5.3 无机非金属材料 课件-2025-2026学年高一下学期化学人教版必修第二册

这是一份高中化学开学课件，共31页，围绕“无机非金属材料”主题，以硅元素为核心，从传统硅酸盐材料（陶瓷、玻璃、水泥）到硅和二氧化硅的性质与用途，再到新型陶瓷与碳纳米材料展开，结合随堂测试，构建“结构-性质-用途”的学习支架。 课件以“硅迹”为主线串联文明与材料发展，融合化学观念（如硅氧四面体结构决定硅酸盐性质）、科学思维（如通过“试剂瓶塞选择”问题引导推理），配以实物图片辅助理解，随堂测试强化应用。帮助学生建立物质研究逻辑，提升教师教学效率，适合高中学生从宏观到微观理解化学知识。

第五章 化工生产中的重要非金属元素 无机非金属材料 材料演进的“硅”迹——探寻支撑文明的隐形骨架 文明的“基石” 从存放粮食的陶罐，到连接世界的光纤，是什么材料在背后默默支撑着人类文明的每一次飞跃？ 这些看似不同的材料，有一个共同的“灵魂元素”——硅（Si）。今天，我们就沿着“硅”的足迹，翻开这部材料进化史。 泥土的智慧——传统硅酸盐材料 01 探秘“硅氧四面体” 1.硅酸盐的组成 天然硅酸盐的化学式很复杂，通常用金属氧化物和二氧化硅的组合形式表示硅酸盐的组成，如钙长石CaAl2Si2O8可写成CaO·Al2O3·2SiO2。 2.硅酸盐的结构 （1）硅酸盐是什么结构？ （2）为什么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？ 探秘“硅氧四面体” 结构：在硅酸盐中，Si和O以Si—O结合，构成了硅氧四面体，即以Si为中心，O在四面体的4个顶角，许多这样的四面体通过顶角的O相互连接，即每个Si与周围4个O结合，每个O与2个Si结合，硅氧四面体向空间延展，形成共价键三维骨架结构。 性质：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。 探秘“硅氧四面体” 3.最简单的硅酸盐——硅酸钠 （1）物理性质：白色固体，可溶于水，其水溶液是一种无色黏稠状的液体，俗称水玻璃，黏性很强，是一种矿物胶。 （2）化学性质：化学性质稳定，不能燃烧，不易腐蚀，但能与比硅酸酸性强的一些酸反应，生成难溶于水的硅酸。 Na2SiO3 + CO2（少量） + H2O＝H2SiO3↓ + Na2CO3 Na2SiO3 + 2HCl＝H2SiO3↓ + 2NaCl 探秘“硅氧四面体” 3.最简单的硅酸盐——硅酸钠 （3）用途： ① 制硅酸；② 作黏合剂（矿物胶）；③ 作耐火阻燃材料；④ 作防腐剂。 硅酸 黏合剂 耐火阻燃材料 探秘“硅氧四面体” 4.传统无机非金属材料 （1）陶瓷 传统的无机非金属材料多为硅酸盐材料，在日常生活中随处可见，如制作餐具的陶瓷、窗户上的玻璃、建筑用的水泥等。硅酸盐是由硅、氧和金属组成的化合物的总称,它们种类繁多、组成各异、结构复杂，在自然界中广泛存在。 生产建筑材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具等。 黏土（主要成分为含水的铝硅酸盐） 高温 烧结 陶瓷 陶瓷 主要原料 用途 探秘“硅氧四面体” 普通 玻璃 主要原料 玻璃窑 生产建筑材料、光学仪器、各种器皿、玻璃纤维等 硅酸钠（Na2SiO3）、硅酸钠（CaSiO3）和二氧化硅 高温 复杂的物理和化学变化 生产设备 主要成分 用途 纯碱、石灰石和石英砂（主要成分为SiO2） （2）玻璃 探秘“硅氧四面体” （3）水泥 普通 玻璃 主要原料 水泥回转窑 水泥、沙子和碎石等与水混合可以得到混凝土，大量用于建筑和水利工程 硅酸二钙（2CaO·SiO2）、硅酸三钙（3CaO·SiO2）和铝酸三钙（3CaO·Al2O3） 高温 复杂的物理和化学变化 生产设备 主要成分 用途 黏土和石灰石 沙粒的升华——硅、二氧化硅与信息时代 02 硅和二氧化硅 1.硅 （1）存在形式：硅元素在自然界主要以硅酸盐（如地壳中的大多数矿物）和氧化物（如水晶、玛瑙）的形式存在。 同样的沙（SiO2），如何从建筑用的玻璃，变身为信息时代的“大脑”（芯片）和“血管”（光纤）？ （2）晶体硅的物理性质 颜色、状态 光泽 熔、沸点 硬度 导电性 灰黑色固体 金属光泽 很高 很大 介于导体和绝缘体之间 硅和二氧化硅 （3）硅的化学性质 ① 稳定性 常温下，硅的化学性质不活泼，不易与H2、O2、Cl2、H2SO4、HNO3等物质发生反应，但能与F2、氢氟酸和强碱溶液等发生反应。 Si + 4HF＝SiF4↑ + 2H2↑ Si + 2F2＝SiF4 Si + 2NaOH + H2O＝Na2SiO3 + 2H2↑ 硅和二氧化硅 （3）硅的化学性质 ② 还原性 在加热或高温条件下，能与某些非金属单质发生反应。 Si + 2Cl2＝SiCl4 △ Si + O2＝SiO2 △ （加热时研细的硅能在氧气中燃烧） Si + C＝＝SiC 高温 （碳化硅，俗称金刚砂） 3Si + 2N2＝＝Si3N4 高温 （氮化硅） 硅和二氧化硅 （4）工业制法 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，再经氢气还原得到高纯硅。 其中涉及的主要化学反应为： 硅和二氧化硅 （5）用途 高纯硅广泛应用于信息技术和新能源技术等领域。利用其半导体性能可以制成计算机、通信设备和家用电器等的芯片，以及光伏电站、人造卫星和电动汽车等的硅太阳能电池。 硅晶片是生产芯片的基础材料 硅太阳能电池 硅和二氧化硅 2.二氧化硅 （1）在自然界中的存在形式：沙子、水晶、石英、玛瑙、硅藻土等。 （2）物理性质 纯净的二氧化硅晶体无色、熔点高、硬度大，不溶于水，也不溶于其他一般溶剂。 硅和二氧化硅 （3）化学性质 SiO2是酸性氧化物，但不与水反应。 ① 与碱溶液反应：SiO2 + 2NaOH = Na2SiO3 + H2O 已知：Na2SiO3的水溶液俗称水玻璃，具有黏结力强、耐高温等特性，可以用作黏合剂和防火剂。 思考：实验室盛放碱溶液的试剂瓶应使用橡胶塞，还是玻璃塞？为什么？ 应使用橡胶塞。因为玻璃中含有SiO2，与NaOH溶液反应生成的Na2SiO3的水溶液有黏性，会将玻璃塞与瓶口内侧发生粘连而无法打开。 硅和二氧化硅 ③ 与某些盐的反应： SiO2 + Na2CO3 === Na2SiO3 + CO2↑ 、SiO2 + CaCO3 === CaSiO3 + CO2↑ 这两个反应为工业制玻璃的主要反应 ④ 弱氧化性（与碳反应）：SiO2 + 2C === Si + 2CO↑ ② 与碱性氧化物反应生成盐：SiO2 + CaO === CaSiO3 高温 高温 不能得出酸性：H2SiO3 ＞ H2CO3 ⑤ 特性（与氢氟酸的反应）：SiO2 + 4HF === SiF4↑ + 2H2O （1）不能用玻璃瓶盛装氢氟酸，常用塑料瓶盛装；（2）氢氟酸常用于刻蚀玻璃。 硅和二氧化硅 不对，SiO2不与其他酸反应，只能与HF反应，且反应生成的SiF4不是盐，故SiO2不是两性氧化物。 SiO2既能与强碱反应又能与HF反应，故SiO2是两性氧化物，这种说法对吗？ （4）用途 ① 生产光导纤维； ② 制造石英表中的压电材料、电子部件和光学仪器等。 结构的魔术——新型陶瓷与碳纳米材料 03 新型陶瓷 当我们跳出“硅氧”体系，通过改变元素的组合与空间结构，还能创造出怎样的奇迹？ 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。 1.碳化硅陶瓷 （1）结构：碳原子和硅原子通过共价键连接，具有空间网状结构。 （2）性能：硬度很大、耐高温、抗氧化。 （3）用途：用作砂纸和砂轮的磨料、耐高温结构材料和耐高温半导体材料等。 新型陶瓷 2.其他新型陶瓷 新型材料 成分 性能 主要应用 高温结构陶瓷 碳化硅、氮化硅、金属氧化物 用于火箭发动机、汽车发动机和高温电极材料等 压电陶瓷 钛酸盐、锆酸盐等 用于滤波器、扬声器、超声波探伤器和点火器等 透明陶瓷 氧化铝、氧化钇等透明陶瓷； 用于高压钠灯、激光器、高温探测窗等 超导陶瓷 — 用于电力、交通、医疗等领域 耐高温、抗氧化、 耐腐蚀 能实现机械能和电能的相互转化 具有优异的光学性能、耐高温、绝缘性好 临界温度下具有超导性 碳纳米材料 几种碳纳米材料   概念 性能 用途 富勒烯 由 构成的一系列笼形分子的总称，如____ — 制碳纳米材料 碳纳米管 由 卷成的管状物，具有纳米尺度的直径 生产复合材料、电池和传感器等 石墨烯 厚度的单层石墨 在光电器件、超级电容器、电池、复合材料等方面的应用研究 碳原子 C60 石墨片层 比表面积大，有相当高的强度和优良的电学性能 只有一个碳原子直径 电阻率低、热导率高，具有很高的强度 总结与展望——我们的角色 04 总结与展望——我们的角色 无机非金属材料的发展史，是人类对物质结构认识不断深入，并运用化学原理进行创造性转化的历史。 过去： 材料是文明的记录者（陶器、青铜器、铁器…） 现在： 材料是发展的推动者（芯片、光纤、高铁…） 未来： 材料将是挑战的解决者（新能源、环境治理、太空探索…） 作为未来的探索者，你将如何运用化学的智慧，设计出下一款改变世界的材料？ 随堂测试 1.下列有关硅及其化合物用途的说法中，正确的是( ) A. 二氧化硅是制造太阳能电池的主要原料 B. 在电子工业中，硅是重要的半导体材料 C. 光导纤维是高纯度的硅单质 D. 可用石英坩埚加热氢氧化钠固体 B 随堂测试 2.下列关于新型无机非金属材料的说法中，不正确的是(　　) A.高纯硅可用于制造半导体材料 B.压电陶瓷属于新型无机非金属材料，能实现机械能和电能的相互转化 C.碳纳米材料的主要成分是碳单质，包含富勒烯、碳纳米管和石墨烯等多种 D.二氧化硅制成的光导纤维，由于导电能力强而被用于制造光缆　 D 随堂测试 3.下列有关二氧化硅的说法中，正确的是（ ） A. 二氧化硅是酸性氧化物，因此能与水反应生成硅酸 B. 二氧化硅既能与NaOH溶液反应，又能和氢氟酸反应，所以二氧化硅是两性氧化物 C. 二氧化硅制成的光导纤维，由于导电能力强而被用于制作光缆 D. 二氧化硅不能与碳酸钠溶液反应，但能与碳酸钠固体在高温时发生反应 D 随堂测试 4.《天工开物》记载:“凡埏泥造瓦,掘地二尺余,择取无砂粘土而为之”,“凡坯既成,干燥之后,则堆积窖中燃薪举火”,“浇水转釉(主要为青色),与造砖同法”。下列说法错误的是(　　) A.沙子和粘土主要成分为硅酸盐 B.“燃薪举火”使黏土发生复杂的物理化学变化 C.烧制后自然冷却成红瓦,浇水冷却成青瓦 D.粘土是制作砖瓦和陶瓷的主要原料 A THE END 谢谢 $