5.3.1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

该高中化学课件聚焦无机非金属材料，系统涵盖传统材料（硅酸盐、陶瓷、玻璃、水泥）和新型材料（硅、二氧化硅、新型陶瓷、碳纳米材料）的组成、性质、制备及应用。以硅谷案例导入，从硅元素切入传统材料，再延伸至新型材料，构建从生活到化学、从传统到现代的学习支架。 其亮点在于融合科学思维与科学探究，通过硅氧四面体结构分析传统材料性质，设计实验比较酸性（盐酸>碳酸>硅酸），结合对比表格（CO₂与SiO₂性质）深化理解。体现科学态度与责任，链接材料应用与社会发展，帮助学生构建知识网络，教师可借助实例提升教学效率。

人民教育出版社高中化学必修第二册 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 （第1课时——传统无机非金属材料） 新课导入 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。 2 新课导入 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、电学等性质。 从组成上看： 无机非金属材料及其分类 阅读教材P19-P21，总结无机非金属材料及其分类 陶瓷、玻璃、水泥 传统无机非金属材料： 硅和二氧化硅、新型陶瓷、碳纤维 新型无机非金属材料： 3 硅酸盐 是由硅、氧和金属组成的化合物的总称 一般结构复杂，存在于地壳、岩石中 概念： 硅酸盐的存在： （一）传统无机非金属材料 1. 硅酸盐 硅酸盐的表示方法： 大多数难溶于水，化学性质稳定 硅酸盐的性质： ①用盐的化学式表示，如NaSiO3 ②用氧化物的形式表示，如Na2O·SiO2 4 ①将硅酸盐中所有元素都写成氧化物 氧化物的书写顺序一般为：x 金属氧化物·y SiO2· z H2O ②元素化合价不变，原子比例不变 ③计量数以整数书写 1. 硅酸盐 【方法小结】用氧化物的形式表示硅酸盐的组成时： （一）传统无机非金属材料 ④多种金属同时存在时，活泼的写在前面 硅酸盐 5 1. 硅酸盐 用氧化物的形式表示硅酸盐的组成： （一）传统无机非金属材料 Na2SiO3 Al2Si2O5(OH)4 高岭石 Al2O3·2SiO2 ·2H2O Na2O SiO2 · KAlSi3O8 钾长石 · Al2O3 K2O 6SiO2 · 2( ) 分数化整 硅酸盐 6 1. 硅酸盐 【思考1】 （一）传统无机非金属材料 为什么陶瓷、玻璃、水泥都具有硬度高、难溶于水、耐高温、耐腐蚀等特点？ 在硅酸盐中，Si和O构成了硅氧四面体，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、难溶于水、耐高温、耐腐蚀等特点。 硅酸盐 7 1. 硅酸盐 硅酸盐的结构（教材P19） （一）传统无机非金属材料 在1 mol硅氧四面体中： 有 mol Si 原子 有 mol O原子 有 mol Si-O键 1 2 4 硅酸盐 8 1. 硅酸盐 硅酸钠与硅酸 （一）传统无机非金属材料 ①硅酸钠的物理性质与用途： 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。 硅酸盐 9 1. 硅酸盐 硅酸钠与硅酸 （一）传统无机非金属材料 ②硅酸的物理性质与用途： 难溶性弱酸，酸性比碳酸弱，不能使紫色石蕊液变红，硅酸干凝胶可做干燥剂 硅酸盐 10 1. 硅酸盐 硅酸钠与硅酸 ③化学性质： （一）传统无机非金属材料 a.制硅酸胶体：硅酸钠溶液与盐酸反应生成硅酸，其离子方程式是 b.少量的二氧化碳通入硅酸钠溶液中生成沉淀的离子方程式是 c.过量的二氧化碳通入硅酸钠溶液中生成沉淀的离子方程式是 SiO32— + 2H+ H2SiO3(胶体) SiO32— + CO2+ H2O H2SiO3↓ + CO32— SiO32— + 2CO2+ 2H2O H2SiO3↓ + 2HCO3— 硅酸盐 11 1. 硅酸盐 硅酸钠与硅酸 ③化学性质： （一）传统无机非金属材料 d. 选择合适的试剂，如何设计装置（标明试剂），证明酸性：盐酸>碳酸>硅酸？ 硅酸盐 12 陶瓷 2. 传统无机非金属材料 （一）传统无机非金属材料 陶瓷 13 2. 传统无机非金属材料 （一）传统无机非金属材料 陶瓷 原料： 主要成分： 应用： 特点：硬度大、抗酸碱腐蚀、耐高温、绝缘 黏土 含水的铝硅酸盐 用于生产建筑材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具等 陶瓷 14 玻璃 2. 传统无机非金属材料 （一）传统无机非金属材料 玻璃 15 2. 传统无机非金属材料 （一）传统无机非金属材料 用于生产建筑材料、光学仪器和各种器皿，还可制造玻璃纤维用于高强度复合材料等 玻璃 原料： 主要成分： 应用： 性能：玻璃是非晶体无固定熔点，透光性好，硬度大 纯碱、石灰石和石英砂(主要成为为SiO2) 硅酸钠(Na2SiO3)、硅酸钙(CaSiO3)、二氧化硅(SiO2) 玻璃 16 水泥 2. 传统无机非金属材料 （一）传统无机非金属材料 水泥 17 2. 传统无机非金属材料 （一）传统无机非金属材料 水泥 性能：具有水硬性（遇水逐渐变硬），硬化后性质稳定 原料： 主要成分（了解）： 应用： 主要原料：石灰石和黏土，辅料：适量的石膏 硅酸三钙(3CaO·SiO2)、硅酸二钙(2CaO·SiO2)、铝酸三钙(3CaO·Al2O3) 水泥、沙子和碎石等与水混合可以得到混凝土，用于建筑和工程 水泥 18 普通玻璃以纯碱、石灰石和石英砂为原料，经混合、粉碎，在玻璃窑中熔融，发生复杂的物理和化学变化而制得。写出其中发生反应的化学方程式。 传统无机非金属材料 2. 传统无机非金属材料 【思考2】 （一）传统无机非金属材料 CaCO3 + SiO2 CaSiO3 + CO2↑ 高温 Na2CO3 + SiO2 Na2SiO3 + CO2↑ 高温 19 1.下列两个反应的反应原理是否存在矛盾?为什么? 2. 传统无机非金属材料 【课堂练习】 （一）传统无机非金属材料 Na2SiO3 + CO2+ H2O H2SiO3↓ + Na2CO3 Na2CO3 + SiO2 Na2SiO3 + CO2↑ 高温 不矛盾 “强酸制弱酸” 由于反应产生的CO2不断逸出体系， 使得反应向正反应方向进行 传统无机非金属材料 20 2. 九秋风露越窑开，夺得千峰翠色来”是赞誉越窑秘色瓷的诗句，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、耐高温 D.沙子和黏土的主要成分均为硅酸盐 2. 传统无机非金属材料 【课堂练习】 （一）传统无机非金属材料 C 传统无机非金属材料 21 3. 将过量的CO2分别通入：①CaCl2溶液，②Na2SiO3溶液，③Ca(OH)2溶液，④饱和Na2CO3溶液。最终溶液中有白色沉淀或胶体生成的是(　　) A．①②③④ B．②④ C．①②③ D．②③ 2. 传统无机非金属材料 【课堂练习】 （一）传统无机非金属材料 B 传统无机非金属材料 22 人民教育出版社高中化学必修第二册 成都石室中学 黄思诚 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 （第2课时——新型无机非金属材料） 新课导入 地壳中的元素分布 Si-26.30% 2 自然界中的存在 24 单质硅 1. 单质硅 （二）新型无机非金属材料 思考：碳和硅的原子结构有何异同？从二者在元素周期表中的位置能获得什么信息？ 原子的最外层电子数相同，电子层数不同。不在同一周期，位于同一族。从二者在周期表中的位置可知碳的非金属性强于硅。 25 单质硅 （二）新型无机非金属材料 硅原子得失电子情况 硅原子的最外电子层有4个电子，既不容易得到4个电子，也不容易失去4个电子 硅原子结构示意图 硅的化学性质稳定，主要形成四价化合物 26 单质硅 1. 单质硅 （二）新型无机非金属材料 存在 硅是亲氧元素，自然界中分布广泛，没有游离态，只有化合态(氧化物和硅酸盐)存在，其是构成矿物和岩石的基本元素。 钠沸石 硅孔雀石 蓝晶石 羟硅铜矿 水晶 27 单质硅 1. 单质硅 （二）新型无机非金属材料 硅元素位于元素周期表中：第三周期 第 ⅣA族 处于金属与非金属的过渡位置，其单质的导电性介于导体与绝缘体之间，是应用最广泛的半导体材料。 28 单质硅 （二）新型无机非金属材料 硅单质的物理性质 灰黑色，有金属光泽，硬而脆的固体 熔、沸点高、硬度大 (导电性介于导体和绝缘体之间) 晶体硅是良好的半导体 单晶硅粒 高纯硅片 单晶硅块 单晶硅粉 29 单质硅 （二）新型无机非金属材料 ①常温下，硅的化学性质不活泼，除氢氟酸、强碱外不跟其他物质如：氧气、氯气、硫酸等起反应。 Si+4HF SiF4↑+2H2↑ Si+2NaOH+H2O Na2SiO3+2H2↑ 硅单质的化学性质 与氢氟酸反应 与强碱溶液反应 30 单质硅 （二）新型无机非金属材料 ②但在加热情况下，硅也能跟一些非金属（如O2、Cl2）反应 Si+2Cl2 SiCl4 Si + O2 SiO2 硅单质的化学性质 与氯气反应 与氧气反应 （3）用途 ①半导体材料，如硅芯片等。②新型能源，如光电池等。 31 单质硅 （二）新型无机非金属材料 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。 ① ② ③ 1100 ℃ 300 ℃ 石英砂 焦炭 粗硅 高纯硅 HCl H2 SiHCl3 1800~2000℃ 1800~2000℃ SiO2＋2C Si＋2CO↑ Si＋3HCl SiHCl3＋H2 300℃ SiHCl3＋H2 Si＋3HCl 1 100℃ 高纯硅的制备 （4）工业制备高纯硅的原理 32 单质硅 已知SiHCl3能与H2O剧烈反应，在空气中易自燃。请回答下列问题： 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_______________________________________。 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SiHCl3汽化至石英管中参与反应 有灰黑色固体生成 反应需要高温条件，普通玻璃管会软化 通入足够时间的H2，防止生成的硅再次被氧化 33 二氧化硅 （二）新型无机非金属材料 2. 二氧化硅 SiO2是硅的重要化合物，地球上存在的天然二氧化硅约占地壳质量的12％，其存在形态有结晶形（水晶、石英）和无定形（玻璃、玛瑙）两大类。 在自然界中的存在 结晶形 玛瑙 水晶 无定形 34 （二）新型无机非金属材料 2. 二氧化硅 结构 Si O 立体网状结构 二氧化硅中氧原子与硅原子个数比为2：1，用SiO2来表示二氧化硅的组成， SiO2 只是化学式，晶体中不存在“SiO2分子” 每1个Si原子周围结合4个O原子，Si在中心，O在四个顶角。同时每1个O原子周围结合2个Si原子相结合 [SiO4] 四面体结构 二氧化硅 35 （二）新型无机非金属材料 2. 二氧化硅 物理性质： 硬度大，熔点高，难溶于水 结构 Si O 立体网状结构 立体网状结构决定了SiO2具有优良的物理和化学性质 石英坩埚 二氧化硅 36 （二）新型无机非金属材料 2. 二氧化硅 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？ 二氧化硅 37 （二）新型无机非金属材料 2. 二氧化硅 查阅资料可知：普通玻璃的组成中含有较多的二氧化硅 从物质组成和性质角度来分类， SiO2属于哪类物质？可能具有哪些化学性质？ 二氧化硅 38 CO2 SiO2 物质类别 （酸性）氧化物 与水 CO2+H2O=H2CO3 与碱性氧化物（CaO） 能反应 SiO2 + CaO == 与强碱（NaOH） CO2+2NaOH== Na2CO3+H2O SiO2 + NaOH == Na2SiO3 ：它的水溶液俗称： 。实验室盛装NaOH 溶液的试剂瓶用 塞而不用玻璃塞，原因是 与碳酸钠反应 制玻璃 Na2CO3 +SiO2 === CaCO3 +SiO2 === 难溶于水，与水不反应 CO2+Na2CO3+H2O =2NaHCO3 CaSiO3 2 Na2SiO3+H2O 水玻璃 生成的硅酸钠具有黏合性，会导致瓶口与瓶塞黏在一起。 Na2SiO3+CO2↑ CaSiO3+CO2↑ 二氧化硅 橡胶 39 （二）新型无机非金属材料 2. 二氧化硅——氧化性 二氧化硅 与C反应 SiO2+2C Si+2CO↑ 高温 工业制粗硅 思考4：该反应能否说明C与Si的非金属性强弱？ 不能，因为非金属性比较的是得电子能力，表现为单质的氧化性，而该反应中C是还原剂，Si是还原产物，该反应主要体现碳的还原性。 40 （二）新型无机非金属材料 2. 二氧化硅——特殊性（与HF的反应） 二氧化硅 特性：只能与氢氟酸(HF)反应 SiO2+4HF SiF4↑+2H2O HF能腐蚀玻璃，因此，盛装氢氟酸不能用玻璃试剂瓶而要用塑料瓶 氢氟酸“刻”出的玻璃工艺品 41 （二）新型无机非金属材料 2. 二氧化硅 二氧化硅 思考5：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。两性氧化物指既能与酸反应生成盐和水，又能与碱反应生成盐和水的氧化物。SiO2只能与氢氟酸反应，且不生成盐和水。 42 （二）新型无机非金属材料 2. 二氧化硅 二氧化硅 思考6：实验室中要熔化NaOH固体，手头上有三种坩埚：石英坩埚、陶瓷坩埚和铁坩埚。请大家讨论我们应当使用哪一种，为什么? 铁坩埚。石英坩埚和陶瓷坩埚的主要成分均含SiO2，能与NaOH反应。 43 （二）新型无机非金属材料 2. 二氧化硅 二氧化硅 思考7：SiO2属于酸性氧化物，能否用SiO2与水直接反应制取H2SiO3？由SiO2如何来制取H2SiO3？写出相应的化学方程式。 不能 SiO2+2NaOH Na2SiO3+H2O Na2SiO3 + CO2+ H2O H2SiO3↓ + Na2CO3 或 Na2SiO3 + HCl H2SiO3↓ + 2NaCl 44 （二）新型无机非金属材料 2. 二氧化硅的用途 二氧化硅 用于生产光导纤维 水晶、玛瑙等饰品 制作耐高温的仪器 45 （二）新型无机非金属材料 3. 新型陶瓷 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、磁学等方面具有很多新的特性和功能。 新型材料 成分 性能 主要应用 金刚砂 ____________ 硬度__、耐____、抗氧化 砂纸和砂轮的磨料、耐高温半导体材料等 高温结构陶瓷 _______、_______或某些金属氧化物 耐____、抗氧化、耐_____ 火箭和汽车发动机、高温电极材料等 碳化硅(SiC) 大 高温 碳化硅 氮化硅 高温 腐蚀 46 （二）新型无机非金属材料 3. 新型陶瓷 碳化硅(SiC) 新型陶瓷 47 （二）新型无机非金属材料 3. 新型陶瓷 压电陶瓷 _______、______等 能实现_____能与___能的相互转化 滤波器、扬声器、超声波探伤器和点火器等 透明陶瓷 _______、_______等氧化物透明陶瓷；_______、______等非氧化物透明陶瓷 具有优异的光学性能、耐高温、_______好 高压钠灯、激光器、高温探测窗等 超导陶瓷 — 某一临界温度下具有超导性 可用于电力、交通、医疗等领域 钛酸盐 锆酸盐 机械 电 氧化铝 氧化钇 氮化铝 氟化钙 绝缘性 新型陶瓷 48 （二）新型无机非金属材料 3. 新型陶瓷 透明陶瓷 超导陶瓷 新型陶瓷 49 （二）新型无机非金属材料 4. 碳纳米材料 碳纳米材料 富勒烯 碳纳米管 石墨烯 50 （二）新型无机非金属材料 4. 碳纳米材料 由 构成的一系列笼形分子的总称 组成： 性能： 应用： 具有特殊的光学性质、电导性及化学性质 如C50、C60、C70、C120等 类别： 医疗，工业，科研等方面都得到了广泛的应用 富勒烯 碳原子 碳纳米材料 51 （二）新型无机非金属材料 4. 碳纳米材料 由 卷成的管状物，具有 尺度的直径 组成： 性能： 应用： 碳纳米管 比表面积大，具有相当高的强度和优良的电学性能 石墨片层 纳米 可用于生产复合材料、电池和传感器等 碳纳米材料 52 （二）新型无机非金属材料 4. 碳纳米材料 石墨烯 只有一个 直径厚度的单层石墨 组成： 性能： 应用： 碳原子 电阻率低、热导率高，具有很高的强度 应用于光电器件、超级电容器、电池和复合材料等 碳纳米材料 53 作业 练透P161-163 54 $$