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

5.3 无机非金属材料 思考与交流： 同学们想一想生活中我们看到的各种建筑和物品都是什么材料材料做成的，列举一下。 问题： 材料分为哪几类？ 材料: 有机材料 无机非金属材料 金属材料 复合材料 无机材料 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 一、传统无机非金属材料 陶瓷 原料： 历史： 应用： 黏土(主要成分为含水的铝硅酸盐) 青花瓷、唐三彩 生产建筑材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具等 反应条件： 高温烧结 新石器时代就能烧制 唐宋时期达到鼎盛： 传统的无机非金属材料都是硅酸盐材料，传统硅酸盐材料：如玻璃、陶瓷、水泥。 1.陶瓷 陶瓷传统生产过程 混和、成型、干燥、烧结、冷却 陶瓷主要种类 土器：砖瓦 (自然冷却，Fe2O3含量较多) (淋水冷却，Fe3O4、FeO较多) 陶器： 彩陶 江苏宜兴的紫砂壶、秦汉兵马俑 瓷器： 碗盘 茶具 炻器： 水缸、砂锅 注：①彩釉主要成分SiO2，不是陶瓷 ②搪瓷，主要由无机玻璃质材料制成，不属于陶瓷 红瓦 青瓦 玻璃 原料： 工业设备： 应用： 纯碱、石灰石和石英砂 玻璃窑 主要成分： Na2SiO3 、CaSiO3、SiO2 反应条件： 高温熔融 2.玻璃 玻璃是非晶体，称为玻璃态物质，无固定熔点，在某一温度范围内软化可加工成制品 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 特点： （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? 光学玻璃：加铅(Pb)。透光性好，折射率高；制光学眼镜、相机透镜 含硼玻璃：加硼酸盐。耐化学腐蚀、耐高温，制玻璃仪器 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 （2）特种玻璃 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。 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 思考与讨论 水泥 原料： 工业设备： 黏土、石灰石、石膏 水泥回转窑 石膏的作用： 条件： 高温煅烧，发生复杂的物理和化学变化 调节水泥硬化速率 3.水泥 用途 水泥、沙子和碎石等与水混合可以得到混凝土，大量用于建筑和水利工程。 传统无机非金属材料—陶瓷、玻璃、水泥   陶瓷 玻璃 水泥 主要设备 水泥回转窑 玻璃窑 —— 主要原料 黏土（主要成分为含水的铝硅酸盐） 纯碱、石灰石、石英砂（主要成分是SiO2） 黏土、石灰石 主要成分 Al2O3·2SiO2·2H2O Na2CO3、CaCO3、SiO2 硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙等 反应原理 高温烧结而成 高温下发生复杂的物理和化学变化 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 特点 抗氧化、抗酸碱腐蚀、耐高温、绝缘 玻璃是非晶体，称为玻璃态物质，无固定熔点，在某一温度范围内软化可加工成制品 具有水硬性，与水掺和搅拌并静置后，很容易凝固变硬 小结 化学Master 『人教版高中化学课本同步知识讲解』 化学Master 化学Master 1.判断正误 (1)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 ( ) (2)陶瓷、玻璃、水泥的生产都需要在高温下进行。 ( ) (3)玻璃和水泥生产中都发生复杂的物理和化学变化。 ( ) √ √ √ 陶瓷、玻璃、水泥，在日常生活中随处可见 你知道它们的主要成分是什么吗？ 二、硅酸盐材料 无机非金属材料一般含有 元素，具有 、 、 等特点，以及特殊的 、 等性能。多数熔点高，难溶于水(除Na、K盐外)，化学性质稳定 1．硅酸盐的结构 在硅酸盐中，Si和O构成了 ，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。其结构示意图为: 硅、氧 耐高温 抗腐蚀 硬度高 光学 电学 硅氧四面体 硅氧四面体的结构示意图 - - - - - - - - - - - - - - - - 【思考2】 自然界的岩石其外观、纹理、硬度等均存在巨大差异，试推测其原因是什么？ 2．硅酸盐 （1）定义： 由Si、O、金属（铝、铁、钙、镁、钾、钠等）等元素组成的化合物的总称。 （2）书写： 用盐的化学式表示，如：Na2SiO3 用氧化物形式表示，如：Na2O • SiO2 原则：X金属氧化物 • YSiO2 • ZH2O 注意事项： ①元素化合价不变，原子比例不变 ②计量数以整数书写 ③多种金属同时存在，活泼的写在前面 Al2O3 · 2SiO2 ·2H2O K2O·Al2O3·2SiO2 思考：正长石（KAlSi3O8）、高岭土[Al2Si2O5(OH)4]如何用氧化物形式表示？ Al2O3·2SiO2·2H2O K2O·Al2O3·6SiO2 硅酸钠 Na2SiO3 表示： 镁橄榄石 Mg2SiO4 表示： 钾云母(KH2Al3Si3O12) 表示： K2O·3Al2O3·6SiO2·2H2O Na2O·SiO2 2MgO·SiO2 (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 (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，硅酸凝胶、肥皂填充剂 3.最简单的硅酸盐：Na2SiO3 Na2SiO3 + 2HCl = 2NaCl + H2SiO3↓ Na2SiO3 + CO2+ H20 = Na2CO3 + H2SiO3↓ 强酸制弱酸：酸性：HCl > H2CO3 > H2SiO3 2.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(　　) × √ √ 实验步骤：在试管中加入2ml饱和Na2SiO3溶液，滴入1～2滴酚酞溶液，用胶头滴管逐滴加入稀盐酸，边加边振荡，至溶液颜色变浅并接近消失时停止。 实验现象：滴入酚酞溶液呈红色，滴加稀盐酸红色接近消失时，有透明胶状物质生成 Na2SiO3溶液显碱性，生成的硅酸不溶于水 实验结论： 4.补充知识——硅酸 酸性强弱：盐酸 > 碳酸>硅酸 硅酸的酸性比盐酸弱，那么，硅酸酸性与碳酸相比较如何呢？请你设计一个实验论证你的推断。 4. 硅酸H2SiO3 (1)弱酸性：二元弱酸，酸性比碳酸___，____ 使指示剂变色，加热易分解，失水后变硅胶。 H2SiO3 H2O+SiO2 弱 不能 物理性质：白色粉末状固体，不溶于水。 化学性质： (2)不稳定性：硅酸受热易分解 H2SiO3 + 2NaOH Na2SiO3 + 2H2O H2SiO3 + 2OH- SiO32- + 2H2O 硅酸凝胶经干燥脱水就形成干胶，称为“硅胶”。 用途:可作干燥剂和催化剂的载体。 蓝色硅胶干燥剂（氯化钴） 橙色硅胶干燥剂（甲基紫） 分子式为mSiO2·nH2O 硅胶 资料：透明小球是硅酸逐渐聚合而形成的胶体-硅酸溶胶，硅酸浓度较大时，则形成软而透明的、胶冻状的硅酸凝胶。硅酸凝胶经干燥脱水就形成硅酸干胶，称为“硅胶”。硅胶多孔，吸附水分能力强，常用做实验室和袋装食品、瓶装药品等的干燥剂，也可以用作催化剂的载体。 3.判断正误 (1)硅酸盐是由硅、氧和金属组成的混合物。( ) (2)硅酸盐结构较为复杂，大多难溶于水，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.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 化学与生活 弗里茨·哈伯 第一个从空气中制造出氨的科学家，加速了世界农业的发展，因此获得1918年诺贝尔化学奖。 航空航天 高铁运输 通信工程 随着科学技术的发展，无机非金属材料突破了传统的硅酸盐体系，一系列新型无机非金属材料相继问世。其中有一些是高纯度的含硅元素的材料，如单质硅、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；还有一些含有碳、氮等其他元素，在航天、能源和医疗等领域有着广泛的应用。 三、新型无机非金属材料 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。 硅太阳能电池 半导体材料 硅芯片 1. 硅单质——芯片和太阳能电池的主体 第三周期、第ⅣA族 位置 含量 结构 在地壳中居第二位 既不易失去也不易得到电子 主要形成四价的化合物 硅单质的正四面体立体网状结构，决定了硅熔点(1410℃)、沸点高、硬度大。 （1）硅元素的结构 硅 地壳中大多数矿物 (2) 存在形式 硅酸盐： 氧化物： 水晶、玛瑙 等 ——有亲氧性，以化合态存在 水晶（ SiO2 ） 玛瑙（ SiO2 ） （3）物理性质 晶体硅是__________________________的固体，其结构类似于金刚石，熔沸点_____、硬度 ，导电能力介于导体和绝缘体之间，是良好的__________。 灰黑色、有金属光泽、硬而脆 很高 大 半导体材料 （4）硅的化学性质 ② 在加热条件下，单质硅能与O2和Cl2等非金属单质反应。 ① 常温下化学性质不活泼，只能跟F2、HF和NaOH溶液反应。 Si＋2NaOH＋H2O＝Na2SiO3＋2H2↑ Si＋O2 SiO2 ∆ Si＋2Cl2 SiCl4 高温 Si＋2F2＝SiF4 Si＋4HF＝SiF4↑＋2H2↑ (5)硅的工业制备 石英砂 粗硅 SiHCl3 高纯硅 1800 ~ 2000℃ 焦炭 300℃ HCl 1100℃ H2 ① SiO2 + 2C Si(粗) + 2CO↑ 1800 0C ~ 2000 0C ② Si + 3HCl SiHCl3 + H2 300 0C ③ SiHCl3 + H2 Si + 3HCl 1100 0C 价值5元的沙子 价值5000元的芯片 2．二氧化硅 ⑴ 存在形式 硅藻土 石英、水晶、玛瑙、沙子 结晶形： 无定形： 统称硅石 空间构型：硅氧四面体 熔沸点高、硬度大、不溶于水、不导电 ⑵ 物理性质 (3) 用途 光导纤维、石英坩埚、建筑材料、电器部件 SiO2是二氧化硅的化学式(表示组成)而不是分子式，没有SiO2分子 Si原子和O原子比例 = 1:2 结构不同 立体网状结构决定了SiO2具有优良的物理和化学性质 思考1：为什么二氧化硅和二氧化碳物理性质有这么大的差别？ 思考2：实验室中盛放碱液的试剂瓶与盛放其它溶液的试剂瓶有何不同？ 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。所以必须用橡胶塞或软木塞 (4) 化学性质 用途：刻蚀玻璃 ①酸性氧化物 SiO2+2NaOH == Na2SiO3 + H2O SiO2 + Na2O ==== Na2SiO3 高温 与强碱溶液反应： 与碱性氧化物反应： ③弱氧化性 SiO2 + 2C ===== Si + 2CO↑ 高温 装NaOH的试剂瓶用橡胶塞而不用玻璃塞 用途：制粗硅 ④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 SiO2 + 4HF == SiF4↑+2H2O ②与HF反应 ——唯一能与SiO2反应的酸 2、埋在地下的光导纤维常因土壤成碱性而断路，为什么？用离子方程式 表示。 SiO2 + 2OH- = SiO32- + H2O 3、SiO2既能与HF酸反应又能和NaOH反应，所以它是两性氧化物？ 错。因为SiO2 + 4HF == SiF4↑+2H2O，生成的SiF4 不属于盐。 4、如何除去SiO2中混有的CaO杂质？ HCl 1、加热熔融NaOH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？ 陶瓷和石英中的SiO2能与NaOH反应，铝坩埚也能与NaOH反应，而铁不与NaOH反应。 思考： （5）SiO2用途——光导纤维 光导纤维 石英坩埚 玻璃仪器 精美瓷器 （通信） 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？ 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 3.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 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。 碳化硅陶瓷 碳化硅SiC：俗称金刚砂 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。 高温结构陶瓷 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。 压电陶瓷 高频压电陶瓷谐振器 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。 透明陶瓷 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。 超导陶瓷 4.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。 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 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。 比表面积是指单位质量物料所具有的总面积。 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。 课堂总结 一、传统无机非金属材料——硅酸盐材料 （1）陶瓷 （2）玻璃 （3）水泥 （1）硅和二氧化硅 （2）新型陶瓷 SiO2+2C========= Si+2CO Si+3HCl======= SiHCl3+H2 SiHCl3+H2=======Si+3HCI 1800~2000℃ 300℃ 1100℃ 二、新型无机非金属材料 （3）碳纳米材料 1．判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”) (1)制水泥、玻璃的共同原料是石灰石。 (　　) (2)硅酸盐是由硅、氧和金属组成的混合物。 (　　) (3)传统无机非金属材料陶瓷、水泥、玻璃的主要成分是 硅酸盐。(　　) (4)二氧化硅在电子工业中是最重要的半导体材料。(　　) 课堂练习 √　 ×　 √　 ×　 HF能腐蚀玻璃，因此，盛装氢氟酸不能用玻璃试剂瓶而要用塑料瓶。 2.HF酸应该用什么容器盛放？ Multimedia Cloud Transcode (cloud.baidu.com) Content Adaptive Encoding 3.0 学科网 rbm.xkw.com rbm.xkw.com rbm.xkw.com Lavf58.20.100 学科网版权所有 Lavf58.20.100 Lavf58.29.100 Bilibili VXCode Swarm Transcoder v0.7.36 $