5.3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 思+议： 1、硅在自然界中存在形式是？原子结构示意图？ 2、硅酸盐中，硅、氧元素构成的空间结构是什么？ 3、硅酸盐的一般物理性质有哪些通性？ 4、传统无机非金属材料有哪些？ 5、陶瓷、玻璃、水泥的主要成分什么？原料是什么？ 6、请根据“玻璃的原料和成分”，写出相关的化学反应方程式。 7、新型无机非金属材料有哪些？ 8、高纯硅的制备流程是什么？硅、二氧化硅有哪些用途？ 9、课本25页，将3.4题化学反应式写在21页空白处。 10、硅会和氢氧化钠溶液反应，产生氢气和硅酸盐，写出反应式。 11、Si与HF反应生成SiF4 和气体，写出反应式。 12、新型陶瓷有哪些？碳纳米材料有哪些？ 了解.材料分类 金属材料： 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 包含纯金属和合金 1.传统硅酸盐材料 传统的无机非金属材料多为硅酸盐材料，在日常生活中随处可见。 如制作餐具的陶瓷、窗户上的玻璃、建筑用的水泥等。 陶瓷 玻璃 水泥 1．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 写成氧化物的原则：x 金属氧化物· y SiO2 · z H2O 注意事项：①元素化合价不变②原子比例不变 ③多种金属同时存在，活泼的写在前面 思考1：CaSiO3用氧化物形式如何表示？ 钠长石(NaAlSi3O8)呢？ CaO · SiO2 Na2O·Al2O3·6SiO2 （2）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，每个O为两个四面体所共有，与2个Si相结合。其结构示意图为 硅氧四面体 （3）硅酸盐的物理性质： 多数具有 等特点。 硬度高、难溶于水、耐高温、耐腐蚀 1.传统硅酸盐材料 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： 1.传统硅酸盐材料 玻璃 原料： . 应用： 纯碱、石灰石和石英砂(SiO2) 主要成分： . 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 反应方程式： SiO2 + Na2CO3 ==== Na2SiO3 +CO2 ↑ 高温 SiO2 + CaCO3 ==== CaSiO3 +CO2 ↑ 高温 ·课堂探究· 水泥 原料： . 工业设备： 黏土、石灰石 水泥回转窑 混凝土： 水泥、沙子和碎石等与水混合 石膏的作用： 条件： 高温煅烧 调节水泥硬化速率 1.传统硅酸盐材料 2、新型无机非金属材料 分类： （1） 。 （2） 。 （3) . 硅、二氧化硅 新型陶瓷 碳纳米材料 ①硅的含量：在地壳中，硅的含量排第二。 硅是一种亲氧元素（无游离态），硅在自然界存在形式是： 。 （1）硅 硅酸盐 氧化物(如：水晶、玛瑙、石英) (如：地壳中大多数矿物) ②硅的物理性质 带有金属光泽的灰黑色固体，晶体硅熔点高、硬度大、有脆性，导电性介于导体和绝缘体之间，是良好的半导体材料。 ③硅的化学性质 硅的原子结构示意图为 . 最外层有 个电子，反应中既不容易得到电子， 也不容易失去电子，故化学性质不活泼。 4 （1）硅 (4)硅的制备: 工业上，用焦炭在高温下还原石英砂可制得粗硅。再提纯，得到高纯硅。 SiO2+2C === Si+2CO↑ 高温 Si+3HCl ===== SiHCl3+H2↑ 300 ℃ SiHCl3+H2 ===== Si+3HCl 1100 ℃ 思考1：比较第一个反应式中的物质还原性强弱？ 注意： 产物是CO， 不是CO2. 因为在该反应中，反应条件是高温，不是通常情况下发生的，故不能比较C和SiO2的还原性强弱。 思考2：比较第2个反应式转移了多少电子？ 4mol电子 (5)硅的用途: 。 半导体材料， 芯片、太阳能电池等 思考2：看图了解二氧化硅空间结构是什么形状？ 硅氧四面体（空间网状） （2）二氧化硅（SiO2是原子式，不是分子式） 思考1：二氧化硅是哪些物质的主要成分？ 水晶、玛瑙、沙子、石英砂等 思考3：SiO2和CO2都是第IVA族最高价氧化物， 但性质上有很大差异， 如： SiO2固态 CO2气态 SiO2不溶于水，不和水反应 CO2溶于水，和水反应。 思考，这是为什么？ SiO2空间立体网状结构， CO2直线形的平面分子， 结构不同，性质不同。 2.二氧化硅 光导纤维 石英坩埚 玻璃仪器 水晶、 玛瑙饰品 根据课后习题，拓展Si SiO2的化学性质 课后习题3： 氢氟酸是HF的水溶液，与SiO2反应生成SiF4和水，写出反应式。 SiO2 + HF = SiF4 + H2O 4 2 氢氟酸是HF的水溶液，与Si反应生成SiF4 和气体，写出反应式。 Si + 4 HF =SiF4 +2H2 HF能腐蚀玻璃。 课后习题4： SiO2是一种酸性氧化物，与强碱溶液反应。 如和氢氧化钠反应生成 Na2SiO3和水。 写出反应式。 SiO2+2NaOH === Na2SiO3+H2O 俗称：泡花碱 Na2SiO3的水溶液俗称水玻璃， 具有黏合性、耐高温的特性， 可以用黏合剂和防火剂。 思考： 实验室盛放少烧碱的试剂瓶用橡胶塞，而不用玻璃塞。请解释原因，并写出相关化学反应式。 Si＋2NaOH＋H2O=Na2SiO3＋2H2↑ 思考：硅也会和氢氧化钠溶液反应， 产生氢气和硅酸盐，将反应式写在21页空白处。 碱液能与玻璃中SiO2发生反应生成Na2SiO3， SiO2＋2NaOH =Na2SiO3＋H2O， 硅酸钠水溶液有粘性， 导致玻璃塞与瓶口内侧粘连而无法打开。 SiO2 + 4HF === SiF4 ↑+2H2O ——唯一能与SiO2反应的酸 SiO2+2NaOH === Na2SiO3+H2O 根据以上反应，能证明二氧化硅是两性氧化物吗？ 不是，只能与氢氟酸一种酸反应，并且SiF4 不是盐。 SiO2是酸性氧化物。 二氧化硅性质总结 酸性氧化物： SiO2 + CaO ==== CaSiO3 高温 SiO2+2NaOH === Na2SiO3+H2O SiO2 + Na2O ==== Na2SiO3 高温 与强碱溶液反应： 与碱性氧化物反应： 可以与碳酸盐反应： SiO2 + Na2CO3 ==== Na2SiO3 +CO2 ↑ 高温 SiO2 + CaCO3 ==== CaSiO3 +CO2 ↑ 高温 工业生产玻璃原理 硅酸（H2SiO3）物理性质 颜色：白色 状态：胶状固体 溶解性：不溶于水 硅酸（H2SiO3）的化学性质 弱酸性：(酸性： HCl > H2CO3 > H2SiO3) 如何制备H2SiO3 提示：强酸制弱酸 Na2SiO3 + 2HCl = 2NaCl + H2SiO3 ↓ Na2SiO3 + CO2 + H2O = Na2CO3 +H2SiO3 ↓ 不能使指示剂变色 不稳定性：（受热易分解） H2SiO3 H2O + SiO2 加热 5、知识迁移 2、新型陶瓷 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。 分类 举例或用途 高温结构陶瓷 氮化硅(Si3N4)陶瓷、碳化硅(SiC)陶瓷 透明陶瓷 氧化铝(Al2O3)陶瓷、氧化钇(Y2O3)陶瓷 压电陶瓷 以钛酸钡(BaTiO3)和钛酸铅(PbTiO3)等为主要成分 超导陶瓷 用于电力 交通 医疗等领域 思考：SiC可以用二氧化硅和焦炭高温反应制备，请写出反应式。 思考：根据氮和硅的原子结构示意图，根据元素的化合价周期律， 写出氮化硅的化学式。 SiO2 + 3C = SiC + 2CO 高温 3、碳纳米材料 主要有： 。 富勒烯、碳纳米管、石墨烯等 富勒烯C60 石墨烯 碳纳米管（单壁） 碳纳米管（多壁） 判断： (1)硅晶体是生产芯片的基础原料。(　　) (2)生产光导纤维的原理是二氧化硅。（　　) (3)二氧化硅是酸性氧化物，只能和碱反应，不与酸反应。(　　) (4)磨口玻璃塞试剂瓶不能盛放烧碱溶液，但能盛放氢氟酸。(　　) (5)金刚砂和金刚石结构类似，互为同素异形体。(　　) （6）富勒烯和石墨完全燃烧的产物都是二氧化碳。（ ） (7)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(　　) (8)因为Na2CO3＋SiO2 Na2SiO3＋CO2↑， 所以硅酸的酸性比碳酸强(　　) √ √ × × × √ × × 判断： (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(　　) (7)水晶、石英、沙子、玛瑙、光导纤维主要成分均是SiO2(　　) （8）CO2和SiO2都是由分子构成的化合物， 所以两者物理性质相似(　　) （9）可以通过SiO2与水反应一步制得硅酸(　　) × √ √ √ √ √ √ × × 1.下列哪种物质不能和二氧化硅反应（ ） （1）焦炭 （2）纯碱（3）碳酸钙（4）氢氟酸 （5）高氯酸（6）氢氧化钠（7）氧化钙（8）氮气 5.8 【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 2. 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 30 3. 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 31 D 随堂演练 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 33 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 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 35 (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 36 4. （1）硅酸盐材料是重要的传统无机非金尾材料，也是日常生活、交通工具、建筑行业等不可缺少的材料之一。下列不属于硅酸盐产品的是　 　(填写序号) ①光导纤维 ②水泥 ③玻璃 ④陶瓷 （2）玻璃是重要的建筑和装饰材料，玻璃属于　 (填“纯净物”或“混合物”)。有些玻璃的花纹是利用氢氟酸对普通玻璃中的二氧化硅的腐蚀作用而制成的，写出该反应的化学方程式　 。 （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1300℃反应获得氮化硅，该反应属于化学反应基本类型中的　 　反应；已知氮化硅中硅元素的化合价为+4价，则氮化硅的化学式为　 　。 化合 ① 混合物 SiO2+4HF === SiF4↑+2H2O Si3N4 37 3．下列有关硅及其化合物的说法中正确的是(　　) A．硅酸钠属于盐，不属于碱，所以硅酸钠可以保存在带有磨口玻璃塞的试剂瓶中 B．氢氟酸可用带橡胶塞的玻璃试剂瓶保存 C．普通玻璃、石英玻璃、水泥等均属于硅酸盐材料 D．水玻璃在空气中变质生成H2SiO3沉淀 $