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

新人教版 化学 必修2 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 1.了解陶瓷、玻璃、水泥等传统硅酸盐材料生产原料、性能和主要用途，知道传统硅酸盐的重要作用。 2.了解硅二氧化硅的结构性质及其在生产中的应用，能区分新型与传统无机非金属材料的核心差异。 3.掌握常见新型无机非金属材料的主要成分、独特性质，结合性质认识其在高新技术、航天、医疗等领域的应用。 教学目标 材料分类 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 传统硅酸盐材料：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、碳纤维等 复合材料 传统无硅酸盐材料有哪些？ 新课导入 一、传统硅酸盐材料 1.陶瓷 主要原料 主要设备 生产条件 主要成分 特点 用途 黏土 陶瓷窑 高温烧结 含水的铝硅酸盐 抗氧化、抗酸碱腐蚀、耐高温、绝缘 生产建筑材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具等 一、传统硅酸盐材料 2.玻璃 主要原料 主要设备 生产条件 主要成分 特点 用途 纯碱、石灰石和石英砂 玻璃窑 生产建筑材料、光学仪器、各种器皿，制造玻璃纤维用于高强度复合材料等 Na2SiO3 、CaSiO3、SiO2 玻璃是非晶体，无固定熔点，透光性好，硬度大 高温下发生复杂的物理和化学变化 一、传统硅酸盐材料 (1) 普通玻璃制备方法 普通玻璃是以纯碱、石灰石和石英砂为原料，经混合、粉碎，在玻璃窑中熔融，发生复杂的物理变化和化学变化而制得。 SiO2+Na2CO3 Na2SiO3+CO2↑ SiO2+CaCO3 CaSiO3+CO2↑ 你能写出发生反应的化学方程式吗? 一、传统硅酸盐材料 (2) 特殊玻璃 种 类 加工处理 特性 用途 钢化玻璃 普通玻璃加热软化，然后急速冷却 耐高温、耐腐蚀、强度大、质轻、抗震裂 运动器材、微波通讯器材;汽车、火车窗玻璃等 光学玻璃 加铅(Pb) 透光性好，折射率高 眼镜片；照相机、显微镜、望远镜用凹凸透镜等光学仪器 含硼玻璃 加硼酸盐 耐化学腐蚀、耐温度急剧变化 制用于实验室使用的玻璃仪器 玻璃纤维 硅酸盐类混合物 耐腐蚀、不怕烧、不导电、不吸水、隔热、吸声、防虫蛀 太空飞行员的衣服、玻璃钢等 三、传统硅酸盐材料——玻璃 有色玻璃：加金属氧化物或者盐。常用于建筑和装饰 着色剂 玻璃颜色 MnO2 紫色 CoO、 Co2O3 紫红色 FeO、 K2Cr2O7 绿色 CdS、 Fe2O3 、Sb2S3 黄色 AuCl 、 Cu2O 红色 CuO 、 MnO2 、 Fe3O4 黑色 思考：家中常用的玻璃为什么微微带绿色？ 制造玻璃的原料里含有二价铁离子杂质带来的绿色，自然界的砂子、石灰石以及纯碱，或多或少总会有一些铁的化合物。 (2) 特殊玻璃 1.钢化玻璃与普通玻璃成分是否相同？ 2.石英玻璃、有机玻璃与普通玻璃成分是否相同？ 相同 不同 ①石英玻璃主要成分是二氧化硅，不属于硅酸盐材料 ②有机玻璃：缩写为PMMA，化学名称叫聚甲基丙烯酸甲酯，是由甲基丙烯酸酯聚合成的有机高分子化合物，是一种有机高分子材料。有机玻璃又叫明胶玻璃、亚克力 思考讨论 一、传统硅酸盐材料 3.水泥 主要原料 辅助原料 主要设备 生产条件 性能 混凝土 用途 黏土和石灰石 水泥回转窑 水泥、砂、碎石等与水混合 高温煅烧 适量的石膏（调节水泥硬化速度） 制混凝土，大量用于建筑和水利工程 遇水逐渐变硬(水硬性)，硬化后性质稳定   陶瓷 玻璃 水泥 主要原料 生产设备 主要成分 用途 传统无机非金属材料——陶瓷、玻璃、水泥 黏土 陶瓷窑 含水的铝硅酸盐 建筑材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具等 建筑材料、光学仪器和各种器皿、制造玻璃纤维用于高强度复合材料等 制混凝土，大量用于建筑和水利工程 硅酸二钙、铝酸三钙等 Na2CO3、CaCO3、SiO2 黏土、石灰石 纯碱、石灰石、石英砂 玻璃窑 水泥回转窑 归纳总结 一、传统硅酸盐材料——硅酸盐 1.定义 2.存在 3.硅酸盐结构 由金属、硅、氧等元素形成的盐 硅酸盐一般结构复杂，存在于地壳、岩石中 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 个顶角许多四面体通过顶角的O相互连接每个 O 为两个四面体所共有，与 2 个 Si 相结合。 硅氧四面体 4.性质 大多硬度高、熔点高、难溶于水、化学性质稳定、耐腐蚀等。 一、传统硅酸盐材料——硅酸盐 5.表示方法 (1) 用盐的化学式表示，如Na2SiO3、CaSiO3 (2) 因矿物成分复杂，多用氧化物的形式表示，如Na2O•SiO2、CaO•SiO2 ①书写顺序：a活泼金属氧化物·b较活泼金属氧化物·cSiO2·dH2O ②计量数以整数书写，氧化物之间用小点隔开 ③元素化合价不变、原子比例不变 典例.长石（KAlSi3O8）、高岭土[Al2Si2O5(OH)4]如何用氧化物形式表示？ K2O·Al2O3·6SiO2 Al2O3·2SiO2·2H2O 硅酸钠 Na2SiO3 表示： 镁橄榄石 Mg2SiO4 表示： 高岭石 Al2Si2O5(OH)4 表示： 正长石 KAlSi3O8 表示： 钾云母(KH2Al3Si3O12) 表示： K2O·Al2O3·6SiO2 K2O·3Al2O3·6SiO2·2H2O 请将下列硅酸盐改写为氧化物形式 Na2O·SiO2 2MgO·SiO2 Al2O3·2SiO2·2H2O 典例剖析 一、传统硅酸盐材料——硅酸盐 6.最简单的硅酸盐—Na2SiO3 (1) 物理性质 其水溶液俗称水玻璃，又称泡花碱，是一种无色黏稠的液体，黏性很强。 白色固体，具有黏合性，可溶于水。 (2) 化学性质 硅酸钠水溶液呈碱性，易吸收空气中CO2而变质 Na2SiO3+H2O+CO2=H2SiO3↓+Na2CO3 (3) 用途 ① Na2SiO3溶液（水玻璃）——木材防火、黏胶剂等 ②制备硅酸、硅胶 练习(1)硅酸钠溶液与盐酸反应生成硅酸(H2SiO3)沉淀，其离子方程式是_______ 。 (2)过量的二氧化碳通入硅酸钠溶液中，反应的离子方程式是_____________ 。 2H＋===H2SiO3↓ 典例剖析 你知道这些在建筑时都主要采用了哪些材料吗？ 思考讨论 二、新型无机非金属材料 1.硅单质 (1) 硅元素存在形式 硅是亲氧元素，在自然界中没有游离态，主要以硅酸盐和氧化物形式存在。 硅元素含量在地壳中居第二位。“养闺女贴钙” (2) 硅元素在元素周期表中位置 ①第三周期第ⅣA族 ②金属与非金属分界线处 如地壳中的大多数矿物质 如水晶、玛瑙 (3) 硅的原子结构示意图 二、新型无机非金属材料 (4) 物理性质 ①灰黑色，有金属光泽，硬而脆的固体 ②晶体硅结构类似于金刚石，熔、沸点高、硬度大 ③晶体硅导电性介于导体与绝缘体之间，具有特殊的光学和电学性能 硅单质的形式：硅有晶体硅和无定形硅两种单质 (5) 用途 ①Si导电性介于导体和半导体之间，是良好的半导体材料 ②硅是信息技术的关键材料，高纯硅还用于传感器、探测器领域 ③制作硅芯片、太阳能电池 二、新型无机非金属材料 (6) 化学性质 Si+2F2 = SiF4 ①常温下，化学性质稳定，但能与氟气、氢氟酸、强碱发生反应。 Si + 4HF = SiF4↑ +2H2↑ Si+ 2NaOH + H2O = Na2SiO3 + 2H2↑ ②加热时能与氧气发生反应。 Si+2Cl2 = SiCl4 高温 Si+O2 = SiO2 △ ③高温时能与碳、氯气、氮气发生反应。 Si+C = SiC 高温 Si+N2 = Si3N4 高温 碳化硅(俗名：金刚砂) 二、新型无机非金属材料 (7) 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。 石英砂 焦炭 HCl H2 SiHCl3 高纯硅 1800~2000ºC 300ºC 1100ºC 工业制备高纯硅的原理示意图 粗硅 原料 ① ② ③ 二、新型无机非金属材料 (7) 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。 SiO2+2C = Si+2CO↑ 1800~2000 ℃ 制粗硅 粗硅 （高纯硅 99.9999999％） 粗硅 Si+3HCl = SiHCl3+H2 300 ℃ SiHCl3+H2 = Si+3HCl 1100 ℃ 提纯硅 二、新型无机非金属材料 2.二氧化硅 (1) 在自然界存在形式 结晶形——石英、水晶、玛瑙、沙子 无定形——硅藻土 (2) 结构 坚硬难熔的固体，不溶于水，纯净的晶体无色透明 O Si 立体网状结构——原子晶体 1 mol SiO2含有4 mol Si-O键 (3) 物理性质 请根据CO2与H2CO3的性质，推测SiO2与H2SiO3的性质，并写出相应的方程式。 已知 (1)CO2可以溶于水并生成H2CO3，作为酸性氧化物，还可以与碱、碱性氧化物反应； (2)H2CO3是一种二元弱酸，能使紫色石蕊溶液变红，不稳定,受热易分解。 Si SiO2 H2SiO3 Na2SiO3 思考讨论 二、新型无机非金属材料 2.二氧化硅 (4) 化学性质 ① 物质类别——酸性氧化物 × 不能与水反应生成硅酸 Si SiO2 H2SiO3 Na2SiO3 SiO2+CaO CaSiO3 高温 SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O SiO2+CaCO3 CaSiO3+CO2 ↑ 高温 SiO2+Na2CO3 Na2SiO3+CO2↑ 高温 工业生产玻璃原理 ② 元素价态——弱氧化性 SiO2 + 2C = Si + 2CO↑ (制粗硅) 高温 ③特性 SiO2+4HF = SiF4↑+2H2O 应用：玻璃中含有SiO2，所以可以用HF来刻蚀玻璃。 HF是唯一能与SiO2反应的酸 二、新型无机非金属材料 2.二氧化硅 (5) 用途 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。 玻璃仪器 精美瓷器 水晶、玛瑙 光导纤维（通信） 二、新型无机非金属材料 3.硅酸 (1) 存在形式 (2) 物理性质 (3) 化学性质 硅酸（偏硅酸 H2SiO3 原硅酸脱水后的稳定形式） 原硅酸（ H4SiO4 不稳定，易脱水）等 白色胶状固体，难溶于水 ①弱酸性：酸性比碳酸弱，不能使紫色石蕊溶液变红，只与强碱反应  H2SiO3＋2NaOH=Na2SiO3+2H2O (4) 制备方法 Na2SiO3＋CO2+H2O= H2SiO3↓ +Na2CO3  Na2SiO3＋2HCl=H2SiO3↓+2NaCl 强酸制弱酸 ②不稳定性：受热易分解 H2SiO3 SiO2 + H2O（工业制硅胶） △ 二、新型无机非金属材料 3.硅酸 (5) 硅胶 硅酸失水后形成硅胶，具有强吸水性，常用作干燥剂和催化剂的载体。 硅酸干凝胶 “硅胶”SiO2•nH2O 硅酸溶胶→硅酸凝胶→硅酸干凝胶即为 “硅胶”（ H2SiO3 和SiO2的混合物 ） 1.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。 2.SiO2虽然是酸性氧化物，但是不能与水直接化合成H2SiO3，那如何制备H2SiO3呢？ 通过可溶性硅酸盐与酸反应制备 SiO2＋2NaOH＝Na2SiO3＋H2O Na2SiO3＋2HCl＝H2SiO3↓＋2NaCl 3.根据SiO2的特性，氢氟酸该如何保存？ 保存在塑料瓶中 4.为什么实验室盛放碱溶液的试剂瓶使用橡胶塞，而不用玻璃塞？ 5.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？ 若使用带玻璃塞的试剂瓶盛放碱液，碱液能与玻璃中SiO2发生反应生成Na2SiO3，导致玻璃塞与瓶口内侧粘连而无法打开。 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 思考讨论 如何设计实验证明碳酸酸性大于硅酸。 原理： CO2＋H2O＋Na2SiO3＝H2SiO3↓＋Na2CO3 装置： CaCO3 盐酸 Na2SiO3 盐酸 CaCO3 Na2SiO3 NaHCO3 思考讨论 30 二氧化碳 二氧化硅 酸性 氧化物 水 碱 碱性 氧化物 碳酸盐 特性 氢氟酸 弱 氧化性 与碳 CO2+H2O=H2CO3 不反应 CO2+2NaOH=Na2CO3+H2O SiO2 + 2NaOH = Na2SiO3 +H2O CO2+CaO=CaCO3 CO2 +H2O+Na2CO3 =2NaHCO3 SiO2+CaO===CaSiO3 高温 SiO2+Na2CO3 ==== Na2SiO3+CO2↑ 高温 SiO2+CaCO3==CaSiO3+CO2↑ 高温 SiO2+4HF=SiF4↑+2H2O 不反应 CO2+C==2CO SiO2+2C ==== Si+2CO↑ 高温 归纳总结 二、新型无机非金属材料 5.新型无机非金属材料 组成 不再限于传统的硅酸盐体系 特性和功能 在光学、热学、电学、磁学等方面具有很多新的特性和功能 实例 SiC 具有类似金刚石的结构，硬度很大，可用作砂纸和砂轮的磨料 具有优异的高温抗氧化性能，使用温度可达1600℃，可用作耐高温结构材料、耐高温半导体材料 新型陶瓷 二、新型无机非金属材料 5.新型无机非金属材料的发展 新型材料 成分 性能 主要应用 金刚砂 ___________ 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 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 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； 用于高压钠灯、激光器、高温探测窗等 超导陶瓷 — 用于电力、交通、医疗等领域 碳化硅(SiC) 硬度大、耐高温、 抗氧化 耐高温、抗氧化、 耐腐蚀 能实现机械能和电能 的相互转化 具有优异的光学性能、 耐高温、绝缘性好 临界温度下具有超导性 (1) 新型陶瓷 二、新型无机非金属材料 5.新型无机非金属材料的发展 新型材料 结构 性能 用途 碳纳米材料 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 光电器件、超级电容器、电池、复合材料等 新材料之王 直达宇宙的太空天梯 纳米王子 (2) 碳纳米材料 H2O+CO2/HCl Si Na2SiO3 SiO2 H2SiO3 O2 /△ F2 Na2O、NaOH NaOH 物质类别 化 合 价 单质 氧化物 盐 含氧酸 0 +4 酸碱转化 氧化还原转化 Na2CO3 C/高温 SiF4 HF HF NaOH SiCl4 Cl2 H2 氯化物 △ SiHCl3 HCl H2 +2 课堂总结 1.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 2.玻璃、陶瓷和水泥是重要的无机非金属材料，它们的主要成分中都含有的元素是(　　 ) A．氮 B．硫 C．硅 D．氯 　C 课堂练习 3.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 4.有些科学家提出硅是“21世纪的能源”，这主要是由于作为半导体材料的硅在太阳能发电过程中具有重要的作用。下列有关硅的说法中，不正确的是( ) A.高纯度的硅广泛用于制作计算机芯片 B.硅是人类将太阳能转换为电能的常用材料 C.常温下，硅与水、空气和酸不反应，但能与氢氟酸和氢氧化钠反应 D.由于硅的化学性质不活泼，自然界中存在大量的单质硅 D 课堂练习 5.下列说法中，正确的是( ) A.二氧化硅和二氧化碳都是酸性氧化物，所以二氧化硅能和水反应生成硅酸 B.泡花碱属于盐类，水溶液俗称水玻璃，可用于生产黏合剂和防火剂；硅胶可做干燥剂 C. SiO2可与氢氟酸反应,所以也能与盐酸反应 D. Si和SiO2都用于制造光导纤维 B 课堂练习 6.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．酸性氧化物的通性 C．将挥发性的酸酐从其盐中“置换”出来 D．氧化性 E．未参加氧化还原反应 B C D E A 高温 高温 高温 课堂练习 课堂练习 7. 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 8. 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 9.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 课堂练习 10.习主席在2020年新年贺词中强调“5G商用加速推出，凝结着新时代奋斗者的心血和汗水，彰显了不同凡响的中国风采、中国力量”，而制造芯片用到高纯硅，用SiHCl3(沸点：31.85℃，SiHCl3遇水会剧烈反应，除生成H2SiO3、HCl外，还生成一种气体a)与过量H2在1100～1200 ℃反应制备高纯硅的装置如下图所示(夹持装置和尾气处理装置略去)，下列说法错误的是（ ） A．实验时，先打开装有稀硫酸仪器的活塞，收集尾气验纯，再预热装置Ⅳ石英管 B．装置Ⅱ、Ⅲ中依次盛装的是浓H2SO4、温度高于32℃的温水 C．Ⅰ装置可用于二氧化锰固体与浓盐酸反应制备氯气 D．a气体为H2 C 课堂练习 新人教版 化学 必修2 第五章 化工生产中的重要非金属元素 谢谢观看 Multimedia Cloud Transcode (cloud.baidu.com) Content Adaptive Encoding 3.1 ＋2H2O===H2SiO3↓＋2HCO SiO＋ SiO＋2CO2 Lavf58.20.100 $