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

第五章 化工生产中重要非金属元素 1.了解传统硅酸盐产品(陶瓷、玻璃、水泥)的工业生产(原料、设备等)。 2.了解硅、二氧化硅和硅酸钠的性质，认识碳化硅、氮化硅、纳米材料等新型无机非金属材料。 学习目标： 第三节 无机非金属材料 本节重点 硅酸盐材料和新型材料硅与二氧化硅 两个推动人类文明的材料 核心元素 ？ 硅 1958年集成电路诞生 ＊ 最早使用的材料是陶 ＊ 【思考】通过阅读教材P19页，总结归纳出材料分为哪些类别？传统无机非金属材料有哪些？新型无机非金属材料有哪些？ 无机非金属材料 金属材料：包含纯金属和合金 有机高分子材料 传统无机非金属材料：如玻璃、陶瓷、水泥 新型无机非金属材料：硅和二氧化硅、新型陶瓷、碳纤维等 复合材料 材料按照化学组成和特性 纤维、橡胶、树脂、塑料 由两种或两种以上的材料按照一定的方式组成的材料。 一、传统无机非金属材料 传统非金属材料多为硅酸盐材料，包括陶瓷、玻璃、水泥三大类。 硅酸盐结构 硅氧四面体结构 性质：硬度高、难溶于水、耐高温、耐腐蚀 一、传统硅酸盐材料 一、硅酸盐 硅酸盐：由Si 、O、金属(铝,铁,钙,镁,钾,钠等)等元素组成的化合物的总称 表示方法：①用盐的化学式表示，如Na2SiO3 ②用氧化物形式表示，如Na2O • SiO2 一般：X金属氧化物•Y SiO2•Z H2O 注意事项： ①元素化合价不变、原子比例不变 ②计量数以整数书写 ③多种金属同时存在，活泼的写在前面 例如：长石（KAlSi3O8）、高岭土[Al2Si2O5(OH)4] 用氧化物的形式来表示硅酸盐的组成，但硅酸盐不是由氧化物组成的，是纯净物，属于盐类 一、传统无机非金属材料---陶瓷 陶瓷 原料 历史 应用 黏土 ( 含水的铝硅酸盐 )高温烧结 青花瓷、唐三彩 生产建筑材料、绝缘材料、 日用器皿、卫生洁具等 玻璃 成分 原料 生产 应用 Na2SiO3 、CaSiO3、SiO2 纯碱、石灰石和石英砂 含铅光学玻璃，加入硼酸盐制实验室玻璃仪器，加入金属氧化物制造彩色玻璃 SiO2 Na2CO3+SiO2 Na2SiO3 + CO2↑ 高温 CaCO3+SiO2 CaSiO3 + CO2↑ 高温 一、传统无机非金属材料---水泥 黏土、石灰石 水泥 原料 应用 条件 水泥回转窑中煅烧，发生复杂反应 水泥、沙子、碎石和水混合制作混凝土 一、传统无机非金属材料小结 产品 原料 设备 主要成分 性能 用途 陶瓷 陶瓷窑 含水的铝硅酸盐 耐高温、硬度大、耐腐蚀、性质稳定 建筑材料、日用器皿、卫生洁具等 玻璃 玻璃窑 透光性好、硬度大、无固定熔点 建筑材料、各种器皿、光学仪器 水泥 水泥回转窑 硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙等 遇水逐渐变硬(水硬性)硬化后性质稳定 用于建筑和水利工程 常见的传统硅酸盐材料 新型无机非金属材料：满足科技发展的需要，应用于高端领域， 含有硅、碳、氮等元素 二、新型无机非金属材料 （一）硅和二氧化硅 第三周期、第ⅣA族 硅元素地壳中含量排第二， 应用最广泛的半导体材料， 是亲氧元素，自然界无硅单质 +14 2 8 4 1、硅 半导体材料—能产生光电效应：将光信号转化为电信号 （1）物理性质 灰黑色固体，熔、沸点高，硬度大，是一种优良的半导体材料 拓展：金刚石和晶体硅的结构相似。在晶体中，每个碳硅原子都以共价键与相邻4个碳（硅）原子结合，形成正四面体的立体网状。所以，金刚石和晶体硅的熔沸点都很高，硬度也很大。 ① 常温下化学性质不活泼，只能跟F2、HF、NaOH溶液反应。 ② 在加热条件下，单质硅能与Cl2、 O2、C等非金属单质反应。 (2)化学性质 (3)硅的制取 2、二氧化硅 （1）存在 （2）二氧化硅的结构 硅藻土 石英、水晶 玛瑙、沙子 结晶形： 无定形： 统称硅石 SiO2是二氧化硅的化学式(表示组成)而不是分子式，是化学式。 （3）物理性质 是一种坚硬难熔的固体，不溶于水，纯净的二氧化硅无色透明。 二氧化硅 ①具有酸性氧化物的通性 ③特性：SiO2 可与氢氟酸（HF）反应 (4) 化学性质 ②弱氧化性： 思考：高温熔融纯碱时，下列坩埚可选用的是？ A. 普通玻璃坩埚 B. 石英玻璃坩埚 C. 氧化铝坩埚 D. 铁坩埚 在玻璃表面涂上一层石蜡 在石蜡上雕刻出花纹， 向挖空部分加少量氢氟酸 洗掉酸并去掉石蜡 自然界中的SiO2 水晶 石英砂 玛瑙 石英 硅芯片 硅太阳能电池板 光导纤维(SiO2) ①高纯硅用于制造芯片和硅太阳能电池。 （5）硅和二氧化硅的用途 除此之外，高纯硅还用于传感器、探测器领域。 ②二氧化硅用于生产光导纤维。 思考：二氧化硅具有导电性，可用于生产光导纤维? 石英钟表 坩埚 水晶饰品 玛瑙饰品 玻璃 ③二氧化硅用于饰品、化学仪器等。 a.难溶于水的弱酸，其酸性不能使石蕊溶液变红 a. 受热易分解： b.与碱反应： ①弱酸 ②不稳定性 蓝色硅胶干燥剂 硅胶：可作干燥剂和催化剂的载体。 b. 硅酸凝胶经干燥脱水就形成干胶，称为“硅胶”。 硅酸 1. 性质 制备硅胶、木材防火剂、 肥皂填充剂、黏胶剂 相对稳定、不能燃烧、不易被腐蚀，水溶液有黏性 Na2SiO3水溶液俗称：水玻璃。硅酸钠商品名为泡花碱。 2. 用途 硅酸钠 思考：如何验证碳酸与硅酸的酸性强弱？ 讨论：将过量的CO2分别通入： ① CaCl2溶液； ② Na2SiO3溶液； ③ Ca(OH)2溶液；④ 饱和Na2CO3溶液。 最终溶液中有白色沉淀析出的是 ( ) A．①②③④ B．②④ C．①②③ D．②③ 类别 成分 性能 应用 金刚砂 碳化硅(SiC) 硬度大、耐高温、抗氧化 耐高温结构材料 耐高温半导体材料 高温 结构陶瓷 SiC、Si3N4 某些金属氧化物 耐高温、抗氧化、耐腐蚀 火箭发动机、高温电极材料 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 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 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 （二） 新型陶瓷 二、新型无机非金属材料 纳米汽车 富勒烯 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 （三）碳纳米材料 富勒烯是由碳原子构成的一系列笼形分子的总称，如C60可制碳纳米材料 二、新型无机非金属材料 碳纳米管可以看成是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。 二、新型无机非金属材料 石墨烯电池 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。 “冬奥会” 演员服饰用上石墨烯 智能发热防寒保暖 讨论1：判断正误 (1)晶体硅熔点高、硬度大，故可用作半导体材料(　) (2)石英砂可用于生产单晶硅(　) (3)二氧化硅是酸性氧化物，所以能溶于水且可与水反应(　) (4)氮化硅陶瓷是新型无机非金属材料(　) (5)向硅酸钠溶液中通入适量CO2，出现白色沉淀，证明碳的非金属性强于硅 (　) 讨论2：下列说法不正确的是( ) A．传统的无机非金属材料多为硅酸盐材料，如陶瓷、玻璃、水泥 B．二氧化硅用于光伏电站、人造卫星和电动汽车等的太阳能电池 C．碳化硅硬度很大，可用作砂纸和砂轮的磨料 D．碳纳米材料包括富勒烯、碳纳米管、石墨烯等 $$