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

年 级：高一 学 科：化学（人教版） 主讲人：lrp 学 校：四川省华蓥中学 课时 5.3 无机非金属材料 第五章 化学生产中的重要非金属元素 1 【学习目标】 1、通过阅读交流，了解陶瓷、玻璃、水泥等传统硅酸盐材料的生产原料、性能和主要用途，知道普通玻璃的主要成分，感受传统硅酸盐材料在城乡建设中发挥的重要作用。 2、通过自主学习，了解晶体硅、二氧化硅、新型陶瓷、碳纳米材料的性能和用途，感受新型无机非金属材料的奇特性能及其在高科技领域所发挥的重要作用，激发学生学习化学的兴趣。 3、联系生活实际和现代科技成果，了解粗硅的制法和高纯硅的提纯原理及纳米材料的类别结构特点、性能和用途，感受化学就在身边，培养科学探究的精神和社会责任感。 高中化学必修二 高中化学高一下册 四川省华蓥中学lrp 第五章 化学生产中的重要非金属元素 2 宏观辨识与微观探析： 能够从宏观角度认识无机非金属材料（如陶瓷、玻璃、水泥等）的外观、性质和用途。从微观层面理解这些材料的组成结构对其性质的影响。 证据推理与模型认知： 建立无机非金属材料的结构 - 性质 - 用途的认知模型，利用该模型预测新的无机非金属材料或解释材料性能变化的原因。 科学探究与创新意识： 了解无机非金属材料在现代科技、工业、建筑等领域的重要应用，如光纤通信中的光导纤维（主要成分是二氧化硅），培养对科学技术发展的积极态度。 素养目标 高中化学必修二 高中化学高一下册 四川省华蓥中学lrp 第五章 化学生产中的重要非金属元素 【探索新知】 材料是人类赖以生存和发展的物质基础，人类使用的材料除了金属材料，还有无机非金属材料等。从组成上看，许多无机非金属材料含有硅、氧等元素，具有耐高温、抗腐蚀、硬度高等特点，以及特殊的光学、电学等性能。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，成为航空、航天、信息和新能源等高技术领域必需的材料。 高中化学必修二 高中化学高一下册 四川省华蓥中学lrp 第五章 化学生产中的重要非金属元素 请你思考！ 你知道这些地标性建筑用到了哪些材料吗？ 新课导入 高中化学必修二 高中化学高一下册 四川省华蓥中学lrp 第五章 化学生产中的重要非金属元素 请你说说！ 列举你所知道的身边的材料，了解材料的分类! 新课导入 高中化学必修二 高中化学高一下册 四川省华蓥中学lrp 第五章 化学生产中的重要非金属元素 材料是人类赖以生存和发展的物质基础，人类使用材料除了金属材料，还有无机非金属材料等。许多无机非金属材料含有硅、氧等元素，具有耐高温、抗腐蚀、硬度高等特点，以及特殊的光学、电学等性能。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，成为航空、航天、信息和新能源等高技术领域必需的材料。 1.材料分类 金属材料：包含纯金属和合金 无机非金属材料 有机高分子材料 复合材料 传统无机非金属材料 新型无机非金属材料 高中化学必修二 高中化学高一下册 四川省华蓥中学lrp 第五章 化学生产中的重要非金属元素 一、硅酸盐材料1、硅酸盐的组成及结构 （1）无机非金属材料的性能、用途和组成 ① 无机非金属材料 含有元素： ； 性能：耐高温、抗腐蚀、硬度高、特殊的光学、电学等性能 分类： ； 应用： 日常生活应用、航空航天领域、新能源领域、信息领域 ②硅酸盐组成表示方法：通常用 和 的组合形式表示其组成。例如：硅酸钠(Na2SiO3)： ，长石(KAlSi3O8)： 。 硅氧等元素 传统无机非金属材料、新型无机非金属材料 二氧化硅 金属氧化物 Na2O·SiO2 K2O·Al2O3·6SiO2 高中化学必修二 高中化学高一下册 四川省华蓥中学lrp 第五章 化学生产中的重要非金属元素 【注意】硅酸盐氧化物形式的改写：① 书写形式：氧化物之间以“·”隔开(氧化物的排列顺序：活泼金属氧化物→较活泼金属氧化物→二氧化硅→水)② 化学计量数若出现分数时应化为整数(配置原则：各元素原子总个数比值符合原来的组成)例如：钠长石(NaAlSi3O8)不能写成 Na2O· Al2O3·3SiO2， 应写成 。 Na2O·Al2O3·6SiO2 高中化学必修二 高中化学高一下册 四川省华蓥中学lrp 第五章 化学生产中的重要非金属元素 （2）硅酸盐的结构、性质、用途 ①硅酸盐是由 组成 的化合物的总称，硅酸盐是一类结 构复杂的物质，一般都 溶于水， 化学性质很稳定。②在硅酸盐中，Si和O构成了 。每个Si结合 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，二氧化硅晶体中硅原子和氧原于的个数比为 ，二氧化硅晶体中Si原子与Si—O键的比为 ，即1mol SiO2晶体中约含 个Si—O共价键。③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。 硅、氧和金属元素 不 硅氧四面体 1:2 1:4 4NA 4 高中化学必修二 高中化学高一下册 四川省华蓥中学lrp 第五章 化学生产中的重要非金属元素 2、三种常见的硅酸盐产品 陶瓷 普通玻璃 普通水泥 原料 黏土 纯碱(Na2CO3)、石灰石(CaCO3)、石英砂(SiO2) 主要原料：石灰石、黏土，辅助原料：适量的石膏 设备 陶瓷窑 玻璃窑 水泥回转窑 主要成分 含水的铝硅酸盐 硅酸钠(Na2SiO3)、硅酸钙(CaSiO3)、二氧化硅(SiO2) 硅酸三钙(3CaO·SiO2)、 硅酸二钙(2CaO·SiO2)、 铝酸三钙(3CaO·Al2O3) 用途 建筑材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具等 建筑材料、光学仪器、各种器皿、制造玻璃纤维等 大量用于建筑和水利工程 反应原理 发生复杂的物理化学变化（不要求） 发生复杂的物理化学变化（不要求） Na2CO3＋SiO2 Na2SiO3 ＋CO2↑ CaCO3＋SiO2 CaSiO3＋CO2↑ 高中化学必修二 高中化学高一下册 四川省华蓥中学lrp 第五章 化学生产中的重要非金属元素 二、新型的无机非金属材料1、硅和二氧化硅（1）硅的存在、结构及用途： 存在 结构 周期表中位置 用途 含量 存在形态 结构示意图： 空间结构： Si导电性介于导体和绝缘体之间,是良好的半导体材料,硅是信息技术的关键材料 地壳中 居第二位 氧化物 和硅酸盐 第三周期、第ⅣA族 高中化学必修二 高中化学高一下册 四川省华蓥中学lrp 第五章 化学生产中的重要非金属元素 （2）高纯硅的制备a.制备流程: b.制备原理（主要化学反应）： 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？ SiO2＋2C Si（粗）＋2CO↑ 1800～2 000 ℃ 300 ℃ Si(粗)＋3HCl SiHCl3＋H2；SiHCl3＋H2 Si(纯)＋3HCl 1100 ℃ 不能说明碳的还原性大于硅的原因是虽然C的非金属性强于Si，但该反应仍然是一种平衡，只是平衡时向右进行的程度很小，但只要把气体产物CO不断排出平衡体系，就可以使平衡向右移动；气体CO分离出原体系，只能说明碳易与氧结合。高温下生成了气态的一氧化碳，一氧化碳是非常的稳定，又能脱离反应体系，才能使反应平衡右移，顺利进行。 高中化学必修二 高中化学高一下册 四川省华蓥中学lrp 第五章 化学生产中的重要非金属元素 高中化学必修二 高中化学高一下册 四川省华蓥中学lrp 第五章 化学生产中的重要非金属元素 （3）硅的性质 a.物理性质：晶体硅是一种带有 的灰黑色固体，晶体硅熔点 、硬度 、有脆性，导电性介于导体和绝缘体之间，是良好的 材料。 b.化学性质：(1)常温下，硅的化学性质不活泼，只与F2、HF、强碱(如NaOH)溶液反应①与氟气反应： ; ②与氢氟酸反应： ;③与NaOH溶液反应： 。 (2)加热和高温时，能与O2、Cl2、C等反应①与O2反应： ②与Cl2反应： ; ③与C反应： . 金属光泽 高 大 半导体 Si ＋ 2F2 = SiF4 Si＋ 4HF = SiF4↑＋ 2H2↑ Si＋2NaOH＋H2O = Na2SiO3＋2H2↑ 2Al＋2NaOH＋6H2O = 2Na[Al(OH)4]＋3H2↑ Cl2＋2NaOH =NaCl＋NaClO＋H2O 3S＋6NaOH = 2Na2S＋Na2SO3＋3H2O Si＋O2 SiO2 Si＋2Cl2 SiCl4 Si＋C SiC 高中化学必修二 高中化学高一下册 四川省华蓥中学lrp 第五章 化学生产中的重要非金属元素 硅的应用 利用其半导体性能制成计算机、通信设备和家用电器的芯片。 光伏电站、人造卫星和电动汽车的硅太阳能电池等。 高中化学必修二 高中化学高一下册 四川省华蓥中学lrp 第五章 化学生产中的重要非金属元素 请你思考！ 沙子、石英砂、石英、玛瑙、水晶的主要成分是什么吗？ 主要成分均为SiO2 高中化学必修二 高中化学高一下册 四川省华蓥中学lrp 第五章 化学生产中的重要非金属元素 （4）二氧化硅的性质①酸性氧化物：SiO2＋2NaOH = 。思考：实验室盛NaOH溶液的试剂瓶为什么用橡胶塞不用玻璃塞？NaOH溶液能与玻璃中的SiO2反应生成 Na2SiO3： ，硅酸钠水溶液有粘性，使瓶塞部分粘结而无法打开。因此盛装NaOH溶液的试剂瓶不能用玻璃塞而要用 塞，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。 Na2SiO3＋H2O SiO2＋2NaOH =Na2SiO3＋H2O 橡胶塞 高中化学必修二 高中化学高一下册 四川省华蓥中学lrp 第五章 化学生产中的重要非金属元素 ②、高温下，Na2CO3、CaCO3与SiO2反应制玻璃的化学方程式为： 、 。 思考：根据反应 ，能否证明硅酸的酸性比碳酸强？若不能，又该 如何证明？饱和碳酸氢钠溶液 的作用？ ③、与碱性氧化物反应： ④、不溶于水，不与水反，因为硅酸不溶于水（特殊性） SiO2 + CaO CaSiO3 高温 不能，用如下反应来证明： Na2SiO3＋CO2 ＋H2O=H2SiO3↓＋ Na2CO3 高中化学必修二 高中化学高一下册 四川省华蓥中学lrp 第五章 化学生产中的重要非金属元素 ⑤、与氢氟酸反应的化学方程式为： （特性） ⑥、弱氧化性： 。 SiO2＋4HF = SiF4↑＋2H2O SiO2＋2C Si＋2CO↑ 　 == 高温 （5）CO2和SiO2的比较①物理性质差别很大的原因：SiO2是 的晶体，不存在SiO2分子，而CO2是由碳、氧原子结合成的分子，微粒间的作用力远小于SiO2。②CO2和SiO2的比较： 立体网状结构 高中化学必修二 高中化学高一下册 四川省华蓥中学lrp 第五章 化学生产中的重要非金属元素 物质 二氧化硅 SiO2 二氧化碳 CO2 存在 存在于岩石、沙子、石英、水晶、硅藻土中 空气，燃料的燃烧产物 物理性质 固体，难溶于水，熔、沸点高，硬度大 通常情况下为无色无味气体，密度比空气大，微溶于水 化学性质 ①与水反应 ②与酸反应 ③与碱液反应 ④与碱性氧化物反应 ⑤与碳反应 不反应 CO2＋H2O H2CO3 只与氢氟酸反应SiO2＋4HF = SiF4↑＋2H2O 不反应 SiO2＋2NaOH=Na2SiO3＋H2O(盛碱液的试剂瓶用橡皮塞) CO2＋2NaOH=Na2CO3＋H2O 或CO2＋NaOH=NaHCO3 如与Na2O反应：CO2＋Na2O = Na2CO3 如与CaO反应：SiO2＋CaO CaSiO3 SiO2＋2C Si＋2CO↑ CO2＋C 2CO △ 用途 制饰品、坩埚、光导纤维 干冰用于人工降雨 高中化学必修二 高中化学高一下册 四川省华蓥中学lrp 第五章 化学生产中的重要非金属元素 （6）硅和二氧化硅的用途单质硅：①信息技术：单质硅是应用最为广泛的 ，如硅晶片是生产 的基础材料；②新能源技术： 电池。二氧化硅：用于生产 。 制饰品、坩埚、光导纤维 太阳能 半导体材料 芯片 高中化学必修二 高中化学高一下册 四川省华蓥中学lrp 第五章 化学生产中的重要非金属元素 2、新型无机非金属材料 新型材料 成分 性能 主要应用 金刚砂 碳化硅(SiC) 硬度大、耐高温、抗氧化 磨料、耐高温结构材料、耐高温半导体材料 高温结构陶瓷 碳化硅、氮化硅、金属氧化物 耐高温、抗氧化、耐腐蚀 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 能实现机械能和电能的相互转化 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；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 用于高压钠灯、激光器、高温探测窗等 超导陶瓷 — 临界温度下具有超导性 用于电力、交通、医疗等领域 高中化学必修二 高中化学高一下册 四川省华蓥中学lrp 第五章 化学生产中的重要非金属元素 1. 新型陶瓷 类别 成分 性能 应用 高温 结构陶瓷 SiC Si3N4 某些金属氧化物 耐高温、抗氧化、耐腐蚀 透明陶瓷 氧化铝、氧化钇 氮化铝、氟化钙 优异的光学性能、耐高温，绝缘性好 高压钠灯、激光器、高温探测窗 压电陶瓷 钛酸盐、锆酸盐 实现机械能与电能的相互转化 滤波器、扬声器、点火器 超导陶瓷 YBa2Cu3O7-δ，Bi2Sr2Ca2Cu3O10，Tl2Ba2Ca2Cu3O10 某临界温度下电阻为零，超导性 电力、交通、医疗 火箭发动机、高温电极材料 高中化学必修二 高中化学高一下册 四川省华蓥中学lrp 第五章 化学生产中的重要非金属元素 3.碳纳米材料 概念 性能 用途 富勒烯 由碳原子构成的一系列笼形分子的总称，如C60 — 制碳纳米材料 碳纳米管 由石墨片层卷成的管状物，具有纳米尺度的直径 比表面积大，有相当高的强度和优良的电学性能 生产复合材料、电池和传感器等 石墨烯 只有一个碳原子直径厚度的单层石墨 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、复合材料等方面的应用研究在不断深入 【课后练习】 高中化学必修二 高中化学高一下册 四川省华蓥中学lrp 第五章 化学生产中的重要非金属元素 (1)富勒烯——纳米王子 由碳原子构成的一系列笼形分子的总称，代表物：C60，C60的发现为纳米科学提供了重要研究对象，开启了纳米材料研究和应用的新时代。 1985，美国化学家斯莫利和柯尔以及英国化学家克鲁特 激光照射石墨 新型单质C60分子 1996年三人获诺贝尔化学奖 高中化学必修二 高中化学高一下册 四川省华蓥中学lrp 第五章 化学生产中的重要非金属元素 (2)碳纳米管——直达宇宙的太空天梯 碳纳米管可以看成是由石墨片卷成的管状物，具有纳米尺度的直径。比表面积大，具有高强度和电学性能，用于生产复合材料，电池、传感器。 1991年，日本化学家饭岛博士在对石墨电弧放电实验时，发现了有单层、多层石墨卷曲而成的碳纳米碳管。 高中化学必修二 高中化学高一下册 四川省华蓥中学lrp 第五章 化学生产中的重要非金属元素 (3)石墨烯——新材料之王 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。作为一种强度高用于光电器元件、超级电容器、电池和复合材料等。 高中化学必修二 高中化学高一下册 四川省华蓥中学lrp 第五章 化学生产中的重要非金属元素 课堂小结 高中化学必修二 高中化学高一下册 四川省华蓥中学lrp 第五章 化学生产中的重要非金属元素 【例1】判断正误 (1)玻璃纤维是有机物(　　) (2)硅酸盐结构较为复杂，大多不溶于水，化学性质很稳定(　　) (3)硅氧四面体中，硅原子与氧原子都是以共价键结合(　　) (4)水泥与玻璃的共同原料是石灰石，水泥与陶瓷的共同原料是黏土(　　) (5)陶瓷、玻璃、水泥的生产都需要在高温下进行(　　) (6)玻璃和水泥生产中都发生复杂的物理和化学变化(　　) × √ √ √ √ √ 高中化学必修二 高中化学高一下册 四川省华蓥中学lrp 第五章 化学生产中的重要非金属元素 【例2】高纯度晶硅是典型的无机非金属材料，又称“半导体”材料。它的发现和使用曾引起计算机的一场“革命”。它可以按下列方法制备： 下列说法不正确的是( ) A.步骤①的化学方程式：SiO2＋C Si＋CO2↑ B.步骤①中每生成1 mol Si，转移4 mol电子 C.步骤③中的反应为氧化还原反应 D.高纯硅是制造太阳能电池的常用材料 A 高温 高中化学必修二 高中化学高一下册 四川省华蓥中学lrp 第五章 化学生产中的重要非金属元素 【例3】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 高中化学必修二 高中化学高一下册 四川省华蓥中学lrp 第五章 化学生产中的重要非金属元素 【例4】判断正误 (1)生产光导纤维的原料是二氧化硅(　　) (2)SiO2既能和NaOH溶液反应，又能和氢氟酸反应，所以SiO2属于两性氧化物(　　) (3)因为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都是由分子构成的化合物，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(　　) × √ × √ × × × 高中化学必修二 高中化学高一下册 四川省华蓥中学lrp 第五章 化学生产中的重要非金属元素 1．下列关于硅酸盐材料的说法错误的是(　　) A．生活中常见的硅酸盐材料有玻璃、水泥、陶瓷 B．普通玻璃的主要成分是二氧化硅 C．陶瓷的主要原料是黏土 D．硅酸盐水泥以石灰石和黏土为主要原料 B 2. 下列有关硅的说法不正确的是(　　) A．硅是人类将太阳能转换为电能的常用材料 B．硅的导电性介于金属和绝缘体之间，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反应 D．加热到一定程度时，硅能与氯气、氧气等非金属反 C 随堂演练 高中化学必修二 高中化学高一下册 四川省华蓥中学lrp 第五章 化学生产中的重要非金属元素 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1 300 ℃时反应获得。 (1)根据性质，推测氮化硅陶瓷的用途是________(填字母)。 A.制汽轮机叶片 B.制有色金属 C.制永久性模具 D.制造柴油机 (2)写出氮原子结构示意图________，根据元素周期律知识，请写出氮化硅的化学式______。 ACD Si3N4 高中化学必修二 高中化学高一下册 四川省华蓥中学lrp 第五章 化学生产中的重要非金属元素 (3)氮化硅陶瓷抗腐蚀能力强，除氢氟酸外，它不与其他无机酸反应，试推测该陶瓷被氢氟酸腐蚀的化学方程式：______________________________。 (4)现用四氯化硅和氮气在氢气气氛保护下，加强热发生反应，可得较高纯度的氮化硅，反应的化学方程式为 。 Si3N4＋12HF===3SiF4↑＋4NH3↑ 3SiCl4＋2N2＋6H2 Si3N4＋12HCl 高中化学必修二 高中化学高一下册 四川省华蓥中学lrp 第五章 化学生产中的重要非金属元素 高中化学必修二 高中化学高一下册 四川省华蓥中学lrp 第五章 化学生产中的重要非金属元素 Lavf58.29.100 $