5.3.2 新型无机非金属材料-【核心素养新教学】2025-2026学年高一化学同步优质教学课件（人教版必修第二册）

该高中化学课件聚焦新型无机非金属材料，系统讲解硅、二氧化硅的性质制备及用途，新型陶瓷和碳纳米材料的特点应用。通过化学史案例和实际应用导入，衔接传统材料知识，搭建学习支架。 其亮点在于结合科学思维设计对比活动（如CO₂与SiO₂性质比较），通过工业制备流程培养科学探究能力，落实化学观念中结构决定性质的核心。帮助学生构建知识网络，教师可高效开展教学。

高中化学人教版（2019）必修第二册 第2课时 第三节 无机非金属材料  第五章 化工生产中的重要非金属元素 新型无机非金属材料 化学与生活 弗里茨·哈伯 第一个从空气中制造出氨的科学家，加速了世界农业的发展，因此获得1918年诺贝尔化学奖。 航空航天 高铁运输 通信工程 随着科学技术的发展，无机非金属材料突破了传统的硅酸盐体系，一系列新型无机非金属材料相继问世。其中有一些是高纯度的含硅元素的材料，如单质硅、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；还有一些含有碳、氮等其他元素，在航天、能源和医疗等领域有着广泛的应用。 CONTENTS 目录 学习目标 重点：1. 典型无机非金属材料的主要成分、性质和用途。 2. 无机非金属材料的制备原理。 3. 材料的结构与性质的关系。 难点：1. 无机非金属材料结构的理解。 2. 材料制备过程中的复杂化学反应和工艺条件控制。 3. 从结构和性质关系角度分析新型无机非金属材料的设计与开发思路 硅的存在形式 硅是一种亲氧元素 在自然界中主要以硅酸盐（如地壳中的大多数矿物）和氧化物（如水晶、玛瑙、石英砂）的形式存在 在地壳中的含量位居第二，仅次于氧元素 新型无机非金属材料 硅与二氧化硅 从硅在自然界中的存在，你能看出二氧化硅具有哪些物理性质吗？ 【思考】 SiO2是一种难溶于水的非金属氧化物，硬度大，熔点高 SiO2有结晶态（如玛瑙、沙子、石英等）和无定形态（如硅藻土）两种，统称为硅石 新型无机非金属材料 硅与二氧化硅 从二氧化硅的物理性质，结合硅在元素周期表中的位置，你能预测二氧化硅的空间结构吗？ 二氧化硅的结构和硅酸盐相同，都是硅氧四面体结构：一个硅连接四个氧，一个氧连接两个硅，故化学式为SiO2 以硅为研究对象，1molSiO2含有1mol硅原子，1mol硅原子会形成4mol硅氧键 【思考】 新型无机非金属材料 硅与二氧化硅 相同点 碳和硅位于同一主族，探究CO2和SiO2的化学性质有什么相同点和不同点？ 【活动】 酸性氧化物 与强碱溶液反应： 与碱性氧化物反应： SiO2 ＋ 2NaOH Na2SiO3 ＋H2O 硅酸钠（粘合性） SiO2＋ CaO CaSiO3 高温 二氧化硅是硅酸的酸酐，但是二氧化硅不能与水反应生成硅酸 【注意】 弱氧化性 SiO2 + 2C Si + 2CO↑ 高温 （在玻璃上雕花刻字） 特性 SiO2 ＋ 4HF SiF4↑＋ 2H2O HF是唯一能与SiO2反应的酸 新型无机非金属材料 硅与二氧化硅 SiO2用途 ①沙子是基本的建筑材料； ②纯净的SiO2是光学和光纤制品的基本原料； ③水晶、石英和玛瑙可制作饰品和工艺品； ④水晶用来制造电子工业中的重要部件。 光导纤维能导电吗？ 【思考】 新型无机非金属材料 硅与二氧化硅 盛放酸性和氧化性溶液的试剂瓶不能用橡胶塞，盛放碱性溶液的试剂瓶不能用玻璃塞，为什么？ 【思考】 酸性和氧化性溶液会腐蚀橡胶塞，而碱性溶液会与玻璃中的SiO2反应，生成硅酸钠，使试剂瓶与瓶塞粘在一起 加热熔融NaOH和不能使用陶瓷坩埚，石英坩埚和铝坩埚，只能使用铁坩埚，为什么？ 陶瓷和石英的主要成分都含有SiO2，SiO2能与NaOH反应，铝坩埚的主要成分是氧化铝，也能与NaOH反应 新型无机非金属材料 硅与二氧化硅 二氧化碳 二氧化硅 水 碱 碱性氧化物 碳酸盐 HF 氧化性 CO2+2NaOH==== Na2CO3+H2O 不反应 CO2+H2O==== H2CO3 CO2+CaO==== CaCO3 不反应 CO2 +H2O+Na2CO3 ==== 2NaHCO3 CO2+C==== 2CO SiO2+CaO===== CaSiO3 高温 SiO2+4HF==== SiF4↑+2H2O SiO2+Na2CO3 ==== Na2SiO3+CO2↑ 高温 SiO2+2C ==== Si+2CO↑ 高温 SiO2 + 2NaOH ==== Na2SiO3 +H2O 新型无机非金属材料 硅 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。 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。 硅元素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，是应用最为广泛的半导体材料。 新型无机非金属材料 硅的制备 ① SiO2+2C                     Si+2CO↑            ② Si+3HCl            SiHCl3+H2 ③ SiHCl3+H2              Si+3HCl 工业制备高纯硅的原理示意图 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 新型无机非金属材料 硅的化学性质 ④Si + 4HF=== SiF4↑ +2H2↑ ⑤Si+ 2NaOH + H2O == Na2SiO3 + 2H2↑ ①Si+2F2 === SiF4 △ ③Si+O2 ===SiO2 △ ②Si+2Cl2===SiCl4 △ 新型无机非金属材料 晶体硅的用途 Si导电性介于导体和半导体之间,是良好的半导体材料,硅是信息技术的关键材料，高纯硅广泛应用于信息技术和新能源技术，用作芯片和太阳能电池。 集成电路 　　　 晶体管 硅太阳能电池 电脑中央处理器（CPU） 新型无机非金属材料 见 核 心 知 识 P141 学知识 新型陶瓷 新型陶瓷在组成上不再限于传统的硅酸盐体系 是以人工合成的氧化物、氮化物、碳化物、硅化物、硼化物超细微粒为原料特制而成。又称精细陶瓷、精密陶瓷。 在光学、热学、电学、磁学等方面有很多新的特性和功能。 新型无机非金属材料 新型陶瓷 碳化硅 结构 碳原子和硅原子通过共价键连接，类似于金刚石的空间网状结构 性质 硬度大，熔点高，抗氧化 应用 砂纸和砂轮的磨料、耐高温结构材料、耐高温半导体材料 （俗称金刚砂）一种新型高温结构陶瓷 新型无机非金属材料 学 新型陶瓷 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、耐腐蚀等优良性能。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。 压电陶瓷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。 透明陶瓷主要有氧化铝、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。 超导陶瓷在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。 新型无机非金属材料 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 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，其中的C60是富勒烯的代表物。C60的发现为纳米科学提供了重要的研究对象，开启了碳纳米材料研究和应用的新时代。 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。碳纳米管的比表面积大，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。 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。石墨烯在光电器件、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。 新型无机非金属材料 提升练习 下列有关叙述不正确的是(　　) A.硅在自然界中主要以硅酸盐和氧化物的形式存在 B.高纯硅是制造芯片及硅太阳能电池的常用材料 C.单质硅既不能与酸反应也不能与碱反应 D.工业上制备高纯硅的流程一般为石英砂→粗硅→三氯硅烷→高纯硅 C 解析： 硅是亲氧元素，在自然界中无游离态，主要以硅酸盐和氧化物(如水晶、玛瑙)的形式存在,故 A正确；硅位于第三周期Ⅳ A族，其化学性质不活泼,但能和氢氧化钠溶液、氢氟酸发生反应，故C不正确。 新型无机非金属材料 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 新型无机非金属材料 3. 材料与生活、生产息息相关，目前使用的材料主要有：金属材料、传统无机非金属材料、新型无机非金属材料、高分子材料、复合材料等。 （2）玻璃是重要的建筑和装饰材料，玻璃属于　 　(填“纯净物”或“混合物”)。有些玻璃的花纹是利用氢氟酸对普通玻璃中的二氧化硅的腐蚀作用而制成的，写出该反应的化学方程式　 　。 （3）氮化硅是一种高温陶瓷材料，它的硬度大、熔点高，化学性质稳定。工业上普遍采用高纯硅与纯氮在1300℃反应获得氮化硅，该反应属于化学反应基本类型中的　 　反应；已知氮化硅中硅元素的化合价为+4价，则氮化硅的化学式为　 　。 混合物 SiO2+4HF === SiF4↑+2H2O 化合 Si3N4 新型无机非金属材料 本课总结 新型无机非金属材料 硅和二氧化硅 新型陶瓷 高温结构陶瓷、压电陶瓷、透明陶瓷、超导陶瓷 石墨烯、富勒烯、碳纳米管 存在：化合态（亲氧元素） 二氧化硅： 类别：酸性氧化物 化合价：弱氧化性 用途：光导纤维 特性：与HF反应 硅：制备和用途 纳米材料 新型无机非金属材料 $