5.3.1 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 课时1 无机非金属材料 人教版 化学 必修第一册 你了解吗？ 你知道这些用到了哪些材料吗？ 兵马俑 大剧院 珠港澳大桥 新石器时代 已能烧制陶器 公元前4500年 玻璃的诞生 1824年水泥的诞生 一、材料的分类 核心内容 课本 P19 大本 P27 材料 金属材料： 无机非金属材料 高分子材料： 复合材料： 纯金属和合金 纤维、橡胶、树脂、塑料 由两种或两种以上的材料按照一定的方式组成的材料 新型无机非金属材料：Si和SiO2、新型陶瓷、碳纤维等 传统无机非金属材料：如玻璃、陶瓷、水泥 (多为硅酸盐材料） 无机非金属材料由什么物质组成？有什么性质？ 【思考】 二、传统无机非金属材料—硅酸盐材料 核心内容 课本 P19 大本 P27 1.定义： 2.结构： 3.性质： 由Si、O和金属元素组成的化合物的总称。 硅酸盐材料大多具有硬度高、难溶于水、耐高温、耐腐蚀等特点。 硅酸盐的结构 在硅酸盐中，Si和O构成了硅氧四面体，其结构如图5-18所示。每个Si结合4个O，Si在中心，0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。硅氧四面体结构的特性，决定了硅酸盐材料大多具有硬度高、难溶于水、耐高温、耐腐蚀等特点。 在 1 mol 硅氧四面体中 有 1 mol Si 原子 有 2 mol O 原子 有 4 mol Si-O 键 硅酸盐一般结构复杂， 存在于地壳、岩石中 思考与讨论 为何硅元素在自然界中以SiO2和硅酸盐形式存在? 稳定的硅氧四面体 Si和O构成了硅氧四面体结构，Si在中心，O在四面体的4个顶角，许多这样的四面体通过顶角的O相互连接，即每个Si结合4个O，每个O结合2个Si。 二氧化硅 硅酸盐 共价键 共价键 离子键 硬度大熔点高 耐磨、耐高温 硅+4价 硅+4价 无还原性 抗腐蚀、抗氧化 二、传统无机非金属材料—硅酸盐材料 核心内容 课本 P19 大本 P27 4.表示方法： 天然硅酸盐的化学式很复杂，通常用金属氧化物和二氧化硅的组合形式表示硅酸盐的组成，如Na2SiO3可写成Na2O·SiO2。 ①用盐的化学式表示，如Na2SiO3、CaSiO3 ②用氧化物的形式表示，如Na2O•SiO2、CaO•SiO2 表示顺序是：活泼金属氧化物·较活泼金属氧化物·二氧化硅·水 aMxOy • b SiO2 • c H2O 化学式前面的系数不能为分数 例如：硅酸钠 Na2SiO3 表示： 高岭石 Al2Si2O5(OH)4 表示： 钾云母 KH2Al3Si3O12 表示： K2O·3Al2O3·6SiO2·2H2O Na2O·SiO2 Al2O3·2SiO2·2H2O 元素化合价不变、原子比例不变 注：仅表示组成 ≠里面有该氧化物 二、传统无机非金属材料—硅酸盐材料 小结 课本 P19 大本 P27 结构→性质 （1）Si和O构成了硅氧四面体； （2）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； （3）每个O为两个四面体所共有，与2个Si相结合。 结构 性质 大多硬度高、熔点高、难溶于水、化学性质稳定、耐腐蚀等 例外：Na2SiO3 硅酸钠俗称泡花碱，其水溶液俗称“水玻璃” 二、传统无机非金属材料—硅酸盐材料 核心内容 5.最简单的硅酸盐——Na2SiO3 (4)用途：①制硅酸；②黏合剂(矿物胶)；③耐火阻燃材料；④防腐剂 (1)俗名：泡花碱，水溶液俗称水玻璃 (2)物理性质：白色固体，可溶于水 (3)化学性质 ①与酸反应：Na2SiO3＋2HCl===2NaCl＋H2SiO3（胶体） ②与CO2反应：Na2SiO3＋H2O＋CO2(少量)==Na2CO3＋H2SiO3↓ Na2SiO3＋2H2O＋2CO2(过量)==2NaHCO3＋H2SiO3↓ 是一种矿物胶，有很强的黏合性 中学阶段唯一难溶于水的酸 白色胶状沉淀 核心内容 硅酸——H2SiO3 1、物理性质：硅酸是白色胶状沉淀 2、化学性质 (1)弱酸性：不溶于水的二元弱酸[唯一不溶于水的酸] (酸性比碳酸的酸性弱)，硅酸不能使紫色石蕊溶液变红色 (2)不稳定性：H2SiO3 SiO2＋H2O (3)与碱溶液反应：H2SiO3＋2NaOH==Na2SiO3＋2H2O 核心内容 硅酸——H2SiO3 硅酸 聚合 硅酸凝胶 干燥脱水 硅酸干凝胶 “硅胶” 硅胶的用途： 食品、药品的干燥剂；催化剂的载体 3、用途 硅胶多孔，吸附水分能力强 （无机硅胶） 硅胶 加入氯化钴CoCl2，干燥时呈蓝色，吸水后呈粉红色(CoCl2·6H2O)，可再生反复使用。 思考与讨论 已知硅酸是一种弱酸，请利用中学实验室常见的仪器及药品，设计一个简单实验，证明酸性：盐酸＞碳酸＞硅酸？ 思考与讨论 现在家居装修以明亮，简洁，实用的风格为主流，大家能判断都用到哪些材料以及它们的类别吗？ 玻璃 传统无机非金属材料 铝合金 金属材料 木纹砖 传统无机非金属材料 陶瓷 二、传统无机非金属材料—硅酸盐材料 主要内容 课本 P20 大本 P27 6.常见的硅酸盐材料——传统无机非金属材料 水泥 玻璃 陶瓷 ⑴陶瓷 二、传统无机非金属材料—硅酸盐材料 主要内容 课本 P20 大本 P27 原料：黏土 （含水的铝硅酸盐） 陶瓷制品 高温烧结 在陶瓷窑中进行，复杂的物理、化学变化 性能： 用途： 熔点高、硬度大、耐腐蚀、性质稳定 建筑装饰材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具 ⑵玻璃 二、传统无机非金属材料—硅酸盐材料 主要内容 课本 P20 大本 P27 原料： 纯碱(Na2CO3) 石灰石(CaCO3) 石英砂(SiO2) 玻璃主要成分： 硅酸钠(Na2SiO3) 硅酸钙(CaSiO3) 二氧化硅(SiO2) 玻璃窑中熔融 反应原理： Na2CO3＋SiO2 Na2SiO3＋CO2↑ CaCO3＋ SiO2 CaSiO3＋CO2↑ 原料经混合、粉碎，在玻璃窑中熔融，发生复杂的物理和化学变化而制得 性能： 用途： 非晶体，无固定的熔点，加热可软化塑形 建筑材料、光学仪器、器皿、玻璃纤维 如何制作各种玻璃？ 生产中采用不同的原料和工艺，可以制 得多种具有不同性能和用途的玻璃。例如， 用含有铅的原料制造的光学玻璃，透光性好， 折射率高，可以用来制造眼镜、照相机和光 学仪器的透镜；加入硼酸盐制成耐化学腐蚀、 耐温度急剧变化的玻璃，可用于实验室使用 的玻璃仪器；加入一些金属氧化物或盐可以 得到彩色玻璃，常用于建筑和装饰。 思考与讨论 课本 P20 大本 P28 思考与讨论 特殊玻璃 光学玻璃：额外含铅(Pb)；制光学眼镜、相机透镜 有色玻璃：额外加有色金属氧化物；eg,蓝色-Co2O3，红色-Cu2O 含硼玻璃：额外加硼酸盐；耐化学腐蚀、温度急变，制玻璃仪器 钢化玻璃：普通玻璃加热软化，然后急速冷却 钢化玻璃 光学玻璃 加入硼酸盐的玻璃仪器 有色玻璃 变色玻璃：额外加AgBr 光 2AgBr==2Ag+Br2 注意 思考与讨论 石英玻璃管 亚克力板 (有机玻璃) 虽然叫“玻璃”但不是硅酸盐 聚甲基丙烯酸甲酯 结晶SiO2 ⑶水泥 二、传统无机非金属材料—硅酸盐材料 主要内容 课本 P19 大本 P27 ①主要原料： ②反应条件： ③主要设备： ④生产过程： ⑤主要成分： ⑥主要用途: 石灰石，黏土（含水的铝硅酸盐） 高温煅烧 水泥回转窑 原料 研磨 混合 煅烧 (回转窑) 成品 加入石膏 生料 熟料 调节水泥的硬化速度 硅酸三钙(3CaO•SiO2)、硅酸二钙(2CaO•SiO2)、铝酸三钙(3CaO•Al2O3)等 建筑、修路。如：水泥砂浆、混凝土、钢筋混凝土。 万丈高楼平地起，穿针引线是水泥 水泥砂浆：水泥、沙子、水的混合物 混凝土： 水泥、沙子、碎石、水的混合物 课本 P20 大本 P27 你了解吗？ 关于水泥的认识 ①水泥具有吸水性，在空气中吸水发生复杂的物理、化学变化而失去了原有的性质，因而变硬的水泥不能使用。 ②水泥不能抗酸的腐蚀是因为水泥的成分中有碳酸盐，碳酸盐与酸反应会放出CO2。 小结   玻璃 水泥 陶瓷 主要原料 ________、石灰石、________ ________、黏土   主要设备     陶瓷窑 主要反应  — —  主要成分 普通玻璃   硅酸盐 纯碱 石英砂 石灰石 黏土 玻璃熔炉 水泥回转窑 Na2SiO3 CaSiO3、SiO2 硅酸三钙(3CaO·SiO2)、 硅酸二钙(2CaO·SiO2)、 铝酸三钙(3CaO·Al2O3) 生产 条件 烧结 熔融 煅烧 你了解吗？ 三、新型无机非金属材料—Si和SiO2 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。 课本 P21 大本 P28 核心内容 三、新型无机非金属材料—Si和SiO2 1.硅和二氧化硅 （1）硅 硅是一种亲氧元素，在自然界中没有游离态，主要以硅酸盐(如：地壳中的大多数矿物)和氧化物(如：水晶、玛瑙)的形式存在。 ①含量：在地壳中硅的含量的仅次于氧 第三周期、 第ⅣA族 ②存在形式 水晶 玛瑙 Na2SiO3 主要成分SiO2 核心内容 三、新型无机非金属材料—Si和SiO2 1.硅和二氧化硅 （1）硅 ③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。 集成电路 　　　 晶体管 硅太阳能电池 电脑中央处理器（CPU） ④用途： 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。 课本 P21 大本 P28 课本 P21 大本 P28 核心内容 三、新型无机非金属材料—Si和SiO2 1.硅和二氧化硅 （1）硅 ⑤化学性质 ③与NaOH溶液反应：Si＋2NaOH＋H2O==Na2SiO3＋2H2↑ 硅的最外层有4个电子， 反应中既不容易得到电子， 也不容易失去电子 唯一一种与碱反应放出H2的非金属单质 a.稳定性 常温下，硅的化学性质不活泼，只与F2、HF(氢氟酸)、强碱(如NaOH)溶液反应 唯一一种既可以与酸反应，也可以与碱反应的非金属单质 ①与氟气反应：Si＋2F2===SiF4 ②与氢氟酸反应：Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑ b.还原性：加热和高温时，能与O2、Cl2、C 等反应 Si + O2=== SiO2 　 △ Si + 2Cl2 === SiCl4 　 △ Si + C === SiC 　 高温 核心内容 三、新型无机非金属材料—Si和SiO2 1.硅和二氧化硅 （1）硅 ⑤化学性质 ③非金属单质跟碱液作用一般无H2放出，但Si与碱液反应放出H2： c.硅单质的特性 ①非金属单质一般不与非氧化性酸作用，但Si却能与HF作用：Si＋4HF==SiF4↑＋2H2↑ ②非金属单质一般不导电，但Si为半导体，有一定的导电能力 Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑ 课本 P21 大本 P28 思考与讨论 三、新型无机非金属材料—Si和SiO2 结合硅在自然界的存在形式，工业上用什么作为原料制备硅？ “从沙滩到用户”，用二氧化硅为原料制备硅 价值5元的沙子 价值5000元的芯片 点沙 成金 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。 高纯硅的制备 思考与讨论 三、新型无机非金属材料—Si和SiO2 课本 P22 大本 P28 三、新型无机非金属材料—Si和SiO2 核心内容 1.硅和二氧化硅 （1）硅 ⑤化学性质 其中提纯硅涉及的主要化学反应为 ①_________________________ ②_________________________ ③__________________________ d.高纯硅的制备 SiO2+2C ========= Si+2CO↑ 粗硅 1800~2000 ℃ 粗硅 （高纯硅 99.9999999％） bp：31.8℃ [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？ 氧化还原性的强弱，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。 课本 P22 大本 P28 核心内容 三、新型无机非金属材料—Si和SiO2 1.硅和二氧化硅 （2）SiO2 俗名：硅石 结晶形 无定形 ①存在： 玛瑙 沙子 石英 水晶 硅藻土 SiO2广泛存在于自然界 硅氧四面体结构 SiO2 注意：二氧化硅中没有单个分子，用SiO2来表示二氧化硅的组成,表示Si与O的原子个数比为1:2,所以不是分子式而是化学式。 立体网状结构 课本 P22 大本 P28 课本 P22 大本 P28 核心内容 三、新型无机非金属材料—Si和SiO2 1.硅和二氧化硅 （2）SiO2 b.物理性质：SiO2不溶于水，熔点高，硬度大 c.用途 现代光学仪器、光导纤维、石英坩埚 、制造各种玻璃制品 状态 颜色 熔点 硬度 水溶性 导电性 晶体         无色 高 大 不溶 不导电 d.化学性质 与碱性氧化物反应生成盐 高温 SiO2＋ CaO=== CaSiO3 与强碱反应生成盐和水 (有粘性，其水溶液俗称水玻璃) SiO2＋2NaOH==Na2SiO3＋H2O ①酸性氧化物（类比CO2） [思考]实验室盛装NaOH溶液的试剂瓶用什么塞子？为什么？ 不溶于水，不与水反应（特殊） 核心内容 三、新型无机非金属材料—Si和SiO2 1.硅和二氧化硅 （2）SiO2 ②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 ③弱氧化性 SiO2+2C === Si +2CO ↑ 高温 ④特性：与氢氟酸反应 SiO2 ＋ 4HF ===SiF4↑＋2H2O 此反应常用于雕刻玻璃 实验室不用玻璃瓶盛装氢氟酸！！ d.化学性质 课本 P22 大本 P28 玻璃刻蚀技术 三、新型无机非金属材料—Si和SiO2 2、雕刻出花纹并向花纹部分加少量氢氟酸（HF） 1、玻璃涂上石蜡 3、洗掉酸并去掉石蜡 玻璃刻蚀技术：二氧化硅与氢氟酸反应 思考与讨论 三、新型无机非金属材料—Si和SiO2 何级根据SiO2既可与碱反应，也能与氢氟酸反应，推断SiO2为两性氧化物是否正确? 解释：不正确。因为二氧化硅跟氢氟酸反应产物不是盐和水，所以不属于两性氧化物，但是属于酸性氧化物。 SiO2 ＋ 2NaOH ==Na2SiO3 ＋H2O SiO2 ＋ 4HF ==SiF4↑＋2H2O 思考与讨论 三、新型无机非金属材料—Si和SiO2 此反应能否说明硅酸的酸性大于碳酸的酸性？ SiO2 + Na2CO3 === Na2SiO3 +CO2 ↑ 高温 大理石+稀盐酸 Na2SiO3溶液 稀盐酸 大理石 硅酸钠溶液 饱和碳酸氢钠溶液 × 可证明酸性：HCl>H2CO3>H2SiO3 能否用如下装置证明酸性：H2CO3>H2SiO3 ？ H2O + CO2 + Na2SiO 3 = Na2CO 3 + H2SiO3↓ 该反应是在高温熔融状态下进行的，并非水溶液中的复分解反应，因此不能用 “强酸制弱酸” 的规律来判断酸性强弱。 主要内容 三、新型无机非金属材料—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 碳化硅陶瓷 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。 主要内容 三、新型无机非金属材料—碳纳米材料 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 用C60作车轮的“纳米汽车” “纳米王子” 课本 P23 大本 P28 主要内容 三、新型无机非金属材料—碳纳米材料 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” 课本 P23 大本 P28 主要内容 三、新型无机非金属材料—碳纳米材料 “新材料之王” 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。 课本 P23 大本 P28 完成《无机非金属材料》小本作业中的习题 及时整理笔记！ 结合作业题、周末练以及每次考试卷整理典型错题！ 各班收两本时间↓ 作业 笔记本 错题本 周三晚 周六 40 Si注意事项 1.用途：Si(半导体)——芯片；SiO2——光导纤维(光纤) 2.半导体≠良导体；光纤传光不传电 3.SiO2石英玻璃，是绝缘体，其玻璃瓶不能盛放HF(会反应)； 装NaOH溶液的试剂瓶用橡胶塞而非玻璃塞(会反应)； 不用石英坩埚熔融NaOH(火碱/烧碱/苛性钠)(会反应) 4.Si/SiO2一般只与HF(氢氟酸)反应，不与非氧化性酸反应(常温) 5.SiO2与HF反应——刻蚀玻璃 小本P12 19.(1)仪器a的名称为　　　　　　。实验开始时,应先打开分液漏斗使浓氨水滴入,目的是　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　。  (2)B装置中的药品可选用　　　　(填字母)。  A.P2O5 B.碱石灰 C.无水硫酸铜 D.无水氯化钙 圆底烧瓶 将装置内的空气排尽,防止Na、氨基钠变质 B [Cu(NH3)4]SO4 ​深蓝色的铜氨络合物 小本P12 周练三 周练三 周练三 常考点 周练三 空气 周练三 HCO32- CO32- Ag+ 周练三 水溶液中HCl完全解离成离子 常温，Fe和浓酸：钝化 ！！常考，归纳汇总NA题型 1.看是否符合计算所处的状态，如氯化氢是气态分子，盐酸是水溶液；H2S； 就算标况下给了体积也无法计算的液态的SO3…… 2.注意反应条件：可逆题&浓酸变稀：一般无法完全反应…… 3.能否反应，如常温，Fe和浓酸：钝化；SO2+BaCl2；CO2+CaCl2…… 4.确少计算条件，如没给浓度 …… 没有体积 周练三 周练三 NH3 H2S N2/S NO2/SO2 HNO3 H2SO4 S H2S SO2 NO2 浓HNO3 SO2 浓H2SO4 常温，Fe和浓酸：钝化 N2 NH3 HNO3 NH4NO3 离子键+共价键 周练三 得失电子守恒 周练三 NO 常温下也能进行！ 看箭头指向，对比价态！ 周练三 红色 取最后一次洗涤液…… 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 Si＋3HClSiHCl3＋H2 SiHCl3＋H2Si＋3HCl ①　　　　　 　②　　　　　　③ Lavf58.20.100 $