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

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 第2课时 新型无机非金属材料 1.了解新型无机非金属材料的定义、主要类别，能区分新型与传统无机非金属材料的核心差异。 2.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。 3.初步了解新型无机非金属材料的发展趋势，体会化学在材料创新中的作用，建立“材料创新服务于人类社会”的化学观念。 教学目标 你知道这些在建筑时都主要采用了哪些材料吗？ 新课导入 怎么认识硅及其化合物的性质？ 结合碳及其化合物的相关性质，并根据硅的原子结构示意图以及在元素周期表的位置，推测硅及其化合物对应的性质 Si SiO2 H2SiO3 Na2SiO3 C CO2 H2CO3 Na2CO3 新课导入 自然界中的碳元素既有游离态（石墨、金刚石、C60等），又有化合态；碳的最外层都是4个电子，位于元素周期表的第IV A族，不容易失也不容易得电子，通常化学性质稳定，但在一定条件下也能与许多物质发生化学反应。 硬度高、熔点高、难溶于水，化学性质稳定 石墨 金刚石 2CuO+C 2Cu+CO2↑ C+O2(少量) 2CO 点燃 C+O2(足量) CO2 点燃 C+H2O(g) CO+H2 C + CO2 2CO 高温 高温 高温 新课导入 一、硅单质 1.硅元素在自然界的存在形式 存在 含量 存在形态 氧化物（如水晶、玛瑙） 硅酸盐（如地壳中的大多数矿物质） 地壳中居第 二 位 水晶 主要成分SiO2 玛瑙 主要成分SiO2 Na2SiO3泡花碱 水溶液俗称水玻璃 主要成分：3MgO·2siO2·2H2O 蛇纹石石棉 一、硅单质 2.元素周期表中位置 ①第三周期第ⅣA族 ②分界线处 3.原子结构示意图 4.物理性质 晶体硅为灰黑色固体，有金属光泽、硬度大质脆、熔点高，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 硅有晶体硅和无定形硅两种单质 一、硅单质 5.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、镁、氯气、氮气发生反应。 Si+C = SiC 高温 Si+N2 = Si3N4 高温 Si+Mg = Mg2Si 高温 碳化硅(俗名：金刚砂) 1.半导体工业中，有一句行话：“从沙滩到用户”，你知道其含义吗？请同学们分组讨论如何从沙滩到用户? 思考讨论 一、硅单质 6.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 一、硅单质 6.高纯硅的制备 （高纯硅 99.9999999％） 在高温下让粗硅（Si）与氯化氢（HCl ）反应，其产物在高温下被氢气（H2）还原而得到较纯的硅 SiO2+2C ========= Si+2CO↑ 1800~2000 ℃ 粗硅 Si+3HCl ===== SiHCl3+H2 300 ℃ SiHCl3+H2 ===== Si+3HCl 1100 ℃ 制粗硅 粗硅 提纯硅 一、硅单质 7.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 ③制作硅芯片、太阳能电池 ④高纯硅还用于传感器、探测器领域 硅太阳能电池 芯片 2.光导纤维被认为是20世纪最伟大的发明之一，它使信息高速公路在全球迅猛发展。光导纤维的主要成分是什么？碱性环境下，光导纤维为什么会失去传播信号的能力？ 思考讨论 二、二氧化硅 1.自然界存在形式 结晶形——石英、水晶、玛瑙、沙子 无定形——硅藻土 茶水晶 紫水晶 蔷薇石英 黄水晶 石英具有彩色环状或层状的称为玛瑙。 二、二氧化硅 2.结构 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 坚硬难熔的固体，不溶于水，纯净的晶体无色透明 二、二氧化硅 4.化学性质 (1) 酸性氧化物 SiO2＋2NaOH＝Na2SiO3＋H2O ★SiO2 不能与水化合生成硅酸。 a.硅酸钠(Na2SiO3,俗名泡花碱)是一种最简单的硅酸盐 b.Na2SiO3易溶于水，其水溶液俗称水玻璃，具有黏结力强、耐高温等特性，可以用作粘合剂和防火剂。 SiO2＋CaO CaSiO3 (2) 特殊性——与氢氟酸反应 SiO2 + 4HF = SiF4↑ + 2H2O HF是唯一能与SiO2反应的酸 不是盐，二氧化硅不是两性氧化物 你知道玻璃上的图案是如何刻上去的吗？ 涂腊 刻线 上腐蚀剂 刮腊 在玻璃上雕花刻字步骤 玻璃中含有SiO2，所以可以用HF来刻蚀玻璃。 拓展延伸 二、二氧化硅 4.化学性质 (3) 弱氧化性 SiO2 + 2C ===== Si + 2CO↑ 高温 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 5.用途 二氧化硅可用来生产光导纤维。 沙子是基本的建筑材料 石英和玛瑙制作饰物、工艺品、精密仪器等 1.实验室盛NaOH溶液的试剂瓶为什么用橡胶塞不用玻璃塞？ 2.实验室为什么不用玻璃瓶盛装氢氟酸？那应该用什么材质的试剂瓶？ 用塑料瓶 玻璃中有SiO2，Na2SiO3有黏合性，是一种黏合剂 3.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。 4.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？ 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 二、二氧化硅 6.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) 硅胶用途 ②不稳定性：受热易分解 H2SiO3 SiO2 + H2O（工业制硅胶） △ 硅酸溶胶→硅酸凝胶→硅酸干凝胶即为 “硅胶”（ H2SiO3 和SiO2的混合物 ） 催化剂的载体 干燥剂 如何通过实验来证明硅酸的酸性比碳酸弱？ CaCO3 盐酸 饱和Na2SiO3溶液 CO2(HCl) 排除干扰 思考讨论 如何通过实验来证明硅酸的酸性比碳酸弱？ 饱和 NaHCO3 溶液 饱和Na2SiO3溶液 CaCO3 盐酸 CO2(HCl) CO2 Na2SiO3 + CO2+H2O = H2SiO3 ↓ + 2NaCl 思考讨论 三、新型陶瓷 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 三、新型陶瓷 金刚砂 高温结构陶瓷 成分：碳化硅(SiC) 性能：硬度大、耐高温、抗氧化 主要应用：砂纸和砂轮的磨料、耐高温半导体材料 成分：碳化硅、氮化硅、金属氧化物 性能：耐高温、抗氧化、耐腐蚀 主要应用：火箭和汽车发动机、高温电极材料等 压电陶瓷 性能：临界温度下电阻为零，具有超导性； 主要应用：用于电力、交通、医疗等领域。 三、新型陶瓷 压电陶瓷 透明陶瓷 成分：钛酸盐、锆酸盐等 性能：机械能与电能相互转化 主要应用：滤波器、扬声器、超声波探伤器和点火器等 成分：氧化铝、氧化钇等氧化物透明陶瓷； 氮化铝、氟化钙等非氧化物透明陶瓷等 性能：具有优异的光学性能，耐高温，绝缘性好 主要应用：高压钠灯、激光器和高温探测窗等 四、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。 石墨烯电池 四、碳纳米材料 1.富勒烯 富勒烯 由碳原子构成的一系列笼形分子的总称。 定义 代表 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 纳米王子 用C60作车轮的“纳米汽车” C60的发现 1996年三人获诺贝尔化学奖 1985，美国化学家斯莫利和柯尔以及英国化学家克鲁特，通过激光照射石墨实验，发现新型单质C60分子。并在建筑设计师富勒设计球形建筑的启发下，绘制出由20个正六边形和12个正五边表 构成的“笼状”分子 结构，并把它命名为“富勒烯”，因分子结构形似足球，又称为“足球烯”。 美国化学家斯莫利和柯尔 以及英国化学家克鲁特 石墨 激光照射 新型单质C60分子 拓展延伸 28 四、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。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。 直达宇宙的太空天梯 碳纳米碳管 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。 纳米碳管的发现也给材料研究带来了新的变革。 拓展延伸 四、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，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。 使用了石墨烯材料的动力电池和超轻海绵 新材料之王 类别 传统无机非金属材料 新型无机非金属材料 主要成分 硅酸盐 不一定是硅酸盐 主要特性 抗腐蚀、耐高温、质脆、经不起热冲击 大都强度高、硬度大、耐高温，另外还具有一定的电学特性、光学特性和生物功能等 传统无机非金属材料与新型无机非金属材料的区别 归纳总结 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 新型无机非金属材料 晶体硅 二氧化硅 新型陶瓷 石墨烯 碳纳米管 性能：导电性介于导体和绝缘体之间 用途：半导体材料、计算机芯片、太阳能电池等 性能：性质稳定，透光性好 用途：光导纤维、玻璃仪器、装饰品 课堂总结 课堂练习 1. 判断正误： (1)硅在自然界中只以化合态的形式存在(　　) (2)晶体硅熔点高、硬度大，故可用于制作半导体材料(　　) (3)Si和SiO2都可用于制造光导纤维(　　) (4)非金属性：C＞Si，则热稳定性：CH4＞SiH4(　　) (5)SiO2是酸性氧化物，可溶于强碱(NaOH)，不溶于任何酸(　　) (6)水玻璃是一种特殊的玻璃，泡花碱属于碱(　　) √ × × √ × × 课堂练习 2. 碳纳米管、石墨烯、C60等新型碳材料具有广阔的应用前景。下列说法正确的是(　　) C 课堂练习 A.碳纳米管属于胶体 B.石墨烯属于有机化合物 C. C60与金刚石互为同素异形体 D.均具有相同的熔点 课堂练习 课堂练习 3. 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 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.SiO2是一种化工原料，可以制备一系列物质（如图）。下列说法错误的是（　　） A．图所含反应都不属于氧化还原反应 B．纯净的二氧化硅和单晶硅都是信息产业的重要基础材料 C．用盐酸可除去石英砂（主要成分为SiO2）中少量的碳酸钙 D．高炉炼铁时用石灰石将铁矿石中的脉石转化为易熔的炉渣 A 课堂练习 7.有下列物品或设备：①陶瓷餐具②砖瓦③混凝土桥墩④门窗玻璃⑤水晶镜片⑥石英钟⑦水晶项链⑧硅太阳能电池⑨光导纤维⑩计算机芯片 （1）用到硅单质的是______．（用序号填写，下同） （2）所用材料主要为SiO2的是_________． （3）所用材料主要成分为硅酸盐的是____________． 课堂练习 6.下列关于硅酸的说法正确的是（　　） A．硅酸可以通过SiO2和水化合反应直接制得 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 ⑤⑥⑦⑨ ①②③④ ⑧⑩ 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) Lavf58.20.100 $