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

1 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 2025 1 01 02 目录 硅酸盐材料 新型无机非金属材料 2 01 硅酸盐材料 3 硅酸盐材料 一 1. 材料分类 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 复合材料 无机非金属材料由什么物质组成？有什么性质？ 4 从组成上看，许多无机非金属材料（如水泥、玻璃、陶瓷）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。传统的无机非金属材料多为硅酸盐材料。 硅酸盐材料 一 2. 硅酸盐 存在： 定义： 结构： 性质： 硅酸盐一般结构复杂，存在于地壳、岩石中 由金属、硅、氧等元素形成的盐 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。 硅酸盐材料 一 多数熔点高，难溶于水(除Na、K盐外)， 化学性质稳定 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 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，活泼金属写在前面 硅酸盐材料 一 正长石（KAlSi3O8）、高岭土[Al2Si2O5(OH)4]如何用氧化物形式表示？ Al2O3·2SiO2·2H2O K2O·Al2O3·6SiO2 硅酸盐材料 一 3. 硅酸钠(Na2SiO3) 物理性质： 化学性质： 白色固体，可溶于水，水溶液俗称__________，是一种_________，有很强的黏合性。 与酸反应： （制硅酸） Na2SiO3+2HCl 2NaCl+H2SiO3↓ Na2SiO3+H2O+CO2(少) Na2CO3+H2SiO3↓ 高中化学唯一难溶性无机酸 ①制硅酸②黏合剂(矿物胶)③耐火阻燃材料④防腐剂 用途： 水玻璃 矿物胶 硅酸盐材料 一 9 4. 硅酸H2SiO3 硅酸盐材料 一 实验步骤：在试管中加入2ml饱和Na2SiO3溶液，滴入1～2滴酚酞溶液，用胶头滴管逐滴加入稀盐酸，边加边振荡，至溶液颜色变浅并接近消失时停止。 实验现象：滴入酚酞溶液呈红色，滴加稀盐酸红色接近消失时，有透明胶状物质生成 Na2SiO3溶液显碱性，生成的硅酸不溶于水 实验结论： 酸性强弱：盐酸 > 硅酸 硅酸的酸性比盐酸弱，那么，硅酸酸性与碳酸相比较如何呢？请你设计一个实验论证你的推断。 4. 硅酸H2SiO3 (1)弱酸性：酸性比碳酸______，________使指示剂变色 H2SiO3 H2O+SiO2 弱 不能 硅酸盐材料 一 物理性质：白色粉末状固体，不溶于水。 化学性质： (2)不稳定性：硅酸受热易分解 H2SiO3 + 2NaOH Na2SiO3 + 2H2O 透明小球是硅酸逐渐聚合而形成的胶体-硅酸溶胶，硅酸浓度较大时，则形成软而透明的、胶冻状的硅酸凝胶。硅酸凝胶经干燥脱水就形成硅酸干胶，称为“硅胶”。硅胶多孔，吸附水分能力强，常用做实验室和袋装食品、瓶装药品等的干燥剂，也可以用作催化剂的载体。 5. 传统无机非金属材料 （1）陶瓷 原料： 主要成分： 应用： 黏土(主要成分为含水的铝硅酸盐) 成分复杂 生产建筑材料、 绝缘材料、 日用器皿、 卫生洁具等 反应条件： 高温烧结 ——陶瓷、玻璃、水泥 硅酸盐材料 一 【例1】歌曲《青花瓷》中所描绘的“瓶身描绘的牡丹一如你初妆”“色白花青的锦鲤跃然於碗底”等图案让人赏心悦目，但古瓷中所用颜料成分一直是个谜，近年来科学家才得知大多为硅酸盐，如蓝紫色的硅酸铜钡(BaCuSi2Ox，铜为＋2价)，下列关于硅酸铜钡的说法不正确的是(　　 ) A．可用氧化物形式表示为BaO·CuO·2SiO2 B．性质稳定，不易脱色 C．易溶解于强酸和强碱 D．x等于6 C 学以致用 13 【例2】(2019河南)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．“雨过天晴云破处”所描述的瓷器青色来自氧化铁 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．陶瓷化学性质稳定，具有耐酸碱腐蚀、抗氧化等优点 真题再现 A 5. 传统无机非金属材料 （2）玻璃 纯碱、石灰石和石英 玻璃窑 ——陶瓷、玻璃、水泥 硅酸盐材料 一 硅酸钠(Na2SiO3)、硅酸钙(CaSiO3)、二氧化硅(SiO2) 原料： 应用： 设备： 主要成分： 建筑材料、光学仪器、各种器皿、玻璃纤维等 SiO2+CaCO3=== CaSiO3+CO2 SiO2+Na2CO3=== Na2SiO3+CO2 高温 高温 主要反应 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。 硅酸盐材料 一 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 硅酸盐材料 一 (3）水泥 原料： 工业设备： 黏土和石灰石 水泥回转窑 应用： 水泥、沙子和碎石等与水混合得到混凝土，大量用于建筑和水利工程 石膏的作用： 条件： 煅烧 调节水泥硬化速率 5. 传统无机非金属材料 硅酸盐材料 一 02 新型无机非金属材料 19 世界著名高科技产业区--硅谷 硅谷，是高科技事业云集的圣塔克拉拉谷的别称。硅谷最早是研究和生产以硅为基础的半导体芯片的地方，因此得名。 新型无机非金属材料 二 20 1. 硅 地壳中大多数矿物 (1) 存在形式 硅酸盐： 氧化物： 水晶、玛瑙 等 ——有亲氧性，以化合态存在 新型无机非金属材料 二 硅元素在元素周期表中的位置 硅元素位于元素周期表中：第三周期 ⅣA族，处于金属与非金属的过渡位置 新型无机非金属材料 二 （2）物理性质 晶体硅是__________________________的固体，其结构类似于金刚石，熔沸点_____、硬度__，导电能力介于导体和绝缘体之间，是良好的__________。 新型无机非金属材料 二 灰黑色、有金属光泽、硬而脆 很高 大 半导体材料 23 （3）化学性质 Si＋2NaOH＋H2O＝Na2SiO3＋2H2↑ Si＋4HF＝SiF4 ↑ ＋2H2↑ 常温下，硅的化学性质不活泼，除氢氟酸、氟气、强碱外不跟其他物质反应。 Si+O2 ＝SiO2 △ Si＋2Cl2＝SiCl4 △ 新型无机非金属材料 二 Si+2F2＝SiF4 与氟气反应 与氢氟酸反应 与强碱溶液反应 但在加热情况下，硅也能跟一些非金属反应 与氧气反应 与氯气反应 （4）硅的制备 SiO2＋2C========Si(粗)＋2CO↑ ① 1800~2000℃ SiHCl3 ＋H2=====Si(纯)＋3HCl ③ 1100℃ Si(粗)＋3HCl====SiHCl3 + H2 ② 300℃ 三氯硅烷 新型无机非金属材料 二 （5）硅的用途 光伏电站 硅太阳能电池 计算机芯片 硅晶体的导电性介于导体和绝缘体之间，是重要的半导体材料，应用于电子工业，如计算机、通讯设备和家用电器等的芯片，光伏电站、硅太阳能电池等。 新型无机非金属材料 二 2. 二氧化硅 （1）在自然界中的存在 天然二氧化硅分为________和___________两种，统称硅石。 结晶形 无定形 二氧化硅 结晶形: 石英 无定形：硅藻土 水晶：无色透明 玛瑙：具有彩色环带状或层状 新型无机非金属材料 二 熔沸点高、硬度大、不溶于水、不导电 （2）物理性质 SiO2是二氧化硅的化学式(表示组成)而不是分子式，没有SiO2分子 Si原子和O原子比例 = 1:2 结构不同 新型无机非金属材料 二 立体网状结构决定了SiO2具有优良的物理和化学性质 为什么二氧化硅和二氧化碳物理性质有这么大的差别？ 实验室中盛放碱液的试剂瓶与盛放其它溶液的试剂瓶有何不同？ 新型无机非金属材料 二 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。 ②加热熔融NaOH不能使用陶瓷坩埚，石英坩埚和铝坩埚，只能使用铁坩埚，为什么？ 陶瓷和石英中的SiO2能与NaOH反应，铝坩埚也能与NaOH反应，而铁不与NaOH反应。 （3）化学性质 ①酸性氧化物 与强碱溶液反应： 新型无机非金属材料 二 ——物质分类角度 俗称泡花碱，其水溶液俗称“水玻璃”，可作粘合剂、防火剂 ①实验室盛放碱溶液的试剂瓶使用橡胶塞，而不用玻璃塞？ ②弱氧化性 与碳酸盐反应 SiO2 + Na2O ==== Na2SiO3 高温 与碱性氧化物反应： SiO2 + Na2CO3 === Na2SiO3 +CO2 ↑ 高温 SiO2 + CaCO3 ==== CaSiO3 +CO2 ↑ 高温 工业生产玻璃 SiO2 + 2C === Si + 2CO↑ 高温 用途：制粗硅 新型无机非金属材料 二 （3）化学性质 ①酸性氧化物 ——物质分类角度 （3）化学性质 ——化合价角度 能否通过上述反应证明C、Si的还原性强弱？ 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。 SiO2＋4HF=SiF4↑＋2H2O 不是，因为二氧化硅和其他酸不反应，只能与氢氟酸反应，且生成物不是盐和水，所以不属于两性氧化物。 保存在塑料瓶中 ③特性 HF是唯一能与SiO2反应的酸 新型无机非金属材料 二 （3）化学性质 氢氟酸“刻”出的玻璃工艺品 SiO2既能与NaOH溶液反应，又能与氢氟酸反应， SiO2是两性氧化物吗？ HF酸该如何保存？ （4）SiO2的用途 新型无机非金属材料 二 用于生产光导纤维 水晶、玛瑙等饰品 制作耐高温的仪器 1970年 第一根满足信号传输的光导纤维问世 SiO2制成的光导纤维 “光纤通信之父” 诺贝尔物理学奖得主——高锟 光导纤维，简称光纤，是一种由玻璃或塑料制成的纤维，可作为光传导工具。传输原理是“光的全反射”。。一对金属电话线至多只能同时传送一千多路电话，而根据理论计算，一对细如蛛丝的光导纤维可以同时通一百亿路电话！铺设1000公里的同轴电缆大约需要500吨铜，改用光纤通信只需几公斤石英就可以了。沙石中就含有石英，几乎是取之不尽的。 职业病——硅肺病(旧称矽肺) 在隧道开凿，石英粉加工等工作环境下易形成含有二氧化硅的粉尘，人长期吸入含有二氧化硅的粉尘，就会患硅肺病(旧称矽肺) 新型无机非金属材料 二 高纯度的含 硅元素的材料 含有碳、氮 等其他元素的材料 如单晶硅、二氧化硅等，具有特殊的光学和电学性能，是现代信息技术的基础材料 航天、能源和医疗等领域有着广泛的应用 新型无机非金属材料 二 新型无机 非金属材料 3. 新型陶瓷 新型无机非金属材料 二 新型陶瓷在组成上不再限于传统的硅酸盐体系，在___________________等方面具有很多新的特性和功能。 光学、热学、电学、磁学 （1）高温结构陶瓷 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。 碳化硅（SiC）俗称金刚砂，其中 的碳原子和硅原子通过共价键连接，具有类似金刚石的结构，硬度很大，可用作砂纸和砂轮的磨料。碳化硅还具有优异的高温抗氧化性能， 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。 4MHz压电陶瓷聚焦超声波片 高频压电陶瓷谐振器 3. 新型陶瓷 新型无机非金属材料 二 （2）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。 3. 新型陶瓷 新型无机非金属材料 二 （3）透明陶瓷 某一临界温度下电阻为零，具有超导性，可用于电力、交通、医疗等领域。 3. 新型陶瓷 新型无机非金属材料 二 （4）超导陶瓷 4. 碳纳米材料 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。 新型无机非金属材料 二 （1）富勒烯 由 构成的一系列笼形分子的总称，如C50、C60、C70、C120等，其代表物是C60，具有特殊的光学性质、电导性及化学性质，医疗，工业，科研等方面都得到了广泛的应用。 碳原子 4. 碳纳米材料 新型无机非金属材料 二 （2）碳纳米管 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，具有高强度和电学性能，用于生产复合材料，电池、传感器 直达宇宙的太空天梯 4. 碳纳米材料 新型无机非金属材料 二 （3）石墨烯 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。 新材料之王 材料——人类赖以生存和发展的物质基础 无机非金属材料 传统（硅酸盐体系） 新型 陶瓷、玻璃、水泥 高纯度的含 硅元素的材料 含有碳、氮 等其他元素的材料 硅 （半导体材料） SiO2 (光纤) 新型陶瓷 高温结构 （SiC、Si3N4等） 碳纳米材料 (富勒烯、碳纳米管、石墨烯等) 归纳总结 Lavf58.29.100 Bilibili VXCode Swarm Transcoder v0.7.36 $$