5.3.2新型无机非金属材料 课件-2025-2026学年高一下学期化学人教版必修第二册

5.3.2 新型无机非金属材料 随着工业生产和社会发展对材料性能要求的提高， 一批新型无机非金属材料相继诞生 一些材料含碳、氮等其他元素，在航天、能源和医疗等领域广泛应用 高纯度的含硅元素的材料：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。 新型无机非金属材料具有的特性 ① 承受高温，强度高 ② 具有光学特性 ③ 具有电学特性 ④ 具有生物功能 单质硅 1. 硅元素 硅元素位于周期表第三周期、第ⅣA族 最外层电子数为4个，硅既难失去电子，也难得到电子 硅是一种亲氧元素，其在自然界中总是与氧元素结合 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，是良好的半导体材料 自然界中的硅主要以硅酸盐（如地壳中的大多数矿物质）和氧化物（如水晶、玛瑙）的形式存在。 因此，硅在自然界不存在游离态 1. 物理性质 灰黑色晶体，有金属光泽 熔沸点高、硬度大、有脆性 导电性:介于导体和绝缘体之间 是应用最广泛的半导体材料 单质硅 单质硅 2. 化学性质 Si的性质不活泼，在常温下只能与F2、氢氧化钠反应、氢氟酸(HF); 在加热时，Si可与O2、Cl2、C等反应 (1) 常温下 Si + 2F2 = SiF4 Si+2NaOH+H2O == Na2SiO3+2H2↑ Si + 4HF == SiF4↑+2H2↑ (氢氟酸是唯一能与硅反应的酸) (2) 加热时 加热 Si + 2Cl2 == SiCl4 加热 Si+O2 == SiO2 高温 Si + C == SiC (金刚砂) (气态) 单质硅 3. 用途 高纯硅广泛应用于信息技术和新能源技术领域 ①利用其半导体性能可以制成计算机、通讯设备和家用电器等的芯片 ②光伏电站、人造卫星和电动汽车等的硅太阳能电池 ③制造合金，如硅钢 工业上用焦炭还原石英砂，可制得含少量杂质的粗硅 SiO2+2C ==== Si + 2CO ↑ 高温 晶体硅中的杂质会影响其导电性，因而需要进一步制取高纯硅 硅单质 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。 石英砂 粗硅 SiHCl3 高纯硅 1800 ~ 2000℃ 300℃ 1100℃ 焦炭 HCl H2 [反应原理] ⑴SiO2+2C == Si + 2CO ↑ (粗硅) 高温 ⑵Si+3HCl == SiHCl3+H2 △ ⑶SiHCl3 + H2 == Si + 3HCl （高纯硅） 高温 反应(2)和反应(3)互为可逆反应吗？ 4.高纯硅的制备 (三氯甲硅烷) 二氧化硅 1. SiO2的存在形式 SiO2是硅最重要的化合物 地球上存在的天然二氧化硅称为硅石，约占地壳质量的12% 天然SiO2存在形态有结晶形和无定形两大类 沙子、硅藻土、石英、水晶、玛瑙的主要成分为SiO2 二氧化硅 2. SiO2的结构 在SiO2中，Si和O构成了硅氧四面体 每个四面体可通过氧原子不断连接形成立体的网状结构 SiO2晶体中不存在SiO2分子，只存在Si原子和O原子按2:1的比例组成 SiO2是比例式，不是分子式 【注】1molSiO2含有4mol硅氧键 3. SiO2的物理性质 常温下为固体、硬度大、熔沸点高、难溶于水、不导电 二氧化硅 4. 化学性质 (1) 酸性氧化物的通性 【注】二氧化硅不能与水反应生成硅酸 ①与强碱溶液反应： SiO2+2NaOH = Na2SiO3 + H2O 【思考】实验室存放碱溶液的试剂瓶可以是玻璃的， 但塞子却不用磨口玻璃塞而用橡胶塞，为什么？ NaOH与SiO2反应缓慢，且玻璃瓶内壁光滑，接触面积小，更不容易发生反应，因此可以用玻璃瓶盛放NaOH溶液。 但磨口玻璃塞增大了SiO2与NaOH溶液的接触面积， 促进反应的进行，生成 Na2SiO3， Na2SiO3会使瓶塞与瓶口黏结在一起 单质硅 4. 化学性质 (1) 酸性氧化物的通性 【注】二氧化硅不能与水反应生成硅酸 ①与强碱溶液反应： SiO2+2NaOH = Na2SiO3 + H2O 装碱性溶液的试剂瓶要用橡胶塞,不能用磨口玻璃塞 加热熔融NaOH不能使用瓷坩埚/石英坩埚/铝坩埚，应使用铁坩埚 ②与碱性氧化物反应： SiO2 + CaO CaSiO3 高温 (2)与某些盐反应： SiO2+Na2CO3 === Na2SiO3+CO2↑ 高温 SiO2+CaCO3 === CaSiO3+ CO2↑ 高温 (工业生产玻璃) 反应原理：难挥发酸酐制易挥发酸酐 单质硅 4. 化学性质 (3) 弱氧化性 SiO2+2C == Si + 2CO ↑ 高温 (制取粗硅) (4) 特性——亲氟性 SiO2 + 4HF == SiF4↑+2H2O (用于刻蚀玻璃) 氢氟酸是唯一能与SiO2反应的酸 SiO2不是两性氧化物 二氧化硅 ① 以SiO2为主要成分的沙子是基本的建筑材料 ② 纯净的SiO2用于生产光导纤维(新型无机非金属材料) ③水晶、石英和玛瑙可制作饰品和工艺品 光导纤维的通信容量大， 抗干扰性能好， 传输的信号不易衰减， 能有效提高通信效率 ④ 制作玻璃及光学仪器 ⑤ 水晶用来制造电子工业中的重要部件 SiO2的网状结构决定了它具有优良的物理和化学性质， 加上SiO2在自然界的广泛存在，从古到今都被人类广泛地应用着 5. 用途 光纤通信的原理：光在二氧化硅形成的光密介质中全反射传递信息 新型陶瓷 1. 碳化硅陶瓷 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、磁学等方面有很多新的特性和功能。 (1) 结构： 碳化硅（SiC），俗称“金刚砂” 碳原子和硅原子通过共价键连接，具有类似金刚石的结构 (2) 性能及用途： 硬度大 ——用作砂纸和砂轮的磨料 优异的高温抗氧化性能 ——用作耐高温结构材料、耐高温半导体材料 【注】1molSiC含有4mol共价键 新型陶瓷 2. 高温结构陶瓷 一般用碳化硅、氮化硅(Si3N4)或某些金属氧化物等在高温下烧结而成 (1) 性能： 具有耐高温、抗氧化、耐磨蚀等优良性能 (2) 用途： 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 新型陶瓷 3. 压电陶瓷 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。 主要有钛酸盐和锆酸盐等 4. 透明陶瓷 主要有氧化铝和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 5. 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。 例如：人工关节、磁悬浮技术 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。 碳纳米材料 1. 富勒烯 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 性质： 用途： 具有超导性能 在电学、光学、磁学等方面都有重要应用 碳纳米材料 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 性质： 比表面积大， 有相当高的强度和优良的电学性能 用途： 用于生产复合材料、电池和传感器等 碳纳米材料 3. 石墨烯 石墨烯是只有一个碳原子直径厚度的单层石墨 性质： 用途： 电阻率低，热导率高，具有很高的强度 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 只有保鲜膜厚度的石墨烯, 薄层强度比世界上最好的钢铁还要高上100 倍！ 【注】富勒烯、碳纳米管、石墨烯，均为碳的同素异形体 【新型无机非金属材料】 硅 二氧化硅 新型陶瓷 碳纳米材料 应用: 芯片、太阳能电池 用于制光导纤维 高温结构陶瓷：SiC（金刚砂）、氮化硅Si3N4 压电陶瓷 透明陶瓷 超导陶瓷 富勒烯 碳纳米管 石墨烯 互为同素异形体 课堂练习 【课本】P25 1. 下列叙述错误的是（ ） A. 硅在自然界中以单质形式存在 B. 硅是应用最广泛的半导体材料 C. 高纯硅可用于制造计算机芯片 D. 二氧化硅可用于生产玻璃 A 课堂练习 【课本】P25 2. 下列物品或设施： ①混凝土桥墩 ②玻璃门窗 ③水晶镜片 ④石英钟 ⑤水晶项链 ⑥硅太阳能电池 ⑦石英光导纤维 ⑧计算机芯片 (1) 含有硅单质的是________________________(填编号，下同) (2)含有二氧化硅的是________________________ (3)含有硅酸盐的是________________________ ⑥ ⑧ ①②③④⑤⑦ ①② 【导学案】P38 例3 下列叙述正确的是( ) 。 C A.和 都是酸性氧化物，所以两者的物理性质相似 B.因为 ，所以硅酸的酸性比碳酸强 C.和 都能与碳反应，且都作氧化剂 D.既能和反应，又能和 反应，所以二氧化硅属于两性氧化物 课堂练习 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 24 【导学案】P38 例4 纯二氧化硅可用下列流程制得。下列说法不正确的是( ) 。 D A. 可用作木材防火剂 B.步骤Ⅱ的反应是 C.步骤Ⅱ中的稀硫酸可用 来代替 D.步骤Ⅲ在实验室中一般在蒸发皿中进行 课堂练习 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 25 【导学案】P38 随堂检测 1.下列物质中，按某分类标准能与玻璃、水泥、陶瓷归为一类的是( ) 。 A A.砖瓦 B.光导纤维 C.水玻璃 D.晶体硅 课堂练习 4.下列关于硅的叙述不正确的是( ) 。 C A.硅是非金属元素，但其单质是灰黑色有金属光泽的固体 B.硅单质的导电性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，在常温下不与任何物质反应 D.当加热到一定温度时，硅能与氧气、氢气等非金属单质反应 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 26 课堂练习 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 课堂练习 2、2018年 11月5日至7日,世界光纤光缆大会在杭州举行。本次大会以“一个光纤连接的智能世界”为主题,围绕“全球光纤光缆供需走势”、“5G和物联网带来的需求展望”、“一带一路”倡议和“智能制造”等热点议题展开深入讨论与交流。下列叙述正确的是 (　　) A.CO2与SiO2都能跟H2O反应生成相应的酸 B.SiO2与CO2都不能与酸反应 C.SiO2与CO2(干冰)都能够与氢氧化钠溶液反应 D.水晶的主要成分是SiC C 课堂练习 1、下列关于无机非金属材料的说法中正确的是(　　　) A．传统无机非金属材料是指：光导纤维、玻璃、水泥、陶瓷等硅酸盐材料 B．新型无机非金属材料虽然克服了传统无机非金属材料的缺点，但强度比较差 C．高温结构材料具有耐高温、耐酸碱腐蚀、硬度大、耐磨损、密度小等优点 D．传统无机非金属材料和新型无机非金属材料的主要成分都是硅酸盐　 C 2. 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。 （1）硅酸盐材料是重要的传统无机非金尾材料，也是日常生活、交通工具、建筑行业等不可缺少的材料之一。下列不属于硅酸盐产品的是　 　(填写序号) ①光导纤维 ②水泥 ③玻璃 ④陶瓷 （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　 　。 化合 ① 混合物 SiO2 + 4HF = SiF4↑ + 2H2O Si3N4 30 课堂练习 3、 下列关于硅酸的说法正确的是（　　） A．硅酸可以通过 SiO2 和 H2O 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 31 课堂练习 4. 能证明硅酸的酸性弱于碳酸酸性的实验事实是（　　） A．CO2溶于水形成碳酸，SiO2难溶于水 B．CO2通入可溶性硅酸盐中析出硅酸沉淀 C．高温下SiO2与碳酸盐反应生成CO2 D．CO2是气体，而SiO2是固体 B 课堂练习 5、下列关于二氧化硅的叙述正确的是（　　　） A．SiO2能与水反应生成硅酸 B．SiO2与CO2的结构相同 C．SiO2用于太阳能电池 D．SiO2与氢氧化钠反应生成的盐储存在带橡胶塞的试剂瓶中 D 知识巩固 课堂练习 6、下列有关硅及其化合物的说法中正确的是(　　　　) A．硅酸钠属于盐，不属于碱，所以硅酸钠可以保存在带有磨口玻璃塞的试剂瓶中 B．氢氟酸可用带橡胶塞的玻璃试剂瓶保存 C．普通玻璃、石英玻璃、水泥等均属于硅酸盐材料 D．水玻璃在空气中变质生成H2SiO3沉淀 D 34 知识巩固 课堂练习 7、下列关于硅的说法不正确的是 A．硅在地壳中的含量仅次于氧 B．硅在自然界中既有化合态，又有游离态 C．高纯度的硅可用于制造计算机芯片 D．硅单质的导电能力介于导体和绝缘体之间 B 35 $