5.3.1 無機非金屬材料 課件 2023-2024學年高一下學期化學人教版

第五章第三節(jié)第一課時

無機非金屬材料教師導學硅酸鹽材料（一）硅酸鹽的組成、表示和性質(zhì)1.概念：由Si、O、金屬（鋁、鐵、鈣、鎂、鉀、鈉等）等元素組成的化合物的總稱。2.書寫：用鹽的化學式表示，如Na2SiO3用氧化物形式表示，如Na2O?SiO2原則：X金屬氧化物?YSiO2?ZH2O

注意事項：①元素化合價不變

②原子比例不變

③多種金屬同時存在，活潑的寫在前面陶瓷玻璃水泥教師導學拓展：硅酸鹽的結(jié)構(gòu)立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)SiO2晶體中沒有SiO2分子存在，只存在硅氧原子，因此性質(zhì)穩(wěn)定。二氧化硅中氧原子與硅原子個數(shù)比為2：1，用SiO2來表示；SiO2的組成,表示O與Si的原子個數(shù)比,不是分子式是化學式。

SiO2是由Si和O按1：2的比例組成的立體空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。1molSiO2含有多少硅氧鍵？以硅為研究對象，1molSiO2含有1mol硅原子，1mol硅原子會形成4mol硅氧鍵正四面體結(jié)構(gòu)3.結(jié)構(gòu)：在硅酸鹽中，Si和O構(gòu)成了硅氧

結(jié)構(gòu)，Si在中心，O在四面體的4個頂角，每個Si結(jié)合

個O，每個O為兩個四面體所共有結(jié)合

個Si。四面體42硅酸鹽材料水晶（SiO2）瑪瑙（SiO2）硅酸鹽礦石教師導學新型無機非金屬材料（一）硅隨著科學技術(shù)的發(fā)展，無機非金屬材料突破了傳統(tǒng)的硅酸鹽體系，一系列新型無機非金屬材料相繼問世。高純度的含硅元素的材料：單晶硅、二氧化硅等，具有特殊的光學和電學性能。含碳、氮等其他元素，在航天、能源和醫(yī)療等領域廣泛應用。思考：根據(jù)以下圖片總結(jié)歸納出硅元素在自然界中的存在形式？①存在：硅元素含量在地殼中居第二位。硅是親氧元素，在自然界中沒有游離態(tài)，主要以硅酸鹽和

氧化物的形式存在。自然界中不存在游離態(tài)的硅。晶體硅和二氧化硅碳納米管新型陶瓷怎么認識硅及其代合物的性質(zhì)【類比思考】根據(jù)硅的原子結(jié)構(gòu)示意圖以及在元素周期表的位置，找出硅及其化合物并推測對應的性質(zhì)Si

SiO2H2SiO3Na2SiO3CCO2H2CO3Na2CO3教師導學新型無機非金屬材料(1)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族硅正好處于金屬與非金屬的過渡位置，其單質(zhì)的導電性介于導體與絕緣體之間，是良好的半導體材料。(2)硅的導電性：（一）硅教師導學新型無機非金屬材料（3）高純硅的制備資料卡片工業(yè)上制備高純硅，一般需要先制得純度為98%左右的粗硅，再以其為原料制備高純硅。例如，可以將粗硅轉(zhuǎn)化為三氯硅烷(SiHCl3)，再經(jīng)氫氣還原得到高純硅。焦碳石英砂HClH2粗硅1800～2000℃300℃SiHCl3

圖5-23工業(yè)制備高純硅的原理示意圖高純硅1100℃（1）SiO2+2C==Si+2CO↑(粗硅)高溫（2）Si+3HCl==SiHCl3+H2高溫（3）SiHCl3+H2

==Si+3HCl（高純硅）高溫均為置換反應SiO2+2C==Si+2CO↑(粗硅)高溫工業(yè)上利用焦炭與SiO2在高溫下反應制備粗硅，由此能否說明碳的還原性大于硅？提示：氧化性、還原性的強弱，必須是在通常的情況下發(fā)生的反應，上述反應是在高溫條件下發(fā)生的，故不能比較還原性的強弱?！舅伎冀涣鳌?/p>

石英砂(主要礦物成分是SiO2)教師導學新型無機非金屬材料（5）硅的化學性質(zhì)在常溫下只能與氟氣(F2)、HF、氫氧化鈉反應，加熱時能與氧氣、氯氣反應。①穩(wěn)定性：常溫下三反應Si+2F2=SiF4Si+2NaOH+H2O==Na2SiO3+2H2↑Si+4HF==SiF4↑+2H2↑(與唯一酸反應)②還原性：加熱(高溫)三反應Si+2Cl2==SiCl4

Si+O2==SiO2高溫Si+C==SiC(金剛砂)教師導學新型無機非金屬材料（1）二氧化硅的物理性質(zhì)（二）二氧化硅熔沸點高、硬度大、不溶于水是沙子、水晶、石英、瑪瑙的主要成分（2）二氧化硅的化學性質(zhì)①酸性氧化物與強堿溶液反應：與堿性氧化物反應：SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2OSiO2+Na2O====Na2SiO3高溫與碳酸鹽反應SiO2+Na2CO3===Na2SiO3+CO2↑高溫SiO2+CaCO3====CaSiO3+CO2↑高溫工業(yè)生產(chǎn)玻璃原理

主要成分：SiO2、CaSiO3、Na2SiO3②弱氧化性SiO2+2C=====Si+2CO↑高溫用途：制粗硅SiO2+4HF==SiF4↑+2H2O③特性：與HF反應——唯一能與SiO2反應的酸用途：刻蝕玻璃不能與水反應生成硅酸Si

SiO2

H2SiO3Na2SiO3H2SiO3具有哪些性質(zhì)？如何制備？Si

SiO2

H2SiO3Na2SiO3Na2SiO3+2HCl=2NaCl+H2SiO3↓硅酸是一種弱酸，比碳酸弱，不能使紫色石蕊溶液變紅；不溶于水Na2SiO3+CO2+H2O=H2SiO3↓+Na2CO3思考與交流1、保存NaOH溶液的試劑瓶為什么用橡膠塞而不用玻璃塞？SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O2、埋在地下的光導纖維常因土壤成堿性而斷路，為什么？用離子方程式表示。SiO2+2OH-=SiO32-

+H2O3、SiO2既能與HF酸反應又能和NaOH反應，所以它是兩性氧化物？錯。因為SiO2+4HF==SiF4↑+2H2O，生成的SiF4不屬于鹽。4、如何除去SiO2中混有的CaO雜質(zhì)？HCl5、中國北京曙光公司研制了第一款具有我國完全自主知識產(chǎn)權(quán)的高性能CPU芯片——“龍芯”1號。(1)“龍芯”1號(芯片)的主要化學成分是________。(2)互聯(lián)網(wǎng)使用的數(shù)據(jù)傳輸材料叫________，主要化學成分是________。(3)秦兵馬俑制品的主要生產(chǎn)原料是________，主要成分為________。硅光導纖維二氧化硅黏土硅酸鹽同伴助學二氧化硅與二氧化碳的性質(zhì)比較性質(zhì)二氧化碳(CO2)二氧化硅(SiO2)CO2+H2O=H2CO3CO2+2NaOH=Na2CO3+H2OCO2+Na2O=Na2CO3SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2OSiO2+Na2O==Na2SiO3————SiO2+4HF=SiF4↑+2H2O堿性氧化物與堿反應與水反應與氫氟酸反應Na2CO3+SiO2===Na2SiO3+CO2↑CaCO3+SiO2===CaSiO3+CO2↑高溫高溫Na2CO3+CO2+H2O===2NaHCO3CaCO3+CO2+H2O===Ca(HCO3)2與鹽反應教師導學新型無機非金屬材料（3）二氧化硅的用途（二）二氧化硅二氧化硅可用來生產(chǎn)光導纖維。光導纖維的通信容量大，抗干擾性能好，傳輸?shù)男盘柌灰姿p，能有效提高通信效率。教師導學新型無機非金屬材料（三）新型陶瓷新型陶瓷在組成上不再限于傳統(tǒng)的硅酸鹽體系，在光學、熱學、電學、磁學等方面有很多新的特性和功能。耐高溫碳化硅陶瓷碳原子和硅原子通過共價鍵連接結(jié)構(gòu)：性能砂紙和砂輪的磨料碳化硅陶瓷高溫抗氧化性能硬度大耐高溫結(jié)構(gòu)材料耐高溫半導體材料高溫結(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。教師導學新型無機非金屬材料（三）新型陶瓷壓電陶瓷超導陶瓷透明陶瓷主要有鈦酸鹽和鋯酸鹽等，能實現(xiàn)機械能與電能的相互轉(zhuǎn)化，可用于濾波器、揚聲器、超聲波探傷器和點火器等。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。在某一臨界溫度下電阻為零，具有超導性，用于電力、交通、醫(yī)療等領域。教師導學新型無機非金屬材料（1）富勒烯（四）碳納米材料（2）碳納米管（3）石墨烯均為碳單質(zhì)碳納米材料是近年來人們十分關(guān)注的一類新型無機非金屬材料，主要包括富勒烯、碳納米管、石墨烯等，在能源、信息、醫(yī)藥等領域有著廣闊的應用前景。訓練驗學1．根據(jù)陶瓷的生產(chǎn)原理，可以得出硅酸鹽工業(yè)的一般特點是①以含硅物質(zhì)作為原料②主要產(chǎn)物是硅酸鹽③反應條件是高溫④反應原理是復雜的物理變化和化學變化A．只有①③ B．只有②③C．①②③④ D．只有③④C訓練驗學2．制取下列物質(zhì)不需要用石灰石作原料的是(

)A．硅酸 B．水泥C．玻璃 D．生石灰A3．下列有關(guān)新型無機非金屬材料的說法正確的是(

)A．高純硅可用于制造光導纖維B．高純二氧化硅可用于制造太陽能電池C．碳化硅化學性質(zhì)穩(wěn)定，可用于生產(chǎn)砂紙、砂輪等D．金剛石、石墨烯、C60等都屬于碳納米材料C訓練驗學B4．下列有關(guān)硅的化合物說法正確的是 (

)A．SiO2與CO2相似，由一個硅原子和兩個氧原子構(gòu)成一個SiO2分子B．硅酸鹽一般不溶于水，它是水泥、陶瓷、玻璃的主要成分C．H2SiO3既可由SiO2溶于水制得，也可由Na2SiO3和其他酸(如鹽酸)反應制得D．SiO2是酸性氧化物，能和堿反應，不能和酸反應無機非金屬材料水泥傳統(tǒng)無機非金屬材料（硅酸鹽材料）新型無機非金屬材料玻璃陶瓷硅和二氧化硅新型陶瓷碳納米材料硅元素的存在與結(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)

第三周期、第ⅣA族氧化物和硅酸鹽硅是親氧元素，自然界中無游離態(tài)單質(zhì)硅，常以化合態(tài)存在，主要形式為二氧化硅和硅酸鹽。地殼中居第2位硅板書存在硅酸鹽物性：晶體硅熔點高、硬度大、有脆性，良好的半導體材料。化性氧化物：水晶、瑪瑙（SiO2）常溫Si＋4HF＝SiF4↑＋2H2↑Si＋2NaOH＋H2O＝Na2SiO3＋2H2↑Si＋2F2＝SiF4△或高溫Si+O2＝

SiO2△Si+C

＝

SiC（金剛砂)高溫工業(yè)制備晶體硅中的雜質(zhì)會影響其導電性能，因此必須制備高純度的硅。高純硅的制備：石英砂粗硅SiHCl3高純硅1800~2000℃焦炭300℃HCl1100℃H2①SiO2+2CSi(粗)+2CO↑18000C~20000C②

Si+3HClSiHCl3+H23000C③

SiHCl3+H2Si+3HCl11000C硅板書存在硅酸鹽物性：晶體硅熔點高、硬度大、有脆性，良好的半導體材料?；匝趸铮核А旇В⊿iO2）工業(yè)制備SiO2

+2C=Si(粗)+2CO↑Si+3HCl=SiHCl3+H2SiHCl3

+H2

=Si+3HCl高溫△高溫用途：太陽能電池、計算機芯片沙子石英砂瑪瑙水晶SiO2二氧化硅二氧化硅的結(jié)構(gòu)每個Si結(jié)合4個O，Si在中心，O在4個頂角；每個O與2

個Si相結(jié)合。許多個這樣的四面體通過頂角的O相連。二氧化硅晶體中Si和O按1∶2的比例組成立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的晶體。二氧化硅的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)決定了它的熔點高，硬度大，不導電，不溶于水，化學性質(zhì)穩(wěn)定。知識拓展SiO2板書存在：水晶、瑪瑙、石英、光導纖維物性：晶熔點高、硬度大、不溶于水化性SiO2+CaO===CaSiO3高溫SiO2+4HF===SiF4

↑+2H2OSiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O酸性氧化物弱氧化性SiO2+2C===Si+2CO↑高溫氫氟酸刻蝕玻璃與某些鹽用途：建筑材料、光纖制品、飾品、玻璃、鐘表特性？1、SiO2

既能與NaOH溶液反應，也能與氫氟酸反應，能認為SiO2屬于兩性氧化物嗎?提示：SiO2不屬于兩性氧化物。兩性氧化物指既能與酸反應生成鹽和水，又能與堿反應生成鹽和水的氧化物。SiO2能與氫氟酸反應，但并不生成鹽和水。？因為NaOH與SiO2反應非常緩慢，且玻璃瓶內(nèi)壁光滑，接觸面積小，更不容易發(fā)生反應，因此可以用玻璃瓶盛放NaOH溶液。

但磨口玻璃塞的磨口增大了SiO2與NaOH溶液的接觸面積，促進反應的進行，生成硅酸鈉，從而會使瓶塞與瓶口黏結(jié)在一起。2、實驗室存放堿溶液的試劑瓶可以是玻璃的，但塞子卻不用磨口玻璃塞而用橡膠塞，你知道是什么原因嗎？？3、SiO2

屬于酸性氧化物，能否用SiO2與水直接反應制取H2SiO3?由SiO2如何來制取H2SiO3?用化學方程式表示。提示：不能，因為SiO2與水不反應。SiO2NaOH溶液Na2SiO3CO2H2SiO3硅酸H2SiO3是一種很弱的酸，酸性比碳酸還弱，溶解度很小,不穩(wěn)定，受熱易分解H2SiO3H2O+SiO2

如何制備硅酸？已知：酸性：鹽酸>碳酸>硅酸通過可溶性硅酸鹽與酸反應制得的。強酸制弱酸Na2SiO3+H2O+CO2

Na2CO3+H2SiO3↓Na2SiO3+2HCl=2NaCl+H2SiO3↓高中化學唯一難溶性酸硅酸板書物性：白色固體、難溶于水化性弱酸性不穩(wěn)定性

H2SiO3＜

H2CO3

H2SiO3+2NaOH=Na2SiO3

+2H2O不能使酸堿指示劑變色H2SiO3=SiO2+H2O

△可溶性硅酸鹽與酸

Na2SiO3+2HCl=H2SiO3↓+2NaCl制備碳化硅（SiC）

碳化硅，俗稱金剛砂，其中的碳原子和硅原子通過共價鍵連接，具有類似金剛石的結(jié)構(gòu)，硬度很大，可用作砂紙和砂輪的磨料。碳化硅還具有優(yōu)異的高溫抗氧化性能，可用作耐高溫結(jié)構(gòu)材料、耐高溫半導體材料等。新型陶瓷新型無機非金屬材料

新型陶瓷新型無機非金屬材料

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，更能適應嚴酷的環(huán)境，可用于火箭發(fā)動機、汽車發(fā)動機和高溫電極材料等。高溫結(jié)構(gòu)陶瓷新型陶瓷新型無機非金屬材料

壓電陶瓷

主要有鈦酸鹽和鋯酸鹽，能實現(xiàn)機械能和電能的相互轉(zhuǎn)化。透明陶瓷主要有氧化鋁和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。超導陶瓷在某一臨界溫度下電阻為零，具有超導性，可用于電力、交通、醫(yī)療等領域。碳納米材料新型無機非金屬材料

包括富勒烯、碳納米管、石墨烯等，在能源、信息、醫(yī)藥等領域有著廣闊的應用前景。碳納米材料新型無機非金屬材料

富勒烯由碳原子構(gòu)成的一系列籠形分子的總稱（代表物C60）結(jié)構(gòu)：性質(zhì)：用途：具有超導性能在電學、光學、磁學等方面都有重要應用碳納米材料新型無機非金屬材料

碳納米管可看成是由石墨