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

该高中化学课件围绕硅元素及其化合物、无机非金属材料展开，以硅谷案例导入，系统呈现硅的存在与结构、硅酸盐材料、二氧化硅、硅单质及新型无机非金属材料的性质与应用，构建从生活实际到化学原理再到技术应用的学习脉络。 其亮点在于突出结构决定性质的化学观念，通过硅氧四面体结构分析硅酸盐材料特性，对比二氧化硅与二氧化碳晶体类型培养科学思维，结合工业制高纯硅步骤及硅酸盐氧化物表示方法强化科学探究。示意图辅助理解，帮助学生建立化学观念，提升科学思维，教师可高效开展教学。

第 3 节 无机非金属材料 第五章 化工生产中的重要非金属元素 1 世界著名高科技产业区——硅谷 在美国旧金山，有个最大的高科技 工业园区——硅谷，它是高科技事业云 集的圣塔克拉拉谷的别称。 硅谷最早是研究和生产以硅为基础 的半导体芯片的地方，因此得名。 硅谷是现代电子工业和计算机发展 的基地。这说明硅在电子工业革命中起 着非常重要作用。以硅为基础而制成的晶体管是计算机的心脏。 2 地壳中的元素分布： Si‐26.30% 2 地壳中含量前五位的元素：氧、硅、铝、铁、钙 硅（Si）元素在自然界中的存在 硅是亲氧元素，自然界中分布广泛 3 硅（Si）元素在自然界中的存在 硅元素在自然界中只有化合态，主 要以二氧化硅和硅酸盐的形式存在 岩石 土壤 硅酸盐矿石 沙子（ SiO2 ） 水晶、石英（ SiO2 ） 玛瑙（ SiO2 ） 4 传统无机非金属材料——硅酸盐材料 ❶.在硅酸盐中，Si 原子和 O 原子构成了硅氧四面体。 ❷.每个 Si 结合 4 个 O，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 为两个四面体所共用，与 2 个 Si 相结合。 ❸.硅氧四面体结构的特殊性，决定了硅酸盐 材料大多具有硬度高、熔点高、难溶于水、 化学性质稳定、耐腐蚀特点。 三大硅酸盐产品： 陶瓷、水泥、（普通）玻璃 5 硅酸盐（ Na2SiO3 ）的性质 物性 化学性质 白色可溶于水的粉末状固体，水溶液俗称“水玻璃”( 泡花碱 ) ， 是一种矿物胶，粘结力强、耐火耐高温等。 Na2SiO3 + H2O + CO2 === Na2CO3 + H2SiO3 ↓ Na2SiO3 + 2HCl === 2NaCl + H2SiO3 ↓ （实验室制取硅酸） 【硅酸钠水溶液久置于空气中会出现白色浑浊】 ❶.制硅酸；❷.黏合剂( 矿物胶 )；❸.耐火阻燃剂；❹.防腐剂 应用 硅酸（ H2SiO3 ）的性质 受热不稳定：H2SiO3 === H2O + SiO2 ▲ 酸性比碳酸更弱，不溶于水( 白色胶状沉淀 ) 硅酸脱水后可 制得硅胶，可 作为干燥剂及 催化剂载体。 酸性：HCl > H2CO3 > H2SiO3 7 建筑材料 绝缘材料 日用器皿 卫生洁具 陶瓷 （人类最早使用的硅酸盐产品） 黏土（主要成分为含水的铝硅酸盐） 高温烧结而成 抗氧化、抗酸碱腐蚀、 耐高温、绝缘 主要原料 反应原理 性能( 特点 ) 应 用 使用设备 陶瓷窑 8 水 泥 黏土、石灰石、( 石膏 ) 具有水硬性 （与水掺和搅拌静置后，易凝固变硬） 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、工程 主要原料 反应原理 应 用 性能( 特点 ) 使用设备 水泥回转窑 水泥回转窑中煅烧，发生复杂的物理和化学变化 添加适量石膏可调节水泥硬化速率（凝结时间 ） 9 SiO2 + Na2CO3 ==== Na2SiO3 + CO2↑ SiO2 + CaCO3 ==== CaSiO3 + CO2↑ 高温 高温 （普通）玻璃 纯碱、石灰石、石英砂( SiO2 ) Na2SiO3、 CaSiO3、 SiO2 （玻璃无固定熔沸点） 主要原料 反应原理 主要成分 使用设备 玻璃窑 建筑材料、光学仪器和各种器皿、 玻璃纤维用于高强度复合材料等。 应 用 加入金属氧化物或盐可制得 彩色玻璃，常用于建筑和装饰 用含铅原料制造的光学玻璃 加入硼酸盐制得的 耐腐蚀、耐高温玻璃 反应原理：高沸点物质制低沸点物质 10 SiO2 在自然界中的存在 SiO2 是硅的重要化合物， 地球上存在的天然二氧化硅 约占地壳质量的12％，其存 在形态有结晶形和无定形两 大类，通称硅石。 11 SiO2 是二氧化硅的化学式（只表示组成，结构中 Si 原子和 O 原子的个数比 为 2∶1）而不是分子式，没有 SiO2 分子，它属于共价晶体（ CO2 为分子晶体）， 与二氧化碳的物理性质差别很大。 二氧化硅（SiO2）的结构、物理性质 结构 物性 无色透明固体、熔沸点高、硬度大、脆性、难溶于水。 空间立体网状结构决定了它 具有优良的物理和化学性质 无毒，长期吸 入易得硅肺病 12 二氧化硅（SiO2）的化学性质 酸性氧化物的通性（类比 CO2） ❶.不溶于水，不与水发生反应（特殊） ❷.与强碱反应( 如 NaOH )： ❸.与碱性氧化物反应： SiO2 + 2NaOH === Na2SiO3 + H2O SiO2 + CaO ==== CaSiO3 高温 特性：与氢氟酸( HF )反应 氧化性：【工业制粗硅】 SiO2 + 2C ==== Si（粗）+ 2CO ↑ 高温 SiO2 + 4HF === SiF4 ↑ + 2H2O HF能腐蚀玻璃，因此盛装氢氟酸不能使用玻璃试剂瓶而应用塑料瓶 Na2SiO3可溶于水，水溶液俗名“水玻璃”( 泡花碱 )，具有粘结力强、耐高温等特性 应用：a.制硅酸；b.黏合剂( 矿物胶 )；c.耐火阻燃剂；d.防腐剂 实验室盛装碱液 的试剂瓶与盛装 其它溶液的试剂 瓶有什么不同？ ❹.与盐反应：( 制玻璃 ) 13 ❶.建筑材料（沙子） ❷.饰品和工艺品（水晶、石英、玛瑙） ❸.光学仪器、光导纤维、电子工业零部件 SiO2 可用来生产光导纤维。光纤的通 信容量大，抗干扰性能好，传输的信 号不易衰减，能有效提高通讯效率。 石 英 玻 璃 石 英 手 表 SiO2 的用途 光纤 14 硅（Si）元素在元素周期表中的位置 ⸎ Si：第三周期，第 ⅣA 族 硅单质的结构 类似金刚石 Si 的最外电子层有 4 个电子，既不容 易得 4 个电子，也不容易失 4 个电子。 15 硅单质的物理性质 （导电性介于导体和绝缘体之间） ⸎⸎⸎ 灰黑色，有金属光泽，硬而脆的固体 ⸎⸎ 有较弱的导电性，其电导率随温度的升高而增加；具有显著的半导电性 物 理 性 质 ⸎⸎ 熔（1410 ℃）、沸点高、硬度大 单晶硅粒 高纯硅片 单晶硅粉 单晶硅块 16 常温下，硅的化学性质不活泼，除氢氟酸、F2、强碱外不与其他物质反应； 加热条件下，可与O2、Cl2等反应；高温下可与焦炭反应。 ⸎⸎ 与强碱（NaOH）溶液反应： 化 学 性 质 ⸎⸎ 与氢氟酸反应： Si + 2NaOH + H2O === Na2SiO3 + 2H2↑ Si + 4HF === SiF4↑ + 2H2↑ Si + 2F2 === SiF4 ⸎⸎ 与氟气反应： ⸎⸎ 与氯气反应： ⸎⸎ 与氧气反应： Si + 2Cl2 === SiCl4 ▲ Si + O2 === SiO2 ▲ 2Al + 2NaOH + 2H2O === 2NaAlO2 + 3H2↑ 类比 Al 与 NaOH 溶液反应： 硅单质的化学性质 ⸎⸎ 与焦炭反应： Si + C === SiC 高温 17 粗硅的制备 高纯硅的制备 SiO2 + C === Si（粗）+ CO ↑ 高温 工业制备高纯硅的原理示意图 工业制高纯硅，一般需先需 制得纯度为98%左右的粗硅， 再以粗硅为原料制备高纯硅。 石英砂 1800～2000℃ 1100 ℃ 高纯硅 SiHCl3 粗 硅 焦 炭 HCl H2 300 ℃ ❷.Si + 3HCl ===== SiHCl3 + H2 300 ℃ ❶. SiO2 + C ========= Si（粗）+ CO ↑ 1800～2000℃ ❸.SiHCl3 + H2 ===== Si + 3HCl 1100 ℃ 18 硅‐光伏电板 （太阳能电池） 高纯硅广泛应用于信息技术和新能 源技术等领域： ❶.利用其半导体性能可以制成计算机、 通信设备和家用电器等的芯片； ❷.可制成光伏电站、人造卫星和电动 汽车等的硅太阳能电池。 单质硅的用途 19 硅芯片 20 新型无机非金属材料 半导体发光二极管 21 新 型 陶 瓷 碳化硅( SiC )俗称金刚砂，其中碳原子和硅原子通过共价键连接，具有 类似金刚石的结构，硬度很大。 可用作砂纸和砂轮磨料、耐高温结构材料 和耐高温半导体材料。碳化硅、氮化硅( Si3N4 )等，在航天、能源、医疗等 领域有着广泛应用。 透明陶瓷 超 导 陶 瓷 压 电 陶 瓷 高 温 结 构 陶 瓷 22 压电陶瓷——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。 透明陶瓷——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，优异的光学性能，耐高温，绝缘性好，用于高压 钠灯、激光器和高温探测器等。 超导陶瓷——在某一临界温度下电阻为零，具有超导性，用于电力、交 通、医疗及磁悬浮技术。 高温结构陶瓷——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。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。 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、医药等领域具有广阔应用前景。 24 碳 纳 米 管 碳纳米管可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。 25 由碳原子构成的一系列笼形分子总称，其代表 物为 C60。C60 的发现为纳米科学 提供了重要研究对象，开启了碳 纳米材料研究和应用的新时代。 富勒烯 随着富勒烯材料研究的日益深入，科学家发 现富勒烯家族中最有名的 C60 在碱金属掺杂时有 金属行为。很快就发现钾掺杂的 C60 在 18K 时就 具有超导行为，这是迄今最高的分子超导温度。 26 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。 石墨烯制备的新型高效太阳能电池 石 墨 烯 27 28 硅酸盐氧化物表示方法 硅酸盐矿物成分复杂，多用氧化物形式表示其组成，如： 硅酸钠（Na2SiO3）→ Na2O·SiO2 高岭石（Al2H4Si2O9）→ Al2O3·2SiO2·2H2O 钾云母（KH2Al3Si3O12）→ K2O·3Al2O3·6SiO2·2H2O 活泼金属氧化物 → 较活泼金属氧化物 → SiO2 → 水 石棉（CaMg3Si4O12）： 玻璃（Na2CaSi6O14）： 黏土（Al2Si2O5(OH)4）： CaO·3MgO·4SiO2 Na2O·CaO·6SiO2 Al2O3·2SiO2·2H2O 规则： ①氧化物之间以“·”隔开； ②元素化合价不变、 原子个数比不变 ③系数配置出现的分 数应化为整数。 ④金属氧化物在前(按) 金属活动顺序表）， 非金属氧化物在后， H2O一般写在 最后。 镁橄榄石（Mg2SiO4） 2MgO ·SiO2 钙沸石Ca(Al2Si3O10) ·3H2O CaO ·Al2O3 ·3SiO2·3H2O 橄榄石：(MgFe)2SiO4 1.钾长石：KAlSi3O8 2.蛇纹石：H4Mg3Si2O9 K2O·Al2O3·6SiO2 3MgO·2SiO2·2H2O 29 Lavf58.45.100 Lavf59.23.100 Packed by Bilibili XCoder v2.0.2 Ç໨´É ÖܽÜÂ× , track 3 Other 239349.42 $