無機(jī)非金屬材料

第五章化工生產(chǎn)中的重要非金屬元素

第三節(jié)無機(jī)非金屬材料【學(xué)習(xí)目標(biāo)與核心素養(yǎng)】學(xué)習(xí)目標(biāo)1、了解并掌握硅、二氧化硅的性質(zhì)，了解二者在生產(chǎn)、生活中的應(yīng)用。2、根據(jù)無機(jī)非金屬材料在生產(chǎn)、生活中的應(yīng)用來研究材料的性能及應(yīng)用，認(rèn)識到材料對生產(chǎn)、生活的影響。

核心素養(yǎng)1、通過對硅及化合物的學(xué)習(xí)培養(yǎng)學(xué)生論據(jù)推理與模型認(rèn)知的化學(xué)核心素養(yǎng)。2、通過對無機(jī)非金屬材料的了解，深刻認(rèn)識化學(xué)對社會可持續(xù)發(fā)展的重要的作用，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)態(tài)度和社會責(zé)任的化學(xué)核心素養(yǎng)。【引入】

材料是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，人類使用的材料除了金屬材料，還有無機(jī)非金屬材料等。從組成上看，許多無機(jī)非金屬材料含有硅、氧等元素，具有耐高溫、抗腐蝕、硬度高等特點(diǎn)，以及特殊的光學(xué)、電學(xué)等性能。隨著工業(yè)生產(chǎn)和社會發(fā)展對材料性能要求的提高，一批新型無機(jī)非金屬材料相繼誕生，成為航空、航天、信息和新能源等高技術(shù)領(lǐng)域必需的材料。一、硅酸鹽材料無機(jī)非金屬材料一、硅酸鹽材料陶瓷玻璃水泥傳統(tǒng)無機(jī)非金屬材料多為硅酸鹽材料硅酸鹽的結(jié)構(gòu)：在硅酸鹽中，Si和O構(gòu)成了硅氧四面體。每個Si結(jié)合4個O，Si在中心，O在四面體的4個頂角；許多這樣的四面體還可以通過頂角的O相互連接，每個O為兩個四面體所共有，與2個Si相結(jié)合。硅氧四面體結(jié)構(gòu)的特殊性，決定了硅酸鹽材料大多具有硬度高、熔點(diǎn)高、難溶于水、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、耐腐蝕等特點(diǎn)。二氧化硅是由Si和O按1：2的比例組成的立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的原子晶體。一、硅酸鹽材料1.陶瓷原料：歷史：應(yīng)用：黏土(主要成分為含水的鋁硅酸鹽)青花瓷、唐三彩生產(chǎn)建筑材料、絕緣材料、日用器皿、衛(wèi)生潔具等China反應(yīng)條件：高溫?zé)Y(jié)瓷都一、硅酸鹽材料2.玻璃原料：工業(yè)設(shè)備：應(yīng)用：純堿、石灰石和石英砂玻璃窯主要成分：生產(chǎn)建筑材料、光學(xué)儀器、各種器皿，制造玻璃纖維用于高強(qiáng)度復(fù)合材料等Na2SiO3、CaSiO3、SiO2

普通玻璃是以純堿、石灰石和石英砂為原料,經(jīng)混合、粉碎，在玻璃窯中熔融，發(fā)生復(fù)雜的物理變化和化學(xué)變化而制得。你能寫出發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式嗎?【思考與交流】SiO2+Na2CO3

Na2SiO3+CO2↑SiO2+CaCO3

CaSiO3+CO2↑【資料卡片】

生產(chǎn)中采用不同的原料和工藝，可以制得多種具有不同性能和用途的玻璃。例如，用含有鉛的原料制造的光學(xué)玻璃，透光性好，折射率高，可以用來制造眼鏡、照相機(jī)和光學(xué)儀器的透鏡；加入硼酸鹽制成耐化學(xué)腐蝕、耐溫度急劇變化的玻璃，可用于實(shí)驗(yàn)室使用的玻璃儀器；加入一些金屬氧化物或鹽可以得到彩色玻璃，常用于建筑和裝飾。3.水泥原料：工業(yè)設(shè)備：黏土和石灰石水泥回轉(zhuǎn)窯混凝土：水泥、沙子和碎石等與水混合石膏的作用：條件：高溫煅燒調(diào)節(jié)水泥硬化速率一、硅酸鹽材料補(bǔ)充：1.常見的硅酸鹽-硅酸鈉（Na2SiO3）俗名：泡花堿，其水溶液稱為水玻璃，可以制備硅膠、作木材防火劑等。物理性質(zhì)：白色固體，可溶于水，水溶液呈堿性?；瘜W(xué)性質(zhì)：co2少量：Na2SiO3+H2O+CO2==H2SiO3↓+Na2CO3co2過量：Na2SiO3+2H2O+2CO2==H2SiO3↓+2NaHCO3結(jié)論：酸性:H2SiO3<H2CO3（1）酸性太弱，不能使石蕊試液變紅

（2）不穩(wěn)定，受熱易分解?H2SiO3==H2O+SiO22.硅酸（H2SiO3）的化學(xué)性質(zhì)：中和反應(yīng)：H2SiO3+2NaOH==Na2SiO3+2H2O3.硅酸鹽組成的表示方法14活潑金屬氧化物●

不活潑金屬氧化物●

SiO2

●

H2ONa2SiO3:Na2O?SiO2Al2（Si2O5）（OH）4:Al2O3·2SiO2·2H2OK(Al2Si3O9)(OH)

:K2O·2Al2O3·6SiO2·H2O1.硅和二氧化硅

硅元素的存在與結(jié)構(gòu)存在原子結(jié)構(gòu)示意圖周期表中位置含量存在形態(tài)地殼中居第___位___________________

______________二氧化物和硅酸鹽第三周期、第ⅣA族二、新型無機(jī)非金屬材料硅處于金屬與非金屬過渡位置，其單質(zhì)的導(dǎo)電性介于導(dǎo)體與絕緣體之間，是應(yīng)用最為廣泛的半導(dǎo)體材料。自然界中的硅：硅酸鹽礦石水晶（SiO2）瑪瑙（SiO2）（1）.存在形式：硅在自然界中主要以硅酸鹽（如地殼中的大多數(shù)礦物）和氧化物（如水晶、瑪瑙）的形式存在。高溫SiO2+2C===Si+2CO↑（2）.石英砂和焦炭制取粗硅：【資料卡片】SiO2+2C=========

Si+2CO↑1800~2000

℃Si+3HCl

=====

SiHCl3+H2↑300

℃SiHCl3+H2

=====

Si+3HCl1100

℃（3）.硅的化學(xué)性質(zhì)：不活潑①Si+2F2===SiF4④Si+4HF===SiF4↑+2H2↑⑤Si+2NaOH+H2O==Na2SiO3+2H2↑18②Si+2Cl2===SiCl4③Si+O2===SiO2△△△二、新型無機(jī)非金屬材料1.利用其半導(dǎo)體性能制成計算機(jī)、通信設(shè)備和家用電器的芯片。（4）.單質(zhì)硅的應(yīng)用2.光伏電站、人造衛(wèi)星和電動汽車的硅太陽能電池等1.硅和二氧化硅

二氧化硅二、新型無機(jī)非金屬材料

二氧化硅可用來生產(chǎn)光導(dǎo)纖維。光導(dǎo)纖維的通信容量大，抗干擾性能好，傳輸?shù)男盘柌灰姿p，能有效提高通信效率。（1）.SiO2物理性質(zhì)：硬度大，熔點(diǎn)高，不溶于水。

SiO2＋CaO===

CaSiO3

（2）.SiO2化學(xué)性質(zhì):因?yàn)椴Ａе泻蠸iO2,，會與NaOH反應(yīng)生成有粘合性的Na2SiO3，使瓶塞打不開。高溫實(shí)驗(yàn)室盛裝NaOH溶液的試劑瓶為什么用橡膠塞而不用玻璃塞？a.酸性氧化物與堿性氧化物反應(yīng)生成鹽與強(qiáng)堿反應(yīng)生成鹽和水SiO2＋2NaOH=Na2SiO3＋H2O

硅酸鈉（粘合性）

用途：在玻璃上雕花刻字

HF是唯一可以與SiO2

發(fā)生反應(yīng)的酸實(shí)驗(yàn)室能不能用玻璃瓶盛裝氫氟酸？SiO2＋4HF=SiF4↑＋2H2O2.與HF的反應(yīng)SiO2+2CSi+2CO↑高溫==4.在高溫下與碳酸鹽的反應(yīng)SiO2+Na2CO3==CO2

+Na2SiO3SiO2+CaCO3==CO2

+CaSiO3高溫高溫3、弱氧化性：2.新型陶瓷二、新型無機(jī)非金屬材料結(jié)構(gòu)：性能：高溫抗氧化性能碳原子和硅原子通過共價鍵連接硬度大砂紙和砂輪的磨料耐高溫結(jié)構(gòu)材料耐高溫半導(dǎo)體材料碳化硅陶瓷舉例：碳化硅（SiC,俗稱金剛砂）【科學(xué)·技術(shù)·社會】壓電陶瓷：透明陶瓷：主要有鈦酸鹽和鋯酸鹽等，能實(shí)現(xiàn)機(jī)械能與電能的相互轉(zhuǎn)化，可用于濾波器、揚(yáng)聲器、超聲波探傷器和點(diǎn)火器等。主要有氧化鋁、氧化釔等氧化物透明陶瓷和氮化鋁、氟化鈣等非氧化物透明陶瓷，具有優(yōu)異的光學(xué)性能，耐高溫，絕緣性好，可用于高壓鈉燈、激光器和高溫探測窗等。超導(dǎo)陶瓷：在某一臨界溫度下電阻為零，具有超導(dǎo)性，用于電力、交通、醫(yī)療等領(lǐng)域。高溫結(jié)構(gòu)陶瓷：一般用碳化硅、氮化硅或某些金屬氧化物等在高溫下燒結(jié)而成，具有耐高溫、抗氧化、耐磨蝕等優(yōu)良性能。與金屬材料相比，更能適應(yīng)嚴(yán)酷的環(huán)境，可用于火箭發(fā)動機(jī)、汽車發(fā)動機(jī)和高溫電極材料等。3.碳納米材料二、新型無機(jī)非金屬材料

碳納米材料是近年來人們十分關(guān)注的一類新型無機(jī)非金屬材料，主要包括富勒烯、碳納米管、石墨烯等，在能源、信息、醫(yī)藥等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景?！焕障?.碳納米材料二、新型無機(jī)非金屬材料

富勒烯是由碳原子構(gòu)成的一系列籠形分子的總稱，其中的C60是富勒烯的代表物。C60的發(fā)現(xiàn)為納米科學(xué)提供了重要的研究對象，開啟了碳納米材料研究和應(yīng)用的新時代?！技{米管3.碳納米材料二、新型無機(jī)非金屬材料

碳納米管可以看成是由石墨片層卷成的管狀物，具有納米尺度的直徑。碳納米管的比表面積大，有相當(dāng)高的強(qiáng)度和優(yōu)良的電學(xué)性能，可用于生產(chǎn)復(fù)合材料、電池和傳感器等?！?.碳納米材料二、新型無機(jī)非金屬材料

石墨烯是只有一個碳原子直徑厚度的單層石墨，其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)使其電阻率低、熱導(dǎo)率高，具有很高的強(qiáng)度。作為一種具有優(yōu)異性能的新型材料，石墨烯在光電器件、超級電容器、電池和復(fù)合材料等方面的應(yīng)用研究正在不斷深入。1.下列關(guān)于二氧化硅的敘述正確的是（）A．SiO2能與水反應(yīng)生成硅酸

B．SiO2與CO2的結(jié)構(gòu)相同

C．SiO2用于太陽能電池

D．SiO2與氫氧化鈉反應(yīng)生成的鹽儲存在帶橡膠塞的試劑瓶中D知識鞏固【課堂練習(xí)】2.下列關(guān)于硅酸的說法正確的是（）A．硅酸可以通過SiO2和水化合反應(yīng)直接制得

B．可用反應(yīng)Na2SiO3+2HCl===2NaCl+H2SiO3↓制取硅酸C．因?yàn)楣杷犭y溶于水，所以它不能與NaOH溶液反應(yīng)

D．干燥劑“硅膠”的主要成分是硅酸鈉B【課堂練習(xí)】3.能證明硅酸的酸性弱于碳酸酸性的實(shí)驗(yàn)事實(shí)是（）A．CO2溶于水形成碳酸，SiO2難溶于水

B．CO2通入可溶性硅酸鹽中析出硅酸沉淀C．高溫下SiO2與碳酸鹽反應(yīng)生成CO2

D．CO2是氣體，而SiO2是固體B【課堂練習(xí)】4.材料與生活、生產(chǎn)息息相關(guān)，目前使用的材料主要有：金屬材料、傳統(tǒng)無機(jī)非金屬材料、新型無機(jī)非金屬材料、高分子材料、復(fù)合材料等。（1）硅酸鹽材料是重要的傳統(tǒng)無機(jī)非金尾材料，也是日常生活、交通工具、建筑行業(yè)等不可缺少的材料之一。下列不屬于硅酸鹽產(chǎn)品的是

(填寫序號)①光導(dǎo)纖維②水泥③玻璃④陶瓷（2）玻璃是重要的建筑和裝飾材料，玻璃屬于

(填“純凈物”或“混合物”)。有些玻璃的花紋是利用氫氟酸對普通玻璃中的二氧化硅的腐蝕作用而制成的，寫出該反應(yīng)的化學(xué)方程式