氧化物一般不与非氧化性酸作用，但SiO2能跟HF作用：SiO2+4HF=SiF4↑+2H2O。 （4）氢氟酸不能用玻璃容器盛放；NaOH溶液能用玻璃试剂瓶盛放，但不能用玻璃塞。 （5）SiO2既能和酸反应，又能和碱反应，但它不是两性氧化物。 （6）SiO2不导电，是制作光导纤维的材料；Si是半导体，是制作芯片及光电池的材料。 1、物理性质 硅酸是一种 溶于水的 胶状物。 白色 难 H2SiO3===H2O+SiO2 Δ (1)弱酸性： (2)不稳定性： 比碳酸酸性弱 （三）硅酸（H2SiO3） 2、化学性质 【知识拓展】 H2SiO3 + 2NaOH=Na2SiO3 + 2H2O 催化剂的载体 硅酸干凝胶 “硅胶”SiO2•nH2O 干燥剂 3、用途 硅酸溶胶→硅酸凝胶→硅酸干凝胶即为 “硅胶” 现 象 结 论 化学方程式 Na2SiO3+2HCl=2NaCl+H2SiO3↓ Na2SiO3的水溶液呈碱性，硅酸难溶于水 滴入酚酞溶液呈红色， 滴入盐酸有白色胶状沉淀产生 可溶性硅酸盐与酸反应制得。 Na2SiO3＋CO2＋H2O = Na2CO3＋H2SiO3↓ 制取原理：较强酸制较弱酸。 【思考】如何来制备H2SiO3? 4、硅酸的制备 （3）制取： 1、2NaOH + SiO2 = Na2SiO3 + H2O 2、Na2SiO3+ 2HCl = 2NaCl + H2SiO3↓ 思考：怎样由石英（SiO2）制取硅酸H2SiO3？ 提示： SiO2与H2O不反应 思考：如何设计实验证明H2CO3的酸性大于H2SiO3? 酸性：HCl>H2CO3>H2SiO3 结论： 饱和 NaHCO3 溶液 NaSiO3溶液 × √ 现象： 产生大量气泡，并生成白色沉淀 CaCO3 盐酸 CO2中混有HCl气体 除去CO2中混有HCl气体 Na2SiO3溶液 CaCO3 盐酸 5、下列说法正确的是 (　　) A．硅酸不溶于水，因此不与NaOH溶液反应 B．根据SiO2＋CaCO3 CaSiO3＋CO2↑的反应，可推知硅酸酸性比碳酸酸性强 C．CO2气体通入硅酸钠溶液中可以制得硅酸 D．SiO2溶于水显酸性 C 典题精练 6．下列离子方程式书写正确的是 (　　) A.往澄清石灰水中通入过量的二氧化碳： Ca2＋＋2OH－＋CO2=CaCO3↓＋H2O B.往硅酸钠溶液中通入足量二氧化碳： C.小苏打溶液中加足量澄清石灰水： 2HCO3- +Ca2＋+2OH－=CaCO3↓+2H2O+CO32- D.硅酸与烧碱溶液中和： H2SiO3＋2OH－=SiO32-＋2H2O D SiO32- + H2O + CO2 = CO3 2- + H2SiO3↓ 科技前沿：第三代半导体材料氮化镓、碳化硅 二、新型无机非金属材料 （一）新型陶瓷 结构: 性能: 高温抗氧化性能 碳原子和硅原子通过共价键连接 硬度大 砂纸和砂轮的磨料 耐高温结构材料 耐高温半导体材料 碳化硅陶瓷 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。 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。 高温结构陶瓷 压电陶瓷 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。 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。 透明陶瓷 超导陶瓷   结构特点 应用 富勒烯 由碳原子构成的一系列笼形分子的总称 代表物　　　　开启碳纳米材料研究和应用的新时代  碳纳 米管 由　　　　片层卷成的管状物,具有纳米尺度的直径  生产　　　　、电池和传感器等  石墨烯 只有一个碳原子直径厚度的单层石墨 光电器件、超级电容器、电池和复合材料等 C60 石墨 复合材料 (二）碳纳米材料 （1）空心笼结构“包裹”一些金属离子，制成超导材料。 （2）空心笼结构“包容”一些治疗癌症放射性元素药物，减少对人体的伤害。 （3）不损坏结构基础上，吸附和放出电子，制成高效化学电池。 …… “笼状”分子应用研究 科技前沿：富勒烯 7、下列关于无机非金属材料的说法中正确的是 (　　) A.传统无机非金属材料是指:光导纤维、玻璃、水泥、陶瓷等硅酸盐材料 B.新型无机非金属材料虽然克服了传统无机非金属材料的缺点,但强度比较差 C.高温结构材料具有耐高温、耐酸碱腐蚀、硬度大、耐磨损、密度小等优点 D.传统无机非金属材料和新型无机非金属材料的主要成分都是硅酸盐 C 典题精练 第 ‹#› 页 8．硅是构成无机非金属材料的一种主要元素，下列有关硅的化合物的叙述错误的是 (　　) A、氮化硅陶瓷是一种新型无机非金属材料，其化学式为Si3N4 B、碳化硅(SiC)的硬度大，熔点高，可用于制作高温结构陶瓷和轴承 C、光导纤维是一种新型无机非金属材料，其主要成分为SiO2 D、二氧化硅为立体网状结构，其晶体中硅原子和硅氧单键的个数之比为1∶2 D 3．已知A是一种装饰品的主要成分，根据如图转化关系，回答下列问题 (1)B的化学式：________，D的化学式________。 (2)写出化学方程式：①___________________________________； ④___________________________________。 (3)写出离子方程式：②___________________________________； ③___________________________________。 (4)以A为原料，在工业上制备单质硅的化学方程式为____________。 Na2SiO3  H2SiO3  SiO2+Na2CO3 高温 Na2SiO3+CO2↑ H2SiO3 △ SiO2+H2O SiO32-＋CO2＋H2O=H2SiO3↓＋CO32- SiO2+2OH-=SiO32-＋H2O SiO2+2C 高温 Si+2CO↑ (1)蛇纹石中涉及的可溶性金属氧化物有______________(写化学式)。 (2)步骤①中涉及SiO2反应的离子方程式为_______________________。 (3)滤渣的成分有______________(填化学式)。 (4)步骤②中洗涤沉淀的方法是___________________________________ (5)步骤③反应的化学方程式为____________________；实验室进行步骤③需要用到的主要仪器有_____、泥三角、酒精灯和________________ Na2O、K2O SiO2+2OH-=SiO32-+H2O MgO和Fe2O3 向漏斗中注入蒸馏水至浸没沉淀，让水自然流下，重复操作2~3次 H2SiO3 △ SiO2+H2O 坩埚 三脚架或带铁圈的铁架台 组分 SiO2 MgO Na2O K2O Fe2O3 质量分数/% 59.20 38.80 0.25 0.50 0.8 4．高纯二氧化硅可用来制造光纤。某蛇纹石的成分见下表：通过下图流程可由蛇纹石制备较纯净的二氧化硅。 能力提升5、制备纯硅的主要步骤如下： ①高温下 用碳还原二氧化硅制得粗硅 ②粗硅与干燥HCl气体在300℃反应制得SiHCl3： Si＋3HCl = SiHCl3＋Ｈ2 ③SiHCl3与过量Ｈ2在1000～1100℃反应制得纯硅 已知SiHCl3能与Ｈ2Ｏ强烈反应，在空气中易自燃。 请回答下列问题： （1）第①步制备粗硅的化学反应方程式为 （2）粗硅与HCl反应完全后，经冷凝得到的SiHCl3（沸点33.0℃）中含有少量SiCl4（沸点57.6℃）和HCl（沸点－84. 7℃），提纯SiHCl3采用的方法为： 。 SiO2 + 2C = Si + 2CO ↑ 高温 分馏 （3）用SiHCl3与过量Ｈ2反应制备纯硅的装置如下（热源及夹持装置略去）： ①装置Ｂ中的试剂是 ， 装置Ｃ中的烧瓶需要加热，其目的是： ②反应一段时间后，装置Ｄ中观察到的现象是 装置Ｄ不能采用普通玻璃管的原因是 装置Ｄ中发生反应的化学方程式为 。 ③为保证制备纯硅实验的成功，操作的关键是检查实验装置的气密性，控制好反应温度以及 浓硫酸 使滴入烧瓶中的 SiHCI3 气化 有固体物质生成 在反应温度下，普通玻璃会软化 排尽装置中的空气 SiHCl3+H2 == Si+3HCl （高纯硅） 高温 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 ④为鉴定产品硅中是否含微量铁单质，将试样用稀盐酸溶解，取上层清液后需再加入的试剂是(填写字母代号)________。 a．碘水　b．氯水　c．NaOH溶液　 d．KSCN溶液 e．Na2SO3溶液 bd 工业上在一定条件下用NH3将NO2还原。 5.下述实验中均有红棕色气体产生，对比分析所得结论<zzd>不正确</zzd>的是( )。 ① ② ③ A.由①中的红棕色气体，推断生成的气体一定是混合气体 B.红棕色气体不能表明②中木炭与浓硝酸发生了反应 C.由③说明浓硝酸具有挥发性，生成的红棕色气体为还原产物 D.③的气体产物中检测出 <m></m> ，由此说明木炭一定与浓硝酸发生了反应 D 返回至目录 61 )装置C中盛有足量Ba(OH)2溶液,反应一段时间后可观察到C中出现白色沉淀,该白色沉淀为　　　　(写化学式)。其中的Ba(OH)2溶液　　　　(填“能”或“不能”)用Ca(OH)2溶液代替,理由是　。  水泥熟料的主要成分为CaO、SiO2,并含有一定量的铁、铝和镁等金属的氧化物。实验室测定水泥样品中钙含量的过程如图所示: 沉淀B的主要成分为　　　　、　　　 Lavf59.16.100 Packed by Bilibili XCoder v2.0.2 Lavf58.12.100 Lavf59.16.100 Packed by Bilibili XCoder v2.0.2 Lavf59.27.100 Packed by Bilibili XCoder v2.0.2 Lavf59.16.100 Packed by Bilibili XCoder v2.0.2 Lavf58.12.100 $$