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

第五章 化工生产中的 第三节 无机非金属材料 人教版必修第二册 重要非金属 存在形态：化合态 1 学习目标与核心素养 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。 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。 学习目标 核心素养 按照化学组成和特性来分： 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 传统无机非金属材料：如玻璃、陶瓷、水泥 新型无机非金属材料：硅和二氧化硅、 新型陶瓷、碳纳米材料等 复合材料 无机非金属材料由什么物质组成？有什么性质？ 材料 一、传统无机非金属材料——硅酸盐材料 硅酸盐 存在： 定义： 表示方法： 硅酸盐一般结构复杂，存在于地壳、岩石中 由金属、Si、O 等元素形成的盐 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 表示顺序是：活泼金属氧化物·较活泼金属氧化物·二氧化硅·水 但化学式前面的系数不能为分数 例如：硅酸钠 Na2SiO3 表示： 高岭石 Al2Si2O5(OH)4 表示： Na2O·SiO2 Al2O3·2SiO2·2H2O 钾云母(KH2Al3Si3O12) 表示： K2O·3Al2O3·6SiO2·2H2O 硅酸盐材料 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？ 【思考1】 硅氧四面体结构 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。 硅酸盐材料 (4)用途：①制硅酸；②黏合剂(矿物胶)；③耐火阻燃材料；④防腐剂 1、最简单的硅酸盐——Na2SiO3 (1)俗名：泡花碱，水溶液俗称水玻璃 (2)物理性质：白色固体，可溶于水 (3)化学性质 ①与酸反应：Na2SiO3＋2HCl===2NaCl＋H2SiO3（胶体） ②与CO2反应：Na2SiO3＋H2O＋CO2(少量)==Na2CO3＋H2SiO3↓ Na2SiO3＋2H2O＋2CO2(过量)==2NaHCO3＋H2SiO3↓ 是一种矿物胶，有很强的黏合性 中学阶段唯一难溶于水的酸 1、物理性质：硅酸是白色胶状沉淀 2、化学性质 (1)弱酸性：不溶于水[唯一不溶于水的酸]的二元弱酸(酸性比碳酸的酸性弱)，硅酸不能使紫色石蕊溶液变红色 (2)不稳定性：H2SiO3 SiO2＋H2O (3)与碱溶液反应：H2SiO3＋2NaOH==Na2SiO3＋2H2O 2.硅酸——H2SiO3 硅酸盐材料 硅酸盐材料 2.硅酸——H2SiO3 硅酸 聚合 硅酸凝胶 干燥脱水 硅酸干凝胶 “硅胶” 硅胶的用途： 食品、药品的干燥剂 催化剂的载体 3、用途 硅胶多孔，吸附水分能力强 随堂练习 1、下列关于硅酸的说法正确的是( ) A．硅酸可以通过SiO2和水化合反应直接制得 B．可用反应Na2SiO3+2HCl == 2NaCl+H2SiO3↓制取硅酸 C．因为硅酸难溶于水，所以它不能与NaOH溶液反应 D．干燥剂“硅胶”的主要成分是硅酸钠 B 硅酸盐材料 陶瓷 玻璃 水泥 名称 性能 陶瓷 熔点高、硬度大、耐腐蚀、性质稳定 玻璃 透光性好、硬度大、无固定熔点 水泥 遇水逐渐变硬、硬化后性质稳定 1、陶瓷 原料：黏土 （含水的铝硅酸盐） 陶瓷制品 高温烧结 2、玻璃 原料： 纯碱(Na2CO3) 石灰石(CaCO3) 石英砂(SiO2) 玻璃主要成分： 硅酸钠(Na2SiO3) 硅酸钙(CaSiO3) 二氧化硅(SiO2) 玻璃窑中熔融 反应原理： Na2CO3＋SiO2 Na2SiO3＋CO2↑ CaCO3＋ SiO2 CaSiO3＋CO2↑ 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 加入元素或物质 玻璃特性 用途 1、含铅原料 光学玻璃:透光性好,折射率高 制造眼镜、照相机和光学仪器的透镜 2、硼酸盐 耐化学腐蚀、耐温度急剧变化 制造可用于实验室使用的玻璃仪器 3、金属氧化物或盐 彩色玻璃 用于建筑和装饰 特种玻璃 （Co2O3、CuO） 加入适量金属氧化物或盐可得到有色玻璃 【思考】 家中常用的玻璃为什么微微带绿色？ 原料： 工业设备： 黏土和石灰石 水泥回转窑 石膏的作用： 条件： 高温煅烧 调节水泥硬化速率 3、水泥 石灰石黏土 按比例混合磨细 回转窑 生料 水泥 煅烧 熟料 加石膏 磨粉 万丈高楼平地起，穿针引线是水泥 水泥砂浆：水泥、沙子和水的混合物 混凝土：水泥、沙子、碎石的混合物 主要成分： 硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙等 关于水泥的认识 (1)水泥具有吸水性，在空气中吸水发生复杂的物理、化学变化而失去了原有的性质，因而变硬的水泥不能使用。 (2)水泥不能抗酸的腐蚀是因为水泥的成分中有碳酸盐，碳酸盐与酸反应会放出CO2。 1、最近全面通车的沪昆高速铁路是国家重要的交通线路，在工程建设中用量最大的硅酸盐材料是（　　） A．钢筋 B．水泥 C．玻璃 D．陶瓷 B 2、小明参观了举世瞩目的北京大兴国际机场，该机场建设时应用了许多先进技术，其中之一是“重载水泥混凝土铺面技术”。下列原料可用于制造普通水泥的是（ ） A．胆矾 B．纯碱 C．石膏 D．小苏打 C 随堂练习 硅酸盐材料   玻璃 水泥 陶瓷 主要原料 ________、石灰石、________ ________、黏土   主要设备     陶瓷窑 主要反应  — —  主要成分 普通玻璃   硅酸盐 纯碱 石英砂 石灰石 黏土 玻璃熔炉 水泥回转窑 Na2SiO3 CaSiO3、SiO2 硅酸三钙(3CaO·SiO2)、 硅酸二钙(2CaO·SiO2)、 铝酸三钙(3CaO·Al2O3) 生产 条件 烧结 熔融 煅烧 小结 1、下列有关硅酸盐产品的说法不正确的是(　　) A．水泥具有水硬性 B．玻璃的原料是纯碱、石灰石、石英 C．玻璃有固定的熔沸点 D．陶瓷是人类最早使用的硅酸盐产品 C 随堂练习 二、新型无机非金属材料——硅和二氧化硅 一、硅 第三周期、 第ⅣA族 1、硅元素的存在 含量：在地壳中硅的含量的仅次于氧。 硅是一种亲氧元素，在自然界中没有游离态，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。 水晶 主要成分SiO2 玛瑙 主要成分SiO2 Na2SiO3泡花碱 水溶液俗称水玻璃 二、新型无机非金属材料——硅和二氧化硅 一、硅 2、硅的物理性质 带有金属光泽的灰黑色固体，晶体硅熔点高、硬度大、有脆性，导电性介于导体和绝缘体之间，是良好的半导体材料。 集成电路 　　　 晶体管 硅太阳能电池 电脑中央处理器（CPU） 二、新型无机非金属材料——硅和二氧化硅 一、硅 3、硅的化学性质 ③与NaOH溶液反应：Si＋2NaOH＋H2O==Na2SiO3＋2H2↑ 硅的最外层有4个电子，反应中既不容易得到电子，也不容易失去电子 突破口：唯一一种与碱反应放出H2的非金属单质 (1)稳定性 常温下，硅的化学性质不活泼，只与F2、HF(氢氟酸)、强碱(如NaOH)溶液反应 突破点：唯一一种既可以与酸反应，也可以与碱反应的非金属单质 ①与氟气反应：Si＋2F2===SiF4 ②与氢氟酸反应：Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑ 二、新型无机非金属材料——硅和二氧化硅 一、硅 3、硅的化学性质 (2)还原性：加热和高温时，能与O2、Cl2、C 等反应 Si + O2=== SiO2 　 △ Si + 2Cl2 === SiCl4 　 △ Si + C === SiC 　 高温 二、新型无机非金属材料——硅和二氧化硅 一、硅 3、硅的化学性质 ③非金属单质跟碱液作用一般无H2放出，但Si与碱液反应放出H2： (3)硅单质的特性 Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑ ①非金属单质一般不与非氧化性酸作用，但Si却能与HF作用：Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑ ②非金属单质一般不导电，但Si为半导体，有一定的导电能力 二、新型无机非金属材料——硅和二氧化硅 结合硅在自然界的存在形式，工业上用什么作为原料制备硅？ “从沙滩到用户”，用二氧化硅为原料制备硅 价值5元的沙子 价值5000元的芯片 点沙 成金 思考 二、新型无机非金属材料——硅和二氧化硅 一、硅 其中①涉及的主要化学反应为 SiO2 + 2C Si + 2CO↑(粗硅） ＝ 高温 思考：工业上利用焦炭与SiO2在高温下反应制备粗硅，由此能否说明碳的还原性大于硅？ 氧化性、还原性的强弱，必须是在通常的情况下发生的反应，上述反应是在高温条件下发生的，故不能比较还原性的强弱。 (4)高纯硅的制备 二、新型无机非金属材料——硅和二氧化硅 一、硅 资料卡片 SiHCl3 沸点：31.8℃ 其中提纯硅涉及的主要化学反应为 ①_________________________ ②_________________________ ③__________________________ (4)高纯硅的制备 SiO2+2C ========= Si+2CO↑ 粗硅 1800~2000 ℃ 粗硅 （高纯硅 99.9999999％） 二、新型无机非金属材料——硅和二氧化硅 一、硅 (5)硅主要的用途 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，以及太阳能光伏电站、人造卫星和电动汽车等的硅太阳能电池；单质硅常用作半导体材料和合金材料。 硅晶片是生产芯片的基础材料 硅太阳能电池 随堂练习 1、下列关于硅的说法不正确的是（ ） A．硅是非金属元素，但它的单质是灰黑色有金属光泽的固体 B．硅的导电性能介于导体和绝缘体之间，是良好的半导体材料 C．硅的化学性质不活泼，常温下不与任何物质起反应 D．当加热到一定程度时，硅能与氧气、氢气等非金属反应 C 随堂练习 1、芯片是中美经贸摩擦的焦点之一、制造芯片的高纯硅可以用下述方法制取(反应条件略)，下列说法错误的是（ ） A．SiCl4中 Si的化合价为+4 B．制造芯片的高纯硅具有一定导电性 C．反应①、②、③均为氧化还原反应 D．SiO2既能与碱溶液反应又能与酸溶液反应，SiO2是两性氧化物 D 二、新型无机非金属材料——硅和二氧化硅 二、二氧化硅（俗名硅石） 结晶形 无定形 1、存在： 玛瑙 沙子 石英 水晶 硅藻土 SiO2广泛存在于自然界 硅氧四面体结构 SiO2 注意：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。 立体网状结构 二、新型无机非金属材料——硅和二氧化硅 二、二氧化硅 2、物理性质：SiO2不溶于水，熔点高，硬度大 3、二氧化硅的用途 现代光学仪器、光导纤维、石英坩埚 、制造各种玻璃制品 状态 颜色 熔点 硬度 水溶性 导电性 晶体         无色 高 大 不溶 不导电 二、新型无机非金属材料——硅和二氧化硅 二、二氧化硅 4、化学性质 a.与碱性氧化物反应生成盐 高温 SiO2＋ CaO=== CaSiO3 b.与强碱反应生成盐和水 (有粘性，其水溶液俗称水玻璃) 硅酸钠 SiO2＋2NaOH==Na2SiO3＋H2O 思考：实验室盛装NaOH溶液的试剂瓶用什么塞子？为什么？ ①酸性氧化物 二、新型无机非金属材料——硅和二氧化硅 二、二氧化硅 ②与碳酸盐反应 SiO2 + Na2CO3 === Na2SiO3 +CO2 ↑ 高温 SiO2 + CaCO3 === CaSiO3 +CO2 ↑ 高温 工业生产玻璃原理 ③弱氧化性 SiO2+2C === Si +2CO ↑ 高温 ④特性：与氢氟酸反应 SiO2 ＋ 4HF ===SiF4↑＋2H2O 此反应常用于雕刻玻璃 实验室不用玻璃瓶盛装氢氟酸！！ 二、新型无机非金属材料——硅和二氧化硅 二、二氧化硅 2、雕刻出花纹并向花纹部分加少量氢氟酸（HF） 1、玻璃涂上石蜡 3、洗掉酸并去掉石蜡 玻璃刻蚀技术：二氧化硅与氢氟酸反应 二、新型无机非金属材料——硅和二氧化硅 二、二氧化硅 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? 解释：不正确。因为二氧化硅跟氢氟酸反应产物不是盐和水，所以不属于两性氧化物，但是属于酸性氧化物。 思考 SiO2 ＋ 2NaOH ==Na2SiO3 ＋H2O SiO2 ＋ 4HF ==SiF4↑＋2H2O 二、新型无机非金属材料——硅和二氧化硅 二、二氧化硅 思考 此反应能否说明硅酸的酸性大于碳酸的酸性？ SiO2 + Na2CO3 === Na2SiO3 +CO2 ↑ 高温 大理石+稀盐酸 Na2SiO3溶液 稀盐酸 大理石 硅酸钠溶液 饱和碳酸氢钠溶液 × 可证明酸性：HCl>H2CO3>H2SiO3 能否用如下装置证明酸性：H2CO3>H2SiO3 ？ H2O + CO2 + Na2SiO 3 = Na2CO 3 + H2SiO3↓ 随堂练习 A 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 随堂练习 2、指出下列反应中二氧化硅主要表现的化学性质或作用（只选一个）。 （1）SiO2 + 2NaOH === Na2SiO3 + H2O（　　） （2）SiO2 + Na2CO3 === Na2SiO3 + CO2↑（　　） （3）SiO2 + 2C === Si + 2CO↑（　　） （4）SiO2 + 3C === SiC + 2CO↑（　　） （5）SiO2 + 4HF === SiF4↑+ 2H2O（　　） A．作为玻璃的成分被消耗而使玻璃被腐蚀 B．氧化性 C．酸性氧化物的通性 D．将挥发性的酸酐从其盐中“置换”出来 E．未参加氧化还原反应 C D B E A 高温 高温 高温 二、新型无机非金属材料——新型陶瓷 碳原子和硅原子通过共价键连接 结构： 性能 砂纸和砂轮的磨料 碳化硅陶瓷 高温抗氧化性能 硬度大 耐高温结构材料 耐高温半导体材料 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、磁学等方面有很多新的特性和功能。 三、新型陶瓷 二、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。 富勒烯 四、碳纳米材料 用C60作车轮的“纳米汽车” 二、新型无机非金属材料——碳纳米材料 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。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。 四、碳纳米材料 二、新型无机非金属材料——碳纳米材料 石墨烯 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。作为一种具有优异性能的新型材料，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。 四、碳纳米材料 小结： 无机非金属材料 传统无机非金属材料：如玻璃、陶瓷、水泥 新型无机非金属材料：硅和二氧化硅、 新型陶瓷、碳纳米材料等 富勒烯 碳纳米管 石墨烯 课堂练习 1、下列物品或设施： 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 ⑪金刚砂（SiC） ⑫氧化铝陶瓷 ⑬石墨烯 (1)使用了硅单质的是 (填序号，下同) (2)使用了二氧化硅的是 。 (3)使用了硅酸盐材料的是 。 (4)使用了新型无机非金属材料的是 。 ⑧⑩ ⑤⑥⑦⑨ ①②③④ ⑤⑥⑦⑧⑨⑩⑪⑫⑬ 谢谢观看 学科网 rbm.xkw.com rbm.xkw.com rbm.xkw.com Lavf58.20.100 学科网版权所有 ①　　　　　 　②　　　　　　③ Si＋3HClSiHCl3＋H2 SiHCl3＋H2Si＋3HCl ①　　　　　 　②　　　　　　③ $