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必修第二册

人教版·必修·第二册 第五章 化工生产中的重要非金属元素 　第三节　无机非金属材料 【学习目标与核心素养】 学习目标 1. 了解并掌握硅、二氧化硅的性质，了解二者在生产、生活中的应用。 2. 根据无机非金属材料在生产、生活中的应用来研究材料的性能及应用，认识到材料对生产、生活的影响。 核心素养 1. 通过对硅及化合物的学习培养学生论据推理与模型认知的化学核心素养。 2. 通过对无机非金属材料的了解，深刻认识化学对社会可持续发展的重要的作用，培养学生科学态度和社会责任的化学核心素养。 无机 非金属材料 含有元素 性能 应用 硅、氧等元素 耐高温、抗腐蚀、硬度高、特殊的光学、电学等性能。 日常生活；航空、航天领域；信息领域；新能源领域。 【交流讨论】无机非金属材料的组成元素、特点？ 一、硅酸盐材料 1. 无机非金属材料 陶瓷 玻璃 水泥 2. 传统无机非金属材料 ——硅酸盐材料 【交流讨论】为什么陶瓷、玻璃和水泥都具有硬度高、难溶于水、耐高温、耐腐蚀等特点？ 结构决定性质 硅酸盐的结构 在硅酸盐中，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。 【资料卡片】 3. 常见的硅酸盐材料 —— 陶瓷、玻璃、水泥 陶瓷 原料： 历史： 应用： 黏土(主要成分为含水的铝硅酸盐 ——Al2O3·2SiO2·2H2O ) 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 China 反应条件： 高温烧结 瓷都 生产设备：陶瓷窑 反应原理：复杂的物理、化学变化 玻璃 原料: 工业设备: 应用: 纯碱、石灰石和石英砂 玻璃窑 主要成分: 生产建筑材料、 光学仪器、 各种器皿， 制造玻璃纤维用于高强度复合材料等 Na2SiO3 、CaSiO3、SiO2 反应原理：复杂的物理、化学变化 高温 SiO2 + Na2CO3 === Na2SiO3 + CO2↑ SiO2 + CaCO3 === CaSiO3 + CO2↑ 高温 主要特性：非晶体，无固定的熔点 【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。 水泥 原料: 工业设备: 黏土和石灰石 水泥回转窑 混凝土： 水泥、沙子和碎石等与水混合 石膏的作用: 条件: 高温煅烧 调节水泥硬化速率 主要特性：水泥具有水硬性 主要成分：硅酸三钙(3CaO•SiO2)、硅酸二钙(2CaO•SiO2)、 铝酸三钙(3CaO•Al2O3)等 反应原理：复杂的物理、化学变化 长江三峡大坝 +适量石膏 二、 新型无机非金属材料 【交流讨论】1．传统的硅酸盐材料有什么优、缺点？ 优点：抗腐蚀、耐高温； 缺点：质脆、经不起热冲击。 2．新型无机非金属材料有哪些特性？ ① 承受高温，强度高。② 具有光学特性。 ③ 具有电学特性。 ④ 具有生物功能。 1. 硅 计算机芯片 第 ____ 周期 第 ____ 族 IVA 三 单质的导电性： 介于导体与绝缘体之间 ——应用最广泛的半导体材料 处于金属与非金属的过渡位置 (1) 在周期表中的位置 (2) 硅元素的存在形式 硅元素含量在地壳中居第二位。硅是亲氧元素，在自然界中没有游离态，主要以硅酸盐(如大多数矿物)和氧化物(如水晶、玛瑙)的形式存在。 硅酸盐矿物 水晶(SiO2) 玛瑙(SiO2) (3)硅的性质 带有金属光泽的灰黑色固体，熔点高，硬度大，不溶于水。 ①常温很稳定，只与氟气、氢氟酸、强碱反应 Si + 2F2 === SiF4 Si + 4HF === SiF4↑ + 2H2↑ Si + 2NaOH + H2O === Na2SiO3 + 2H2↑ ②加热条件下，能与O2、Cl2等非金属单质反应 Si + 4Cl2 === SiCl4 △ Si + O2 === SiO2 △ Si+2H2 === SiH4 △ 不稳定，能自燃 SiH4+2O2 == SiO2+2H2O 【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)单质Si的制备 粗硅 （高纯硅 99.9999999％） SiHCl3+H2 ===== Si+3HCI 1100℃ 制粗硅： 提纯硅： 1800~2000℃ SiO2+2C ======== Si+2CO↑ 300℃ Si+3HCl ===== SiHCl3+H2 (5)用途 集成电路、晶体管、硅整流器等半导体材料，还可以制成太阳能电池、硅的合金可用来制造变压器铁芯等。 SiO2是自然界中沙子、石英的主要成分。天然二氧化硅叫硅石；结晶的二氧化硅叫石英。 2. 二氧化硅 (1)存在 透明晶体状 彩色环带或层状 结晶形（石英晶体） 无定形——硅藻土 水晶 玛瑙 硅石 光导纤维主要特性： ①抗干扰性能好，不发生辐射； ②通讯质量好； ③质量轻、耐腐蚀。 光导纤维 石英坩埚 玛瑙水晶 建筑材料 玻璃 (2)用途 二氧化硅中没有单个分子，用SiO2来表示二氧化硅的组成, 表示Si与O的原子个数比为1:2，所以不是分子式而是化学式。 SiO2的四面体结构 立体网状结构决定了SiO2具有优良的物理和化学性质 资料卡片 SiO2 (3)二氧化硅的性质 状态 颜色 熔点 硬度 水溶性 晶体         无色 高 大 不溶 ① 酸性氧化物 + 碱性氧化物： + 碱： + 盐： 化学性质 SiO2+2NaOH === Na2SiO3+H2O SiO 2+ Na2CO3 === Na2SiO3+CO2↑ 高温 SiO2+ CaO === CaSiO3 高温 物理性质 与氢氟酸HF反应 ——常用于雕刻玻璃 SiO2 +4HF === SiF4↑ + 2H2O ② 特性： 2C+SiO2 === Si+2CO↑ 高温 ③ 弱氧化性 3. 新型陶瓷 在光、热、电、磁学等方面有新的特性和功能 金刚砂 成分： SiC 硬度大、耐高温、抗氧化 性能： 主要应用： 砂轮和砂纸的磨料，耐高温结构材料、 耐高温半导体材料 高温结构陶瓷 成分： 氮化硅（Si3N4）、碳化硅（SiC）、金属氧化物 耐磨蚀、耐高温、抗氧化 性能： 主要应用： 火箭发动机，汽车发动机和高温电极材料 压电陶瓷 成分： 可实现机械能和电能的相互转化 性能： 主要应用： 滤波器、扬声器、超声波探伤器和点火器等 钛酸盐、锆酸盐 透明陶瓷 成分： 具有优异的光学性能，耐高温、绝缘性好 性能： 主要应用： 用于高压钠灯，激光器和高温探测窗等 氧化铝、氧化钇、氮化铝、氟化钙等 高温超导陶瓷 特点为某一临界温度下电阻为0，具有超导性 性能： 主要应用： 可用于电力、交通、医疗等 4. 碳纳米材料 ——富勒烯（C60）、碳纳米管、石墨烯等 富勒烯（C60）、碳纳米管、石墨烯 富 勒 烯——笼形分子，以C60为代表。 碳纳米管——石墨片层管状物，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。 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。 碳“纳米汽车” 1.下列叙述错误的是（ ） A.硅在自然界中主要以单质形式存在 B.硅是应用最广泛的半导体材料 C.高纯度的硅可用于制造计算机芯片 D.二氧化硅可用于生产玻璃 2.有下列物品或设备：①陶瓷餐具②砖瓦③混凝土桥墩④门窗玻璃⑤水晶镜片⑥石英钟⑦水晶项链⑧硅太阳能电池⑨光导纤维⑩计算机芯片 (1)用到硅单质的是______．（用序号填写，下同） (2)所用材料主要为SiO2的是_________． (3)所用材料主要成分为硅酸盐的是____________． A ⑧⑩ ⑤⑥⑦⑨ ①②③④ 当堂检测 3.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。想一想为什么可以用氢氟酸溶蚀玻璃生产磨砂玻璃。 答案：SiO2+4HF === SiF4↑+2H2O。玻璃中含有二氧化硅，所以可以用来制造磨砂玻璃 4.SiO2是一种酸性氧化物，能与强碱溶液反应。例如，SiO2与NaOH反应可生长Na2SiO3。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。实验室盛放碱溶液的试剂瓶应使用橡胶塞，而不用玻璃塞。请解释原因，并写出相关反应的化学方程式。 答案：用玻璃塞会导致瓶塞瓶口黏结在一起SiO2+2NaOH === Na2SiO3+H2O 无机非金属材料 传统无机非金属材料 新型无机非金属材料 陶瓷 玻璃 水泥 硅和二氧化硅 新型陶瓷 碳纳米材料 课堂小结 THANKS FOR LISTENING ！ $$