5.3.1 无机非金属材料 课件-2026-2027学年高一下学期化学人教版必修第二册

第三节 第一课时 -----无机非金属材料 第五章 化工生产中的重要非金属元素 学习目标 课标要求 核心素养 科学态度和社会责任： 结合身边的生活用品、电子产品、建筑物等用到的无机非金属材料，感受化学材料的作用巨大，提高学生努力学习化学、投身国家建设的社会责任感 证据推理与模型认知： 通过对硅及其化合物的相互转化，形成非金属及其化合物的研究思路模型 了解陶瓷、玻璃、水泥等传统硅酸盐材料的生产原料、性能和主要用途。 了解并掌握硅、二氧化硅的性质，了解两者在生产生活中的运用。 认识材料对生产生活的影响。 2 情景导入 材料是人类赖以生存和发展的物质基础，人类使用的材料除了金属材料，还有无机非金属材料等。从组成上看，许多无机非金属材料含有硅、氧等元素，具有耐高温、抗腐蚀、硬度高等特点，以及特殊的光学、电学等性能。随着工业生产和社会发展对材料性能要求的提高，一批新型无机非金属材料相继诞生，成为航空、航天、信息和新能源等高技术领域必需的材料。 水泥 玻璃 活动单元一 硅酸盐材料 思考：阅读教材19页资料卡片，归纳硅酸盐的组成、结构和特点. 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，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。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、难溶于水、耐高温、耐腐蚀等特点。 图5-18硅氧四面体的结构示意图 O O O Si O 资料卡片 Si和O构成了硅氧四面体 组成： 硅、氧与其他金属元素结合而成的化合物的总称。 结构： 特点： 硬度高、熔点高、难溶于水、化学性质稳定、耐腐蚀 活动单元一 1、陶瓷 原料 性质 黏土 (主要成分为含水的铝硅酸盐) 抗氧化、抗酸碱腐蚀、耐高温、绝缘、易成型等许多优点 生产建筑材料、 绝缘材料、 日用器皿、 卫生洁具等 应用 图5-19 我国古代烧制的精美瓷器 条件 高温烧结 思考：阅读教材20-21页，归纳陶瓷、玻璃、水泥的原料、主要成分和用途 硅酸盐材料 5 活动单元一 硅酸盐材料 2、玻璃 原料 设备 原理 纯碱、石灰石和石英砂（SiO2） 玻璃窑 SiO2+Na2CO3 Na2SiO3+CO2↑ SiO2+CaCO3 CaSiO3+CO2↑ Na2SiO3 、CaSiO3、SiO2 成分 沙与火的猝练 高温熔融，复杂变化 用途 性能 建筑材料、光学仪器、各种器皿、玻璃纤维 透光性好、硬度大、无固定熔点 思考：玻璃为什么会有颜色呢？ 活动单元一 硅酸盐材料 资料卡片 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。 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？ 7 活动单元一 硅酸盐材料 原料 设备 黏土、石灰石（再加入少量石膏） 水泥回转窑 万丈高楼平地起，穿针引线是水泥 作用：调节水泥硬化速率 用途 性能 遇水逐渐变硬（水硬性）、硬化后性质稳定 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 3、水泥 活动单元二 新型无机非金属材料 一些材料含碳、氮等其他元素，在航天、能源和医疗等领域广泛应用。 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。 高纯度的含硅元素的材料：单晶硅、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。 氮化硅陶瓷 新型无机非金属材料具有的特性 ① 承受高温，强度高。 ② 具有光学特性。 ③ 具有电学特性。 ④ 具有生物功能。 碳化硅金刚石切割片 二氧化硅光导纤维 硅芯片 输送药物的纳米材料 活动单元二 新型无机非金属材料 1、晶体硅 硅晶片 硅太阳能电池 芯片 二极管 思考：自然界中硅以硅酸盐和氧化物的形式存在，如何获得高纯硅呢？ 活动单元二 新型无机非金属材料 制备原理 制备流程 反应 方程式   用焦炭还原石英砂，得到含少量杂质的粗硅， 然后转化为三氯硅烷，再经氢气还原。 资料卡片 高纯硅的制备 思考：能否通过反应SiO2＋2C Si＋2CO↑证明C、Si的还原性强弱？ 高温 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。 活动单元二 新型无机非金属材料 水晶 光导纤维 石英 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 可以制作光导纤维； 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。 水晶、玛瑙饰品 2、二氧化硅 活动单元二 新型无机非金属材料 思考：类比CO2的的性质，推测SiO2具有哪些化学性质 酸性氧化物的共性 1、与碱性氧化物反应：SiO2 + CaO CaSiO3 2、与碱溶液反应：SiO2 + 2NaOH = Na2SiO3 + H2O 高温 已知：Na2SiO3的水溶液俗称水玻璃，具有黏结力强、耐高温等特性 思考： Na2SiO3有哪些用途？ 可以用作黏合剂和防火剂。 已知：实验室盛放碱溶液的试剂瓶应使用橡胶塞，还是玻璃塞？为什么？ 橡胶塞；因为玻璃中含有SiO2，与NaOH溶液反应生成的Na2SiO3的水溶液有黏性，会将玻璃塞与瓶口内侧发生粘连而无法打开。 13 活动单元二 新型无机非金属材料 1、弱氧化性： 2、与某些盐反应： SiO2 + CaCO3 CaSiO3 + CO2 ↑ SiO2 + Na2CO3 Na2SiO3 + CO2↑ 以上两个反应为工业制玻璃的主要反应 高温 高温 SiO2＋2C===Si+2CO↑ 高温 3、与氢氟酸反应：SiO2 + 4HF = SiF4↑ + 2H2O 玻璃中有SiO2，可与氢氟酸反应而使部分玻璃溶解，使玻璃表面呈现磨砂状。 氢氟酸应该用塑料瓶盛装 思考：SiO2还有哪些特性 思考：为什么可以用氢氟酸溶蚀玻璃生产磨砂玻璃？氢氟酸用什么样的试剂瓶存放？ 活动单元二 新型无机非金属材料 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 （俗称金刚砂）一种新型高温结构陶瓷 结构 碳原子和硅原子通过共价键连接，类似于金刚石的空间网状结构 性质 硬度大，熔点高，抗氧化 应用 砂纸和砂轮的磨料、耐高温结构材料、耐高温半导体材料 3、新型陶瓷 活动单元二 新型无机非金属材料 科学 技术 社会 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 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。 高频压电陶瓷谐振器 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、医疗等领域 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，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。 氧化铝陶瓷 16 活动单元二 新型无机非金属材料 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。 4、纳米材料 碳纳米材料：碳单质的同素异形体 思考：碳纳米材料主要有哪些？有什么特点呢？ 结构特点 应用 富勒烯 由碳原子构成的一系列笼形分子的总称 代表物C60开启碳纳米材料研究和应用的新时代 碳纳米管 由石墨片层卷成的管状物，具有纳米尺度的直径 用于生产复合材料、电池和传感器等 石墨烯 只有一个碳原子直径厚度的单层石墨 应用于光电器件、超级电容器、电池和复合材料等 富勒烯 由碳原子构成的一系列笼形分子的总称 纳米王子 定义 代表 C60 因其外观与足球相似，故又称之为足球烯。 碳纳米管 直达宇宙的太空天梯 碳纳米管可以看成是由石墨片卷成的管状物，具有纳米尺度的直径。比表面积大，具有高强度和电学性能，用于生产复合材料，电池、传感器 石墨烯 新材料之王 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。作为一种强度高用于光电器元件、超级电容器、电池和复合材料等。 活动单元二 新型无机非金属材料 活动单元三 课堂练习 1. “九秋风露越窑开，夺得千峰翠色来”是赞誉越窑秘色青瓷的诗句，描绘我国古代精美的青瓷工艺品。玻璃、水泥和陶瓷均为硅酸盐制品，下列有关说法正确的是(　 　) A．玻璃是人类最早使用的硅酸盐制品 B．制水泥的原料为纯碱、石灰石和石英 C．硅酸盐制品的性质稳定、熔点较高 D．沙子和黏土的主要成分均为硅酸盐 C 晶体硅是灰黑色、有金属光泽、硬而脆的固体，其结构类似于金刚石，熔沸点很高、硬度大，导电能力介于导体和绝缘体之间，是良好的半导体材料。 2. 我国具有独立知识产权的电脑芯片“龙芯一号”的问世，填补了我国计算机制造史上的一项空白。下列对晶体硅的有关叙述正确的是( 　 ) A．晶体硅和金刚石的物理性质相似 B．晶体硅的化学性质不活泼，常温下不与任何物质发生反应 C．晶体硅是一种良好的半导体材料，但是它的提炼工艺复杂，价格昂贵 D．晶体硅具有金属光泽，故它属于金属材料，可以导电 A 课堂练习 3. 下列叙述正确的是(　　) A．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 B．因为Na2CO3＋SiO2 Na2SiO3＋CO2↑，所以硅酸的酸性比碳酸强 C．CO2和SiO2都能与碳反应，且都作氧化剂 D．CO2和SiO2都是由分子构成的化合物，所以两者物理性质相似 C ①具有酸性氧化物的通性 ②具有氧化性 SiO2+2C===Si+2CO ↑ 高温 SiO2+4HF=SiF4 ↑ +2H2O 实验室不用玻璃瓶盛装氢氟酸！！ 4.关于二氧化硅，下列叙述不正确的是 （ ） A．水晶的主要成分是二氧化硅 B．二氧化硅和二氧化碳在物理性质上有很大差别 C．二氧化硅不溶于水，也不能跟水起反应生成酸 D．二氧化硅是一种酸性氧化物，它不跟任何酸起反应 D 活动单元三 课堂练习 5. 下列物品或设施： 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 ⑪彩色玻璃 ⑫金刚砂 ⑬氧化铝陶瓷 ⑭石墨烯 (1)使用了硅单质的是： (填序号，下同) (2)使用了二氧化硅的是： (3)使用了硅酸盐材料的是： (4)使用了新型无机非金属材料的是： ⑧⑩ ⑤⑥⑦⑨ ①②③④⑪ ⑤⑥⑦⑧⑨⑩⑫⑬⑭ 活动单元三 $