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

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 无机非金属材料 水泥 传统无机非金属材料（多为硅酸盐材料） 新型无机非金属材料 玻璃 陶瓷 硅和二氧化硅 新型陶瓷 碳纳米材料 2 世界著名高科技产业区——硅谷 信息化时代的每一件高科技通讯设备都离不开一个小小的芯片，那么芯片是用什么材料制成的呢？ 硅 存在 物性： 化性 工业制备 任务一、硅 用途 结构： 【自学】阅读教材相关内容，完成对硅的全方位了解 硅酸盐矿石 水晶（ SiO2 ） 玛瑙（ SiO2 ） 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。 1、硅在自然界中主要以： 任务一、硅 (3)晶体硅的结构 Si原子 晶体硅和金刚石的结构相似。在晶体中每个硅原子都以共价键与相邻4个硅原子结合，形成正四面体的立体网状。 2、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;是良好的半导体材料。 任务一、硅 硅在地壳中含量居第二位 半导体材料 (4)硅的化学性质 在常温下只能与F2、HF、NaOH溶液反应，加热时能与O2 、Cl2 反应。 Si+2F2 = SiF4 Si+4HF = SiF4↑+2H2↑ Si+2NaOH+H2O = Na2SiO3+2H2↑ 加热 Si+O2 == SiO2 加热 Si+Cl2 == SiCl4 高温 Si+C == SiC （常温下为液体） (金刚砂) ②芯片 ③太阳能电池 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。 高纯硅的应用 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。 SiO2+2C ===========Si+2CO↑ 1800~2000 ℃ Si+3HCl ===== SiHCl3+H2 300 ℃ SiHCl3+H2 ===== Si+3HCl 1100 ℃ 制取粗硅： 粗硅提纯： 目前提得最纯的元素是半导体材料硅。其纯度已达到12个“9”， 即99.9999999999%。杂质含量不超过一千万亿分之一。 SiO2 存在： 物性： 化性 酸性氧化物 弱氧化性 用途： 特性 任务二、二氧化硅 结构： ①与强碱溶液反应： ②与碱性氧化物反应： 高沸点酸酐制低沸点酸酐 任务二 、二氧化硅SiO2 (1)存在形态 天然的SiO2 (硅石） 水晶 玛瑙 玛瑙 水晶 硅藻土 自然界的沙子、岩石、石英的主要成分均为SiO2。 结晶形 （石英晶体） 无定形——硅藻土 任务二、二氧化硅 2. SiO2的物理性质 【思考】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？ SiO2是一种难溶于水的固体，硬度大，熔点高。 3. SiO2的结构 【思考1】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，无限延伸，故化学式为SiO2 【思考2】1molSiO2含有多少mol Si-O键？ 以硅为研究对象，1mol SiO2 含有1mol Si，1molSi会形成4molSi-O键。 3. SiO2的化学性质 【思考1】碳和硅位于同一主族，探究二氧化碳和二氧化硅的化学性质有什么相同点和不同点。 (1)酸性氧化物 ①与强碱溶液反应： ②与碱性氧化物反应： SiO2 ＋ 2NaOH === Na2SiO3 ＋H2O SiO2＋ CaO ==== CaSiO3 高温 【注意】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。 任务二、二氧化硅 【思考2】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？ 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。 硅酸钠（粘合性） 【思考3】加热熔融NaOH为什么不能使用陶瓷坩埚，石英坩埚和氧化铝坩埚？ 陶瓷和石英的主要成分都含有SiO2，SiO2能与NaOH反应，氧化铝坩埚的主要成分是Al2O3 ，也能与NaOH反应。 3. SiO2的化学性质 只能使用铁坩埚。 任务二、二氧化硅 (2)高沸点酸酐制低沸点酸酐 SiO2+Na2CO3 ==== Na2SiO3+CO2↑ SiO2+CaCO3 ==== CaSiO3+CO2↑ 高温 高温 (3)弱氧化性 SiO2 + 2C === Si + 2CO↑ 高温 （制粗硅） 【思考】由此反应能否说明碳的还原性大于硅？ 不能；该反应有CO脱离体系，促进反应进行。 3. SiO2的化学性质 (4)特性 （在玻璃上雕花刻字） 【注意】HF是唯一能与SiO2反应的酸。 SiO2＋4HF === SiF4↑＋ 2H2O 【思考1】 SiO2既能与强碱反应，又能与HF反应，SiO2是两性氧化物吗？ 不是，二氧化硅和其他酸不反应，只能与HF酸反应，且生成的SiF4不是盐。 【思考2】 氢氟酸该如何保存？ 保存在塑料瓶中。 任务二、二氧化硅 用氢氟酸“刻”出的玻璃工艺品 4. SiO2的用途 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。 【思考】光导纤维能导电吗？ 光导纤维通信的原理：光在二氧化硅形成的光密介质中全反射传递信息。故光导纤维的通信具有容量大，抗干扰性能好，传输的信号不易衰减，能有效提高通信效率。 因为光纤的成分是SiO2，只传光，不导电，不会受到电磁场的影响 练习 1.下列物品或设备的成分中含有二氧化硅的是( )， 含有硅单质的是( )。 ①门窗玻璃　②水晶镜片　③石英钟表　④玛瑙首饰 ⑤硅太阳能电池 ⑥光导纤维　⑦计算机芯片 A.①②③④⑥ B.全部 C.⑤⑦ D.①②⑥⑦ A C 三、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。 1.碳化硅——俗称金刚砂，一种新型高温结构陶瓷 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。 硬度大，熔点高，抗氧化。 砂纸和砂轮的磨料、耐高温结构材料、耐高温半导体材料。 结构： 性质: 应用: ①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、耐磨蚀等优良性能。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。 ②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。 ③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。 ④超导陶瓷：在某一临界温度下电阻为零，具有超导性，用于电力、交通、医疗等领域。 科学·技术·社会---新型陶瓷 高温陶瓷 透明陶瓷 超导陶瓷 压电陶瓷 新型陶瓷 概述 性能 主要应用 高温结 构陶瓷 碳化硅、氮化硅或某些金属氧化物等在高温下烧结而成 耐____、抗氧化、耐____ 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、锆酸盐等 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 高温 磨蚀 机械 电 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，____ __好 高压钠灯、激光器和高温探测窗等 超导陶瓷 — 某一临界温度下具有超导性 电力、交通、医疗等领域 绝缘性 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 可以看成是由________卷成的管状物，具有纳米尺度的直径 比表面积大，有相当高的____和优良的____性能 生产复合材料、电池和传感器等 石墨烯 __________________厚度的单层石墨 电阻率__、热导率__，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 碳原子 C60　 石墨片层 强度 电学 只有一个碳原子直径 低 高 3、碳纳米材料 注：碳纳米材料(富勒烯、石墨烯等)、金刚石、石墨都是碳的同素异形体，它们具有不同的结构(碳原子排列方式不同)和性质。 无机非金属材料 新型无机非金属材料 传统无机非金属材料 多为硅酸盐材料 陶瓷 玻璃 水泥 硅单质 太阳能电池 集成电路 晶体管 计算机芯片 光导纤维 二氧化硅 新型陶瓷 碳纳米材料 高温结构 陶瓷 压电陶瓷 透明陶瓷 超导陶瓷 富勒烯 石墨烯 碳纳米管 明辨是非 (1)生产光导纤维的原料是二氧化硅(　　) (2)SiO2与NaOH和氢氟酸均能反应，所以SiO2属于两性氧化物(　　) (3)因Na2CO3＋SiO2 Na2SiO3＋CO2↑，所以硅酸的酸性比碳酸强(　　) (4)水晶、石英、沙子、玛瑙、光导纤维的主要成分均是SiO2(　　) (5)CO2和SiO2都是由分子构成的，所以两者物理性质相似(　　) (6)可以通过SiO2与水反应一步制得硅酸(　　) (7)金刚砂和金刚石结构类似，互为同素异形体(　　) (8)光导纤维和石墨烯均是新型无机非金属材料(　　) (9)碳纳米管不能导电(　　) (10)石墨烯卷成管状结构发生了化学变化(　　) × √ × √ × × × √ × √ Multimedia Cloud Transcode (cloud.baidu.com) $